材料科学进展绪论

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,*,化学与分子科学学院,材料科学进展,教学大纲,周,月日,授课教师,授课内容,课时数,7,10/17,彭天右,绪论,/,环境能源材料,3,8,10/24,彭天右,环境能源材料,3,9,10/31,张友祥,二次锂离子电池电极材料,3,10,11/7,童华,生物仿生及复合材料研究进展,3,11,11/14,童华,生物仿生及复合材料研究进展,3,12,11/21,张俐娜,天然高分子材料,3,13,11/28,杨楚罗,有机聚合物电致发光材料,3,14,12/5,杨楚罗,有机聚合物电致发光材料,3,15,12/12,金先波,电化学材料制备与表征,3,16,12/19,周金平,天然材料的表征技术,3,17,12/26,李振,聚集诱导发光材料,3,第,1,章 绪 论,1.1,人类文明的基础,材料,1.2,材料的分类,1.3,材料与材料科学,1.4,新材料研究的特点与发展趋势,1.1,人类文明的基础,材料,材料：人类用来制造一切工具、器物、用品的物质。,能源、材料和信息,被称为人类社会发展的三大支柱。,所谓能源指的是提供能量的自然资源。人类的文明始于火的使用，燃烧把化学和能源紧紧地联系在一起。,人类巧妙的利用化学变化过程中所伴随的能量变化，创造了五光十色的物质文明。,1.1.1,材料的基本涵义,使用性能,(,物理,),具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质称为,材料,。,材料包含有四个要素：材料的制备,(,加工,),、材料的结构、材料的性能和材料的用途。,四个要素是相互关联、相互制约的，如下图所示：,1.1.1,材料的基本涵义,结构,/,成分,(,物理,),合成,/,加工,(,工程,),性质,(,化学,),1.1.2,文明的发展与材料的关系,19,世纪中叶丹麦考古学家克吉汤姆森,(C J Thomsen 1788-1865),根据人类历史的发展，提出了,石器时代、青铜时代、铁器时代,的分期方法。,近代的分法,1.,石器时代,.,2.,陶器时代,.,3.,青铜时代,.,4.,铁器时代,.,5.,聚合物时代,.,6.,半导体电子材料时代,.,(,新陶器时代,先进陶瓷,).,7.,复合材料时代,.,8.,信息时代,.,9.,航空航天时代。,10.,纳米材料时代,三叉形玉器（新石器时代）,圆形玉器（新石器时代）,1.1.2,文明的发展与材料的关系,陶器时代,人类文明进入新石器时代后期制造陶器是一种普遍的世界现象，,如果说陶器时代是人类文明发展必经的时代，那么瓷器则是中国的“独家发明”。,瓷器虽然没有列进中国历史上的四大发明，但世界上均承认瓷器是中国人的一大创造。英文中的“中国”和“瓷器”是同一个单词“,CHINA”,。,瓷器制造要比陶器晚得多。是中国人把粗陋的陶提升为精美的瓷器，从器物上升为艺术。,1.1.2,文明的发展与材料的关系,陶和瓷的区别,陶器的主要原料是粘土，有什么土就用什么土，,制瓷要精选的瓷土，尤其是采用景德镇人发现的高岭土，高岭土对于提高瓷的光洁性、致密性、白度、硬度、防渗水性等起到了关键性的作用。,高岭土,(kaolin),：有一定比例的长石和石英或其他矿物。,瓷器：原料的颗粒尺寸小得多，焙烧要更高的温度，焙烧的控制也难得多。,1.1.2,文明的发展与材料的关系,青铜时代,青铜是人类历史上的一项伟大发明，是世界冶金铸造史上最早的合金。,青铜器是以青铜为材料，采用一种特殊的工艺,(,为青铜铸造工艺,),制作出来的器物，是古代灿烂文明的载体之一。,青铜时代是以大量使用青铜生产工具、兵器和礼器为特征。,1.1.2,文明的发展与材料的关系,四川三星堆出土的青铜器,青铜鼎,铁器时代,1854,年转炉炼钢,1864,年平炉炼钢，产量发生飞跃,1890,年全世界钢产量,2000,万吨,电炉冶炼,-,特殊钢问世,1887,年高锰钢,1903,年硅钢,1910,年不锈钢,(Cr18 Ni8),1.1.2,文明的发展与材料的关系,把人类文明带进了现代物质文明时代,半导体材料时代,1946,年电子管计算机与,1976,年的微机比较,1.1.2,文明的发展与材料的关系,1.,体积缩小,30,万倍,.,2.,功耗降低,5,万倍,.,3.,重量降低,6,万倍,.,4.,故障率减少，价格下降,.,1958-1998,芯片集成度提高,100,万倍,每单元价格下降,100,万倍,1.1.2,文明的发展与材料的关系,集成电路发展历史,信息时代之光纤通讯,光纤通讯发展历程,技术指标 第,1,代 第,2,代 第,3,代 第,4,代,波长,/,微米,0.83 1.3 1.55 2-5,材料 熔石英 熔石英 熔石英,+,饵 氟化物玻璃,损耗,/dB/km 23 0.51 500,1.1.2,文明的发展与材料的关系,1.1.3,材料发展史,(5,代，无明显界限,),材料是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要标志，也是一个时代的重要标志。,人类社会的发展史事实上也是一部材料的发展史，材料与人类的发展和进步息息相关，材料的每一次重大发现及其大量制造和使用，推动人类社会向更新更高的阶段发展。,几百万年来，人类已经跨越了石器时代，青铜器时代，铁器时代，以水泥、玻璃、塑料、橡胶为代表的非金属时代，,21,世纪将以,复合材料和功能材料,为特色。,第,1,代，天然材料：皮、骨、木、土等。,第,2,代，烧炼材料：烧结、冶炼材料。,第,3,代，合成材料：人工合成的塑料、纤维、橡胶等。,第,4,代，可设计材料：按要求，定向设计、合成，剪裁，复合。,第,5,代，智能材料：材料的性能随外场、环境、时间而变化。,1.1.3,材料发展史,(5,代，无明显界限,),1.2,材料的分类,1,、物理性能分类：,热、光、电、磁材料,2,、材料按用途可分为,结构材料和功能材料,。,结构材料,主要是利用材料的力学和理化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。,功能材料,则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。,功能材料的最新发展是智能材料,。,3,、化学属性分类,按组成物质的化学属性，习惯上将材料分为：,金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料,(,合成材料,),、复合材料,四大类。,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),自然界中存在的,94,种化学元素中有,2/3,是金属,(72,种,).,金属材料是以金属元素为基础的材料,.,金属单质一般有良好的塑性，但其机械性能往往很难满足工程技术等多方面的需要。因此,金属材料更多以合金的形式使用。,由于价电子的高度离域性，决定了它们具有良好的导电、导热性能和易氧化腐蚀的性能。,力学性能,(,如强度、塑性、韧性等,),优良、堪称“全能冠军”。,既耐热，又耐寒。,出色的工艺性能。,良好的导热性、导电性和铁磁性，在电力电子等行业有不可替代的作用。,金属材料的优点,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),金属材料分类,1 .,传统金属材料,黑色金属：,铁、锰、铬及其合金,轻金属,(d5g/cm,3,),铜、镍、银等,有色金属,耐高温金属,(,熔点,1857),铬、钼、钨等,低熔金属,(,熔点,4,00,),锡、铅、鉍等,贵金属 金、铂等,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),2 .,新型金属材料,为了发展航空、火箭、宇航、舰艇、能源等新技术工业，需要研制具有特殊性能的,新型金属材料。如,形状记忆合金等,钢铁是铁和碳的合金体系总称。,钢铁中含碳量大于,2%,的叫,生铁,，小于,0.02%,的叫,纯铁,，在这两者之间的称为,钢,。,钢中含碳量小于,0.25%,的称,低碳钢,，介于,0.25%0.60%,的称,中碳钢,，大于,0.60%,的称为,高碳钢,。,所谓炼钢，其实质是控制生铁中含碳量达到钢的要求，同时除去危害钢的性能的一些杂质，如,S,、,P,等。,若要想得到特殊性能的合金钢，还要加入一些其他金属。例如,:,在,Fe-C,合金中，加入各种适量合金元素,(,常用,Si,、,Mn,、,Cr,、,Mo,、,W,、,V,、,Ti,、,Nb,、,B,等,),，就形成形形色色的合金钢或合金铸铁。,钢铁的分类,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),轻,合金,铝合金：,铝是最重要、最有特色的有色金属，主要特点是：密度低；抗大气腐蚀；优良的导电性；比强度高；良好的加工性能。在从日常用品到汽车、航空材料等各行业都有广泛应用。,钛合金：,轻合金中的又一佼佼者，密度小、强度高、耐高温和耐腐蚀，在航空航天及其它领域中具有主要用途。,镁合金：,比重轻，减震能力强，航空航天领域有重要应用,。,铍合金：,尺寸稳定，惯性低，用于航天；比热大，用于散热片和飞行器头部；热中子吸收截面低，用于核工业。,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),部分重有色合金,铜合金：,包括黄铜、青铜、白铜等，用于机械、仪表、电机、化工、造船、汽车等工业。,锌合金：,用于电池锌板，照相和胶印印刷，铸造温度低用于模具和仪表零件等。,镍合金：,高温强度高，用于航空、火箭发动机和核反应堆等,。,锰合金：,减振性能好，用于潜艇螺旋桨、钻杆等。,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),低熔合金和难熔金属,低熔点合金：,铅,(,熔点,327),、锡,(232),、镉,(321),、铋,(271),等及其合金，用于保险丝、熔断器、焊料等。,Wood,合金组成为,:,质量分数,50%Bi-25%Pb-13%Sn-12%Cd,，熔点仅,71,，用于自动灭火设备，锅炉安全装置以及信号仪表。,焊锡,:,组成为质量分数,37%Pb-63%Sn,，熔点,183.,液体合金,:,组成质量分数,77.2%K-22.8%Na,，熔点,-12.3,，应用于原子能反应堆的冷却剂,.,难熔金属：,钨合金,(,熔点,3407),，用于电光源材料、电子发射材料，军事上用作穿甲弹；钼合金,(2610),、铌合金,(2477),、钽合金,(2985),，在飞机、宇航、核工业等领域有广泛应用。,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),精密合金,电热合金：,用于制造电热器发热体，把电能转化为热能，如铁基或镍基材料。,热电偶：,主要材料及其最高使用温度如下：铂,-,铂铑合金,(1800 ),、镍铬,-,镍硅合金,(1300),、镍铬,-,镍铜,(900 ),、铜,-,镍铜,(400),等,精密电阻：,电阻随温度变化小，稳定性高，用于精密仪器。,弹性合金、膨胀合金等。,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),形状记忆合金,(shape memory alloy),所谓形状记忆效应,是指合金材料在一定条件下，变形后仍能恢复到变形前原始形状的能力。,1951,年美国人首先发现,Au-,Cd,合金有记忆形状的特性。现已发现有多种合金系统都存在形状记忆效应。,形状记忆合金具有传感和驱动双重功能，是一种智能材料，,可广泛应用于宇航，自控，医疗和生活等领域，,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),改变外界条件如温度，使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状态，性质也随之复原。,在实际应用中，形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来开发其形状记忆功能的。,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),形状记忆合金记忆原理,举例：,金,镉,(Au-,Cd,),；镍,钛,(Ni-Ti),；铜,金,锌,(Cu-Au-Zn),；铜,铝,镍,(Cu-Al-Ni),特性,有确定的转变温度 镍,-,钛,40,超弹性 外力作用下 形变,抗疲劳 回忆变形,500,万次不疲劳变形,耐腐蚀,应用,1,）记忆合金铆钉,2,）紧固件,3,）卫星自展天线,(,镍,钛,) 4,）形状记忆合金发动机,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),紧固,件,待连接管,室温下,形状记忆合金套管，内径比待连接管外径小约,4,%,液,N,2,中,扩管约,8,%,待连接管从两端插入,室温,套 管收缩形成紧固,密封件,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),贮氢合金,(hydrogen storage alloy),某些过渡金属、合金和金属间化合物，由于其特殊的晶体结构，氢原子容易进入其晶格间隙形成金属氢化物，氢与这些金属的结合力很弱，但贮氢量很大，可以贮存比其本身体积大,10001300,倍的氢，加热时氢又能释放出来,.,1968,年美国首先发现,镁,-,镍合金,具有吸氢特性，,69,年荷兰发现,钐钴,(SmCo,5,),合金，随后又发现镧,-,镍,(LaNi,5,),合金,在常温下具有良好的可逆吸放氢性能，引起了人们极大的关注。,已成功开发了,镁系，稀土系，钛系，锗系贮氢合金。,贮氢合金贮运氢气，既轻便又安全，作为一种新型贮能材料具有极为广泛的应用前景。,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),应用,氢能汽车、高速飞机燃料,传热介质镍氢电池紧急救生材料,一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相等的氢气，其重量只有氢气瓶的,1/3,，而体积却不到氢气瓶的,1/10,。因此，用储氢合金储氢是一种很理想的储氢手段。,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),耐热合金,(heat resistant alloy),一般金属材料的长期使用温度,500600,，能在高于,700 ,工作的金属合金称为,耐热合金。,“,耐热,”是指材料在高温下能保持足够强度和良好抗氧化性,.,耐热合金,通常是由第,BB,和,族高熔点金属形成的合金,.,广泛应用于制造涡轮发电机,各种燃气轮机热端部件等,.,包括铁基,镍基,钴基,铌基和钨基等合金,.,提高钢铁耐热性的途径,:,设法提高金属键的强度,.,金属键的强度与原子中成单电子数有关,所以与,Cr,Mo,W,等形成合金,可提高耐热性,.,加入可形成,耐高温化合物如碳化物,的金属,形成合金,.,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),耐,腐蚀合金,(corrosion-resistant alloy),耐腐蚀金属,:,通常具备下述条件之一,热力学稳定性高,:,一般是贵金属,Pt, Pd, Au,Ag,Cu,等,.,易于钝化的金属,: Al,Nb,Ta,Ti,Zr,Cr,等,.,表面能生成难溶的和保护性良好的腐蚀产物膜的金属,.,通过特定腐蚀介质来实现,.,耐腐蚀合金,:,抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料更高,.,与热稳定性高的贵金属形成合金,.,与易钝化金属形成合金,.,在合金表面形成致密保护膜,.,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),磁性材料,(magnetic materials),磁性体,是由电磁作用而产生磁化的物质,.,凡是能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为,磁性材料,.,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),磁性材料主要有两大类,矫顽力极大,并且以剩余磁通密度很高为特征,称为,硬磁材料或永磁材料,在发电机、电气仪表等方面大量应用；,矫顽力小,外部磁场的微小变化即可引起磁化的很大变化，为磁损失小的高导磁率材料,称为软磁材料,主要用于电动机及变压器的磁芯以及各种磁头材料、磁性密封材料和微波材料等,.,还有利用磁滞曲线非线性部分的,磁记录材料和磁存储材料以及磁致伸缩材料和磁光材料,等,.,永磁合金,(permanent magnet alloy),矫顽力极大，且以剩余磁通密度很高为特征，称为,硬磁材料或永磁材料,.,最早的永磁合金：具有铁磁性的,Fe, Co, Ni,的合金,.,稀土永磁合金：,SmCo,5,；,Sm,2,Co,17,；,Nd,-Fe-B,；,Sm,2,Fe,17,N,2,；,Pr-Fe-B-Cu,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),巨磁阻效应,(gigantic reluctance effect),巨磁阻,是指在一定磁场下电阻急剧减小的现象。比一般磁性合金强,10,多倍,.,1988,年巴黎大学肯特教授首次在,Fe/Cr,多层膜中发现巨磁阻效应,.,随后在,Fe/Cu, Fe/Al, Fe/Au, Co/Cu, Co/Ag,和,Co/Au,等纳米结构的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应,.,巨磁阻效应,在高密度读出磁头,磁存储元件等高技术领域有广泛用途,.,1994,年,IBM,公司研制成功巨磁阻效应的读出磁头,磁记录密度提高,17,倍,达,5Gbit/in,2,现已超过,11 Gbit/in,2,.,巨磁阻效应,还可用于制备无电源随机存储器，微弱磁场探测器,.,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),非晶态金属,(amorphous metal),将某些金属熔体，以极快的速度急剧冷却。如，,10,6,K/s,。无序的原子被迅速“冻结”而形成无定型的固体，称,非晶态金属,，,亦称,金属玻璃,.,能形成非晶态的合金有两类,:,金属之间的合金,:,如,Cu,60,Zr,40, La,76,Au,24, U,70,Cr,30,等,.,金属与非金属形成的合金,:,如,Fe,80,B,20, Fe,40,Ni,40,P,14,O,6,等,.,制备非晶态合金的技术,:,气相沉积法,激光表层熔化法,离子注入法,化学沉积法和电沉积法等,.,性能特点,:,强度韧性兼具,;,耐蚀性优异,;,低损耗,高磁导,;,一定的催化性能和贮氢能力,.,用途：,变压器、电动机芯、光磁记录、 超大规模集成电路板,1.2.1,、金属材料,(,metals & alloys),新近发展起来的,新型陶瓷,，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物。,除金属以外的无机材料统称,无机非金属材料,.,传统的无机非金属材料主要有,陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种，,化学组成均为硅酸盐类，因此无机非金属材料亦称,硅酸盐材料。,又因其中陶瓷材料历史最悠久，应用甚为广泛，故国际上常称之为,陶瓷材料，,先进无机非金属材料，亦称无机新材料。,包括结构陶瓷，,复合材料，功能陶瓷，半导体，新型玻璃，非晶态材料和人工晶体等。,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷 硅化物陶瓷,按化学成分,新型陶瓷分类,:,按使用性能,特点：,电、磁、光、热等性能,用途：,通信、电子、自控、集成电路,结构陶瓷,功能陶瓷,特点,:,耐高温、超硬度、 高强度、 耐磨损、 抗腐蚀,用途：,能源、机械、冶金、宇航,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),无机非金属材料的特点,晶体结构,:,结合力主要为离子健、共价键或离子,-,共价混合键。赋于这类材料以高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性，以及宽广的导电、导热性和透光性和良好的铁电性、铁磁性、压电性，高温超导性等。,化学组成,:,无机非金属材料已不局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸盐、氧化物、氯化物、碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅,、,锗、,IIIV,族及,IIVI,族化合物等。其形态也趋于多样化,复合材料、薄膜、纤维、单晶和非晶材料占有越来越重要的地应,.,制备,:,高纯度、高细度的原料,并精确控制化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构等。,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),传统的无机非金属材料,天然硅酸盐,:,其基本结构单元为硅氧四面体,(SiO,4,),4-,即硅位于四面体的中心，四个氧原子位于四面体的四个顶点。,(SiO,4,),4-,四面体相互结合，或与金属离子形成具有单个阴离子，链状和层状阴离子以及骨架状结构等四大类硅酸盐。,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),硅氧骨架结构,岛状,三方环,四方环,六方环,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),单链,双链,长石架状,石英架状,层状,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),硅氧骨架结构,滑石,高岭土,白云母,蛇纹石,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),层状硅酸盐矿物,架状硅酸盐矿物,长石,沸石,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),链状、环状硅酸盐矿物,碌帘石,电气石,辉石,硅灰石,硅线石,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),水泥,(cement),水泥,:,是一种水硬性胶凝材料，加入适量水后称为塑性浆体，可将砂、石纤维等材料黏结起来，硬化后形成一个整体。,世界水泥年产量达数亿吨，我国年产量列世界第一。,硅酸盐水泥,:,以,石灰岩、粘土和铁矿石为原料，按一定比例混和并磨细成所谓生料，经,1450 ,煅烧成熟料，然后加入一定量的石膏后再次细磨即为水泥。这一过程可概括为,“两磨一烧”。,质量分数,: 6267%CaO+2024%SiO,2,+47%Al,2,O,3,+25%Fe,2,O,3,.,特种水泥,:,矾土水泥，快凝快硬“双快水泥”，防裂防渗的“低温水泥”，能耐,1250,的“耐火水泥”，用于化工生产和特殊场合的“耐酸水泥”。,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),玻璃（,glass),熔体通过一定方式冷却，因粘度逐渐增大而具有固体性质和结构特征的非晶态物质都称为玻璃。,普通硅酸盐玻璃,:,主要成分是,SiO,2, Na,2,O,和,CaO,等,硬而脆,.,硅酸盐玻璃中的,Na,2,O,被,B,2,O,3,取代,可得到硬而耐热的硅硼酸盐玻璃,最高耐温可达,1600,称为耐热玻璃,.,硅酸盐玻璃中加入,Li,2,O,等成核剂,紫外线照射或特殊热处理,在体系中形成,SiO,2,和,Li,2,O,微晶,得到微晶玻璃,.,强度提高,6,倍,比高碳钢硬,比铝轻, 900 ,入冷水而不碎,.,石英玻璃,:,热膨胀系数极小, 11001200 ,可长期使用,.,钢化玻璃,:,高强而安全,碎块不尖,不伤人,.,新玻璃品种,:,半导体玻璃,激光玻璃,电光玻璃,透红外线玻璃等,.,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),能够满足高温条件下使用要求的无机非金属材料，即在高温使用下不熔融、不分解、不氧化变质，并具有一定牢固性，通常规定其耐火度在,1580,。,耐火材料品种繁多，按其化学,-,矿物组成可分为硅质制品。硅酸铝质制品、镁质和白云石质制品、砖质制品、锆质制品等。为满足近代工业需要还研制了多种使用高纯度的人工合成原料制成的高级耐火材料。,耐火材料,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),陶瓷,(ceramics),以粘土为原料,调制成型,经高温烧结而制得的硬而脆,耐水的人工硅酸盐材料。,以粘土为原料,调制成型,低于,1000,烧结得到的多孔烧结体,称,陶,;,以更纯粘土与几乎等量的石英和长石,调制成型后, 1200,煅烧,经涂釉,升至,1400,煅烧,得到带有细釉的“,瓷器,”,.,传统的陶瓷材料是复杂的多晶体，细化晶粒，提高致密程度，减小气孔率，增加附加能量消耗材料相,可提高陶瓷的强度和韧性,.,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),精细陶瓷,(advanced ceramics),结构陶瓷,:,指具有高硬、高强、耐磨耐蚀、耐高温和润滑性好等性能,用做机械结构零部件的陶瓷材料,.,氧化铝,:,高纯超细氧化铝经高温烧结而得,.,使用温度高达,1980,用途极广,.,高纯氧化铝加入少量,Y,2,O,3,和,MgO,等,特殊烧结,可得,透明陶瓷,.,少量,Cr,2,O,3,与,Al,2,O,3,形成固溶体,称,红宝石,是激光材料,.,氧化锆,:,离子键结合,性脆,.,加入少量,Y,2,O,3,和,CaO,等可,实现增韧,得到“陶瓷钢”,.,氮化硅,:,硬度为,9.,低膨胀,高热导,可适应温度的急剧变化,. Si,3,N,4,可与,Al,2,O,3,形成固溶体,制得新材料“塞龙,(,sialon,)”.,碳化硅,:,SiC,俗称“金刚砂”,原子晶体,.,高温强度极高,掺杂可制得半导体材料,制作发热元件,.,已用于制造无冷却式陶瓷发动机,.,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),功能陶瓷,:,指以其固有的特性或通过各种物理因素作用而显示某种新性能的陶瓷材料,.,压电陶瓷,:,具有压电效应的陶瓷材料,.,主要有,:,钛酸钡系、钛酸铅系和锆钛酸铅系。用于制造各种换能器和传感器。,晶体受外力作用而形变，同时在对应两个面上产生电荷，晶体带电的大小与外力成正比；相反，在外加电场作用下，在晶体相应面上会产生形变，该现象称“,压电效应,”,.,光导纤维,:,光通信关键。,SiO,2,和,LaF,3,已实用化,.,固体电解质,:,AgI,离子晶体，,Y,2,O,3,和,CaO,稳定,ZrO,2,等,.,传感材料,1.2.2,、无机非金属材料,(,inorganic nonmetal materials),高分子材料是一种古老而又年轻的材料。,合成高分子材料从问世到今天不到一个世纪，但在这短短的几十年中，其发展速度却远远超过其它传统材料。在过去的,40,年中，美国塑料生产猛增,100,倍，而同一时期钢铁生产却几乎是负增长。,如按体积计算，全世界塑料的产量在,90,年代初已超过钢铁，高分子材料在世界经济中的作用已变得越来越重要。,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),高分子材料的分类和用途,根据高分子的来源，可将其分为天然高分子和合成高分子；,根据用途则可分为,塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂和功能高分子。,自然界存在的天然高分子化合物的发展受到自然条件的限制，在数量和质量上都不能满足人类社会飞速发展的需要。,合成高分子的出现是对人类资源的综合利用，更有利于经济的综合、平衡发展。,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),新型高分子材料,：,在高分子链上引入有特殊功能的基团制成的材料,1,、生物高分子材料：,用途：修复、替代人体组织。,2,、吸水高分子材料：,高吸水、高保水。,日常生活：纸巾,；医疗卫生：血液吸收剂、人工玻璃体,；,农业：土壤保水剂,；工业：干燥剂 空气过滤器 密封材料,3,、导电高分子材料：,如 聚乙炔,导电能力大于铜，电池体积小，可弯曲,4,、光电导高分子材料,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),塑 料,是一类常温下具有固定的形状和强度，高温下具有可塑性的高分子材料。,通用塑料：聚乙烯,(PE),、聚丙烯,(PP),、聚氯乙烯,(PVC),、聚苯乙烯,(PS),、,ABS,树脂,(,丙烯腈,-,丁二烯,-,苯乙烯,),、有机玻璃,(PMMA,聚甲基丙烯酸甲酯,),工程塑料：尼龙,(PA,酰胺纤维,),、聚碳酸酯,(PC),、聚酯,(PET),特种塑料：聚四氟乙烯,(PTFE),、有机硅树脂,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),橡胶,橡胶是一类具有高弹性的高分子材料，拉伸时能伸长到原长的几倍，拉力撤除后又能恢复到原来的尺寸。,橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。,橡胶的弹性、柔软性、耐磨性、绝缘性和阻隔性都十分优良，用途十分广泛。,工业上，主要用于制备各种轮胎,(50%,以上,),。此外，传送带、马达皮带、自动扶梯把手、印刷用的胶辊、电缆电线的绝缘护套及劳保产品等也都由橡胶制造。,农业上用于制灌溉胶管。,生活中的雨衣、胶鞋、热水袋、球类、玩具、输液管等也是用橡胶制成的。,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),纤 维,使用天然纤维的历史已有好几千年。我国是利用天然纤维最早的国家之一，其中闻名于世的蚕丝更是我们祖先的一项重大发现。,天然纤维的生产也受到自然环境的限制。仅靠天然纤维来解决人们的穿衣问题是非常困难的，唯一的出路是大力发展合成纤维。,合成纤维的出现是在,20,世纪,30,年代。,1938,年第一个化学纤维厂投产，生产尼龙,66,。此后一系列合成纤维如腈纶、涤纶等先后研制成功。,目前合成纤维的产量已经占工业纤维的,100,和民用纤维的,50%.,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),合成纤维具有比天然纤维和人造纤维更优越的性能：强度高大、弹性好；耐磨、耐化学腐蚀性好；不会发霉，不怕虫蛀；不缩水；做成的衣服美观，坚固耐用。,制备纤维的聚合物必须具备如下条件：很好的防丝性；较高的强度；较好的耐热性；较好的手感、吸湿性、染色性、抗腐蚀和抗霉变性。,最主要的合成纤维有三种：涤纶（聚酯纤维），是最挺括的纤维；锦纶（聚酰胺纤维），最结实耐磨的纤维；腈纶（聚丙烯腈纤维），最耐晒的纤维。,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),涂料是一种液态或粉末状态能均匀涂覆在物体的表面并形成坚韧保护膜的材料。,涂料具有保护、装饰、色彩标志作用，某些涂料还具有防腐、杀菌等特殊功能。,涂料的主要组分有：成膜物、溶剂、颜料和填料、助剂等。,涂料工业正向高质量、低成本、低污染及方便施工的方向发展。绿色环保已成为涂料发展的主题。,涂 料,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),涂料的主要品种,涂料的品种有溶剂型涂料、高固含量涂料、无溶剂辐射固化涂料及粉末涂料等。,合成树脂漆（包括酚醛树脂漆、环氧树脂漆、聚氨酯树脂漆和丙烯酸树脂漆,),，形成的漆膜质量较好，硬度高，耐磨性好，涂饰性能好，但使用的有机溶剂量大，会对环境和健康带来不利影响。,乳胶漆（包括聚醋酸乙烯酯涂料和丙烯酸酯系列乳液,),属于水性涂料，其最大特点是涂膜的物理性能优异，装饰效果好，耐水性好。耐腐蚀和耐紫外线性能优良。既可以用于中、高档装饰的内墙涂料，也可用作外墙涂料。,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),凡能把同种的或不同种的固体材料表面连接在一起的物质统称为胶粘剂。如自行车补胎用的胶水，信封封口用的糨糊等。,胶粘剂的品种很多，组成不一，但一般都包含以下几种组分：基料、固化剂、溶剂、填料以及其他助剂。,随着经济和科学技术的发展，胶粘剂需求量愈来愈大，并已进入工业、农业、交通、医学、国防以及人们日常生活各个领域，在国民经济中发挥愈来愈大的作用。,胶 粘 剂,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),胶粘剂的种类,溶剂型胶粘剂：如市售的“白胶”，广泛应用于家庭装潢和木材的粘接；再如，仪器的塑料外壳破裂或损坏，将碎片溶于少量有机溶剂中，再涂在断口处并压紧即可修补。,热固性高分子树脂胶粘剂：如用于木材的脲醛树脂和酚醛树脂；用于船体、水坝补漏或飞机、导弹等粘接的环氧树脂；用于粘接塑料、皮革等的聚氨酯等。,橡胶胶粘剂：如补车胎的胶水，房屋建筑防水密闭用的硅橡胶密封胶。,压敏胶粘剂：如包装封口用的压箱带、作文具用的压敏胶带、商场的压敏标签等。,1.2.3,、高分子材料,(,Polymers,),两种或两种以上的材料进行有效复合得到的复合型材料。,多相复合材料已成为当前材料研究的重要对象。,自美国创造纤维增强树脂第一例复合材料以来，,1942-1960,主要着眼于质量轻和高强度；,1960-1975,主要着眼于高强度和高韧性，用于航空航天部件；由,1975,年至今，追求多功能复合成为复合材料的主要奋斗目标,目前，主要着眼于如何实现多功能复合和提高性价比,1.2.4,、复合材料,(Composite Materials),复合材料,是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚性和耐腐蚀性等比单一材料更为优越，是一类具有广阔应用发展前景的新型材料。,复合材料的种类,1.2.4,、复合材料,(Composite Materials),纤维,(,或晶须,),增强或补强型复合材料：,纤维增强有机聚合物复合材料已有广泛应用。,纤维增强金属基复合材料估计仍以碳纤维或碳化硅纤维增强铝基和钛基复合材料为主；,纤维补强陶瓷基复合材料则以碳化硅或其他无机纤维为补强剂，基体则以非金属陶瓷为主。,复合材料的种类,1.2.4,、复合材料,(Composite Materials),第二相颗粒弥散复合材料：,以无机化合物弥散金属基复合材料是当前颇具吸引力的材料。,碳化硅颗粒增强铝基或钛基复合材料在改善高温性能方面显示出明显的效果。,碳化钛和二硼化锆弥撒的碳化硅基复合材料的强度与断裂韧性可提高,50-70%,。,复合材料的种类,1.2.4,、复合材料,(Composite Materials),功能梯度复合材料：,即一面是具有结构作用的金属材料，在逐层地渗入无机化合物，使另一面具有一些特殊的功能。,如，碳化硅,-,氮化硅梯度复合材料的性能较纯粹碳化硅陶瓷有大幅度的提高。,复合材料大多是以连续相存在的,基体材料,和分散于基体中的,增强材料,组成,.,增强材料,:,能提高材料基本力学性能的物质,.,包括粒子和纤维,.,无机纳米粒子具有更高的增强增韧效应,;,纤维具有良好的刚性和抗张强度,.,在体系中构成复合材料的,骨架,决定材料的,刚性和强度,.,基体材料,:,使增强材料,粘合成型,且对承受的外力起,传导和分散,作用,.,21,世纪是复合材料的世纪,.,1.2.4,、复合材料,(Composite Materials),半导体材料,(,semiconducting,material),半导体材料,:,室温电阻率为,10,-4,10,10,cm,依靠电子和孔穴这两类载流子的迁移实现导电的材料,.,半导体材料类型,:,元素半导体：包括,Si,Ge,Sn,P,As,Se,等,但实用的纯单质只有,Si,和,Ge,.,均,使用其高纯单质,如大规模集成电路使用的硅纯度超过,99.9999999,现已能制得,14,个,9,的单晶硅,.,掺杂半导体,:,适当掺杂大幅度提高电导率,通过调整杂质含量控制电导率,包括,p-,型如,Si(B,Al,),Ge(Ga,),和,n-,型半导体如,Si(P,As,),Ge(As,).,化合物半导体,: A,x,B,8-x,(x=1,2,3),即,I-VII, II-VI, III-V,族,元素的组合,具有金刚石型或,ZnS,型晶体结构,以共价键为主,.,实用化最多的是,III-V,型,性能最好的是,GaAs,亮灰,硬而脆,掺,Te,得,n-,型,掺,Zn,或,Cd,得,p-,型,.,缺陷半导体,:,氧化物和硫化物,结构中存在阴离子或阳离子空位,.,1.2.5,、其他材料,超导材料,(superconducting materials),超导电性,:,某些材料随温度降低,电阻率下降,在某一特定温度附近,电阻突然消失的现象,.,具有超导电性的材料称,超导材料,.,1911,年,首次发现,Hg,在,4.15K,时,出现,0,电阻,.,1973,年得到,Tc,为,23.2K,的,Nb,3,Ge,超导体,.,1986,年瑞士贝德诺兹和缪勒发现了,Tc,=35K,的,La-,Ba,-Cu-O,混合氧化物,.,1987,年朱经武发现了,Tc,=90K,的,超导氧化物,.,赵中贤研究组制得了,Tc,=93K,的,Y-,Ba,-Cu-O,混合氧化物。超导温度已高于液氮沸点,77K,进入实用化阶段,.,科大研究组已制得了,Tc,=132K,的,Bi-,Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O,超导体,.,以,C60,为基础的有机超导体研究也取得了突破性进展,.,超导材料在能源输送，磁悬浮列车，医疗卫生等领域有广阔应用前景,.,1.2.5,、其他材料,材料科学：范畴及任务,材料是一切技术发展的物质基础，是与人类社会的发展进步密切相关的。,随着科学技术的发展，人们对材料的认识不断深化，吸取了近代物理、化学，特别是固体物理、量子化学等基础理论，并应用各种先进分析仪器和尖端技术来研究和阐明材料的本性，为认识材料的性能,结构,应用之间的关系和探索新材料提供了理论基础。,在各种基础学科的渗透和现代科学仪器的帮助下，从,20,世纪,60,年代开始形成了一门新的综合性学科,材料科学。,1.3,材料与材料科学,材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学。,材料科学的内容：,一是从化学的角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系规律；,二是从物理学角度出发，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系，,在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学依据。,1.3,材料与材料科学,材料科学的主要任务是以现代物理学、化学等基础学科理论为基础，,从电子、原子分子间结合力、晶体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的各种性能,及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构,性能,应用之间的规律关系，提高现有材料的性能，,并能动地探索和发展新型材料以满足工农业生产、国防建设和现代技术发展对材料日益增长的需求。,1.3,材料与材料科学,材料科学体系示意图,1.3,材料与材料科学,材料科学与工程,研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及四者之间的相互依赖关系的规律,材料科学,.,研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发并生产出材料，提高材料的使用效能，以满足社会的需要，设汁与制造材料制备与表征所需的仪器、设备,材料工程。,科学与工程彼此密切结合，构成个学科整体,.,1.3,材料与材料科学,1.4,新材料研究的特点与发展趋势,1,、新材料研究的特点：,目前世界上新材料的品种正以每年大约,5%,的速度在增长。多相复合材料已成为当前材料研究的重要对象。,3,、未来材料发展的趋势,智能化，仿生化，复合化，纳米化，轻量化，高功能化等方向发展。,应用已有的系统化的分子结构和性能等知识和信息,进行,分子设计和材料设计,并指导合成和制备具有,预期,性能和使用效能的材料,.,