参考版吴曙芳高分子物理教学大纲.docx
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参考版吴曙芳高分子物理教学大纲
《高分子物理》课程教学大纲
课程编号：
490204002
学时：
48学时（含课外学时）学分：
3分
适用对象：
材料化学本科专业
课程类别：
专业必修课
考核要求：
考试
使用教材及主要参考书：
使用教材：
何曼君，张红东，陈维孝，董西侠编著，《高分子物理》（第三版），复旦大学出版社，2007.8。
主要参考书：
金日光，华幼卿主编，《高分子物理》（第三版），化学工业出版社，2009,1。
一、课程的性质和任务（四号黑体、下同）
本课程为学科基础课。
本课程主要讲授高分子物理的基础理论及研究方法。
包括高分子的链结构、聚集态结构、高分子溶液、聚合物的分子量及分子量分布、高分子的松驰与转变、高分子的力学性能、高分子的电学性能以及其它基本性质。
从分子运动和热转变出发，系统地阐述高分子的结构与性能的关系，为高分子材料设计、加工、应用提供理论基础。
通过本课程的学习，要求学生能够分析高分子的结构，根据高分子的结构分析高分子材料可能具有的性能，掌握高分子的结构与性能的对应关系。
二、课程教学目的与要求
（一）教学目的
本课程的教学目的是使学生掌握高分子材料结构与性能之间的内在联系以及高聚物分子运动规律，为后续的高聚物成型加工工艺、聚合反应工程等专业课打下坚实的理论基础。
（二）基本要求
1.正确理解下列基本概念和它们之间的内在联系：
构型与构象；高分子的链柔性和高斯链；晶体结构的基本概念；液晶与取向；旋节线机理与成核生长机理；分子量与分子量分布；普适校正曲线；粘度的表示方法；聚合物的转变与松弛；UCST和LCST；高分子电解质；凝胶和冻胶；特性粘度和表观粘度；第二维利系数；聚合物分子运动的特点；松弛时间和高聚物的次级松驰；玻璃化温度和高聚物的粘流温度；次级松弛和物理老化；法向应力效应；Avrami指数；应力松弛和蠕变；时温等效原理和位移因子；滞后现象和力学损耗；高弹形变和强迫高弹形变；高聚物的介电系数和介电损耗；屈服应力和冷拉；脆化温度；银纹和剪切屈服；剪切流动和拉伸流动。
2.正确理解晶体和溶液中的构象，晶态结构、非晶态结构的结构模型，相分离的热力学和动力学，聚合物分子量的统计意义，唯象理论，聚合物的电、热、光以及其它性能；重点掌握高分子链的构象统计，高分子溶液的晶格理论和稀溶液理论，玻璃化转变理论，结晶动力学和热力学，橡胶弹性的热力学分析及统计理论，聚合物的断裂理论，粘弹性的数学描述及其温度依赖性。
3.牢固掌握聚合物结构与性能之间的关系：
聚合物结构与聚合物链柔性的关系，结构与聚合物液晶行为的关系，分子结构对聚合物玻璃化转变温度、粘流温度的影响扩调节途径，聚合物熔点和结晶速度的影响因素，聚合物结构对聚合物粘弹行为的影响及调节方法，聚合物的塑料与屈服，聚合物熔体的弹性表现，聚合物结构对其强度、韧性、流变性能、电学性能、光学性能、热性能等基本性能的影响以及提高聚合物性能的因素。
4.熟练运用下列测试方法：
聚合物晶态结构、液晶态结构、取向结构的测定方法；聚合物分子量及其分子量分布的测定方法，玻璃化转变温度、熔点的测定方法；粘弹性的研究方法，力学性的测试表征；聚合物熔体切粘度的测定方法；聚合物电、热、光、表面与界面性能的测定方法。
5.了解新型的高分子技术：
高分子液晶，高分子合金的形态结构；聚合物的增塑、溶液纺丝、凝胶与冻胶；热塑性弹性体等。
三、学时分配48
章节
课程内容
学时
1
概论
2
2
高分子链的结构
4
3
高分子的溶液性质
6
4
高分子的多组分体系
4
5
聚合物的非晶态
6
6
聚合物的结晶态
6
7
聚合物的屈服和断裂
6
8
聚合物的高弹性和鲇弹性
6
9
聚合物的其他性质
4
10
聚合物的分析与研究方法
4
合计
48
四、教学中应注意的问题
高分子物理是高等理工科院校高分子专业学生重要的基础课程之一。
高分子物理是一门以数学、物理和化学（物理化学、有机化学和结构化学等）等课程为基础的课程。
如果这些课程没学好，就很难将高分子物理这门课程学好。
五、教学内容
第一章概论
1.基本内容：
1.1高分子科学发展简史
1.2从小分子到大分子
1.3高分子的分子量和分子量分布
1.3.1各种平均分子量的定义
1.3.2分子量分布的表示方法
1.4分子量和分子量分布的测定方法
1.4.1渗透压法
1.4.2蒸气压渗透法
1.4.3光散射法
1.4.4飞行时间质谱
1.4.5黏度法
1.4.6体积排除色谱法
1.5高分子物质的类型
1.6聚合物的玻璃化转变
2.教学基本要求：
（1）了解：
高分子科学发展简史，培养对高分子科学的兴趣；
（2）掌握：
各种分子量与分子量分布的含义及其测定方法；
（3）掌握：
高分子物质的类型；
（4）掌握：
聚合物的玻璃化转变的物理意义。
3.教学重点难点：
【教学重点】
（1）高分子的和分子量分布
（2）分子量和分子量分布的测定方法
（3）聚合物的玻璃化转变
【教学难点】
（1）高分子的和分子量分布
（2）聚合物的玻璃化转变
4.教学建议：
好的开始是成功的一半，导入学习这门新课程的讲解很重要。
即材料化学这门专业为什么要学习高分子物理这门课程？
这门课程和未来从事的专业工作有何密切的联系？
怎样学好这么课程？
以激发学生学习本门课程的兴趣。
本部分内容以教师板书讲解为主，而多媒体资料为辅，课堂上主要是讲好重点和难点。
为活跃课堂气氛，本课程在课堂上还可采用讨论的方式，积极引导学生参与本门课程的学习。
课后要布置一定的习题，以督促学生巩固所学的知识点，增强教学效果。
第二章高分子的链结构
1.基本内容：
2.1高分子链的构型
2.1.1结构单元的键接方式
2.1.2结构单元的空间构型
2.1.3高分子共聚物
2.1.4高分子链的支化
2.1.5高分子链的交联
2.2高分子链的构象
2.2.1高分子链的内旋转构象和链的柔顺性
2.2.2理想柔性链的均方末端距
2.2.3线型高分子的均方回转半径
2.2.4用光散射法测定高分子链的均方回转半径
2.2.5蠕虫状链
2.教学基本要求：
（1）掌握：
高分子各层次结构的特点，高分子的构型、构象、链段、柔顺性的概念及定量描述；
（2）理解：
柔顺性的影响因素、高分子的结晶形态、取向、织态结构等；
（3）了解：
高分子构象统计的各种算法。
3.教学重点难点：
【教学重点】：
高分子链的构型
【教学难点】：
（1）高分子链的构型；
（2）高分子链的构象
4.教学建议：
这部分知识比较抽象，教师在讲解的时候要利用多媒体播放一定数量的高分子链构型图片，讲好高分子的键接方式，结构单元的空间构型，高分子共聚物和高分子链的支化和交联这部分内容。
第三章高分子的溶液性质
1.基本内容：
3.1聚合物的溶解过程和溶剂选择
3.1.1聚合物溶解过程的特点
3.1.2聚合物溶剂的选择
3.2Flory-Huggins高分子溶液理论
3.2.1高分子溶液的混合熵
3.2.2高分子溶液的混合热
3.2.3高分子溶液的化学位
3.3高分子的“理想溶液”----θ状态
3.4Flory-Krigbaum稀溶液理论
3.5高分子溶液的相平衡和相分离
3.6高分子的标度概念和标度定律
3.7高分子的亚浓溶液
3.7.1稀溶液向亚浓溶液的过渡
3.7.2亚浓溶液中高分子链的尺寸
3.7.3亚浓溶液的串滴模型
3.7.4亚浓溶液的渗透压
3.8温度和浓度对溶液中高分子链尺寸的影响
3.9高分子冻胶和凝胶
3.10聚电解质溶液
3.11高分子在溶液中的扩散
3.12柔性高分子在稀溶液中的黏性流动
2.教学基本要求：
（1）掌握：
聚合物的溶解特点，溶剂选择原则，分级原理和渗透压法，粘度法，GPC法的基本原理，Huggins参数，第二维利系数，各种粘度，溶胀比和网链分子量的概念和物理意义以及相关的基本运算；
（2）理解：
高分子溶解过程的热力解释，Flory—Huggins溶液理论和交联聚合物的溶胀平衡所推公式的物理意义；
（3）了解：
上述各理论的推导过程。
3.教学重点难点：
【教学重点】：
（1）聚合物的溶解过程和溶剂选择
（2）Flory-Huggins高分子溶液理论
（3）高分子的“理想溶液”——Ө状态
（4）分子溶液的相平衡和相分离
（5）高分子的亚浓溶液
（6）温度和浓度对溶液中高分子尺寸的影响
（7）高分子冻胶和凝胶
【教学难点】：
（1）Flory-Huggins高分子溶液理论
（2）高分子的“理想溶液”——Ө状态
（3）温度和浓度对溶液中高分子尺寸的影响
4.教学建议：
教师要将本章中重点和难点涉及的公式推导要讲清楚。
应指导学生理解Flory-Huggins高分子溶液理论和Flory-Krigbaum稀溶液理论。
掌握混合熵，混合热和化学位的概念。
同理，通过布置课后习题督促学生巩固本章的知识。
第四章高分子的多组分体系
1.基本内容：
4.1高分子共混物的相容性
4.2多组分高分子的界面性质
4.3高分子嵌段共聚物熔体与嵌段共聚物溶液
4.3.1嵌段共聚物的微相分离
4.3.2嵌段共聚物的溶液性质
2.教学基本要求：
（1）掌握：
高分子共混物的相容性、多组分高分子的界面的定义；
（2）理解：
影响高分子共混物的相容性的各因素，相容剂的增容作用机理；
（3）了解：
高分子复合材料界面的改性与表征方法。
3.教学重点难点：
【教学重点】：
（1）高分子共混物的相容性
（2）多组分高分子的界面性质
【教学难点】：
（1）多组分高分子的界面性质
（2）高分子嵌段共聚物熔体与嵌段共聚物溶液
4.教学建议：
教师在讲授本章内容时，应将其中的概念、定义讲清楚。
另外，可以带着问题教学，即将本章课后所列的三个问题在教学过程中先提出来，讲授过相关知识之后，再请同学们回答，这样能获得一个较好的教学效果。
第五章聚合物的非晶态
1.基本内容：
5.1非晶态聚合物的结构模型
5.2非晶态聚合物的力学状态和热转变
5.3非晶态聚合物的玻璃化转变
5.3.1玻璃化温度的测量
5.3.2玻璃化转变理论
5.3.3影响玻璃化温度的因素
5.4非晶态聚合物的黏性流动
5.4.1聚合物黏性流动时高分子链的运动
5.4.2黏流态中高分子链的蛇行和管道模型
5.4.3影响黏流温度的因素
5.4.4聚合物熔体的黏度和各种影响因素
5.5聚合物的取向态
5.5.1非晶聚合物的取向和解取向
5.5.2取向度及其测定方法
5.5.3高分子链高度取向、局部链段无规取向的非晶聚合物
2.教学基本要求：
（1）掌握：
非晶态聚合物的各种结构模型和玻璃化转变理论；
（2）理解：
非晶态聚合物的各种结构模型、非晶态聚合物的力学曲线和热转变曲线以及玻璃化转变的影响因素；
（3）了解：
非晶态聚合物的各种结构模型的构筑过程及应用领域、非晶态聚合物的黏性流动和非晶态聚合物的取向和解取向。
3.教学重点难点：
【教学重点】：
（1）非晶聚合物的结构模型
（2）非晶聚合物的力学状态和热转变
（3）非晶聚合物的玻璃化转变
（4）非晶聚合物的黏性流动
（5）聚合物的取向态
【教学难点】：
（1）非晶聚合物的力学状态和热转变
（2）非晶聚合物的玻璃化转变
4.教学建议：
本章内容比较多，在讲授聚合物非晶态知识的时候，可以将聚合物结晶态知识联系起来，对比其异同点，这种对比学习法有助于学生理解记忆，能获得较好的教学效果。
要布置一定的习题让学生课后完成，以巩固本章所学的相关知识。
第六章聚合物的结晶态
1.基本内容：
6.1常见结晶性聚合物中晶体的晶胞
6.2结晶性聚合物的球晶和单晶
6.3结晶聚合物的结构模型
6.4聚合物的结晶过程
6.4.1结晶速度及其测定方法
6.4.2Avrami方程用于聚合物的结晶过程
6.4.3温度对结晶速度的影响
6.4.4其他因素对结晶速度的影响
6.5结晶聚合物的熔融和熔点
6.5.1结晶温度对熔点的影响
6.5.2晶片厚度对熔点的影响
6.5.3拉伸对聚合物熔点的影响
6.5.4高分子链结构对熔点的影响
6.5.5共聚物的熔点
6.5.6杂质对聚合物熔点的影响
6.6结晶度对聚合物物理和机械性能的影响
6.6.1结晶度概念及其测定方法
6.6.2结晶度大小对聚合物性能的影响
6.6.3分子量等因素对结晶聚合物性能的影响
6.7聚合物的液晶态
6.7.1高分子液晶的结构
6.7.2向列型高分子液晶的流动特性
6.7.3高分子液晶的应用
2.教学基本要求：
（1）掌握：
常见结晶性聚合物中晶体的形态、晶态聚合物的特殊性，结晶度的定义、结晶过程以及结晶对聚合物性能的影响；
（2）理解：
影响结晶聚合物的结晶与熔融的各种因素；
（3）了解：
结晶聚合物的结构模型及液晶聚合物。
3.教学重点难点：
【教学重点】：
（1）结晶性聚合物的球晶和单晶
（2）结晶聚合物的结构模型
（3）聚合物的结晶过程
（4）结晶聚合物的熔融和熔点
（5）结晶度对聚合物物理和机械性能的影响
【教学难点】：
（1）结晶聚合物的结构模型
（2）聚合物的结晶过程
（3）结晶聚合物的熔融和熔点
4.教学建议：
本章内容比较多，在讲授的时候可结合第五章即聚合物的非晶态进行对比。
要结合偏光显微镜照片或者电镜照片将球晶和单晶的概念讲清楚。
讲授过程中要突出教学大纲规定的重点和难点。
同样要布置一定数量的习题让学生课后完成。
第七章聚合物的屈服和断裂
1.基本内容：
7.1聚合物的拉伸行为
7.1.1玻璃态聚合物的拉伸
7.1.2玻璃态聚合物的强迫高弹形变
7.1.3结晶聚合物的拉伸
7.1.4硬弹性材料的拉伸
7.1.5应变诱发塑料----橡胶转变
7.2聚合物的屈服行为
7.2.1聚合物单轴拉伸的应力分析
7.2.2真应力----应变曲线及Considere作图法
7.3聚合物的断裂理论和理论强度
7.3.1断裂的分子理论
7.3.2非线性断裂理论
7.3.3微裂纹
7.3.4聚合物的理论强度
7.4影响聚合物实际强度的因素
7.4.1高分子本身结构的影响
7.4.2结晶和取向的影响
7.4.3应力集中物的影响
7.4.4增塑剂的影响
7.4.5填料的影响
7.4.6共聚和共混的影响
7.4.7外力作用速度和温度的影响
2.教学基本要求：
（1）掌握：
非晶态，晶态聚合物的拉伸行为特点，拉伸曲线及断裂特征，拉伸强度，冲击强度，屈服，银纹，增韧，补强等基本概念；
（2）理解：
聚合物的拉伸强度和冲击强度的影响因素；
（3）了解：
断裂理论和增韧机理。
3.教学重点难点：
【教学重点】：
（1）聚合物的拉伸行为
（2）聚合物的屈服行为
（3）聚合物的断裂理论和理论强度
（4）影响聚合物实际强度的因数
【教学难点】：
（1）聚合物的屈服行为
（2）聚合物的断裂理论和理论强度
4.教学建议：
在讲授本章内容的时候，应结合玻璃态聚合物在不同温度下的应力应变曲线来介绍聚合物拉伸行为的特点。
聚合物的断裂理论和理论强度部分应重点介绍断裂的分子理论和非线性断裂理论。
另外，影响聚合物实际强度的因素应主要介绍与材料本身有关的，包括高分子的化学结构，分子量及其分布，支化和交联，结晶和取向，增塑剂等；另一类与外界条件有关的诸如温度、湿度和光照等简要介绍即可。
同样要布置一定的课后习题，督促学生复习本章知识。
第八章聚合物的高弹性和黏弹性
1.基本内容：
8.1高弹性的热力学分析
8.2高弹性的分子理论
8.2.1仿射网络模型
8.2.2虚拟网络模型
8.2.3联结点受约束的模型
8.2.4滑动-环节模型
8.3交联网络的溶胀
8.4聚合物的力学松弛——黏弹性
8.5黏弹性的力学模型
8.5.1Maxwell模型
8.5.2Voigt（或Kelvin）模型
8.5.3四元件模型和松弛时间谱
8.6黏弹性与时间、温度的关系——时温等效原理
8.7聚合物的黏弹性的实验方法
8.8聚合物的松弛转变及其分子机理
2.教学基本要求：
（1）掌握：
高弹性特征和本质，橡胶热力学方程和交联状态方程的物理意义，力学松弛现象和模型，基本的定量计算；
（2）理解：
高弹形变的热力学分析和统计理论以及线性黏弹性模型的推导，叠加原理及实际意义；
（3）了解：
松弛谱的概念和意义，松弛与蠕变及其分子机理。
3.教学重点难点：
【教学重点】：
（1）交联网络的溶胀
（2）聚合物的力学松弛——黏弹性
（3）黏弹性的力学模型
（4）黏弹性与时间、温度的关系——时温等效原理
【教学难点】：
（1）聚合物的力学松弛——黏弹性
（2）黏弹性的力学模型
4.教学建议：
在介绍本章内容时，应将教材中的插图和理论推导结合起来讲授。
高弹性分子理论部分可选择介绍三种经典的模型。
同理，黏弹性的力学模型也可选择介绍三种经典的模型。
应详细介绍好高温蠕变仪，应力松弛仪和动态扭摆仪和动态黏弹仪这些测试聚合物黏弹性的实验仪器。
第九章聚合物的其它性质
1.基本内容：
9.1聚合物的电学性质
9.1.1聚合物的介电性质
9.1.2聚合物的介电松弛与介电损耗
9.1.3聚合物的导电性质
9.1.4聚合物的电致发光性质
9.1.5聚合物的介电击穿
9.1.6聚合物的静电现象
9.2聚合物的光学性质
9.3聚合物的透气性
9.3.1渗透物质（气体）的分子尺寸对渗透系数的影响
9.3.2共混聚合物的透气性
9.3.3透过扩散实现药物的控制释放
9.4高分子的表面和界面性质
9.4.1界面的黏结性能
9.4.2高分子胶黏结剂的性能
9.4.3表面改性
9.4.4粘合能与Drago常数
9.4.5高分子材料的生物相容性
2.教学基本要求：
（1）掌握：
极化，介电常数，介电损耗，体积电阻，表面电阻，粘合强度，气体渗透系数的基本概念和物理意义；
（2）理解：
极化机理，介电常数，介电损耗，粘合强度，透气性的影响因素；
（3）了解：
导电机理，击穿机理，介电松驰谱，静电起因和粘合机理。
3.教学重点难点：
【教学重点】：
（1）聚合物的电学性质
（2）聚合物的透气性
（3）高分子的表面和界面性质
【教学难点】：
（1）聚合物的电学性质
（2）高分子的表面和界面性质
4.教学建议：
在介绍本章即聚合物的其他性质时，应紧密结合其实际应用进行讲授。
比如目前普遍采用的血管修补材料主要存在的问题是长期稳定性。
缓解这一问题的重要方法是在血液接触的表面上接枝水溶性高分子，以激发学生对高分子材料的兴趣。
课后仍然要布置一定的习题，以督促学生巩固这部分知识。
第十章聚合物的分析和研究方法
1.基本内容：
10.1质谱法
10.1.1质谱法的基本原理
10.1.2质谱法的工作步骤与应用
10.2红外光谱与拉曼光谱法
10.2.1红外光谱
10.2.2激光拉曼光谱
10.3核磁共振法
10.3.1化学位移
10.3.2傅立叶变换核磁技术
10.3.3自旋－自旋耦合，偶极去偶与交叉极化
10.3.4魔角旋转
10.3.5核磁共振在高分子链结构研究中的应用
10.3.6核磁共振显微成像技术
10.4小角激光散射法
10.4.1用小角激光散射法测定球晶尺寸的原理
10.4.2用小角激光散射法研究相分离过程
10.5动态光散射法
10.5.1动态光散射的数据处理
10.5.2动态光散射的应用
10.6X射线衍射和X光小角散射法
10.6.1X射线衍射研究晶体结构
10.6.2X光小角散射法
10.7小角中子散射
10.8激光共聚焦显微镜
10.9电子显微镜法
10.9.1透射电子显微镜的构造原理
10.9.2透射电子显微镜的实验方法
10.9.3透射电子显微镜在聚合物研究中的应用
10.9.4扫描电子显微镜
10.10原子力显微镜
10.10.1原子力显微镜的工作原理及装置组成
10.10.2原子力显微镜的工作模式
10.10.3原子力显微镜的应用
2.教学基本要求：
（1）掌握：
质谱法，红外与拉曼光谱法，X射线衍射和X光小角散射法，，热分析法，电子显微镜这些能对聚合物的结构和形貌进行分析的方法和设备。
（2）理解：
各种分析方法的工作原理。
（3）了解：
核磁共振法，小角激光散射法，小角中子散射法，激光共聚焦显微镜和原子力显微镜。
3.教学重点难点：
【教学重点】：
（1）红外光谱与拉曼光谱法
（2）电子显微镜
【教学难点】：
（1）核磁共振法
（2）动态光散射法
（3）原子力显微镜法
4.教学建议：
教师在介绍聚合物的分析与研究方法这部分内容时，应阐述清楚各种分析方法的工作原理，如果条件允许，应带领学生参观相关设备。
另外，教师可以结合自身科研的相关工作经历，提供一些图表，数据等资料，介绍好本章所涉及的相关设备。
编写人：
吴曙芳2014年5月25日于凯里学院
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