高分子材料导论篇1

【关键词】电子科学与技术；电子材料与器件；教学方法

电子材料与器件课程是电子科学技术相关专业的基础性课程，对于学生巩固基础知识和提高专业技能是极为重要的。而提高电子材料与器件课程教学的质量，使课程与社会需求相结合，是高校教师探索的重中之重。笔者承担着我校电子材料与器件课程的教学任务，在总结教学经验的基础上，笔者在教学内容、课程安排和教学形式等方面进行了尝试，并取得了一定的教学成果。

1.电子材料与器件简介

处于电子科学技术产业链前端的电子材料和元器件是众多核心基础产业的重要组成部分，是计算机网络、通讯、数字音频等系统和相关产品发展的基础。电子材料与器件是指在电子技术和微电子技术中使用的材料和器件，包括半导体材料与器件、介电材料与器件、压电与铁电材料、导电金属及其合金材料、磁性材料光电子材料和磁性材料、电磁波屏蔽材料以及其他相关材料与器件。电子材料与器件是现代电子产业和科学技术发展的重要物质基础，同时又是科技领域中技术导向型学科。它涉及到物理化学、电子技术、固体物理学和工艺基础等多学科知识。根据材料的化学性质，可以分为金属电子材料，电子陶瓷，高分子电子、玻璃电介质、气体绝缘介质材料，电感器、绝缘材料、磁性材料、电子五金件、电工陶瓷材料、屏蔽材料、压电晶体材料、电子精细化工材料、电子轻建纺材料、电子锡焊料材料、PCB制作材料、其它电子材料。

2.电子材料与器件课程教学模式

2.1电子材料与器件课程教学形式

电子材料与器件课程既包含电子材料的物理特性和电子器件的工作原理，还包含丰富的电子材料与器件的理论知识，并且与实践应用紧密结合。为了更好的培养学生的时间能力，增强实践意识，达到学以致用的目标。因此，电子材料与器件的课程教学应采取实验教学和理论教学相结合的教学形式，教师安排合理的实验活动，将理论教学与实验教学有机结合，达到学生巩固理论知识、增强实践技能的教学目标。

2.2电子材料与器件教学课时安排

教学采用教材《电子材料与器件原理》。在电子材料与器件教学的课时安排上，该课程作为电子科学与技术专业的核心课程，电子材料与器件课程的总课时应不少于80学时，理论课学时设计应在64学时左右，实验课学时应在16学时左右，任课教师可以根据教学过程中的实际情况增加或减少某一章节的课时安排。

2.3电子材料与器件课程教材选择

在电子材料与器件课程的教材选择方面，由于电子材料与器件是电子科学技术的一部分内容，目前我国关于电子科学技术的参考书籍很多，其中也不乏经典教材，但考虑到本科生对于该课程接触时间段、基础知识薄弱等特点，笔者认为任课教师可以自行编写课件和讲义，以便学生更好的理解教学内容。除此之外，由加拿大萨斯喀彻温大学电气工程系教授、加拿大电子材料与器件首席科学家萨法・卡萨普编写的《电子材料与器件原理（第3版）》也是业界公认的电子材料与器件教学的参考书籍。

3.电子材料与器件课程的理论教学

在新时期素质教育的背景下，电子材料与器件课程的理论教学更侧重于加强学生的实践能力，因此需要对传统的电子科学技术教学中重视原理、定律和规律的模式进行调整，在教学内容的设置方面，为了便于学生更好的理解知识体系，以笔者讲授电子材料与器件理论课程（共80学时）为例，该理论课程共被划分为材料科学的基本概念、固体中的电导和热导、量子物理基础、现代固体理论等四个章节，这四个章节阐述了电子材料与器件涉及的基础理论，内容包括材料科学基础理论、固体中的电导和热导、量子物理基础和现代固体理论，以及对各种功能材料与器件的原理与性能的讨论。另外，在讲授每章内容时，任课教师应注意弱化理论知识，增加实践知识。

4.电子材料与器件课程的实验教学

电子材料与器件的实验教学要与理论教学紧密结合，并重点介绍理论课上讲过的电子材料与器件，实验课程学时不能偏少，开设实在要安排在理论教学完成之后，使学生能够充分将理论知识应用于实践中。在实验开始前，教师要要求学生充分掌握理论知识，实验结束后，学生要写实验报告，使实验切实产生作用，而不是走马观花。在实验课程的设定方面，要尽量避免与其其它验课程的重复，还要确保理论与实践相辅相成，充分利用实验资源。

5.电子材料与器件课程的学生评价体系

素质教育的电子材料与器件课程的学生评价标准应区别于传统的考试评价方式，教师要将学生的平时表现、理论知识掌握、实践能力等纳入对学生的评价体系中。促使学生不再局限于对电子材料与器件规律、定义等知识的僵化掌握，而是将学习重点偏向于实践和应用。这种评价方式的转变，有利于学生积极主动的掌握知识，在实践中巩固理论知识，在理论中深化实践知识，全面提高电子材料与器件的课程教学效率和质量。

电子材料与器件在信息产业的发展与科学技术的研究中的重要性与日俱增。它既是电子科学技术体系专业知识中的重要环节，更为电子科学专业的学生提供了良好的科研基础和就业竞争力。本文通过对电子科学与技术专业特点与电子材料与元器件课程内容的分析，探讨了电子材料和元器件在电子科学专业领域的重要性，笔者还结合自身多年电子科学专业的教学经验，对电子材料与元器件教学的教学形式、课时安排、教材选择进行了新的探索，对电子材料和元器件的理论和实践课程提出了新的意见和建议，以便于提高教学质量，提升学生专业素养。

【参考文献】

[1]萨法・卡萨普.《电子材料与器件原理（第3版）》.西安交通大学出版社.2009年6月

[2]安毓英，刘继芳，李庆辉.光电子技术[M].3版.北京：电子工业出版社，2013

[3]侯宏录，陈海滨，刘缠牢等.电子材料与器件[M].北京：国防工业出版社，2012

高分子材料导论篇2

关键词：导热高分子 复合材料 研究 应用

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-070-02

从上世纪40年代以来，人类对于高分子复合材料的研究已经有将近70年的历史，并且在工业材料应用领域得以普遍应用。但是，随着经济的发展、科技的进步，人们在导热材料应用程度与范围方面提出了更高的要求，不仅仅是满足于传统材料的单一性能，而是对材料优良的综合性能寄予了更高的期望，如用在化工生产以及废水处理的热交换器一方面要有良好的导热能力，另一方面又要能够耐化学腐蚀、耐高温；相应地在电子电气领域，随着集成技术以及组装技术方面的迅猛发展，电子元件以及逻辑电路的占地空间也越来越小，所以传统的高分子复合材料就不仅仅是需要良好的导热的功能，还要能够具备一定的绝缘能力。但是，由于受到传统工艺的限制，复合材料大部分属于导热性能良好的金属材料，往往不耐腐蚀，当前的技术为了克服导热材料的耐腐蚀性而采用了合金技术以及进行防腐涂层的技术，同时，复合材料的耐热性却降低了。由于传统导热材料无法满足人们对于工业生产中的应用，因此，新型导热高分子复合材料应运而生，人们更多地将其应用于各个领域。如何提升导热高分子材料的综合功能成为了工业领域乃至社会各界的重要研究课题。

1 对于导热高分子复合材料的课题研究现状

1.1 导热高分子复合材料的运作原理

声子、光子以及电子是固体形态内部的导热介质。由于聚合物往往是以饱和体系的状态呈现的，不存在电子导热的可能性，只能通过声子这一介质进行导热，要想到达传导热能，就要通过晶格振动的方式。聚合物的导热性能较差，这是由于聚合物往往具有较大的相对分子质量，分散性较强，分子链之间不能够缠结无规则方式存在，达不到结晶的条件，同时分子链会产生振动，声子受到振动，就会产生散射，大大降低了聚合物材料的导热性能。从理论上来说，要想达到提升聚合物材料导热性能的目的，可以从两个方面对其进行改进，一方面是在聚合物材料中填充进具有高导热率的物质，制成具有以聚合物为基础的导热复合材料，例如可以将环氧树脂填入碳纤维以及氮化铝材料中，增强高分子复合材料的导热性能；另一方面是利用最新的科技，将高导热率的材料进行聚合。如可以利用聚苯胺导热性能良好的优点，采用导热机制达到更佳的导热能力。

增强聚合物导热性能的方法中，在实践工作中，主要使用的是填充入高导热性能的材料来达到增强导热的目的，以复合成导热高分子复合材料，这也是当前工业上制备导热高分子复合材料的主要途径。但是，导热高分子复合材料传导热能的效率受到了湿度、分子链取向密度、结晶度、温度以及填充材料种类多方面的影响。

在实际工业的操作中，导热高分子复合材料传导热能的效率主要受到了所填充材料以及材料在复合材料中分布情况的影响。如果填充的材料过少，复合材料的导热性能就很难达到要求，如果填充的材料过多，那么复合材料相应的力学性能就会有所降低。只有找到填充材料和复合材料之间较科学合理的比例才能达到导热高分子复合材料最好的导热性能、最小的热阻。

1.2 常见导热高分子复合材料的实际研究成果

（1）应用聚乙烯复合导热材料。

聚乙烯由于其具有价格低廉、综合性能良好的优势，无疑成为了我国所有合成树脂中应用范围最广泛、进口量最大以及产能最大的一种塑料品种。在传统聚乙烯基础上改造而成的线性低密度聚乙烯，拥有热封性能良好，成膜性优良，脱模容易，抗蠕变能力，刚性良好，拉伸强度、撕裂强度以及冲击强度方面较好，适应环境能力好，导热性能较好等一系列的优点，正成为当前最新的塑料产品投入使用。

（2）应用硅橡胶复合导热材料。

当前研究导热硅橡胶的方面大都是围绕着填充型硅橡胶而进行，由于填料、加工工艺以及硅橡胶基体三方面是硅橡胶材料能够具有良好导热性的关键性因素。填料是通过自身的导热性能情况来决定复合材料的导热性能，工厂的加工工艺是否精良很大程度上也影响着硅橡胶导热的能力。

硅橡胶自身具有优秀的减震以及绝缘性能，但是在热导效能方面却比较差，一旦在硅橡胶中填充入具有高导热性能的材料，硅橡胶复合材料在导热性能上达到十几甚至是几十倍的提升。同时，填料在复合材料中的分布情况和填料在导热性能方面的表现也影响着复合材料导热性的程度好坏。如果填料在材料基体中的填充量不够的时候，就会导致填料之间的粒子接触面积过小，那么填料应有导热性就没有得到充分的发挥，无法形成导热良好的导热网链，大大提升复合材料的导热性能。

2 导热高分子复合材料在实践中的应用以及开发前景

目前，导热高分子复合材料的应用于潜艇蓄电池当中的冷凝器、导热绝缘材料、太阳能热水器以及导热管等方面，应用的领域涵盖了很多的方面，如化工生产、电子电器、航空航天以及军事等方面，并在其中发挥了重大的作用。由于导热高分子复合材料不但具有导热性能良好的优点，而且在自身独特的优势方面更是有着其它材料难以比肩的优势，导热高分子复合材料已经得到了人们越来越多的青睐，在市场上的接受度也是不容小觑的。相信随着人们在发展纳米复合技术方面的进展，日益完善关于导热高分子复合材料的模型，对于导热原理的研究更加深入，那么导热高分子复合材料的性能将会得到更大程度的发掘，应用的范围也会更加宽广，作用也会越来越大。

高分子材料的关键研究领域之一就是实现导热高分子复合材料从理论概念到形成产品，开发其经济效益的目的。尤其是在近十年的研究中，关于研究导热高分子复合材料的数学模型已经取得了很大的进步与发展，但是也受到了来自纳米复合技术的挑战，也可以说是带来了进步的机遇。当前对于导热高分子复合材料提升导热性能的研究一直仅仅停留在基础层面的共混复合，得到的复合材料在传导热能方面效果并不理想，复合材料在应用开发、导热机理方面的探索以及开发具有高导热性能的聚合物方面的研究还是停留在比较表面的层次，没有进行深入的探索。另外，预测热导性能的理论模型还是没有充分有力的理论基础支持，同时对于理论验证还是停留在根据经验来模拟的层次。因此，可以预见不管是现在还是在接下来更长的时间里，导热高分子复合材料领域都会围绕着制备高导热聚合物材料、建立复合高导热材料的运作模型、改变聚合物树脂基体的物理特性、开发与研究复合材料的新型技术等方面来进行，成为其重要的研究方向。导热高分子复合材料的相应研究也增强了高新技术领域进一步发展与进步的可能性。

参考文献：

[1] 王亮亮，陶国良.导热高分子复合材料的研究进展[J].工程塑料应用，2013，9（31）：70-72.

[2] 马传国，容敏智，章明秋.导热高分子复合材料的研究与应用[J].材料工程，2012，8（7）：40-45.

[3] 范伟，冯刚，赵加伟.导热高分子复合材料的研究与应用进展[J].工程塑料应用，2011，39（12）：101-104.

高分子材料导论篇3

关键词：专业导论；质量保障系统；教学实践；材料化学

中图分类号：G640　文献标识码：A　文章编号：1671-0568(2012)41-0035-03

一、引言

随着对大学新生开设专业导论课的背景、价值和目的日益充分的探讨，越来越多的学校开始重视专业导论课程的设立，任课教师也提出了许多教学改革方法和措施。专业导论课主要对本专业性质、学习内容、学习方法、课程设置及未来就业前景和领域进行介绍，目的是培养学生专业思想和兴趣，引导正确的学习方法，规划四年学习计划和未来就业。专业导论课程的授课质量将会影响本科生大学四年的学习质量，甚至外延到学生的职业生涯。课程教学质量是学校教学水平的具体体现，是教学评估的重要指标，建立课程教学质量保障体系是必要的。

材料化学专业(绿色电子材料方向)是教育部批准2009年开始招生的新专业。上海第二工业大学(以下简称“我校”)基于电子产品制造绿色化和从源头上解决废弃电子产品环境污染问题的行业背景，根据国家环境保护政策和企业需求开设了本专业。材料化学专业(绿色电子材料方向)培养掌握电子信息制造基础知识、材料化学专业知识和电子废弃物资源化技术，从事绿色电子材料设计与制备的专业技术人才，满足微电子及光电子材料与器件制造、电子原辅材料制备、电子废弃物处理等高新技术和环保产业需求。在新专业的培养方案中，大学一年级第一学期开设了“材料化学专业导论”课程。对于新专业建设，应当始终把教育评估的质量观贯穿于教学活动的每个环节。从2009年开始，我校制订和完善了教学大纲、教学进程表；自编了讲义，并制作多媒体课件；在教学内容、教学方法、教学手段等方面进行了探索，从课程目标、课程实施、课程管理和课程评价四方面初步建立了“材料化学专业导论”课程教学质量保障系统。

二、课程目标

材料化学专业导论课是大一新生最早接触到的一门和专业相关的必修课程，1学分，16学时。建立清晰、准确的课程目标是保证教学质量的首要前提。课程教学必须解答新生心中的三大困惑，即这个专业是“干什么”的?要“学什么”?毕业后自己能“做什么”?学生学完之后将对材料化学专业(绿色电子材料方向)有全面的了解，包括本专业在社会发展中与国民经济中的地位与作用；本专业涉及的科学技术研究内容与发展趋势；本专业的教学培养计划及课程设置；本专业学生的知识结构、能力结构与素质要求。从而使学生更明确大学四年学习目标与内容，掌握正确的学习方法，了解就业方向与领域。

三、课程实施

1.课程教学内容

材料化学专业导论课程教学内容涉及专业知识、思想教育、职业创业教育等方面的内容，要实现教育和教学双重目标。通过三部分材料化学专业知识的讲解，使学生首先了解这个专业是“干什么”的。第一部分从什么是材料、材料的分类、材料的用途、新材料入手，让学生有一个从感性到理性的认识过程；第二部分包括一级学科材料科学与工程的内容以及学科专业发展过程；第三部分先介绍传统的材料化学专业涵盖的内容，在材料化学专业框架下讲解材料化学专业(绿色电子材料方向)的设置背景、研究范畴、专业特点等。电子信息产业的迅猛发展带来的电子废弃物对环境的污染问题日益严重，欧盟相继出台了WEEE指令、RoHS指令来应对，电子废弃物的资源化以及电子产品的绿色设计与制造是解决问题的主要技术和方法，本专业的特点就是培养掌握这方面专业知识和技能的应用性人才。为了使学生更深入理解本专业在社会发展和国民经济中的重要性以及开设本专业的意义，在这一部分增加了电子材料概述、电子辅料概述，无公害电子制造技术的发展趋势三个模块的内容。

针对学生希望知道在我校这个专业能“学什么”，课程重点介绍了本专业培养方案，讲述专业学习的课程体系，也增加了本专业学生所能参加的技能考试所需的知识点。培养方案包括本专业对学生的基本要求、毕业生应获得的知识和能力、修学年限、毕业与学位的授予、四年课程安排和学分要求。对专业主干课程要学习的主要内容作一概括。针对公共课、专业基础课、专业课和实践课不同课程的特点，介绍学习这些课程的基本方法。材料化学专业(绿色电子材料方向)有着全新的课程体系，以四大化学(无机化学、有机化学、分析化学、物理化学)课程为基础，材料化学、材料物理、高分子材料、胶体与界面化学等课程为主，增开了电子信息材料、印制电路技术、电子化学品(电子原辅材料)、封装技术与材料等专业课，让学生较全面地了解电子信息产业和产业链；增加了废弃物资源化技术、电子产品和电子化学品中有毒有害物质和毒理学的专业必修课和选修课，让学生了解电子产品和电子化学品中有毒有害物质及其危害，以及资源化技术。增加了纳米材料、薄膜材料制备技术的专业课和绿色电子材料设计的实验课，让学生了解和掌握电子原辅材料绿色设计和制造技术与制备方法。增加的这些课程与材料化学专业的材料制备／合成、组成，结构、测试，表征、性能，应用的专业课程相互衔接，形成了独特的知识体系。

对于学生毕业后能“做什么”的问题，从几个方面来讲授。第一是材料类人才的现状和需求；第二是已开设环境工程(电子废弃物方向)专业、相关材料类专业的学校以及研究所的简介；第三，结合我校开设的职业生涯规划以及自主创业教育，为本专业学生明晰就业方向，树立正确的择业和就业观。

材料化学导论课程中还设计了专题讲座，包括欧盟WEEE指令、欧盟RoHS指令、PCB与绿色生产，通过听取专题报告学生对本专业进行更深层次的了解。

2.课程教学方法与手段

根据材料化学专业导论课的特点分析和教学内容可以看出本课程的教学难度并不大，因此在教学方法上可以实现多层次、多样化，避免单纯枯燥的讲解。在专题讲座中，邀请有经验的企业技术骨干作1～2个报告；以学生为中心，学生体验式教学，学生课后通过各种途径来查阅相关资料，并在课堂上相互交流成果，比如调研电子原辅材料企业、查找开设材料化学专业的学校等；实践环节方面安排学生参观我校的学生实验室以及各研究课题组的专业实验室，激发学生对科研的感觉。

利用多媒体课件与板书相结合的教学手段，教师通过精讲的方式促进学生对重点概念的理解。在课堂上采用讨论教学法，拟定能引起学生兴趣的、有启发性的讨论题目，结合学生课后自己查阅的资料开展讨论。在考核方式上采用期末考试与小论文相结合的方式进行。

四、课程管理与评价

1.课程管理

课程质量不仅受静态的课程资源要素的影响，也与课程管理对课程活动进程中的动态控制有关。材料化学专业导论课程教学质量保障系统包括教师工作的规范管理、学生学习的规范管理和施教过程规范管理。成立了材料化学专业导论课程教学团队，上好导论课不仅需要统观专业教学体系，还应通晓专业应用领域，同时还要对专业就业市场有一定的了解，因此，任课教师团队由系主任和两位教授组成。任课教师严格按照教学大纲制定教学进程表。教学大纲中明确了这门课程的性质与任务、课程基本要求、课程内容、教学时数分配，考核方式，教材。教学进程表是严格按照教学大纲分配一学期内16学时课程，每周1个课时的上课内容。所有相关本课程的教学文件每学期进行归档，由教务部门统一管理。学生学习规范包括有学习条件、学习任务、学习要求，有课后作业，接受诚信教育。教师在施教过程中必须遵守学校的一切教学管理规定。

2.课程评价

材料化学专业导论课程的教学评价包括学生评教，督导和同行评议。学生评教和督导听课由学校层面组织，并将结果反馈到学院；同行评议是由学院组织其他教师听课，结果由学院的学术委员会反馈给授课教师。此外，授课教师在课程学习期中和期末运用课堂调查了解学生的学习情况，以此构成今后改进教学的基础。

五、结语

高分子材料导论篇4

关键词：创新平台 光电子材料 教学改革

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（b）-0105-02

随着材料科学的飞速发展，光电子材料已经成为新材料产业和当代信息技术产业的重要组成部分，引领着光电子、通信、新能源等产业的发展[1，2]。对于光电子材料相关专业的高校本科生，需要具备较强的光电子材料方面的实践能力，以及与这些技能相匹配的理论基础知识。通过《光电子材料》课程的学习，能够加深学生对光电子技术理论知识的理解，帮助学生将光电子技术知识与光电子相关的实验和实践能力紧密结合起来。因此，当代光电子材料相关专业的大学生亟需学习光电子材料的相关知识，以满足科技日益发展的社会需要。[3，4]

光电子材料课程的学习需要学生有良好的电磁学和光学等物理学科的理论基础知识，同时也是一门实用性强、对动手能力要求较高的课程；其课程目标主要是培养学生掌握扎实的专业知识，同时学习实验和实践相关的基本技术，性能检测的方法，培养学生的实际动手能力[5]。通过光电子材料实验可巩固和加强对有关专业理论的理解，提升学生分析和解决问题的能力，使理论与实践教学有机结合[6]。在以往理论教学中， 激光原理，光纤导光原理，光调制，非线性光学和光电探测等理论知识，涉及较多的电磁学，光学，固体物理和量子力学等专业知识，对于本科生较难理解，而实验和实践方面又要求学生在掌握理论的基础上具备较强的动手操作能力。因此，由于理论知识较难，必须进行较长时间的理论教学，实验和实践操作时间被压缩，枯燥的理论教学不能激发学生对该课程的兴趣，最终导致教学效果较差。因此，如何增加实验和实践教学的比重，使学生对该门课程产生浓厚兴趣，并将光电子材料基础理论知识与实验和实践结合起来，使学生掌握课程的主要知识和基本的操作技能，是达到良好的教学效果的关键。

1 光电子材料课程改革目标

《光电子材料》课程是材料物理（光电材料）专业的专业必修课，涵盖了《光学》、《电磁学》、《固体物理》、《量子力学》等课程相关知识，含有较多的物理公式，具有很强的理论性。根据笔者所在校培养应用型人才的办学特色，结合课程理论性强的特点，该课程目标如下：

（1）通过该课程的学习让学生了解当前光电子技术及研究的最新进展和实际的应用情况。加深学生对光电子技术及其发展的相关认识，并通过讲授光电子技术的发展历程激发学生的研究兴趣和开拓他们的思维与知识面。

（2）将该课程的理论教学与光电材料综合实验等实验课程进行有机结合，力争形成理论和实际相结合，培养学生理论基础知识的同时提升学生的综合实践能力。

2 光电子材料课程教学方法和手段改革

根据教育部的专业规范和学校的课程体系，和笔者所在校培养应用型课程人才的办学理念和材料物理专业的特点与培养目标，结合《半导体器件物理基础》理论性强的特点，在该课程建设过程中，以提高教学质量、培养学生主动学习能力和创新能力为目的，采用启发、互动式教学，讲解与讨论相结合，讲授与自学相结合。借助多媒体和实物教具进行形象化教学。充分运用该校多媒体教室所拥有设备以及网络平台来实现教学手段的现代化，充分运用实物、互联网资源以及企业资源，沓涫悼翁玫哪谌荩使其内容具体丰富。

具体采取的教学方法、手段如下：

（1）制作一系列教学video，辅助课堂教学，活跃教学气氛，增加课堂互动，有效调动学生学习积极性。

（2）建设课程网站，通过学生熟悉的微博、小木虫等平台实现“光电子技术基础”网络资源库的建立；并上传精品课时，在互联网上进行国内外的共享。

（3）课堂教学中通过课前回顾、课前提问等方式保持课程的连贯性和逻辑性，采取引入实物、实验演示及参观等方式使教学更加形象化，运用布置课后作业、小论文等方法使学生在课下更好地巩固已学内容，同时对学生掌握知识的程度得到及时的反馈，为学生打下扎实的理论基础。

（4）针对该课程公式偏多的特点，在课上带领学生推导重要的公式，使学生更好地理解公式的物理意义，掌握光电子材料与器件制造及设计的依据。

（5）针对该课程与《光电材料综合实验》等实验课程的密切关联性，在该课程理论教学中先引入关键实验课程，并逐步与《光电材料综合实验》等实验课程进行有机结合，力争做到理论联系实际，学生们学到的知识有的放矢。

（6）通过教师指定报告内容或者讨论主题，让学生进行分组报告或者分组讨论等方式，了解半导体器件物理知识在新器件制造及工艺当中的实际应用，分析和研究实际生活中有关的问题，达到理论联系实际，学以致用的目的，提高学习的深度和广度，促进学生学习能力发展。

（7）课程考核可采取过程考核的形式，即降低学期末考试成绩占总评成绩的比重（50%），另外50%的成绩根据过程考核的成绩进行评定，过程考核主要包括学生的考勤、课堂表现、分组报告或分组讨论和团队作业等多个部分。这种核算成绩的方式可以有效降低学生平时对课程重视度不够，只靠期末进行突击复习的弊端。督促学生平时对课程的各个环节进行高度重视，上课积极回答问题，积极思考如何将理论与实际应用结合起来，并且善于进行与团队协作完成作业。

3 结语

光电子材料的研究和应用不但需要较强的光电子技术基础理论知识，还需要较强的理论联系实际，动手操作的实践能力。因此，为满足社会光电子材料专业人才的需要，在协同创新平台的基础上，通过改善原有课程中“学”与“用”脱节的现象，进行有针对性的教学，能够促进学生对理论知识的理解以及知识运用和动手操作的实践能力，促进创新实践能力的专业人才的培养。

参考文献

[1]叶莉华，崔一平，胡国华.“光电子技术”课程教改探索[J].电气电子学报，2007，29（2）：10-12.

[2]陈湛旭.《光电子学》课程教学改革与实践[J].广东技术师范学院学报：自然科学版，2015（2）：108-109.

[3]范东华，代福.基于协同创新理念的光电子专业生产实习课程教学方法改革[J].时代教育，2015（2）：199-200.

[4]赵洪霞，包蕾，徐达文，等.应用技术型本科院校光电子技术课程教学改革[J].科教导刊，2015（2）：125-126.

[5]熊建新，彭保发，陈端吕，等.地方高校实践教学改革的基本模式及内容优化――基于应用技术型人才培养的视角[J].武陵学刊，2014，39（4）：135-138.

高分子材料导论篇5

本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。

1突破传统制造技术的观念

纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。

T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。

2纳米材料的完美定律

描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。

完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术等等。

3涂层纳米材料将给我们带来什么?

涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池、各向异性结构材料、新型面光源材料等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。

热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。

电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。

类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。

4含铁碳纳米管薄膜场发射

碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。

5电子强关联体系和软凝聚态物质

上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。

在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。

软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。

物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。

6结论

高分子材料导论篇6

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。

跨世纪科学技术发展的另一个趋势是“极端化”研究。所谓“极端化”研究，包含两方面内容，一是要创造或克服某些实验的“极端化”条件才能有所突破。例如，有时实验需要超低温、超高温、超真空、超高压、超细、超净等工作条件，有时又需要克服温度、湿度、重力、磁场等环境的影响。二是科学技术研究已深入到接近“极限”与冲破“极限”才能有所突破的艰难时期。例如，高温超导临界温度Tc的提高，每提高一点都是非常困难的。

高分子材料导论篇7

【关键词】聚苯胺；γ-Fe2O3；铁磁性；纳米材料

聚苯胺（PANI）作为一种古老的、典型的导电高分子而受到关注，这是由于它多样的结构、在空气中的稳定性。特殊的掺杂机理、能在各种溶剂中溶解以及在技术中的应用，然而最近PANI由于起铁磁性能而倍受关注。通过引入不同种类的酸到高分子链上来合成的水溶性导电聚苯胺，是一种能符合上述要求的好的选择，是因为它能在水溶液中溶解。现在一种新型的水溶性共聚物PAOABSA（苯胺和氨基苯磺酸的聚合物）已通过化学聚合方法聚合得到了。我们发现PAOABSA共聚物不仅有可调节的磺化度（硫和氮的比例），而且在室温可表现出高的导电率（约为3.4s/cm）。因此用Wan et al.提出的方法来合成含有铁磁性氧化铁的PAOABSA复合材料是非常有意义的。

1.实验过程

具有不同磺化度的PAOABSA复合材料可用先前介绍的方法来合成，典型的合成过程如下：先将0.1gPAOABSA粉末溶解在50ml含有1mol/lNaOH的溶液中，搅拌8h使其完全溶解。调节溶液PH值至12，立即有沉淀出现，继续搅拌2h。反应结束后将混合液过滤，蒸馏水洗涤并在真空中干燥24h。PAOABSA共聚物的磺化度、反应溶液的PH值和FeCl2溶液的浓度对铁磁性的影响已经有所研究。为了弄清楚铁磁性是怎样产生的，我们用元素分析、FTIR、XPS和x-射线衍射法来研究其结构。

2.结果与讨论

2.1 铁磁性

为了获得由Wan et al.提出的方法合成具有铁磁性繁荣聚苯胺复合材料，我们必须按照上述的制备条件去合成。另外我们发现PAOABSA共聚物的磺化度是影响材料物理和化学性能的一个很重要的因素，如在水溶液中的溶解度、在室温下的电导率、磁化率以及PAOABSA共聚物和多孔硅杂和的精馏行为。

首先在PH=8时磺化度对材料铁磁性的影响可以测量得到（见表1），我们可以看出饱和磁性（Ms）和材料的磺化度无多大关联。当材料的磺化度从0.15变为0.36时，Ms只在3.36-4.08eum/g之间，这有可能是因为PAOABSA中Fe元素的含量没有发生改变。因此磺化度为0.30的PAOABSA共聚物可用来考查反应条件的不同所产生的影响，例如PH值、FeCl2的浓度。实验发现PAOABSA复合材料的铁磁性受溶液PH值的影响非常大（见图1），相关数据（见表2）。从表中我们可以看到升高PH值可大大增强此种材料的Ms，最大的饱和磁性大约可达33.2eum/g，这比Fe3O4掺杂的聚苯胺复合材料的Ms要高（Ms=20eum/g）。由元素分析得出随着PH值的升高材料中Fe元素的含量也在升高，这和以下的实验得出的结论是一致的：PH=8时，将FeCl2溶液加入到由1mol/lNaOH和PAOABSA所组成的混合溶液中沉淀立即出现，混合溶液的颜色由蓝变浅，这说明由于掺杂了氧化铁使PAOABSA共聚物变重而沉淀下来。当PH=12时，尽管还存在有沉淀，但混合溶液却变回了蓝色，这说明一些PAOABSA共聚物仍存在于反应溶液中而没有随氧化铁沉淀下来，这和通过x-射线衍射得出的结论一致。在衍射图中，聚苯胺在2=19°时的特征峰在不断变小，并随着PH值的升高而逐渐消失。因此一方面随着溶液PH值的升高，Fe元素的含量升高从而使PAOABSA复合材料的饱和磁性增加。而另一方面PH值的升高对滞后（Hc）没有影响，这点和从Fe3O4掺杂聚苯胺复合材料中得出的结论是一致的。这可能是因为材料中的γ-Fe2O3磁性粒子是纳米级的缘故，这点将在后面作详细的讨论。

对于给定的溶液PH值（PH=8），我们发现FeCl2溶液的浓度也对PAOABSA复合材料的磁性能有影响。例如：FeCl2浓度增加，饱和磁性也相应增加。但是FeCl2的浓度对滞后线却无影响（Hc=0），见表3。和上面讨论PH值对材料磁性能的影响时的结果是一致的，随FeCl2浓度增加Fe元素的含量增大是材料的磁性增强。

2.2 铁磁性能的产生

如上所述，PAOABSA的磁性可归纳如下：（1）Ms和溶液PH值、FeCl2浓度息息相关，都是由于材料中Fe元素的含量升高的缘故，和PANI-Fe3O4复合材料一致。（2）Ms和材料的磺化度无多大关联。（3）在本文的研究中所有样品的Hc=0，这也和PANI-Fe3O4复材中的研究结果一致。为了研究复合材料铁磁性的产生，我们通常用元素分析、FTIR、XPS和x-ray衍射法来表征复合材料的结构。

元素分析表明PAOABSA复合材料中含有Fe元素（见表1和表2），Fe元素的含量取决于PH值和FeCl2浓度，Fe元素的含量又和饱和磁性相对应。

PAOABSA复合材料在不同PH值下的傅立叶红外光谱图（见表2），对比苯环的1，2，4取代的C-H面外弯曲振动（820cm-1），苯环的1，4取代C-H面外弯曲振动（870cm-1），这种材料的苯环的伸缩