高分子材料成型原理篇1
【文章编号】0450-9889（2017）06C-0078-02
高分子材料是化工产品的一个分支，是目前发展最快、应用前景最广且最具生命力的一类化工产品；高分子行业的迅猛发展，急需大量复合型人才。而大多数高校高分子材料专业的人才培养侧重在材料的合成等偏理论方面，对高分子材料加工成型为终极产品的工艺环节关注的程度不高。广西大学化学工程与工艺专业在化工材料加工工艺方面开设了系统的专业课程群，为“高分子材料成型与工艺”课程的设置打下了坚实的理论基础。然而，广西大学化学工程与工艺专业没有开设过高分子物理、高分子化学、高分子材料、聚合物加工原理、高分子材料基础等高分子基础或专业基础课程，且该专业作为一个覆盖范围广泛的交叉的专业，开设的专业课程很多，所有的专业课程学时都高度压缩。在高分子材料理论知识缺乏、课程学时数少、无配套实验的背景下，本文从教学内容、教学方法、创新能力培养等方面对“高分子材料成型与工艺”课程教学改革进行探索。
一、教材的选用
广西大学化学化工学院“高分子材料成型与工艺”课程刚开设时，选用的教材是史玉升等编著的《高分子材料成型工艺》，学生通过学习可以掌握高分子材料的制备、性能、成型、评价及应用，全面系统地了解高分子材料成型技术的最新知识。教学过程中，学生反映这本教材的难度太大，因为“高分子材料成型与工艺”是一门专业技术课程，需在完成化工热力学、化工原理、物理化学、有机化学、无机化学、分析化学、高分子物理和化学、高分子材料、聚合物加工原理、高分子材料基础等基础理论课和专业基础课程后，对学生进行综合训练。
“高分子材料成型与工艺”课程是在大三第一学期开设的专业课，此时学生已经修完化工热力学、化工原理、物理化学、有机化学、无机化学、分析化学等基础理论课，然而基本没有学过高分子物理、高分子化学、高分子材料、聚合物加工原理、高分子材料基础等专业基础课，高分子材料方面的基础较差，加上这本教材讲述的理论知识较少，所以学起来较吃力。根据学生的反映，学院及时更换了教材，采用周达飞等主编的《高分子材料成型加工》“九五”重点教材，该教材高度概括了高分子材料的最基础的知识，对加工成型影响很大的高分子流变学基础知识进行较全面深入的介绍，全面介绍了高分子材料成型加工最常用的基本工艺，也兼顾了新技术和新方法，难度适中，得到学生好评。
二、教学内容的改革
高分子材料成型技术涉及化学、材料、材料加工、机械等多种学科，“高分子材料成型与工艺”课程是一门专业技术课程，需要广泛的理论知识基础。化学工程与工艺专业的学生基本无高分子材料理论基础知识，学习起来的确难度很大。非高分子材料专业的“高分子材料成型与工艺”课程要以“高分子材料―成型加工―制品性能”这条主线展开教学内容，重点掌握三者的关系，强调成型加工对制品性能的重要性，这是本课程的主题思想，也是高分子材料的工程特征；选用“九五”重?c教材《高分子材料成型加工》，充分利用国内外重要专业期刊了解行业最新动态，不断更新及补充教学内容，确保教学内容的先进性；在教学内容安排上，以高分子材料成型加工的大工程观点为着眼点，以宽专业为目标，概况高分子材料理论基础和概念（详细的内容指定参考范围让学生利用课外时间自学），从高分子材料的加工原理出发，着重对成型加工工艺进行讨论。从高分子材料的成型加工的共性出发，对模压、挤出、注塑及压延四大成型技术及工艺进行重点讲授，然后讲授塑料、橡胶及复合材料的成型特点和区别，对于一些新的成型方法，以及教材中未涉及而在一些科技文献中见报道的新的成型方法及工艺，教师建立了QQ群这样的交流平台，并将高分子领域权威的一些微信公众号分享到平台上，经常转发高分子材料国际国内的重要进展到平台，引导学生关注，激发学生的学习积极性，让学生以兴趣为导向自动组成兴趣学习小组的方式进行自学。笔者首先通过课内课外结合强化高分子理论基础与概念，对成型加工影响最大的流变性在课堂上进行详细介绍，而其他性能如稳定性、电性能、光性能等材料性能则作为课外学习内容，在有限的学时内，节选核心内容，把高分子材料合成、性能、加工及相互间的影响规律简要完整地介绍。比如教材中同一种成型方法按不同的应用体系分成很多小结，而教学过程中每种成型工艺仅以一种材料为代表来讲，但不同章节会选不同的材料体系来进行，比如讲橡胶的压延，那么注塑可能选塑料，而挤出可能选复合材料，这样来兼顾各类高分子材料的成型。
三、教学方法的改革
教学方法是影响教学目标是否能够实现、实现的程度和效率的关键。非高分子材料专业的“高分子材料成型与工艺”课程教学存在两个难点：一是许多内容涉及高分子加工机械、设备结构及操作过程，这要求有实际感性认识和直观性；二是该课程的理论性和实践性都很强，如何在教学过程中实现理论与实际的结合，用理论来解释生产中的实际问题，或以具体实例来说明理论，促使学生真正掌握知识。针对这些问题，“高分子材料成型与工艺”课程在教学过程中对教学方法、教学手段进行了改革。
（一）现代化教学与传统教学相结合。“高分子材料成型与工艺”课程中许多内容涉及高分子加工机械、设备结构及操作过程，这要求有实际感性认识和直观性，同时，该课程的理论性和实践性都很强。笔者根据所选用教材，利用powerpoint加入声音、图像、动画、视频等各种多媒体信息，并根据需要设计各种演示效果，将抽象、生涩难懂的知识形象生动地展示给学生，激起学生学习的兴趣、吸引他们的注意力，大大加深学生对知识的理解和印象。由于化学化工学院缺乏相应的高分子材料成型教学设备，教学小组联系外界资源制作了几个基本成型工艺的微课，同时广泛收集案例、动画演示及成型录像，不断补充到授课内容中，让学生对高分子成型工艺及设备等有更直观的认识，对课件内容进行更新和完善，丰富课堂内容，加大课堂信息量，使学生获得对高分子材料成型加工的理性和感性双重认识，使教学达到事半功倍的效果。
同时，教师也要注意吸取传统教学中讲解的优点，将教师的语言、激情和应变能力体现在多媒体教学中，并用眼神、情感、心灵与学生沟通，必要时还要进行板书，让学生彻底把握一些关键问题。
（二）采用“任务驱动”教学法和启发式互动式教学。与传统的以教师为主体的“填鸭式”“灌输式”教学方式不同，笔者在部分知识点的授课中尝试采用“任务驱动”教学法，从传统教学的讲授、灌输和教师主宰课堂，转变为组织和引导；从单纯讲解转变为与学生进行适当的交流和探讨。笔者在讲述“高分子材料配方设计”这一章内容时，并没有按照书本来进行，而是布置了一道思考题“设计食品袋的配方”，让学生通过自学课本内容与上网查找相关知识等来完成这一思考题，并在学生完成后让他们用ppt来展示成果，通过讨论的形式与学生探讨了配方设计中的一些原则与内容。
启发式互动式教学强调先让学生积极思考，再进行适时启发；教师不仅要加强自身专业素养和知识积累，而且更重要的是建立师生互动的教学过程，并营造良好的课堂教学氛围，实现教学相长；教师注意自己角色的转变，良好的学习情境可使学生了解学习任务的必要性和与学习任务相关的学习信息，从而激发学习意愿和浓厚的学习兴趣；在教学过程中，对于重要的知识点，通过案例教学，与学生共同分析和讨论，启发学生进行思考，培养学生的创新能力。
高分子材料成型原理篇2
关键词：铜锌原电池；原电池模型；局限性；教学建议；化学教学
文章编号：1005C6629（2017）1C0016C05中图分类号：G633.8文献标识码：B
“原电池”是高中化学的核心概念，也是电化学的基础，与生产、生活有着密切联系。对于这部分学习，不仅要基于相关物质的性质、氧化还原反应、电解质、离子反应、能量变化等知识的综合理解和运用[1]，还涉及物理学中电流产生的原因，电势差等知识。初学阶段，就要求学生能够对原电池的宏观现象进行微观、抽象的解释；随着学习的深入，原电池的种类越来越多，涉及的理论也更加抽象。在实际教学中，铜锌原电池常作为学生对原电池的第一认知模型，认为“原电池由活泼性不同的电极材料、电解质溶液、导线构成”（负极反应为Zn-2e-=Zn2+；正o反应H++2e-=H2），这极易引发学生对于原电池模型及其工作原理的错误理解。例如，学生通常认为两极一定为活泼性不同的材料，而较活泼的材料必为负极。甚至有学生认为电极材料的差异是原电池产生电势差的本质原因。由此可见，学生对于原电池模型及其工作原理的理解存在大量的迷思概念。笔者通过实证研究的方式调查学生对于电极材料、电流产生原因、工作原理等内容的理解，分析学生对于原电池模型及工作原理理解的症结所在。笔者尝试建构有助于学生对于原电池工作原理深入理解的通用模型，并提出相应的教学建议，以期为完善原电池内容的教学现状带来教益。
1铜锌原电池作为原电池基本模型的局限性
1.1不具备原电池工作原理的普适性
铜锌原电池相对简单，新旧教材和大部分的教学也都将其作为学生对原电池的第一认识模型，这种由浅入深的教学方式不可否认存在一定的优点，但同时也对于学生错误概念的产生埋下了隐患。
首先，铜锌原电池的两个电极材料不同，但并非所有的原电池都要求两个不同的电极材料，比如燃料电池。其次，大都认为电势差是由两个不同的电极材料产生。由于锌的失电子能力比铜的强，导致锌的周围电子相对富集。金属的性质越活泼其电极电势就越低，当连接两个电极时，电子就从电势低的锌这一极向电势高的铜这一极移动[2]。但电势差的产生绝非仅来自两个不同的电极材料，还可以由氧化还原反应的两个半反应电对以及溶液中电荷的不均匀分布产生。比如氢氧燃料电池的两个电极材料相同，其液接电势一样，此时提供电势差的是氢气和氧气发生氧化还原反应的两个半反应电对[3]。溶液中电荷的不均匀分布引起阴、阳离子的定向移动。
再者，较活泼的锌做负极，较不活泼的铜做正极。学生在大量题海训练时，如果学生没有掌握原电池的本质，往往会认为较活泼的一极必是负极，而忽略离子导体的影响。比如铁铜做电极材料，电解质溶液分别为稀硫酸和浓硫酸的两个原电池，总的氧化还原反应不同，正负极也恰好相反。因为，前者是铁和稀硫酸的反应，铁是负极；后者是铜和浓硫酸的反应，铁则成了正极。
此外，锌这一极既做载体又参与电极反应，而铜这一极仅充当载体。因此学生往往认为负极的电极材料就一定参加电极反应，而正极材料就一定不能参加。事实上，对于原电池来说，如果氧化剂和还原剂可以充当电极材料则优先考虑；若不能，再考虑其他的材料，但选择的电极材料不能影响总反应。
1.2导致师生对原电池工作原理的认知困境
近年来原电池相关的考题越来越灵活，原电池也更加的抽象。在此情境下，如何让学生对原电池的原理有更深层次的认识，能够促进学生思维的多元发展，自主建构原电池的通用模型，就显得尤为重要。
首先，教材以铜锌原电池引入，导致各种参考用书及教辅资料大都在铜锌原电池的基础上总结原电池的构成条件：即两个活泼性不同的金属或者金属与可导电的其他物质；电解质溶液；闭合回路；自发进行的氧化还原反应。但当学生学习氢氧燃料电池时就会产生困惑，它为何是两个相同的电极材料，一些师生错误地将其当作原电池中的特例。
其次，学生学习铜锌原电池的一大障碍是难以理解电子为何从锌流向铜，使得氧化反应和还原反应分别在两极上发生。多数教师归因于锌的活泼性强于铜，从而导致学生认为电子的移动需要有两个活性不同的电极。事实上，这里涉及电势差产生的最根本的原因，即氧化还原反应的两个半反应电对之间的电势不同。
此外，铜锌原电池仅是众多原电池中的一种，师生易将其作为原电池的“标本”，从而产生错误的认知。比如电极材料是否发生反应，并非都像铜锌原电池一样，要求一极参加反应而一极不反应，还可以两个电极材料均参与反应，也可以均不参与反应。
2学生对原电池理解的实证研究
为了进一步了解课堂观察与访谈得到的原电池教学困境，笔者针对北京市某示范高中高一实验班的158名学生进行纸笔测试，收回有效测试卷156份，有效率为98.7%。问题主要涉及三个方面：学生对电极材料的理解、对原电池反应的理解、对原电池工作原理的理解。为了保证研究的有效性，该测试在集中的时间段内进行。
2.1学生对电极材料的理解：大部分学生错误地认为“电极材料必然活泼性不同”
为了考察学生对电极材料的理解，笔者设计了“原电池中一定是较活泼的电极做负极”、“原电池中两个电极材料一定是活泼性不同的”两道题，让学生进行判断并解释说明。具体结果如表1所示。
从表1可以看出，有75.6%的学生能正确判断“在原电池中不一定是较活泼的电极做负极”，通过原因分析发现，学生的解释可以分为三个层面。其一，凭感觉作判断，没有提供任何合理的解释，这类学生较少。其二，多数学生以举反例的方式做判断。有55%的学生将燃料电池作为反例，认为“两个电极可以是一样的，如碳棒”；另有15%的学生认为较不活泼金属也可以作负极，比如Zn-al-浓Hno3构成的原电池。其三，通过分析原电池的本质得出正确结论，仅占3.1%。这部分学生明确地指出“只要看氧化还原反应中哪一极发生氧化反应，其就做负极”。
由于绝大部分学生并未从本质的角度来理解，有71.8%的学生坚定地认为“原电池的两个电极材料一定是活泼性不同的”，其理由是“要想发生电子的转移，电极必须不同”。
2.2学生对电流产生原因的理解：大部分学生不能认识原电池中电势差产生的本质原因
为了考察学生对原电池反应的理解，笔者设计了以下问题：从电子移动的角度分析“原电池中的氧化还原反应为何在两极发生”，从离子在离子导体中移动的角度分析“原电池中阴、阳离子分别向哪一极移动”，并解释说明。
学生大都能准确地说出：电子是由负极出发经过导线流向正极，阴离子往负极移动，阳离子往正极移动。但对于电子为何这样移动，少数学生能从电势差的角度分析，但对于电势差的理解局限于不同的电极材料产生的电极电势不同；仅有极个别学生认为“电极材料既可做电极反应物，又可做反应的载体，比如氢氧燃料电池”，能认识到电势差产生的最根本原因即氧化还原反应的两个半反应电对之间的电势不同。
2.3学生对原电池工作原理的理解：局限于铜锌原电池模型
通过测试发现，很少有学生能分清楚电极材料、电极反应、电解质溶液三者之间的关系。多数学生依据铜锌原电池去分析它们之间的关系，局限地认为：负极电极材料一定和电解质溶液发生氧化反应，变成阳离子进入溶液，正极则是溶液中的离子得电子发生还原反应，而且必须用导线连接形成闭合回路。具体分析见表2。
原电池的内容相对抽象，理论性和综合性又强，学生只能通过逻辑推理和想象，无法通过直观的实验现象来理解原电池的工作原理，学生从微观上理解微粒的移动和所发生的反应。
3促进学生有效认知原电池的教学建议
课程标准对原电池的教学提出了以下的要求[4]：能够举例说明化学能与电能的关系；经历化学能转化为电能的探究过程，了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。然而通过理论分析及实证研究发现学生对原电池的理解很大程度上受到铜锌原电池的干扰。教材中缺少对电极的说明，学生易将电极材料和电极反应物混为一谈，如果把铜锌原电池作为第一认知模型，并由此总结原电池的构成条件，容易导致学生产生一些错误的认知。
因此教师如何帮助学生建构原电池通用模型就显得非常重要，只用铜锌原电池去建构学生对原电池的认知模型显然是不够的，甚至是有害的。笔者基于对原电池系统的整体分析，设计了“两个电极材料均不参与反应”、“一个电极材料参与反应”、“两个电极均参与反应”的原电池认知教学方案。具体的典型案例见表3。
在教w中首先通过火力发电效率低，引入火力发电的实质是想通过化石燃料燃烧最终实现向电能的转化，由此引发学生思考：化学能通过什么途径释放出来？又如何能将化学能转化为电能？通过问题线索引发学生思考，引导学生逐步认识氧化还原反应与电荷移动的关系。在深入分析的基础上得出，化学能向电能的转化需要有电子的定向移动，需要提供电子的装置和接受电子的装置。如何实现氧化还原反应中电子的定向移动，引出还原剂提供电子，氧化剂接收电子，两极之间连接电子导体（如导线或者直接接触）以及离子导体（电解质溶液或熔融电解质等）从而形成闭合的回路。学生在思考中逐步构建基本模型：两极的反应物、两极的电极材料、电子导体、离子导体。基于此，在依次分析“两个电极材料均不参与反应”的氢氧燃料电池、“一个电极材料参与反应”的铜锌原电池、“两个电极均参与反应”的铅蓄电池后，接下来从电极材料、电极反应、原电池工作原理三个方面分别阐释。
3.1对电极材料和电极反应物的探讨
如上所述，根据电极材料是否参加反应，可分为三类。首先讨论氢氧燃料电池，引导学生分析其中的总反应，确定还原剂和氧化剂。装置的作用使得反应不再需要点燃引发就可以直接进行，其中电极反应物分别是通入的H2和o2，电极材料是两个相同的石墨。氢气做还原剂发生氧化反应，氧气做氧化剂发生还原反应。两个相同的电极材料提供反应发生的场所，但均不参加反应。其次，对铜锌原电池进行分析，在思考总反应的基础上分析电极材料，锌既做电极反应物，又提供反应场所；铜与稀硫酸不反应，仅充当载体。最后，分析“两个电极均参与反应”的铅蓄电池，在给出其装置和总反应方程式的基础上，探讨两个电极材料均参与反应，铅在负极被氧化，既做电极材料，又参与反应；同样氧化铅在正极被还原，既做电极材料，又参与反应。
3.2对电流产生原因的探究
在教师提供电势差资料的基础上，学生分析三种类型原电池的电势差产生的来源，引导学生分析电子导体中的电子移动及离子导体中离子的运动。首先对氢氧燃料电池进一步分析，两个电极材料相同，它们之间不存在电势差。但是通入的氢气在界面上有发生氧化反应的趋势、电子相对富集；通过氧气的这一极有得电子的趋势，使得电子从电势低的负极通过导线向正极移动。电子在输送的过程中，氢气不断地失电子，不断有氢离子进入溶液，氧气这一极则源源不断地得到电子发生氧化反应。
3.3对原电池工作原理的整体把握
整个设计是基于电极材料是否参与电极反应，原电池是自发的氧化还原反应提供电势差，使得电流得以产生而展开。在对三类原电池案例分析的基础上，开展学生活动，以粘贴纸的形式更换电极材料、电极反应物，以及电子导体、离子导体的方式，让学生明白无论什么类型的原电池，其构成的基本要素必须有：两个电极材料、两个电极反应物、离子导体和电子导体[6]，只不过同一极的电极材料和电极反应物可以相同也可以不同，从而建立原电池认知的通用模型，以期消除以铜锌原电池作为第一认知模型带来的教学困境，具体如图1所示。
在上述通用模型中，一方面以“问号”引发学生对原电池的电极材料与电极反应物之间的关系进行思考。对于铅蓄电池，电极反应物即电极材料本身，此时电极材料pb和pbo2均“=”电极反应物。有些则不然，如氢氧燃料电池的两个铂电极均“≠”电极反应物H2和o2。因此，通用模型以“电极材料”、“等号”、“不等号”等内容替换铜锌原电池中的“铜”和“锌”，在一定程度上增强了原电池模型的普适性。另一方面，电子和离子在电势差的作用下，定向移动至原电池的两极。图中“箭头”表示电子导体中电子由负极移到正极，离子导体中离子向负极移动，阳离子向正极移动。自发进行的氧化还原反应是产生电势差推动电子或离子定向移动的本质原因。在铜锌原电池模型中，学生无法对电势差究竟产生于电极材料还是电极反应做出有效判断。而在通用模型中，“问号”、“电极材料”、“等号”、“不等号”、“箭头”等符号将抽象的概念原理进行形象化，让学生有效地建构了对“原电池”的深度认知。
参考文献：
[1]姜丽莉.高中生原电池错误概念的诊断及教学对策[J].教学仪器与实验，2015，（31）：3～6.
[2]周庆华.对原电池工作原理的探讨[J].化学教学，2016，（1）：23～25.
[3]张玲，陈磊磊.有关原电池的概念及原理[J].化学教学，2010，（4）：1～4.
[4]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S]北京：人民教育出版社，2003：9～20.
高分子材料成型原理篇3
关键词：高分子材料；成型；控制
0前言
作为一种实际应用效果良好的材料，高分子材料在近期得到了广泛的应用。研究高分子材料成型及控制，能够更好地提升其实践水平，从而有效保证高分子材料的整体效果。本文从概述高分子材料的相关内容着手本课题的研究。
1概述
现阶段我国在高分子合成材料方面取得了很大的进步，相关行业的生产活动也在不断发展壮大，高分子材料成型加工技术被运用与汽车等工业生产活动之中。高分子合成材料行业已经发展成为我国的重要经济类产业，是国民经济的重要组成部分。由于高分子材料的特性，必须加强对高分子材料的系统性研究，了解高分子材料的成型过程以及控制对策，为高分子材料工业的发展提供依据，是我国科研工作的重要任务。高分子材料成型加工技术属于一门重要的科学，国内外著名的专家学者都对其予以高度关注，将与化学、物理等方面的专业内容融入到高分子材料成型加工技术中，为研究工作的开展提供科学依据。
2高分子材料的基本成型方法
2.1挤出成型
高分子材料的基础成型是通过螺杆旋转加压的方式，不间断的将已经成型的材料由有机筒挤出来，挤入到机头中去，熔融物料通过机头口模成型为与口模形状相仿的型坯，然后借助相应的牵引工具把成型的材料不断的在模具中提取出来，并对其进行冷却处理，进而得到相应的形状。挤出成型是一项系统性的工程，由入料、塑化、成型以及定性等过程，每个环节都对高分子材料的成型起到关键性的作用。
2.2吹塑成型
吹塑就是通过中空吹塑的方式来实现的，主要是依靠气体的压力，来促使处于闭合状态的热熔型胚发生鼓胀，进而形成中空制品的技术过程。吹塑成型是高分子材料成型的另一种主要方式，具有发展快、效率高的特点。吹塑成型的主要加工模式是挤出、注塑和拉伸，是目前常用的三种吹塑方法。
2.3注塑成型
一般情况下，我国高分子材料加工行业普遍采用的成型方法是注塑成型，其面对的生产对象大都是空间感强、立体式的材料形状，在塑料生产方面具有诸多的优势，受到了企业的广泛关注和应用。注塑成型方式应用的范围相对较广，成型操作所需时间短、多样的花色、生产效率高等等优点，是高分子材料成型最具实用性的方法。
3现阶段高分子材料成型技术的优化与创新分析
3.1聚合物动态反应加工技术及设备
现阶段，通过对国内外高分子材料成型技术的研究，大都采用反应加工设备来开展工作，但是，该反应加工设备的原理是在原有的混合、混炼设备上进行完善与优化所生产的产品，其还存在多方面的问题，处于不成熟阶段，传热、混炼过程等都是其中的典型问题。另一方面，设备引进和使用投资大、能耗高，噪音污染严重、密封困难。
利用聚合物动态反应加工技术及设备来创新与优化高分子材料成型加工工作，相较于传统的技术有了很大的进步，加工原理以及设备的组成都有所不同。此种技术的应用，其核心内容是将电磁场条件下的机械振动厂投入到高分子材料的机头挤出操作中，能够实现对化学反应、生成物的聚合结构、制品的各项变化等的控制，起到了良好的应用效果。
3.2新材料制备新技术
信息与科学技术的不断发展，在各个领域都得到了广泛的应用，为了优化和升级高分子材料成型加工技术，可将信息存储光盘应用到加工技术中，利用盘基来直接实现反应成型技术的构建，整个成型技术形成动态式、链条式的操作流程，树脂的生产与加工、储备与运送，再到盘基的成型，探索出酯交换的链条式生产与加工技术，能有效控制能源的使用率、提高成品的质量。
新材料制备新技术的出现，为高分子材料加工行业的发展提供了发展契机，动态全硫化制备技术也是其中的代表，是我国科学技术不断发展的重要体现，新技术的应用与振动力场具有密切的联系，可以更为直观有效的控制硫化的整个过程，能很好的应对硫化过程中所遇到与相态有关的反转类问题。针对此项技术，科学家应致力于研究与技术相匹配的更具全面化的设备，为我国高分子材料加工水平提供技术支撑。
4高分子材料在成型过程中的控制
近年来，我国由于综合国力的提升，在科学领域取得了一项又一项瞩目的成绩，其中高分子材料在成型过程中的控制是研究的主要课题之一。高分子材料在一定条件下极易发生结构上变化，温度、外力等都是影响高分子材料所形成的聚合物的结构与形态，同时在外部条件的影响下，高分子材料还会发生聚集形态上的变化，一系列的问题都是现阶段科学家研究的主要问题。通过不断的研究，科学家得出了一系列的成果，实现对新型高分子材料的开发，形成了多元化的高分子材料群体，并投入实际的应用之中，促进了高分子材料工业的发展。通过研究，科学家发现，大部分聚合物多相体系存在不相溶的现象，制约着成型过程中的控制工作，为了改善此类情况，可以适当的融入第三组分。在聚合物生产与加工的过程中，所研制出的产品会处于温度不稳定的环境中，由于制品极易受到温度的影响而发生形态和结构上的变化，进而影响其性能，应加强对制品温度的控制。由于制品的温度会随着时间推移为发生动态上的变化，可见，了解在非等温场条件下，聚合物、共混物制品温度与时间的变化关系是非常关键的，并对变化的规律进行总结，可为成型过程中的形态结构控制提供依据。
5结语
本文以高分子材料成型方法和控制进行了具体性的分析，我们可以发现，高分子材料的多项优势决定了其在实践中的应用地位，有关人员应该从其客观实际需求出发，充分利用自身有利条件，研究制定最为符合实际的成型及控制实施方案。
参考文献：
[1]杨帆.浅析高分子材料成型加工技术[J].应用科学，2011（08）：66-68.
高分子材料成型原理篇4
关键词：放电等离子烧结快速成型技术研究进展
中图分类号：tF124文献标识码：a文章编号：1674-098X（2016）11（a）-0036-02
随着科学研究和工业技术的不断发展进步，航空航天、汽车制造、精密器械等领域对材料性能及加工工艺的要求越来越高。放电等离子烧结具有快速、低温、高度致密化的优点，是一种无切屑、少废料近净成形材料成型工艺，广泛应用于强度高、密度大、质量轻合金材料、陶瓷复合材料等特种材料的制备，是当前关注度最高、研究最热的特种成型工艺之一。国内外高校企业和专家学者通过实验测试和数值模拟等多种方法手段进行了大量研究，推动了此种成型工艺日趋成熟，广泛应用。
1放电等离子烧结机理
放电等离子烧结是一种新兴的压力辅助烧结技术，融合了单轴热压烧结和等离子活化两种技术，具体工艺过程为：在真空环境下，将成型材料粉末（金属、非金属或复合材料均可）密封于导电模具（一般为石墨模具）中，通过模具两端的电极和冲头将脉冲电流施加于模具中需要烧结的成型粉末上，烧结过程同时，对工件施加单轴压力，从而使成型粉末迅速烧结成高性能的材料或零件。放电等离子烧结还可以通过调节烧结温度、轴向压力，调整模具配置，控制烧结材料的晶粒大小和微观结构，是一项非常有发展前景的高新技术。
放电等离子烧结过程包括：轻压跟踪-放电活化阶段，粉末受到压力紧密堆积，施加在工件两端的高强度脉冲电压击穿粉末的氧化膜，产生轻微放电；重压成形-热塑变形阶段，由于粉末放电活化作用，在相对较低的压力和温度下粉末即可极大地提高致密性[1]。放电等离子烧结在利用焦耳热烧结成型的基础上，通过辅助电流激活粉末的活化作用，使粉末颗粒持续保持热塑状态，低压、低温下即可形成高致密化纳米晶体材料，在制造难以熔融在一起或者是熔点较高的复合材料方面具有明显优势。
2放电等离子烧结的究现状
早在20世纪30年代，美国科学家便开始探索利用脉冲电流进行材料烧结，但直到1965年，这项技术才真正应用于实际。放电等离子烧结以其独特的加工优势，吸引了国内外科研人员对其进行了大量研究，其中美、日、韩等国在烧结工艺和烧结材料上做了大量系统研究，技术水平一直处于前列；我国对放电等离子烧结技术的研究起步较晚，但发展迅速，国内高校和科研院所等在放电等离子烧结理论和应用工艺等方面做了深入研究。
2.1实验研究方面
放电等离子烧结实验研究大多围绕材料制备和不同参数对烧结工艺影响两个方面。
对硬质合金的放电等离子烧结研究发现，放电等离子烧结不但可在外界环境要求不高的条件下制备难容合金材料，还能极大提高烧结合金材料的力学性能；采用放电等离子烧结进行钛镍记忆合金加工制备时，可在较短时间内实现钛镍合金致密化[1]，有效解决了熔炼生产无法得到组分均匀和形状复杂的合金这一难题。
放电等离子烧结工艺还常用于制备陶瓷复合材料、电磁材料等功能性材料。研究发现，放电等离子烧结过程中，通过电流激发作用能够有效降低超高温陶瓷材料的烧结温度，控制晶粒的尺寸，使材料快速致密化，以提高陶瓷材料的烧结性能和力学性能；实验表明，应用放电等离子烧结制备磁体，通过脉冲电流的激发作用能够促进磁体的相变，提高磁体的致密性，减少杂质的产生，改善电磁材料性能[2]；应用放电等离子烧结技术对纯碳化硅粉末进行烧结，可成功制备相对密度为98%，晶粒尺寸小于100nm的多晶碳化硅块体。
国内外专家学者还对放电等离子烧结的重要参数如烧结温度、压力、电流强度对成型粉末熔合过程的影响进行了深入研究。研究发现，最佳的烧结温度不应超过粉末颗粒完全熔化的温度。以铝粉放电等离子烧结为例，随着烧结温度的提高，烧结工件的密度、硬度也会随之增强，但过高的温度会使粉末颗粒表面会产生强烈的塑性变形、机械旋转和原子扩散现象，反而使材料性能变差。此外，烧结温度的控制还与粉末颗粒尺寸密切相关。
在烧结升温过程中，烧结颈的增长状况直接影响试件的致密化程度，对于可导电的纳米颗粒，烧结过程的高温会使颗粒局部蒸发、表面氧化膜去除，从而使电流传导更加畅通，确保烧结颈尺寸均匀增长。此外，烧结颈还与材料收缩率变化、颗粒晶向、颗粒结构相关。
2.2模拟研究方面
由于放电等离子烧结工艺中的粉末尺度非常小，受放电等离子烧结粉末成型环境的限制，一般方法很难对烧结过程、成型机理、影响因素进行准确的分析，获取烧结过程中的实时参数和检测也十分困难，因此模拟研究成为放电等离子成型技术不可或缺的研究手段之一。
应用aBaQUS或matLaB等有限元模拟软件对放电等离子烧结过程进行模拟，可获得粉末、模具、冲头间的温度场分度、热场分布和电场分布，研究发现粉末与模具壁之间的存在着温度梯度和较大压力梯度，模具表面温度和试样温度存在近似线性的关系，导热率低的粉末会形成较大的温度梯度等等。科研人员还通过有限元计算模拟出放电等离子烧结系统的电流密度和温度分布变化，从而提出一种准确捕获温度曲线的参考原则。
有限元法能够模拟出放电等离子烧结过程粉末成型的宏观变化，但从原子尺度解释烧结机制还有一定局限性。因此有学者应用分子动力学模拟将模拟尺度缩小到了原子尺度，在原子尺度下研究各种材料微观特性，实现烧结过程的可视化，准确捕获试验研究无法测量的物理量，具有重要的指导意义。
分子动力学模拟为纳米颗粒的研究提供了一个良好的平台，取得了大量的研究成果，如镍纳米颗粒、铜纳米颗粒、氧化钛纳米颗粒等的烧结，可通过观察两颗粒间烧结颈与收缩率的变化来分析烧结过程。研究发现，由于颗粒间晶向异性，在烧结初期晶向会发生变化，形成不同类型的烧结颈[3]，而颗粒间的表面扩散、粘性流动、塑性变形和表面张力也会对烧结过程产生影响。
3结语
科研人员围绕着放电等离子烧结进行了大量的实验、模拟研究。通过实验研究能够制备出新型特种材料，但无法详细解释材料性能变化的机理；模拟研究虽能够从微观角度揭示烧结模具内各种场的分布，解释简单的烧结机制，但无法与实验m一步融合。随着研究的细化与深入，放电等离子烧结的烧结机制将逐渐被人们揭开神秘的面纱。对于加工难以熔合在一起的合金或高熔点材料，放电等离子烧结表现出明显优势，在金属混合物、多孔材料的制备和不同材料组成的层状复合材料的生产等领域也将有突破性进展。
参考文献
[1]王海兵，刘咏，羊建高，等.电火花烧结的发展趋势[J].粉末冶金材料科学与工程，2005，10（3）：138-143.
[2]张小明.tini形状记忆合金的电火花烧结[J].钛工业进展2000（3）：8.
[3]张同亮，刘丹敏，饶光辉，等.SpS制备mn1.2Fe0.8p0.76
高分子材料成型原理篇5
关键词：高分子材料成型技术
0、引言
近年来，随着我国经济的快速发展，国家的科技实力有了很大的提高。随着我国国防、载人航天等高科技领域对高性能聚合物材料的需求，我国在高分子材料成型加工技术更是取得了巨大的成就。高分子材料即相对分子质量较高的化合物构成的材料，一般单元结构较复杂。它的主要作用是制成各种各样的产品，因此能够将其制成不同形状的成型加工技术就极其重要。
1、高分子材料成型原理
对于高分子材料，其主要性能不仅仅取决于分子的化学结构，还取决于于材料的形态。而材料的形态主要是在其加工过程中形成的。传统的高分子材料的加工过程和高分子材料的制备过程是分开的，其制备过程主要是聚合物的形成过程，而高分子材料的成型过程是将生成的聚合物采用一定的成型工艺，如挤塑、注塑、吹塑等工艺。
鉴于传统工具有高耗能、时间长等缺点，如今主要采用新的高分子材料反应加工工艺。这种工艺将高分子材料聚合物的合成和聚合物的加工成型合为一体，采用的设备具有高分子合成及成型设备的双重功能。这种工艺具有生产周期短、过程相对简单、节约能源等优点。
2、高分子成型主要技术方法
2.1挤出成型技术
挤出成型原理是利用螺旋杆加压，将塑化好的聚合物连续的从挤出机的机筒挤入机头，融化的聚合物通过机头口模成型，牵引拉出后进行冷却剂定型，最终形成制品。几乎成型真的过程主要有加料、塑化、成型、定型等，一个合格的高分子材料制品需要各个环节均运作良好方可。具体而言，挤出成型工艺，又可细分为以下几个方面：
1）共挤出技术。这种技术需要两台或两台以上的挤出机共同工作，每台挤出机出一种聚合物，最终同时挤出多种聚合物并在一个机头中成型的技术。2）挤出注射组合技术。这种技术就是将挤出的聚合物与其他注射进的非熔融状成分混合后成型的过程。这种技术最大的优点就是调节复合物的配方方便。3）挤胀成型技术。这是一种塑性成型方法，适合于做一些精细或中空的制品，通常采用旋转模塑、注塑或吹塑方法成型。4）反应挤出工艺。反应挤出工艺是连续地将单体聚合并对现有聚合物进行改性的一种方法，因可以使聚合物性能多样化、功能化且生产连续、工艺操作简单和经济适用而普遍受到重视。5）固态挤出工艺。这种工艺主要是指聚合物在固态的时候即低于熔点的条件下被挤出口模。由于聚合物在挤出口模时发生很大的变形，使得分子的取向程度远远大于熔融加工，因此制品具有更好的力学性能。
2.2注射成型技术
简单来说，注射成型技术就是将熔融状态的聚合物注射到固定形状的模具中，待冷却成型后形成高分子材料制品的一种工艺。由于绝大多数塑料都可以采用注塑成型，因此拓宽了这种工艺的应用范围。另外这种工艺具有生产时间短、产品尺寸稳定、生产操作简单等许多优点，因此在行业中具有重要地位。具体有以下几种技术：
1）电磁式聚合物动态塑化注射成型。这种技术的关键在于在注射装置中布置电磁式直线脉冲，在聚合物塑化、初涉、成型的全过程中，均保证在电磁场产生的机械震动下进行，使得整个成型过程处于周期性的振动状态。
2）微孔泡沫塑料注射成型。与传统的塑料发泡技术相比，这种成型技术不需要添加其他化学成分，也分为简写成型、连续挤出成型机注射成型等技术。主要包括热诱导相分离法、单体聚合反应法及超饱和气体法。
3）注射结构发泡成型技术。此项技术相对于传统的成型工艺取得了一定的进步，保留了其优点，摆脱了其缺点如产品强度不够生产时间长等，且进一步拥有产品重量轻差异小等优点。
4）复合熔芯注射成型技术。这种技术分为三个主要阶段：第一阶段是制备复合熔心即将模具型芯金属放入预制的铸造母槽中定位，并教主低熔点合金成型后进行外形修整。第二各阶段是熔芯的注射成型即将已经制备好的复合熔心再次仿佛模具中并进行注射成型。第三是熔芯分离即低熔点合金、嵌件及塑件加热后分离的过程。
2.3吹塑成型技术
吹塑成型指的是通过气体压力使闭合在模具中的热容型坯吹胀形成中空制品的方法。这种方法由于模具只需要凹槽，因此设备造价低适应性强，并且和成型复杂形状的制品。是第三种最常用的高分子材料成型方法。具体包括以下几种技术：
1）中空制品的吹塑。对于中空制品，其吹塑方法主要有三种：挤出吹塑：挤出吹塑：主要用于未被支撑的型坯加工；注射吹塑：主要用于由金属型芯支撑的型坯加工；拉伸吹塑：包括挤出一拉伸一吹塑、注射一拉伸一吹塑两种方法，可加工双轴取向的制品，极大地降低生产成本和改进制品性能。
2）高温吹塑成型技术。此技术的关键在于打破了传统的吹塑成型需在低温挤出这一模式，一般加工温度在250—350左右，采用高温进气吹塑成型，加工材料多为高耐热的热塑性材料，并且对吹塑成型机和模具的冷却装置的要求较高，需要其能够适应高温和低温冷却的频繁交替。
3）多层吹塑成型技术。多层吹塑成型技术的关键在于增设了一个阀门，在高分子材料挤出成型的过程中可方便的更换原料，因此生产出的制品为软质和硬质交替。此技术在加工防渗性容器的时候使用较多。
4）吹塑发泡技术。这种工艺的基本过程与中空吹塑相似，主要包括：用挤出法或注射法生产预成型坯件；将坯件放入中空成型模具，进一步加热使坯件变软并完成发泡；通过压缩空气吹胀成型；冷却定型，开模取出制件。
3、高分子材料成型发展新动态
3.1聚合物动态反应加工技术及设备
这种设备的关键在于将电磁场引起的机械振动场引入到聚合物反映挤出全过程，达到控制化学反应的过程、反应生成物的凝聚态结构和反应制品的物理化学性能的目的。
3.2热塑性弹性体动态全硫化制备技术。
这项技术主要是为了解决材料共混加工过程中共混物相态反转的问题，需要将振动力场引入混炼挤出全过程，通过控制硫化反直进程，实以达到混炼过程中橡胶相动态全硫化。
参考文献:
[1]甄延波.高分子材料成型加工技术的进展[J].化工中间体，2012年02期，23—25
高分子材料成型原理篇6
关键词：聚合物注射成型技术挤出成型技术微孔泡沫塑料
材料是技术进步的核心内容。材料之间的竞争和替代对于现存市场和新市场的竞争还必然持续下去。对于高分子材料，其主要性能不仅仅取决于分子的化学结构，还取决于于材料的形态。而材料的形态主要是在其加工过程中形成的。
一、高分子材料成型的加工技术
1.聚合物动态反应加工技术及设备
高分子材料成型加工工业的发展目前在我国占有极其重要的地位，但是我国的高分子材料成型的加工技术的开发目前还处于初步阶段。高分子材料成型加工是高能耗过程作业，无论是挤出、注射还是中空吹塑成型塑料原理都必须经过熔融塑化及输送这一基本和共性的过程，目前普遍采用的设备包括螺杆挤出机和螺杆注射机等。
聚合物反应加工技术是以现双螺杆挤出机为基础发展起来的。聚合物动态反应加工技术及设备与传统技术无论是在反应加工原理还是设备的结构上都完全不同，将聚合物反应挤出全过程引入到电磁场引起的机械振动场，从而达到控制化学反应过程、反应制品的物理化学性能以及反应生产物的凝聚态结构的目的，这就是聚合物动态反应加工技术及设备。该技术首先从理论上突破了控制聚合物单体或预聚物混合混炼过程及停留时间分布不可控制的难点，解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、动量及能量传递及平衡问题，同时从技术上解决了设备结构集成化问题。
2.以动态反应加工设备为基础的新材料制备新技术
2.1信息存储光盘盘基直接合成反应成型技术。该技术克服了传统方式的周期长、中间环节多、能耗大、易污染及成型前处理复杂等诸多问题，将光盘级pC树脂生产、中间储运和光盘盘基成型三个过程整合为一体，结合动态连续反应成型技术，研究醋交换连续化生产技术，研制开发精密光盘注射成型装备，达到节能降耗、有效控制产品质量的目的。此技术的研究实现，加强了我国在该领域内的发言权。
2.2聚合物/无机物复合材料物理场强化制备新技术。这种设备的关键在于将电磁场引起的机械振动场引入到聚合物反映挤出全过程，达到控制化学反应的过程、反应生成物的凝聚态结构和反应制品的物理化学性能的目的。
2.3热塑性弹性体动态全硫化制备技术。这项技术主要是为了解决材料共混加工过程中共混物相态反转的问题，需要将振动力场引入混炼挤出全过程，通过控制硫化反直进程，实以达到混炼过程中橡胶相动态全硫化。
二、高分子成型主要技术方法
1.挤出成型技术
挤出成型技术包括单螺杆挤出、双螺杆挤出和柱塞式挤出。其原理是利用螺旋杆加压，将塑化好的聚合物连续的从挤出机的机筒挤入机头，融化的聚合物通过机头口模成型，牵引拉出后进行冷却剂定型，最终形成制品。具体又可细分以下几个方面：
1.1反应挤出工艺。此工艺是连续地将单体聚合并对现有聚合物进行改性的一种方法，由于使聚合物性能可以多样化、功能化并且可以使工艺操作简单、生产连续和经济适用而重视
1.2挤胀成型技术。此技术是一种塑性成型方法，适于制作一些精细的制品，常采用注塑、旋转模塑或吹塑方法成型。
1.3挤出注射组合技术。此种技术是将挤出的聚合物与其他注射进的非熔融状成分混合后成型的过程。
1.4共挤出技术。共挤出技术需要两台或两台以上的挤出机共同工作，每台挤出机出一种聚合物，最终同时挤出多种聚合物并在一个机头中成型的技术。
1.5固态挤出工艺。此工艺主要是指聚合物在固态的时候即低于熔点的条件下被挤出口模。
2.注射成型技术
简单来说，注射成型技术就是将熔融状态的聚合物注射到固定形状的模具中，待冷却成型后形成高分子材料制品的一种工艺。由于绝大多数塑料都可以采用注塑成型，因此拓宽了这种工艺的应用范围。另外这种工艺具有生产时间短、产品尺寸稳定、生产操作简单等许多优点，因此在行业中具有重要地位。具体有以下几种技术：
2.1注射结构发泡成型技术
结构发泡制品是一种具有致密的表皮层和内部微细小孔的芯层的连体发泡材料，其单位密度强度和刚度比同种未发泡的材料高3～4倍。广泛用于建筑、家具、家电、日用品、农业等领域。此项技术相对于传统的成型工艺取得了一定的进步，保留了其优点，摆脱了其缺点如产品强度不够生产时间长等，且进一步拥有产品重量轻差异小等优点。
2.2电磁式聚合物动态塑化注射成型
电磁式聚合物动态塑化注射成型的关键在于在注射装置中布置电磁式直线脉冲，在聚合物塑化、初涉、成型的全过程中，均保证在电磁场产生的机械震动下进行，使得整个成型过程处于周期性的振动状态。
2.3微孔泡沫塑料注射成型
与传统的塑料发泡技术相比，微孔泡沫塑料注射成型技术不需要添加其他化学成分，也分为简写成型、连续挤出成型机注射成型等技术。主要包括热诱导相分离法、单体聚合反应法及超饱和气体法。
2.4复合熔芯注射成型技术
复合熔芯注射成型技术分为三个主要阶段：第一阶段是制备复合熔心即将模具型芯金属放入预制的铸造母槽中定位，并教主低熔点合金成型后进行外形修整。第二各阶段是熔芯的注射成型即将已经制备好的复合熔心再次仿佛模具中并进行注射成型。第三是熔芯分离即低熔点合金、嵌件及塑件加热后分离的过程。
3.吹塑成型技术
吹塑成型指的是通过气体压力使闭合在模具中的热容型坯吹胀形成中空制品的方法。这种方法由于模具只需要凹槽，因此设备造价低适应性强，并且和成型复杂形状的制品。是第三种最常用的高分子材料成型方法。
三、结束语
近年来，多个新型成型装备国家工程研究中心在出色完成了部级火炬计划预备项目和国家“八五”、“九五”重点科技计划（攻关）等项目同时，非常注重科技成果转化与产业化，使其有自主知识产权的新技术与装备在国内外推广应用。塑料电磁动态注塑机已开发完善5个规格系列，投入批量生产并推向市场；塑料电磁动态混炼挤出机的中试及产业化工作已完成，目前开发完善的4个规格正在生产试用。我国必须根据自身的实际情况来发展高分子材料成型加工技术及设备，把握技术前沿，培育自主知识产权。促进科学研究与产业界的结合，加快成果转化为生产力的进程，加快我国高分子材料成型加工高新技术及其产业的发展是必由之路。
参与文献
高分子材料成型原理篇7
一、21世纪物理学的几个活跃领域
蒸蒸日上的凝聚态物理学
自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来，世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏，时断时续。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前，许多国家的科学工作者仍在争分夺秒，继续进行竞争，向更高温区，甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。可以预计，这个势头今后也不会减弱，此外，高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测，21世纪初，这些技术问题可以得到解决并将有广泛的应用前景，有可能会引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场，届时，世界超导材料市场可望达到2000亿美元。
由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末，在短短不到30年的时间内，已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件，它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”，从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象，并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测，下一代的电子器件可能会被微结构器件替代，从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累，它的前景不可低估。
近年来，两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻和超巨磁阻现象。一般磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生轻微的变化，而巨磁和超巨磁可以是几倍或数千倍的变化。超巨磁现象中令人吃惊的是，在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体，这种原因尚不清楚，就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前，巨磁和超巨磁实现应用的主要障碍是强磁场和低温的要求，预计下世纪初在这方面会有很大的进展，并会有诱人的应用前景。
可以预计，新材料的发展是21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如，成分密度和功能不均匀的梯度材料；可随空间时间条件而变化的智能材料；变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计，21世纪新材料品种可能突破100万种。
等离子体物理与核聚变
海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢，氧化氘就是重水，每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来，那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量，这个过程称为热核反应，也叫核聚变。
核聚变反应的温度大约需要几亿度，在这样高的温度上，氘氚混合燃料形成高温等离子体态，所以等离子体物理是核聚变反应的理论基矗1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩，他们在tFtR实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏，远远超过了“点火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的Jet实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内，2亿度的温度下，氘氚气体相遇爆炸成功，产生了200千瓦的能量，虽然只维持了1.3秒，但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离，技术上尚有许多难题需要解决，如怎样将等离子加热到如此高的温度？高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触，否则等离子体要降温，容器也会被烧环，这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。
纳米技术向我们走来
所谓纳米技术就是在10[-9]米（即十亿分之一米）水平上，研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工，制造出各种东西，使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围，人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分，纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。
纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性，如它的硬度、强度，韧性和导电性等都非常高，被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为：任何经营材料的企业，如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发，今后势必会处于竞争的劣势。
纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如，目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特／平方厘米，其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。
纳米机械和加工，也称为分子机器，它可以不用部件制造几乎无任何缝隙的物体，它每秒能完成几十亿次操作，可以做人类想做的任何事情，可以制造出人类想得到的任何产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上最小的（米粒大小）蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微型机器人可进入血管清理血管壁上的沉积脂肪，杀死癌细胞，修复损坏的组织和基因。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小，可以不用开胸破腹就能完成手术。21世纪的生物分子机器将会出现可放在人脑中的纳米计算机，实现人机对话，并且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智能生命和实现物种再构。
“无限大”和“无限斜系统物理学
“无限大”和“无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系的研究，逐步发展到银河系，直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀，宇宙年龄下限，宇宙物质的层次结构，宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基矗但是到目前为止，关于宇宙的起源问题仍没有得到解决，暴胀宇宙论也并非十全十美，事实上想一次就能得到一个十分完善的宇宙理论是很困难的，这还有待于进一步的努力和探索。
“无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗物质”。“类星体”是1961年发现的，一个类星体发出的光相当于几千个星云，而每个星云相当于1万亿个太阳所发出的光，所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末，科学家们发现一个编号为3C271的类星体，一天之内它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具有引力，看不见，什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的物质是所谓的“暗物质”，这种“暗物质”到底是什么？我们至今仍不清楚，也有待于下世纪去解决。
原子核物理和粒子物理学则属于“无限斜系统物理学的范畴，它从早期对原子和原子核的研究，逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子（中子、质子、超子、л介子、K介子等）、轻子（电子、μ子、τ轻子等）和媒介子（光子、胶子等）。强子是对参与强相互作用粒子的总称，其数量几乎占粒子种类的绝大部分；轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的，它们不参与强相互作用；而媒介子是传递相互作用的。目前，人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”组成的，但是至今不能把单个“夸克”分离出来，也没有观察到它们可以自由地存在。为什么“夸克”独立不出来呢？还有一个不能解释的问题是“非对称性”，目前我们已有的定理都是对称的，可是世界是非对称的，这是一个有待于解决的矛盾。寻找独立的夸克和电弱统一理论预言的、导致对称性自发破缺的H粒子、解释“对称”与“非对性”的矛盾，是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。
从表面上看“无限大”系统物理学与“无限斜系统物理学似无必然的联系。其实不然，宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构，即可观察的宇宙范围；而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限斜微观区域的现象。其实宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。预计21世纪“无限大”系统物理学将会与“无限斜系统物理学结合得更加紧密，即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的典范，实际上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上建立起来的。可以预计，这种结合对科技发展和应用都会产生巨大的影响。
二、跨世纪科学技术的发展趋势
科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以，首先必须重视基础科学的研究，不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关，直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说，20世纪几乎所有的重大科技突破，像原子能、半导体、激光、计算机等，都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说，没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。
20世纪重大科技成果的成功经验证明，不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现，解释新现象，取得科学突破的关键条件之一。例如，核物理与军事技术的交叉产生了原子弹；半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。可以预计，21世纪待人类掌握核聚变能的那一天，一定是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的发展趋势之一。
高分子材料成型原理篇8
1钙钛矿结构
钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(catio3)结构而命名,与之相似的结构有正交、菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,a2+和o2＿离子共同构成近似立方密堆积,a离子有12个氧配位,氧离子同时有属于8个bo6八面体共享角,每个氧离子有6个阳离子(4a～2b)连接,b2+离子有6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧八面体空隙。钙钛矿结构的对称性较同种原子构成的最紧密堆积的对称性低,a、b离子大小匹配。各离子半径间满足下列关系:
其中ra、rb、ro分别为a离子、b离子和o2-离子的半径,但也存在不遵循该式的结构,可由goldschmidt容忍因子t来度量:
理想结构只在t接近1或高温情况下出现,多数结构是它的不同畸变形式,这些畸变结构在高温时转变为立方结构,当t在0.77～1.1,以钙钛矿存在;t<0.77,以铁钛矿存在;t>1.1时以方解石或文石型存在。
2钙钛矿型氧化物材料的研究进展
标准钙钛矿中a或b位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的b位离子,是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。
2.1固体氧化物燃料电池(sofc)材料
钙钛矿氧化物燃料电池sofc有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本大大降低;(3)燃料适用范围广;(4)燃料可以在电池内部重整。通过电极材料中的掺杂来提高活性,优化碱锰电池的充放电性能(参见表1)。用含锰的钙钛矿氧化物作为碱性溶液中的阴极材料,获得了好的结果。因为元素锰的d电子结构在锰的三价和四价两种氧化物之间快速传递,表现出很高的电子导电性及良好的电极可充性[5]。通过掺杂pb、co、ba、ca、sr等元素的复合钙钛矿结构,获得掺杂后的改性电极材料,pb的掺入会对mn—o的成键状态和mno2晶格内的结晶水产生影响,使mn2p3.2能级产生化学位移,结合能增大,mn—o离子性增加,共价性减小。经过对改性电极的充放电机理实验,纳米掺杂后电池的放电容量提高40%以上[6]。la1-xsrxfe1-ycoyo3作为一种混合导体材料,具有优良的电子导电性能和离子导电性能,与la0.9sr0.1ca0.8mg0.2o3、ce0.9gd0.1o1.95等新一代中温固体氧化物电解质有很好的相容性。因此,la1-xsrxfe1-ycoyo3体系材料是一种很有发展前景的中温sofc阴极材料[7]。mather等[8]用硝酸盐与尿素熔融燃烧法制备了金属阳极陶瓷材料nisrce0.9yb0.1o3-δ,实验结果表明co的加入可降低烧结温度,可获得高的阳极孔隙率有利于阳极和电解质的吸附,经分析阳极上的亚微孔结构微粒由镍和钙钛矿粒子组成。
然而,现有钙钛矿型复合氧化物的离子电导率低,高温下呈现电子或氧离子导电性。在燃料电池应用研究中,高温下器件可稳定运行,但器件的效率或功率较低。以钙钛矿型复合氧化物为电解质时,须在大于700℃的高温下使用。因此,离子导电性高、温度使用范围宽的固体电解质及电极材料研究是今后的主要目标。现有的基质材料mnceo3因稳定性和机械强度的问题,实现实用化仍存在一定难度;基质材料mnzro3虽具有较高的稳定性和机械强度,但材料离子电导率低,其燃料电池的功率很难满足要求。
2.2钙钛矿锰氧化物磁制冷材料
磁制冷是利用固体磁性材料的磁热效应来达到制冷的目的。磁卡效应(magnetocaloriceffect,mce)是指当分别对磁性材料等温磁化和绝热退磁时该材料相应地放热和吸热的一种现象。对于钙钛矿氧化物磁制冷材料,利用振动样品磁强计或超导量子干涉仪测量其等温磁化m＿h曲线或等磁场下的m＿t曲线,计算样品在tc温度下的磁熵变(即最大磁熵变),以此判断该材料作为磁制冷工质的可行性[13]。如果a位被离子半径更小的离子或b位被离子半径更大的离子取代,那么取代的结果使容差因子减小,晶格收缩,铁磁耦合变小,从而使磁熵变减小。szewczyk等[14]、陈伟等[15]以lamno3为基质材料用ca、k、sr、ti为掺杂离子详尽研究了不同磁场下掺杂后lamno3的最大磁熵变,然而实验结果不甚理想。目前实验室合成磁制冷材料的居里温度或高于室温,或低于室温,均不适合作为室温磁制冷材料。
因此,改进稀土钙钛矿材料的合成工艺及优化掺杂等参数,将现有的稀土锰钙钛矿复合,研究nbfeb等永磁体产生的中低磁场在室温附近获得最大磁熵变,以期获得在室温附近中低磁场最大磁熵变的磁制冷材料。该系列材料在室温磁冰箱等方面有广阔的应用前景,有望推动制冷领域的技术革命。
2.3多功能导电陶瓷材料
以钙钛矿氧化物制备的导电陶瓷具有化学性能稳定、抗腐蚀、耐高温等特点,具有优良的导电性和高温ptc效应(positivetemperaturecoefficient),即在某些陶瓷材料中加入微量的稀土元素,其室温电阻率会大幅度下降而成为半导体陶瓷,当温度上升到它的居里温度tc时其电阻率急剧上升,bapbo3是一种新型的多功能导电陶瓷,优异的导电性可做成薄膜和复合材料;其高温ptc效应可做成各种大功率、高温发热体和电流控制元件及高温传感器等,用作cr2o3基的陶瓷湿度传感器电极具有优良的综合性能。chang[16]从动力学角度研究了bapbo3的反应机理,试图降低温度来制备bapbo3化合物,但效果不理想。yamanaka[17]首次使用共沉淀法制得了该化合物同时降低了合成温度,获得了分布均匀的粉末。wang[18]利用该法在700℃下制得了bapbo3化合物薄膜。bapbo3是电子导电的多功能导电陶瓷,kundaliya等[19]利用穆斯鲍尔谱中子衍射研究多晶态钙钛矿化合物的磁电阻现象,结果表明,与未掺杂fe样品相比,la0.67ca0.33mn0.9fe0.1o3具有巨磁电阻效应,在40koe的应用磁场和50～80k下该化合物的巨磁率为98%。xu等[13]实验合成了la0.67ca0.33mno3、la0.67sr0.33mno3、la0.67ba0.33mno3锰类钙钛矿的巨磁材料,从磁化数据获知在居里温度附近产生巨大的熵变,而且这些样品特殊焓变均发生在它们的相变温度附近。hu等[20]对(la1-xcax)[(fe0.5nb0.5)1-yzry]o3(x=0.4,0.6;y=0.05,0.1)在微波频率下进行了微波介电性研究,zr4+被fe3+或nb5+在b位取代后,对介电常数ε影响不大,但共振频率的温度系数tf近似为零(x=0.55,y=0.1),实验条件下获得介电常数ε为85.3。
目前存在主要问题是化合物合成重复性差、铅易氧化挥发,难保持材料的化学计量平衡等因素,因此,必须研究新制备工艺、优化离子掺杂和烧结温度等条件,从而合成性能稳定、导电性好的功能陶瓷材料。2.4氧分离膜与气敏材料
钙钛矿型复合氧化物因其电子和氧离子导电性对氧有良好的吸附和脱附性能。高温下,当膜两侧存在氧浓度梯度时,无需外接电路就可以选择氧。固体电解质作为透氧膜材料时,使用具有催化活性的电极(如pt或混合导电体)以促使氧的吸附和脱附,该反应只有在气相—电极—电解质三相界面上才能进行,而对于la1-xsrxfe1-ycoyo3材料,反应能在整个界面上进行。高温下这类材料是电子或电子空穴和氧离子的混合导体,低价金属离子sr2+的掺杂导致空穴和氧空位的出现,其协同作用可实现对氧气的选择透过性,且随着sr和co含量的增加而增加。由于是通过氧空穴机理来传导氧,制备的膜对o2有100%的选择性,可以用于氧气的分离、纯化和各种涉氧反应。因此,具有混合导电性的钙钛矿型复合氧化物la1-xsrxfe1-ycoyo3可望成为一种全新的氧分离膜介质材料[21]。葛秀涛等[22]采用溶胶凝胶法在800℃下热处理2h制得钙钛矿氧化物yfeo3微粉,呈p型导电行为,用在350℃下焙烧2h和800℃焙烧3h所得超细微粉制作的元件对c2h5oh有较高的灵敏度和良好的选择性,257℃下对4.5×10-5mol.dm3c2h5oh的灵敏度是相同浓度干扰气体汽油的7倍以上,它有望成为一类新型酒敏传感器。钛酸锶(srtio3)是钙钛矿氧化物绝缘体,被广泛用于生长高温超导薄膜的衬底,作为高电容率材料在超晶格和下一代超大规模集成器件中具有潜在的应用价值。崔大复等[23]研究了掺杂sb的srtio3透明导电薄膜,用紫外脉冲激光淀积法在srtio3衬底上制备了钙钛矿型氧化物srti1-xsbxo3(x=0.05,0.10,0.15,0.20)薄膜,结果表明,可见光波段薄膜的透过率大于90%,当sb掺杂x=0.05时,薄膜具有良好的导电性。侯峰等[24]进行了lanio3纳米陶瓷薄膜的制备,并制成了氧敏传感器,实验测试了lanio3的响应速率,发现掺杂ce后从还原气氛到氧化气氛和从氧化气氛到还原气氛的响应时间缩短为2s。toan等[25]用反铁磁钙钛矿氧化物lafeo3膜在270℃和420℃温度和不同co、ch4和no2浓度下进行了气敏性研究,用两种感应膜测试了不同的混合物co和ch4,用au和pt作电极测量了纳米膜lafeo3的响应时间,实验证实对co和ch4可测到的10×10-6数量级,而对no和no2可达1×10-6以下的精确度,有望成为煤矿上可燃气体的气敏传感器。膜la0.7sr0.3ga0.6fe0.4o3-δ的透氧率远低于商业气体分离膜,但涂上la0.6sr0.4coo3-δ后,透氧量明显增加,是不涂样品的2～6倍,涂层的多孔性对透氧量影响很大[26]。
钙钛矿氧化物透氧膜材料的选择应满足下述条件:(1)透氧量是决定透氧膜具有应用价值与否的关键,透氧量大于1.0ml.cm2才有应用价值;(2)透氧膜材料应具有较强的抗气体侵蚀能力,实际环境中保持结构和化学稳定性;(3)透氧膜应具有高的机械强度。目前存在的问题是,实际应用中透氧量降低和膜组件破裂致使反应器报废损坏。今后的研究应集中在开发合成新气敏材料以提高气敏性、选择性和传感器的稳定性,设计先进的合成工艺以降低其成本,同时确保其可靠性、安全性和再现性。
2.5氧化还原催化剂
钙钛矿复合氧化物由于表面纳米粒子的氧化还原协同作用及晶格缺陷,致使晶场环境和结合能与宏观颗粒相比差异很大,它们对废气净化过程中co、碳氢化合物的完全氧化和so2、nox的还原反应具有高的催化活性,掺杂稀土后催化剂具有高抗毒性能和热稳定性,可望替代贵金属催化剂而成为高温稳定型氧化还原催化剂、汽车尾气净化催化剂。
制备abo3型化合物的新方法———声空化法的物理效应和化学效应引起了人们的极大关注。利用超声波空化作用使复合氧化物的粒径细小均匀,孔容和比表面增加,更有利于晶格氧的形成。梁新义等[27]研究了lanio3催化剂进行no分解和co氧化反应,以超声波处理的催化剂活性明显提高。徐菁利等[28]以稀土复合氧化物为催化剂,模拟汽车尾气的组成含量,用连续流动反应器,研究了复合氧化物la0.5sr0.4ni1-xcuxo3系列(x=0～1.0)催化剂,当反应温度大于300℃和so2的脉冲积累含量为1.22×10-2mmol时,该催化剂活性较好。徐鲁华等[29]用微乳液法制备的稀土la0.7sr0.3mno3钙钛矿粉末制成蜂窝状催化剂,评价了它们对富氧条件下氮氧化物还原的催化活性,结果表明用催化剂浆液浸渍法制得的样品具有较高的催化活性。weng等[30]利用涂覆法研究了添加ce对汽车尾气催化剂lamo3(m=mn,mn＿cu)性质和结构的影响,发现添加ce后催化剂的热稳定性有很大的提高,当ce含量6(wt)%,温度达1150℃才有一定量γ＿al2o3转变为α＿al2o3,而不添加的样品从800℃起就发现有α＿al2o3生成,添加ce的催化剂对碳氢化合物氧化活性下降不明显,但对co氧化和no还原活性有显著提高,因添加ce的催化剂颗粒细小,粒径分布均匀,活性组分在催化剂表面有高的分散度。
钙钛矿复合氧化物因具有独特的半导体性质,利用该性质作为光催化剂进行光降解的研究同样受到研究工作者的瞩目。傅希贤等[31]用柠檬酸络合法制备了钙钛矿型lafeo3及lafe1-xcuxo3化合物,发现掺杂cu达5(wt)%时,lafe0.95cu0.05o3的光催化活性最高,在其悬浮体系中对co2-3进行光催化还原实验,用450w荧光汞灯作为光源,λ>410nm,光照5h,取上层清液分析,结果表明悬浮体系中co2-3被还原为甲酸、甲醛。omata等[32]研究了碱土金属掺杂的钙钛矿氧化物与tio2的协同光催化反应,钙钛矿氧化物srzr0.9y0.1o3作为p型半导体其光催化活性很低,它吸收的波长<800nm,而tio2作为n型半导体光催化活性高,但它几乎不吸收可见光。在xe灯照射下,p＿n型结合后的催化剂粒子对甲基蓝的光催化降解接近100%,是tio2活性的数倍,在可见光(λ>420nm)的照射下,对甲基蓝和甲酸溶液能完全降解。yao等[33]利用csd方法制备了层状的钙钛矿化合物bi4ti3o12,用甲基橙进行了光催化降解实验,紫外灯照射4h后使摩尔浓度10×10-6的甲基橙溶液完全降解,tem获知bi4ti3o12晶体微粒为球状且直径为10～90nm。kato等[34]研究了许多碱金属和碱土金属的钽酸盐,如k3ta3si2o13,由于ta具有高导带水平的5d轨道,对工业污水具有较高的光催化活性,实验发现掺杂nio后钙钛矿natao3结构产生扭曲,进一步掺杂la改进nionatao3催化活性,掺杂后nionatao3的量子率在270nm时可达50%。吴树新[35]掺杂了cu、cr、mn等金属粒子,发现cu掺杂改性的纳米催化剂能使甲酸、乙酸、甲醛水溶液在较短时间内降解完全。在光催化还原反应中,使用未掺杂的催化剂进行反应,产物中仅有甲酸和甲醛,而使用掺杂后的催化剂,则检测到有深度还原产物甲醇生成。
但是,钙钛矿氧化物催化活性比贵重金属催化剂低,抗析碳、耐气蚀及耐毒性等方面还存在差距,当水蒸气等含氧气氛存在时活性降低甚至中毒,须改进工艺,研究合成新化合物提高活性;作为光催化剂时,仍存在光子利用率低和催化剂难以回收等难题。今后的研究除了从静态角度将催化剂某些参数如电子结构与催化剂活性关联外,应同时注重研究催化电子能量传递过程的微观动态分析,注重反应器设计及催化剂表面活性组分的质量热量传递途径研究。
3钙钛矿复合氧化物材料应用前景
高分子材料成型原理篇9
【关键词】新材料；市场前景
一、电子光电材料
信息领域的发展使人们需要处理的不仅是数据、文字、声音和图像，而是活动图像和高清晰的图像。在海量数据信息存储中，信息的存入和取出速率要求越来越高，半导体内存储器的数据存取时间从微秒降到纳秒级，而外部存储器的数据存取时间从毫秒级降到微秒级，要求存储介质的记录和擦除的时间响应要快。存储过程的物质变化主要依靠原子、离子和分子的自旋变迁、电子跃迁、光子感应，以及原子、离子和分子在它们最邻近位置的移动，要求在新存储材料研究上有新的突破。21世纪是“太元时代”，即电信时代，通信产业将从电子邮件、因特网等计算机通讯手段向智能通信网络发展，新的网络核心――光子、光网络的传播因子将直接是波长而不是分组，载有信息的光子直接进入网络。目前，集成电路技术可以把整个计算机系统架构在硅晶片上，经过光纤放大器（eDFa）和波分复用（wDm）等现代光纤通信技术，可以将整个计算机系统架构在石英光纤上，而主要原料则是砂子。微电子是技术导向性产业，通过缩小器件的特征尺寸，提高芯片的集成度、增加硅片面积来提高集成电路的性能和性价比。在微电子技术的发展过程中，材料科学技术起到决定性和作用，因为集成电路是制造在各相关体或薄膜材料上的，制造过程中也会涉及系列的材料问题。微电子技术将进入亚0.1um时代，在这样的器件尺度下，技术和物理的限制将会出现，对材料科学技术的发展提出了新要求。集成电路材料分为功能性材料、结构材料、工艺材料和辅助材料，还可能引入新的材料。显示技术从阴级射线管开始，已经发展到了可便携式和大屏幕的显示技术，航天技术的发展要求显示材料能克服策略加速的震动能力，并适应不同的温差和湿差等。目前显示技术主要有两种：发光显示与不发光显示。发光显示屏都涂有发光涂料，不发光的材料主要是液晶。低维结构材料指除三维体材料外的二维、一维和零维材料。一维量子材料指载流子仅在一个方向可以自由运动，而另两个方向则受约束。零维量子材料指载流子在三个方向受约束。集成电路芯片功能的实现要依靠引出信号，即依靠封装材料组成器件，封装是集成电路支撑、保护的必要条件，是其功能实现的组成部分，能够实现电源供给、信号互联、机械支撑、散热和环境保护功能。微电子封装涉及了除芯片外的所有半导体元器件领域。
二、生物医学材料
用生物材料制成人工器官取代受损器官是当前医学发展的趋势，过去的材料是人工合成材料，可能造成一系列的副作用，如生物不相容性和血不相容性，同时还会带来异体界面发生的炎性反应、位移和破裂，器官移植供体不足和排异药物的副作用也没有彻底解决。利用新生物医学材料可在体外用聚合物构建一个支架体内，使活细胞与支架进行结合，构成具有生物活性的人体组织器官。这些生物功能材料可以是永久性的，也可以是生物降解的，可以是天然合成材料也可以是杂化材料，但结合材料对细胞的反应情况，使其能实现活细胞在体内或体外相容。生物医学材料不是被“惰性”植入体，而是要引导细胞、组织及器官的修复和再生功能，主要的发展目标是：新型可降解材料；利用物理、化学和生物方法来改选原有材料。另一个与生物医学材料相关的是材料仿生的研究，包括模仿天然生物材料结构特征的结构仿生和模仿生物体中形成材料的过程仿生。目前，细胞工程、基因工程和微生物学向材料科学的渗透，使生物科学原理在材料科学领域得到了广泛应用。
三、复合材料与高分子材料
若想实现一种材料满足各种高水平的综合指标，从单一材料出发是非常困难的，复合材料是将金属、无机非金属、高分子材料组合起来的一种多相材料，其设计自由度很大，可以在组成成分选择、占比来满足设计要求，即复合材料效应。目前，复合材料与金属材料、高分子材料和无机非金属材料并列为四大材料。如在新能源方面，碳纤维和玻璃纤维已经应用于风力发电机的叶片、太阳能电池的轻质高强度支架、核电和潮汐发电的离心机转子等。复合材料使用寿命长也可以节约资源，如高强纤维增强混凝土可以扼制开裂，从而防止钢筋生锈；同时在设计高性能碳纤维或芳酰胺纤维增强聚合物代替钢筋克服了原来存在的问题。在基础建设的修复中，复合材料好是最经济的方法。特殊功能的高分子材料的质量取决于材料的选择和成型技术，高分子材料成型加工是一门交叉科学，主要研究材料特性，确定最佳的加工条件，制造最佳性能的产品。目前的主要研究方向是：研究在加工工程中材料结构的演变，通过反应性加工实现预期的材料结构，与辐照、力化学、电磁振荡等物理技术结合确定最佳加工方法等。合成纤维已经占居了纤维的主要市场，目前研究的方向是：开展高性能纤维和功能纤维，如pBo纤维、分离功能纤维、有机光导纤维等的研制。
四、其它新材料
电池将在解决经济增长、能源和环境难题中直到重要的作用，而材料是电流的基础。燃料电池和各种高能电池将在人类社会发展中起到重要的作用。目前发展方向是小型电池、长寿命电池和燃料电池，通过电池材料可以提高电池性能。薄膜是一种用途很广的材料，主要用于维护材料或零部件的结构完整性，如耐磨损、耐腐蚀性和耐高温性等，通常被称为是防护膜。另一个薄膜则要求应用其电、磁、声、光等功能，通常被称为是功能膜。生物材料上使用的薄膜通常被称为是生物医学膜，还有装饰膜和包装膜等。薄膜技术的发展主要包括薄膜材料开发、薄膜沉积工艺、薄膜材料结构与性能研究、薄膜应用技术等。薄膜技术发展的主要特点是：器件的微型化使薄膜的尺度不断减少。宏观状态的物质有三维空间，当物质在某个方向的度量尺寸是微观尺度，而其宏观而其它方向是宏观尺寸时，则会呈现二维性，其性能也会发生重大变化，这涉及物理和材料两个学科领域，可见，一维材料膜和二维材料膜构成了低维材料家族。功能陶瓷包括铁电、压电、介电、热释电、半导、导电、超导和磁性等功能各异的陶瓷材料，是电子信息、集成电路、移动通讯、计算机、自动控制、精密仪器、航空航天、汽车和能源等高技术领域的重要基础材料。信息功能陶瓷是新型无机非金属材料，用于表面组装技术，压电驱动器、超声马达，复相与复相功能陶瓷，软化学与功能陶瓷薄膜，半导体陶瓷与传感器，电子封装陶瓷基片等领域。水泥材料主要研究水泥熟料矿物的结构与特征，水泥生产过程的技术进步、水泥的水化与硬化、水泥硬化体的与工程性质等，水泥浆与集料的界面结构和混凝土的耐久性，以及低钙复合水泥的技术开发路线等。
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高分子材料成型原理篇10
关键词:高分子材料成型加工技术
近年来,某些特殊领域如航空工业、国防尖端工业等领域的发展对聚合物材料的性能提出了更高的要求,如高强度、高模量、轻质等,各种特定要求的高强度聚合物的开发研制越来越显迫切。
一、高分子材料成型加工技术发展概况
近50年来,高分子合成工业取得了很大的进展。例如,造粒用挤出机的结构有了很大的改进,产量有了极大的提高。20世纪60年代主要采用单螺杆挤出机造粒,产量约为3t/h;70年代至80年代中期,采用连续混炼机+单螺杆挤出机造粒,产量约为10t/h;80年代中期以来。采用双螺杆挤出机+齿轮泵造粒,产量可以达到40-45t/h,今后的发展方向是产量可高达60t/h。在l950年,全世界塑料的年产量为200万t。20世纪90年代。塑料产量的年均增长率为5.8%,2000年增加至1.8亿t至2010年,全世界塑料产量将达3亿t,此外。合成工业的新近避震使得易于璃确控制树脂的分子结构,加速采用大规模进行低成本的生产。随着汽车工业的发展,节能、高速、美观、环保、乘坐舒适及安全可靠等要求对汽车越来越重要.汽车规模的不！断扩大和性能的提高带动了零部件及相关材料工业的发展。为降低整车成本及其自身增加汽车的有效载荷,提高塑料类材料在汽车中的使用量便成为关键。
据悉,目前汽车上100kg的塑料件可取代原先需要100-300kg的传统汽车材料(如钢铁等)。因此,汽车中越来越多的金属件由塑料件代替。此外,汽车中约90%的零部件均需依靠模具成型,例如制造一款普通轿车就需要制造1200多套模具,在美国、日本等汽车制造业发达的国家,模具产业超过50%的产品是汽车用模具。目前,高分子材料加工的主要目标是高生产率、高性能、低成本和快捷交货。制品方面向小尺寸、薄壁、轻质方向发展;成型加工方面,从大规模向较短研发周期的多品种转变,并向低能耗、全回收、零排放等方向发展。
二、现今高分子材料成型加工技术的创新研究
(一)聚合物动态反应加工技术及设备
聚合物反应加工技术是以现双螺杆挤出机为基础发展起来的。国外的Berstart公司已开发出作为连续反应和混炼的十螺杆挤出机,可以解决其它挤出机(包括双螺杆和四螺杆挤出机)作为反应器所存在的问题。国内反应成型加工技术的研究开发还处于起步阶段,但我国的经济发展强烈要求聚合物反应成型加工技术要有大的发展。指交换法聚碳酸酯(pC)连续化生产和尼龙生产中的比较关键的技术是缩聚反应器的反应挤出设备,我国每年还有数以千万吨计的改性聚合物及其合金材料的生产。关键技术也是反应挤出技术及设备。
目前国内外使用的反应加工设备从原理上看都是传统混合、混炼设备的改造产品,都存在传热、传质过程、混炼过程、化学反应过程难以控制、反应产物分子量及其分布不可控等问题.另外设备投资费用大、能耗高、噪音大、密封困难等也都是传统反应加工设备的缺陷。聚合物动态反应加工技术及设备与传统技术无论是在反应加工原理还是设备的结构上都完全不同,该技术是将电磁场引起的机械振动场引入聚合物反应挤出全过程,达到控制化学反应过程、反应生成物的凝聚态结构和反应制品的物理化学性能的目的。该技术首先从理论上突破了控制聚合物单体或预聚物混合混炼过程及停留时间分布不可控制的难点,解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、动量及能量传递及平衡问题,同时从技术上解决了设备结构集成化问题。新设备具有体积重量小、能耗低、噪音低、制品性能可控、适应性好、可靠性高等优点,这些优点是传统技术与设备无法比拟或是根本没有的。该项新技术使我国聚合物反应加工技术直接切人世界技术前沿,并在该领域处于技术领先地位。
(二)以动态反应加工设备为基础的新材料制备新技术
1.信息存储光盘盘基直接合成反应成型技术。此技术克服传统方式的中间环节多、周期长、能耗大、储运过程易受污染、成型前处理复杂等问题,将光盘级pC树脂生产、中间储运和光盘盘基成型三个过程整合为一体,结合动态连续反应成型技术,研究酯交换连续化生产技术,研制开发精密光盘注射成型装备,达到节能降耗、有效控制产品质量的目的。
2.聚合物/无机物复合材料物理场强化制备新技术。此技术在强振动剪切力场作用下对无机粒子表面特性及其功能设计(粒子设计),在设计好的连续加工环境和不加或少加其它化学改性剂的情况下,利用聚合物使无机粒子进行原位表面改性、原位包覆、强制分散,实现连续化制备聚合物/无机物复合材料。
3.热塑性弹性体动态全硫化制备技术。此技术将振动力场引入混炼挤出全过程,控制硫化反直进程,实现混炼过程中橡胶相动态全硫化.解决共混加工过程共混物相态反转问题。研制开发出拥有自主知识产权的热塑性弹性体动态硫化技术与设备,提高我国tpV技术水平。
三、高分子材料成型加工技术的发展趋势
近年来,各个新型成型装备国家工程研究中心在出色完成了部级火炬计划预备项目和国家“八五”、“九五”重点科技计划(攻关)等项目同时,非常注重科技成果转化与产业化,完成产业化工程配套项目20多项,创办了广州华新科机械有限公司和北京华新科塑料机械有限公司,使其有自主知识产权的新技术与装备在国内外推广应用。塑料电磁动态塑化挤出设备已形成了7个规格系列,近两年在国内20多个省、市、自治区推广应用近800台(套)。销售额超过1.5亿元,还有部分新设备销往荷兰、泰国、孟加拉等国家.产生了良好的经济效益和社会效益。例如pe电磁动态发泡片材生产线2000年和2001年仅在广东即为国家节约外汇近1600万美元,每条生产线一年可为制品厂节约21万k的电费。塑料电磁动态注塑机已开发完善5个规格系列,投入批量生产并推向市场;塑料电磁动态混炼挤出机的中试及产业化工作已完成,目前开发完善的4个规格正在生产试用。并逐步推向市场目前新设备的市场需求情况很好,聚合物新型成型装备国家工程研究中心正在对广州华新科机械有限公司进行重组。将技术与资本结合,引入新的管理、市场等机制,争取在两三年内实现新设备年销售额超亿。我国已加入wto,各个行业都将面临严峻挑战。
综上所述,我国必须走具有中国特色的发展高分子材料成型加工技技术与装备的道路,打破国外的技术封锁,实现由跟踪向跨越的转变;把握技术前沿,培育自主知识产权。促进科学研究与产业界的结合,加快成果转化为生产力的进程,加快我国高分子材料成型加工高新技术及其产业的发展是必由之路。
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