《聚合物结构与性能测试 》实验教学大纲

第一篇：《聚合物结构与性能测试 》实验教学大纲

《聚合物结构与性能测试 》实验教学大纲

一、课程简介

本课程为高分子材料与工程本科专业的限选课。主要内容包括聚合物材料的光谱分析、热分析、力学性能分析、分子量测定及其电性能测试技术。课程不但讲授各类分子测试方法的基本原理、实验技术、主要用途及局限性等。同时介绍这些方法的最新进展和发展趋势等。拟通过本课程的学习，使学生掌握了解材料特别是高分子材料的结构与性能的各种研究测试方法。

二、课程实验教学目的与要求

本课程的目的是让学生在理论课程学习的同时，了解和掌握各种现代化的聚合物材料的微观结构和各种分析测试手段方法。使学生系统地掌握分析测试实验的原理、实验基本知识和技能，为以后学习和从事高分子学科内的工作打下基础。本课程基本要求：理解实验原理及实验方案，掌握正确操作规程；掌握各种仪器的使用，了解其性能参数、适用范围及注意事项等。

三、试验项目

四、实验一：红外光谱再聚合物结构鉴定中的应用

【实验目的、任务】

通过本实验了解红外光谱仪的结构特点及操作规程；掌握红外样品的制备方法；掌握红外光谱分析的原理和图谱分析。

【实验内容】

使用红外光谱鉴定聚合物中的红外基团。

【实验原理】

红外吸收光谱分析方法主要是依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行结构测定。

【实验难重点】

1.重点：红外光谱分析的基本原理

2.难点：红外光谱的解析

实验二：聚合物材料的热分析

【实验目的、任务】

通过本实验掌握聚合物TG、DSC的分析原理和应用。了解热分析仪的结构及操作程序。

【实验内容】

使用热分析仪测量聚合物的热转变

【实验原理】

在加热或冷却过程中，随着物质的结构、相态（如Tg）和化学性质的变化都会

伴有相应的物理性质的变化，聚合物热的分析就是在程序温度下测量并记录物质的这些物质性质和温度的关系从而测得物质的结构、相态及化学性质的转变过程。

【实验难重点】

1.重点：TG、DSC、DTA的工作原理和图谱分析

2.难点：TG、DSC、DTA的区别

实验三：聚合物材料的力学性能测试

【实验目的、任务】

通过本实验了解万能试验机的结构特点及操作程序；掌握试样的制作方法。

【实验内容】

使用万能试验测量聚合物样品的力学性能。

【实验难重点】

1.重点：万能试验机的操作方式及力学性能指标

实验四：高分子材料表面电阻，体积电阻的测定

【实验目的、任务】

使用高阻计测量聚合物材料表面电阻和体积电阻的测定原理和计算方法。了解高阻计的结构和操作程序。

【实验内容】

使用高阻计测量聚合物材料表面电阻和体积电阻。

【实验原理】

将试样的微弱电流经过放大后，推动指示仪表，故可测量较高的绝缘电阻。

【实验重难点】

重难点：聚合物材料表面电阻和体积电阻的测试原理和计算方法。

实验五：稀溶液粘度法测定聚合物分子量

【实验目的、任务】

通过本实验了解掌握难度法测定聚合物分子量的基本原理及计算方法。测定聚乙烯醇水溶液的特性粘度，并计算其平均分子量。

【实验内容】

使用乌氏粘度计测量聚乙二醇样品的年均分子量。

【实验原理】

线性高分子溶液的基本特性之一是粘度比较大，并且粘度值与平均分子量有关，因此可以利用这一特性测定侧其分子量。

【实验重难点】

1.重点：粘度法测定聚合物分子量的原理和计算方法

2.难点：实验操作的准确掌握。

四、实验项目学时分配表

1.题目与要求

2.实验内容（试验原理、操作步骤等）

3.实验过程、计算及结果

4.问题分析和试验讨论

六、成绩评定办法及标准

综合学习态度、实验操作情况和试验报告给出成绩。成绩评定分为优秀、良好、中等、及格和不及格。

七、教材及参考书

教材： 《聚合物近代仪器分析（第二版）》主编：汪昆华，罗传秋，周啸 出版

社：清华大学出版社

参考书：《高聚物结构、性能与测试》 主编：焦剑、雷渭缓 出版社：化学工业

出版社

《聚合物结构分析》 主编 ：朱诚身，杨向萍 出版社：科学出版社

《聚合物材料表征与测试》主编：杨万泰 出版社：中国轻工业出版社《高分子实用材料剖析技术》 主编：董炎明 出版社：中国石化出版社

第二篇：系统结构实验三：CPU性能测试实验

实验三：CPU性能测试实验

一、背景知识

评价计算机系统的性能，是一个非常复杂的问题。购买计算机时，我们强调的是计算机系统的性能价格比，即花最少的钱买回最适合的计算机，而不是去买速度最快的计算机或最便宜的计算机。使用计算机时，我们强调的是计算机系统的响应速度，说计算机A比计算机B好，是指A执行程序的速度比B快。而对服务器来说，我们强调的不是其完成一个任务的时间，而是其在单位时间内完成任务的个数，即吞吐率。另外，对服务器而言，稳定性是比吞吐率更重要的一个性能指标。

无论性价比、响应速度还是吞吐率，它们都有一个共同的影响因素，那就是计算机执行程序的速度。考虑一个任务，写成程序让计算机去完成，那么，完成该任务的时间将和CPU主频，指令系统，编译系统，内存容量，Cache结构，系统总线，辅存速度等有关系（这恰是计算机系统结构课程的全部内容），这将是一个多么复杂的关系！理论上，衡量计算机执行程序的速度最好的办法就是使用真实程序的实际执行时间，称其为程序的响应时间（response time）。如果说同一个程序在计算机A上的响应时间比在计算机B上的响应时间短，我们就说计算机A执行程序的速度比计算机B快。由于一般的实用程序具有一定的片面性，因此对计算机系统的测评都要用权威的基准测试程序（Benchmark）来完成。

响应时间直观的定义是计算机完成某一任务所花的全部时间，因此又称为墙上时间（wall-clock time）或流逝时间（elapsed time），墙上时间是很形象的说法。程序的响应时间包括两部分：CPU实际执行程序的时间（称为CPU时间）和进程等待时间，其中进程等待时间包括由于进程调度而必须延迟的时间（即进程在就绪态的时间）和其他等待时间，如磁盘等待、I/O等待或等待某个外部事件发生等等；CPU执行程序的时间又可以包含两部分：CPU执行本程序代码的时间和CPU执行操作系统代码的时间（如进程调度代码，提供给用户进程的I/O代码等等）。计算机系统结构就研究如何减少或消除以上这些时间片断，从而缩短程序的响应时间，提高计算机系统的性能。

本实验通过我们设计的几个小程序，使同学们对响应时间和CPU时间两个概念有一个比较深刻的理解，从而指导我们在实际使用计算机的过程中知道如何更好的使用计算机系统。程序范例里主要有两个函数：函数clock（）返回调用该函数的进程从开始执行到执行该函数时的大概CPU时间，函数gettimeofday（）则返回当前的系统时间。前者用来获得CPU时间，后者用来计算响应时间。

程序1用随机函数产生一个1000×1000的矩阵，然后对每个元素操作一次，最后显示CPU时间和响应时间。程序2从数据文件data.dat（该数据文件由程序3生成）中读入一个1000×1000的矩阵，然后对每个元素操作一次，最后显示CPU时间和响应时间。程序4从标准输入输入三个整数，然后从标准输出输出其乘积，最后显示CPU时间和响应时间。

需要强调一点的是，clock（）函数返回的时间值是一个近似值，而且单位是毫秒，这是一个粒度很粗的时间单位（对CPU而言），我们为此很遗憾，你能否编写函数返回CPU时间的精确值（最起码到微秒级）。

二、实验目的：

1、理解响应时间与CPU时间的关系

2、理解吞吐率与CPU时间之间的关系

三、实验内容：

1、调试并运行程序1，分析其结果。

2、调试并执行程序2，分析其结果。

3、调试并执行程序4，分析其结果。请你以最快的速度输入三个2位十进制数，并分析结果，你有什么感想？

四、实验报告

认真记录实验数据或显示结果，分析实验数据，填写实验报告。

附：

程序1：

#include #include #include #include #define size 1000 #define step 1000 main(){ int i,j,k,temp;char *a;clock_t end;struct timeval time1,time2;gettimeofday(&time1,NULL);//取得当前系统时间 a=(char*)malloc(size*size);//为数组a申请内存空间

for(i=0;i

for(j=0;j

a[i*size+j]=(char)(10.0*rand()/(RAND_MAX+1.0));for(i=0;i

for(j=0;j

for(k=0;k

temp=a[i*size+j]*a[i*size+j];end=clock();//取得CPU时间

gettimeofday(&time2,NULL);//取得当前的系统时间 time2.tv_sec-=time1.tv_sec;//计算响应时间 time2.tv_usec-=time1.tv_usec;if(time2.tv_usec<0L){ time2.tv_usec+=1000000L;time2.tv_sec-=1;} printf(“CPU time is: %fn”,end/1000000.0);printf(“Wall clock time is:%ld.%6ld secondsn”,time2.tv_sec, time2.tv_usec);free(a);return 0;}

程序2：

#include #include #include #include #define size 1000 #define step 1000 main(){ int i,j,k,temp;char *a;FILE *fp;clock_t end;struct timeval time1,time2;gettimeofday(&time1,NULL);fp=fopen(“data.dat”,“r”);a=(char*)malloc(size*size);for(i=0;i

for(j=0;j

a[i*size+j]=fgetc(fp);3 fclose(fp);for(i=0;i

for(j=0;j

for(k=0;k

temp=a[i*size+j]*a[i*size+j];end=clock();gettimeofday(&time2,NULL);time2.tv_sec-=time1.tv_sec;time2.tv_usec-=time1.tv_usec;if(time2.tv_usec<0L){ time2.tv_usec+=1000000L;time2.tv_sec-=1;} printf(“CPU time is: %fn”,end/1000000.0);printf(“Wall clock time is: %ld.%6ld secondsn”,time2.tv_sec, time2.tv_usec);free(a);return 0;}

程序3：

#include #include #define size 1000 main(){ FILE *fp;int i,j;fp=fopen(“data.dat”,“w”);srand((int)time(0));//初始化随机数发生器 for(i=0;i

fputc((int)(10.0*rand()/(RAND_MAX+1.0)),fp);fclose(fp);}

程序4：

#include #include #include main(){ int i,j,k;4 clock_t end;struct timeval time1,time2;gettimeofday(&time1,NULL);scanf(“%d%d%d”,&i,&j,&k);printf(“%dn”,i*j*k);end=clock();gettimeofday(&time2,NULL);time2.tv_sec-=time1.tv_sec;time2.tv_usec-=time1.tv_usec;if(time2.tv_usec<0L){ time2.tv_usec+=1000000L;time2.tv_sec-=1;} printf(“CPU time is: %fn”,end/1000000.0);printf(“Wall clock time is:%ld.%6ld secondsn”,time2.tv_sec, time2.tv_usec);return 0;}

第三篇：聚合物复合材料性能解释以及测试标准指引

聚合物复合材料性能解释以及测试标准指南

1．1拉伸性能

拉伸性能包括拉伸强度，弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。对于如高压容器、高压管、叶片等产品，必须要测出聚合物复合材料的拉伸性能，才能进行产品设计及检验。

对于不同的聚合物复合材料，拉伸性能试验方法是不同。对于普通的，用国标GB/T1447进行测试；对于缠绕成型的，用国标GB/T1458进行测试；对于定向纤维增强的，用国标GB/T33541进行测试；对于拉挤成型的，用国标GB/T13096-1进行测试。使用最多的是GB/T1447。

国标GB/T1447，对于不同成型工艺复合材料，又规定不同形状的拉伸试样，有带R型、直条型及哑铃型。使用拉伸试验机或万能试验按规定的加载速度对试样施加拉伸载荷直到试样破坏。用破坏载荷除以试样横截面面积则为拉伸强度。从测出的应力----应变曲线的直线段的斜率则为弹性模量，试样横向应变与纵向应变比为泊松比。破坏时的应变称为断裂伸长率。

单位面积上的力，称为应力，通常用MPa（兆帕）表示，1MPa相当于1N/mm2的应力。应变是单位长度的伸长量，是没有量刚（单位）的。

不同的现代复合材料其拉伸性能大不一样，以玻璃纤维增强的玻璃钢为例：1：1玻璃钢，拉伸强度为（200-250）MPa，弹性模量为（10-16）GPa；4：1玻璃钢，拉伸强度为（250-350）MPa，弹性模量为（15-22）GPa；单向纤维的玻璃钢（如缠绕），拉伸强度大于800MPa，弹性模量大于24GPa；SMC材料，拉伸强度为（40-80）MPa，弹性模量为（5-8）GPa；DMC材料，拉伸强度为（20-60）MPa，弹性模量为（4-6）GPa。

1.2弯曲性能

一般产品普遍存在弯曲载荷，弯曲性能是很重要的，同时，往往用弯曲性能来进行原材料，成型工艺参数，产品使用条件因素等的选择。

弯曲性能，一般采用国标GB/T1449进行测试；对于拉挤材料，用国标GB/T13096.2进行测试；对于单向纤维增强的，用国标GB/T3356进行测试。

测试弯曲性能的试样一般是矩形截面积的长条，简称为矩形梁。采用当中加载的三点弯曲法。梁的横截面的上表面承压缩应力，梁下表面承受拉伸应力，横截面积上还要承受剪切应力，中性层剪应力最大，因此梁所承受弯曲时，其应力状态是很复杂的，破坏形式也是多种的。原材料品种、性能及成型工艺参数对弯曲性能很敏感，试验方法和试样尺寸同样也很敏感，为了达到材料弯曲破坏，国标对试样的跨（跨度或支距）高（试样厚度）比（l/h）有一定要求，一般要求l/h≥16，对于单向纤维增强的材料，要求l/h≥32。

由于弯曲性能的复杂性及对各因素的敏感性，对于上述不同材料的弯曲性能，或大于1.1节中拉伸性能，或小于1.1节中的拉伸性能。在正常成型工艺情况下，一般弯曲强度略大于拉伸强度，弯曲弹性模量略小于拉伸弹性模量。

1．3压缩性能

增强纤维或织物，只能承受很大的拉伸力，其本身很柔软，是不能承受压缩力的，当聚合物复合材料承受压缩载荷时，是靠聚合物基体把增强纤维或织物粘结成整体时才能承受。因此，聚合物复合材料的压缩性能与聚合物的品种、性能、成型工艺、二者的界面等的关系很密切，同一种复合材料的压缩性能变化也很大。一般高温高压成型的压缩性能要高，有的甚至于高于拉伸性能。一般情况弹性模量，压缩的与拉伸的相差的极小，压缩强度略比拉伸强度低，特别是室温固化，成型工艺质量欠佳的材料，压缩强度要比拉伸强度低得多。

压缩性能，一般用国标GB/T1448进行测试。标准试样为30×10×10（mm）棱型或35×10×10（mm）园柱型。要求两端面相互平行，不平行度应小于试样高度的0.1%，否则，试验本身对测试结果也有不良影响。

当产品的壁厚较薄时，不能按GB/T1448进行测试，应用GB/T5258测试,试样厚度可以按产品实际厚度，这个试验方法的夹具是比较先进、科学的。

1．4剪切性能

由于聚合物复合材料的层状结构特点，产品在使用中，在不同受力条件下，在不同部位存在三种剪切性能，为面内剪切，层间剪切和断纹剪切。

如工字梁腹板，在工字梁承受弯曲时，腹板就是承受面内剪切。对于面内剪切性能，用国标GB/T3355进行测试。该方法用45°方向的拉伸试验测出复合材料纵横剪切性能，包括剪切强度和剪切模量。试验方法与普通拉伸性能一样，仅要测出纵向和横向变形，如同拉伸试验测泊松比一样。计算公式不一样，计算结果是纵横剪切强度和模量。

对于层间剪切性能，有两个测试方法：①国标GB/T1450.1；②国标GB/T3357。方法①要求试样较厚为15mm，要特制试样，往往与产品实际情况有别差。方法②可以按产品实际厚度取样，较方便，但对于较接近各向同性，或层间剪切强度较大的，唯以测准。方法①②仅只能侧出层间强度。要测出层间剪切模量可以参考GB/T1456的原理进行测试，已有大量试验说明，此原理可以测出复合材料的的层间剪切模量。

对于拉挤材料，可以用GB/T13096.3和13096.4测出剪切强度。

用国标B/T1450.2测出来的是复合材料断纹剪切强度。

纵横剪切强度为（40-80）MPa，纵横剪切模量为（2-4）MPa；层间剪切强度为（10-50）MPa，剪切模量为（0.2-2）GPa；断纹剪切强度为（80-100）MPa。

1.7冲击性能

当产品经受动载荷时、需要材料的冲击强度(韧性)性能指标,冲击强度高低也说明材料的韧性性能,是选材的性能指标之一。

冲击强度用国标GB/T1451进行测试。国标规定标准试样尺寸，当试样尺寸，特别是试样厚度小于标准尺寸时，测出来的冲击强度要偏小。冲击强度除与材料品种、性能有关外，还与试样厚度有关，一般试样厚，测出来的冲击强度高。一般情况下，冲击强度为：1：1玻璃钢，（100-300）kJ/m2；4：1玻璃钢，（200-600）

kJ/m2；SMC，（20-60）KJ/m2；DMC，（10-30）KJ/m2；拉挤材料，（300-650）KJ/m2。

1．8性能的方向性

纤维增强复合材料，其力学性能有较明显的方向性、拉伸强度、模量，弯曲强度、模量，压缩强度、模量沿纤维方向的最大，与纤维方向成45°方向的最小，拉伸性能最为明显，无压成型的压缩性能，方向性程度要低一些。面内剪切强度、模量、泊松比、冲击强度，与上相反，45°方向最大。可以利用这一特点，设计出最优的复合材料产品。

2、基本理化性能

2．1密度

聚合物复合材料轻质是指密度小，为（1.5-2.0）g/cm3,是金属的1/4-1/5。用国标GB/T1463进行测试.常用聚合物复合材料制成夹层结构的蜂窝,密度为(0.03-0.16)g/cm3，泡沫塑料密度为(0.025-0.20)g/cm3。

2．2巴氏硬度

聚合物复合材料的硬度指标不同于金属，是用巴柯尔硬度计测试，国标GB/T3854。巴氏硬度除与原材料品种、性能有关外，更与成型工艺、固化程度有关，一般用巴氏硬度来控制产品制造过程。一般巴氏硬度为30-60，玻璃的巴氏硬度为100。

2．3固化度

固化度是指聚合物（树脂）的固化程度，用树脂不可溶分含量的试验方法，国标GB/T2576来测试，一般产品要求固化度≥80%，对于高温固化产品，要求≥90%。

2．4树脂含量

树脂含量的大小直接影响产品的力学性能和理化性能。用测出树脂含量的方法可以直接检验产品的成型工艺是否符合产品的设计要求及均匀性，用国标GB/T2577进行测试。

2．5负荷热变形温度

试样在一定负荷（1.82MPa）下受热变形到一定指标的温度，称为负荷热变形温度，用国标GB/T1634-2进行测试，此性能直接反映聚合物（树脂）的耐热性能，不同聚合物复合材料，其负荷热变形温度差别很大，低的为100℃，高的可达300℃以上。测出此性能指标，可供产品在什么样温度条件下使用时参考。

2．6热导率

聚合物复合材料的热导率是比较小的，为（0.28-0.40）W/Km，属绝热材料，用国标GB/T3139进行测试。

2．7电阻率

聚合物复合材料的电阻率是比较高的，属于电绝缘材料，同时又是非磁性材料，体积电阻率，表面电阻率依次为1012-15Ω•cm，1011-14Ω，与聚合物（树脂）的品种有关系。环氧类型的电阻率要更高一些。

2．8线热膨胀系数

线热膨胀系数与聚合物（树脂）品种关系很大，聚酯类的线膨胀系数大，环氧、酚醛类的小。同时与纤维方向织物经纬比也很有关系，一般纤维方向线热膨胀系数小。在（6.7-30）×10-6范围。当然，这是指玻璃纤维增强的复合材料，当采用碳纤维时，可以制零热膨胀系数，甚至于是负热膨胀系数的材料，在精密仪器上得到广用。

2．9吸水性

在保证产品质量情况下制成的聚合物复合材料的吸水率，一般≤1%，用国标GB/T1462测试。

复合材料吸水性能的另一个指标是耐水性，把复合材料放在水中一定时间后，其强度（主要指弯曲强度）的变化，这有两个测试方法：①GB/T2575，是用常温水浸试样。②GB/T10703，是用（60-100）℃水浸试样，属耐水性加速试验方法。

3特殊性能

聚合物复合材料在常温下就有蠕变，承受拉伸时，蠕变小，承受弯曲和剪切时，蠕变大，测试方法国标为GB/T6059。持久强度较为破坏强度的（40-50）%。

聚合物复合材料的疲劳性能，与受力状态、树脂品种、纤维方向、成型工艺、循环次数等关系密切。若循环到5×106次时，疲劳强度约为静态强度的（25-30）%。试验方法国标为GB/T16779。

聚合物复合材料的高低性能取决于聚合物种类，目前已有耐350℃以上的耐高温聚合物。在低温下，其性能反而提高，温度越低，强度越高，包括冲击韧性也一样，一般提高20%-30%。这是优于普通热塑性塑料之处。测试方法为GB/T9979。

不同聚合物复合材料有不同耐化学腐蚀性能必须根据具体介质选用复合材料。测试方法为GB/T3857。

一般聚合物复合材料是不阻燃，必须加阻燃剂，按产品设计要求加不同阻燃剂及含量，达到一定的氧指数，指标等。测试方法为GB/T8294。

第四篇：材料结构与性能

材料结构与性能报告(1)

论文题目：块状非晶合金材料的研究进展

姓名： 学号： 学科专业： 指导教师： 入学日期： 报告日期： 报告地点：

王楚 31605051 材料工程 林莉 2016.11

研究生院制表

材料结构与性能报告(1)1概述

一般认为，凝聚态的物质大致可以分为三类：晶态物质、准晶态物质和非晶态物质。非晶态合金是指固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围保持这种状态相对稳定的合金。最早有关非晶态合金的文献是由融Kamer于1934年首次报道的。而后，1960年，Duwez[1]等首先采用喷枪法在Au．Si合金中获得非晶态合金，从而开创了材料研究的新领域一非晶态合金材料。非晶合金具有优异的物理性能、化学性能和力学性能，特别是优良的软磁性能，在许多领域中己得到应用。一般说来，非晶态合金均需要通过熔体快淬的方法来获得，它需要非常高的冷却速率(10 6 /s 以上)。由于临界冷却速率的限制，非晶态合金的三维尺寸受到很大的限制，只能获得很薄或很细的片、丝和粉末状非晶合金。

大块非晶合金材料是近年来采用现代冶金技术合成的一种具有特殊性能的新型先进金属材料。对大块非晶的研究无论在理论上还是在应用上都有重要意义。首先，大块非晶体系是一些全新的多组元体系，其合金熔体具有极大的热力学过冷度，过冷液体的动力学行为类似于氧化物玻璃，这使得人们重新思考传统的非晶形成理论。另外，大块非晶合金大都具有明显的玻璃转变和宽的过冷液相区，这为深人研究非晶合金的玻璃转变特征和过冷液态的结构和物性提供了理想材料。在应用上，由于具有奇特的物理、力学及化学性能, 适合于用来制造电子器件、磁性器件、精密光学器件、精密机械结构件、电池材料、体育用品、生物医学植人物以及军工先进武器构件(如穿甲武器、飞行器的构件、装甲板等)等。块状非晶合金的发展历程

非晶合金的发展大致经历了两个阶段。第l阶段为1960年(Duwez首次采用快淬方法制得Au70Si30非晶合金薄带)-1989年。这段时期，人们主要通过提高冷却速率(>104列s)来获得非晶合金，因而得到的基本是非晶合金薄膜、薄带或粉末。所研究和制备的主要是二元合金。主要研究体系可分为3大合金系：第l类合金系由过渡族金属或贵金属与类金属组成，如Pd2Si、Fe2B等。；类金属的含量为10%-30%,恰好在低共晶点组分附近。2类合金系是以LTM-ETM为基的体系，其中ETM和LTM分别代表前、后过渡族金属，LTM包括Fe、Co、Ni、Pd和Cu等，ETM包括Ti、Zr、Nb、Ta、Hf等。LTM的含量一般在20％-40％，如Zr70(Ni、Fe、Co、Pd、Rh)30、Nb60Rh40等，该体系可以在非常宽的低共晶组分范围内形成非晶，这类非晶合金发现得比较晚，1977年才首次发现属于这一类的合金,以后又逐步发现了在Ca或Sr中加入AI、Zn等组成的非晶合金[2,3]。第3类为以A族金属元素(Mg、Ca、Sr)为基体，B族金属元素(Al、Zn、Ga)为溶质的

块状非晶合金的研究进展

少冷却过程中的非均匀形核, 因而各种制备方法都有以下两个共同持征：(1)对合金母材反复熔炼, 以提高熔体的纯度, 消除非均匀形核点。(2)采用高纯惰性气体保护，尽量减少氧含量。目前，大块非晶态合金的制备方法主要有以下几类：

(l)悬浮熔炼： 将试样置于特定的线圈中，线圈中的电磁场使试样产生与外界相反的感生电动势，该感生电动势与外磁场间的斥力与重力相抵消，从而使试样悬浮在线圈中。同时, 试样中的涡流使自身加热熔化。再向试样吹人惰性气体，使其冷却、凝固；或利用通电极板间的静电场使试样悬浮，用激光加热熔化，当激光停止照射时，试样于原位冷却。试样温度可用非接触法测量。悬浮熔炼的优点是试样没有在容器中熔炼，避免了容器壁引起的非均质形核，可减小临界冷却速度。其缺点是，试验的悬浮与加热是同时通过试样中的涡流实现的，当试样冷却时也必须处于悬浮状态，即试样在冷却时还必须克服悬浮涡流带来的热量，所以冷却速度不可能很快, 增加了制备难度，制备的块状非晶合金尺寸较小。

(2)深过冷液淬法：此方法是将试样用低熔点氧化物(如B2O3)包裹起来，在石英管中感应加热熔化，最后淬入水中得到非晶态合金试样。低熔点氧化物的作用一是用来吸取合金冶炼中的杂质颗粒，避免这些颗粒成为形核的核心，二是将合金熔液与容器壁隔离开来。由于包裹物始点低于熔体熔点，因而可避免合金母材与容器壁直接接触，最大限度地避免了非均质形核。

(3)高压模铸法：该方法是将母合金放人套筒内，在高频感应线圈中熔化，再用高 压快速将合金液压人铜模内，铜模外通水使试样快速冷却。由于该方法的冷却速率很大，可以获得较大体积的非晶态合金。

此外还有定向凝固、射流成形、压实成型等多种大块非晶合金制备工艺。国内关于大块非晶合金的研究开展不多，主要采用落管、氧化物包裹、磁悬浮、射流成形及水淬 等技术制备大块非晶合金。国内制备的大块非晶合金的最大直径为90mm。由于目前制备的非晶合金的尺寸较小，影响了非晶合金作为结构材料的使用范围。块状非晶合金的微观结构

非晶合金的原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长程无序，短程有”。通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过4-5个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别，短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。

材料结构与性能报告(1)4.1化学短程有序

非晶态金属至少含有两个组元，除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有序的影响通常只局限于近邻原子，因此一般用近邻组分与平均值之差作为化学短程有序参数，对于二元A-B体系为：

up=1-ZAB/(ZcB)=1-ZBA/(ZcA)其中ZAu和ZuA分别代表A(或B)原子近邻的B(或A)原子配位数，Z是原子总配位数。cA和cu分别是A与B原子在合金中的平均浓度。当A和B两种原子直径明显不同时，A原子的总本位数ZA与B原子的总配位数Zi3不再相同，ZA≠Ze，这时短程有序另一种定义。

4.2拓扑短程有序

指围绕某一原子的局域结构的短程有序。常用几种不同的结构参数描述非晶态与合金的结构特征，主要有原子分布函数、干涉函数、近邻原子距离与配位数和质量密度。原子分布函数，设非晶态结构是各向同性的均匀结构，其平均原子密度Po为--定体积y中包含的原子数N:

Po=N/V 描述某一原子附近的密度变化可用径向分布函数RDF(r):

RDF(r)=4*3.14xr2p(r)

其中r是距某中心原子的距离，p(r)是距离r处的密度，由上式可知，RDF(r)dr代表以某个原子为中心，在半径r处、厚度为dr的球壳内的原子数，从而RDF(r)=dN/dr表示原子数目(密度)随距离增加的变化。

定义约化径向分布函数G(r)为:

G(r)=4x3.14*r[p(r)-po] 几种过渡金属-类金属非晶态合金的约化径向分布函数如图8-1所示，函数值随着与中心原子的距离增大而呈有规律的起伏。此外，还定义双体分布函数g(r): z(r)=p(r)/p。

当合金中包含几种不同类原子时，引入偏径向密度函数pii(r)、偏双体分布函数gii(r)、偏约化径向分布函数GO(r)等参数描述原子之间的结构关系。例如，pji(r)指与某个第i类踩子的距离为r处，单位体积中第j类原子的数目。上述各个原子分布函数中，原子密度p(r)和原子径向分布函数RDF(r)有明确物理意义，G(r)的物理意义虽然不明确，但它同RDF(r)一样能反映非晶态结构特征，对体系作x射线衍射测量得到结构因数S(Q)，块状非晶合金的研究进展

外壳等商业产品由于大块非晶中不存在晶体中的滑移位错，在较低温度下具有很好的粘滞流动性，可以较好地发生超塑应变利用这个特性，可以把大块非晶合金进行各种塑性加工，制成所需的各种形状由于其优异的力学性能和较好的热稳定性，大块非晶合金在军事方面也得到了应用，可以用来制造反坦克的动能穿甲弹。

Zr基大块非晶合金具有很高的弹性实验表明,用其做成的小球与同样大小的钢球在量筒中从相同高度(15m左右)自由落下后做弹性来回运动，前者比后者的弹动时间足足长了大块非晶合金具有很高的强度和强度-密度比，以及很好的弹性能，因而具有很好的应用潜力。基大块非晶合金由于抗拉强度高、延展性好、弹性能高、冲击断裂性能高和抗腐蚀性高，且具有非常好的能量传递性能，已被用来制作高尔夫球杆和其击球部位(球头)，使用该材料做成的高尔夫球头能够将99％的能量传递到球上。

在化学方面，由于大块非晶具有抗腐蚀、储存能量(吸氢和析氢)和高催化特性，将有可能在海洋业和能源方面得到应用。块体非晶合金在结构上是原子长程无序而近程有序排列的亚稳材料，每个短程有序的原子团可以视为一个高活性点，而这种高活性、高耐蚀性材料是最理想的电极催化材料。如果使用这种材料制作电极, 其催化活性将提高以上，可大大提高制碱工业的生产效率，降低生产成本，由此所产生的经济效益是十分巨大的。

由于新型基非晶合金具有低饱和磁致伸缩，使得它们的软磁性能可与传统的Fe-Si-B非晶合金相比拟，甚至更优。日本研制的Fe基大块非晶合金软磁材料的磁导率，比硅钢片材料及传统晶体结构的磁性材料15倍，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室也已经制备出了直径达到以上的低磁能损耗的大块基软磁产品专家预测,大块非晶合金软磁材料制品将很快应用于电子信息，如计算机、通讯设备和工业自动化等高技术产业和电力等传统产业另外，硬磁性大块非晶合金也将是一种很有潜力的永磁材料。

6结束语

非晶合金，因特殊的结构和优异的性能自产生以来一直是材料学界的热点研究领域之一。近年来对非晶合金进行了广泛的研究，取得了很大的进展，已突破昔日贵金属的限制, 许多日常重要的工程合金系统如Fe、Co、NiCu 等都可制备出块体非晶合金，这为其实际应用创造了条件，如今工程应用也已逐步兴起。但作为一类新型的材料, 非晶合金仍处于研究探索阶段，在基础理论、制备工艺和实际应用中还有许多问题亟待解决，主要体现在以下几个方面。

还没有一套完整的理论或成熟的物理模型用来指导块体非晶的研制，目前对于合金系统组元的选择还只能凭经验规律，但这些规律都不具备普适性。这主要是由于还没有充分理解非晶合金形成的本质, 因此需要加强对非晶合金物理转变过程的研究。

材料结构与性能报告(1)(2)目前所制备的块体非晶尺寸还不够大，只有Zr基、Pd基等少数几种合金体系可达较大尺寸，这在很大程度上限制了这种新型结构材料的广泛应用，因而需要我们在理解非晶合金形成本质的基础上，改进目前块体非晶制备所需的苛刻工艺条件。因机械合金化在制备非晶合金上的独特优势，目前可以优先发展机械合金化工艺。

(3)提高块体非晶的热稳定性。由于块体非晶属亚稳态材料，在热力学上是不稳定的, 只有把这类材料加热到一定温度以上才会使其变为晶态材料。因此，必须设法提高块体非晶的热稳定性，以拓宽其应用范围。

(4)任何材料都有其自身的缺陷，虽然发现了一系列具有大塑性的块体非晶合金，但总体来说其塑性都还有待提高，而且非晶合金的拉伸塑性几乎为零。长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料一直是材料领域追求的目标，非晶合金塑性的进一步提高，必将为非晶合金的应用开辟更广阔的空间。

参考文献

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块状非晶合金的研究进展

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第五篇：《高分子材料结构与性能》课程教学大纲

《高分子材料结构与性能》课程教学大纲

课程代码：

070417

课程性质：专业任选总学时：

学时

总学分：

开课学期：

适用专业：化工 先修课程：有机化学、物理化学后续课程：毕业论文

大纲执笔人：HJH

参加人： HGJGHJH

审核人：

JHHJH

修订时间：2012年8月

编写依据：

09化学工程与工艺专业人才培养方案（2009）年版

一、课程介绍

高分子材料结构与性能课程是以高分子结构-性能-应用为主线，联系其他材料科学，阐述了高分子材料的合成方法、结构性能和主要应用领域，并简要介绍了各类高分子材料的基础知识和有关的加工成型方法。通过本课程的学习，使学生能够了解高分子材料的基础知识，拓宽知识面，使学生进一步了解本专业。它是学生学习《材料物理》、《材料物理实验》、《树脂基复合材料》《复合材料科学与工程实验》、《高分子材料成型加工》、《高分子材料工程实验》等其它专业基础课的先修课程和基础，同时也是不同专业十几门选修课的先修课程，在专业培养中处于重要地位。同时，该课程也可作为化学化工类非高分子专业的本专科生，为拓宽知识面，认识基础高分子科学相关的选修课，有望发展成化学化工类大学生专业基础课程，为将来从事材料领域的研究和开发工作打好基础。

二、本课程教学在专业人才培养中的地位和作用 材料在生产与生活中占有非常重要的地位，并与人们生活紧密相联。而作为材料学中的一大类别——高分子材料正发挥着越来越重要的作用。本门课程作为应用化学以及化学工程与工艺专业本科生的一门专业选修课，目的在于让学生了解高分子材料学的基础知识，扩大知识面，培养学生掌握高分子材料基本知识与概念，并能初步分析和解决材料研究中的实际问题。高分子材料结构与性能是以高分子材料为基本研究对象的一门课程，是高分子科学的基础课程。与化学的其它二级学科相比，它与现代物理学有着更加深刻的亲缘关系，其发展更加依赖于化学与物理学的进步，同时也对这两大轴心科学的进步产生深刻的影响。由于近年高分子科学对各个工业部门和科技领域的渗透作用显著，所以在化学本科等非高分子专业作为选修课教学具有重要的意义。

三、本课程教学所要达到的基本目标

高分子材料结构与性能课程的内容主要包括高分子材料的结构-性能-应用的内在联系和塑料、橡胶、纤维、涂料、黏合剂与功能高分子等主要高分子材料品种的介绍，要求学生在掌握高分子材料的结构-性能-应用的内在联系的基础上，熟悉塑料、橡胶、纤维、涂料、黏合剂的一些主要品种，并能对一些材料性能及相关影响因素做出简单解释。通过教学提高学生运用高分子化学与物理的知识分析问题、解决问题的能力。

本课程的基本要求如下：

1、掌握高分子的基本知识、基本概念；

2、了解高分子各类材料的特点；

3、了解和掌握高分子材料的各种合成方法；

4、了解和掌握高分子材料的结构与性能的关系。

四、学生学习本课程应掌握的方法与技能

本课程较系统地阐述了高分子材料的合成方法，并以高分子结构-性能-应用为主线，介绍了各类高分子材料的基础知识，是关于高分子材料基础应用的实用课程，它的任务是使学生较熟练地掌握各类高分子材料的基本概念、制备及其应用，并能运用结构-性能-应用的内在联系，初步分析和解决材料研究中的实际问题。

五、本课程与其他课程的联系与分工 《高分子材料结构与性能》课程是材料化学、高分子材料与工程及其相近专业的一门重要课程，是在学生具备了必要的有机化学、物理化学等基础知识之后，在学习了高分子化学与物理基础上选修的专业基础课程，并为功能高分子材料化学，高聚物合成工艺学等后续专业课程的学习奠定坚实的基础。

六、本课程的教学内容与目的要求 【第一章】材料科学概述（共2学时）

1、教学目的和要求：

（1）熟悉材料的分类；了解材料的多层次结构。

（2）掌握复合材料及复合效应以及材料工艺及其与结构和性能的关系。

2、教学内容：

（1）第一节材料与材料科学（2）第二节材料结构简述（3）第三节材料的性能

（4）第四节材料工艺及其与结构和性能的关系（5）第五节材料的强化机制

3、教学重点和难点：

（1）重点：材料及材料化过程，复合材料，功能物性，材料结构及性能关系（2）难点：几个重要概念，复合材料，材料化过程

4、本章思考题： P289思考题与习题

【第二章】高分子材料的制备反应（共4学时）

1、教学目的和要求：

（1）熟悉连锁聚合反应与逐步聚合反应的基本反应类型。（2）了解高分子材料制备反应的新进展；掌握自由基聚合反应与自由基共聚合反应的概念、机理及应用以及聚合实施方法。

2、教学内容：

（1）第一节高分子与高分子材料（2）第二节连锁聚合反应（3）第三节逐步聚合反应

（4）第四节高分子材料制备反应新进展

3、教学重点和难点：

（1）重点：自由基聚合，乳液聚合，逐步加聚反应

（2）难点：连锁聚合反应与逐步聚合反应机理、反应条件

4、本章思考题：

P289-291思考题与习题

【第三章】高分子材料的结构与性能（共8学时）

1、教学目的和要求：（1）熟悉聚合物大分子联的组成和构造，聚合物凝聚态结构；了解高分子材料的力学性能、物理性能以及化学性能。（2）掌握聚合物分子运动的特点、聚合物的物理状态、玻璃化转变以及聚合物熔体的流动。

2、教学内容：

（1）第一节聚合物的结构

（2）第二节高聚物的分子运动及物理状态（3）第三节高分子材料的力学性能（4）第四节高分子材料的物理性能（5）第五节高分子材料的化学性能

3、教学重点和难点：

（1）重点：聚合物的柔顺性与构象的关系，聚合物分子运动的特点，聚合物的松弛现象，聚合物的力学三态，聚合物熔体特性，聚合物的力学屈服以及聚合物的力化学过程。（2）难点：聚合物的松弛特性，力学屈服现象

4、本章思考题：

P291-293思考题与习题

【第四章】通用高分子材料（共8学时）

1、教学目的和要求：

（1）熟悉几大类通用高分子材料的基本概念、分类；掌握通用高分子材料的结构、性能及应用。

（2）了解塑料、橡胶、纤维、黏合剂及涂料的制备工艺。

2、教学内容：（1）第一节塑料（2）第二节橡胶（3）第三节纤维

（4）第四节胶黏剂及涂料

3、教学重点和难点：

（1）重点：塑料的组成、作用及成型加工方法，热塑性塑料，工程塑料，热固性塑料，合成橡胶

（2）难点：几个重要概念，通用高分子材料的结构、性能及应用之间的内在联系

4、本章思考题：

P293-294思考题与习题

【第五章】功能高分子材料（共4学时）

1、教学目的和要求：

（1）以专题讲座的方式引入功能高分子的基本概念，分类及应用。（2）重点结合自己的科研成果，简单介绍几类功能高分子。

2、教学内容：

（1）第一节医用高分子及高吸水性树脂

（2）第二节智能高分子及功能高分子最新进展

3、教学重点和难点：

（1）重点：医用高分子及高吸水性树脂，智能高分子及功能高分子最新进展（2）难点：几个重要概念，刺激响应性，功能高分子的作用机理

4、本章思考题： P294思考题与习题

【第六章】聚合物共混物（共2学时）

1、教学目的和要求：

了解聚合物共混物的基本概念、制备方法及主要品种。

2、教学内容：

（1）第一节聚合物共混物及其制备方法（2）第二节主要品种

3、教学重点和难点：

（1）重点：几个重要概念，聚合物共混物的制备方法（2）难点：聚合物共混物，互穿网络聚合物，混炼挤出设备

4、本章思考题：

P294-295思考题与习题

【第七章】聚合物基复合材料（共4学时）

1、教学目的和要求：

了解聚合物基复合材料物的基本概念、制备方法及主要品种。

2、教学内容：

（1）第一节聚合物基宏观复合材料（2）第二节聚合物基纳米复合材料

3、教学重点和难点：

（1）重点：宏观聚合物基复合材料的基本类型及增强剂的类型，聚合物基纳米复合材料的类型

（2）难点：偶联剂在复合材料制备中的作用及作用机理

4、本章思考题： P295思考题与习题

七、本课程教学时数分配表 章节

标题

学时分配

讲授

实践

一

第一章材料科学概述

二

第二章高分子材料的制备反应

三

第三章高分子材料的结构与性能

四

第四章通用高分子材料

五

第五章功能高分子材料

六

第六章聚合物共混物

七

第七章聚合物基复合材料

合计 32

八、教材和主要参考资料

1、指定教材：

《高分子材料基础》张留成，翟雄伟，丁会利。化学工业出版社，2007年

2、主要参考资料：

《高分子材料》黄丽主编。化学工业出版社，2009年

《高分子材料科学导论》张德庆，张东兴，刘立柱编著，1999年

九、课程考核与成绩评定方法

1、命题要求

（1）命题内容要求

命题要着眼于所学课程的基础知识和基本技能的考核，要突出重点，注意覆盖面，要符合学生学习和生活的实际，贴近社会实际，要重视对学生在具体情景中综合运用所学知识分析和解决问题的能力的考查，要有助于培养学生创新精神和实践能力。试卷结构应简洁、合理，题量要适度。要根据课程特点处理好客观题与主观题的比例。能力层次分值分配为：了解占50%，理解占30%，综合应用占20%。

（2）命题的覆盖面、难易度、题型结构等要求

命题覆盖面涉及教学大纲规定教学内容的相关章节，考虑到本课程为专业选修课，难易应适中或偏易，题型主要有填空题、选择题（单选）、判断题、简答题和计算题。

2、考核方法及用时

本课程考核按考查课程的要求进行，考核采取课堂测验方式，完成时间为110分钟，成绩采用百分制。

3、课程考核成绩构成

学期总成绩=作业成绩×30%+考勤成绩×30%+期末测试成绩×40%；