生物材料：第二章 生物材料学基础

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1、2024/7/311（一）生物材料的概念（一）生物材料的概念 生生物物材材料料 BiomaterialsBiomaterials（也也称称生生物物医医用用材材料料Biomedical Biomedical MaterialsMaterials）是是一一类类具具有有特特殊殊性性能能、特特种种功功能能，能能用用于于人人工工器器官官制制造造、人人体体组组织织修修复复或或再再生生、理理疗疗康康复复、诊诊断断检检查查、治治疗疗疾疾患患等等医医疗疗、保保健健领领域域，而而对对人人体体无无不不良良影响的材料。影响的材料。 2024/7/312（二）生物材料的基础（二）生物材料的基础 先进的临床医学离不开新型

2、的生物材料2024/7/313（三）生物材料的分类（三）生物材料的分类l按材料的来源分类 （天然、合成、半合成等） l按材料的使用要求分类（后详述）按材料的性质分类（有机、无机、金属等） l按材料的应用部位分类（口腔材料、眼科材料、骨科材料、心血管材料等）按材料的使用要求分类按材料的使用要求分类 非植入材料：只与体表或体腔接触。非植入材料：只与体表或体腔接触。 如医疗器械、注射器、导管、如医疗器械、注射器、导管、 绷带、敷料、创可贴等绷带、敷料、创可贴等 半植入材料：植入体内一段时间，半植入材料：植入体内一段时间， 待功能完成后取出。如内固定待功能完成后取出。如内固定 材料、手术缝合线、隐形眼

3、镜等。材料、手术缝合线、隐形眼镜等。 植入材料：作为修复或替换材料长期植植入材料：作为修复或替换材料长期植 入体内。如人工器官、血管支架、入体内。如人工器官、血管支架、 牙科材料。牙科材料。 2024/7/315 （五）生物材料的学科内容（五）生物材料的学科内容1. 1. 人体生理环境、组织结构、器官生理功能等及其临床替人体生理环境、组织结构、器官生理功能等及其临床替代方法和技术。代方法和技术。2. 2. 特种生物功能材料的合成、改性、加工成型以及材料的特种生物功能材料的合成、改性、加工成型以及材料的特种功能与其结构之间的关系。特种功能与其结构之间的关系。 3. 3. 材料与细胞、组织、血液、

4、体液、蛋白、免疫、内分泌材料与细胞、组织、血液、体液、蛋白、免疫、内分泌等系统的相互作用以及减少材料毒副作用的方法。等系统的相互作用以及减少材料毒副作用的方法。 4. 4. 材料的灭菌、消毒、医用安全性评价方法与标准以及管材料的灭菌、消毒、医用安全性评价方法与标准以及管理法规的研究。理法规的研究。 2024/7/316l生物材料的用途只有一个就是改善人类的生活质量、延长人类的寿命。具体讲就是防病、诊病、治病和康复。 六、六、生物材料的用途生物材料的用途2024/7/317七、生物材料的一般要求七、生物材料的一般要求l1、必须符合必须符合“医用级医用级”标准标准l2、溶出物溶出物和可和可渗出物渗

5、出物含量低含量低l3、良好的生物稳定性（、良好的生物稳定性（生物相容性生物相容性）l4、优良的、优良的机械性能机械性能l5、便于、便于灭菌灭菌和和消毒消毒l6、价格便宜、价格便宜2024/7/318生物材料的现状l国家中长期科学和技术发展规划纲要国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年年)将将“先进医疗设备与先进医疗设备与生物医用材料生物医用材料”列为优先主题。列为优先主题。l我国的医学材料产业与国际差距很大，我国的医学材料产业与国际差距很大，仅占世界市场份额的仅占世界市场份额的3.43%；人均医疗；人均医疗器械消费仅器械消费仅5.46元美元，远低于美国的元美元，远低于美国的309

6、.77美元和欧洲的美元和欧洲的122.59美元；医疗美元；医疗器械与药品市场之比为器械与药品市场之比为1 3.47，远低于，远低于国际国际1.2 1；广东医疗器械产业完成产值；广东医疗器械产业完成产值约亿，同比增长约，居全约亿，同比增长约，居全国第一位。国第一位。l但是大宗出口品为技术低端的药棉、纱但是大宗出口品为技术低端的药棉、纱布、手套、按摩器具等，大宗进口的是布、手套、按摩器具等，大宗进口的是技术高端的产品。技术高端的产品。2024/7/319人体器官按需打印 3D生物打印机出炉l器官移植拯救了很多人的生命，但存器官移植拯救了很多人的生命，但存在着器官来源不足、排异反应等弊端。在着器官来

7、源不足、排异反应等弊端。那么，能否像打印纸张一样打印器官那么，能否像打印纸张一样打印器官呢？这看似不可能的事情在科学家手呢？这看似不可能的事情在科学家手中却已经初步变成了现实。中却已经初步变成了现实。l澳大利亚澳大利亚Invetech公司和美国公司和美国Organovo公司携手研制出了全球首公司携手研制出了全球首台商业化台商业化3D生物打印机。既然生物打印机。既然3D生生物打印机可以按需打印人体器官，研物打印机可以按需打印人体器官，研究人员、外科医生和病人也可能不再究人员、外科医生和病人也可能不再需要对捐赠器官翘首以盼。我们可以需要对捐赠器官翘首以盼。我们可以大胆畅想，或许某一天，我们只需要大

8、胆畅想，或许某一天，我们只需要轻轻按下按钮，就能让轻轻按下按钮，就能让3D生物打印生物打印机制造出我们所需要的器官。机制造出我们所需要的器官。2024/7/3110 第二章第二章 生物材料学基础生物材料学基础2024/7/3111 第二章第二章 生物材料学基础生物材料学基础前言前言1、材材料料科科学学、环环境境与与能能源源、信信息息科科学学、生生物物技技术术形形成了当今世界科学发展的四大支柱学科成了当今世界科学发展的四大支柱学科2、材材料料的的性性能能不不仅仅与与组组成成有有关关，而而且且与与材材料料的的结结构构关关系系十十分分密密切切。组组分分相相同同的的材材料料也也可可通通过过改改变变其内

9、部结构形态改变材料的综合性能其内部结构形态改变材料的综合性能3、原原子子的的结结构构决决定定了了原原子子的的结结合合方方式式，按按原原子子的的结结合合方方式式可可将将固固体体材材料料分分为为金金属属、陶陶瓷瓷和和高高分分子子材材料料。根根据据原原子子或或分分子子的的排排列列有有序序性性，又又可可将将材料分为晶体和非晶体两大材料。材料分为晶体和非晶体两大材料。2024/7/3112 第一节第一节 制备生物材料的必备条件制备生物材料的必备条件 1、生物材料的特殊要求生物材料的特殊要求治病、诊病和防病，更要对人体健康无害；治病、诊病和防病，更要对人体健康无害；某些特殊应用的生物材料还必须具备生物降解

10、和某些特殊应用的生物材料还必须具备生物降解和体内可吸收性能以及合适的力学性能；体内可吸收性能以及合适的力学性能；材料与活材料与活体之间具有良好的体之间具有良好的生物相容性生物相容性；【其中包括对血液的反其中包括对血液的反应（血液相容性），对生物组织的反应（组织相容性）和免疫反应（血液相容性），对生物组织的反应（组织相容性）和免疫反应性能等。应性能等。】生物材料的生物材料的生物老化性能生物老化性能、降解产品的物理、化降解产品的物理、化学性能学性能均是生物材料十分重要性能指标。均是生物材料十分重要性能指标。2024/7/3113 第一节第一节 制备生物材料的必备条件制备生物材料的必备条件l2 2、

11、生物材料的功能要求、生物材料的功能要求l应用目的不同，对其功能要求也千差万别，如有些生物应用目的不同，对其功能要求也千差万别，如有些生物材料及其制品可以全部植入体内，有些则可以穿透上皮材料及其制品可以全部植入体内，有些则可以穿透上皮表面（如皮肤）部分植入体内，有些可以放在体内的空表面（如皮肤）部分植入体内，有些可以放在体内的空腔中但不进入皮下（如假牙、子宫内置物、接触镜等），腔中但不进入皮下（如假牙、子宫内置物、接触镜等），还有些可以放在体外而通过某种方式作用于体内组织还有些可以放在体外而通过某种方式作用于体内组织（如与血管系统相连的体外装置）。对于上述几种不同（如与血管系统相连的体外装置）。

12、对于上述几种不同的用途的生物材料其性能和功能要求也不一样。显而易的用途的生物材料其性能和功能要求也不一样。显而易见，这些功能不可能集于一种材料，但见，这些功能不可能集于一种材料，但必须要求所有材必须要求所有材料均满足生物相容性的要求。料均满足生物相容性的要求。 2024/7/3114第一节第一节 制备生物材料的必备条件制备生物材料的必备条件l2 2、生物材料的功能要求、生物材料的功能要求l（1 1） 力力学学性性能能（材材料料在在外外力力的作用下所表现出的综合性能）的作用下所表现出的综合性能）l “生生命命在在于于运运动动”，运运动动就就离离不不开开力力的的作作用用，力力的的作作用用形形式式很

13、很多多如如：剪剪切切、压压缩缩、弯弯曲曲、拉拉伸伸、扭扭曲曲、摩摩擦擦等等。对对于于生生命命现现象象所所涉涉及及的的以以位位移移为为特特征征的的机机械械运运动动而而言言，即即使使细细胞胞和和亚亚细细胞胞组组织织，其其尺尺度度尚尚未未超超出出牛牛顿顿力力学学有有效效的的范范围围。总总之之，生生物物材材料料及及制制品品的的力力学学性性能能必必须须与与所所替替代代的的组组织织或或器器官官的的力力学学性性能能相相匹匹配。配。2024/7/3115第一节第一节 制备生物材料的必备条件制备生物材料的必备条件l2 2、生物材料的功能要求、生物材料的功能要求l（2 2） 耐磨擦和磨损性能耐磨擦和磨损性能l 生

14、生物物体体内内的的组组织织和和器器官官是是在在不不停停的的运运动动、摩摩擦擦。因因此此，所所使使用用的的材材料料均均必必须须具具有有低低磨磨擦擦和和低低磨磨损损性性，并并要要有有适适合合运运动动的的润润滑滑表表面面。例例如如，自自然然关关节节不不仅仅由由滑滑液液润润滑滑，而而且且有有良良好好的的软软骨骨滑滑液液的的协协同同作作用用使使磨磨擦擦系系数数极极低低，一一般般的的人人工工合成材料很难达到此要求。合成材料很难达到此要求。2024/7/3116第一节第一节 制备生物材料的必备条件制备生物材料的必备条件l2 2、生物材料的功能要求、生物材料的功能要求l（3 3）血液流动性血液流动性l血液的流

15、动是在动脉、静脉和毛细血液的流动是在动脉、静脉和毛细血管中进行，血管是有生命的，血血管中进行，血管是有生命的，血液是一种神奇的流体，它供给生命液是一种神奇的流体，它供给生命活动所必须的营养，在肺和组织细活动所必须的营养，在肺和组织细胞之间输运氧气和二氧化碳，而且胞之间输运氧气和二氧化碳，而且知道合适该流动，何时该凝固。因知道合适该流动，何时该凝固。因此心血管材料不仅要有良好的力学此心血管材料不仅要有良好的力学强度，还应具备特殊的表面性能。强度，还应具备特殊的表面性能。2024/7/3117l2 2、生物材料的功能要求、生物材料的功能要求l（4 4） 体液流动性体液流动性l人人体体内内的的液液体

16、体称称为为体体液液，在在成成人人体体内内约约占占体体重重的的60%60%，其其中中2/32/3存存在在于于细细胞胞内内（细细胞胞内内液液），1/31/3的的体体液液在在细细胞胞外外（细细胞胞外外液液）。细细胞胞外外液液主主要要分分为为组组织织液液（淋淋巴巴液液和和脑脑脊脊液液等等）和和血血浆浆两两大大部部分分 。l体体液液从从身身体体的的一一个个部部分分引引导导到到另另一一个个部部分分是是通通过过组组织织蠕蠕动动收收缩缩机机制制完完成成的的。例例如如尿尿液液从从膀膀胱胱中中排排泄泄可可能能是是泌泌尿尿系系统统最最重重要要的的特特点点。这这就就要要求求生生物物材材料料不不仅仅具具有有良良好好的的

17、表表面面性性能能，而而且且要要求求材材料料具具有有一一定定的的弹弹性性，但但与与血血液液流流动动性性控控制制一一样样，体体液液的的流流动动性性控控制制同同样样是是一一个个复复杂杂的的问问题。题。第一节第一节 制备生物材料的必备条件制备生物材料的必备条件2024/7/3118第一节第一节 制备生物材料的必备条件制备生物材料的必备条件l2 2、生物材料的功能要求、生物材料的功能要求l（5 5） 光、电、音传导性能光、电、音传导性能l生生物物体体的的视视觉觉主主要要是是光光学学现现象象，也也有有部部分分是是生生理理现现象象。在在视视网网膜膜中中光光转转变变为为电电信信号号并并通通过过神神经经传传入入

18、大大脑脑。因因此此对对眼眼科科用用材材料料的的主主要要功功能能要要求就是光传递性能。求就是光传递性能。l身身体体的的许许多多器器官官功功能能的的调调控控都都是是通通过过神神经经系系统统内内的的电电活活动动来来实实现现的的，身身体体的的感感觉觉系系统统也也是是赖赖于于电电脉脉冲冲从从感感官官到到大大脑脑的的传传递递。这这种种功功能能可可能能借助器械的植入把感觉输入转变成可传入神经系统相关部分的电信号。借助器械的植入把感觉输入转变成可传入神经系统相关部分的电信号。l修修复复声声音音传传导导通通道道所所用用材材料料必必须须具具备备声声音音的的传传导导性性能能，该该性性能能主主要要靠靠材料的声波传递性

19、能完成，例如人工中耳骨已经被广泛使用。材料的声波传递性能完成，例如人工中耳骨已经被广泛使用。2024/7/3119第一节第一节 制备生物材料的必备条件制备生物材料的必备条件l2 2、生物材料的功能要求、生物材料的功能要求l（6 6）药物的缓释控释性能）药物的缓释控释性能l药药物物释释放放体体系系一一般般可可分分为为时时间间控控制制和和部部位位控控制制两两种种类类型型。时时间间控控制制型型释释放放体体系系有有两两种种形形式式，一一种种是是零零级级释释放放体体系系，即即单单位位时时间间的的恒恒量量释释放放，另另一一种种是是脉脉冲冲释释放放，即即按按需需要要非非恒恒量量释释放放的的体体系系和和对对环

20、环境境改改变变而而释释放放的的体体系系，无无论论哪哪一一种种都都需需要要材材料料具具有有一一定定的的溶溶胀胀性性、溶溶解解性性或或生生物物可可降降解解性性能能。部部位位控控制制型型一一般般由由药药物物、载载体体、特特定定部部位位识识别别分分子子所所构构成成。这这种种药药物物的的特特点点是是药药物物活活性性部部分分在在发发挥挥药药理理活活性性前前不不分分解解，能能够够高高效效地地在在目目标标部部位位浓浓缩缩，最最好好能能被被细细胞胞所所吞吞噬噬，然然后后通通过过溶溶菌菌体体被被分分解解释释放放，这这种种药药物要求使用的载体材料具有一定的智能性。物要求使用的载体材料具有一定的智能性。2024/7/

21、3120第一节 制备生物材料的必备条件l2 2、生物材料的功能要求、生物材料的功能要求l（7 7）生物降解和人体吸收性能）生物降解和人体吸收性能l 对对于于药药物物缓缓释释、控控释释材材料料和和新新发发展展起起来来的的组组织织工工程程材材料料，生生物物降降解解和和人人体体可可吸吸收收性性是是所所用用生生物物材材料料的的重重要要性性能能，甚甚至至是是不不可可缺缺少少的的性性能能，材材料料在在体体内内的的降降解解过过程程一一般般可可分分为为酶酶催催化化、自自由由基基作作用用和和水水解解过程。过程。2024/7/3121第一节 制备生物材料的必备条件l2 2、生物材料的功能要求、生物材料的功能要求l

22、（8 8）组织再生的诱导作用组织再生的诱导作用l组组织织再再生生的的诱诱导导作作用用是是对对生生物物材材料料的的更更高高要要求求，它它不不仅仅要要求求材材料料具具有有良良好好的的生生物物相相容容性性，而而且且具具有有能能诱诱导导组组织织再再生生的的作作用用。这这种种诱诱导导作作用用可可以以借借助助生生物物工工程程的的方方法法，对对材材料料的的改改性，尤其是引入细胞生长因子类物质。性，尤其是引入细胞生长因子类物质。2024/7/3122第一节 制备生物材料的必备条件l3、生物材料及制品的安全性要求生物材料及制品的安全性要求l安安全全性性是是生生物物材材料料及及制制品品的的最最低低要要求求。在在材

23、材料料的的应应用用和和制制品品的的设设计计过过程程中中要要首首先先考考虑虑应应如如何何最最大大限限度度的的消消除除或或减减少少由由材材料料本本身身或或制制品品对对人人体体的的危危害害性性，而而对对于于确确实实因因技技术术问问题题目目前前暂暂无无法法避避免免或或不不可可消消除除的的危危险险应应有有足够的预防措施。足够的预防措施。l（1 1）生物材料的设计和生产要求）生物材料的设计和生产要求l在在生生物物材材料料及及制制品品的的设设计计和和生生产产过过程程中中，除除保保证证材材料料生生物物相相容容性性和和安安全全性性外外，还还应应避避免免生生产产和和包包装装过过程程中中的的污污染染，以以及及在在贮

24、贮存存和和使使用用过过程程中中对对人人体体的的危危害害。对对于于带带有有药药物物的的生生物物材材料料及及制制品品，其其生生产产过过程程应应严严格格执执行行有有关关药药物物的的管管理理法法规规。在在设设计计和和生生产产生生物物材材料料时时，不不仅仅要要尽尽可可能能的的避避免免材材料料中中小小分分子子的的渗渗出出，同同时时还还要要考考虑虑环环境境中中的的小小分分子子进进入入材材料料或或制制品品后后对对材材料料性性能能引引发发的的不不良良影影响响。总总之之生生物物材材料料的的设设计计要要以以材材料料的的生生物物相相容容性性、物物理理和和化化学学性性能能的的生生理理惰惰性性为为基基础础，以以无无副副作

25、作用用或或使使副副作作用用降降至至最最低为要求，以防病、治病、诊病为目标。低为要求，以防病、治病、诊病为目标。2024/7/3123第一节 制备生物材料的必备条件l3、生物材料及制品的安全性要求生物材料及制品的安全性要求l（2 2）感染和微生物污染的防止）感染和微生物污染的防止l 在在生生物物材材料料及及制制品品的的生生产产过过程程中中，为为了了消消除除或或减减少少对对病病人人和和其其他他接接触触人人员员的的危危害害，应应最最大大可可能能的的避避免免感感染染和和微微生生物物污污染染。在在利利用用异异种种组组织织进进行行治治病病时时，应应保保证证组组织织源源的的安安全全性性，且且能能满满足足组组

26、织织的的预预期期使使用用要要求求和和最最佳佳安安全全保保证证。在在考考虑虑到到病病毒毒和和其其它它可可转转化化的的特特殊殊安安全全时时，应应加加强强在在生生产产过过程程中中实实际际有有效效的的消消除除或或使使病病毒毒失失活活的的方方法法。对对于于生生产产和和包包装装成成一一次次性性使使用用的的制制品品应应确确保保在在贮贮存存和和运运输输过过程程中中的的无无菌菌状状态态，并并能能采采用用适适当当的的有有效效方方法法进进行行生生产产和和灭灭菌菌。若若制制品品在在使使用用前前需需要要灭灭菌菌，在在生生产产过过程程就就应应保保证证产产品品不不低低于于预预定定洁洁净净级级。包包装装体体系系应应尽尽量量减

27、减少少细细菌菌的的污污染染，同同时时要要提供使用前的灭菌方法。提供使用前的灭菌方法。2024/7/3124第一节 制备生物材料的必备条件l3、生物材料及制品的安全性要求生物材料及制品的安全性要求l（3 3）生产条件要求）生产条件要求l生物材料及制品的设计和生产应注意生产条件对产品生物材料及制品的设计和生产应注意生产条件对产品性能的影响。通常应考虑材料物理特性的变化，如性能的影响。通常应考虑材料物理特性的变化，如生产过程中的体积生产过程中的体积/ /压力速率，工程学特性等。生产压力速率，工程学特性等。生产条件还应包括生产器械、外部电场、静电释放、压条件还应包括生产器械、外部电场、静电释放、压力、

28、温度、湿度等对材料及制品性能影响以及产品力、温度、湿度等对材料及制品性能影响以及产品在使用过程中与其它诊断和治疗器械的接触，联用在使用过程中与其它诊断和治疗器械的接触，联用对材料性能的影响。对材料性能的影响。 2024/7/3125第一节 制备生物材料的必备条件l4、生物材料及制品的质量控制生物材料及制品的质量控制l（1）生产和过程控制）生产和过程控制l（2）生产环境与人员）生产环境与人员l（3）厂房设备）厂房设备l（4）原材料控制）原材料控制l（5）质量保证）质量保证2024/7/3126 第二节 高分子材料基础l高高分分子子材材料料具具有有重重量量轻轻、比比强强度度高高、比比模模量量大大、

29、耐耐腐腐蚀蚀性性能能好好、绝绝缘缘性性好好等等优优点点。高高分分子子材材料料就就是是以以高高分分子子化化合合物物为为主主要要成成分分的的材材料料。所所谓谓高高分分子子就就是是分分子子量量很很大大的的一一类类化化合合物物，通通常常每每个个分分子子含含有有几几千千至至几几十十万万个原子。高分子有时也称为聚合物、高聚物等。个原子。高分子有时也称为聚合物、高聚物等。l高高分分子子材材料料有有天天然然和和人人工工合合成成的的两两大大类类。天天然然的的高高分分子子化化合合物物如如纤纤维维素素、甲甲壳壳素素、蛋蛋白白质质、天天然然橡橡胶胶等等。人人工工合合成成的的高高分分子子化化合合物物有有各各种种塑塑料料

30、、橡橡胶胶、纤纤维维等等。生生物物材材料料使使用用的的高高分分子子材材料料即即有有合合成成材材料料，也也有有天天然然材料。材料。2024/7/3127 第二节 高分子材料基础1、高分子化合物的组成、高分子化合物的组成高分子化合物都是由一种或几种简单的小分子化合物（如乙烯、乳酸、高分子化合物都是由一种或几种简单的小分子化合物（如乙烯、乳酸、氯乙烯等）通过共价键重复连接而成，这种通过共价键重复连接而成的氯乙烯等）通过共价键重复连接而成，这种通过共价键重复连接而成的大分子称为大分子称为分子链分子链。形成大分子链的小分子化合物称为。形成大分子链的小分子化合物称为单体单体。大分子链。大分子链中重复的单元

31、称为中重复的单元称为重复单元重复单元，分子链中重复单元的数目称为，分子链中重复单元的数目称为聚合度聚合度。例。例如如nCH2=CH（CH2CH）nClCl高分子材料是由许多大分子链聚集而成，每个大分子链的长短并不一致，高分子材料是由许多大分子链聚集而成，每个大分子链的长短并不一致，其数值呈统计规律分布。所以，其数值呈统计规律分布。所以，高分子材料的相对分子质量是大量大分高分子材料的相对分子质量是大量大分子链相对分子质量的平均值。子链相对分子质量的平均值。2024/7/3128 第二节 高分子材料基础l2、高分子化合物的制备方法、高分子化合物的制备方法l据据形形成成高高分分子子化化合合物物的的反

32、反应应机机理理而而言言，基基本本方方法法有有两两种种：连连锁锁聚聚合合反应和逐步聚合反应。反应和逐步聚合反应。l（1）连锁聚合反应连锁聚合反应l在在一一定定条条件件下下把把单单体体的的不不饱饱键键打打开开，形形成成可可以以与与另另一一个个分分子子连连接接的的新新的的不不稳稳定定分分子子，它它迅迅速速与与第第二二个个分分子子连连接接又又形形成成新新的的不不稳稳定定分分子子，然然后后与与第第三三个个分分子连接子连接，以此类推形成大分子链，所以称为连锁聚合反应。，以此类推形成大分子链，所以称为连锁聚合反应。l一一种种单单体体通通过过聚聚合合反反应应生生成成高高分分子子的的反反应应叫叫均均聚聚反反应应

33、；而而两两种种或或两两种种以以上上单单体通过聚合反应生成高聚物的反应称为共聚反应。体通过聚合反应生成高聚物的反应称为共聚反应。l连连锁锁聚聚合合反反应应的的主主要要特特点点：1）对对一一个个分分子子而而言言，反反应应一一旦旦开开始始，中中间间不不能能停停在在某某一一阶阶段段上上，也也得得不不到到中中间间产产物物；2）链链节节的的化化学学结结构构与与单单体体的的化化学学结结构构相相同同；3）没没有有小小分分子子副副产产物物生生成成；4）延延长长反反应应时时间间只只能能提提高高单单体体的的转转化率，而不能提高分子量。化率，而不能提高分子量。l一一般般来来说说，凡凡是是带带有有双双键键的的有有机机化

34、化合合物物原原则则上上都都可可以以发发生生连连锁锁聚聚合合。在在生生物物材料中有许多是利用该法制备的，如聚丙烯酸类、聚氯乙烯等材料中有许多是利用该法制备的，如聚丙烯酸类、聚氯乙烯等2024/7/3129 第二节 高分子材料基础l2、高分子化合物的制备方法、高分子化合物的制备方法l（2）逐步聚合反应逐步聚合反应l由由一一种种或或几几种种单单体体通通过过缩缩合合聚聚合合或或开开环环聚聚合合形形成成高高分分子子的的反反应应称称逐逐步步聚聚合合反反应应。缩缩合合聚聚合合过过程程中中，生生成成高高分分子子化化合合物物的的同同时时，有有水水、氨氨气气、卤卤化化氢氢、醇醇等等小小分分子子物物质质析析出出，所

35、所以以缩缩聚聚反反应应生生成成的的高高分分子子化化合合物物其其成成分分与与单单体体是是不不同同的的。而而通通过过开开环聚合形成的高分子成分与单体是相同的。环聚合形成的高分子成分与单体是相同的。l逐逐步步聚聚合合反反应应的的特特点点是是：反反应应是是由由若若干干个个缩缩合合反反应应构构成成的的，是是逐逐步步进进行行的的，反反应应可可以以停停在在某某一一阶阶段段上上，可可得得到到中中间间产产物物；重重复复单单元元的的化化学学结结构构与与单单体体的的不不完完全全相相同。延长反应时间只能提高单体的转化率，而不能提高分子量。同。延长反应时间只能提高单体的转化率，而不能提高分子量。l逐逐步步聚聚合合反反应

36、应也也有有很很大大的的实实用用价价值值，虽虽然然在在目目前前合合成成高高分分子子工工业业占占的的比比例例不不如如连连锁锁反反应应那那么么大大，但但从从原原则则上上讲讲，许许多多生生物物材材料料都都可可由由缩缩聚聚反反应应制制备备，如如聚聚氨氨酯酯、聚乳酸、聚酰胺、聚硅氧烷以及其他一些生物材料等都是用缩聚反应合成的聚乳酸、聚酰胺、聚硅氧烷以及其他一些生物材料等都是用缩聚反应合成的。2024/7/3130 第二节 高分子材料基础l3、高分子化合物的分类及命名高分子化合物的分类及命名l（1）高分子化合物的分类高分子化合物的分类l按性能和用途按性能和用途可分为塑料、橡胶及纤维三大类。可分为塑料、橡胶及

37、纤维三大类。（a）塑料塑料常温下有一定形状，强度较高，在一定力的作用下形变常温下有一定形状，强度较高，在一定力的作用下形变（b）橡橡胶胶常常温温下下呈呈弹弹性性，即即受受到到很很小小的的外外力力形形变变很很大大，可可达达原原长长的的十十余余倍倍，去去除外力以后又恢复原状的高分子材料除外力以后又恢复原状的高分子材料（c）纤纤维维室室温温下下分分子子的的轴轴向向强强度度很很大大，受受力力后后形形变变很很小小，在在一一定定的的温温度度范范围围内内力学性能变化不大的高分子材料。力学性能变化不大的高分子材料。按聚合物的热行为分为按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性聚合物。热塑性聚合物和热固性聚合物。

38、l（a）热塑性聚合物热塑性聚合物加热后软化，冷却后又硬化成型，随着温度的变化可反复加热后软化，冷却后又硬化成型，随着温度的变化可反复加工。如聚乙烯、聚氯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯等。加工。如聚乙烯、聚氯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯等。l（b）热热固固性性聚聚合合物物这这类类聚聚合合物物受受热热发发生生化化学学变变化化而而固固化化成成型型，成成型型后后再再受受热热也不会软化。聚氨酯，硅树脂等。也不会软化。聚氨酯，硅树脂等。2024/7/3131第二节 高分子材料基础l3、高分子化合物的分类及命名高分子化合物的分类及命名l（1）高分子化合物的分类高分子化合物的分类l按聚合物主链上化学组成按聚合物主链上化学组

39、成可分为碳链、杂链和元素有机聚合物。可分为碳链、杂链和元素有机聚合物。l（a）碳碳链链聚聚合合物物主主链链全全由由碳碳原原子子构构成成，CCCC它它的的侧侧基基可可以是各种各样。如聚烯烃、聚二烯烃等。以是各种各样。如聚烯烃、聚二烯烃等。l（b）杂杂链链聚聚合合物物该该类类聚聚合合物物主主链链上上除除了了碳碳原原子子之之外外还还含含有有O，N，S，P等等原原子子，如如CCOCC，CCN，CCS。如如聚聚酯、聚酰胺、聚砜等。酯、聚酰胺、聚砜等。l（c）元元素素有有机机聚聚合合物物该该类类聚聚合合物物主主链链上上不不一一定定含含有有C原原子子，而而是是由由Si,O,Al,Ti,B等元素构成，如等元素

40、构成，如OSiOSiO。如聚硅氧烷等。如聚硅氧烷等。2024/7/3132第二节 高分子材料基础l3、高分子化合物的分类及命名高分子化合物的分类及命名l（1）高分子化合物的命名高分子化合物的命名l常常用用高高分分子子材材料料名名称称多多采采用用习习惯惯命命名名法法，在在原原料料单单体体前前加加“聚聚”字字。如如聚聚乙乙烯烯等等。也也有有些些是是在在原原料料名名称称后后加加“树树脂脂”二二字字。如如酚酚醛醛树树脂脂。有有很很多多高高分分子子材材料料采采用用商商品品名名称称，它它没没有有统统一一的的命命名名原原则，对同一种材料各国的名称都可不相同。则，对同一种材料各国的名称都可不相同。l有时为了简

41、化，采用英文缩写名称，如聚乙烯用有时为了简化，采用英文缩写名称，如聚乙烯用PE等。等。2024/7/31334、高分子化合物的结构l前言前言l材料的宏观性能是微观分子运动的反映，结构是了解分子材料的宏观性能是微观分子运动的反映，结构是了解分子运动的基础。各种物质性能各异的主要原因是材料的组成和结构，运动的基础。各种物质性能各异的主要原因是材料的组成和结构，对高分子化合物而言，材料的性能与高分子的结构关系更密切。对高分子化合物而言，材料的性能与高分子的结构关系更密切。或者说可以利用改变高分子的结构来改变材料的许多物理化学性或者说可以利用改变高分子的结构来改变材料的许多物理化学性能。高分子的结构可

42、分为能。高分子的结构可分为高分子链结构（分子内结构）高分子链结构（分子内结构）和高分子和高分子的的聚集态结构（分子间结构）聚集态结构（分子间结构）2024/7/3134 4、高分子化合物的结构l（1）高分子结构的特点（与小分子相比）高分子结构的特点（与小分子相比）l分子量很大，由相当与小分子的结构单元组成，可形成线型、网状和分子量很大，由相当与小分子的结构单元组成，可形成线型、网状和支化分子；支化分子；l分子链易内旋转，链柔顺。分子链的化学键不能旋转，链刚硬；分子链易内旋转，链柔顺。分子链的化学键不能旋转，链刚硬；高高分子结构的多分散性，包括分子量、单元序列、立体选择等分子结构的多分散性，包括

43、分子量、单元序列、立体选择等结构单元结构单元之间的相互作用之间的相互作用；l高分子的晶态比小分子晶态的有序程度差，而非晶态比小分子的液态高分子的晶态比小分子晶态的有序程度差，而非晶态比小分子的液态有序程度高；有序程度高；l高分子的织态结构，为了不同的应用，高分子材料中必须加入添加剂，高分子的织态结构，为了不同的应用，高分子材料中必须加入添加剂，填料和其他聚合物，它们之间的相互作用对材料性能有重大的影响。填料和其他聚合物，它们之间的相互作用对材料性能有重大的影响。2024/7/31354、高分子化合物的结构l（2）高分子链结构）高分子链结构l（a）高分子链的组成）高分子链的组成l只只有有在在元元

44、素素周周期期表表中中处处于于A，A，A，A的的金金属属和和非非金金属属元元素素B、C、Si、N、P、O、S等等能能组组成成高高分分子子链链，其其中中以以碳碳链链高高分分子子产产量量最最大大，应应用用最最广广。由由于于高高聚聚物物中中常常见见的的C、H、O，N等等元元素素都都是是轻轻元元素素，因因而而使使高高分分子子材材料料都都具具有有密密度度小小的的特特点点。组组成成高高分分子子链链的的元元素素不不同同，则则性性能能不不同同，其其主主要要原原因因是是由由于于高高分分子子链中原子间以共价键结合，不同元素间的结合力大小不同。链中原子间以共价键结合，不同元素间的结合力大小不同。2024/7/3136

45、4、高分子化合物的结构l（2）高分子链结构）高分子链结构l（b）高分子链的形态）高分子链的形态l高分子链可以呈不同的几何形状，一般可分高分子链可以呈不同的几何形状，一般可分为以下三种为以下三种2024/7/31374、高分子化合物的结构l1）线性分子链：）线性分子链：这类高分子这类高分子的弹性、塑性好，硬度低，的弹性、塑性好，硬度低，是典型热塑性材料的结构是典型热塑性材料的结构；l2）支链型分子链：）支链型分子链：在主链上在主链上带有支链，这类高分子的性带有支链，这类高分子的性能和加工都接近于线型分子能和加工都接近于线型分子链高聚物；链高聚物；l3）体型分子链：）体型分子链：分子链之间分子链之

46、间有许多链节互相交联，这类有许多链节互相交联，这类高聚物的硬度高、脆性大、高聚物的硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是典型热固无弹性和塑性，是典型热固性材料的结构。性材料的结构。图图2-1高分高分子链的形子链的形状示意图状示意图2024/7/3138 4、高分子化合物的结构l（c）高分子链的构型）高分子链的构型l构构型型指指高高分分子子链链中中原原子子或或原原子子团团在在空空间间的的排排列列方方式式，每每个个高高分分子子通通常常含含有有不不同同的的取取代代基基，根根据据取取代代基基位位置置不不同同，就就有有不不同同的的立立体体构构型型。如如乙乙烯烯类高分子链，一般可见到以下三种立体构型类高分子链，

47、一般可见到以下三种立体构型。l1）全同立构：取代基）全同立构：取代基R全部处于主链一侧；全部处于主链一侧；l2）间同立构：取代基）间同立构：取代基R相同地分布在主链两侧；相同地分布在主链两侧；l3）无规立构：取代基）无规立构：取代基R在主链两侧不规则分布。在主链两侧不规则分布。2024/7/31394、高分子化合物的结构l（D）共聚物的结构）共聚物的结构l共聚物与均聚物相比，又多了不同单体单元或结构单元之间的排列顺序共聚物与均聚物相比，又多了不同单体单元或结构单元之间的排列顺序问题。按不同单元的排列序列可分为：问题。按不同单元的排列序列可分为：l交替共聚物：交替共聚物：lABABABABABA

48、Bl无规共聚物：无规共聚物：lAAABABBABBBAABl嵌段共聚物：嵌段共聚物：lAAAAAABBBBBBBBAAAAAAl接枝共聚物：接枝共聚物：AAAAAAAAAAAAAAlBBBBBBBB2024/7/3140 4、高分子化合物的结构（E）高分子链的构象及柔顺性）高分子链的构象及柔顺性l高分子链的主链都是以共价键连接起来的，它有一定的高分子链的主链都是以共价键连接起来的，它有一定的键长和键角。如键长和键角。如CC键的键长为键的键长为0.154nm，键角为，键角为10928。在保持键长和键角不变的情况下它们可以任意旋转，这就是在保持键长和键角不变的情况下它们可以任意旋转，这就是单键的内

49、旋转。高分子链的柔顺性与单链内旋转难易程度有单键的内旋转。高分子链的柔顺性与单链内旋转难易程度有关。关。CC键上总带有其它原子或基团，这些原子和基团之键上总带有其它原子或基团，这些原子和基团之间存在着一定的相互作用，阻碍了单键的内旋转；另外，单间存在着一定的相互作用，阻碍了单键的内旋转；另外，单键的内旋转是彼此受到牵制的，一个键的运动往往要牵连到键的内旋转是彼此受到牵制的，一个键的运动往往要牵连到邻近键的运动。邻近键的运动。2024/7/31414、高分子化合物的结构l（2）高分子的聚集态结构）高分子的聚集态结构l高高分分子子的的聚聚集集态态结结构构是是指指高高分分子子链链间间的的排排列列和堆

50、砌结构，也称为超分子结构。和堆砌结构，也称为超分子结构。l高高分分子子材材料料的的性性能能除除了了受受分分子子链链的的组组成成、形形态态、链链接接方方式式、构构型型、构构像像影影响响外外，还还与与高高分子的分子量大小及分子的聚集状态有关。分子的分子量大小及分子的聚集状态有关。2024/7/31424、高分子化合物的结构u高分子间的作用力：高分子间的作用力：静电力、诱导力、静电力、诱导力、色散力、氢键。色散力、氢键。高分子链之间不仅存高分子链之间不仅存在范德华力，有时还会产生氢键。虽在范德华力，有时还会产生氢键。虽然相邻两个高分子之间每对重复单元然相邻两个高分子之间每对重复单元所产生作用力很小，

51、但大量重复单元所产生作用力很小，但大量重复单元的作用力使分子间总的作用力可以超的作用力使分子间总的作用力可以超过共价。过共价。高分子在拉伸时常常先发生高分子在拉伸时常常先发生分子键的断裂，而不是分子链之间的分子键的断裂，而不是分子链之间的滑脱。滑脱。2024/7/31434、高分子化合物的结构内聚能密度：内聚能密度：分子间的作用力对高分子的物分子间的作用力对高分子的物理性能（熔点、沸点、气化热、熔化热等）理性能（熔点、沸点、气化热、熔化热等）和聚集状态有很大影响。如乙烯呈气态，和聚集状态有很大影响。如乙烯呈气态，聚乙烯呈固态。且相对分子质量越大，分聚乙烯呈固态。且相对分子质量越大，分子间引力也

52、越大，强度越高。分子间的作子间引力也越大，强度越高。分子间的作用力通常用内聚能密度来表示，内聚能定用力通常用内聚能密度来表示，内聚能定义为：把一摩尔液体或固体分子移到其分义为：把一摩尔液体或固体分子移到其分子间的作用力之外所需要的能量（克服分子间的作用力之外所需要的能量（克服分子间的作用力）子间的作用力）2024/7/31444、高分子化合物的结构 高分子的聚集态高分子的聚集态根根据据分分子子在在空空间间排排列列的的规规整整性性可可将将高高分分子子分分为为结结晶晶型型、部部分分结结晶晶型型和和非非晶晶态态三三类类（如如图图2-2所所示示）。通通常常线线型型聚聚合合物物在在一一定定条条件件下下可

53、可以以形形成晶态或部分晶态，而体形聚合物为非晶态。成晶态或部分晶态，而体形聚合物为非晶态。（a） （b） （c）图图2-2聚合物的三种聚集态结构示意图聚合物的三种聚集态结构示意图（a）晶态（）晶态（b）部分晶态）部分晶态(c)非晶态非晶态2024/7/31455、线型高分子的三种力学状态线型非晶态高分子在不同线型非晶态高分子在不同温度下表现出不同的物理温度下表现出不同的物理状态，即玻璃态、高弹态状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，其变形温度曲和粘流态，其变形温度曲线如图所示，图中线如图所示，图中Tx为脆为脆化温度，化温度，Tg为玻璃化温度，为玻璃化温度，Td为粘流温度，为粘流温度，Tf为分解为分解

54、温度。温度。线型非晶态高聚物的变形线型非晶态高聚物的变形-温度曲线温度曲线2024/7/31465、线型高分子的三种力学状态（1）玻璃态）玻璃态当当TTg时，由时，由于温度低，分子热运动能力于温度低，分子热运动能力很弱，不仅使整个分子链不很弱，不仅使整个分子链不能运动，就是链段甚至个别能运动，就是链段甚至个别链节也不能运动，使整个大链节也不能运动，使整个大分子失去柔顺性，这时高分分子失去柔顺性，这时高分子变为非晶态的固体，像玻子变为非晶态的固体，像玻璃一样，因此称这种状态为璃一样，因此称这种状态为玻璃态。高分子呈现玻璃态玻璃态。高分子呈现玻璃态的最高温度（的最高温度（Tg）称为玻璃）称为玻璃化

55、温度。化温度。线型非晶态高聚物的变形-温度曲线2024/7/31475、线型高分子的三种力学状态（2）高弹态）高弹态在在TgTTf时，高分子的动时，高分子的动能较大，可允许小链段作为内旋转，而分能较大，可允许小链段作为内旋转，而分子链间还不能移动，当施加外力时，高分子链间还不能移动，当施加外力时，高分子会产生缓慢的形变，去除外力后高分子子会产生缓慢的形变，去除外力后高分子又会缓慢地恢复原状，这种状态称为高弹又会缓慢地恢复原状，这种状态称为高弹态。此时分子链呈卷曲状，为聚合物独有态。此时分子链呈卷曲状，为聚合物独有的状态，在外力作用下，卷曲链沿外力方的状态，在外力作用下，卷曲链沿外力方向逐渐舒展

56、拉直，产生很大弹性变形，其向逐渐舒展拉直，产生很大弹性变形，其宏观弹性变形量可达宏观弹性变形量可达100%1000%。外力。外力去除后分子链又逐渐回缩到原来的卷曲状去除后分子链又逐渐回缩到原来的卷曲状态，弹性变形消失。该过程是一个缓慢的态，弹性变形消失。该过程是一个缓慢的过程，是随时间逐渐变化的。过程，是随时间逐渐变化的。线型非晶态高聚物的变形线型非晶态高聚物的变形-温度曲线温度曲线2024/7/31485、线型高分子的三种力学状态（3）粘粘流流态态当当TTf时时，分分子子动动能能足足以以使使链链段段和和整整个个分分子子链链都都运运动动起起来来，聚聚合合物物成成为为流流动动的的粘粘绸绸液液体体

57、，这这种种状状态态称称为为粘粘流流态态。Tf是是能能使使整整个个分分子子链链发发生生运运动动的的量量低低温温度度。粘粘流流态态高高分分子子在在外外力力作作用用下下，大大分分子子链链之之间间发发生生相相对对滑滑动动而而产产生生不不可可逆逆永永久久变变形形，该该形形变变称称为为粘粘性性流流动动形形变变。粘粘流流态态不不同同于于玻玻璃璃态态和和高高弹弹态态，是高分子成型加工的状态。是高分子成型加工的状态。线型非晶态高聚物的变形-温度曲线2024/7/31495、线型高分子的三种力学状态l在室温处于粘流态的高分子属于流动性树脂，处在室温处于粘流态的高分子属于流动性树脂，处于高弹态的称为橡胶，处于玻璃态

58、的称为塑料。于高弹态的称为橡胶，处于玻璃态的称为塑料。从使用角度出发，作为橡胶使用的高分子，从使用角度出发，作为橡胶使用的高分子，T Tg g越越低越好，这样可保证在较低温度下仍不失去弹性；低越好，这样可保证在较低温度下仍不失去弹性；作为塑料使用的高分子，作为塑料使用的高分子，T Tg g越高越好，这样可保越高越好，这样可保证在较高温度下仍保持玻璃态。通常可通过改变证在较高温度下仍保持玻璃态。通常可通过改变分子链的组成、结构和分子质量的大小，而获得分子链的组成、结构和分子质量的大小，而获得具有不同具有不同T Tg g的高分子，以满足不同使用性能要求，的高分子，以满足不同使用性能要求，一般分子柔

59、顺性越好，一般分子柔顺性越好，T Tg g越低，相对分子质量越越低，相对分子质量越大，分子键结合力越大，大，分子键结合力越大，T Tg g越高。越高。 2024/7/3150 6、高分子的性能l（1）高分子的溶解与溶胀）高分子的溶解与溶胀l高分子的分子量分散性，分子的支化与交联，分子高分子的分子量分散性，分子的支化与交联，分子的晶态与非晶态的特性决定了高分子的溶解过程是的晶态与非晶态的特性决定了高分子的溶解过程是十分复杂的。十分复杂的。l高分子的溶解过程分两个阶段，先是溶剂分子渗入高分子的溶解过程分两个阶段，先是溶剂分子渗入高分子内部，使高分子体积膨胀，然后才是高分子高分子内部，使高分子体积膨

60、胀，然后才是高分子均匀分散在溶剂中，形成均相体系。均匀分散在溶剂中，形成均相体系。l交联聚合物只能溶账不能溶解交联聚合物只能溶账不能溶解l分子量越大溶解度越小分子量越大溶解度越小l遵守相似相溶性原理，溶剂与高分子的内聚能密度遵守相似相溶性原理，溶剂与高分子的内聚能密度越接近溶解性就越好。越接近溶解性就越好。2024/7/3151 6、高分子的性能l（2）高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能l描述力学的基本物理量描述力学的基本物理量l应应力力与与应应变变：在在外外力力的的作作用用下下，物物体体的的形形状状和和尺尺寸寸发发生生的的变变化化叫叫应应变变；当当物物体体发发生生宏宏观观的的变变形形时

61、时，内内部部分分子子间间会会产产生生附附加加的的内内力力，达达到到平平衡衡时时，附附加加的的内内力力与与外外力力大大小小相相等等，方方向向相反，单位面积上的附加外力就成为应力。相反，单位面积上的附加外力就成为应力。l几种常用的力学性能指标几种常用的力学性能指标l拉拉伸伸强强度度：在在一一定定条条件件下下，在在标标准准式式样样上上沿沿轴轴向向施施加加拉拉伸伸载载荷直到试样被拉断，此时的最大载荷与受力的面积之比。荷直到试样被拉断，此时的最大载荷与受力的面积之比。l弯弯曲曲强强度度；在在一一定定条条件件下下，在在标标准准式式样样上上施施加加静静弯弯曲曲力力矩矩直直到试样被拉断，取此时的最大载荷，按一

62、定的公式计算。到试样被拉断，取此时的最大载荷，按一定的公式计算。l冲击强度：冲击强度：试样受冲击载荷而折断时单位面积所吸收的能量试样受冲击载荷而折断时单位面积所吸收的能量2024/7/31526、高分子的性能l（3）高分子材料的力学性能特点：）高分子材料的力学性能特点：la低强度低强度高分子的抗拉强度平均为高分子的抗拉强度平均为100MPa左右，是理左右，是理论强度的论强度的1/200；高分子材料密度小，故其比强度较高，这点在生产应用高分子材料密度小，故其比强度较高，这点在生产应用中有着重要意义。中有着重要意义。lb、高高弹弹性性和和低低弹弹性性模模量量这这是是高高分分子子材材料料特特有有的的

63、性性能能。橡橡胶胶为为典典型型高高弹弹性性材材料料，弹弹性性变变形形率率为为100%1000%，弹弹性性模模量量为为10100MPa，约约为为金金属属弹弹性性模模量量的的千千分分之之一一；而而塑塑料料因因其其使使用用状状态态为为玻玻璃璃态态，故故无无高高弹弹性性，但但其其弹弹性性模模量也远比金属低，约为金属弹性模量的十分之一。量也远比金属低，约为金属弹性模量的十分之一。2024/7/31536、高分子的性能lc、粘粘弹弹性性高高分分子子材材料料在在外外力力作作用用下下同同时时发发生生高高弹弹性性变变形形和和粘粘性性流流动动，其其变变形形与与时时间间有有关关，这这一一性性质质称称为为粘粘弹弹性性

64、。高高聚聚物物的的粘粘弹弹性性表表现现为为蠕蠕变变、应力松弛、内耗三种现象。应力松弛、内耗三种现象。l蠕蠕变变是是在在应应力力保保持持恒恒定定的的情情况况下下，应应变变随随时时间间的的延延长长而而增增加加的的现现象象。它它是是在在恒恒定定应应力力作作用用下下卷卷曲曲分分子子链链通通过过构构象象改改变变逐逐渐渐被被拉拉直直，分分子子链链位位移移导导致致的的不不可可逆逆塑塑性性变变形形。蠕蠕变变实实际际上上反反应应了了材材料料在在一一定定外外力力作作用用下下的的尺尺寸寸稳稳定定性性，对对于于尺尺寸寸精精度度要要求求高高的的生生物物材材料料及及制制品品，就就需需要要选选择择蠕蠕变变抗抗力高的材料。力

65、高的材料。l应应力力松松弛弛是是在在应应变变保保持持恒恒定定的的情情况况下下，应应力力随随时时间间延延长长而而逐逐渐渐衰衰减减的的现现象象。它它是是在在恒恒定定应应变变作作用用下下舒舒展展的的分分子子链链通通过过热热运运动动发发生生构构象象改改变变而而收收缩到稳定的卷曲态而使应力构弛。缩到稳定的卷曲态而使应力构弛。l内内耗耗是是在在交交变变应应力力下下出出现现的的粘粘弹弹性性现现象象。在在交交变变应应力力（拉拉伸伸-回回缩缩）作作用用下下，处处于于高高弹弹态态的的高高分分子子，当当其其变变形形速速度度跟跟不不上上应应力力变变化化速速度度时时，就就会会出现滞后现象，这种应力和应变间的滞后就是粘弹

66、性之一。出现滞后现象，这种应力和应变间的滞后就是粘弹性之一。2024/7/3154 6、高分子的性能ld、高高耐耐磨磨性性高高聚聚物物的的硬硬度度比比金金属属低低，但但耐耐磨磨性性却却优优于于金金属属，尤尤其其是是塑塑料料更更为为突突出出。塑塑料料的的磨磨擦擦系系数数小小，有有些些塑塑料料本本身身就就具具有有自自润润滑滑性性能能。而而橡橡胶胶则则相相反反，其其摩摩擦擦系系数数大大，适适合合制制造造要要求求较较大大摩摩擦系数的耐磨零件。擦系数的耐磨零件。2024/7/3155 6、高分子的性能l（4）高分子材料的其他性能特点高分子材料的其他性能特点l（a）高高绝绝缘缘性性以以共共价价键键结结合合

67、的的高高分分子子材材料料其其内内部部无无离离子子和和自自由由电电子子，故导电能力极低、介电常数小、介电耗损低、耐电弧性好。故导电能力极低、介电常数小、介电耗损低、耐电弧性好。l（b）低低耐耐热热性性耐耐热热性性是是指指材材料料在在高高温温下下长长期期使使用用时时保保持持性性能能不不变变的的能能力力。由由于于高高分分子子链链受受热热时时易易发发生生链链段段运运动动或或整整个个分分子子链链移移动动，导导致致材材料料软化或熔化，使性能变坏，故耐热性差软化或熔化，使性能变坏，故耐热性差。l（c）低低导导热热性性高高分分子子材材料料内内部部无无自自由由电电子子，且且分分子子链链相相互互缠缠绕绕在在一一起

68、起，受受热热时时不不易易运运动动，故故导导热热性性差差，约约为为金金属属材材料料导导热热性性的的百百分分之之一一到到千千分分之一。之一。l（d）高膨胀性）高膨胀性高分子材料的线膨胀系数大，为金属材料的高分子材料的线膨胀系数大，为金属材料的310倍。倍。l（e）高化学稳定性）高化学稳定性高分子材料在酸、碱等溶液中有优异的耐腐蚀性能。高分子材料在酸、碱等溶液中有优异的耐腐蚀性能。2024/7/31567、高分子材料的化学反应l（1）大分子的交联大分子的交联l能能将将高高分分子子从从线线型型结结构构转转变变为为体体型型结结构构，使使力力学学性性能能提提高高，化化学学稳稳定定性性增加的化学变化称为交联

69、反应。增加的化学变化称为交联反应。l（a）官官能能团团的的交交联联反反应应这这类类反反应应可可以以发发生生在在大大分分子子链链的的侧侧基基官官能能团团之之间间，也也可可以以发发生生在在大大分分子子链链的的侧侧基基官官能能团团与与小小分分子子官官能能团团之之间间。如如环环氧氧树树脂脂大大分分子子的的交交联联反反应应，常常采采用用小小分分子子物物质质，如如多多元元酸酸（酐酐）、多多元元胺胺，参加反应，使大分子从线型结构转为体型结构。参加反应，使大分子从线型结构转为体型结构。l（b）辐辐射射交交联联有有些些高高分分子子没没有有可可参参加加反反应应的的官官能能团团，它它们们的的交交联联就就比比较较困困

70、难难，一一般般可可通通过过高高能能辐辐射射的的方方法法，使使大大分分子子交交联联：两两个个游游离离基基化化合合交交联联；游游离离基基接接到到高高分分子子双双键键交交联联；两两个个游游离离基基经经过过两两个个氧氧原原子子的交联。的交联。2024/7/31577、高分子材料的化学反应l（2）大分子的降解大分子的降解l大分子链在各种外界因素作用下，发生大分子链在各种外界因素作用下，发生链的断裂使相对分子质量下降的反应叫链的断裂使相对分子质量下降的反应叫降解反应。降解一般发生在最弱的键上降解反应。降解一般发生在最弱的键上或在特定条件下比较活泼的键上。当降或在特定条件下比较活泼的键上。当降解的产物是高分

71、子单体时，这是主链断解的产物是高分子单体时，这是主链断裂的极端情况，称为解聚，如聚甲基丙裂的极端情况，称为解聚，如聚甲基丙烯酸甲酯在高温下解聚为甲基丙烯酸甲烯酸甲酯在高温下解聚为甲基丙烯酸甲酯。聚乳酸在体内降解成乳酸等。酯。聚乳酸在体内降解成乳酸等。2024/7/31587、高分子材料的化学反应l（3）高分子材料的老化高分子材料的老化l高高分分子子材材料料在在长长期期使使用用过过程程中中，由由于于受受到到氧氧、热热、紫紫外外光光、机机械械力力、水水蒸蒸气气以以及及微微生生物物等等因因素素的的$作作用用，逐逐渐渐失失去去弹弹性性，出出现现龟龟裂裂、变变硬硬、变变脆脆或或发发粘粘软软化化、失失去去

72、光光泽泽或或变变色色、物物理理-机机械械性性能能变变差差等等现现象象，称称为为高高分分子材料的老化。子材料的老化。l高高分分子子材材料料的的老老化化是是一一个个复复杂杂的的化化学学变变化化过过程程，它它涉涉及及到到高高分分子子化化合合物物本本身身的的结结构构和和所所处处的的环环境境因因素素。目目前前认认为为大大分分子子的的交交联联和和大大分分子子的的降降解解是是引引起起老老化化的的主主要要原原因因。当当老老化化以以大大分分子子的的交交联联为为主主时时，表表现现为为失失去去弹弹性性、变变硬硬、变变脆脆、出出现现龟龟裂裂等等；当当以以大大分分子子裂裂解解为为主主时时，表表现现为为失失去去刚刚性、变

73、软发粘、出现蠕变等。性、变软发粘、出现蠕变等。l目目前前，采采取取防防老老化化的的措措施施主主要要有有：对对高高分分子子化化合合物物的的结结构构进进行行改改性性；添加防老剂、紫外线吸收剂等；添加防老剂、紫外线吸收剂等；表面处理。表面处理。2024/7/3159 第三节 陶瓷材料基础l一、概述：一、概述：l依依据据化化学学特特征征，材材料料通通常常可可分分为为无无机机材材料料和和有有机机材材料料两两大大类类，而而在在无无机机材材料料中中又又可可分分为为金金属属和和非非金金属属材材料料。一一般般而而言言，无无机机非非金金属属材材料料泛泛指指整整个个硅硅酸酸盐盐材材料料，包包括括玻玻璃璃、水水泥泥、

74、耐耐火火材材料料、陶陶瓷瓷等等，因因其其化化学学组组成成均均为为硅硅酸酸盐盐类类无无机机非非金金属属材材料料又又可可称称为为硅硅酸酸盐盐材材料料。因因陶陶瓷瓷是是无无机机非非金金属属材材料料中中应应用用历历史史最最久久，使使用用范范围围最最广广泛泛的的材材料料，故故也也常常将将无无机机非非金金属属材材料料称称为为陶陶瓷瓷材材料料。在在生生物物材材料料中中使使用用的的无无机机非非金金属属材材料主要是陶瓷材料。料主要是陶瓷材料。2024/7/3160 第三节 陶瓷材料基础l1 1、陶瓷的种类：、陶瓷的种类： 陶瓷种类繁多，不同角度分类方法不同，较常见的有以下两种。陶瓷种类繁多，不同角度分类方法不同

75、，较常见的有以下两种。 按照制品的性能和用途可分为普通陶瓷和特种陶瓷。按照制品的性能和用途可分为普通陶瓷和特种陶瓷。 普普通通陶陶瓷瓷即即人人们们生生活活和和生生产产中中最最常常见见和和使使用用的的陶陶瓷瓷制制品品。如如陈陈设设陶陶瓷瓷、建建筑筑陶陶瓷瓷、化化工工陶陶瓷瓷、化化学学陶陶瓷瓷、电电绝绝缘缘陶陶瓷瓷等等。原原料料基基本本相相同同，生产工艺技术亦相近。生产工艺技术亦相近。 特特种种陶陶瓷瓷是是指指普普通通陶陶瓷瓷以以外外，具具有有特特定定性性能能的的陶陶瓷瓷材材料料和和制制品品。特特种种陶陶瓷瓷又又分分为为结结构构陶陶瓷瓷和和功功能能陶陶瓷瓷两两类类，结结构构材材陶陶瓷瓷主主要要是是

76、用用于于耐耐磨磨损损、高高强强度度、耐耐热热、耐耐热热冲冲击击、硬硬质质、高高刚刚性性、低低热热膨膨胀胀性性和和隔隔热热等等结结构构陶陶瓷瓷材材料料。功功能能陶陶瓷瓷包包括括电电磁磁功功能能、光光电电功功能能和和生生物物化化学学功功能能等等陶陶瓷瓷制制品和材料。品和材料。2024/7/3161 第三节 陶瓷材料基础l1 1、陶瓷的种类：、陶瓷的种类：l按照陶瓷坯体结构（坯体密度）不同，可把陶瓷按照陶瓷坯体结构（坯体密度）不同，可把陶瓷分为陶器和瓷器两大类。分为陶器和瓷器两大类。l陶器陶器通常是末烧结或部分烧结、有一定的吸水率、通常是末烧结或部分烧结、有一定的吸水率、断面粗糙无光、不透明、敲之声

77、音粗哑、有的无釉断面粗糙无光、不透明、敲之声音粗哑、有的无釉 、有的施釉、有的施釉 。l瓷器瓷器的坯体已烧结，基本上不吸水，致密，有一定的坯体已烧结，基本上不吸水，致密，有一定透明性，敲之声音清脆，断面有透明性，敲之声音清脆，断面有 壳状光泽，通常根壳状光泽，通常根据据 需要施有各种类型的釉需要施有各种类型的釉 。2024/7/3162 第三节 陶瓷材料基础l2、陶瓷的组成与性能、陶瓷的组成与性能l 陶陶瓷瓷材材料料以以硅硅酸酸盐盐为为主主，还还有有碳碳化化物物、氮氮化化物物、硼硼化化物物、硫硫化化物物及及其其他他盐盐类类和和单单质质。不不仅仅具具有有高高熔熔点点，高高硬硬度度，高高强强度度、

78、化化学学惰惰性性，耐耐高高温温，耐耐磨磨损损等等优优点点，而而且且还还具具有有一一些些特特殊殊性性能能，如如生生物物活活性性、生生物物惰惰性性、半半导导体体性性、软软磁磁性性、硬硬磁磁性性等等。在在有有些些情情况况下下陶陶瓷瓷是是常选用的材料，例如骨关节置换材料、牙科材料等。常选用的材料，例如骨关节置换材料、牙科材料等。l 陶陶瓷瓷材材料料的的各各种种性性能能都都是是由由其其化化学学组组成成、晶晶体体结结构构和和显显微微组组织织所所决决定定的的。化化合合物物的的结结合合键键既既有有共共价价键键又又有有离离子子键键，即即可可是是结结晶晶型型的的，如如MgOMgO， AlAl2 2O O3 3，Z

79、rOZrO，SiCSiC等等，也也可可以以是是非非晶晶体体型型的的，如如玻玻璃璃，甚甚至至有有些些化化合物在一定条件下转变成结晶型的，如玻璃陶瓷。合物在一定条件下转变成结晶型的，如玻璃陶瓷。2024/7/3163 第三节 陶瓷材料基础l二、二、陶陶瓷材料制造工艺瓷材料制造工艺l1坯料制备坯料制备l坯坯料料是是指指将将天天然然岩岩石石、矿矿物物、粘粘土土等等原原料料，经经过过粉粉碎碎精精选选磨磨细细配配料料脱脱水水练练坯坯、陈陈化化等等过过程程后后得得到到的的具具有有成成型型性性能能的的多多组组分分混混合合物物。为为了了保保证证产产品品质质量量和和满满足足成成型型的的工工艺艺要要求求，各各种种坯

80、坯料料均均应应符符合合下下列列基基本本质质量量要要求。求。l坯料组成符合配方要求；坯料组成符合配方要求；l各种成分混合均匀；各种成分混合均匀；l坯坯料料中中各各组组分分的的颗颗粒粒细细度度符符合合要要求求，并并具具有有适适当当的的颗颗粒级配；粒级配；l坏料中空气含量应尽可能地少。坏料中空气含量应尽可能地少。2024/7/3164 第三节 陶瓷材料基础l二、二、陶陶瓷材料制造工艺瓷材料制造工艺l2成型成型l成成型型就就是是将将坯坯料料按按照照一一定定的的目目的的或或要要求求制制成成具具有有一一定定形形状状和和强强度度的的坯坯体体（生生坯坯），成成型型的的过过程程取取决决于于坯坯料料的的性性能能和

81、和工工艺艺。同同一一陶陶瓷瓷制制品品可可采采用用不不同同的的成成型型方方法法，一一般般按按坯坯料料的的性性能能陶陶瓷瓷的的成成型型方方法法可可分分为为三三类类：可可塑塑法、注浆法和压制法。法、注浆法和压制法。l可可塑塑法法又又叫叫塑塑性性料料团团成成型型法法，具具有有一一定定可可塑塑性性的的坯坯料料中中加加入入一一定定量量水水分分或塑化剂，使之成为具有良好塑性的料团，通过手工或机械成型。或塑化剂，使之成为具有良好塑性的料团，通过手工或机械成型。l注注浆浆法法又又叫叫浆浆料料成成型型法法，它它是是把把原原料料配配制制成成浆浆料料注注入入有有吸吸水水性性能能的的模模具具中而得到坯体的一种成型方法。

82、中而得到坯体的一种成型方法。l压压制制法法又又叫叫粉粉料料成成型型法法。它它是是将将含含有有一一定定水水分分和和添添加加剂剂的的粉粉料料，在在金金属属模具中用较高的压力压制成型，与粉末冶金成型方法完全一样。模具中用较高的压力压制成型，与粉末冶金成型方法完全一样。2024/7/3165 第三节 陶瓷材料基础l二、二、陶陶瓷材料制造工艺瓷材料制造工艺l3、烧结烧结l坯坯料料成成型型后后未未经经烧烧结结前前称称为为生生坯坯，生生坯坯经经干干燥燥之之后后即即可可涂涂釉釉，也也可可直直接接烧烧结结。生生坯坯只只是是固固相相粒粒子子堆堆积积起起来来的的聚聚积积体体，颗颗粒粒之之间间除除了了点点接接触触外外

83、，尚尚存存在在许许多多孔孔隙隙，强强度度较较差差，无无法法使使用用。将将生生坯坯加加热热至至高高温温，发发生生一一系系列列物物理理化化学学变变化化后后在在冷冷却却至至室室温温，在在烧烧结结过过程程中中不不断断收收缩缩，并并在在低低于于熔熔点点温温度度下下变变成成致致密密、坚坚硬硬的的具具有有某某种种显显微微结结构构的的多多晶晶烧烧结结体体，这这种种现现象象称称为为烧烧结结。烧烧结结方方法法有有热热压压或或热热等等静静压压法法；液液相相烧烧结结法法；反反应烧结法。应烧结法。2024/7/3166 第三节 陶瓷材料基础l三、三、陶瓷材料简介陶瓷材料简介l1普通陶瓷普通陶瓷l用粘土（用粘土（AlAl

84、2 2O O3 3SiOSiO2 22H2H2 2O O）长石（）长石（K K2 2O OAlAl2 2O O3 36SiO6SiO2 2 NaNa2 2O OAlAl2 2O O3 36SiO6SiO2 2）, ,石英（石英（SiOSiO2 2）为原料，经配料，成型，烧结而制）为原料，经配料，成型，烧结而制成。组织中主晶相为莫来石（成。组织中主晶相为莫来石（3Al3Al2 2O O3 32SiO2SiO2 2）占）占25%25%30%30%，次晶相为，次晶相为SiOSiO2 2；玻璃相占；玻璃相占353560%60%，是以长石为溶剂，在高温下溶解一定量的粘，是以长石为溶剂，在高温下溶解一定量

85、的粘土和石英而形成的液相冷却后所得到的；气相占土和石英而形成的液相冷却后所得到的；气相占1%1%3%3%。该陶瓷质地。该陶瓷质地坚硬，不导电，能耐坚硬，不导电，能耐12001200高温，加工成型性好，成本低廉。缺点是高温，加工成型性好，成本低廉。缺点是含较多玻璃相，高温下易软化，强度较低，耐高温性能及绝缘性性不含较多玻璃相，高温下易软化，强度较低，耐高温性能及绝缘性性不如特种陶瓷。如特种陶瓷。2024/7/3167第三节 陶瓷材料基础l三、三、陶瓷材料简介陶瓷材料简介l2生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷l生生物物惰惰性性陶陶瓷瓷属属特特种种陶陶瓷瓷的的一一种种。所所谓谓生生物物惰惰性性陶陶瓷瓷是是指指

86、物物理理化化学学性性能能稳稳定定，并并具具有有良良好好的的生生物物相相容容性性，不与生物组织和器官以及体液发生任何反应的特种陶瓷。不与生物组织和器官以及体液发生任何反应的特种陶瓷。l生生物物惰惰性性陶陶瓷瓷除除应应具具有有耐耐磨磨损损，还还应应具具有有良良好好的的力力学学强强度度、韧韧性性和和刚刚度度。在在利利用用陶陶瓷瓷进进行行假假体体设设计计时时，假假体体的的设设计计应应力力必必须须大大于于承承受受的的最最大大工工作作应应力力，并并在在有有效效期期内内保保证证假假体体的的结结构构完完整整性性。因因此此，无无论论是是陶陶瓷瓷的的静静态态性性能能（拉拉伸伸、压压缩缩、挠挠曲曲强强度度），还还是

87、是动动态态性性能能（疲疲劳劳、老化）均必须在生态或生理环境下进行表征和测试。老化）均必须在生态或生理环境下进行表征和测试。2024/7/3168 第三节 陶瓷材料基础l三、三、陶瓷材料简介陶瓷材料简介l2生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷l（a）氧化铝陶瓷）氧化铝陶瓷l氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷的的主主要要成成分分是是Al2O3，含含有有少少量量SiO2。有有很很好好的的耐耐磨磨性性、化化学学稳稳定性和生物惰性等；定性和生物惰性等；l高密度、高纯度、多晶氧化铝常用于制高密度、高纯度、多晶氧化铝常用于制作人工髋关节的股骨头、股骨干和髋臼。作人工髋关节的股骨头、股骨干和髋臼。2024/7/3169 第三节 陶瓷材

88、料基础l三、三、陶瓷材料简介陶瓷材料简介l2、生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷l（b）非氧化物陶瓷）非氧化物陶瓷l 碳碳基基陶陶瓷瓷具具有有良良好好的的生生物物相相容容性性，且且碳碳和和骨骨之之间间在在刚刚度度和和力力学学强强度度类类似似，使使之之成成为为全全关关节节置置换的最佳材料。换的最佳材料。l碳化物如碳化物如SiC,BSiC,B4 4C C；氮化物如；氮化物如BNBN，SiSi3 3N N4 4等难熔化等难熔化合物为主晶相的陶瓷，具有优异的性能。热稳定合物为主晶相的陶瓷，具有优异的性能。热稳定性，耐蚀性，耐磨性均相当好。在人体硬组织的性，耐蚀性，耐磨性均相当好。在人体硬组织的修复有一定的应用。

89、修复有一定的应用。2024/7/3170 第三节 陶瓷材料基础l三、三、陶瓷材料简介陶瓷材料简介l3、生物活性陶瓷生物活性陶瓷l生生物物活活性性陶陶瓷瓷是是指指材材料料的的表表面面具具有有很很好好的的生生物物相相容容性性，生生物物组组织织与与材材料料表表面面之之间间形形成成的的连连续续界界面面可可以以承承担担植植入入部部位位正正常常的的负负荷荷。生生物物活活性性陶陶瓷瓷植植入入体体在在体体内内的的性性质质取取决决于于材材料料的的植植入入部部位位、材材料料的的本本体体和和表表面面性性能能、组组织织创创伤伤以以及及材材料料表表面面与与组组织织界界面面间间的的相相对对运运动动。到到目目前前为为止止，

90、临临床床应应用用较较多多的的生生物物活活性性陶陶瓷瓷有有生生物物活活性性玻玻璃璃；磷磷酸酸钙钙陶陶瓷瓷及及其其复复合合物物2024/7/3171 第三节 陶瓷材料基础l三、三、陶瓷材料简介陶瓷材料简介l3、生物活性陶瓷生物活性陶瓷l（a）生物活性玻璃）生物活性玻璃l 生生物物活活性性玻玻璃璃主主要要由由硅硅、磷磷、钙钙、钠钠的的氧氧化化物物组组成成，并并在在某某些些材材料料中中含含有有少少量量的的硼硼、镁镁、铝铝、钛钛等等的的氧氧化化物物。一一般般认认为为材材料料的的生生物物活活性性程程度度与与玻玻璃璃的的化化学学组组成成有有很很大大的的关关系系，如如用用CaF代代替替CaO可可使使玻玻璃璃的

91、的溶溶解解性性降降低低，而而用用B2O3代代替替CaO时时，玻玻璃璃的的溶溶解解性性增增加加。此此外外，若若材材料料表表面面的的形形态态结结构构有有利利于于胶胶原原分分子子的的有有序序排排列列则则会会有有利利于于矿矿化化骨骨的的形形成成，因因为为分分子子的的有有序序性性将将会会促促进进羟羟基基磷磷灰灰石石晶晶核核的的产产生生，这这种种生生物物活活性性玻玻璃璃与与生生物物组组织织的的结结合合机机理理有一系列复杂的物理化学反应和超结构现象。有一系列复杂的物理化学反应和超结构现象。2024/7/3172 第三节 陶瓷材料基础l三、陶瓷材料简介l3、生物活性陶瓷生物活性陶瓷l（b）羟基磷灰石羟基磷灰石

92、l磷磷酸酸钙钙陶陶瓷瓷是是指指磷磷钙钙比比不不同同的的一一系系列列陶陶瓷瓷材材料料，医医学学的的磷磷灰灰石石是是羟羟基基磷磷灰灰石石，理理想想的的化化学学式式是是Ca10（PO4）6（OH）2理理想想的的磷磷/钙钙比比为为1.67，通通常常含含有有CO32-、Mg+2、Na+、Cl-、F-等微量元素。等微量元素。l在在骨骨质质中中羟羟基基磷磷灰灰石石大大约约占占60%，是是一一种种长长度度为为200400、厚厚度度为为1530的的针针壮壮结结晶晶，其其周周围围规规则则的的排排列列着着骨骨胶胶原原纤纤维。维。l齿齿骨骨的的结结构构也也类类似似于于自自然然骨骨，但但齿齿骨骨中中羟羟基基磷磷灰灰石石

93、的的含含量量达达97%。2024/7/3173 第三节 陶瓷材料基础l三、三、陶瓷材料简介陶瓷材料简介l3、生物活性陶瓷生物活性陶瓷l（c）磷酸钙磷酸钙l 磷磷酸酸钙钙也也是是磷磷酸酸钙钙陶陶瓷瓷的的一一种种，已已被被广广泛泛应应用用于于可可吸吸收收骨骨置置换换材材料料。这这类类材材料料的的化化学学组组分分虽虽与与羟羟基基磷磷灰灰石石不不同同，但但物物理理、化化学学性性质质相相似似。由由于于不不同同的的磷磷酸酸钙钙成成分分生生物物降降解解性性能能不不同同，所所以以吸吸收收骨骨置置换换材材料料在在制制备备过过程程中中应应首首先先考考虑虑材材料料的的生生物物降降解解速速率率与与骨骨的的形形成成速速

94、度度之之间间关关系系。其其次次，必须控制材料的纯度、粒度、结晶和细孔的形成技术与条件。必须控制材料的纯度、粒度、结晶和细孔的形成技术与条件。l常常用用的的磷磷酸酸钙钙有有两两种种，即即磷磷酸酸三三钙钙（TCP）和和磷磷酸酸三三钙钙，但但作作为为生生物物医医用用材材料料是是以以磷磷酸酸三三钙钙为为主主。两两者者在在一一定定温温度度下下可可以以相相互互转转变。变。2024/7/3174 第四节 复合材料 前前 言言l 在生物材料中，由于单一组分很难满足生物相容性的要求，复合材在生物材料中，由于单一组分很难满足生物相容性的要求，复合材料所占的比例愈来愈大，用途也愈来愈广泛，且有些部位的植入体非复料所

95、占的比例愈来愈大，用途也愈来愈广泛，且有些部位的植入体非复合材料不可。例如天然牙体组织中（如牙釉质、牙本质）为复合材料，合材料不可。例如天然牙体组织中（如牙釉质、牙本质）为复合材料，是有生物大分子胶原及羟基磷灰石微晶体组成，如果能复合出组成与微是有生物大分子胶原及羟基磷灰石微晶体组成，如果能复合出组成与微观形态完全与牙体组织相同的复合材料，无疑将会成为最理想的牙科替观形态完全与牙体组织相同的复合材料，无疑将会成为最理想的牙科替换材料。在生物可吸收性材料，尤其是组织工程支架材料中为了调整材换材料。在生物可吸收性材料，尤其是组织工程支架材料中为了调整材料的降解性能和保证支架材料的强度以及加工性能，

96、复合材料的利用同料的降解性能和保证支架材料的强度以及加工性能，复合材料的利用同样十分广泛。在矫形外科，复合材料被用来改善股骨柄、骨折固定物、样十分广泛。在矫形外科，复合材料被用来改善股骨柄、骨折固定物、生物活性陶瓷、骨水泥等也愈来愈受到人们的重视生物活性陶瓷、骨水泥等也愈来愈受到人们的重视2024/7/3175 第四节 复合材料l一、一、复合材料的基本概念复合材料的基本概念l1、复合材料概念复合材料概念l复复合合材材料料是是由由两两种种或或两两种种以以上上不不同同的的材材料料所所组组成成多多相相固固体体材材料料，至至少少包包括基体相和增强相两大类。括基体相和增强相两大类。l复合材料的最大优点是

97、各组分性能的互互补补性性以及复合材料的可可设设计计性性。复复合合材材料料不不仅仅可可以以最最大大可可能能的的发发挥挥各各组组分分的的优优点点，还还有有可可能能获获得得原原组组分分所所不不具具备备的的优优良良性性能能。同同时时还还可可以以按按照照不不同同用用途途和和性性能能对对复复合合材材料料的的组组分分和和结结构构进进行行设设计计，利利用用各各组组分分的的比比例例、分分布布以以及及形形态态改改变变复复合合材材料料的的性性能能，因因为为复复合合材材料料的的性性能能不不仅仅与与每每相相的的组组成成有有关关，而而且且与与相相的的含含量量、尺尺寸寸和和分分布布状状态态密密切切相相关关。在在复复合合材材

98、料料中中每每种种相相的的几几何何形形状状十十分分相相似似，在在单单一一相相内内可可以以把把材材料料看看成成是是均均匀匀的的，复复合合材材料料的的各各个个组组成成成成分分在在物物理理学和力学上是独立的。因此，复合材料具有单一组分所没有的优良性能。学和力学上是独立的。因此，复合材料具有单一组分所没有的优良性能。2024/7/3176 第四节 复合材料l一、一、复合材料的基本概念复合材料的基本概念l2、复合材料的分类、复合材料的分类l 根根据据基基体体相相的的不不同同，可可以以把把复复合合材材料料分分为为金金属属基基复复合合材材料料、无无机机非非金金属基复合材料以及高分子基复合材料。属基复合材料以及

99、高分子基复合材料。l按照增强相的组成和种类，复合材料可分为三类：按照增强相的组成和种类，复合材料可分为三类：l 纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料l 颗粒增强复合材料，如金属陶瓷；颗粒增强复合材料，如金属陶瓷；l 叠叠层层复复合合材材料料，如如双双层层金金属属材材料料、三三层层（钢钢- -铜铜- -塑塑料料）复复合合材材料料等等。在在生生物物材材料料中中应应用用于于全全关关节节置置换换的的复复合合材材料料既既有有金金属属基基复复合合材材料料，也也有有高高分分子子基基复复合合材材料料材材料料。碳碳纤纤维维增增强强碳碳复复合合材材料料，由由于于其其具具有有良良

100、好好的的生生物物相相容容性性、不不释释放放可可溶溶性性物物质质、不不易易降降解解、较较好好的的力力学学性性能能等等而而具具有有很很好的应用前景。好的应用前景。2024/7/3177 第四节 复合材料l一、一、复合材料的基本概念复合材料的基本概念l3、复合材料的命名、复合材料的命名l复复合合材材料料的的命命名名暂暂无无统统一一的的规规定定，一一般般是是以以增增强强材材料料或或基基体体材材料料的的名名称称命名。命名方法主要有以下四种：命名。命名方法主要有以下四种：l（a a）以基体为主命名：如钛基复合材料、硼硅玻璃基复合材料、）以基体为主命名：如钛基复合材料、硼硅玻璃基复合材料、l 聚丙烯基复合材

101、料。聚丙烯基复合材料。l（b b）以增强材料为主命名：如碳纤维增强复合材料、）以增强材料为主命名：如碳纤维增强复合材料、l 有机纤维复合材料。有机纤维复合材料。l（c c）基体和增强材料并用：碳纤维增强铝合金复合材料。）基体和增强材料并用：碳纤维增强铝合金复合材料。l（d)d)商业名称命名。如玻璃钢。商业名称命名。如玻璃钢。2024/7/3178 第四节 复合材料l二、复合材料的性能二、复合材料的性能l 复合材料的最大优点就是获取各组分的优越性，形成一种新型材料，复合材料的最大优点就是获取各组分的优越性，形成一种新型材料，l1 1）高高比比强强度度和和比比模模量量：碳碳纤纤维维- -环环氧氧树

102、树脂脂复复合合材材料料其其比比强强度度比比钢钢高高3 3倍倍以以上上，比比模模量比钢高量比钢高3 35 5倍等。倍等。l2 2）抗抗疲疲劳劳性性能能好好：金金属属材材料料的的疲疲劳劳极极限限为为抗抗拉拉强强度度的的40 40 5050，而而碳碳纤纤维维复复合材料可达合材料可达70708080l3 3）抗抗断断能能力力强强：纤纤维维复复合合材材料料中中有有大大量量独独立立的的纤纤维维，当当纤纤维维断断裂裂时时，载载荷荷就就会会重重新分配到其他未破断的纤维上。新分配到其他未破断的纤维上。l4 4）优优良良的的高高温温性性能能：铝铝合合金金在在300300时时强强度度由由500MPa500MPa降降

103、到到303050MPa50MPa，当当用用碳碳纤纤维维或硼纤维增强后，在此温度下的强度基本上与室温下的相同。或硼纤维增强后，在此温度下的强度基本上与室温下的相同。l5 5） 减减振振性性好好：复复合合材材料料抗抗振振性性好好的的原原因因一一是是的的比比模模量量高高，可可以以较较大大程程度度地地避避免免产产生生共共振振；二二是是增增强强体体与与基基体体界界面面有有吸吸收收振振动动能能量量的的作作用用，故故产产生生振振动动也也会会很很快快地衰减下来。地衰减下来。l6 6）其它性能：复合材料也具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、自润滑性能。）其它性能：复合材料也具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、自润滑性能。202

104、4/7/3179 第四节 复合材料l三、几种常见的复合材料三、几种常见的复合材料l1 1、纤维增强复合材料、纤维增强复合材料1) 1) 增强纤维材料增强纤维材料l (1)(1)玻璃纤维：玻璃纤维是将熔化的玻璃以极快的冷却速度拉成细丝而玻璃纤维：玻璃纤维是将熔化的玻璃以极快的冷却速度拉成细丝而制得，其结构与玻璃相同。制得，其结构与玻璃相同。l (2) (2) 碳纤维和石墨纤维：碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料，碳纤维和石墨纤维：碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料，不同与有机纤维或无机纤维。不同与有机纤维或无机纤维。 l（3 3）硼纤维：将硼元素通过高温化学气相沉积法将非晶态硼沉积到钨丝

105、）硼纤维：将硼元素通过高温化学气相沉积法将非晶态硼沉积到钨丝或碳丝上而制得。它具有很高的比强度和比模量或碳丝上而制得。它具有很高的比强度和比模量 l（4）碳化硅纤维：）碳化硅纤维：碳化硅纤维是以碳和硅为主的陶瓷纤维，利用化学气碳化硅纤维是以碳和硅为主的陶瓷纤维，利用化学气相沉积或烧结法而制得。相沉积或烧结法而制得。l（5 5）有机纤维：有机纤维以芳纶、聚芳酰胺纤维为主。）有机纤维：有机纤维以芳纶、聚芳酰胺纤维为主。l（6 6）晶须）晶须 即纤维状晶体，包括金属和陶瓷晶须两类。即纤维状晶体，包括金属和陶瓷晶须两类。 2024/7/3180 第四节 复合材料2) 2) 纤维增强复合材料纤维增强复合

106、材料(1) (1) 碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料 碳碳纤纤维维增增强强塑塑料料的的基基体体材材料料以以聚聚酯酯、酚酚醛醛、环环氧氧、聚聚四四氟氟乙乙烯烯等等树树脂脂为为主主，具具有有密密度度小小，强强度度高高，弹弹性性模模量量高高，比比强强度度和和比比模模量量高高，并并具具有有有有优优良良的的抗抗疲疲劳劳性性能能、耐耐冲冲击击性性能能，良良好好的的自自润润滑滑性性、耐耐磨磨性性、耐耐蚀蚀性性和和耐耐热热性性等等。缺缺点点是是碳碳纤纤维维与与基基体体的的结结合合力力低低，各各向向异异性性比比较较明明显显。主主要要用用于于航航空空、航航天天、机机械械制制造造、汽汽车车工工业业及及化化学学工工业业中

107、。中。2024/7/3181第四节 复合材料l（2 2）有机纤维增强塑料）有机纤维增强塑料l 一般的高分子纤维很难增强其它的高分子纤维，但利用特殊方法制一般的高分子纤维很难增强其它的高分子纤维，但利用特殊方法制备的聚芳纶纤维和超高分子量的聚乙烯纤维对环氧树脂、聚乙烯、聚碳备的聚芳纶纤维和超高分子量的聚乙烯纤维对环氧树脂、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等就有较好的增强作用。其主要性能特点是抗拉强度较高，酸酯、聚酯等就有较好的增强作用。其主要性能特点是抗拉强度较高，与碳纤维与碳纤维-环氧树脂复合材料相似；延性好，与金属相当；耐冲击性超过环氧树脂复合材料相似；延性好，与金属相当；耐冲击性超过碳纤维增强塑料；

108、有优良的抗疲劳和减震性，其抗疲劳性优于玻璃钢和碳纤维增强塑料；有优良的抗疲劳和减震性，其抗疲劳性优于玻璃钢和铝合金，减震能力为钢的铝合金，减震能力为钢的8倍，为玻璃钢的倍，为玻璃钢的45倍。聚芳纶纤维增强塑料倍。聚芳纶纤维增强塑料在工业上主要用于制造飞机机身，雷达天线罩，轻型舰船等。在工业上主要用于制造飞机机身，雷达天线罩，轻型舰船等。2024/7/3182 第四节 复合材料l（3 3）碳化硅纤维增强塑料）碳化硅纤维增强塑料l 碳碳化化硅硅与与环环氧氧树树脂脂组组成成的的复复合合材材料料，具具有有高高的的比比强强度度和和比比模模量量，抗抗拉拉强强度度接接近近碳碳纤纤维维- -环环氧氧树树脂脂复

109、复合合材材料料，而而抗抗压压强强度度为为其其2 2倍倍。因因此此，它它是是一一种种很很有有发发展展前前途途的的新新材材料料。主主要要用用于于航航空空、航航天天工工业业。由由于于碳碳化化硅硅的的特特殊殊组组分分和和较较好好的的生生物物相相容容性性，在在生生物物材材料料中中也有一定的应用。也有一定的应用。2024/7/3183 第四节 复合材料l（4 4）硼纤维增强塑料）硼纤维增强塑料l 该类复合材料的基体材料多是环氧、聚酰亚胺等该类复合材料的基体材料多是环氧、聚酰亚胺等树脂。具有高的比强度和比模量，良好的耐热性。如树脂。具有高的比强度和比模量，良好的耐热性。如硼纤维硼纤维-环氧树脂复合材料其弹性

110、模量分别为铝、钛合环氧树脂复合材料其弹性模量分别为铝、钛合金的金的3倍和倍和2倍，比模量则为铝、铁合金的倍，比模量则为铝、铁合金的4倍。缺点倍。缺点是各向异性明显，加工困难，成本太高。主要用于航是各向异性明显，加工困难，成本太高。主要用于航空、航天工业。空、航天工业。2024/7/3184 第四节 复合材料(5) (5) 玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料 玻玻璃璃纤纤维维增增强强塑塑料料通通常常称称为为玻玻璃璃钢钢，是是应应用用最最广广泛泛的的复复合合材材料料。由由于于加加工工容容易易，成成本本低低廉廉而而被被广广泛泛应应用用，但但作作为为生生物物材材料料应应用用的的不不多多，有有报报道道说说

111、利利用用可可吸吸收收的的磷磷酸酸玻玻璃璃纤纤维维增增强强生生物物降降解解高高分分子子可可以以用用做做骨骨折折的的固固定定材材料料。通通常常按按树树脂脂的的性性质质可可分分为为热热塑塑性性玻玻璃璃钢钢和热固性玻璃钢两类。和热固性玻璃钢两类。2024/7/3185 第四节 复合材料l3) 3) 纤维增强金属（或合金）纤维增强金属（或合金）l 纤纤维维增增强强金金属属复复合合材材料料是是由由高高强强度度、高高模模量量的的脆脆性性纤纤维维和和具具有有较较好好韧韧性性的的低低屈屈服服强强度度的的金金属属或或合合金金组组成成。常常用用的的纤纤维维有有：硼硼纤纤维维、碳碳纤纤维维、碳碳化化硅硅纤纤维维，常常

112、用用的的基基体体有有铝铝及及其其合合金金、钛钛及及其其合合金金、铜铜及及其其合合金金、镍镍合金及银、铅等。合金及银、铅等。l (1)(1)硼硼纤纤维维- -铝铝复复合合材材料料具具有有高高拉拉伸伸模模量量，高高的的横横向向模模量量，高高的的抗抗压压强强度度 、剪切强度和疲劳强度。主要用于制造飞机或航天业。、剪切强度和疲劳强度。主要用于制造飞机或航天业。l（2）纤纤维维-钛钛合合金金基基复复合合材材料料：钛钛合合金金已已经经成成为为生生物物材材料料的的主主要要合合金金材材料料之一，其应用范围主要是骨组织替换材料和部分介入疗法的支架材料。之一，其应用范围主要是骨组织替换材料和部分介入疗法的支架材料

113、。 2024/7/3186 第四节 复合材料l4) 4) 纤维增强陶瓷纤维增强陶瓷l众所周知，陶瓷是一种非常重要的生物材料，也是目前临床应众所周知，陶瓷是一种非常重要的生物材料，也是目前临床应用量最大的生物材料之一，但由于陶瓷材料的某些力学弱点而受用量最大的生物材料之一，但由于陶瓷材料的某些力学弱点而受到应用的限制。对陶瓷的改性方法很多，但利用纤维对陶瓷进行到应用的限制。对陶瓷的改性方法很多，但利用纤维对陶瓷进行增强应该是最好的方法之一。目前，纤维增强应该是最好的方法之一。目前，纤维-陶瓷复合材料日益受到陶瓷复合材料日益受到人们的重视的原因就是因为碳纤维或石墨纤维与陶瓷组成的复合人们的重视的原

114、因就是因为碳纤维或石墨纤维与陶瓷组成的复合材料能大幅度地提高冲击韧性和防震性，降低陶瓷的脆性等，这材料能大幅度地提高冲击韧性和防震性，降低陶瓷的脆性等，这些恰恰是生物材料，尤其是骨科替换材料所要求的。些恰恰是生物材料，尤其是骨科替换材料所要求的。2024/7/3187 第四节 复合材料l三、几种常见的复合材料三、几种常见的复合材料l2. 2. 叠叠层复合材料复合材料l叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。其目叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。其目的是为了将组分层的最佳性能组合起来，以得到更为有用的材料。的是为了将组分层的最佳性能组合起来，以得到更为有用的材料。用叠层增强

115、法可使复合材料强度、刚度、耐磨性、耐蚀性、绝热用叠层增强法可使复合材料强度、刚度、耐磨性、耐蚀性、绝热性、隔音性、减轻自重等若干性能分别得到改善。性、隔音性、减轻自重等若干性能分别得到改善。 2024/7/3188 第四节 复合材料l1) 1) 双层金属复合材料双层金属复合材料l 该该材材料料是是将将两两种种不不同同性性能能的的金金属属，用用胶胶合合或或熔熔合合铸铸造造、热热压压、焊焊接接、喷涂等方法复合在一起以满足某种性能要求的材料。喷涂等方法复合在一起以满足某种性能要求的材料。l 2) 2) 塑料塑料- -金属多层复合材料金属多层复合材料l 该该类类复复合合材材料料的的典典型型代代表表是是

116、SFSF型型三三层层复复合合材材料料。它它是是以以钢钢为为基基体体，烧烧结结铜铜网网或或铜铜球球为为中中间间层层，塑塑料料为为表表面面层层的的一一种种自自润润滑滑材材料料。其其力力学学性性能能取取决决于于基基体体，而而摩摩擦擦磨磨损损性性能能取取决决于于塑塑料料表表层层。中中间间层层系系多多孔孔性性青青铜铜，其其作作用用是是使使三三层层之之间间有有较较强强的的结结合合力力，且且一一旦旦塑塑料料磨磨损损露露出出青青铜铜亦亦不不致致磨伤轴。磨伤轴。2024/7/3189 第四节 复合材料l三、几种常见的复合材料三、几种常见的复合材料l3. 3. 颗粒增粒增强强型复合材料型复合材料l 1) 1) 颗

117、粒增粒增强强复合材料（复合材料（d d1m1m，p p20%20%）l 这类复复合合材材料料的的典典型型代代表表是是金金属属陶陶瓷瓷和和砂砂轮。金金属属陶陶瓷瓷是是由由TiTi，CrCr，NiNi，CoCo，MoMo，FeFe等等金金属属或或合合金金与与氧氧化化物物（AlAl2 2O O3 3,MgO,MgO，BeOBeO）粒粒子子或或碳碳化化物物粒粒子子（TiCTiC，SiCSiC，WCWC）为基基体体构构成成的的一一种种复复合合材材料料。具具有有高高硬硬度度、高高强强度度、耐耐磨磨损、耐耐腐腐蚀和和膨膨胀系系数数小小等等优点点，常常被被用用来来制制造造刀刀具具刃刃部部材材料料，砂砂轮作作为

118、磨削材料。磨削材料。l 2) 2) 弥散弥散强强化复合材料（化复合材料（d d0.010.010.1m0.1m，p p1%1%15%15%）l这这类类复复合合材材料料是是由由尺尺寸寸较较小小的的金金属属氧氧化化物物粒粒子子与与金金属属组组成成的的。由由于于弥弥散散相相金金属属氧氧化化物物熔熔点点高高、硬硬而而且且稳稳定定，使使该该材材料料高高温温力力学学性性能能很很好好，具具有较高的抗蠕变性能，高的高温屈服强度等。有较高的抗蠕变性能，高的高温屈服强度等。2024/7/3190 第四节 复合材料l 随随着着科科学学技技术术的的不不断断提提高高，各各种种新新型型复复合合材材料料，如如 C CC C

119、复复合合材材料料、金金属属化化合合物物复复合合材材料料、纳纳米米复复合合材材料料、“混混杂杂”复复合合材材料料、功功能能梯梯度度复复合合材材料料、智智能能复复合合材材料料等等将将得得到到进一步的发展和应用。进一步的发展和应用。2024/7/3191 第五节第五节 金属材料金属材料2024/7/31921、金属材料的应用、金属材料的应用2024/7/31932024/7/31942024/7/31952024/7/31962024/7/31972024/7/31982024/7/31992024/7/311002024/7/311012024/7/311022024/7/311032024/7/

120、311042024/7/311052024/7/311062024/7/311072024/7/311082024/7/311092024/7/311102024/7/31111粘液质的支持牙2024/7/311122024/7/311132024/7/311142024/7/311152024/7/311163、可降解镁合金2024/7/311172024/7/311182024/7/311192024/7/31120血管支架示意图血管支架示意图2024/7/31121动、静血管软组织方面的应用2024/7/31122脑血管软组织方面的应用2024/7/311232024/7/311242024/7/311252024/7/311262024/7/311272024/7/311282024/7/31129思考题思考题l生物材料的基本要求、特殊要求和功能要求个是什么？l高分子材料、无机非金属材料和金属材料作为生物材料使用时各有何优缺点？l无机非金属材料中最常用的生物材料是什么？l复合材料最大的优点是什么？人体骨组织是的结构特点是什么？