材料科学培训教材

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,*,材料科学,郭开元,什么是材料科学？,研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与化学密不可分的应用科学。,材料科学的发展史,人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。,100,万年以前，原始人,以石头作为工具,，称旧石器时代。,1,万年以前，人类对,石器进行加工，使之成为器皿和精致的工具,，从而进入新石器时代。新石器时代后期，出现了,利用粘土烧制的陶器,。人类在寻找石器过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了,冶铜术,，开创了,冶金技术,。公元前,5000,年，人类进入青铜器时代。公元前,1200,年，人类开始使用,铸铁,，从而进入了铁器时代。随着技术的进步，又发展了,钢的制造技术,。,18,世纪，,钢铁工业的发展,，成为产业革命的重要内容和物质基础。,19,世纪中叶，现代,平炉和转炉炼钢技术,的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，,铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世,并得到应用。直到,20,世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。,20,世纪中叶以后，科学技术迅猛发展，作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是,人工合成高分子材料,问世，并得到广泛应用。先后出现,尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及维尼纶、合成橡胶、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等,。仅半个世纪时间，高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱，并在年产量的体积上已超过了钢，成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。,50,年代，合成化工原料和特殊制备工艺的发展，使陶瓷材料产生了一个飞跃，出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变，许多新型功能陶瓷形成了产业，满足了电力、电子技术和航天技术的发展和需要。,结构材料的发展，推动了功能材料的进步。20世纪初，开始对半导体材料进行研究。50年代，,制备出锗单晶,，后又制备出,硅单晶,和,化合物半导体,等，使电子技术领域由电子管发展到,晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路,。半导体材料的应用和发展，使人类社会进入了信息时代。,一、C,60,近年来，科学家们发现，除金刚石、石墨外，还有一些新的以单质形式存在的碳。其中发现较早并已在研究中取得重要进展的是C60分子。,C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。,制作过程,足球烯是美国休斯顿赖斯大学的克罗脱和史沫莱等人于1985年提出的。他们用大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得到了C60。,C,60,的应用,气体的贮存,在控制温度和压力的条件下，可以简单地用C60和氢气制成C60的氢化物，它在常温下非常稳定，而在80 215 时，C60的氢化物便释放出氢气，留下纯的C60，它可以被100%地回收，并被用来重新制备C60的氢化物。与金属或其合金的贮氢材料相比，用C60贮存氢气具有价格较低的优点，而且C60比金属及其合金要轻。,因此，相同质量的材料，C60所贮存的氢气比金属或其合金要多。,C60不但可以贮存氢气，还可以用来贮存氧气。与高压钢瓶贮氧相比，高压钢瓶的压力为3.9106 Pa，属于高压贮氧法，而C60贮氧的压力只有2.3105 Pa，属于低压贮氧法。利用C60在低压下大量贮存氧气对于医疗部门、军事部门乃至商业部门都会有很多用途。,有感觉功能的传感器,由于用C60薄膜做基质材料可以制成手指状组合型的电容器，用它来制成的化学传感器具有比传统的传感器尺寸小、简单、可再生和价格低等优点，可能成为传感器中颇具吸引力的一种候选产品。,此外,提高金属硬度,应用于新型催化剂,对光的限制性可应用于对人的眼睛的保护,对癌细胞杀伤,抑制人体免疫缺损蛋白酶的活性,充当水溶性抗氧剂,等等,二、液晶技术,1888年,澳大利亚叫莱尼茨尔的科学家，合成了一种奇怪的有机化合物，它有两个熔点.把它的固态晶体加热到145时，便熔成液体，只不过是浑浊的，而一切纯净物质熔化时却是透明的。如果继续加热到175时，它似乎再次熔化，变成清澈透明的液体。后来，德国物理学家列曼把处于“中间地带”的浑浊液体叫做晶体。,一些有机化合物和高分子聚合物，在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，这就是液晶。液晶光电效应受温度条件控制的液晶称为热致液晶；溶致液晶则受控于浓度条件。显示用液晶一般是低分子热致液晶。,原理,液晶显示材料最常见的用途是电子表和计算器的显示板，为什么会显示数字呢？原来这种液态光电显示材料，利用液晶的电光效应把电信号转换成字符、图像等可见信号。,液晶在正常情况下，其分子排列很有秩序，显得清澈透明，一旦加上直流电场后，分子的排列被打乱，一部分液晶变得不透明，颜色加深，因而能显示数字和图象。,应用,根据液晶会变色的特点，人们利用它来,指示温度、报警毒气等,。例如，液晶能随着温度的变化，使颜色从红变绿、蓝。这样可以指示出某个实验中的温度。液晶遇上氯化氢、氢氰酸之类的有毒气体，也会变色。在化工厂，人们把液晶片挂在墙上，一旦有微量毒气逸出，液晶变色了，就提醒人们赶紧去查、补漏。,优势,液晶显示材料具有明显的优点：驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，便于携带等。,纳米陶瓷,利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平（1100nm），使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了以往陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。,纳米粉体,具体地说纳米粉体材料具有以下的优良性能：极小的粒径、大的表面积和高的化学性能，可以显著降低材料的烧结致密化程度、节能能源；使陶瓷材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；可以从纳米材料的结构层次（l100nm）上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。,另外，由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀，烧成收缩一致且晶粒均匀长大，那么颗粒越小产生的缺陷越小，所制备的材料的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。,纳米陶瓷的特性,90年代初，日本Niihara首次报道了以纳米尺寸的碳化硅颗粒为第二相的纳米复相陶瓷，具有很高的力学性能。纳米颗粒Si3N4、SIC超细微粉分布在材料在内部晶粒内，增强了晶界强度，提高了材料的力学性能，易碎的陶瓷可以变成富有韧性的特殊材料。,纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的力学性能，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性，而且纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。在室温压缩时，纳米颗粒已有很好的结合，高于500很快致密化，而晶粒大小只有稍许的增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧结温度却要比工程陶瓷低400600，且烧结不需要任何的添加剂。,其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低温烧结能获得好的力学性能。通常，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。,由于纳米陶瓷具有的独特性能，如做外墙用的建筑陶瓷材料则具有自清洁和防雾功能。随着高技术的不断出现，人们对纳米陶瓷寄予很大希望，世界各国的科研工作者正在不断研究开发纳米陶瓷粉体并以此为原料合成高技术纳米陶瓷。,谢谢,