工学光电高分子材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工学光电高分子材料,功能高分子简介,功能高分子Functional Polymers中的“Functional (功能)与“Performance (性能)的词义在英文中有很大区别。,一般说来，性能是指材料对外部作用的抵抗特性。功能那么是指从外部向材料输入信号时，材料内部发生质和量的变化而产生输出的特性。,功能高分子是高分子学科中开展最快、研究最活泼的新领域。,2,功能与性能,性能,定义：材料对外部作用的抵抗性能,例如，对外力的抵抗表现为材料的强度、模量等；对热抵抗表现为耐热性；对光、电、化学药品的抵抗那么表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。,功能,定义：指从外部向材料输入信号时，材料内部发生质和量的变化而产生输出的特性。,例如，材料在受到外部光的输入时，材料可以输出电性能，称为材料的光电功能；材料在受到多种介质作用时，能有选择地别离出其中某些介质，称为材料的选择别离性。此外，如压电性、药物缓释放性等，都属于功能的范畴。,3,功能高分子与高性能高分子,功能高分子,是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应的高分子材料。,高性能高分子,对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料,。,从实用的角度看，对功能材料来说，人们着眼于它们所具有的独特的功能；而对高性能材料，人们关心的是它与通用材料在性能上的差异。,特种高分子和功能高分子是目前高分子,学科中开展最快、研究最活泼的新领域。,4,功能高分子材料的分类,力学功能材料,强化功能材料，弹性功能材料,化学功能材料,别离功能材料，如别离膜、离子交换树脂、高分子络合物等,反响功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂等,生物功能材料，如固定化酶、生物反响器等,物理化学功能材料,耐高温高分子，高分子液晶等,电学功能材料，如导电性高分子、超导性高分子、感电性高分子等,光学功能材料，如感光性高分子、导光性高分子、光敏性高分子等,能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等,生物化学功能材料,人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等,高分子药用材料，如药物活性高分子、缓释性高分子药物,生物分解材料，如可降解性高分子材料等。,5,功能高分子材料的开展与展望,功能高分子开展的背景,1. 经济开展的需要,以石油为主要原料的高分子材料本钱呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。在这样的经济背景下，迫使人们试图用同样的原材料，去制备价值更高的产品。功能高分子在这种外部条件促使下迅速地开展了起来。,2. 科学技术开展的需求,8090年代，科学技术有了迅速开展。能源、信息、电子和生命科学等领域的开展，对高分子材料提出了新的要求。即要求高分子材料具有迄今还不曾有过的高性能和高功能，甚至要求既具有高功能亦具有高性能的高分子材料。,6,功能高分子开展的背景,3. 新能源的要求,太阳能和氢将成为今后的主要能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅材料已进入了实用阶段。然而，按现在的能量转换效率，对单晶硅的需要量实在太大。以日本为例，假设利用太阳能到达当前日本电力的1，就需100 的单晶硅至少万吨。这相当于日本目前单晶硅总产量的90倍。为此，人们把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子别离膜的利用。,4. 交通和宇航技术的要求,既高速又节约能源是交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。采用功能高分子材料，在一定程度上解决了该难题。就目前的成就来看，波音757，767飞机采用Kavlar增强材料一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强的材料，可省油50。汽车工业采用高分子材料而实现轻型化，从而到达省油和高速的目的。,7,功能高分子开展的背景,5. 微电子技术的要求,高度集成化是微电子工业开展的趋势。存储容量将从目前的16K开展到256K。此时相应的电路细度仅为。因此，高功能的光致抗蚀材料感光高分子已成为微电子工业的关键材料之一。,6. 生命科学的要求,人类对生命奥秘的探索，对建立一个干净、平安的世界的渴望，对征服癌症等疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。例如，生物别离介质的研制成功，使生命组成的各种组分能得以精细地分级，对生命科学的奉献将是十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大减缓白色公害对人类的危害。,8,功能高分子的开展历程与展望,最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的创造。,20世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又开展到电子工业和微电子工业。,1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。,1966年little提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性。,9,功能高分子的开展历程与展望,1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。,20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子别离膜等技术得到快速开展。,1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。,10,信息科学中的高分子材料,导电高分子材料,光敏高分子材料,高分子光传输材料,11,硅的终结者：导电高分子材料,什么是导电高分子？,要使高分子材料导电就必须能模拟金属的行为，亦即电子必须能不受原子的束缚而能自由移动，要到达此目的的第一个条件就是这个聚合物应该具有交织的单键与双键，亦称为“共轭双键。,为了使共轭高分子导电，必须要做参杂。这和半导体经过参杂后提高导电率类似。,12,共轭高分子,典型的共轭高分子包括：聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻酚等,13,为什么要开展导电高分子,普通高分子材料的静电积聚,静电在工业生产中有很大的危害性。,每年因静电事故造成的损失超过百亿美元。,普通高分子材料对电磁波的屏蔽性差，通信设备常常因电磁波的入侵造成错误操作。,导电高分子的开展已远远超过开场的设想,14,导电高分子的创造,白川英树,Hideki Shirakawa,白川,1961,年毕业于东京工业大学理工学部化学专业，曾在该校资源化学研究所任助教，,1976,年到美国宾夕法尼亚大学留学，,1979,年回国后到筑波大学任副教授，,1982,年升为教授。现在是日本筑波大学名誉教授。,2000,年诺贝尔化学奖获得者,15,导电高分子的创造,希格,：,加州大学圣巴巴拉校区物理系及高分子暨有机固体学院院长。,2000,年三人因合成导电高分子一起获得了诺贝尔化学奖。,A.G. McDiarmid,麦克戴阿密德,：美国宾夕法尼亚大学化学系教授。,16,塑料晶体管和塑料芯片,英国剑桥大学的科学家利用喷墨打印技术和设备，制造出一种塑料半导体新材料。,Xerox,公司刚刚公布的新型有机聚合物塑料有望用于制造塑料晶体管等新型电子器件。,与硅晶体管相比，塑料晶体管的好处在于本钱低廉，生产便捷，不需要专门化的昂贵制造设备和高度干净的真空环境。,17,塑料内存,塑料内存采用了,3D,存储技术，数据被存储在成千上万的高分子层内，储存密度比硅材料高得多。,新产品将向当前市场上的以硅材料为主的半导体,Flash,闪存和内存发起挑战,18,电子纸,美国 Lucent 公司和 E Ink 公司共同开发出了“电子纸，它可以应用于电子书籍和电子报纸等。,19,电子纸,20,电致发光高分子材料,经过十几年的研究，有机化合物电致发光的研究已经取得了令人瞩目的成就，有机化合物发光材料构成的电致发光器件有着众多的优势：,可实现红绿蓝多色显示；,亮度高，无须背照明；,驱动电压低，节省能源；,器件薄，可实现小型化；,响应时间快，显示精度高，均远超过液晶显示器；,寿命可达10000小时以上。,有机发光材料的发光稳定性较差，而聚合物发光二极管不仅具有小分子有机电致发光材料的特点，而且有稳定、可弯曲、大面积、低本钱的优点，已成为全世界发光材料研究的热点。,21,电致发光材料的根本原理,常用于电致发光材料的聚合物包括：聚对苯乙烯、聚咔唑、聚噻酚等。,空穴注入正极,空穴迁移,电子注入负极,电子迁移,电子与空穴复合,激子扩散,激子复合,电致发光,辐射,非辐射,电致发热,22,塑料显示器,英国剑桥显示科技公司在有机发光二级管技术开发方面取得了重要进展，推出了基于导电树型聚合物的,14,英寸全彩显示器。,23,塑料显示器,下一代显示器,24,聚合物太阳能电池,特点：柔韧性好、本钱低、重量轻,25,光敏高分子材料,光敏高分子化学是高分子化学与光化学两个极为重要的学科穿插的产物。光化学是指在光作用下发生的化学变化。光化学反响的重要特点在于它的选择性，反响物分子只有吸收特定的波长的光才能发生反响。,一般化学反响的反响物要通过一个能量较高的过渡状态再生成产物如爬山，与此不同，光化学反响的反响物好似是处于颠峰上的物质，它的反响意味着选择下山的路线。,与光化学关系较为密切的是紫外光，因为阳光中紫外线的含量较少。,26,光固化树脂,所谓光固化树脂是指通过光引发聚合反响。,光固化体系一般由三个组分构成，包括光敏引发剂、低聚物和单体活性稀释剂，相当于溶剂。,光敏引发剂在紫外光照时可释放出自由基或其它活性种，它们可以引发低聚物与单体聚合，生成交联的高分子固体。其过程可以表示如下：,PI光敏引发剂,紫外光,R*活性种,低聚物单体,R*,光固化树脂,27,光固化涂料,涂料在为人类带来好处的同时，也危害着人类的安康和生态环境。涂料中溶剂挥发对大气造成的污染，仅次于汽车尾气，居第二位。,为了解决涂料的溶剂问题，有如下三条途径。,尽量减少溶剂，对涂料中溶剂的用量进展限制，使用高固体组分含量的涂料。,使用水性涂料，即用水代替绝大局部溶剂的涂料乳胶漆、水溶漆。,使用无溶剂涂料，无溶剂涂料包括粉末涂料和光固化涂料。光固化涂料无溶剂的挥发，所以是一种“绿色涂料。,28,光固化涂料的应用,家具建材,光固化涂料使这些木质品具有更加美观的光泽，更加耐磨经用。,光固化涂料已在家具、木材、地板等方面得到了广泛的应用。,29,光固化涂料的应用,30,感光树脂印刷术的开展,印刷术是我国伟大的四大创造之一，大约在七世纪中国就出现了雕版印刷；,我国宋代的毕昇创造了活字印刷术，把我国的印刷术大大地提高了一步；,1445 年德国公藤保创造了金属铸造活字印刷。这种铸造铅字的热排凸印一直沿用至今。,铅字热排系统费时，铅的毒性、污染和排版的繁重劳动已与现代信息社会不相适应。,31,照相制版术,感光树脂版,照相制版术是照相术应用于印刷制版之产物。主要包括照相铜版和照相锌版，习惯上合称铜锌版。由法国人创造于1855年。,这种技术是将抗酸的沥青涂在铜板上，放进照相机后经一系列操作得到了凹凸的图像。,32,胶印,PS,版技术,现在有四种主要印刷方式：凸版印刷、平版印刷、凹版印刷和丝网印刷。下面简单介绍一下胶印PS版制版的原理。,胶印PS版预涂版，即预先涂布好的感光树脂的板材，由感光层和版基组成。版基中常用的是铝板，感光层一般只有几个微米厚。,在预涂版上加上图文的底片，然后用紫外灯照射曝光，由于光化学反响，感光层的溶解性能便会明显变化，从而得到图像。,33,感光树脂的开展,感光树脂最早使用的是沥青，但沥青的光敏性较差，制作一张版往往需要数小时的曝光时间。,G. Sakow发现了重铬酸盐具有光敏性，将重铬酸盐和阿拉伯胶、明胶、蛋白等天然高分子物质混合便可得感光性的树脂。,由于重铬酸盐体系的光敏性要比沥青高的多，照相制版技术由此得到了迅速开展。近百年来重铬酸盐感光材料一直占据统治地位，至今重铬酸光敏体系仍在使用。但这种光敏体系含有铬盐，对人体有害，污染环境，而且保存性差，限制了它的开展。,34,新型感光树脂,进入20世纪，科学家研制出了许多新的感光高分子材料。如50年代美国柯达公司开发的聚乙烯醇肉桂酸酯感光树脂。,此外，还开展有重氮盐感光树脂。有重氮盐的高分子在水里是可以溶解的，但发生光化学反响后，重氮盐分解放出氮气，生成极性很小的以共价键相连的基团，使树脂变成水不溶的。,除重氮盐外，另一种重氮感光树脂是含有邻醌重氮基团的高分子。这种高分子不溶于碱水，邻醌重氮基在光照下发生光解反响，转变成羧基，从而可使高分子变成碱水可溶解的，被碱水如氢氧化钠溶液洗掉，而未经光照的局部那么可以保存。,35,激光照排,目前，印刷技术已经从照相制版开展到激光直接制版激光照排。,这种制版方法是由计算机控制，采用激光为光源，不用底片直接在PS版材上曝光完成。由于激光器根据计算机的控制直接在感光性树脂印版外表逐点扫描曝光，所以它要求感光树脂更敏感性能更好。,36,印刷电路,感光材料在印刷上的使用不仅使印刷技术起了革命性的变化，它还引起了电子工业上的一场革命。这场革命有两个内容，其中之一就是印刷电路的问世。,印刷电路，顾名思义，便是通过印刷的方法将电路布置到了基版上，这就是印刷布线法。,37,感光树脂的应用,印刷电路,印刷电路板，又称PCBPrinted circuit board，目前已广泛应用在电子电器中。,38,计算机和集成电路,集成电路的制备技术即微电子技术，是感光材料在印刷上的使用引起的电子工业革命的另一个内容。集成电路就是利用照相制版技术，制备电路晶体管、电阻、电容、导线的技术。,新芯片构思与设计。,光刻技术：用掩膜底片在晶片上制成芯片。,将晶片进展掺杂或其他处理。,将晶片破碎成单个的小方片，即芯片。,用微细探针进展试验，去除有缺陷的芯片。,将合格芯片封装成常见的多足虫状小包。,39,集成电路的制造方法,首先在硅片上氧化或沉积一层二氧化硅，然后涂布一层光敏高分子材料。,烘干后加一块有电路图形的掩模即底片，并用紫外光曝光。,烘干后用氢氟酸将裸露二氧化硅腐蚀掉。,最后除去残留的光刻胶。于是硅片上便得到一个与掩模一致或相反的图形。,通过在裸露的硅面上进展离子注入、扩散掺杂或金属化便可在硅片上制出集成电路。,40,集成电路,集成电路是通过反复光刻制得的。指甲盖大小的芯片上往往集成了几千万个器件。这些芯片的制作只能靠光敏高分子与光刻完成。,41,立体光刻技术,立体光刻使用无溶剂的光固化树脂液体，通过激光束层层扫描，固化感光高分子化合物层添加法，是一种立体的制造技术。,机械工业上制备铸型、金型的原形；,制造工艺品；,制备实验模型；,在医学上用于复制人体器官、骨影模型。,42,塑料光存储设备,目前，采用聚酯塑料的闪存已被成功开发出来。,塑料闪存具有非常高的性价比：本钱只有当前同类产品的 1/10。,43,全塑光缆,高分子光传输材料,1970,年美国康宁公司研制出石英玻璃光导纤维，同年贝尔又试制成半导体激光器，这两项新技术的结合，开创了光信息传输的新时代。,玻璃光纤具有传输带宽大、损耗低、抗电磁干扰、节约能源的优点。,44,典型的玻璃光缆构造,玻璃光纤的致命弱点就是强度低，抗挠曲性能差，而且抗辐射性能也不好。,45,塑料光纤研究历程,被称为三大聚合物有机玻璃的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯具有很高的透光性，是塑料光纤理想的制备原料。,塑料光纤的研究始于二十世纪,60,年代。,1968,年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯为芯材制备出塑料光纤，但光损耗较大。,1974,年日本三菱人造丝公司以,PMMA,和,PS,为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光损耗为,3500dB/ km,，难以用于通信。,46,塑料光纤的研究历程,1980年三菱公司以高纯 MMA单体聚合 PMMA，使塑料光纤损耗下降到 100-200dB/km。,1983年NTT公司开场用氘取代 PMMA中的H原子，使最低光损耗可到达 20dB/km。,1990年，日本庆应大学的小池助教授开发出折射率渐变型塑料光纤。该塑料光纤衰减在 60dB/km以下，带宽和传输速率超过了GI型石英光纤，被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介。,2000年7月日本ASAHI GLASS公司将庆应大学的塑料光纤技术商品化，采用全氟化聚合物制造GI光纤，命名为 GI-GOF，商品名为 Lucina，衰减速率3Gb/s，带宽大于。,47,塑料光纤的优点,塑料光纤具有重量轻耐用、可挠性好、连接快捷等优点。,塑料光纤是短距离通信网络的理想传输介质。,48,塑料光纤的应用,家庭智能化,通过塑料光纤可实现智能家电的联网，到达家庭自动化和远程控制管理，提高生活质量；,49,塑料光纤的应用,办公自动化,50,塑料光纤的应用,在军事通信上，塑料光纤正在被开发用于可穿戴式计算机系统。,51,谢谢！,