材料导论(第一～三章).ppt

材料导论 泰山医学院化学与化学工程学院高分子材料与工程教研室 第一章绪论 现代科学技术的三大支柱 能源 材料 信息 其中材料是基础 材料的研究 开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平 关系着国家的综合国力与安全 世界各国把材料放在重要地位来发展 我国在1978年的科学大会上将材料科学技术列为8大科技领域之一 此后各个五年计划 一直作为重点发展的领域 1 1材料的地位 作用与发展人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分 从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代 各时代的开始时间 w石器时代 公元前10万年 w青铜器时代 公元前3000年 w铁器时代 公元前1000年 w水泥时代 公元0年 w钢时代 1800年 w硅时代 1950年 w新材料时代 1990年 早期历史按石器 陶器 青铜器 铁器时代来划分 材料代表着当时的生产能力和生活水平 现代的核和信息时代是与元素U和Si的开发紧密联系 人类物质文明的发展史是利用和挖掘材料资源的历史 使用石器做工具 使用石片 龟甲 竹板作信息纪录 公元前5000年 制陶中发现铜和锡的还原 创造了炼铜术 6000年前用稻草和泥作墙体是具有制备意义的复合材料 越王剑的金属包层结构具有复合材料的结构特征 人类通过使用新的材料去改进生产工具 生活用具以及武器 并伴随着科技革命的不断发展 1 2材料的分类 按物态划分 气态 液态和固态 按组成和结合健性质 金属材料 无机非金属材料 高分子材料以及半导体材料 按材料的功能 结构材料 功能材料 按使用领域 建筑材料 电子材料 医用材料 仪表材料 能源材料等 图1 5价键四面体 金属材料黑色金属 钢和铸铁 钢 碳素钢和合金钢 按成分 普通钢 优质钢和高级优质钢 按品质 平炉钢 转炉钢 电炉钢和奥氏体钢 按冶炼法 结构钢 工具钢 特殊钢及专用钢 按用途 铸铁 灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等 有色金属 非铁材料 轻金属 密度 5 重金属 密度 5 贵金属 类金属和稀有金属 如A1 Cu Zn Sn Pb Mg Ni Ti及其合金 在工程上占有重要地位 金属材料的基本属性 结合健为金属健 熔点较高 具有金属光泽 范性 展性 延性大 强度较高 结构中存在自由电子 导热和导电性好 在空气中易被氧化 无机非金属材料 主要包括晶体 陶瓷 玻璃 水泥和耐火材料等 按性能和用途 传统陶瓷和特种陶瓷 特种陶瓷也称精细陶瓷 FineCeramics 高技术陶瓷 HighTechnicalCeramics 先进陶瓷 AdvancedCeramics 特种陶瓷是以人工合成化合物为原料制备 用于技术和工程领域 如电子信息 能源 机械 化工 动力 生物 航天航空和其它高新技术领域 无机非金属材料的基本属性 化学健主要是离于键 共价健以及它们的混合键 硬而脆 韧性低 抗压不抗拉 对缺陷敏感 熔点高 具有优良的耐高温和化学稳定性 一般自由电子数目少 导热性和导电性较小 耐化学腐蚀性好 耐磨损 高分子材料 以C H N O元素为基础 由大量结构相同的小单元聚合组成 分子量大 并在某一范围内变化 一般分为天然和合成的两类 按使用性质 塑料 橡胶 纤维 粘合剂 涂料等 按链结构 碳链 杂链 元素高聚物 按热性质 热塑性 热固性及热稳定性高聚物 按用途 结构材料 电绝缘材料 耐高温材料 导电高分子 高分子建筑材料 生物医用高分子材料 高分子催化剂 包装材料等 塑料是重要的高分子材料 分为通用塑料和工程塑料 通用塑料包括 聚乙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 聚丙烯 酚醛塑料和氨基塑料 工程塑料 高强 高模 耐高温 ABS 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯 聚酰胺 聚甲醛 聚碳酸酯 聚砜 聚苯硫醚 聚酰亚胺和氟塑料等 高分子材料的基本属性 结合健主要为共价健 部分范德华键 分子量大 无明显的熔点 有玻璃化转变温度 粘流温度 力学状态有玻璃态 高弹态和粘流态 强度较高 质量轻 良好的绝缘性 优越的化学稳定性 材料要素 1性质和现象 赋予材料的价值的应用性2使用性能 是材料在使用条件下应用性能的度量 3结构与成分 包括了决定材料性质的使用性能的原子类型和排列方式 4合成和加工 实现了特定原子排列 1 3材料科学与工程概述材料科学的内涵 材料科学是从事对材料本质的发现 分析 认识 设计及控制方面的理论体系 其目的在于揭示材料的行为 给予材料属性的描述或建立模型 以及解释组成结构与性能间的联系 材料科学的内涵是由五个要素组成 他们之间的关联可用一个多面体来描绘 图1 1材料科学与工程的内涵 材料科学的核心 通过过程现象揭示材料组成 工艺 结构 性能的关联 过程是理解结构和性能的重要环节 结构决定性能 组成与工艺决定结构的形成 结构因素包括 组成基元 排列 结合类型和运动方式 结构的层次 原子结构 原子排列 相结构 显微组织 结构缺陷等 材料聚集态 一维 二维 三维方向上小尺寸的材料称低维材料 低维材料具有体材料所不具备的性质 材料科学的提出 材料科学 的提出要追朔到20世纪50年代末 57年10月4日和11月3日苏联发射两颗人造卫星 分别重80千克和500千克 58年1月31日美国发射 探测者1号 人造卫星仅8千克 对此美国有关部门联合向总统提出报告 认为美国在先进材料的研究方面落后于苏联是关键 58年3月18日总统通过科学顾问委员会发布 全国材料规划 决定12所大学成立材料研究实验室 从此出现了 材料科学与工程 学科的提法 材料科学的历史基础 18世纪蒸汽机的发明和19世纪电动机的发明 使材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃 金属材料 1856年 转炉钢 1864年 平炉钢 1887年 高锰钢 1903年 硅钢 1910年 镍铬不锈钢 铜 铅 锌 铝 镁 钛和稀有金属相继问世 世界钢产量从1850年的6万吨突增到1900年的2800万吨 使人类进人了辉煌的钢铁时代 无机非金属材料 主要包括晶体 陶瓷 水泥 玻璃 耐火材料等 资源丰富 性能价格比高 20世纪中后期 通过合成原料和新的制备技术 出现了一系列特殊功能的先进陶瓷 高分子材料 20世纪初 人工合成高分子材料问世 1909年 酚醛树脂 胶木 1925年 聚苯乙烯 1931年 聚氯乙烯 1941年 尼龙 如今世界年产量在1亿吨以上 基础学科发展奠定材料科学的基础 量子力学 固体物理 无机化学 有机化学 物理化学等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础 现代分析技术和设备的更新 加深了对物质结构和物理化学性质的理解 冶金学 金属学 陶瓷学 高分子科学等自身的发展也使对材料的本质认识大大系统化 组成 制备 结构 性能的关系 为学科发展打下了坚实的基础 材料科学范畴下不同材料应用理论的交叉融合 作为钢热处理的马氏体相变理论由金属学科建立 后来氧化锆增韧陶瓷中同样发现了马氏体相变现象 并用来解释相变增韧机理 缺陷行为 平衡热力学 扩散 塑性变形和断裂机理 界面的精细结构与行为 晶体和玻璃的结构以及它们之间的关系 材料中电子的迁移与约束 原子聚集体的统计力学等概念 在各类材料中得到应用 材料测试技术及工艺技术的交叉融合 材料结构与性能的表征参数相通 如显微镜 电子显微镜 表面测试及物理性能测试等 材料制备与加工中 许多工艺相通 如挤压对金属材料用于成型或冷加工硬化 对高分子材料 通过挤压成丝可使有机纤维的比强度和比刚度大幅度提高 粉末冶金和现代陶瓷制造已经很难找出明显的区别 溶胶 凝胶法应用于各种材料的制备 这是利用金属有机化合物的水解而得到纳米高纯氧化物粒子的方法 现代材料技术从多样化 单一化走向一体化 复合化 打破了单一材料间的界限 许多不同类型材料相互代替和补充 充分发挥各种材料的优越性 复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合 如果对不同类型材料没有一个较全面的认识 对复合材料的设计及性质的理解必然受到影响 材料科学的历史作用 比强度的进步改进了交通工具 刀具材料的发展 切速增长100倍导致高效加工和低成本 集成电路 器件缩小100万倍 单价下降100万倍 图1 4集成电路发展历程 材料科学的发展应用需求牵引的推动力 信息技术 从电子信息处理到光电子信息处理 以至于光子信息处理 需要电子材料 光电子材料 非线性光学材料 波导纤维 薄膜与器件等 能源工程技术 要求耐高温 耐磨损 耐腐蚀 高可靠以及寿命可预测的结构材料 多学科交叉的推动力 材料科学具有多学科交叉渗透的特征 包含着丰富的内涵 材料的组分设计与合成 涉及化学学科的各分支 高温过程的热力学 动力学以至在温和条件下的仿生合成等 基础学科发展的推动力 研究微观结构与性能的关系 涉及物理学 凝聚态物理及非连续介质微观力学等 科技与经济发展的推动力 信息功能材料 高温结构材料 复合材料 生物材料 智能材料和纳米材料等是新技术革命的先导材料 毫米时代发明了拖拉机 微米时代发明了计算机 纳米时代 人类将会创造出更大的辉煌 21世纪的科技发展 将以先进材料技术 先进能源技术 信息技术和生物技术等四大学科为中心 通过其相互交叉发展 为人类创造出完全不同的生态环境 新型材料将是与生物和自然具有更好的适应性 相容性和环境友好的材料 材料科学与材料工程的关系 材料科学具有 研究为什么 的性质 核心是建立结构 性能的关系 材料工程具有 解决怎样做 的性质 是能为社会所接受地获得材料的结构 性能和形状 要考虑5个判据 经济 质量 资源 环保 能源 材料科学为材料工程提供设计依据 为更好地选择材料 使用材料 发展新材料提供理论基础 材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础 材料科学和材料工程紧密联系 它们之间没有明显的界线 在解决实际问题中 不能将科学因素和工程因素独立考虑 因此 人们常将二者合称为材料科学与工程 材料科学是一门应用科学学习中需要理论联系实际 在深入学习和牢固掌握基础知识 基础理论的同时 要思考 探索它的应用 培养用实验去验证理论 提高归纳实验规律的能力 发展理论研究的综合素质 四 材料的应用 让我们回顾几项有影响的事例 以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用 w计算机与材料1 计算机经历 电子管 晶体管 集成电路时代2 个人电脑移动存储器的比较材料科学的发展是计算机飞速发展的基础 w飞机和材料从莱特兄弟实现飞行的梦想以来 航空和航天器发生了巨变 为了飞得快和远 就要采用强度高和比重小的材料 重视材料的比强度 即强度 比重之比 因此 航空和航天器中铝 镁合金用量大 随着航空技术的进一步发展 轻质和高比强度的钛合金 碳纤维 美国待升空的航天飞机 材料和生活用品钛结构自行车 自行车发烧友 选择钛合金制自行车 钛合金的应用场合很特殊 通常用于需要抗腐蚀 耐疲劳 高弹性的场合 生命科学材料原来使用专用的汞合金 为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷 具体来讲 它需要满足下列要求 耐口腔中的酸 低热导率 这对你吃冷饮有好处 尽得住数年的咀嚼力 耐骤冷骤热 当然还要口感舒适 复合科学材料碳 硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻 可以在某特定方向上增加强度 用于特殊目的 航空材料材料的主要性能取决于母体 加入合金元素成分将改善金属的物理及机械性能 强度 耐力 使用寿命 在飞机发动机中一种掺镍化合物制成称作718合金被广泛的用于制造波音777客机上的发动机的压缩机 叶片及紧固件 形状记忆合金 超级钢近来 钢铁工业已经开发出一种汽车用钢 比原先的轻24 而强度高34 称为超级钢 其优点是 高撞击能量吸收率 高强度 质量比 实用新型制造工艺 可以有多种不同性能 寿命 防锈等 新材料阶段的特征 w是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代 w新材料以人造为特征 非自然界中现成有的 w新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解 为了特定的需要设计和加工而成的 w这些新材料使新技术得以产生和应用 而新技术又促进了新工业的出现和发展 从而使国家财富和就业增加 1990年美国总统的科学顾问Allany Bromley明确指出 材料科学在美国是最重要的学科 1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项是基于先进材料之上 1986年 科学的美国人 杂志指出 先进材料对未来的宇航 电子设备 汽车以及其他工业的发展是必要的 材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围 w可见 材料科学历来是技术进步的支柱 绪论材料的发展过程 材料是人类用来制作各种产品的物质 是先于人类存在的 是人类赖以生存和发展 征服自然和改造自然的物质基础 是人类进步的里程碑 人类社会发展史表明 生产中使用材料性质直接反映人类社会文明水平 每一种重要新材料的发展和应用 都把人类支配自然能力提高到一个新的水平 材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命 大大加速社会发展的进程 给社会生产和人们生活带来巨大变化 把人类物质文明推向前进 天然材料自然界中动 植物和矿物 如兽皮 甲骨 羽毛 树木 草叶 石块 泥土等 人们利用天然的石器 骨器为工具 最多也进行切割 钻孔 雕刻等工序获得锐利的磨制石器 烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称 随着生产技术进步 人类早已能够用天然的矿土烧制砖瓦和陶瓷 以后又制击了玻璃和水泥 属于烧结材料 从各种天然矿石中提炼出Cu Fe等金属则属于冶炼金属 陶器 瓷器制作 景泰兰 北京 宜兴紫砂陶 江苏 景德镇瓷器 江西 醛陵瓷器 湖南 石湾彩陶 广东 耀州青瓷 陕西 青铜器 Cu与Sn Pb等金属组成的合金 与纯Cu相比 熔点降低 硬度增高 用于工具 兵器 食器 如 司母戊鼎 越王勾剑 吴王夫差的宝剑等 铁器 春秋战国时期开始大量使用铁器 西汉时期 采用煤为燃料炼铁比欧州早1700多年 合成材料20世纪初已出现化工合成产品 其中合成塑料 合成橡胶 合成纤维已广泛用于生产生活中 1907年小型酚酯树脂厂建立 1927年热塑性PVC塑料生产实现商品化 1940 1957年研制成功合成橡胶 合成纤维 聚丙烯睛 聚酯纤维 低压PE PTFE 维尼龙等 1950 1980年工程塑料 聚合物合金 功能聚合物材料的工业化应用 1990年分子设计 高性能 高功能聚合物合成 可设计材料用新的物理 化学方法 根据实际需要去设计特殊性能的材料 如金属陶瓷 铝塑薄膜等复合材料 古代 木材 竹材 土砖 纤维增强复合材料 近代 软质复合材料 各种纤维增强的橡胶 以及硬质复合材料 纤维增强树脂 玻璃钢 先进 比强应大 比模量高的结构复合材料 促进了航空 航天等高技术产业的发展 被公认为是当代科学技术中的重大关键技术 智能材料近30年研制出的一些新型功能材料 它们能随环境 时间变化改变自己的性能式形状 好像具有智能 其中形状记忆合金已崭露头角 智能材料是为21世纪准备的尖端技术 现已成为材料科学的一个重要前沿领域 有关研究及发展受到人们的很大重视 Cr有自愈能力 Ni Ti合金为形状记忆合金 人类使用材料的发展史 材料的分类 目前世界上传统材料已有十万种 而新材料品种正以每年大约5 的速度在增长 2从1950年到现在 已知的化合物已从200万种增至1000万种 而且还在以每年25万种速度递增 其中相当一部分有发展成为新材料的潜力 材料就大的类别来说 可以分为金属材料 非金属材料 合成材料 复合材料和功能材料等五类 其中前四类为结构材料 以其所具有的强度为特征被广泛应用 最后一类功能材料 则主要以其所具有的电 光 声 磁 热等效应和功能为特征被应用 金属材料金属材料是最重要的工程材料 包括金属和以金属为基的合金 最简单的金属材料是纯金属 周期表中金属元素分为简单金属和过渡金属 简单金属结合键完全为金属键 过渡金属结合键为金属键和共价键的混合键 以金属为主的金属材料均为金属晶体材料 一般金属及其合金可分为两大类 黑色金属 以Fe和Fe为基的合金 钢 铸铁 铁合金 有色金属 黑色金属以外的所有金属及其合金 包括轻金属 易熔金属 难溶金属 贵金属 铀金属 稀土金属 碱土金属 近30年来 相继出现了金属玻璃 准晶 定向共晶合金 微晶 低维合金 以及纳米晶体等一系列从结构到物理力学性能均特色的新金属材料 非金属材料一般无机非金属材料含有Si及其它元素化合物 又称硅酸盐材料 包括无机玻璃 玻璃陶瓷 陶瓷三大类 工业上应用最广泛的陶瓷又可分为 普通陶瓷 含SiO2 Al2O3的硅酸盐材料 新型陶瓷 为高熔点氧化物 碳化物 氮化物 硅化物等烧结材料 金属陶瓷 陶瓷生产方法制取金属与碳化物或其它化合物的粉沫制品 陶瓷材料坚硬 稳定 但脆性大 用于制造工具 用具 该材料内部键型是氧原子与金属原子形成离子键 且尺寸大的氧原子为陶瓷基质 较小的金属原子处于氧原子之间空隙外 合成材料是指合成塑料 合成纤维和合成橡胶等有机聚合物合成材料 它们质地轻巧 原料丰富 加工简便 性能良好 用途广泛 其发展速度大大超过钢铁 水泥 木材等传统的三大基本材料 1 塑料是合成材料中用量最多的一类 常用于制造机器零件或构件 分为热塑料和热固性塑料 热塑性塑料 PE PP PB 聚丙乙烯 PVC 具有加热熔融特征 热固性塑料 醇酸树脂 氨基树脂 酚醛树脂 环氧树脂 不饱和聚脂和聚氨酯等 不能反复溶融 而且一次固化 2 橡胶指经硫化处理 弹性特别良好的聚合物 有通用橡胶和特种橡胶两种 3 合成纤维由单体聚合成强度很高的聚合物 通过机械处理获得纤维材料 复合材料采取取长补短的方法将两种或两种以上不同材料进行有效复合得到的复合型材料 由于它是不同类型材料复合组成 结合键相当复杂 它在强度 钢度 耐蚀性方面比单独金属 陶瓷 聚合物优越 具有广阔发展前景 1 纤维 或晶须 增强或补强复合材料2 第二相颗粒弥散复合材料3 梯度功能复合材料 功能材料具有能适应外界条件而改变自身性能的材料 如磁性材料 发光材料 记忆材料 光导材料 超导材料等 材料是必需的物质基础 是社会进步的里程碑 材料是现代社会进步的三大支柱 材料 信息 能源 之一 材料是六大技术群体 信息 新材料 新能源 生物 空间 海洋 之一 材料是20 21世纪新技术革命的主要标志 信息技术 新材料技术 生物技术 之一 材料科学的形成过程 材料是21世纪初世界各国发展的九大重点领域 先进材料 纳米技术 微电子学 光子学 微系统工程 软件与计算机模拟 分子电子学 细胞生物技术以及信息 生产与管理工程 之一 该九大重点领域包括了80个课题 其中属于先进材料的有24项 而其它领域中与材料直接相关的课题有27项 如纳米技术中的纳米材料 微电子学中的信息存储 微电子材料 超导及高温电子学等 即未来技术80个课题中 有关材料方面的课题占60 以上 未来技术中新材料地位重要 国家材料规划 技术 经济增长的发动机 日本政府的研究计划 西欧的尤里卡计划 九五规划 十五规划 2010年远景规划 863 973 攀登计划等 材料是各国优先发展的领域 60年代初由美国学者提出 以前分属冶金 陶瓷 有机化学等各专业 但均以物理 化学为基础 如冶金方面的提取是以化学为主 但金属结构 性能及使用方面的研究以物理为主 有机合成材料 陶瓷材料的制备以化学为主 但物性和力学性质则偏重物理 材料科学的由来 找出共性 材料中的界面与表面 晶体结构与微观缺陷 材料中的扩散与相变等 材料研究中心 的成立 材料科学 名词的产生 材料科学系 的建立 以固体物理 合成化学 化学热力学与动力学等为理论基础 结合冶金 机械 陶瓷等学科 探讨材料的内在规律 制造工艺和应用的科学 是一门覆盖广而辐射面宽的多学科交叉的新兴学科 材料科学的定义 材料的成分 结构 合成 工艺流程 性质 性能 与效能以及它们之间的关系 材料的性质或性能取决于材料的成分 组成和结构 而这些又取决于合成与制造工艺 材料科学的研究内容 指材料在使用条件下的表现 包括环境影响 受力状态 材料特征曲线及寿命估计等 因此 材料科学是有关材料成分 合成与工艺流程对于材料性质与用途的影响规律的知识与运用 故材料科学是一门应用基础科学 效能 材料的使用性能或效果 是一门多学科交织的前沿学科 是多学科交叉与相互渗透的产物 它不但与物理学 化学及冶金学等有直接关系 也和生物学 生物材料 仿生材料 地球科学 矿浆材料 有密切关系 特别是与工程科学有着不可分割的关系 材料科学学科特点 是理论与实践相结合的产物 与固体物理和固体化学有显著区别 研究范围很宽 它涉及从微观原子 电子缺陷的规律与控制到大的器件 从基础研究到工程应用的广阔领域 材料科学所包含的内容大多有比较明确的应用背景和目标 而且随时间和地点而发生变化 21世纪 材料科学会迅猛发展 化学是认识 控制物体组成 性质 结构的中心科学 化学在寻求新材料过程中将起重要作用 当为某种需要剪截物质时 化学家们在合成和控制物质组成的非凡才能 确立了这种地位 目前 人们日常生活用的聚酯衬衫 聚乙烯奶瓶 聚氯乙烯手提箱 聚丙烯地毯 聚苯乙烯家俱 聚异丁烯车胎 聚乙酸酯软盘等材料 无不与化学相关 因此化学使新材料开发充满前景 由于化学家掌握物质结构及成键的复杂性 掌握化学反应实验技术 在探索和开发具有新组成 新结构和新功能材料方面 在材料复合 集成 加工等方面大有作为 因此 化学参与材料科学是理所当然和责无旁贷的 化学在材料发展中的地位 分子设计和分子剪截获得新材料 设计新的反应步骤 在极端条件下 超高压 超高温 强辐射 冲击波 超高真空 无重力 反应合成地面上无法合成的新化合物 在温和条件下进行化学反应 控制反应过程 路径 机制 一步步地设计中间产物和最终产物的组成和结构 剪裁其物理和化学性质 形成介稳态 非平衡态结构 形成低熵 低焓 低维 低对称材料 可以复合不同类型 不同组成材料 溶液 溶胶 凝胶 插层反应 水热合成反应 局部化学反应 离子交换反应 20世纪80年代初 美国AnthonyR West编写了 固体化学及其应用 一书 论述了无机固体 有机固体及晶体结构 晶体缺陷 制备方法 固相转变及相图和固体的测试鉴定等 但未明确提出 材料化学 概念 材料化学 概念的产生 是一门以现代材料为主要研究对象 研究材料的化学组成 结构 电子结构 晶体结构和显微结构 与材料性能和效能之间的关系及其合成 制备 的方法 检测表征 材料与环境协调等问题的科学 什么叫 材料化学 用结构理论 化学热力学与动力学等基本原理研究固体 特别是研究实际材料的化学反应性 是材料化学的理论基础 各类材料的成键本质与其结构和性质密切相关 材料组成元素的电子结构 材料的晶体结构 缺陷结构 从能量和过程的观点研究材料的组成结构以及从热力学与动力学的观点研究实际材料的化学反应 均是材料化学的重要研究内容 材料化学研究内容 现代材料制备原理和合成方法的研究仍是现代材料化学的核心内容 传统的金属材料的熔炼法 无机材料的陶瓷法 高分子材料的聚合法仍然是许多现代材料制备的重要方法 采用高新技术 例如高温 高压 低温 高真空 失重 辐射以及其他极端技术条件 采用新的合成方法和制备工艺 例如Sol Gel法 溶胶 凝胶法 水热法 自蔓延高温合成法CVD法 化学气相沉积法 及复合技术等 制备各种单晶 多晶及非晶态材料 制备高分子材料以及液晶和纳米材料等 都是现代材料制备化学研究的主要内容 在材料科学的发展过程中 制备技术往往会成为整个新材料研究和开发的关键步骤 因而现代材料制备原理和合成方法的研究也就成为材料科学的核心和研究热点 现代材料性能学研究 包括材料的力学性能 物理性能和化学性能 都是现代材料具有良好使用性能 即效能 和多种用途以及材料寿命和材料保护的根本依据 现代材料化学重点研究各类材料的化学性能 特别是各类材料在环境介质中的腐蚀破坏与防护的研究 仍是材料科学及相关科学的重要研究课题 也是关系到保护资源和环境 节约材料和发展新技术等方面的重大问题 从现代工业和高技术发展需要的角度来分述各类现代材料和重要的常规材料 包括新型金属材料 先进无机材料 高分子合成材料和现代复合材料 它们都是现代材料化学研究的对象 由于这部分内容庞大 因此 这些介绍都只能是初步的和基础性的 通过对环境材料和资源化学的初步介绍来研究和探索各类材料与环境协调方面的问题 包括材料的功能性 经济性和环境性关系 绿色材料的研制与开发 废弃材料和物质的无害化与资源化的方法和途径 以及材料 资源 环境与可持续发展的辨证关系 对现代材料的表征技术和方法 材料设计与改性的基本原则 以及现代材料的实际应用和发展趋势的介绍也是必要的 材料化学是近十年来才创立的材料科学的一个重要分支 又是应用化学的一部分 具有交叉 边缘学科的性质 现代材料化学则是研究现代材料制备 组成 结构 性能和应用的科学 即现代材料化学研究的是与新材料有关的问题 因而更具有前沿学科的特点 在整个材料科学发展中占有极其重要的地位 特别现代材料的成建理论以及制备原理和合成方法的研究 仍是材料科学和新技术领域中最活跃的部分 也是当前的研究热点 尽管现代材料化学还只初具规模 只要材料学家和化学家共同努力探索和研究 定能尽快的完善和进一步发展 随着现代科学技术的迅速发展 材料研究必将沿着知识技术更加密集花 研究开发综合化 学科交叉前沿化以及彼此竞争激烈化的方向发展 这无疑给现代材料化学的研究展示的无限广阔的发展前景 材料化学的发展方向 材料组成结构与性能 物质是由一种或一种以上元素组成 同一种或不同种类元素的原子通过化学键结合在一起构成物质 元素与材料 物质可分为无机物和有机物 下面的分类列举了部分常见的无机物和有机物 元素周期表与元素的性质 元素周期表的应用 元素周期律提示了元素及其化合物在性质 组成等方面变化规律及其内在联系 通过元素周期表不仅对全部化学元素进行了具体合理的分类 而且为寻找新的工程材料指明了可能途径 在周期表中同一主族元素自上而下金属性逐渐增强 同一周期元素自左向右非金属性逐渐增强 因此金属元素集中在周期表左侧 非金属元素庥中在周期表右侧 周期表左下角是金属性最强的元素 右上角是非金属性最强的元素 在金属元素和非金属元素有一条梯形分界线 金属元素又可根据性质差异再分成轻金属 脆性重金属元素 展性重金属元素 低熔点重金属元素 材料的组成元素和结构决定了材料的分类和性质 这与元素周期表元素分类有密切关系 金属材料 在金属材料中黑色金属应用最广泛 其中铁基合金材料占整个结构材料和工具材料90 以上 而有色金属可分为轻金属 易熔金属 难溶金属 贵金属 锕系金属 稀土金属和碱土金属 在炼钢时加入合金元素可冶炼得到高熔点 高硬度 耐腐蚀等性能的合金钢 IVB中Ti VB中Mo W 高熔点合金IVB VB VIB元素和C N B 高硬度硬质合金Cr Nb Ta 高耐蚀性合金 三氯硅烷法制备高纯度多晶硅 H2 Cl2 HCl 将HCl通入装有粗硅粉 温度为280 反应器中 即可生产SiHCl3 其反应式如下 Si 3HCl SiHCl3 H2 为了提高SiHCl3产率 工业上需严格控制温度 加入Cu Ag粉催化剂 收率可达80 反应产物须经多次精馏才可达到高纯度 通过很高的精馏塔 用内衬PTFE的不锈钢或石英制成 可以把98 SiHCl3提纯到九个 9 十个 9 的纯度 精馏提纯后的SiHCl3被高纯H2带入还原炉中 炉中先将细硅棒接通电源加热 控制温度在1050 1150 之间 这时在细硅棒表面发生一系列反应 SiHCl3 H2 Si 3HCl 生成的硅不断沉积在细硅棒上 变粗成为多晶硅棒 但该法缺点是SiHCl3遇水放出腐蚀性HCl气体 腐蚀设备 造成Fe Ni等污染SiHCl3 一般窗玻璃用砂 Na2CO3 CaCO3共熔制成 反应式如下 Na2CO3 CaCO3 6SiO2 Na2O CaO 6SiO2 3CO2 用K代替Na可得到耐热和耐化学作用K玻璃 用于制造化学仪器 耐腐蚀 用Pb代Ca可得到高折射率的Pb玻璃 制造光学仪器 若在普通玻璃中加入某些氧化物使它具有对一定波长的光线有选择性吸收或透过的特性 制造各种颜色的有色玻璃 Co2O3兰色 Cr2O3绿色 MnO2紫色Cu2O红色 玻璃材料 固体 晶体与非晶体 固体性与流动性1 液体固体途径1 不连续地到晶态固体 晶体 经常途径 2 连续地到非晶态固体 非晶体 冷却速度足够大时 2 晶体与非晶体区别非晶体是长程无序 短程有序 为热力学亚稳态 在晶体中原子平衡位置形成一个平移的周期阵列 显示长程有序 晶体及其基本性质2 1 1晶体 对晶体的认识始于外部形态的观察 晶体的传统定义 外形具有规则几何多面体形状的固体 传统定义没有揭示晶体的本质特点 对晶体本质的揭示始于1912年应用X射线对晶体构造进行研究 严格的晶体定义 晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体 或说是具有格子构造的固体 2 1 2等同点及空间格子 等同点 结构中种类 化学性质及周围的环境 方位完全相同的空间位置 对NaCl晶体结构 所有Na 点属于一类等同点 所有Cl 点属于另一类等同点 等同点位置不限于质点中心 任何位置能引出一类等同点且构成上图的c图形 空间格子 等同点在三维空间呈格子状排列称空间格子 空间格子是表示晶体构造规律的几何图形 是无限图形 空间格子 空间格子有下列几种要素存在 结点 空间格子中的等同点 行列 结点在直线上的排列 行列中相邻结点间的距离称结点间距 同行列方向上结点间距相等 不同方向的行列 结点间距一般不等 面网 结点在平面上的分布 单位面积内结点的数目称面网密度 相邻面网间的垂直距离称面网间距 相互平行的面网间面网密度和面网间距相等 否则一般不等且面网密度大的其面网间距亦大 平行六面体 空间格子中的最小单位 规则的几何对形所有晶体均具有自发地形成封闭的几何多面体外形能力的性质 规则的几何多面体外形表明晶体内部结构是规则的 晶面角守恒属于同一晶种的晶体 两个对应晶面间的夹角恒定不变 晶面角守恒表明同一种晶体 其内部结构的规则性是相同的 有固定熔点在固体熔化过程中 晶体有固定熔点 而非晶体则没有 物理性质各向异性所谓各向异性是指同一晶体在不同方向上有不同的性质 晶体是各向异性的 而非晶体则是各向同性 晶体的宏观性质 非晶态是一种并稳态 有向晶态转化的趋势 但并不一定马上就发生 需外界供给能量 非晶态向晶态转化 需经历一系列中间步骤 是一个很复杂的过程 如金钢石与石墨之间 晶态到非晶态转化需依靠机械能作用 月球岩石 陨石 非晶态与晶态间的转化 空间点阵概念 晶体结构 点阵 基元点阵矢量晶体结构周期性 其中 为点阵基矢 晶体的微观结构 1 晶向 晶列的方向沿晶列最近点位移矢量为晶向2 晶面特征 晶面簇一经划定 所有阵点全部包括在晶面族中而无遗漏 一族晶面平行且两两等距 是空间点阵周期性的必然结果 3 密勒指数 晶面各轴上截距为a1 h1 a2 h2 a3 h3用 h1h2h3 标记 密勒指数小的晶面系 晶面间距越大 晶向与晶面 晶面示意图 8种基本对称元素组合而成的对称操作群 在操作中至少有一点保持不动 构成32种点群 表2 1 空间群补充平移对称操作滑移反映面m T n将点群操作和平移操作组合 形成230种空间群 七大晶系 230种空间群 表2 2 三斜 单斜 正交 四方 三角 六角 立方 1 肖特基缺陷原子脱离正常晶格的格点位置移动到晶体表面的正常位置 在原格点位置上留下空位 2 间隙原子如果一个原子从正常表面位置挤进完整晶格中的间隙位置则称间隙原子 3 夫伦克尔缺陷原子脱离正常晶体的格点位置而移动到间隙位置 形成一个空位和一个间隙原子 4 有序合金中错位在有序合金中格点位置上原子排列发生错位5 离子晶体中的点缺陷带电中心 点缺陷 在非晶态材料结构中存在短程序 同时测出短程序的范围通常为1 5 2 0nm 非晶态材料结构的主要特点是长程无序 短程有序 非晶态材料常被备作是均匀的 各向同性的 这与晶体的各向异性是有根本区别的 非晶态材料的共性 两个微观层次1 大分子链的结构 分近程结构和远程结构两种 近程结构是指单个高分子结构单元的化学组成 键接方式和立体构型等 远程结构是指分子的大小和构象等 2 高分子的聚集态结构 指的是高聚物的分子间结构形式 如晶态 非晶态 取向结构和组织结构等 聚合物结构 结构层次1 聚合物的近程结构包括链的化学组成 单体键接次序 结构单元的空间构型 2 聚合物远程结构包括单键的键的内链的内旋转与大分子构汞 聚合物链的柔顺性 3 聚合物的聚集态结构包括分子间相互作用 聚合物的物态与相态 大分子链中原子之间 链节之间的相互作用是强大的共价键结合 这处结合力为大分子的主价力 它的大小决定于链的化学组成 化学组成不同 共价键的键长和键能也不同 几种主要共价键的键长和键能见表 主价力的大小对高聚物的性能 特别是熔点 强度等具有重大的影响 大分子内相互作用 大分子间相互作用是范氏力和氢键 是次价力 大小比主价力小得多 只为其1 10 但因分子键特别长 所以总次价力常超过主价力 使高聚物受拉时不是分子链间先滑动 而是分子链先断裂 大分子间相互作用 分子间力对高聚物强度影响很大 如聚乙烯在分子量小时是气态 聚合度大时变为固态 而当分子量超过百万时 可得到很高的强度 达9MN m2 分子间作用力对高聚物的熔点 粘度 溶解度 弹性等物理 力学性能也有很大影响 并由此决定高聚物性质和状态 如分子间力较小时 分子链运动自由 是弹性好的橡胶材料 分子间力较大 链运动受阻 为强度较硬的塑料 分子间力很大 分子排列规则 使高聚物强度很高 是纤维材料 包括组成大分子结构单元的化学组成 键接方式 空间构型 支化 交联等 1 结构单元的化学组成高聚物分子链的结构首先决定于结构单元化学组成 化学组成不同 主价力不同 另外 主链侧基的有无和大小 性质等 也影响分子间力大小和分子排列的规整程度 因此 化学组成是高聚物结构基础 大分子链的结构 2 结构单元的链接方式和构型 空间立构 1 链接方式结构单元在链中的连接方式和顺序决定于单体和合成反应的性质 缩聚反应的产物通常变化较少 受反应性质的限制 结构比较规一 加聚反应则不然 当链中有不对称原子或原子团时 例如 在乙烯类单体的聚合中 单体的加成可以有以下几中形式 头 尾连接 头 头连接 尾 尾连接 其中 头 尾连接的结构最规则 强度较高 在两种以上单体的共聚物中 连接的方式是无规共聚 交替共聚 嵌段共段 接枝共聚 2 空间构型大分子链中结构单元由化学键所构成的空间排布称为分子链的构型 大分子链常含有不同的取代基 例如 乙烯类高聚物中的取代基R 可以有三种不同的排布方式 取代基R全部分布在主链的一侧 构成所谓全同立构 取代基R相间地分布在主链的两侧 构成所谓间同立构 取代基R无规则地分布在主链的两侧 构成所谓的无规立构 全同立构和间同立构的高聚物容易结晶 是很好的纤维材料和定向聚合材料 无规立构的高聚物很难结晶 缺乏实际使用价值 线型高分子呈细长线条状 卷曲成不规则线团 但受拉时伸展为直线 如聚乙烯 未硫化的橡胶及合成纤维 特点分子链间没有化学键 能相对移动 可在一定溶剂中溶胀而溶解 加热经软化而熔化 易加工 反复使用 有良好弹性和塑性 支化型高分子在大分子主链上接有一些或长或短的小支链 整个分子呈枝状 如高压聚乙烯 可溶解在适当溶剂中 加热也能熔融 但由于分子不易规整排列 分子间作用力较弱 支化对高聚物性能影响不利 支链越复杂和支化程度越高性能影响越大 体型高分子大分子链之间通过支链或化学键连接成一体所谓交联结构 空间呈网状 如热固性塑料 硫化橡胶 由于整个高聚物是一个由化学键固结起来的不规则网状大分子 所以非常稳定 不能在溶剂中溶解 也不能加热熔融 具有较好的耐热性 难溶性 尺寸稳定性和机械强度 但弹性 塑性低 脆性大 因而不能塑性加工 成形加工只能在开成网状结构之前进行 材料不能反复作用 大分子链的几何形状 支化与交联结构 高聚物最大特点是弹性好 原因是 分子链非常长 很容易任意卷曲成无规线团 分子链的键可自由旋转 如聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯等的主链完全由C C单键组成 每个单键都有一定的键长和键角 并且能在保持键长和键角不变情况下任意旋转 即为单键内旋 每一个单键可以围绕其相邻单键按一定角度进行旋转 大分子链的构象 原子围绕单键内旋 导致原子内部排布方式不断变化 由于大分子链都很细长 含有成千上万的键 而且每根单键都可内旋 旋转的频率又很高 例如乙烷分子在27 C时键的内旋频率达1011 1012 s 造成大分子形态瞬息万变 使分子链出现不同形象 由于单键内旋引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象 称为大分子链的构象 大分子链构象 1 定义大分子链通过构象变化获得不同卷曲程度的特性即为大分子链的柔顺性 是高聚物性能不同于低分子物质和其它固体材料的根本原因 大分子链的卷曲程度采用其两端点间直线距离 末端距h来衡量 末端间越短 则大分子链卷曲越厉害 与链中单键内旋的难易程度有关 内旋完全自由时 柔顺性最好 内旋受阻程度越大 可能有的构象数越少 分子链的柔顺性越低 大分子链的柔顺性 2 影响大分子柔顺性因素1 主链结构主链全由单键组成时 分子链的柔顺性最好 Si O键最好 C O键次之 C C键最差 合成橡胶中多含Si O键 主链中含有芳杂环时使其不能内旋 柔顺性很低 而刚性较好 能耐高温 主链中含有孤立双键时 柔顺性增大 如聚氯丁二烯柔顺性聚氯乙烯 前者是典型的橡胶 而后者为坚硬的塑料 2 取代基特性 极性取代基使分子间作用力增大 内旋受阻 柔顺性较低 如聚丙烯腈 聚氯乙烯和聚丙烯中取代基相应为 CN Cl和 CH3 极性依次减小 所以柔顺性依次增大 取代基体积对柔顺性有影响 体积大对内旋不利 柔顺性低 所以 虽然聚苯乙烯分子中苯基极性很小 但因体积比较大 柔顺性比聚乙烯小得多 取代基分布对称性对柔顺性影响 对称分布使主链间距离增大 有利于内旋 所以柔顺性增大 取代基沿分子链分布的距离 分子间化学交联密度等结构因素 都对大分子的柔顺性有影响 根据大分子几何排列特点 聚集态结构有无定形和晶态两种 1 无定形高聚物的结构与低分子物质无定形结构一样 属于远程无序 近程有序结构 链中有一些较规整的大分子链折叠区 大分子聚集态结构 2 晶态高聚物结构结晶高聚物有PE PTFE及聚偏二氯乙烯等 其结晶度一般为50 80 因此 晶态高聚物的实际上为两相结构 即晶区与非晶区 晶区和非晶区尺寸远比分子链的长度小 所以每个大分子链往往要穿过许多晶区和非晶区 并使晶区和非晶区紧密相连 而有利于高聚物的强度 其中晶区形态为片状晶体 片晶 球状晶体 球晶 线状结晶 串晶 树枝状晶体 枝晶 3 高聚物聚集态结构的三种基本结构单元 近程有序线团的非晶态结构 折叠结构 具有横向有序的折叠链片晶结构 伸直链平行排列 具有横向有序的伸直链伸直结构 任何一种实际的高聚物材料 都是由这三种结构具体组合而成的复合体 4 高聚物的结构与分子结构的关系1 结构简单 规整度高 对称性好的大分子容易结晶 如聚乙烯 聚四氟乙烯 聚偏二氯乙烯结构是对称 容易结晶 但氯化聚乙烯的链结构对称性被破坏后 结晶能力降低 呈非晶态结构 但是非晶态聚醋酸乙烯水解后得到的聚乙烯醇是晶态的 因为CHOH基团与CH2基团的大小相近 2 等规高聚物结晶能力强大分子主链上取代基较小时容易结晶 具有较大侧基的聚合物难结晶 例如聚甲基丙烯酸甲酯 聚苯乙烯通常都是非晶态高聚物 因为它们的大分子链上有较大的侧基 3 缩聚物都能结晶一般缩聚物大分子主链上不存在不对称碳原子 主链结构总是比较规整的 另外 大分子主链上往往具有极性基团 使分子间有较大的作用力 甚至产生氢键 这些有利于结晶和晶体的稳定性 固体材料性能学 材料的各种优异性能是它在国民经济及现代科学技术领域获得广泛应用的基础 材料的性能是一种参量 用于表征材料在给定条件下的行为 一般来说 材料的性能可分为使用性能和工艺性能 各种材料在使用中会受到各种外力 温度 化学介质等因素的作用 从而导致变形或破坏 为了保证由材料制成的产品 或器件 能正常使用而应具备的性能 称为材料的使用性能 它包括材料的物理性能 化学性能和力学性能 所谓材料的工艺性能是指材料在投入生产的过程中 能承受各种加工制造工艺而不产生瑕疵或废品所应具备的性能 材料的使用性能是人们判断材料优劣 并正确选择和合理使用材料的重要依据 对探研新材料 新性能和新的制备工艺也有着十分重要的意义 材料的力学性能是指材料在外力作用下表现出来的各种特性 如弹性 塑性 韧性 强度 硬度等 力学性能是结构材料的主要使用性能 对于功能材料来说 除了物理和化学性能外 往往对力学性能也有一定要求 例如为了制成细薄膜及涂层等 除了要求材料具有良好的成型性能外 还要求有抗振动 抗压 或抗拉 抗疲劳等各种力学性能 因此 材料的力学性能或力学行为已成为材料性能的重要组成部分 材料的力学性能 物体由于外因 受力 温度变化等 或内在缺陷 其形状尺寸所发生的相对改变 称为应变 亦称为相对变形 应变常用符号 表示 强度与塑性 1 应力与应变物体由于外因 受力 温度变化等 或内在缺陷而变形时 在它内部任一截面的两边即出现相互作用力 单位面积上的这种作用力称为应力 应力可分为与截面垂直的正应力 如拉伸时的拉应力和压缩时的压应力 和与截面相切的剪应力 或称切应力 如剪切和扭转时的应力 应力可用 表示 单位为MPa 工程材料的应力 应变曲线可分为五类1 无宏观塑性变形就断裂 如玻璃 陶瓷等 2 无明显的屈服点 3 存在明显的屈服点 A和B分别是下 下屈服点 BC是屈服平台 CD是加工硬化阶段 D点开始缩颈 应力最大 DE是缩颈断阶段 4 曲线呈锯齿形 这是孪生和滑移交替发生的结果 5 屈服后缩颈 冷拉应变硬化直至断裂 这种类型发生在结晶聚合物中 在应力 应变曲线图中 直线段OA的斜率即为试样材料的弹性模量 用E表示 即 弹性模量E值表征材料产生弹性变形的难易程度 E值 的大小主要取决于其组成相的结合键与结合能 而材料的组织状态对其影响很小 各种材料的应力 应变图反映了它们的强 弱 硬 脆等特点 并与材料的微观结构密切相关 耐磨性和疲劳特性材料在一定的摩擦条件下抵抗磨损的能力 称为耐磨性 耐磨性通常以磨损量或磨损率的倒数表示 耐磨性不完全是材料的固有特性 而与磨损条件 如载荷 速度 温度等 和材料特性等磨擦学系统特性因素有关 磨损的种类包括氧化磨损 咬合磨损 热磨损 磨粒磨损 表面疲劳磨损等 一般来说 降低材料的磨擦系数 提高材料的硬度 有助于增加材料的耐磨性 材料循环 交变 载荷作用下发生损伤乃至断裂的现象 称为材料的疲劳 在疲劳初期 内部结构将发生改变 疲劳硬化或软化 接着出现疲劳裂纹的成核和扩展 当疲劳裂纹失稳扩展时 就导致疲劳断裂 疲劳是材料的一种潜在的失效方式 在最大应力低于屈服应力条件下 疲劳裂纹也能成核和发展 从而导致灾难性断裂事故 疲劳可分为机械疲劳 热疲劳 周期热应力 腐蚀疲劳 在介质中加循环应力 和接触疲劳 微动磨损引起 几类 材料的疲劳性能参量主要有疲劳强度和疲劳寿命等 疲劳强度是指材料抵抗疲劳破坏的能力 常用疲劳极限或持久极限来表征材料的疲劳强度 疲劳极限是指标料在交变应力作用下 经过无限次循环而不发生破坏的最大应力 它表示无限寿命下材料的疲劳强度 陶瓷材料的晶体结构中 原子排列和键力等性状决定了它在受外力作用下的断裂过程中 除