高分子物理課程教學(xué)大綱

1、高分子物理課程教學(xué)大綱（中文班）一、課程基本信息課程編號：04100435課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課課程名稱：高分子物理學(xué)時/學(xué)分：56/3.5英文名稱：Polymer Physics考核方式：筆試閉卷先修課程：高等數(shù)學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)、高分子化學(xué)大綱執(zhí)筆人：徐世愛適用專業(yè)：高分子材料與工程、復(fù)合材料、材料物理大綱審核人：徐世愛選用教材：高分子科學(xué)教程，上海市“九五”重點規(guī)劃教材韓哲文、張德震、楊全興、王彬芳編，華東理工大學(xué)出版社二、課堂教學(xué)大綱第一章緒論（一）教學(xué)內(nèi)容介紹高分子科學(xué)的發(fā)展簡史，以及高分子物理是如何建立起來的。以早期獲得過諾貝爾獎的三 位高分子科學(xué)家的研究經(jīng)歷和對高分子科學(xué)的重要

2、貢獻為線索， 向?qū)W生說明高分子科學(xué)發(fā)展的艱難 歷程；介紹教材的結(jié)構(gòu)和特點；介紹高分子物理的研究內(nèi)容；介紹本門課程的學(xué)習(xí)方法。（二）教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu).高分子科學(xué)的誕生與發(fā)展.高分子與傳統(tǒng)科學(xué)的碰撞.高分子物理的研究內(nèi)容.高分子物理的特點（三）教學(xué)目標了解高分子科學(xué)誕生的過程，掌握高分子物理的研究內(nèi)容，了解高分子科學(xué)領(lǐng)域獲得諾貝爾獎的著名 科學(xué)家以及他們獲獎的研究工作。第二章聚合物的結(jié)構(gòu)（一）教學(xué)內(nèi)容介紹高分子的鏈結(jié)構(gòu)，包括：近程結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)單元化學(xué)組成，鍵接結(jié)構(gòu)，支化與交聯(lián)，構(gòu)型和 共聚物結(jié)構(gòu)），遠程結(jié)構(gòu)（構(gòu)象，均方末端距，均方旋轉(zhuǎn)半徑，鏈柔性及其結(jié)構(gòu)的關(guān)系）。介紹高分子的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，包括：高分子間

3、的作用力，結(jié)晶形態(tài)和結(jié)構(gòu)（單晶，球晶） ，晶態(tài) 結(jié)構(gòu)模型和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型，結(jié)晶動力學(xué)及其影響因素,結(jié)晶能力與結(jié)構(gòu)關(guān)系,結(jié)晶度，結(jié)晶熱力學(xué)，高分子的取向及其對聚合物性能的影響，液晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非均相多組分聚合物的織態(tài)結(jié)構(gòu)及其對聚合物性能的影響。（二）教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu).概論高分子結(jié)構(gòu)的特點高分子結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容.高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)高分子的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)單元的間接順序支化與交聯(lián)共聚物的結(jié)構(gòu)高分子鏈的構(gòu)型.高分子鏈的遠程結(jié)構(gòu)聚合物的分子量高分子的分子量分布2高分子鏈的構(gòu)象高分子鏈的柔順性高分子鏈的構(gòu)象統(tǒng)計高分子鏈柔順性的表征.聚合物分子間的相互作用高分子間的相互作用內(nèi)聚能密度.聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)聚合物的結(jié)晶形態(tài)聚

4、合物的晶胞高分子在晶體中的構(gòu)象聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型高分子鏈結(jié)構(gòu)對結(jié)晶能力的影響聚合物的結(jié)晶速度Avrami 方程結(jié)晶速度的溫度依賴性影響結(jié)晶速度的其它因素結(jié)晶度及其對聚合物性能的影響聚合物的熔融及其影響熔點的因素.聚合物的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)無規(guī)線團模型兩相球粒模型.聚合物的取向態(tài)結(jié)構(gòu)高聚物的取向現(xiàn)象高聚物的取向機理取向的應(yīng)用.聚合物的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)基本概念液晶形成的條件液晶的分類高分子液晶的分類液晶聚合物溶液的流動特性液晶高分子的應(yīng)用(三)教學(xué)目標.高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)了解聚合物的結(jié)構(gòu)層次。了解碳鏈高分子、雜鏈高分子、元素高分子和無機高分子的概念。了解高分子結(jié)構(gòu)單元之間的鍵接方式和鑒別方法。掌握高分子鏈構(gòu)型

5、的概念，明確旋光異構(gòu)體和幾何異構(gòu)體形成的原因和類型，掌握等規(guī)度的概念。掌握線形、支化和交聯(lián)高分子的結(jié)構(gòu)特點和性能上的不同。.高分子鏈的遠程結(jié)構(gòu)(1)掌握聚合物多分散性的概念及其表示方法。(2) 了解聚合物各種平均分子量的表示方法，重點掌握數(shù)均和重均分子量的物理意義和計算方法。(3)掌握單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的概念， 掌握高分子鏈的構(gòu)象，掌握自由結(jié)合鏈、自由旋轉(zhuǎn)鏈、等效自由結(jié)合鏈、 高斯鏈的基本概念，以及與實際高分子鏈之間的區(qū)別。(4)掌握高分子柔順性的概念及其影響因素，了解高分子柔順性的表征參數(shù)。(5)掌握均方末端距和均方旋轉(zhuǎn)半徑的概念，了解其平均值的統(tǒng)計含義。了解自由結(jié)合鏈和自由旋轉(zhuǎn) 鏈均方末端距的計算

6、。.聚合物分子間的相互作用(1) 了解聚合物分子之間相互作用的類型和本質(zhì)。(2)掌握內(nèi)聚能和內(nèi)聚能密度的概念，了解內(nèi)聚能密度大小與聚合物性能之間的關(guān)系。.聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)(1)掌握單晶和球晶的結(jié)晶形態(tài)、形成條件和判別方法，了解球晶和單晶中高分子鏈的取向方向，了解高分子鏈在晶體中的構(gòu)象及其形成原因(2) 了解描述聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)的幾種模型，以及每個模型提出的實驗依據(jù)，各自可以解釋的實驗現(xiàn)象 和不能解釋的實驗現(xiàn)象。掌握高分子鏈的結(jié)構(gòu)對其結(jié)晶能力的影響。了解高聚物的結(jié)晶過程，掌握均相成核和異相成核的概念，了解聚合物成核速度和結(jié)晶生長速度 的測定方法，掌握膨脹計法、光學(xué)解偏振法和示差掃描量熱法測定聚合物

7、結(jié)晶速率的原理和方法，掌握半 結(jié)晶時間的概念。掌握Avrami方程及其應(yīng)用范圍，明確 Avrami指數(shù)n的物理意義，及其與晶體生長方式和成核方 式之間的聯(lián)系，了解半結(jié)晶時間與結(jié)晶速率常數(shù)之間的關(guān)系。了解聚合物的結(jié)晶溫度范圍，掌握溫度對聚合物結(jié)晶速率的影響，并能解釋結(jié)晶速率一溫度關(guān)系 曲線。掌握聚合物的分子結(jié)構(gòu)、分子量、雜質(zhì)和外力等因素對聚合物的結(jié)晶速率的影響。掌握結(jié)晶度的概念和表示方法，弄清結(jié)晶度對聚合物各項物理性能的影響。了解聚合物的熔化過程和本質(zhì)，掌握影響結(jié)晶聚合物熔點的因素。.聚合物的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)了解描述聚合物非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的主要模型，和各模型可以解釋的實驗事實。.聚合物的取向態(tài)結(jié)構(gòu)(1)掌握

8、取向的概念、機理及其對聚合物性能的影響。(2)掌握解取向的概念。(3) 了解取向和解取向的原理在纖維生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。.聚合物的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)(1)掌握液晶聚合物的概念，了解液晶聚合物的結(jié)構(gòu)特點和分類。(2) 了解液晶聚合物溶液的性質(zhì)，掌握液晶聚合物的粘度與濃度和溫度之間的關(guān)系。第三章聚合物的分子運動(一)教學(xué)內(nèi)容介紹分子熱運動，包括高分子的運動單元，高分子熱運動和溫度與時間的關(guān)系和聚合物的力學(xué) 狀態(tài)和轉(zhuǎn)變過程。介紹玻璃化轉(zhuǎn)變，包括：自由體積理論，影響 Tg的各種因素。介紹粘性流動，5包括聚合物熔體流動特征，影響Tf的因素，影響聚合物剪切粘度的因素和聚合物流動過程中彈性效應(yīng)。（二）教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu).

9、聚合物的力學(xué)狀態(tài)和熱轉(zhuǎn)變聚合物熱運動的主要特點力學(xué)狀態(tài)和熱轉(zhuǎn)變.聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度耐熱性的表示方法玻璃化轉(zhuǎn)變的自由體積理論WLF方程定義的自由體積影響玻璃化溫度的因素高聚物的次級松弛.聚合物熔體的流變性基本概念非牛頓流體的類型高聚物粘性流動的特點影響粘流溫度的因素聚合物流動性的表征聚合物熔體的流動曲線影響聚合物熔體粘度的因素聚合物熔體粘度的測定聚合物熔體的彈性現(xiàn)象（三）教學(xué)目標.聚合物的力學(xué)狀態(tài)和熱轉(zhuǎn)變了解聚合物分子運動的特點，理解松弛現(xiàn)象和松弛過程的概念(2)掌握聚合物的三種力學(xué)狀態(tài)和兩個轉(zhuǎn)變，并能用分子運動的觀點解釋聚合物的溫度形變曲線。.聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變(

10、1)掌握玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的概念，了解聚合物玻璃化溫度的測定方法，重點掌握膨脹計法、DSC法和DMA法測定玻璃化溫度的原理和方法。(2)掌握自由體積理論，并能用自由體積理論解釋聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。(3)能夠推導(dǎo) WLF方程定義的自由體積分數(shù)為 2.5%。(4)掌握影響聚合物玻璃化溫度的各種因素。.聚合物熔體的流變性(1)掌握高聚物熔體的流動機理，了解高聚物粘流活化能與分子量之間的關(guān)系。(2)掌握高聚物熔體的流體性質(zhì)和流動特點。(3)掌握影響聚合物粘流溫度的各種因素。(4)掌握表觀粘度、零切粘度和無窮剪切粘度的概念，了解聚合物熔體粘度的測定方法。(5)掌握熔融指數(shù)的概念，明確熔融指數(shù)與熔體粘度間

11、的區(qū)別。(6)能夠用鏈纏結(jié)的觀點或物理交聯(lián)點的形成來解釋聚合物熔體的流動曲線。(7)掌握聚合物熔體的粘度與剪切速率、溫度之間的關(guān)系，并掌握柔性聚合物、剛性聚合物的粘度對剪切速率和溫度的不同依賴性。(8)掌握Arrhenius公式和 WLF方程的適用范圍。(9)掌握分子量與聚合物零切粘度之間的關(guān)系。(10) 了解韋森堡效應(yīng)(爬桿現(xiàn)象)、巴拉斯效應(yīng)(擠出物脹大)以及熔體的不穩(wěn)定流動和熔體破裂現(xiàn)第四章高分子的溶液性質(zhì)(一)教學(xué)內(nèi)容介紹聚合物的溶解過程，包括溶解原理和濃度參數(shù)和溶劑選擇原則。介紹高分子溶液熱力學(xué), 包括：Flory-Huggins溶液理論和Flory-Krigbum稀溶液理論。介紹聚合

12、物分子量及分子量分布的測 定方法，包括：端基分析，氣相滲透，膜滲透，光散射，粘度和凝膠色譜。高分子濃溶液的特征，包括：聚合物增塑，凝膠和凍膠（二）教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu).聚合物的溶解聚合物溶解的特點聚合物溶解過程的熱力學(xué)溶劑的選擇.高分子溶液的熱力學(xué)性質(zhì)理想溶液溶液的分類Flory-Huggins高分子溶液理論（晶格模型理論）過量化學(xué)位Flory-Krigbaum 稀溶液理論狀態(tài)（無擾狀態(tài)）擴張因子（溶脹因子）.聚合物分子量的測定端基分析沸點升高和冰點下降膜滲透壓法蒸汽壓滲透法（VPO）粘度法光散射法.聚合物的分子量分布分子量分布的表示方法分子量分布的研究方法高分子的分級實驗方法數(shù)據(jù)處理凝膠滲透色譜.

13、高分子濃溶液高聚物的增塑紡絲夜凝膠和凍膠(三)教學(xué)目標.聚合物的溶解(1)掌握聚合物溶解的過程和特點，弄清聚合物的溶解性與分子量、聚合物的結(jié)構(gòu)以及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)之 間的關(guān)系。(2)可以從熱力學(xué)的觀點解釋聚合物的溶解特點，并說明聚合物的極性對其溶解性的影響，掌握聚合 物溶劑選擇的原則。(3)掌握內(nèi)聚能密度的概念及其測定方法。.高分子溶液的熱力學(xué)性質(zhì)(1)理解理想溶液模型，掌握理想溶液的熱力學(xué)性質(zhì)，了解實際溶液與理想溶液之間的差別。(2) 了解Flory-Huggins晶格模型，了解聚合物溶液熱力學(xué)參數(shù)的計算。掌握相互作用參數(shù)(Huggins參數(shù))1的概念及其物理意義，掌握第二維利系數(shù)A的物理意義。(

14、3)深入理解過量化學(xué)位(E1)的含義，掌握過量化學(xué)位與溶劑性質(zhì)之間的關(guān)系。(4)掌握 狀態(tài)、 溶液、 溫度和 溶劑的概念，并弄清 溶液與理想溶液之間的差別。(5) 了解排斥體積的概念，掌握無擾尺寸和溶脹因子的定義，弄清溶脹因子的大小與高分子鏈狀態(tài)之 間的關(guān)系。.聚合物分子量的測定(1)掌握端基分析法測定分子量的應(yīng)用條件、測定方法和大致的測定范圍，弄清端基分析法測得的是 何種分子量。(2) 了解沸點升高和冰點下降法測定分子量的原理、方法和測定范圍以及測得的是何種分子量。(3)理解滲透壓的概念，掌握膜滲透壓法測定聚合物分子量的原理、實驗方法以及測得的是何種分子 量，掌握用膜滲透壓法測定第二維利系數(shù)

15、A和溫度的方法。了解用氣相滲透測定分子量的方法。了解光散射的基本原理，掌握光散射測定聚合物分子量的實驗方法和數(shù)據(jù)數(shù)理過程，掌握利用光 散射測定第二維利系數(shù)和高分子分子尺寸的方法。掌握相對粘度、增比粘度、比濃粘度、比濃對數(shù)粘度和特性粘度的定義，了解溶液粘度的濃度依 賴性。弄清粘度法測定粘均分子量的基本原理、實驗方法、實驗儀器、數(shù)據(jù)處理過程和測定范圍。掌握MHS方程、了解K、a值的測定及其影響因素。掌握一點法測定分子量的應(yīng)用條件和計算方法。.聚合物分子量分布(1) 了解聚合物分子量分布的表示方法。(2)掌握逐步降溫、逐步沉淀、柱上溶解和梯度淋洗法等分級實驗方法。(3)掌握凝膠滲透色譜(GPC的分離

16、機理，了解 GPC勺儀器構(gòu)成，弄清標定曲線和標定方程、普適 標定參數(shù)和普適標定曲線，以及普適標定曲線與標定曲線之間的轉(zhuǎn)換。掌握GPQM定聚合物分子量分布的原理、實驗方法，了解 GPCM數(shù)據(jù)處理過程，了解 GPCT用的溶劑和標準樣品。.聚合物濃溶液(1)掌握增塑和增塑劑的概念，了解常用的增塑劑以及增塑劑的選擇原則，弄清增塑劑的作用機理。(2) 了解凝膠和凍膠的概念。第五章聚合物的力學(xué)性能(一)教學(xué)內(nèi)容介紹聚合物的力學(xué)性能，應(yīng)力與應(yīng)變，模量與柔量概念，聚合物的高彈性特征及理論、 粘彈性及其力學(xué)模型、時溫等效原理、聚合物的力學(xué)強度、拉伸過程及斷裂破壞過程等。(二)教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu).描述力學(xué)性能的基本物

17、理量應(yīng)力與應(yīng)變模量和柔量泊松比三種模量之間的關(guān)系幾種常見的力學(xué)性能指標10.聚合物的高彈性聚合物高彈性的特點高彈性的高分子結(jié)構(gòu)特征橡膠的彈性理論.聚合物的粘彈性基本概念基本的力學(xué)松弛現(xiàn)象動態(tài)粘彈性粘彈性的力學(xué)模型室溫等效原理Boltzman疊加原理.聚合物的力學(xué)強度高聚物的拉伸行為高聚物的塑性形變高聚物的破壞和理論強度影響高聚物力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)因素測試條件對力學(xué)性能的影響聚合物的韌性和提高韌性的方法(三)教學(xué)目標.描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量了解應(yīng)力、應(yīng)變的概念，掌握簡單拉伸、簡單剪切和均勻壓縮三種基本受力模式下的應(yīng)力、應(yīng)變 的定義和計算公式。掌握模量、柔量和泊松比的概念，掌握楊氏模量、剪切模量和體

18、積模量的定義和計算公式，以及 三者之間的關(guān)系式，了解聚合物泊松比和三種模量的取值范圍。掌握拉伸強度和沖擊強度的概念和計算公式。了解彎曲強度和硬度的定義。.聚合物的高彈性(1)認識聚合物高彈性的特點，了解具有高彈性的聚合物的結(jié)構(gòu)特征，掌握橡膠的熱彈效應(yīng)，并能解11釋熱彈效應(yīng)產(chǎn)生的原因(2)掌握橡膠的熱力學(xué)方程及其推導(dǎo)過程，明確橡膠熱力學(xué)方程的物理意義。(3)掌握理想高彈體的定義，明確理想高彈體的彈性本質(zhì)。了解橡膠形變過程中熱力學(xué)參數(shù)的計算，掌握橡膠的狀態(tài)方程及其物理意義，并理解狀態(tài)方程的 推導(dǎo)過程。掌握交聯(lián)橡膠彈性模量的計算公式，以及彈性模量與溫度的關(guān)系。了解理想橡膠網(wǎng)絡(luò)模型，并認識實際網(wǎng)絡(luò)與理

19、想網(wǎng)絡(luò)之間的差別，并能分析這些差別對橡膠彈性 和模量產(chǎn)生的影響。掌握平衡溶脹度的概念，掌握平衡溶脹方程及其近似形式，能夠熟練地運用橡膠的平衡溶脹方程。.聚合物的高彈性(1)認識理想彈性體和理想粘性體的形變特性，理解高分子材料的粘彈特性及其形變特點。(2)掌握蠕變的基本概念，能畫出聚合物蠕變曲線及其回復(fù)曲線，能夠分析蠕變聚合物蠕變過程中的 各種形變及其機理。弄清線形聚合物和交聯(lián)聚合物蠕變行為及回復(fù)行為的差別，掌握溫度和外力作用的大 小對蠕變行為的影響。(3)掌握應(yīng)力松弛的概念，認識線形高聚物和交聯(lián)高聚物應(yīng)力松弛行為的不同及原因，掌握溫度對聚 合物的應(yīng)力松弛行為的影響。(4)掌握滯后和內(nèi)耗的概念，認識滯后和內(nèi)耗與聚合物結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，弄清高聚物的結(jié)構(gòu)、溫度和 外力作用的頻率對滯后和內(nèi)耗的影響。(5)理解并掌握動態(tài)模量的概念，掌握儲存模量、損耗模量和損耗角正切的概念及其物理意義。(6)掌握Maxwell模型(串聯(lián)模型)和 Voigt模型(并聯(lián)模型)的元件組成、運動方程、對外界應(yīng)力 和應(yīng)變的響應(yīng)過程，兩個模型的應(yīng)用范圍。(7)理解并掌握時溫等效原理，了解不同形式的WLF方程，并能運用 WLF方程計算轉(zhuǎn)換因子aT。(8) 了解Boltamnn疊加原理。.聚合物的力學(xué)強度