聚合物結構與性能課件-材料結構與性能

材料結構與性能（Ⅱ）

-現(xiàn)名為“聚合物結構與性能”材料結構與性能（Ⅱ）

-現(xiàn)名為“聚合物結構與性能”1學習這門課的要求和建議這門課涉及的方面很廣，對知識多方面的了解非常必要，所以在學習過程中要廣泛的閱讀各方面的參考書因為課程內容較深，需要大家集中精力來領會講課的實質，勤記筆記，多思考，真正掌握課程的內容為了使大家能夠深入了解課程的內容，課堂上提問多，大家隨時準備回答問題，回答的對錯不影響學習成績，大膽的發(fā)表自己的看法期末考試是閉卷考試，但是考前提供復習提綱以便大家更深入的學透課程的主要內容最后按筆記和考試情況打分學習這門課的要求和建議這門課涉及的方面很廣，對知識多方面的了2課程大體目錄序言第一章物質世界的普遍規(guī)律及其層次結構第二章元素周期律和元素的基本特征第三章凝聚態(tài)材料的形成（包括四大材料）課程大體目錄序言3序言材料科學與工程和當代科技發(fā)展的關系序言材料科學與工程和當代科技發(fā)展的關系4第一節(jié)、概括了解材料 材料的定義：

可以用來制備有用物件的物質為了某種利用的目的而具備必要性質的物質材料的意義：

是人類從事生產和生活的物質基礎

是人類文明的重要支柱

其進步取決于社會生產力和科技進步

其發(fā)展將推動社會經濟和科技的發(fā)展第一節(jié)、概括了解材料 材料的定義：

可以用來制備有53.材料發(fā)展的歷史

材料應用的發(fā)展是人類發(fā)展的里程碑。人類所有的文明進程都是一他們使用的材料來分類的。1800200019002YEAR10486STRENGTH/DENSITY(IN.X10^6)BroneWoodStoneCastIronCompositesSteelAramidFibersCarbonFibers3.材料發(fā)展的歷史

材料應用的發(fā)展是人類發(fā)64.五次產業(yè)革命(1)石器時代：燧石，一種容易制成工具的石頭300,000BC—3,500BC新石器時代陶繪鉆木取火4.五次產業(yè)革命(1)石器時代：燧石，一種容易制成工具的石頭7(2)青銅器時代蟠龍方壺3,000BC—十六世紀素身銅爵越王勾踐寶劍青銅：銅和錫的合金(2)青銅器時代蟠龍方壺3,000BC—十六世紀素身銅8(3)蒸汽機時代以英國為中心，瓦特發(fā)明了蒸汽機鑄鐵，鐵金屬1600AD-20世紀圖為矗立在伯明翰市中心、紀念詹姆斯·瓦特（右）等發(fā)明蒸汽機的銅雕像蒸汽機倫敦塔橋(3)蒸汽機時代以英國為中心，瓦特發(fā)明了蒸汽機1600AD-9(4)化學工業(yè)興起時代以德國為中心煤焦化得到煤焦油等有機物，從而進行各種反應20世紀德國化學家拜耳柏林(4)化學工業(yè)興起時代以德國為中心20世紀德國化學家拜耳柏10(5)電氣和微電子產業(yè)時代以美國為中心計算機，半導體等電與機械統(tǒng)一的控制論20世紀下芯片高溫超導體馮·諾伊曼(5)電氣和微電子產業(yè)時代以美國為中心20世紀下芯片高溫超11(6)新時代來臨的預兆生命科學和生物技術的發(fā)展包括納米材料在內的新型材料的發(fā)展21世紀據(jù)專家估計本世紀20年代人類將迎接下一個經濟時代，即生物技術經濟產業(yè)時代的到來(6)新時代來臨的預兆生命科學和生物技術的發(fā)展21世紀12第二節(jié)、當今世界科技發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢生命科學與生物技術信息科學與工程材料科學與工程新型能源科學環(huán)境科學海洋科學宇航科學安全科學21世紀人類面臨的八大領域：此八大領域均與材料的重要性有關第二節(jié)、當今世界科技發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢生命科學與生物技術21世131.生命科學和生物技術21世紀的生命科學將向最基本的、最復雜的微觀和宏觀兩極發(fā)展：

一方面分子生物學和量子生物學將廣泛地向其分支

學科領域滲透一方面生態(tài)學又向研究具有復雜功能的生態(tài)系統(tǒng)乃

至生物圈方向發(fā)展。最后，必將把微觀與宏觀整體地聯(lián)系起來，即把分子、細胞、個體、群體、群落等生命不同結構層次作為一個有機系統(tǒng)進行深入研究。因此，分子生物學、細胞生物學、腦科學和生態(tài)學仍然是人們關注的焦點。1.生命科學和生物技術21世紀的生命科學將向最基本的、最復雜141.1生命科學將成為

自然科學的帶頭學科

DNA分子是雙螺旋結構，其螺旋的骨架是由核苷酸的糖（脫氧核糖）和磷酸相結合而成的，從彼此反向的兩根螺旋分別伸長開來的堿基相互結合而形成雙螺旋

1.1生命科學將成為

自然科學的帶頭學科DNA分151.1.1分子生物學將在生命科學中保持主流地位20世紀末，人類基因組全部測試工作基本完成預示著新世紀生命科學必將醞釀著一系列新的宏大突破?；蚪M學這個計劃與曼哈頓原子彈計劃、阿波羅登月計劃并稱20世紀人類三大科學計劃。

1.1.1分子生物學將在生命科學中保持主流地位20世紀末，人16蛋白質組學:以基因組全序列為基礎，從整個基因組及其全套蛋白質產物的結構-功能出發(fā)去了解生命活動的全貌。

2019年以來，國際人類蛋白質組組織(HUPO)正式成立

人類基因組計劃的成功實施，為了真正破譯、讀懂遺傳信息，各國科學家隨即將生命科學的戰(zhàn)略重點轉到以闡明人類基因組整體功能為目標的功能基因組學上。這樣蛋白質自然成為新的研究焦點。以研究一種細胞、組織或完整生物體所擁有的全套蛋白質為特征的蛋白質組學自然就成為功能基因組學中的“中流砥柱”，構成了功能基因組學研究的戰(zhàn)略制高點。

蛋白質組學:2019年以來，國際人類蛋白質組組織(HUPO)171.1.2細胞生物學還作為生命科學的基礎科學繼續(xù)發(fā)展動物細胞結構植物細胞結構細胞是生命的基本單位，細胞的特殊性決定了個體的特殊性，因此，對細胞的深入研究是揭開生命奧秘、改造生命和征服疾病的關鍵?，F(xiàn)代細胞生物學從顯微水平，超微水平和分子水平等不同層次研究細胞的結構、功能及生命活動。在我國基礎學科發(fā)展規(guī)劃中，細胞生物學與分子生物學，神經生物學和生態(tài)學并列為生命科學的四大基礎學科。

1.1.2細胞生物學還作為生命科學的基礎科學繼續(xù)發(fā)展動物細胞181.1.3腦科學將代表生命科學發(fā)展的一個高峰關于大腦功能的研究，已經成為現(xiàn)代科學最深奧的課題，也是最難攻克的科學堡壘。為了探索人腦奧秘，攻克各種疾病，開發(fā)人工智能技術，歐美等國家紛紛制定了腦科學研究的長遠計劃，并宣布21世紀是“腦科學時代”。

1.1.3腦科學將代表生命科學發(fā)展的一個高峰關于大腦功能的研191.2生物技術21世紀科學技術的核心是生命科學。以基因克隆和重組技術日趨成熟,在農業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥和疾病防治景，對人類的生活將產生重大影響基因技術對人類的貢獻程度取決于對基因組的研究進展。耗資數(shù)十億美元的人類基因組計劃在2019年已經提前完成，為揭示人類的生長、衰老、疾病、死亡的秘密打下堅實的基礎。

用轉變基因技術繁殖的一頭牛

1.2生物技術21世紀科學技術的核心是生命科學。以基因克隆和20人工合成牛胰島素雜交水稻轉基因鯉魚

人工合成牛胰島素雜交水稻轉基因鯉魚21生物芯片生物芯片技術是通過縮微技術，根據(jù)分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學領域中不連續(xù)的分析過程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化學分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細胞、蛋白質、基因及其它生物組分的準確、快速、大信息量的檢測。生物芯片技術廣泛應用于科研、醫(yī)療、農業(yè)、食品、環(huán)境保護、司法鑒定等領域。成為與晶體管芯片一樣重要的產業(yè)。生物芯片生物芯片技術是通過縮微技術，根據(jù)分子間特異性地相互作22史前人類——金字塔的特殊結構秘密及UFO地球上的生命起源的奧秘——原始地球上積聚的前生物有機分子（類蛋白質、類核酸、類脂、糖類等有機物質）是如何進化成生命的呢？其他物種的遺傳基因密碼子使用頻率遺傳基因與微觀環(huán)境對DNA基因結構的影響氨基酸和遺傳密碼子堿基結構之間化學進化的耗散過程四堿基內聚能密度類型對遺傳密碼子分布的調控機理染色體結構與“怪數(shù)”之說尚需我們努力的方向：史前人類——金字塔的特殊結構秘密及UFO尚需我們努力的方向23有關金字塔的許多參數(shù)具有特殊意義:

①金字塔高×10億=地球到太陽距離=1.5億公里。②③塔的周長正好365.24埃及米=1年的天數(shù)。④塔的自重×1015=地球重量。⑤金字塔錐角正好是自然塌落現(xiàn)象的穩(wěn)定角515049，四邊邊長誤差不到20厘米，它的輔角和西北角的高度相差僅1.27厘米，東西軸和南北軸線的方位誤差不超過5弧秒，是最穩(wěn)定錐角結構，這樣的高精度建筑連現(xiàn)代建筑科學與工程技術也難以達到，不可思議。⑥一座金字塔大約由260萬塊巨石組成，每塊巨石平均重約5～12噸，其中最重的達1600噸，連現(xiàn)代工程技術也難作到。⑦金字塔處于地球北偉30的陸地重力中心，把陸地平分為兩半，地球兩極軸心的位置每一天都有一定的變化，但在經25827年周期后，軸心位置又回到原來的位置，而有意思的是金字塔對角線之和也正符25827.6這個數(shù)字。⑧塔內有一種力量，可使金屬不生銹，一枚銹跡斑斑的金屬變得金光燦爛，牛奶保鮮，水果保質，病人康復，頭痛，牙痛者進金字塔內過一小時左右就不痛了。一些菜籽進金字塔就能發(fā)芽，且苗長4倍，葉綠素多4倍。看起來金字塔是一個非常好的微波振諧腔體，形成各種生命的能量?，F(xiàn)在用類似金字塔結構的建筑，或隨便用紙、木板、鐵質造的模型也有類似上述“金字塔效應”；作者也發(fā)現(xiàn)用紙做的金字塔蓋在臉上睡覺，睡得很香，并進入一些怪夢中。有關金字塔的許多參數(shù)具有特殊意義:①金字塔高×10億=地24通信衛(wèi)星信息——人腦的延續(xù)2.信息技術萊布尼茨發(fā)明的二進制在計算機以及信息理論中的運用，使得信息技術將繼續(xù)在所有方面深刻地影響世界

通信衛(wèi)星信息——人腦的延續(xù)2.信息技術萊布尼茨25單晶硅為代表的半導體微電子材料激光晶體為代表的光電子材料；介質陶瓷和熱敏陶瓷為代表的電子陶瓷材料釹鐵硼（NdFeB）永磁材料為代表的磁性材料；光纖通信材料磁存儲和光盤存儲為主的數(shù)據(jù)存儲材料壓電晶體與薄膜材料貯氫材料和鋰離子嵌入材料為代表的綠色電池材料這些基礎材料及其產品支撐著通信、計算機、信息家電與網(wǎng)絡技術等現(xiàn)代信息產業(yè)的發(fā)展。電子信息材料

是指在微電子、光電子技術和新型元器件基礎產品領域中所用的材料，主要包括：單晶硅為代表的半導體微電子材料這些基礎材料及其26全球定位系統(tǒng)技術GPS俄羅斯Glonass(格洛納斯全球導航系統(tǒng))信息技術全方位的發(fā)展正在改變著人們幾千年來形成的信息傳遞方式、人際間的溝通方式和社會管理的組織方式，并深刻地影響著社會生活、企業(yè)和政府運作的方式。

歐洲的Galileo定位系統(tǒng)中國北斗定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)技術GPS俄羅斯Glonass(格洛納斯全球導航27光子計算機、生物計算機、量子計算機都在加速研究量子計算以色列已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型“生物計算機”，一萬億個這樣的計算機僅一滴水那樣大。大規(guī)模神經集成電路進行檢測,第六代電子計算機的心臟

經過特殊培養(yǎng)后制成的生物芯片，可作為一種新型高速計算機的集成電路光子計算機、生物計算機、量子計算機都在加速研究量子計算以色列28我國最小遙感衛(wèi)星遙感技術我國最小遙感衛(wèi)星遙感技術29家電信息技術家電信息技術30尚需我們努力的方向：目前計算機一切信息信號就是由八種信息密碼的排序來實現(xiàn)的。但是這種計算機智能與人類腦力仍有很大差距。為了使電子計算機的功能進一步提高，以色列最近發(fā)明的DNA計算機，正在向實用方向發(fā)展。計算機科技還要進一步向深亞米化、超大規(guī)模集成、網(wǎng)格化、智能化方向發(fā)展生物計算機（8*8種信息密碼排序）實用化還有很長的路要走尚需我們努力的方向：目前計算機一切信息信號就是由八種信息密碼313.新材料繼續(xù)成為人類文明的基石材料應用的發(fā)展是人類發(fā)展的里程碑。人類所有的文明進程都是一他們使用的材料來分類的。石器時代、銅器時代、鐵器時代等。納米材料電子信息材料先進陶瓷材料復合材料生物材料高分子材料3.新材料繼續(xù)成為人類文明的基石材料應用的發(fā)展是人類發(fā)展的里32神州6號有望用上“納米鐵紙”比紙還薄3.1納米材料具有特殊的量子效應、界面效應、表面效應等等，使材料表現(xiàn)出物理和化學上的奇異現(xiàn)象，將會帶來很多的工業(yè)應用當前的研究熱點和技術前沿包括：以碳納米管為代表的納米組裝材料；納米陶瓷和納米復合材料等高性能納米結構材料；納米涂層材料的設計與合成；單電子晶體管、納米激光器和納米開關等納米電子器件的研制、C60超高密度信息存貯材料等。

神州6號有望用上“納米鐵紙”比紙還薄3.1納米材料具有特殊33光子晶體與光子晶體光纖有機顯示材料光導纖維3.2電子信息材料的總體發(fā)展趨勢是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向發(fā)展。當前的研究熱點和技術前沿：包括柔性晶體管、光子晶體、SiC、GaN、ZnSe等寬禁帶半導體材料為代表的第三代半導體材料、有機顯示材料以及各種納米電子材料等。光子晶體與光子晶體光纖有機顯示材料光導纖維3.2電子信息材343.3先進陶瓷材料高性能低溫燒結陶瓷陶瓷電容器壓電陶瓷換能晶片當前的研究熱點：包括陶瓷材料的強韌化技術、納米陶瓷材料的制備合成技術、先進結構陶瓷材料體系的設計以及電子陶瓷材料的高勻、超細技術。

透明陶瓷鏡頭

納米陶瓷3.3先進陶瓷材料高性能低溫燒結陶瓷陶瓷電容器壓電陶瓷換能35未來復合材料的研究方向:主要集中在納米復合材料、仿生復合材料和多功能、智能復合材料等領域。

超塑鋁合金制造的汽車外形用無壓滲透法制備的鋁基復合材料3.4復合材料全復合材料機體無人直升機未來復合材料的研究方向:主要集中在納米復合材料、仿生復合材料363.5生物材料：材料科學技術中的一個正在發(fā)展的新領域，不僅技術含量和經濟價值高人工骨

我國第一項納米醫(yī)藥產品——納米人工骨顆粒人工皮膚

人造心臟

3.5生物材料：材料科學技術中的一個正在發(fā)展的新領域，不僅373.6高分子材料塑料橡膠纖維表面材料（涂料）注：此部分將在以后進行詳細講解3.6高分子材料塑料橡膠纖維表面材料（涂料）注：此部分將在383.6.1功能高分子材料近年來一些功能高分子材料的出現(xiàn)，如光敏高分子、導電性高分子、醫(yī)用高分子、高分子膜等，將加速合成材料工業(yè)的發(fā)展，對國民經濟起一定的推動作用。聚合物鋰電池超級吸水聚合物聚合物光纖脂質水凝膠3.6.1功能高分子材料近年來一些功能高分子39超強度(每平方厘米2000公斤以上);超微比重(每立方厘米0.001克以下）；多功能；無污染（可自毀）；可再生。

在新的世紀我們對材料提出了

前所未有的高要求：生物材料功能化干細胞應用于組織工程在新的世紀我們對材料提出了

前所未有的高要求：生物材料功能化404.能源科學能源是人類社會存在和發(fā)展的基石，使經濟發(fā)展和文明進步的基本約束條件化石燃料高效與清潔利用技術廣泛應用，節(jié)能技術和能源高效利用技術越來越受到廣泛重視煤直接液化高效催化劑4.能源科學能源是人類社會存在和發(fā)展的基石，使經濟發(fā)展和文明41能源生產與節(jié)能先進技術無不建立在新材料不斷發(fā)展的基礎之上化石能源的高效與清潔生產需要材料的不斷改進核能仍將不斷得到發(fā)展，材料是關鍵之一再生能源（特別是太陽能）的利用雖然誘人，但材料是瓶頸超導材料、磁性材料、蓄電池及燃料電池發(fā)揮越來越重要的作用，需要高效率的正電極和負電極新材料因此，隨著材料科學技術，特別是納米技術受到高度重視，21世紀能源新材料將會得到迅速發(fā)展能源生產與節(jié)能先進技術無不建立在新材料不斷發(fā)展的基礎之上化石42硅太陽能電磁加大利用各種可再生能源高空發(fā)電機“捕捉風能”風車發(fā)電生物能硅太陽能電磁加大利用各種可再生能源高空發(fā)電機“捕捉風能”風車43開發(fā)新能源技術方面有所突破通用公司的氫動力車Hy-wire

秦山核電站美國開始研制核能飛船地球到火星不到60天中國新型核潛艇開發(fā)新能源技術方面有所突破通用公司的氫動力車Hy-wire44我們尚需努力的方向：降低各種新能源的成本，使他們進一步產業(yè)化研制出高效、安全、潔凈的核能系統(tǒng)進一步開發(fā)新的能源：波能、可燃冰、煤成氣、微生物、綠藻現(xiàn)有煤向油的直接轉化利用化學方法研制出更加高效的燃料電池以及太陽能電池與能源相關領域如新型材料的開發(fā)我們尚需努力的方向：降低各種新能源的成本，使他們進一步產業(yè)化455.環(huán)境科學隨著社會的發(fā)展和科技的進步，人類越來越覺得環(huán)境的重要，從而誕生一門從生態(tài)觀點出發(fā)，將資源的合理利用和環(huán)境保護運用到生產和環(huán)境建設領域的綜合性學科——資源環(huán)境科學5.環(huán)境科學隨著社會的發(fā)展和科技的進步，人類46環(huán)境污染使人類的生存遭到威脅水、空氣、土地是我們生存的基礎，可當水的清澈，空氣的自由呼吸，土地的肥沃被滿眼的油污，被刺鼻的化學味，被漂浮的粉塵侵蝕后，我們面對的將是無法挽回的傷痛，是癌癥、是白血病、是中毒，甚至是死亡的代價！污染的河流環(huán)境污染使人類的生存遭到威脅水、空氣、土地是我們生存的基礎，47酸雨沙漠化南極上空的臭氧空洞白色污染污染的河流酸雨沙漠化南極上空的臭氧空洞白色污染污染的河流48白色污染要解決“白色污染”問題，應該從以下幾個方面著手：

1.減少使用不必要的塑料制品，如用布袋代替塑料袋等2.重復使用某些塑料制品如塑料袋、塑料盒等；3.分類回收各種廢棄塑料4.使用一些新型的、可降解的塑料，如微生物降解塑料和光降解塑料等

可降解塑料的降解過程白色污染要解決“白色污染”問題，應該從以下幾個方面著手：可49從生態(tài)觀點出發(fā)，將資源的合理利用和環(huán)境保護運用到生產和環(huán)境建設領域中先進資源的化學制控和工程技術及各種廢棄資源回收與提升新型環(huán)境友好型材料的開發(fā)：可降解材料、可回收材料、抑菌材料等防止沙漠化和沙漠的利用保護環(huán)境從生態(tài)觀點出發(fā)，將資源的合理利用和環(huán)境保護運用到生產和環(huán)境建506.海洋技術海洋科技事關人類的可持續(xù)發(fā)展，事關國家安全、世界政治和經濟格局，因此越來越引起各國的重視。6.海洋技術海洋科技事關人類的可持續(xù)發(fā)展，事關國家安全、世界51

海洋監(jiān)測技術——海床基動力要素綜合自動檢測系統(tǒng)

BY8-水下金屬探測儀在軍事領域被廣泛使用，同時也被應用于沉船打撈、漁業(yè)、水下考古等

海洋資源的開發(fā)，深水作業(yè)需要其他相關領域科技的支持，材料科學的發(fā)展，高強超韌材料的研發(fā)可以為我國的海洋開發(fā)、海洋利用和海洋保護提供先進的技術和手段。海洋資源的開發(fā)需要材料學的發(fā)展海洋監(jiān)測技術——海床基動力要素綜合自動檢測系統(tǒng)BY8-水52不久前美國一權威著作預言：21世紀國家對航天能力的依賴可與19—20世紀國家對電力、石油的依賴相比擬。

7.空間技術幫助人類實現(xiàn)遠古夢想不久前美國一權威著作預言：21世紀國家對航天能力的依賴可與153這些航天運載工具的外殼一般為玻璃鋼，用碳纖維浸漬于酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂上，然后手工覆上，最后用超聲波檢驗，保證無氣泡。航天器的發(fā)展必須以高性能材料的發(fā)展為基礎，有極輕的重量和極高的強度，從而使它們性能先進、有效載荷大和耐航性長“神舟”五號載人飛船成功發(fā)射

材料在航天領域有著至關重要的作用這些航天運載工具的外殼一般為玻璃鋼，用碳纖維浸54“發(fā)現(xiàn)號”外掛油箱上絕熱泡沫的脫落曾讓許多美國人心驚膽戰(zhàn)而三年前，正是由于塑料泡沫部件在發(fā)射時撞壞了一片防熱瓦，導致“哥倫比亞”號在返航時空中解體“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機“發(fā)現(xiàn)號”外掛油箱上絕熱泡沫的脫落曾讓許多美國人心驚膽戰(zhàn)“發(fā)55國際號空間站和平號空間站哈勃空間望遠鏡國際號空間站和平號空間站哈勃空間望遠鏡56美國全球定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星導航歐洲Galileo（伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)）俄羅斯Glonass(格洛納斯全球導航系統(tǒng))美國全球定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星導航歐洲Galileo（伽利略衛(wèi)星導57已經建成的月球資源開發(fā)基地

月球地形圖，藍色區(qū)域主要由月海玄武巖所覆蓋

已經建成的月球資源開發(fā)基地月球地形圖，藍色區(qū)域主要由月海玄58我們尚需努力的方向：更全面地認識地球。由于地球面積遼闊，人們僅從地面上認清地球非常困難，所以必須發(fā)展空間技術獲取新的資源，因為地球資源十分有限，所以人類必須尋找、開發(fā)和利用空間資源。開發(fā)新的高性能材料火星探索“漫游者”我們尚需努力的方向：更全面地認識地球。由于地球面積遼闊，人們59綠色農業(yè)園立體種植8.安全科學綠色農業(yè)園立體種植8.安全科學60如何認識轉基因食品補品食品的包裝材料轉基因食品食品包裝袋？？食品安全如何認識轉基因食品轉基因食品食品包裝袋？？食品安全61尚需努力的方向加強生產過程的安全問題發(fā)展高效農業(yè)，解決人類的溫飽問題加強食品監(jiān)管體制，加大打擊力度加深對轉基因食品的認識深入對中藥的研究開發(fā)具有優(yōu)異性能的食品包裝材料尚需努力的方向加強生產過程的安全問題62八大領域的關系彼此相互聯(lián)系，滲透交叉整個科技群體構成了協(xié)同發(fā)展的復雜世界新技術的產生和發(fā)展往往是“連鎖反應”，全面爆發(fā)，相互激發(fā)，形成技術的“群體革命”這八個領域的技術，最終還是為了進一步發(fā)展生命科學，為人類的健康長壽服務生命科學與生物技術信息科學與工程材料科學與工程新型能源技術環(huán)境科學技術海洋科學技術宇航科學技術高效農業(yè)和食品安全八大領域的關系彼此相互聯(lián)系，滲透交叉整個科技群體構成了協(xié)同發(fā)63新型材料八大領域關系信息科學海洋科學宇航科學新能源科學環(huán)境科學安全科學生命科學生物臟器組織功能材料生物食品化學資源開發(fā)生態(tài)環(huán)境友好材料新型材料八大領域關系信息科學海洋科學宇航科學新能源科學環(huán)境科64材料結構與性能（Ⅱ）

-現(xiàn)名為“聚合物結構與性能”材料結構與性能（Ⅱ）

-現(xiàn)名為“聚合物結構與性能”65學習這門課的要求和建議這門課涉及的方面很廣，對知識多方面的了解非常必要，所以在學習過程中要廣泛的閱讀各方面的參考書因為課程內容較深，需要大家集中精力來領會講課的實質，勤記筆記，多思考，真正掌握課程的內容為了使大家能夠深入了解課程的內容，課堂上提問多，大家隨時準備回答問題，回答的對錯不影響學習成績，大膽的發(fā)表自己的看法期末考試是閉卷考試，但是考前提供復習提綱以便大家更深入的學透課程的主要內容最后按筆記和考試情況打分學習這門課的要求和建議這門課涉及的方面很廣，對知識多方面的了66課程大體目錄序言第一章物質世界的普遍規(guī)律及其層次結構第二章元素周期律和元素的基本特征第三章凝聚態(tài)材料的形成（包括四大材料）課程大體目錄序言67序言材料科學與工程和當代科技發(fā)展的關系序言材料科學與工程和當代科技發(fā)展的關系68第一節(jié)、概括了解材料 材料的定義：

可以用來制備有用物件的物質為了某種利用的目的而具備必要性質的物質材料的意義：

是人類從事生產和生活的物質基礎

是人類文明的重要支柱

其進步取決于社會生產力和科技進步

其發(fā)展將推動社會經濟和科技的發(fā)展第一節(jié)、概括了解材料 材料的定義：

可以用來制備有693.材料發(fā)展的歷史

材料應用的發(fā)展是人類發(fā)展的里程碑。人類所有的文明進程都是一他們使用的材料來分類的。1800200019002YEAR10486STRENGTH/DENSITY(IN.X10^6)BroneWoodStoneCastIronCompositesSteelAramidFibersCarbonFibers3.材料發(fā)展的歷史

材料應用的發(fā)展是人類發(fā)704.五次產業(yè)革命(1)石器時代：燧石，一種容易制成工具的石頭300,000BC—3,500BC新石器時代陶繪鉆木取火4.五次產業(yè)革命(1)石器時代：燧石，一種容易制成工具的石頭71(2)青銅器時代蟠龍方壺3,000BC—十六世紀素身銅爵越王勾踐寶劍青銅：銅和錫的合金(2)青銅器時代蟠龍方壺3,000BC—十六世紀素身銅72(3)蒸汽機時代以英國為中心，瓦特發(fā)明了蒸汽機鑄鐵，鐵金屬1600AD-20世紀圖為矗立在伯明翰市中心、紀念詹姆斯·瓦特（右）等發(fā)明蒸汽機的銅雕像蒸汽機倫敦塔橋(3)蒸汽機時代以英國為中心，瓦特發(fā)明了蒸汽機1600AD-73(4)化學工業(yè)興起時代以德國為中心煤焦化得到煤焦油等有機物，從而進行各種反應20世紀德國化學家拜耳柏林(4)化學工業(yè)興起時代以德國為中心20世紀德國化學家拜耳柏74(5)電氣和微電子產業(yè)時代以美國為中心計算機，半導體等電與機械統(tǒng)一的控制論20世紀下芯片高溫超導體馮·諾伊曼(5)電氣和微電子產業(yè)時代以美國為中心20世紀下芯片高溫超75(6)新時代來臨的預兆生命科學和生物技術的發(fā)展包括納米材料在內的新型材料的發(fā)展21世紀據(jù)專家估計本世紀20年代人類將迎接下一個經濟時代，即生物技術經濟產業(yè)時代的到來(6)新時代來臨的預兆生命科學和生物技術的發(fā)展21世紀76第二節(jié)、當今世界科技發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢生命科學與生物技術信息科學與工程材料科學與工程新型能源科學環(huán)境科學海洋科學宇航科學安全科學21世紀人類面臨的八大領域：此八大領域均與材料的重要性有關第二節(jié)、當今世界科技發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢生命科學與生物技術21世771.生命科學和生物技術21世紀的生命科學將向最基本的、最復雜的微觀和宏觀兩極發(fā)展：

一方面分子生物學和量子生物學將廣泛地向其分支

學科領域滲透一方面生態(tài)學又向研究具有復雜功能的生態(tài)系統(tǒng)乃

至生物圈方向發(fā)展。最后，必將把微觀與宏觀整體地聯(lián)系起來，即把分子、細胞、個體、群體、群落等生命不同結構層次作為一個有機系統(tǒng)進行深入研究。因此，分子生物學、細胞生物學、腦科學和生態(tài)學仍然是人們關注的焦點。1.生命科學和生物技術21世紀的生命科學將向最基本的、最復雜781.1生命科學將成為

自然科學的帶頭學科

DNA分子是雙螺旋結構，其螺旋的骨架是由核苷酸的糖（脫氧核糖）和磷酸相結合而成的，從彼此反向的兩根螺旋分別伸長開來的堿基相互結合而形成雙螺旋

1.1生命科學將成為

自然科學的帶頭學科DNA分791.1.1分子生物學將在生命科學中保持主流地位20世紀末，人類基因組全部測試工作基本完成預示著新世紀生命科學必將醞釀著一系列新的宏大突破?；蚪M學這個計劃與曼哈頓原子彈計劃、阿波羅登月計劃并稱20世紀人類三大科學計劃。

1.1.1分子生物學將在生命科學中保持主流地位20世紀末，人80蛋白質組學:以基因組全序列為基礎，從整個基因組及其全套蛋白質產物的結構-功能出發(fā)去了解生命活動的全貌。

2019年以來，國際人類蛋白質組組織(HUPO)正式成立

人類基因組計劃的成功實施，為了真正破譯、讀懂遺傳信息，各國科學家隨即將生命科學的戰(zhàn)略重點轉到以闡明人類基因組整體功能為目標的功能基因組學上。這樣蛋白質自然成為新的研究焦點。以研究一種細胞、組織或完整生物體所擁有的全套蛋白質為特征的蛋白質組學自然就成為功能基因組學中的“中流砥柱”，構成了功能基因組學研究的戰(zhàn)略制高點。

蛋白質組學:2019年以來，國際人類蛋白質組組織(HUPO)811.1.2細胞生物學還作為生命科學的基礎科學繼續(xù)發(fā)展動物細胞結構植物細胞結構細胞是生命的基本單位，細胞的特殊性決定了個體的特殊性，因此，對細胞的深入研究是揭開生命奧秘、改造生命和征服疾病的關鍵。現(xiàn)代細胞生物學從顯微水平，超微水平和分子水平等不同層次研究細胞的結構、功能及生命活動。在我國基礎學科發(fā)展規(guī)劃中，細胞生物學與分子生物學，神經生物學和生態(tài)學并列為生命科學的四大基礎學科。

1.1.2細胞生物學還作為生命科學的基礎科學繼續(xù)發(fā)展動物細胞821.1.3腦科學將代表生命科學發(fā)展的一個高峰關于大腦功能的研究，已經成為現(xiàn)代科學最深奧的課題，也是最難攻克的科學堡壘。為了探索人腦奧秘，攻克各種疾病，開發(fā)人工智能技術，歐美等國家紛紛制定了腦科學研究的長遠計劃，并宣布21世紀是“腦科學時代”。

1.1.3腦科學將代表生命科學發(fā)展的一個高峰關于大腦功能的研831.2生物技術21世紀科學技術的核心是生命科學。以基因克隆和重組技術日趨成熟,在農業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥和疾病防治景，對人類的生活將產生重大影響基因技術對人類的貢獻程度取決于對基因組的研究進展。耗資數(shù)十億美元的人類基因組計劃在2019年已經提前完成，為揭示人類的生長、衰老、疾病、死亡的秘密打下堅實的基礎。

用轉變基因技術繁殖的一頭牛

1.2生物技術21世紀科學技術的核心是生命科學。以基因克隆和84人工合成牛胰島素雜交水稻轉基因鯉魚

人工合成牛胰島素雜交水稻轉基因鯉魚85生物芯片生物芯片技術是通過縮微技術，根據(jù)分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學領域中不連續(xù)的分析過程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化學分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細胞、蛋白質、基因及其它生物組分的準確、快速、大信息量的檢測。生物芯片技術廣泛應用于科研、醫(yī)療、農業(yè)、食品、環(huán)境保護、司法鑒定等領域。成為與晶體管芯片一樣重要的產業(yè)。生物芯片生物芯片技術是通過縮微技術，根據(jù)分子間特異性地相互作86史前人類——金字塔的特殊結構秘密及UFO地球上的生命起源的奧秘——原始地球上積聚的前生物有機分子（類蛋白質、類核酸、類脂、糖類等有機物質）是如何進化成生命的呢？其他物種的遺傳基因密碼子使用頻率遺傳基因與微觀環(huán)境對DNA基因結構的影響氨基酸和遺傳密碼子堿基結構之間化學進化的耗散過程四堿基內聚能密度類型對遺傳密碼子分布的調控機理染色體結構與“怪數(shù)”之說尚需我們努力的方向：史前人類——金字塔的特殊結構秘密及UFO尚需我們努力的方向87有關金字塔的許多參數(shù)具有特殊意義:

①金字塔高×10億=地球到太陽距離=1.5億公里。②③塔的周長正好365.24埃及米=1年的天數(shù)。④塔的自重×1015=地球重量。⑤金字塔錐角正好是自然塌落現(xiàn)象的穩(wěn)定角515049，四邊邊長誤差不到20厘米，它的輔角和西北角的高度相差僅1.27厘米，東西軸和南北軸線的方位誤差不超過5弧秒，是最穩(wěn)定錐角結構，這樣的高精度建筑連現(xiàn)代建筑科學與工程技術也難以達到，不可思議。⑥一座金字塔大約由260萬塊巨石組成，每塊巨石平均重約5～12噸，其中最重的達1600噸，連現(xiàn)代工程技術也難作到。⑦金字塔處于地球北偉30的陸地重力中心，把陸地平分為兩半，地球兩極軸心的位置每一天都有一定的變化，但在經25827年周期后，軸心位置又回到原來的位置，而有意思的是金字塔對角線之和也正符25827.6這個數(shù)字。⑧塔內有一種力量，可使金屬不生銹，一枚銹跡斑斑的金屬變得金光燦爛，牛奶保鮮，水果保質，病人康復，頭痛，牙痛者進金字塔內過一小時左右就不痛了。一些菜籽進金字塔就能發(fā)芽，且苗長4倍，葉綠素多4倍?？雌饋斫鹱炙且粋€非常好的微波振諧腔體，形成各種生命的能量?，F(xiàn)在用類似金字塔結構的建筑，或隨便用紙、木板、鐵質造的模型也有類似上述“金字塔效應”；作者也發(fā)現(xiàn)用紙做的金字塔蓋在臉上睡覺，睡得很香，并進入一些怪夢中。有關金字塔的許多參數(shù)具有特殊意義:①金字塔高×10億=地88通信衛(wèi)星信息——人腦的延續(xù)2.信息技術萊布尼茨發(fā)明的二進制在計算機以及信息理論中的運用，使得信息技術將繼續(xù)在所有方面深刻地影響世界

通信衛(wèi)星信息——人腦的延續(xù)2.信息技術萊布尼茨89單晶硅為代表的半導體微電子材料激光晶體為代表的光電子材料；介質陶瓷和熱敏陶瓷為代表的電子陶瓷材料釹鐵硼（NdFeB）永磁材料為代表的磁性材料；光纖通信材料磁存儲和光盤存儲為主的數(shù)據(jù)存儲材料壓電晶體與薄膜材料貯氫材料和鋰離子嵌入材料為代表的綠色電池材料這些基礎材料及其產品支撐著通信、計算機、信息家電與網(wǎng)絡技術等現(xiàn)代信息產業(yè)的發(fā)展。電子信息材料

是指在微電子、光電子技術和新型元器件基礎產品領域中所用的材料，主要包括：單晶硅為代表的半導體微電子材料這些基礎材料及其90全球定位系統(tǒng)技術GPS俄羅斯Glonass(格洛納斯全球導航系統(tǒng))信息技術全方位的發(fā)展正在改變著人們幾千年來形成的信息傳遞方式、人際間的溝通方式和社會管理的組織方式，并深刻地影響著社會生活、企業(yè)和政府運作的方式。

歐洲的Galileo定位系統(tǒng)中國北斗定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)技術GPS俄羅斯Glonass(格洛納斯全球導航91光子計算機、生物計算機、量子計算機都在加速研究量子計算以色列已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型“生物計算機”，一萬億個這樣的計算機僅一滴水那樣大。大規(guī)模神經集成電路進行檢測,第六代電子計算機的心臟

經過特殊培養(yǎng)后制成的生物芯片，可作為一種新型高速計算機的集成電路光子計算機、生物計算機、量子計算機都在加速研究量子計算以色列92我國最小遙感衛(wèi)星遙感技術我國最小遙感衛(wèi)星遙感技術93家電信息技術家電信息技術94尚需我們努力的方向：目前計算機一切信息信號就是由八種信息密碼的排序來實現(xiàn)的。但是這種計算機智能與人類腦力仍有很大差距。為了使電子計算機的功能進一步提高，以色列最近發(fā)明的DNA計算機，正在向實用方向發(fā)展。計算機科技還要進一步向深亞米化、超大規(guī)模集成、網(wǎng)格化、智能化方向發(fā)展生物計算機（8*8種信息密碼排序）實用化還有很長的路要走尚需我們努力的方向：目前計算機一切信息信號就是由八種信息密碼953.新材料繼續(xù)成為人類文明的基石材料應用的發(fā)展是人類發(fā)展的里程碑。人類所有的文明進程都是一他們使用的材料來分類的。石器時代、銅器時代、鐵器時代等。納米材料電子信息材料先進陶瓷材料復合材料生物材料高分子材料3.新材料繼續(xù)成為人類文明的基石材料應用的發(fā)展是人類發(fā)展的里96神州6號有望用上“納米鐵紙”比紙還薄3.1納米材料具有特殊的量子效應、界面效應、表面效應等等，使材料表現(xiàn)出物理和化學上的奇異現(xiàn)象，將會帶來很多的工業(yè)應用當前的研究熱點和技術前沿包括：以碳納米管為代表的納米組裝材料；納米陶瓷和納米復合材料等高性能納米結構材料；納米涂層材料的設計與合成；單電子晶體管、納米激光器和納米開關等納米電子器件的研制、C60超高密度信息存貯材料等。

神州6號有望用上“納米鐵紙”比紙還薄3.1納米材料具有特殊97光子晶體與光子晶體光纖有機顯示材料光導纖維3.2電子信息材料的總體發(fā)展趨勢是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向發(fā)展。當前的研究熱點和技術前沿：包括柔性晶體管、光子晶體、SiC、GaN、ZnSe等寬禁帶半導體材料為代表的第三代半導體材料、有機顯示材料以及各種納米電子材料等。光子晶體與光子晶體光纖有機顯示材料光導纖維3.2電子信息材983.3先進陶瓷材料高性能低溫燒結陶瓷陶瓷電容器壓電陶瓷換能晶片當前的研究熱點：包括陶瓷材料的強韌化技術、納米陶瓷材料的制備合成技術、先進結構陶瓷材料體系的設計以及電子陶瓷材料的高勻、超細技術。

透明陶瓷鏡頭

納米陶瓷3.3先進陶瓷材料高性能低溫燒結陶瓷陶瓷電容器壓電陶瓷換能99未來復合材料的研究方向:主要集中在納米復合材料、仿生復合材料和多功能、智能復合材料等領域。

超塑鋁合金制造的汽車外形用無壓滲透法制備的鋁基復合材料3.4復合材料全復合材料機體無人直升機未來復合材料的研究方向:主要集中在納米復合材料、仿生復合材料1003.5生物材料：材料科學技術中的一個正在發(fā)展的新領域，不僅技術含量和經濟價值高人工骨

我國第一項納米醫(yī)藥產品——納米人工骨顆粒人工皮膚

人造心臟

3.5生物材料：材料科學技術中的一個正在發(fā)展的新領域，不僅1013.6高分子材料塑料橡膠纖維表面材料（涂料）注：此部分將在以后進行詳細講解3.6高分子材料塑料橡膠纖維表面材料（涂料）注：此部分將在1023.6.1功能高分子材料近年來一些功能高分子材料的出現(xiàn)，如光敏高分子、導電性高分子、醫(yī)用高分子、高分子膜等，將加速合成材料工業(yè)的發(fā)展，對國民經濟起一定的推動作用。聚合物鋰電池超級吸水聚合物聚合物光纖脂質水凝膠3.6.1功能高分子材料近年來一些功能高分子103超強度(每平方厘米2000公斤以上);超微比重(每立方厘米0.001克以下）；多功能；無污染（可自毀）；可再生。

在新的世紀我們對材料提出了

前所未有的高要求：生物材料功能化干細胞應用于組織工程在新的世紀我們對材料提出了

前所未有的高要求：生物材料功能化1044.能源科學能源是人類社會存在和發(fā)展的基石，使經濟發(fā)展和文明進步的基本約束條件化石燃料高效與清潔利用技術廣泛應用，節(jié)能技術和能源高效利用技術越來越受到廣泛重視煤直接液化高效催化劑4.能源科學能源是人類社會存在和發(fā)展的基石，使經濟發(fā)展和文明105能源生產與節(jié)能先進技術無不建立在新材料不斷發(fā)展的基礎之上化石能源的高效與清潔生產需要材料的不斷改進核能仍將不斷得到發(fā)展，材料是關鍵之一再生能源（特別是太陽能）的利用雖然誘人，但材料是瓶頸超導材料、磁性材料、蓄電池及燃料電池發(fā)揮越來越重要的作用，需要高效率的正電極和負電極新材料因此，隨著材料科學技術，特別是納米技術受到高度重視，21世紀能源新材料將會得到迅速發(fā)展能源生產與節(jié)能先進技術無不建立在新材料不斷發(fā)展的基礎之上化石106硅太陽能電磁加大利用各種可再生能源高空發(fā)電機“捕捉風能”風車發(fā)電生物能硅太陽能電磁加大利用各種可再生能源高空發(fā)電機“捕捉風能”風車107開發(fā)新能源技術方面有所突破通用公司的氫動力車Hy-wire

秦山核電站美國開始研制核能飛船地球到火星不到60天中國新型核潛艇開發(fā)新能源技術方面有所突破通用公司的氫動力車Hy-wire108我們尚需努力的方向：降低各種新能源的成本，使他們進一步產業(yè)化研制出高效、安全、潔凈的核能系統(tǒng)進一步開發(fā)新的能源：波能、可燃冰、煤成氣、微生物、綠藻現(xiàn)有煤向油的直接轉化利用化學方法研制出更加高效的燃料電池以及太陽能電池與能源相關領域如新型材料的開發(fā)我們尚需努力的方向：降低各種新能源的成本，使他們進一步產業(yè)化1095.環(huán)境科學隨著社會的發(fā)展和科技的進步，人類越來越覺得環(huán)境的重要，從而誕生一門從生態(tài)觀點出發(fā)，將資源的合理利用和環(huán)境保護運用到生產和環(huán)境建設領域的綜合性學科——資源環(huán)境科學5.環(huán)境科學隨著社會的發(fā)展和科技的進步，人類110環(huán)境污染使人類的生存遭到威脅水、空氣、土地是我們生存的基礎，可當水的清澈，空氣的自由呼吸，土地的肥沃被滿眼的油污，被刺鼻的化學味，被漂浮的粉塵侵蝕后，我們面對的將是無法挽回的傷痛，是癌癥、是白血病、是中毒，甚至是死亡的代價！污染的河流環(huán)境污染使人類的生存遭到威脅水、空氣、土地是我們生存的基礎，111酸雨沙漠化南極上空的臭氧空洞白色污染污染的河流酸雨沙漠化南極上空的臭氧空洞白色污染污染的河流112白色污染要解決“白色污染”問題，應該從以下幾個方面著手：

1.減少使用不必要的塑料制品，如用布袋代替塑料袋等2.重復使用某些塑料制品如塑料袋、