材料化学讲稿第一章绪论.ppt

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,*,第一章,绪论,1.1,材料的发展历史及在现代社会中的重要地位,材料是社会进步的物质基础，是人类进步程度的主要标志，所以人类社会的进步以材料作为里程碑。,纵观人类发现和利用材料的历史，每一种重要材料的发现和广泛利用，都会把人类支配和改造然的能力提高到一个新水平。,给社会生产力和人类生活水平带来巨大的变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步,。,一百万年以前,，,人类开始用石头做工具，进入,旧石器时代,。,大约一万年以前,，,人类开始对石头进行加工制成精致的器皿或工具，人类进入,新石器时代,。,石器时代人类,开始用皮毛遮身,8000年,前中国,开始用蚕丝做衣服,4500年,前印度人,开始种植棉花,标志着人类使用材料,促进文明进步,公元前2700年，中国已经使用青铜器，至今约5000年的历史，到商周(公元前17世纪到公元前3世纪)进入了鼎盛时期，如河南安阳出土的达875kg的鼎、湖北隋县的编钟、西安青铜车马都充分反映了当时中国冶金技术水平和制造工艺的高超。,陶器的出现是对精神文明的一大促进，历史上虽无陶器时代的名称，但其对,人类文明的贡献是不可估量的,。,烧制陶器过程中偶然发现,金属铜和锡,，进而又生产出色泽鲜艳、又能浇铸成型的青铜器，从而使人类进入青铜时代。,当然那时还不明白这是铜、锡的氧化物在高温下被炭还原的产物,大约在,80009000年,前，人类还处于新石器时代,，已发明了用,粘土成型，再火烧固化而成为陶器,。,希腊在公元前,3000年,前，埃及在公元前,2500年,前，巴比仑在公元前19世纪中叶，印度大约在公元前,3000年,已广泛使用青铜器。,这是人类大量利用金属的开始，也是人类文明发展的重要里程碑。,公元前1314世纪前，人类已开始用铁，3000年前铁工具比青铜工具更为普遍，人类开始进入了,铁器时代,。,中国最早出土的人工冶铁制品约在公元前9世纪。到春秋(公元前770476年)末期，生铁技术有较大突破，遥遥领先于世界其他地区，如用生铁退火而制成韧性铸铁及以生铁炼钢技术的发明，促进了中国生产力的大发展，对战国和秦汉农业、水利和军事的发展起到很大作用。,早在公元二世纪中国的钢和丝绸已驰名罗马帝国,。,生铁技术在公元前5世纪即春秋末叶已经在黄河长江流域传播。,生铁技术于公元67世纪传人朝鲜半岛、日本和北欧，推动了整个世界文明的进步。,18世纪,发明了蒸汽机，,19世纪,发明了电动机，对金属材料提出了更高要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。,1854年,和,1864年,先后发明了,转炉和平炉,炼钢，使世界钢产量有一个飞速发展。,1850年,世界钢产量为6万吨，,1890年,达2800万吨，大大促进了机械制造、铁道交通及纺织工业的发展,。,电炉冶炼,开始，不同类型的特殊钢相继问世,1887年,高锰钢,1900年,18-4-1(W18Cr4V)高速钢,1903年,硅钢及,1910年,奥氏体镍铬(Crl8Ni8)不锈钢，把人类带进了现代物质文明。,铜、铝得到大量应用，镁、钛和很多稀有金属也相继出现，,金属材料在整个20世纪占据了结构材料的主导地位,。,有机化学的发展，,19世纪末叶,西方科学家仿制中国丝绸发明了人造丝，这是人类改造自然材料的又一里程碑。,20世纪初,，人工合成有机高分子材料相继问世。,1909年,的酚醛树脂(电木)，,1920年,的聚苯乙烯，,1931年,的聚氯乙烯,1941年,的尼龙等，,性能优异，资源丰富、建设投资少、收效快而得到迅速发展。目前世界三大有机合成材料(树脂、纤维和橡胶)年产量逾亿吨。而且有机材料的性能不断提高，附加值大幅度增加，特别是特种聚合物正向功能材料各个领域进军，显示其巨大的潜力。,陶瓷,本来用作建筑材料、容器或装饰品等。,由于其资源丰富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蚀、膨胀系数小、耐高温、耐磨等特点，到了20世纪中叶，通过合成及其他制备方法，做出各种类型的先进陶瓷(如Si,3,N,4,、SiC、ZrO,2,等)，成为近几十年来材料中非常活跃的研究领域，有人甚至认为“,新陶器时代,即将到来。,由于其脆性问题难以解决，且价格过高，作为结构材料没有得到如钢铁或高分子材料一样的广泛应用。,复合材料,是20世纪后期发展的另一类材料。天然材料很多是复合材料，如木材、皮革、竹子等。人类很早就制造复合材料，如泥巴中混入碎麻或麦秆用以建造房屋，钢筋水泥是脆性材料和韧性材料的复合。,近几十年来，利用树脂的易成型和金属韧性好，无机非金属的高模量、高强度、耐高温，做成了树脂基复合材料或金属基复合材料，前者已得到广泛应用，后者以其制作困难、价格高而受到一定限制。为了改善陶瓷的性能，也制成陶瓷基复合材料。,碳,是使用温度最高的材料(可达2500),为了克服热震性能差，并提高其力学性能而制出的碳碳复合材料已广泛用于军工，并扩展到民用。,材料科学所包括的内容往往被理解为研究,材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律,。,这属于基础研究,。,材料是面向实际、为经济建设服务的，是一门应用科学，研究与发展材料的目的在于应用，而材料又必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来，通过批量生产才能成为工程材料,。,在“材料科学”这个名词出现后不久，就提出了,“,材料科学与工程,”。,工程是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题,。,许多大学的冶金系、材料系也就此改变了名称，多数改为“材料科学与工程系,”，,偏重基础方面的就称“材料科学系”，偏重工艺方面的称“材料工程系”,。,也有不肯放弃“冶金”而称为“冶金与材料科学系”的，如英国的剑桥大学。同时，有关材料科学或材料科学与工程方面的杂志和书籍也应运而生。,第一部材料科学与工程百科全书由美国麻省理工学院的科学家主编，由英国Pergamon自1986年陆续出版。它对材料科学与工程下的定义为：,材料科学与工程就是研究,有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识的产生及其运用,。,换言之，材料科学与工程是研究,材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系,。,组成与结构(composition-structure)、,合成与生产过程(synthesis-processing)、,性质(properties)及使用效能(performance),称之为材料科学与工程的四个基本要素(basicelements)。把四要素连结在一起，便形成一个四面体(tetrahedron)。,考虑在四要素中的,组成结构,并非同义词，即相同成分或组成通过不同的合成或加工方法，可以得出不同结构，从而材料的性质或使用效能都不会相同。,我国有人提出一个五个基本要素的模型，即,成分(composition)、,合成/加工(synthesis/processing),结构(structure),性质(properties),使用效能(performance),。,如果把它们连接起来，则形成一个六面体(hexahedron)。,材料科学与工程五要素模型的特点主要有两个：,一是,性质与使用效能有一个特殊的联系，材料的使用效能便是材料性质在使用条件下的表现,。,环境对材料性能的影响很大，如受力状态、气氛、介质与温度等。,有些材料在一般环境下的性能很好，而在腐蚀介质下性能却下降显著；,有的材料在光滑样品时表现很好，而在有缺口的情况下性能大为下降，特别有些高强度材料表现尤为突出，但凡有一个划痕，就会造成灾害性破坏。因此，环境因素的引入对工程材料来说十分重要。,二是,材料理论和材料设计或工艺设计有了一个适当位置，它处在六面体的中心。,因为五个要素中的每一个要素，或几个相关要素都有其理论，根据理论建立模型(modelling)，通过模型可以进行材料设计或工艺设计，以达到提高性能及使用效能、节约资源、减少污染或降低成本的最佳状态。这是材料科学与工程最终努力的目标。,人们设想提出性能指标或使用效能要求，可以通过材料配方，采用最佳工艺，就可制备出符合要求的材料或器件。,一是：,多学科交叉。,是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学及计算科学相互融合与交叉的结果，如生物医用材料要涉及医学、生物学及现代分子生物学等学科。,二是：,与实际使用结合非常密切的科学。,发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染。,材料科学有三个重要属性：,三是：,材料科学是一个正在发展中的科学。,不像物理学、化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展而得到充实和完善,。,1.3 先进材料是社会现代化的先导,从电子技术的发展可以看出材料所起的作用。,1906,年发明了电子管，从而出现了无线电技术、电视机、电子计算机。,1948,年发明了半导体晶体管，致使电子设备的小型化、轻量化、节能化及成本的降低、可靠性的提高与寿命的延长。,1958,年出现了集成电路，使计算机及各种电工设备发生再一次飞跃。,1946,年电子管计算机与,1976,年微机的一些指标来对比，由于采用集成电路，使计算机体积缩小了,30,万倍，功耗降低了,5,万多倍，重量降低了,6,万倍，平均故障率也大为减少，而且价格大幅度下降。这样为计算机的普及创造了条件。,芯片集成度不断提高，单元体积和价格不断下降，,19581998,的,40,年间，芯片集成度提高了一百万倍，每单元价格下降到一百万分之一，因为单元价格与特征尺寸的平方成正比，与晶片直径的平方成反比。,材料既是人类社会进步的里程碑，又是社会现代化的物质基础与先导。特别是先进材料的研究、开发与应用反映着一个国家科学技术与工业水平。,航空航天技术的进步,21世纪全球经济的一体化，一靠信息网络的大发展，形成全球性的电子商业；二是运输工具的高效、远程、大容量。,前者是电子及光电技术发展的结果，后者是航空技术与水上、地面运输工具不断改进的结果，都与材料有着密切联系。,以飞机而论，由于战争的需要，,20世纪40年代,出现了喷气技术，这种技术的实现是以,高温材料及高性能结构材料,为,依托的,。高温合金的发展，使涡轮温度不断提高；高比强度、高比刚度结构材料的不断进步，使今天大型客机的安全性及有效载荷大为提高，续航时间不断延长，飞机发动机寿命显著延长，油耗不断下降。,有人对歼击机的发展有一个估计，飞机性能的改善有2/3依靠于材料，航空发动机性能的提高在很大程度上也有赖于材料的改进。由此说明材料对飞机的重要性。,地面运输工具如汽车和火车，水上运输工具如轮船的发展莫不与材料有密切关系。,航天与卫星是科学技术现代化的重要标志之一。对材料的要求除了高比强度和高比刚度之外，还需要耐超高温、抗辐射、耐粒子云以及原子氧侵蚀等的材料，对比强度和比刚度的要求更为苛刻，因为航天飞行器每减重1kg，可使运载火箭减轻几百千克。,1.4 传统材料在国民经济中的地位与可持续发展,谈到传统材料往往和“夕阳工业”联系在一起。,实际上传统材料与国民经济支柱产业是密不可分的。,传统材料量大面广,。,传统材料只要有一点改进，收益就十分可观。,据估计，美国道路与桥梁的使用寿命增加1，其收益可达300亿美元。世界易拉罐每年消耗量以600亿计，其造价每个省1分，则有6亿元的收益。,传统材料是矿产资源消耗大户,。,根据专家估计，全世界铁矿资源最多能维持200300年，铝矿近百年，而铜、铅、锌矿只能够几十年。因此，除了提高矿产的收得率外，要开拓新的矿源，探索某些关键材料的代用品,。,传统材料在制备过程中污染严重,。,根据美国统计，含毒污水的排放，近80来自化工、钢铁与有色金属冶炼，因而有机材料和金属是重要污染源。水泥生产除了高能耗外，也是一个重要污染源。,1997,年我国生产水泥5亿吨，占世界产量近40，产生CO,2,近4亿吨，SO,2,49万吨，NO100万吨，粉尘1100多万吨。废气加剧了温室效应，促进了酸雨。,1.5 材料科学技术发展的重点,1.材料制备工艺与技术的开发,任何一种新材料从发现到应用于实际，必须经过适宜的制备工艺才能成为工程材料。,高温超导自,1986年,发现以后到20世纪末，已有15年的历史，但仍不能普遍应用于电力，主要是因为没有找到价廉而稳定的生产线材的工艺。,C,60,也是如此，尽管在发现之初认为它的用途十分广泛，但到,20世纪末,仍处于科研阶段。,传统材料也需要不断改进生产工艺或流程，以提高产品质量、降低成本和减少污染，从而提高竞争能力,。,材料制备工艺的重点：一是工艺流程的智能化；,二是实现原子或分子加工，使材料或器件依照人们的意志达到微型化、多功能化和智能化。,2.,材料的应用研究与开发,材料的广泛应用是材料科学技术发展的主要动力，实验研究出来的具有优异性能的材料不等于具有实用价值，必须通过大量应用研究，才能发挥其应有的作用。,材料的应用要考虑以下几个因素：,一是材料的使用性能(performance)；,二是使用寿命(durability)及可靠性(reliability)；,三是环境适应性(environmental compliance)，包括生产过程与使用期间；,四是价格(cost),。,材料是否有竞争能力，除了质量和质量稳定性以外，还有材料的生产成本和价格。价格的影响因素很多，其中产量是决定因素之一。,材料应用研究又是机械部件与电子元件失效分析的基础。失效分析的准确性与时效性代表一个国家的科学技术水平，因而通过材料的应用研究来培养一批既有实践经验又有理论基础的工程技术人才是一个重要途径。,3.,开发先进材料，发展高技术产业,(1),信息功能材料将得到更高的重视,人类已进入信息时代，为了实现装置的小型化、低功耗、多功能化和智能化，信息功能材料将受到更高的重视。所谓信息功能材料，就是指信息的产生、获取、存储、传输、转换、处理、显示所需材料。主要用于计算机、通讯和控制，成为3C(Computer，Communication及Control)所需材料。其特点是要求高，发展快，种类繁多。总的来说，信息技术(IT，Information Technology)以集成电路为基础(细胞)，计算机为中枢(大脑)，网络为媒介(神经)。,(2),先进结构材料的研究与开发是永恒的主题,结构材料一般数量大，资源与能源消耗高，污染严重，对可持续发展有决定性作用。结构材料性能的提高，无疑会减缓上述压力，因性能的提高，使用寿命的延长。,(,3)能源材料的开发有广阔的前景,能源的利用是人类进步的标志之一。目前化石燃料一是储量有限，二是污染严重，必须大力开发无污染、可再生能源。,太阳能虽然密度低，又受气候影响，但辐射于地表的能量，一万倍于人类开发的能源。因此，开发光电转换效率高而又价廉长寿命的材料是当务之急。,(4)有机高分子材料将有更大发展,有机高分子材料以其可再生，资源丰富，又有优异性能，特别可实现分子设计，将会更大发展。,高分子聚合物不但是重要的结构材料，而且正在发展成为重要的功能材料，从,半导体,到,超导体,都有发展前途，作为,电导体,，其电导率可与铜相比，,高分子光学材料,种类繁多，正在研究开发。,高分子材料也具有铁磁性，这些都是21世纪要开展研究与开发的重要领域。但是高分子的某些缺点也是必须下大力气才能得到解决的，如稳定性、抗老化性及阻燃性。,(5)生物材料将受到更大的重视,生物技术,：的发展及人类寿命的延长与生活质量的提高，生物医用材料已成为人们非常关注的领域，器官更换、药物缓释及组织工程的发展将逐步深入。,生物模拟,：是另一正在兴起的学科，使材料的功能进一步提高，并能达到自恢复、自修复或智能化。生物材料的更长远目标是使生物技术原理用于工业化生产，改变高温、高压及耗能高的生产方式，催化剂已迈出第一步。,光合作用,：使水和CO,2,合成碳水化合物，人类正在寻求利用生物技术，通过像催化剂的效应一样以工厂方式合成粮食，如此除了可以解决世界粮食问题，CO,2,过剩问题也可得到解决。当然，这是很长的历史过程,。,(6)纳米材料及制备技术的研究与开发迫在眉睫,纳米技术可大幅度提高结构材料的强度，改善其脆性。对功能材料来说，应用方面更广，高效率的催化作用，以及多变的光学性质、电学性质、磁学性质和热学性质等，将使目前的功能材料性能明显提高。,这些改变将影响到工业和国防的各个方面，所以有人认为纳米技术将如信息技术或生物技术一样，将导致下一代工业革命。应该指出，纳米科学技术仍处于基础研究阶段，特别是纳米电子学、纳米医学所需材料，尚处于探索阶段，但是纳米技术用于结构材料的改性及用作某些功能材料已显示出明显的优越性，有些已进人产业化。,4.,材料设计,材料通过设计而得到所需要的性能是材料科学技术工作者的奋斗目标。,材料设计可以分为几个层次:,最基础的是,量子设计(quantumdesign),，这是由于电子运动而引起的多种现象，如光学，这是功能材料的基础。,其次为,原子设计(atomicdesign),，这是纳米技术的基础。原子排列是决定材料力学性质与化学性质的基础，原子操纵可能是下一代芯片的一种技术。,第三个层次是,微观设计(microdesign),，即微米级结构的设计，金属的相变、晶界的控制都属于这一范畴。,第四个层次是,宏观设计(macro-design),，以毫米到厘米为对象，像金属在凝固过程的结构与偏析便属于此。,5.,科学仪器与检测装置,科学技术的发展很大程度上依赖于新科学仪器的不断发明和性能的不断提高，以物理学诺贝尔奖金获得者为例，大约有半数得益于新仪器的发明或新测试手段的采用。,工业产品质量的改进往往取决于检测装置精度的提高。所以工业发达国家对科学仪器与检测装置的开发与制造都给以足够的重视。,检测是控制工艺流程及产品质量的主要手段，如无损检测装置不但可以检查宏观缺陷，也可监控裂纹的萌生与扩展，提高无损检测装置的精度十分重要，如先进陶瓷的临界裂纹，只有几十微米，没有精密的无损探伤仪，陶瓷的质量控制便谈不上，当前检测装置除了扩大品种，提高灵敏度和稳定性 以外，主要发展在线、动态以及适应各种恶劣环境的检测装置。,1.6 材料化学的研究内容,1.材料化学的定义,材料化学是研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。又称为固体化学。,既是材料科学的一个重要分支，也是材料科学的核心内容。同时又是化学学科的一个组成部分,。,材料化学是最近几十年发展并形成的化学科学的重要分支,。,是无机化学、有机化学、物理化学、材料物理、晶体结构和材料科学等多学科的交叉领域，,因此材料化学具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。,已成为当前材料科学与工程学科中一个十分活跃的新兴分支学科。,Materials Chemistry,Materials Chemistry,2.,材料化学与材料物理的关系,材料化学与材料物理,相互交叉、相互补充,而成为现代材料科学技术的基础，而两者之间又有所,区别和分工,。,材料物理侧重研究构成,物质的原子、离子及电子的运动和相互作用，提出各种模型和理论，以阐明材料结构和物性,。,材料化学则侧重研究,实际材料的合成方法、化学反应、单晶生长、化学组成和晶体结构，,研究,材料中缺陷的形成及其对材料物理及化学性质的影响等。,材料物理,强调,各类材料的共同规律性,，,而,材料化学,则注意,材料随组成变化的特性,；,材料物理,研究,材料中性质的连续变化,，,材料化学,则,关心由化学反应所产生的突变,；,材料物理,研究,实在物质的结构与物性,，,而,材料化学,将研究这些,实在物质的制备、组成结构及由此引起的性能变化,。,3.材料化学的主要内容,材料化学的研究内容十分广泛，它与材料物理以及其他许多学科互相交叉渗透，因此，很难给出明确的、全面的研究范围。,它着重于研究材料(包括单晶、多晶、玻璃、陶瓷、薄膜、超微粒子等)的合成、反应、组成、结构和各种宏观和微观性质。,材料化学的主要内容,包括,材料的化学组成及结构方面的基础知识、材料相变的化学热力学理论，以及金属材料、非金属材料、高分子材料、复合材料的合成过程、结构特性与使用性能之间的相互关系,。,编写材料化学的专著时，作者往往偏重于所研究的领域，内容也将有所不同，但基本内容应包括：,材料物质的合成，材料的组成和结构，固相中的化学反应，材料中的缺陷，材料表面化学，材料的性质与新材料,等。,课堂测验,简述材料科学与工程的研究内涵。,简述材料化学的研究内容。,简述相、组分和系的定义。,我们讲了几种金属精炼的方法？,写出相律的表达式和含义。,本章作业,详述区域精练的原理？,蒸馏精练与挥发精练的区别？,不同温度Fe氧化的构造及过程？,自蔓燃合成的种类并举例说明？,详述自蔓燃合成波的传递过程？,