高分子材料的结构与性能
高分子材料的结构与性能关系研究
高分子材料的结构与性能关系研究一、引言高分子材料是一类重要的工程材料，具有广泛的应用前景。
对高分子材料的结构与性能关系进行深入研究，可以为其合理设计和优化提供科学依据。
本文将从分子结构、分子量、分子排列等方面探讨高分子材料的结构与性能关系。
二、高分子材料的分子结构对性能的影响1. 高分子结构的种类高分子材料的结构种类繁多，包括线性结构、支化结构、交联结构等。
不同结构的高分子材料，由于其分子间作用力和空间排列方式的不同，对应不同的力学性能、热学性能和化学性能。
2. 高分子结构与力学性能的关系高分子材料的力学性能是其最基本的性能之一。
线性结构的高分子材料通常具有较高的延展性和弯曲能力，而支化结构和交联结构的高分子材料则具有较高的硬度和强度。
此外，高分子材料的结晶度、玻璃化转变温度等也与其力学性能密切相关。
3. 高分子结构与热学性能的关系高分子材料的热学性能包括热稳定性和热导率等。
支化结构和交联结构的高分子材料由于分子间作用力增强，通常具有较高的热稳定性。
而线性结构的高分子材料则存在较高的热导率，具有较好的导热性。
4. 高分子结构与化学性能的关系高分子材料的化学性能通常涉及其对溶剂、酸碱及氧化剂等物质的稳定性。
支化结构和交联结构的高分子材料通常具有较好的耐溶剂性能和耐腐蚀性能。
而线性结构的高分子材料则对化学物质的稳定性较低。
三、高分子材料的分子量对性能的影响1. 分子量的定义与测定方法高分子材料的分子量是指其分子链中重复单元的数目，通常以聚合度或相对分子质量表示。
常用的测定方法包括凝胶渗透色谱、粘度法和质谱法等。
2. 分子量与力学性能的关系高分子材料的分子量对其力学性能有重要影响。
一般情况下，高分子材料的分子量越高，由于分子链较长，其内部键长较长，这导致了较高的柔韧性和延展性。
相反，低分子量的高分子材料通常具有较高的硬度和强度。
3. 分子量与热学性能的关系高分子材料的分子量对其热学性能也有较大影响。
随着分子量的增加，高分子材料的结晶度和熔点通常会增加，而其玻璃化转变温度也会升高。
高分子材料的结构及其性能PPT(36张)
B、高弹性 随着温度的升高，当T＞Tg 时，分子的动能增加，使链段的自由旋转成为可能，此时，试
样的形变明显增加，在这一区域中，试样变成柔软的弹性体，称为高弹态。 高弹态时，弹性模量显著降低，外力去除后，变形量可以回复，有明显的时间依赖性。由
如图16-7，在间同立构高聚物中， 原子或原子团会交替分布在主链两侧； 在全同立构高聚物中，原子或原子团 则全部排列在主链同一侧；而在无规立构高聚物中，主链两侧原子分布是随机的。
这种化学成分相同，但由于不对称取代基沿分子主链分布不同的现象，就叫做 高分子的立体异构现象。
2、大分子链的构象及柔性 高聚物结构单元是通过共价键重复连接形成线型大分子，共价键的特点是键能
2、单体 高分子化合物是由低分子化合物通过聚合反应获得。
组成高分子化合物的低分子 化合物称作单体。所以我们经 常说，高分子化合物是由单体 合成的，单体是高分子化合物 的合成原料。如图16-2，聚乙 烯是由乙烯（CH2＝CH2）单 体聚合而成的。 高分子化合物的相对分子质 量很大，主要呈长链形，因此 常称作大分子链或者分子链。 大分子链极长，可达几百纳米以上，而截面一般小于1nm。
物，简称高聚物材料，是以高分子化合物为主要组分的有机 材料，可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两大类。 天然高分子材料包括如蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡 胶、淀粉和蛋白质等。 人工合成高分子材料包括如塑料、合成橡胶、胶粘剂和涂料 等。工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。
一、高聚物的基本概念 1、高聚物和低聚物 高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其相对分子质量在5000
高分子材料的结构及其性能
高分子材料的结构及其性能1. 引言高分子材料是由大量重复单元构成的大分子化合物，具有重要的工程应用价值。
其结构和性能之间的关系对于材料科学和工程领域的研究至关重要。
本文将介绍高分子材料的结构特点，并探讨其与性能之间的关系。
2. 高分子材料的结构高分子材料的结构可以分为线性结构、支化结构、交联结构以及共聚物结构等。
不同结构的高分子材料具有不同的特点和应用领域。
线性结构是最简单的高分子材料结构，由一条长链构成，链上的重复单元按照一定的顺序排列。
线性结构的高分子材料具有较高的可拉伸性和延展性。
2.2 支化结构支化结构在线性结构的基础上引入了支链，可以增加高分子材料的分子间距离，提高其熔融性和热稳定性。
支化结构的高分子材料常用于塑料制品的生产。
2.3 交联结构交联结构是指高分子材料中分子之间通过共价键形成网络结构。
交联结构的高分子材料具有较高的强度和硬度，常用于橡胶制品的生产。
共聚物是指由两种或两种以上不同单体按照一定比例聚合而成的高分子化合物。
共聚物结构的高分子材料具有多种物化性质的综合优点，广泛应用于各个领域。
3. 高分子材料的性能高分子材料的性能与其分子结构密切相关，主要包括力学性能、热学性能、电学性能和光学性能等。
3.1 力学性能高分子材料的力学性能包括强度、韧性、硬度等指标。
线性结构的高分子材料通常具有较高的延展性和可拉伸性，而交联结构的高分子材料则具有较高的强度和硬度。
3.2 热学性能高分子材料的热学性能包括熔点、热膨胀系数、导热系数等指标。
分子结构的不同会对高分子材料的热学性能产生显著影响，如支化结构的高分子材料通常具有较低的熔点和较高的热膨胀系数。
3.3 电学性能高分子材料的电学性能主要包括导电性和介电性能。
共聚物结构的高分子材料常具有较高的导电性，而线性结构的高分子材料则通常具有较好的介电性能。
3.4 光学性能高分子材料的光学性能指材料对光的吸收、透过性和反射性等特性。
不同结构的高分子材料在光学性能上也会有所差异，如支化结构的高分子材料通常具有较高的透光性。
高分子材料的结构与力学性能研究
高分子材料的结构与力学性能研究高分子材料是一类重要的工程材料，具有广泛的应用领域。
它们的性能很大程度上取决于其结构与力学性能之间的关系。
因此，对高分子材料的结构与力学性能进行深入研究是十分必要的。
一、高分子材料的结构高分子材料的结构是指其中分子的组成和排列方式。
其主要由聚合物链的排列方式、分子量分布以及分子内外力结构等因素决定。
首先，聚合物链的排列方式对高分子材料的性能有显著影响。
一种常见的排列方式是线性结构，即聚合物链呈直线排列。
这种结构能够使高分子材料更加柔软、可拉伸，并具有较高的延展性。
相反，如果聚合物链呈无规则状或高度交织状排列，则高分子材料的强度和硬度会明显提升。
其次，分子量分布也是高分子结构的重要方面。
分子量分布越广，高分子材料的性能越稳定。
这是因为分子量越大，高分子材料的强度和硬度越高。
然而，如果分子量分布过窄，容易导致性能不均匀，从而影响材料的应用。
最后，分子内外力结构对高分子材料的结构和性能同样起着关键作用。
分子内的键长、键角和二面角等结构参数决定了高分子材料的刚性和柔软性。
而分子之间的力结构包括范德华力、静电力和氢键等，可以影响材料的粘合性和熔融性。
二、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能包括强度、硬度、韧性以及流变性等方面。
这些性能与材料的结构密切相关。
首先，强度是衡量材料抵抗外力破坏能力的重要指标。
高分子材料的强度主要取决于其内部的结构以及分子内外的各种力作用。
一般来说，高分子材料强度较低，但具有较好的拉伸性能和延展性。
其次，硬度是衡量材料抵抗表面刮擦、磨损和压缩的能力。
高分子材料的硬度主要由分子链的排列方式和分子量分布来决定。
线性排列和较窄的分子量分布会导致高分子材料较好的硬度。
韧性是衡量材料断裂前出现塑性变形的能力。
高分子材料的韧性与其延展性有关，而延展性又与聚合物链的排列方式和分子结构有关。
流变性是指高分子材料在外力作用下的变形行为。
它与材料的粘弹性和塑性变形有关。
高分子材料的结构与性能关系研究
高分子材料的结构与性能关系研究概述：高分子材料是一种由大量分子重复单元构成的化合物，具有广泛的应用领域，如塑料、橡胶、纺织品等。
高分子材料的性能取决于其分子结构，在不同的结构下，材料会表现出不同的性能特点。
因此，研究高分子材料的结构与性能关系对于优化材料性能和开发新材料具有重要意义。
1. 结构与力学性能关系：高分子材料的力学性能是评价其结构性能的重要指标之一。
首先，聚合度是影响高分子材料力学性能的关键因素之一。
聚合度越高，分子量越大，材料的强度和韧性越高。
此外，分子排列的有序程度也会影响力学性能。
例如，在晶体结构较好的材料中，分子平均排列有序，具有较高的强度和硬度。
2. 结构与热学性能关系：高分子材料的热学性能对于其在高温环境下的应用具有重要意义。
分子间键的类型和键强度对热学性能产生影响。
比如，共价键相比于非共价键，更加稳定，在高温环境下表现出较好的稳定性。
此外，分子链的支化程度也会影响材料的热学性能。
支化链的存在会导致分子间的排列松散，使得材料的热传导性能下降。
3. 结构与光学性能关系：高分子材料的光学性能是其在光电子领域应用的关键考虑因素之一。
结构和分子排列对光学性能产生显著影响。
例如，高度有序排列的聚合物材料具有较高的折射率和透明度。
此外，染料分子在高分子材料中的添加也会影响光学性能。
不同种类的染料分子可以通过吸收、散射和发光等过程来调控材料的光学性能。
4. 结构与电学性能关系：高分子材料的电学性能对于其在电子器件领域的应用具有重要意义。
分子链的导电性是影响高分子材料电学性能的关键因素之一。
共轭的分子结构通常具有较好的导电性能，可用于制备导电高分子材料。
此外，材料中的杂质或添加剂也会对电学性能产生影响。
例如，掺杂导电高分子材料可以通过添加导电填料或进行化学掺杂来增强导电性能。
结论：高分子材料的结构与性能之间存在着紧密的关联。
优化高分子材料的结构可以显著改善其力学性能、热学性能、光学性能和电学性能。
高分子材料的结构与性能
高分子材料的结构与性能高分子材料是指由聚合物制成的材料，聚合物是由单体分子在化学反应中结合形成的长链分子。
高分子材料具有良好的物理、化学、力学和电子性能，广泛用于制造塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂等材料。
在高科技领域中，高分子表现出了许多非凡的性能特征，比如强度高、稳定性强、抗氧化、耐腐蚀。
本文将探讨高分子材料的结构与性能。
一、高分子材料的结构1.1 分子结构高分子材料是由巨分子组成的，而巨分子则是由很多分子链状连接而成的。
它们具有极高的分子质量，分子量一般在10万到100亿之间。
分子结构的简单性质（如平面或立体）对其物理性质有很大影响。
例如，苯并芘（BP）是一种由苯（B）和芘（P）连接而成的分子，它们的分子结构决定了BP材料的密度、强度和稳定性。
由于BP的共轭结构和分子链的高度结晶性，它是一种非常优秀的聚合物材料。
然而，这种材料易于光氧化和生物降解，导致其应用范围受到限制。
1.2 分子排列高分子材料分子的排列方式也决定了其性能。
高分子材料有不同的排列方式，主要包括层状排列，链状排列，聚集态等。
层状排列的材料（例如石墨烯）具有优良的导电和导热性能，链状排列的材料（例如聚丙烯）具有良好的韧性和可塑性而且内部结构没有多余的杂质和空隙，因此有很好的电气性能和高温稳定性。
1.3 聚合度聚合度是指分子链中单体单位的数目，它对高分子物质的物理和化学性质有重要影响。
聚合度较小的分子链通常很容易断裂，但与此同时，它们也更容易流动。
聚合度较大的分子链则更难流动，更难断裂，但表现了较高的强度和稳定性。
若聚合度过高，会导致过浓的材料或粘稠的物质成为一种过筛子现象，因此在工业应用中需要合理控制聚合度。
二、高分子材料的性能2.1 强度和韧性高分子材料的强度和韧性是决定其性能的重要因素。
高分子材料的强度通常表示为杨氏模量和硬度，直接影响到其耐腐蚀性、热稳定性和维持形状的能力。
韧性则是一个材料在受到冲击负载时不易断裂的能力，母材料的应力值和形状极限是材料韧性的主要影响因素。
高分子材料的结构与性质
高分子材料的结构与性质高分子材料是一类由大量重复单元组成的大分子化合物。
这些重复单元通过共价键或其他化学键相连，形成长链或网络结构。
高分子材料的结构与性质密切相关，它们的结构决定了它们的物理、化学以及力学性能。
本文将探讨高分子材料的结构与性质之间的关系。
1. 高分子的化学结构高分子材料的化学结构可以分为线性结构、支化结构和交联结构三种。
1.1 线性结构线性结构的高分子材料由直链或分支较少的链状分子构成。
它们的链状结构使得分子之间的间距较大，容易流动。
因此，线性高分子材料具有良好的可塑性和可加工性。
然而，由于链状结构的易滑动性，线性高分子材料的强度和刚性相对较低。
1.2 支化结构支化结构的高分子材料具有较多的侧基或支链。
支化结构的引入可以增加分子之间的交联点，增强高分子材料的强度和刚性。
同时，支化结构还可以减缓分子链的运动，提高高分子材料的熔点和玻璃化转变温度。
支化结构的高分子材料在保持流动性的同时，还具有较高的强韧性和抗拉强度。
1.3 交联结构交联结构是高分子材料中的三次结构，通过交联点将多个线性或支化的高分子链连接在一起，形成一个三维网络结构。
交联结构的高分子材料具有优异的机械性能，高强度、高耐磨性和高温稳定性。
然而，交联结构的高分子材料通常较脆硬，不易加工。
2. 高分子的物理性质高分子材料的物理性质主要包括熔点、玻璃化转变温度和热胀缩性。
2.1 熔点高分子材料的熔点取决于其结晶性和分子量。
结晶性较高的高分子材料通常具有较高的熔点，因为结晶部分的分子排列更加有序，分子之间的相互作用更强。
另外，分子量较高的高分子材料由于分子间的范德华力较强，也会导致较高的熔点。
2.2 玻璃化转变温度玻璃化转变温度是高分子材料从玻璃态转变为橡胶态的临界温度。
玻璃化转变温度与高分子材料的结构和分子量密切相关。
结晶度较高的高分子材料通常具有较高的玻璃化转变温度，因为结晶区域的链状排列限制了链段的运动。
另外，分子量较大的高分子材料由于分子间的交联较多，也会导致较高的玻璃化转变温度。
化学中的高分子结构与性能
化学中的高分子结构与性能高分子是由大分子结构单元组成的材料，具有重量轻、强度高、化学稳定性强等特点，在各种领域得到了广泛应用。
高分子材料的性能取决于其结构和组成，下面将着重介绍高分子结构与性能之间的关系。
1. 高分子的结构高分子结构是指由大分子结构单元构成的分子链或网络结构。
大分子结构单元可以是单体，也可以是多个单体合成而成的共聚物或共价交联聚合物。
高分子材料的结构可以从分子量、分子形态和分子排列等方面来描述。
1.1 分子量分子量是高分子结构的一个重要参数。
分子量越大，高分子材料的物理力学性能越好。
例如，聚合物的拉伸强度是与分子量的平方根成正比的。
高分子材料的流动性和热性能也与分子量有关。
一般来说，分子量大的高分子材料的流动性较差，热稳定性和耐用度较高。
1.2 分子形态高分子的形态可以分为线性、支化、交联和网状等。
线性聚合物是由线性链段组成的，具有较大的分子量和晶化度。
支化聚合物的分子链上存在支链，分子量较小，但具有较好的物理力学性能。
交联聚合物是由多个不同的线性链连接而成的，形成了一个固定的空间结构，具有良好的横向性能和高耐热性能。
网状聚合物是交联聚合物的一种，其分子链形成了一个3D网络，具有较高的耐用性和化学稳定性。
1.3 分子排列高分子材料中，聚合物链的排列顺序对材料的性能有一定影响。
在共聚物中，单体的交替共聚会使聚合物链的排列成为均匀的随机顺序。
而若是聚合物链排列成为有序体系，则性能也会有所改变。
例如，具有一定结晶度的聚丙烯材料具有优异的强度和硬度性能。
而聚丙烯被设计为无法结晶是为了提高材料的柔韧性和针对特定应用的物化性质。
2. 高分子的性能高分子材料具有许多优秀的性能，如重量轻、耐用、良好的热稳定性和化学稳定性，以及良好的物理力学性能。
这与高分子的结构密切相关。
2.1 重量轻由于高分子材料具有大分子量，因此具有比相同体积的金属或陶瓷材料更轻的重量。
由于其重量轻，高分子材料在制备各种产品时可以提供更高的兼容性和易操作性。
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• 第一节 高分子材料的结构 • 第二节 高分子材料的性能 • 第三节 高分子溶液
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第一节 高分子材料的结构
学习要求
• 学习目的：通过本章的学习，了解高分子材料的结构特点
及研究体系；掌握大分子链的组成、构型与构象；了解大分 子链的聚集态结构、微区结构、取向结构与形态结构等。
晶 态 结 构
非 晶 态 结 构
液 晶 态 结 构
取 向 结 构
织 态 结 构
分 子 量 及 其 分 布
链 的 柔 性 和 构 象
高次结构（宏观聚集态结构）
球 晶
高 分 子 合 金
填 充 材 料
增 强 材 料
泡 沫 材 料
纺 织 品
高分子材料结构的研究体系
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二、高聚物结构的研究内容
（一）高分子链的组成 1. 高分子链的组成元素及其结构形态 2. 单体及高分子链的人工合成 3. 高聚物的分子量及其分布 4. 高分子的作用力
链 节 特 征 高聚物链节与单体原 料相同
反 应 可 逆 性 不可逆反应
高聚物链节与单体原料不同
可逆反应
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3. 高聚物的分子量及其分布
（1）研究意义
①高聚物的分子量及其分布是高分子材料最基本的结 构参数之一。
如：一旦了解聚合反应机理，就可以从聚合反应动力 学的研究导出反应物的分子量分布，反过来，也可从实验 得到的分子量分布来论证聚合反应机理； 聚合物的老化过程和解聚过程也需要借助于分子量及 其分布的数据来处理过程的动力学问题和研究过程的机理。 ②高聚物的分子量及其分布对高聚物材料的机械性能 有密切关系。 ③高聚物的分子量及其分布对高分子材料的 流变特性、 溶液性质、加工性能有重要影响。
高聚物结构 （二次结构） 高分子链结构（一次结构） 高分子链的远程结构 高分子链的近程结构 高 分 子 的 大 小 高 分 子 的 形 态 结 构 单 元 的 化 学 组 成 结 构 单 元 的 键 接 结 构 结 构 单 元 的 立 体 构 型 和 空 间 排 列 支 化 与 交 联 结 构 单 元 的 键 接 序 列 （三次结构） 高分子聚集态结构
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1.高分子链的组成元素及其结构形态
B，C，N，O 1. 组成高分子链的元素 Si， P，S 2. 高分子链的结构形态 As，Se 线型，支链型，体型（网状/梯型）
◆高分子链的端基
端基在高分子链中所占的比重虽很小，但其作用不容忽 视。端基不同时，聚合物的性能也有所不同，特别是对化学 性质和热稳定性的影响更为明显。 [实例1]： 聚甲醛的-OH端基被酯化后可提高热稳定性。 [实例2]： 聚碳酸酯的端羟基和端酰氯基都将促使聚碳酸酯 的高温降解。因此在聚合过程中加入苯酚之类的单官能物进 行“封端”可显著提高产物的热稳定性，而且还 可控制分子 量等。
• 学习重点：1.高分子链的结构层次；2.高分子的分子量及
分布；3.高分子链中链节的连接顺序；4.构型与构象；5.高聚 物的结晶与取向；6.高分子的作用力
• 学习难点：1.高分子分子量及其分布对性能的影响；2.高
分子链中链节的连接顺序对性能的影响；3.影响高分子链柔 性分析；4.高聚物的取向与结晶的比较；5.结晶性高聚物与 非晶性高聚物的结构模型
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（2）高分子链的人工合成 ①加聚反应 ②缩聚反应 单体分子借助于引发剂或高温等条件，打开双键中的π键而彼 此连接在一起形成大分子链。 加聚反应 缩聚反 应 将具有两个或两个以上活泼官能团（ -OH,-NH 等）的低
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原 料 特 征 单体含双键或为环状 单体为多官能团低分子化合 分子有机化合物，在一定条件下，通过官能团间的相互缩合作 用，在分子间形成新的键，把低分子化合物逐步合成大分子链， 化合物 物 与此同时析出某些低分子化合物（如H2O、氨、醇等）。 反 应 特 征 单体打开双键或环后 官能团相互作用，形成新键 相互连接而成长链 连接成长链，并析出小分子 反 应 类 型 属链式反应，大部分 为瞬间生成大分子链 随反应过程逐步地形成大分 子链
1）高分子链是由许多结构单元重复连接而成，结构单元之 间的相互作用对其聚集态结构和物性有十分重要的影响。 2）一般高分子的主链都有一定的内旋转自由度而具有柔性， 并由于分子的热运动，柔性链的形状可以不断改变。 3）高分子链间以分子间（范氏力）结合在一起，或通过链 间化学键交联在一起，而使高聚物具有不溶不熔之特性。 4）高分子结构具有不均一性。 5）高聚物中高分子链聚集态结构有晶态（长程有序结构） 和非晶态（短程有序结构）。 高聚物的晶态比小分子的晶态的有序程度差很多，存 在很多缺陷； 高聚物的非晶态却比小分子液态的有序程度高。 6）织态结构也是决定高分子材料性能的重要因素。 4
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（2）高聚物的分子量
①表示方法 A.数均分子量
பைடு நூலகம்
聚合物溶液冰点的下降、沸点 的升高、渗透压等，只决定于溶 液中大分子的数目。
根据聚合物溶液的依数性测得的聚合物分子量平均值。 B.重均分子量 Ni为分子量为Mi的大分子的摩尔数； 根据聚合物溶液的对光的散射、扩散等性质所测得的聚合物分子 C. Z均分子量 α 为马克-豪温方程[η ]=KMα 中的指 量平均值。 数，一般取0.5～1.0 D.粘均分子量 根据聚合物溶液的沉降性质测得的聚合物分子量的平均值。 根据聚合物溶液的粘度性质测得的聚合物分子量的平均值。 ②计算方法
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2. 单体及高分子链的人工合成
（1）单体 ①含义
②条件 可以通过聚合反应形成大分子链的低分子有机化合物。 ③类型 只有那些至少能形成两个新键的低分子化合物。 ⅰ.具有不饱和双键的烃类单体，如乙烯、丙烯、氯乙烯、苯 乙烯等。 ⅱ.有一个叁键（键）或含两个以上双键的低分子化合物，如 丁二烯、异戊二烯等。 ⅲ. 环单体，如环氧乙烷 、四氢呋喃、六甲基环三硅氧烷、 ε -已内酰胺等。 ⅳ.具有双或多官能团的低分子化合物，与其它物质“缩合” 生成大分链。如已二胺与已二酸。
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一、高分子材料的结构特点@ 二、高聚物结构的研究内容@
（一）大分子链的组成@
（二）大分子链中链节的连接顺序和链的构型@ （三）大分子链的构象@
@ 1
——链的柔性及分子链热运动的特点
（四）高聚物中大分子链的聚集态@
（五）高聚物的微区结构@
（六）高聚物的取向结构@ （七）聚合物共混物的形态结构@
3
一、高分子材料的结构特点