《高分子物理》教材从高分子物理学科的知识体系中，选取了高聚物的结构与性能关系这一主线，并以高分子中存在的各种运动单元为立足点，将结构与性能有机地衔接在一起。在此基础上为高聚物的应用选材与成型加工提供依据。全书内容可分为四个部分：第一部分是高分子物理学科的发展及主要研究内容（第1章）；第二部分是高分子的结构，包括高分子的分子链结构及凝聚态结构，主要体现在第2、3 章；第三部分是高聚物中存在的各种运动单元及出现的各种转变，包括力学状态、玻璃化转变、结晶与熔融、次级松弛、黏流态转变，主要体现在第4章；第四部分是高聚物的各种性能，包括高聚物屈服与断裂、高弹性、黏弹性、流变性、电性能、溶解性能等，这一部分主要体现在第5～10章。根据各章节的内容，以数字资源的形式介绍了各章节的内容要点、知识点拓展、研究成果与进展，并附有习题与解答等。本教材可作为高等学校高分子材料与工程、复合材料、分子科学与工程等高分子相关专业的专业基础课教材，也可作为相关专业研究生的参考书；对于从事高分子材料、树脂基复合材料、高分子工程的技术及研究人员也具有重要的参考价值。

从1920年赫尔曼·施陶丁格首次在其论文论聚合中提出高分子链的概念以来，高分子学科就在自然科学中占据了一席之地。高分子物理作为高分子学科的重要分支，得到了飞速的发展。随着各学科的发展，众多凝聚态物理学家参与到高分子物理的研究中，将许多凝聚态物理的概念、理论和实验方法引入到高分子物理研究中，给高分子物理的发展注入了新的契机和活力。
高分子物理是高分子材料选材应用、成型加工的理论基础。目前高分子材料已经成为材料学科的重要组成部分，其性能与功能的开发与应用受到广泛的关注，取得了许多创造性的成就。高分子材料在航空、航天、国防工业、生物工程、日常生活中均得到了广泛的应用，其使用量从体积上已超过了金属与陶瓷，并呈现不断增长的趋势。因此，作为高分子材料与工程专业课程，高分子物理教学占有重要的地位。
高分子物理的研究对象是各种高分子化合物（包括合成高分子及天然高分子），利用物理学的基础理论、实验方法，探索、归纳和研究高分子的基本规律和理论。近年来，随着先进的研究方法如原子力显微镜、隧道显微镜等的出现和广泛应用，对高分子结构的研究更为精确和细致；随着分子组装技术的发展，高分子的结构也更为复杂，可控制性也得以提高；高分子物理的理论研究也得到了迅速的发展，新的研究成果不断涌现。因此，及时抓住新的科研成果，编写一本高质量的高分子物理教材势在必行。
针对高分子材料与工程专业的教学特点，本教材以高聚物结构分子运动高聚物性能高聚物的成型加工与应用为总体编写思路，将全书分为四个部分。第一部分是对高分子物理学科的总体介绍，使未接触过高聚物的学生建立起高分子物理的思维；第二部分是高聚物的结构，包括分子链结构以及凝聚态结构；第三部分是在高聚物中存在的各种分子运动及表现出来的各种转变（如玻璃化转变、结晶过程及熔融过程、次级转变、黏流态转变等）；第四部分是高聚物的性能，包括力学性能、电性能、流变性、溶解性等。全书共10章，在各章中阐述相关内容的基础理论，并说明相关的表征和测试方法，对其在工程实践中的应用进行针对性的阐述。通过全书的学习，希望学生在掌握基础理论的基础上，能够初步掌握高聚物的结构设计、工艺设定、选材等工程应用技术，并为后续专业课的学习奠定基础。教材将内容集中在具有广泛应用的基础理论上，精炼相关的图、表，进一步精简公式的推导。
教材新形式的出现也为我们提供了一个新的思路，在教材的编写过程中，综合运用数字化资源，形成更为立体的教材形式，同时将思政元素引入教材教学内容中，践行了颁发的《高等学校课程思政建设指导纲要》的思想。本教材以新形态教材的形式呈现，在各章引入了大量的数字资源，包括各章的教学要点、习题解答、知识点拓展、教学视频、研究成果与进展等，从而为学生建立起高分子物理学习的清晰脉络，并加深对高分子物理学科的认识。
《高分子物理》由焦剑编写第1～5章，并整理和编写各章节的数字资源，顾军渭编写第6～8章，张军亮编写第9～10章，并参与部分章节数字资源的整理与编写，全书由焦剑主编。本书在编写的过程中引用了大量的国内外公开出版的教材及专著的内容，在此谨向所有的作者表示谢意。同时本书在编写过程中，得到了西北工业大学张广成教授、史学涛教授以及西安交通大学井新利教授的支持和帮助，在此一并表示感谢。
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏，敬请读者和专家不吝批评、指正。

编者
2025年1月

焦剑，工学博士，西北工业大学化学与化工学院教授。陕西省复合材料学会会员，中国环氧树脂学会会员。2007年-2008年赴美国密歇根州立大学访问研究。 科研：目前主要从事聚合物纳米复合材料、功能性及高性能聚合物的研究。近年来主持和参与多项国家自然基金973国防重大基础研究项目、省部级基金项目及横向课题，在Advanced Functional Materials，Chemical Engineering Journal 等国内外期刊发表研究论文70余篇。 教学：讲授高分子物理功能高分子材料生物化学化工文献检索Introduction to Polymer Physics等研究生、本科生课程，主编与合著教材、专著6部。

第1章绪论1
1.1高分子科学的发展1
1.2高分子物理的研究内容3
1.3高分子的结构特点及性能特点4
习题与思考题6

第2章高分子链的结构7
2.1高分子链的近程结构7
2.1.1高分子链的化学结构7
2.1.2高分子链的拓扑结构8
2.1.3键接结构13
2.1.4高分子链的构型15
2.2高分子链的远程结构17
2.2.1高分子链的内旋转及构象17
2.2.2高分子链的构象统计20
2.2.3高分子链的均方旋转半径25
2.2.4高分子链的柔性25
2.3高聚物的分子量及其分布29
2.3.1高聚物分子量的统计意义29
2.3.2高聚物分子量及其分布的测定32
习题与思考题47

第3章高分子的凝聚态结构48
3.1高聚物分子内与分子间的相互作用48
3.1.1范德华力和氢键48
3.1.2内聚能及内聚能密度50
3.2高聚物的结晶态51
3.2.1晶体结构的基本概念51
3.2.2高聚物结晶能力与结构的关系52
3.2.3结晶高聚物的结构54
3.2.4高聚物的结晶形态58
3.2.5结晶高聚物的结构模型63
3.2.6结晶高聚物的结晶度及其测定65
3.3高聚物的非晶态68
3.3.1非晶态高聚物的形成68
3.3.2非晶态高聚物的结构模型69
3.4高聚物的取向态70
3.4.1高聚物的取向70
3.4.2取向对高聚物性能的影响72
3.4.3高聚物的取向度及其测试73
3.5高聚物的液晶态74
3.5.1液晶的结构特点及分类74
3.5.2高分子液晶的化学结构与液晶行为76
3.6高聚物多相体系78
3.6.1高聚物多相体系的相容性79
3.6.2高聚物多相体系的结构80
3.6.3影响相结构的因素81
习题与思考题82

第4章高聚物的分子运动与转变84
4.1高聚物的分子运动及力学状态84
4.1.1高聚物的分子运动特点84
4.1.2高聚物的力学状态86
4.2高聚物的玻璃化转变89
4.2.1高聚物的玻璃化转变温度及多维性89
4.2.2高聚物玻璃化转变的自由体积理论90
4.2.3影响高聚物玻璃化转变温度的因素94
4.3高聚物的结晶与熔融106
4.3.1高聚物的结晶过程与结晶速度106
4.3.2影响高聚物结晶速度的因素109
4.3.3结晶高聚物的熔融与熔点111
4.3.4影响结晶高聚物熔点的因素113
4.4高聚物的次级松弛119
4.4.1玻璃态高聚物的次级松弛119
4.4.2结晶态高聚物的次级松弛120
4.4.3次级松弛对性能的影响121
4.5高聚物的黏流态转变121
4.5.1高聚物黏性流动的机理121
4.5.2影响高聚物流动温度的因素122
习题与思考题123

第5章高聚物的屈服与断裂125
5.1描述材料形变性能的基本物理量125
5.2高聚物拉伸的应力-应变行为127
5.2.1玻璃态高聚物的拉伸127
5.2.2结晶高聚物的拉伸129
5.2.3应变诱发塑料-橡胶转变130
5.3高聚物的屈服与塑性131
5.3.1高聚物的屈服过程及特征131
5.3.2剪切带与银纹133
5.4高聚物的断裂和强度136
5.4.1脆性断裂和韧性断裂136
5.4.2高聚物拉伸的真应力-应变曲线及屈服判据138
5.4.3高聚物的理论强度和实际强度139
5.4.4格里菲斯脆性断裂理论141
5.4.5断裂的分子动力学理论143
5.4.6影响高聚物强度和韧性的因素144
5.5高聚物的增强与增韧151
5.5.1高聚物的增强151
5.5.2高聚物的增韧154
5.6高聚物其它断裂模式概述159
5.6.1疲劳断裂159
5.6.2蠕变断裂160
5.6.3环境应力开裂160
5.6.4磨损磨耗161
5.6.5冲击破坏161
习题与思考题162

第6章高聚物的高弹性163
6.1高聚物高弹形变的分子运动机理及高弹性特点163
6.1.1高弹形变的分子运动机理163
6.1.2高弹性的特点164
6.1.3影响高弹性的因素164
6.2高弹性的热力学分析及实验评价165
6.2.1平衡态高弹形变的热力学分析165
6.2.2高弹性热力学理论的实验评价166
6.3平衡态高弹形变的统计理论168
6.3.1高弹性的统计理论168
6.3.2高弹性统计理论的实验评价和修正171
习题与思考题173

第7章高聚物的黏弹性174
7.1高聚物的静态黏弹性175
7.1.1蠕变175
7.1.2应力松弛177
7.1.3静态黏弹性与温度、时间的关系179
7.2高聚物的动态黏弹性181
7.2.1滞后与力学损耗181
7.2.2动态黏弹性的表征182
7.2.3动态黏弹性与温度和频率的关系185
7.2.4动态力学分析的应用187
7.3影响高聚物黏弹性的因素190
7.3.1高聚物结构的影响190
7.3.2其它外界因素的影响193
7.4线性黏弹性的数学描述194
7.4.1线性黏弹性的力学模型194
7.4.2玻尔兹曼叠加原理199
7.5时-温等效原理及其数学表达式200
7.5.1时-温等效原理200
7.5.2时-温等效原理的数学表达式201
习题与思考题205

第8章高聚物熔体的流变性207
8.1流变学的基本概念207
8.1.1流动方式207
8.1.2牛顿流体和非牛顿流体208
8.2高聚物熔体剪切流动的非牛顿性特征211
8.2.1高聚物熔体的普适流动曲线212
8.2.2高聚物熔体假塑性流动曲线的解释213
8.3高聚物熔体的切黏度及影响因素214
8.3.1高聚物熔体切黏度的测试214
8.3.2高聚物分子结构对熔体切黏度的影响215
8.3.3加工条件对高聚物熔体切黏度的影响217
8.4高聚物熔体的弹性表现220
8.4.1熔体的黏弹性220
8.4.2法向应力效应221
8.4.3挤出物胀大223
8.4.4不稳定流动224
8.5拉伸流动和拉伸黏度226
习题与思考题227

第9章高聚物的电性能229
9.1高聚物的介电性230
9.1.1外电场中电介质的极化230
9.1.2介电常数232
9.1.3介电损耗233
9.1.4介电松弛和介电松弛谱235
9.1.5影响高聚物介电性的因素239
9.2高聚物的导电性244
9.2.1高聚物的电阻率和电导率244
9.2.2高聚物的介电击穿249
9.3高聚物的静电作用251
习题与思考题254

第10章高分子溶液255
10.1高分子溶液概述255
10.1.1高聚物的溶解过程255
10.1.2高聚物溶解的热力学解释256
10.1.3溶剂的选择原则257
10.1.4高分子链在溶液中的分子构象与尺寸263
10.2柔性链高分子溶液热力学265
10.2.1理想溶液265
10.2.2高分子溶液的统计理论弗洛里-哈金斯似晶格模型理论266
10.2.3Flory-Krigbaum高分子稀溶液理论270
10.3高分子溶液的相平衡271
10.3.1渗透压与相平衡271
10.3.2相分离热力学274
10.3.3相分离动力学278
10.3.4交联高聚物溶胀279
10.4高分子浓溶液281
10.4.1增塑高聚物281
10.4.2凝胶与冻胶283
10.4.3纺丝液与涂料283
10.5聚电解质溶液284
10.5.1概述284
10.5.2性质286
习题与思考题288

参考文献289