《高分子物理》课程教学大纲

《高分子物理》课程教学大纲

（中文班）

一、课程基本信息

二、课堂教学大纲

第一章绪论

（一）教学内容

介绍高分子科学的发展简史，以及高分子物理是如何建立起来的。以早期获得过诺贝尔奖的三位高分子科学家的研究经历和对高分子科学的重要贡献为线索，向学生说明高分子科学发展的艰难历程；介绍教材的结构和特点；介绍高分子物理的研究内容；介绍本门课程的学习方法。（二）教学内容的结构

1. 高分子科学的诞生与发展

2. 高分子与传统科学的碰撞

3. 高分子物理的研究内容

4. 高分子物理的特点

（三）教学目标

了解高分子科学诞生的过程，掌握高分子物理的研究内容，了解高分子科学领域获得诺贝尔奖的著名科学家以及他们获奖的研究工作。

第二章聚合物的结构

（一）教学内容

介绍高分子的链结构，包括：近程结构（结构单元化学组成，键接结构，支化与交联，构型和共聚物结构），远程结构（构象，均方末端距，均方旋转半径，链柔性及其结构的关系）。

介绍高分子的凝聚态结构，包括：高分子间的作用力，结晶形态和结构（单晶，球晶），晶态结构模型和非晶态结构模型，结晶动力学及其影响因素，结晶能力与结构关系，结晶度，结晶热力学，高分子的取向及其对聚合物性能的影响，液晶态结构和非均相多组分聚合物的织态结构及其对聚合物性能的影响。

（二）教学内容的结构

1. 概论

1.1 高分子结构的特点

1.2 高分子结构的研究内容

2. 高分子链的近程结构

2.1 高分子的化学组成

2.2 结构单元的间接顺序

2.3 支化与交联

2.4 共聚物的结构

2.5 高分子链的构型

3. 高分子链的远程结构

3.1 聚合物的分子量

3.2 高分子的分子量分布

3.3 高分子链的构象

3.4 高分子链的柔顺性

3.5 高分子链的构象统计

3.6 高分子链柔顺性的表征

4. 聚合物分子间的相互作用

4.1 高分子间的相互作用

4.2 内聚能密度

5. 聚合物的晶态结构

5.1 聚合物的结晶形态

5.2 聚合物的晶胞

5.3 高分子在晶体中的构象

5.4 聚合物的晶态结构模型

5.5 高分子链结构对结晶能力的影响5.6 聚合物的结晶速度

5.7 Avrami方程

5.8 结晶速度的温度依赖性

5.9 影响结晶速度的其它因素

5.10 结晶度及其对聚合物性能的影响

5.11 聚合物的熔融及其影响熔点的因素

6. 聚合物的非晶态结构

6.1 无规线团模型

6.2 两相球粒模型

7. 聚合物的取向态结构

7.1 高聚物的取向现象

7.2 高聚物的取向机理

7.3 取向的应用

8. 聚合物的液晶态结构

8.1 基本概念

8.2 液晶形成的条件

8.3 液晶的分类

8.4 高分子液晶的分类

8.5 液晶聚合物溶液的流动特性

8.6 液晶高分子的应用

（三）教学目标

1. 高分子链的近程结构

（1）了解聚合物的结构层次。

（2）了解碳链高分子、杂链高分子、元素高分子和无机高分子的概念。

（3）了解高分子结构单元之间的键接方式和鉴别方法。

（4）掌握高分子链构型的概念，明确旋光异构体和几何异构体形成的原因和类型，掌握等规度的概念。

（5）掌握线形、支化和交联高分子的结构特点和性能上的不同。

2. 高分子链的远程结构

（1）掌握聚合物多分散性的概念及其表示方法。

（2）了解聚合物各种平均分子量的表示方法，重点掌握数均和重均分子量的物理意义和计算方法。

（3）掌握单键内旋转的概念，掌握高分子链的构象，掌握自由结合链、自由旋转链、等效自由结合链、高斯链的基本概念，以及与实际高分子链之间的区别。

（4）掌握高分子柔顺性的概念及其影响因素，了解高分子柔顺性的表征参数。

（5）掌握均方末端距和均方旋转半径的概念，了解其平均值的统计含义。了解自由结合链和自由旋转链均方末端距的计算。

3. 聚合物分子间的相互作用

（1）了解聚合物分子之间相互作用的类型和本质。

（2）掌握内聚能和内聚能密度的概念，了解内聚能密度大小与聚合物性能之间的关系。

4. 聚合物的晶态结构

（1）掌握单晶和球晶的结晶形态、形成条件和判别方法，了解球晶和单晶中高分子链的取向方向，了解高分子链在晶体中的构象及其形成原因。

（2）了解描述聚合物晶态结构的几种模型，以及每个模型提出的实验依据，各自可以解释的实验现象和不能解释的实验现象。

（3）掌握高分子链的结构对其结晶能力的影响。

（4）了解高聚物的结晶过程，掌握均相成核和异相成核的概念，了解聚合物成核速度和结晶生长速度的测定方法，掌握膨胀计法、光学解偏振法和示差扫描量热法测定聚合物结晶速率的原理和方法，掌握半结晶时间的概念。

（5）掌握Avrami方程及其应用范围，明确Avrami指数n的物理意义，及其与晶体生长方式和成核方式之间的联系，了解半结晶时间与结晶速率常数之间的关系。

（6）了解聚合物的结晶温度范围，掌握温度对聚合物结晶速率的影响，并能解释结晶速率－温度关系曲线。掌握聚合物的分子结构、分子量、杂质和外力等因素对聚合物的结晶速率的影响。

（7）掌握结晶度的概念和表示方法，弄清结晶度对聚合物各项物理性能的影响。

（8）了解聚合物的熔化过程和本质，掌握影响结晶聚合物熔点的因素。

5. 聚合物的非晶态结构

了解描述聚合物非晶态结构的主要模型，和各模型可以解释的实验事实。

6. 聚合物的取向态结构

（1）掌握取向的概念、机理及其对聚合物性能的影响。

（2）掌握解取向的概念。

（3）了解取向和解取向的原理在纤维生产过程中的应用。

7. 聚合物的液晶态结构

（1）掌握液晶聚合物的概念，了解液晶聚合物的结构特点和分类。

（2）了解液晶聚合物溶液的性质，掌握液晶聚合物的粘度与浓度和温度之间的关系。

第三章聚合物的分子运动

（一）教学内容

介绍分子热运动，包括高分子的运动单元，高分子热运动和温度与时间的关系和聚合物的力学状态和转变过程。介绍玻璃化转变，包括：自由体积理论，影响Tg的各种因素。介绍粘性流动，

包括聚合物熔体流动特征，影响Tf的因素，影响聚合物剪切粘度的因素和聚合物流动过程中弹性效应。

（二）教学内容的结构

1. 聚合物的力学状态和热转变

1.1 聚合物热运动的主要特点

1.2 力学状态和热转变

2. 聚合物的玻璃化转变

2.1 玻璃化转变现象和玻璃化转变温度

2.1 耐热性的表示方法

2.3 玻璃化转变的自由体积理论

2.4 WLF方程定义的自由体积

2.5 影响玻璃化温度的因素

2.6 高聚物的次级松弛

3. 聚合物熔体的流变性

3.1 基本概念

3.2 非牛顿流体的类型

3.3 高聚物粘性流动的特点

3.4 影响粘流温度的因素

3.5 聚合物流动性的表征

3.6 聚合物熔体的流动曲线

3.7 影响聚合物熔体粘度的因素

3.8 聚合物熔体粘度的测定

3.9 聚合物熔体的弹性现象

（三）教学目标

1. 聚合物的力学状态和热转变

（1）了解聚合物分子运动的特点，理解松弛现象和松弛过程的概念。

（2）掌握聚合物的三种力学状态和两个转变，并能用分子运动的观点解释聚合物的温度形变曲线。2. 聚合物的玻璃化转变

（1）掌握玻璃化转变温度的概念，了解聚合物玻璃化温度的测定方法，重点掌握膨胀计法、DSC法和DMA法测定玻璃化温度的原理和方法。

（2）掌握自由体积理论，并能用自由体积理论解释聚合物的玻璃化转变现象。

（3）能够推导WLF方程定义的自由体积分数为2.5％。

（4）掌握影响聚合物玻璃化温度的各种因素。

3. 聚合物熔体的流变性

（1）掌握高聚物熔体的流动机理，了解高聚物粘流活化能与分子量之间的关系。

（2）掌握高聚物熔体的流体性质和流动特点。

（3）掌握影响聚合物粘流温度的各种因素。

（4）掌握表观粘度、零切粘度和无穷剪切粘度的概念，了解聚合物熔体粘度的测定方法。

（5）掌握熔融指数的概念，明确熔融指数与熔体粘度间的区别。

（6）能够用链缠结的观点或物理交联点的形成来解释聚合物熔体的流动曲线。

（7）掌握聚合物熔体的粘度与剪切速率、温度之间的关系，并掌握柔性聚合物、刚性聚合物的粘度对剪切速率和温度的不同依赖性。

（8）掌握Arrhenius公式和WLF方程的适用范围。

（9）掌握分子量与聚合物零切粘度之间的关系。

（10）了解韦森堡效应（爬杆现象）、巴拉斯效应（挤出物胀大）以及熔体的不稳定流动和熔体破裂现象。

第四章高分子的溶液性质

（一）教学内容

介绍聚合物的溶解过程，包括溶解原理和浓度参数和溶剂选择原则。介绍高分子溶液热力学，包括：Flory-Huggins溶液理论和Flory-Krigbum稀溶液理论。介绍聚合物分子量及分子量分布的测定方法，包括：端基分析，气相渗透，膜渗透，光散射，粘度和凝胶色谱。高分子浓溶液的特征，

包括：聚合物增塑，凝胶和冻胶。

（二）教学内容的结构

1. 聚合物的溶解

1.1 聚合物溶解的特点

1.2 聚合物溶解过程的热力学

1.3 溶剂的选择

2. 高分子溶液的热力学性质

2.1 理想溶液

2.2 溶液的分类

2.3 Flory-Huggins高分子溶液理论（晶格模型理论）

2.4 过量化学位

2.5 Flory-Krigbaum稀溶液理论

2.6 状态（无扰状态）

2.7 扩张因子（溶胀因子）

3. 聚合物分子量的测定

3.1 端基分析

3.2 沸点升高和冰点下降

3.3 膜渗透压法

3.4 蒸汽压渗透法（VPO）

3.5 粘度法

3.6 光散射法

4. 聚合物的分子量分布

4.1 分子量分布的表示方法

4.2 分子量分布的研究方法

4.3 高分子的分级实验方法

4.4 数据处理

4.5 凝胶渗透色谱

5. 高分子浓溶液

5.1 高聚物的增塑

5.2 纺丝夜

5.3 凝胶和冻胶

（三）教学目标

1. 聚合物的溶解

（1）掌握聚合物溶解的过程和特点，弄清聚合物的溶解性与分子量、聚合物的结构以及聚集态结构之间的关系。

（2）可以从热力学的观点解释聚合物的溶解特点，并说明聚合物的极性对其溶解性的影响，掌握聚合物溶剂选择的原则。

（3）掌握内聚能密度的概念及其测定方法。

2. 高分子溶液的热力学性质

（1）理解理想溶液模型，掌握理想溶液的热力学性质，了解实际溶液与理想溶液之间的差别。

（2）了解Flory-Huggins晶格模型，了解聚合物溶液热力学参数的计算。掌握相互作用参数（Huggins 参数）χ1的概念及其物理意义，掌握第二维利系数A2的物理意义。

（3）深入理解过量化学位（?μE1）的含义，掌握过量化学位与溶剂性质之间的关系。

（4）掌握θ状态、θ溶液、θ温度和θ溶剂的概念，并弄清θ溶液与理想溶液之间的差别。

（5）了解排斥体积的概念，掌握无扰尺寸和溶胀因子的定义，弄清溶胀因子的大小与高分子链状态之间的关系。

3. 聚合物分子量的测定

（1）掌握端基分析法测定分子量的应用条件、测定方法和大致的测定范围，弄清端基分析法测得的是何种分子量。

（2）了解沸点升高和冰点下降法测定分子量的原理、方法和测定范围以及测得的是何种分子量。

（3）理解渗透压的概念，掌握膜渗透压法测定聚合物分子量的原理、实验方法以及测得的是何种分子量，掌握用膜渗透压法测定第二维利系数A2和θ温度的方法。

（4）了解用气相渗透测定分子量的方法。

（5）了解光散射的基本原理，掌握光散射测定聚合物分子量的实验方法和数据数理过程，掌握利用光散射测定第二维利系数和高分子分子尺寸的方法。

（6）掌握相对粘度、增比粘度、比浓粘度、比浓对数粘度和特性粘度的定义，了解溶液粘度的浓度依赖性。弄清粘度法测定粘均分子量的基本原理、实验方法、实验仪器、数据处理过程和测定范围。掌握MHS 方程、了解K、a值的测定及其影响因素。掌握一点法测定分子量的应用条件和计算方法。

4. 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）掌握逐步降温、逐步沉淀、柱上溶解和梯度淋洗法等分级实验方法。

（3）掌握凝胶渗透色谱（GPC）的分离机理，了解GPC的仪器构成，弄清标定曲线和标定方程、普适标定参数和普适标定曲线，以及普适标定曲线与标定曲线之间的转换。掌握GPC测定聚合物分子量分布的原理、实验方法，了解GPC的数据处理过程，了解GPC常用的溶剂和标准样品。

5. 聚合物浓溶液

（1）掌握增塑和增塑剂的概念，了解常用的增塑剂以及增塑剂的选择原则，弄清增塑剂的作用机理。

（2）了解凝胶和冻胶的概念。

第五章聚合物的力学性能

（一）教学内容

介绍聚合物的力学性能，应力与应变，模量与柔量概念，聚合物的高弹性特征及理论、粘弹性及其力学模型、时温等效原理、聚合物的力学强度、拉伸过程及断裂破坏过程等。

（二）教学内容的结构

1. 描述力学性能的基本物理量

1.1 应力与应变

1.2 模量和柔量

1.3 泊松比

1.4 三种模量之间的关系

1.5 几种常见的力学性能指标

2. 聚合物的高弹性

2.1 聚合物高弹性的特点

2.2 高弹性的高分子结构特征

2.3 橡胶的弹性理论

3. 聚合物的粘弹性

3.1 基本概念

3.2 基本的力学松弛现象

3.3 动态粘弹性

3.4 粘弹性的力学模型

3.5 室温等效原理

3.6 Boltzman 叠加原理

4. 聚合物的力学强度

4.1 高聚物的拉伸行为

4.2 高聚物的塑性形变

4.3 高聚物的破坏和理论强度

4.4 影响高聚物力学性能的结构因素

4.5 测试条件对力学性能的影响

4.6 聚合物的韧性和提高韧性的方法

（三）教学目标

1. 描述力学性质的基本物理量

（1）了解应力、应变的概念，掌握简单拉伸、简单剪切和均匀压缩三种基本受力模式下的应力、应变的定义和计算公式。

（2）掌握模量、柔量和泊松比的概念，掌握杨氏模量、剪切模量和体积模量的定义和计算公式，以及三者之间的关系式，了解聚合物泊松比和三种模量的取值范围。

（3）掌握拉伸强度和冲击强度的概念和计算公式。

（4）了解弯曲强度和硬度的定义。

2. 聚合物的高弹性

（1）认识聚合物高弹性的特点，了解具有高弹性的聚合物的结构特征，掌握橡胶的热弹效应，并能解

释热弹效应产生的原因。

（2）掌握橡胶的热力学方程及其推导过程，明确橡胶热力学方程的物理意义。

（3）掌握理想高弹体的定义，明确理想高弹体的弹性本质。

（4）了解橡胶形变过程中热力学参数的计算，掌握橡胶的状态方程及其物理意义，并理解状态方程的推导过程。掌握交联橡胶弹性模量的计算公式，以及弹性模量与温度的关系。

（5）了解理想橡胶网络模型，并认识实际网络与理想网络之间的差别，并能分析这些差别对橡胶弹性和模量产生的影响。

（6）掌握平衡溶胀度的概念，掌握平衡溶胀方程及其近似形式，能够熟练地运用橡胶的平衡溶胀方程。

3. 聚合物的高弹性

（1）认识理想弹性体和理想粘性体的形变特性，理解高分子材料的粘弹特性及其形变特点。

（2）掌握蠕变的基本概念，能画出聚合物蠕变曲线及其回复曲线，能够分析蠕变聚合物蠕变过程中的各种形变及其机理。弄清线形聚合物和交联聚合物蠕变行为及回复行为的差别，掌握温度和外力作用的大小对蠕变行为的影响。

（3）掌握应力松弛的概念，认识线形高聚物和交联高聚物应力松弛行为的不同及原因，掌握温度对聚合物的应力松弛行为的影响。

（4）掌握滞后和内耗的概念，认识滞后和内耗与聚合物结构之间的关系，弄清高聚物的结构、温度和外力作用的频率对滞后和内耗的影响。

(5) 理解并掌握动态模量的概念，掌握储存模量、损耗模量和损耗角正切的概念及其物理意义。

（6）掌握Maxwell模型（串联模型）和V oigt模型（并联模型）的元件组成、运动方程、对外界应力和应变的响应过程，两个模型的应用范围。

a。

（7）理解并掌握时温等效原理，了解不同形式的WLF方程，并能运用WLF方程计算转换因子

T （8）了解Boltamnn叠加原理。

4. 聚合物的力学强度

（1）了解玻璃态聚合物的拉伸行为，以及温度对拉伸行为和断裂方式的影响，能从分子运动的观点解释玻璃态聚合物的拉伸行为。认识玻璃态聚合物的强迫高弹形变及其分子机理，掌握脆化温度的概念，并明确玻璃态聚合物发生冷拉的温度范围。了解应变诱发塑料－橡胶转变现象。

（2）了解结晶聚合物的拉伸行为，并清楚结晶性聚合物与玻璃态聚合物拉伸行为的相似和不同之处。

（3）掌握银纹的概念，并认识银纹与裂缝之间的区别，了解应力发白现象，并能运用银纹理论解释橡胶增韧塑料的增韧机理。

（4）了解剪切带的形成原因和特点。

（5）了解聚合物破坏的可能机理和过程。

（6）掌握影响聚合物力学性能的各种因素，掌握聚合物韧性的表征方法和物理量，了解影响聚合物韧性的因素和改善聚合物韧性的方法。

三、实验教学大纲

高分子物理实验包括6个基本技能实验、3个综合（工程）型实验和2个设计（创新）型实验。其中基本技能实验是每个同学都必须完成的，综合型实验和设计型实验是选作内容，学生自愿报名完成实验。

表1 高分子物理实验项目