材料科学技术

1、第三章 材料科学技术,主要内容,第1节 概述 第2节 金属材料 第3节 无机非金属材料 第4节 有机高分子材料 第5节 复合材料 第6节 纳米材料 第7节 智能材料 第8节 两种功能材料 第9节 国内外开发的新材料及发展 趋势,第1节 概述,一、材料科学技术中的基础名词 晶体与非晶体； 机械性能：强度,硬度,刚度,塑性等； 热处理：淬火，回火等； 化学热处理； 相及相变等。 二、材料科学技术基础研究的发展 显微结构的研究 热力学的研究 材料机械性能的研究,第1节 概述,三、研制材料的新方法、新工艺 1.新方法 宏观性能和微观结构的研究 表面处理的研究 破坏过程的研究 分子设计的研究 计算机的介

2、入 2.新工艺 快速凝固 离子注入,第1节 概述,四、材料的发展 第一代天然材料：存在于自然界的动物,植物和矿物物质 第二代烧炼材料：烧结材料和冶炼材料 第三代合成材料：化工合成,特种合金和超铀元素(原子序数大于92的元素的统称) 第四代可设计材料：如复合材料 第五代智能材料：如记忆合金,第1节 概述,五、材料的分类 1.根据材料的来源分类：天然材料(矿物,动物和植物材料)和人工材料 2.根据材料的用途和性能分类：结构材料(利用力学性能承受一定负荷的材料)和功能材料(利用物理和化学特性的材料) 3.根据材料的成熟程度分类：传统材料和新兴材料 4.根据材料的化学性质分类：金属材料、无机非金属材料

3、、有机高分子材料和复合材料,第1节 概述,六、材料科学技术的概念 材料：专指一些有用的物质。 材料科学技术：从总体上研究材料的种类，功能，基本结构和性能之间的关系以及新材料的研制和应用的科学。 七、材料科学技术的重要性 材料是人类社会存在的物质基础。 材料是现代科学技术进步的前提。 新材料是工业产品升级换代的的关键。 新材料是克服能源短缺的重要途径之一,思考题1,第2节 金属材料,一、概念及其分类 金属材料是指金属单质及合金构成的材料。 金属特性：良好的导电导热性、金属光泽、大多具有超导性、良好的反射性和塑性变形能力、不透明等。 金属分为黑色金属和有色金属,第2节 金属材料,二、黑色金属 黑色

4、金属是指铁,锰,铬及其合金材料。 最重要的是钢铁：铁和碳所形成的系列合金的总称。 纯铁（熟铁）：含碳低于0.04，强度低、硬度低、塑性好。 铸铁（生铁）：含碳大于2，硬而脆、几乎没有塑性、硬度高，历史悠久，我国春秋时期已发明了生铁冶铸技术。 钢：含碳在0.04-2之间，兼有两者优点，强度高、韧性和塑性好，碳钢、合金钢,第2节 金属材料,二、黑色金属 转炉炼钢（英国贝塞麦 1854年试射炮弹时担心铸铁承受不了爆炸力，导致他研究新炼钢方法，1.22米容器下部有6个进风口，温度上升到1600，30分钟就可以炼1炉钢，后改为向一侧倾倒，即“转炉”，1857年获专利。 电炉炼钢：可以冶炼各种性能的合金钢

5、。 平炉炼钢：钢质稳定，一直沿用至今 近年新钢铁种类：低合金超高强度钢（飞机起落架、火箭外壳、常规武器的承力零件）超低温奥氏体钢（-269摄氏度下具有良好的力学性能,第2节 金属材料,三、有色金属 1.普通有色金属 铝及其合金：资源丰富，成本较低，塑性好，可冷拔成细丝。 铜及其合金：电气、仪表、造船、机械制造等工业广泛应用。 钛及其合金：强度高、耐高温、耐腐蚀，资源丰富，加工复杂，成本高。 锂：1817年瑞典化学家阿尔费德松发现。密度比水小一半。 镍：1715年由瑞典化学家克朗斯塔特在“铜怪”的矿石中发现。（因与铜色泽相同，但无法提炼出铜，以为山神作怪） 2.稀有金属 稀土金属：钪,钇,镧和锕

6、系17种元素。被称为冶金工业的维生素,第2节 金属材料,四、几种新兴金属材料简介 1.彩色不锈钢（彩钢）：根据光的干涉原理，设法在不锈钢表面形成一层无色透明的致密的钝化薄膜（氧化膜）。 保持了金属的光泽，色调艳丽，耐蚀性强、耐热性好、较好的耐磨性。 室内装潢、广告、工艺品、包装 2.金属玻璃（非晶态合金）：106/秒的冷却速度，刚柔并济，但不透明。 硬度是常规钢材的两倍，耐腐蚀性比最好的不锈钢高100倍。 军事上制造导弹和装甲车、体育上用在高尔夫球杆上、电脑和手机外壳,思考题2,第3节 无机非金属材料,天然无机非金属材料、硅酸盐材料、新型硅酸盐材料 一、天然无机非金属材料 天然石料(石灰石,长

7、石,石膏)、天然矿土(粘土,高岭土)、天然纤维(石棉) 二、硅酸盐材料 陶瓷:陶和瓷的总称，分为传统陶瓷和先进陶瓷(高性能陶瓷，精细陶瓷等)。不破的陶瓷,能透光的陶瓷,压电陶瓷 玻璃:石英石加入纯碱和石灰石在1500烧制而成。钢化玻璃,光导纤维 ，玻璃幕墙 水泥：以生石灰和粘土为主要原料烧制而成。 耐火材料 ：能耐1580以上高温的材料，金属冶炼炉、锅炉、窑炉等都必须使用耐火材料作内衬绝热层,第3节 无机非金属材料,三、新型硅酸盐材料 氧化铝陶瓷(刚玉),碳化硅陶瓷等,第4节 有机高分子材料,一、高分子的概念及分类,由一种或几种结构单元聚合而成，分子量通常十几万或几十万。又称高聚合物。 根据来

8、源可分为： 天然：纤维素、淀粉 合成：聚乙烯、聚丙烯 半合成：醋酸纤维素 根据合成反应特点： 聚合物、缩合物、开环聚合物 根据性质和用途： 塑料、橡胶、纤维,第4节 有机高分子材料,二、高分子材料发展历史 1812年用酸水解树皮等，得到淀粉。 “橡胶”最早认识是印第安人，“卡乌巧乌” 1823年，苏格兰人马幸托斯创办了雨衣厂，但很快倒闭了。 1839年古德意发现天然橡胶与松节油、硫磺共热可改变性能，化学上叫高分子化学改性，工业上叫硫化处理。 1864年，舍恩拜因用棉纤维经硝酸、硫酸混合液处理，发明了火药棉。 1865年帕克尔对胶棉处理，得到第一种人造塑料-赛璐珞。 1892年克罗斯以木纤维生产

9、粘胶纤维,化学改性到人工合成,第4节 有机高分子材料,1907年，贝克兰把苯酚与甲醛进行反应，得到酚醛塑料-最早合成的塑料。 合成纤维、合成橡胶、塑料发展最快，应用最广，被称为传统的三大有机合成材料,第4节 有机高分子材料,三、传统的三大合成材料 1.合成橡胶 供不应求，探索合成；世界大战，加速发展；奇妙魔术，前程无量 1879年，第一次人工合成橡胶 1910年德国拜尔公司合成橡胶，同年前苏联、英国都发明了不同的合成橡胶。 1914年，德国在战争期间共生产2350吨合成橡胶。 普通合成橡胶：丁苯橡胶、顺丁橡胶等 特种合成橡胶：用于飞机宇宙飞船的硅橡胶,思考题3：特种合成橡胶在民用中的使用,第4

10、节 有机高分子材料,三、传统的三大合成材料 2.合成纤维 粮棉争地，另辟蹊径；尼龙问世，巧夺天工；姹紫嫣红，大放异彩；以假乱真，造福人类 1913年德国化学家科拉特首先开始合成纤维 1938年杜邦公司建成第一座尼龙66工厂 涤纶、腈纶、锦纶、丙纶四大纶 “仿生化”：仿棉、仿麻、仿皮等,1939年尼龙丝袜在纽约 首次公开销售纽约时报,第4节 有机高分子材料,三、传统的三大合成材料 3.塑料 人造“象牙”，能伸能屈；酚醛塑料，冷热均灵；塑料之王，神通广大；错误导致奇迹，导电塑料 1万美元，征求象牙替代品，1869年，海厄特发明了赛璐珞（硝化纤维素经植物油和樟脑软化制成） 1907年，贝克兰把苯酚与

11、甲醛进行反应，得到酚醛塑料-最早合成的塑料 “塑料王”聚四氟乙烯：轴承、人体器官替代品 聚乙炔,第4节 有机高分子材料,四、新型有机高分子材料-功能高分子材料 功能高分子材料是指既有传统高分子材料的机械性能，又有某些特殊功能的高分子材料,第4节 有机高分子材料,四、新型有机高分子材料-功能高分子材料 （1）高分子分离膜 组成：是用具有特殊分离功能的高分子材料制成的薄膜。 特点：有选择的通过 应用：物质分离 （2）医用高分子材料 性能：优异的生物相容性，很高的机械性能 应用：制作人体的皮肤、骨骼、心、肺等各种人工器官,第4节 有机高分子材料,五、有机高分子材料的发展趋势 一方面，对重要的通用有机

12、高分子材料继续进行改进和推广，使性能不断提高，应用范围不断扩大。 例如，近年来，研制出具有优良导电性能的导电塑料，并在电子计算机外壳、罩、传输带等方面得到应用，成为最年轻、最有发展前途的新型导电和电磁屏蔽材料。 另一方面，与人类自身密切相关、具有特殊功能的材料的研究也在不断加强，并取得了一定的进展。 如仿生高分子材料、高分子智能材料等。应用于宇航、建筑、机器人、仿生和医药等领域,第5节 复合材料,第5节 复合材料,一、复合材料概述 1.什么是复合材料 一般说法：由2种或2种以上不同材料组合在一起而形成的新材料。 土坯、张飞的丈八长矛、蒙古弓、钢筋混凝土 木材、人体骨骼、竹子 2. 复合材料的特

13、征 至少包括2种以上的独立化学相（组元） 是按性能要求人为设计和制造的（有别于一般天然材料） 具有各单一组元所没有的综合优良性能（有别于一般混合物,第5节 复合材料,3 .发展简史 40年代 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）出现 60年代 金属基复合材料出现 80年代 陶瓷基复合材料出现 4 .复合材料举例 玻璃钢（印刷电路板），轮胎（纤维增强橡胶） 雷达罩（玻璃纤维增强树脂） 火箭鼻锥（碳纤维/树脂）（碳/碳复合材料） 人造卫星天线（碳纤维/镁合金） 航天飞机框架（硼纤维/铝合金） 网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇休闲 汽车活塞、连杆、自行车飞轮等 民用工业,第5节 复合材料,二、复合材

14、料的分类 复合材料的组成 基体(Matrix)：含量较大，连续分布的组成相 增强相(Reinforcement Elements)：含量较小，分散分布，一般起增强作用 1. 按基体的性质分 金属基复合材料（Metal Matrix Composite Materials, MMCs) 树脂基复合材料(Polymer Matrix Composites，PMCs) 陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites，CMCs,第5节 复合材料,2. 按增强相的形状分 纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Composites, FRCs)：玻璃钢、碳纤维增强复合材料

15、、树脂基复合材料 层压复合材料(Laminated Composites, Laminates)：太空棉,铝塑薄膜 颗粒增强复合材料(Particulate Reinforced Composites, PRCs) 3. 按制造方法分 人造或合成复合材料(Synthetic Composites) 自生复合材料（原位复合材料）(in situ Composites) 4. 按用途分 结构复合材料(Structrual Composites) 功能复合材料(Functional Composites,第5节 复合材料,第5节 复合材料,应用举例 体育器材往往在使用时变形较大，使用聚合物基复合材料

16、制造体育用品，可充分发挥其高强度、耐疲劳和高弹性等特点，为提高运动成绩创造了条件。典型的有：聚合物基复合材料夹层滑雪板、撑杆跳高用的撑杆、射箭用的弓等，当然还有高尔夫球棒、网球拍、跳板、钓鱼杆等。 在医学方面，用玻璃钢代替钢制假肢在英国已有应用，玻璃钢假肢比钢制品轻 2/3，制造费用减少了1/4。此外，聚合物基复合材料作为颅骨缺损修补材料已在临床应用。有机玻璃和陶瓷制造牙齿、碳纤维增强有机玻璃制造齿龈等都比原来的材料要好。 玻璃纤维增强的聚合物基复合材料主要用于中小型船艇的船体，如渔船、游艇、汽艇、扫雷艇、巡逻艇等。如日本70 %的渔船采用玻璃钢制造，美国海军部在1960年代就规定，长度在 1

17、6 米以下的舰船全部采用玻璃钢制造。 美国用玻璃钢管代替 2000多米钢管输送苛性钾生产中的残液，质量减轻60 %，成本降低 1/3，寿命由原来的6-9个月提高到 2-5 年,第5节 复合材料,三、先进复合材料 具有“三高一低”的性能 高强度 高模量 耐高温 低密度 应用： 航天领域导弹的头锥、火箭的喷管 汽车工业制造车身（比钢制轻60）、底盘,第6节 纳米材料,一、概念及其发展 1.概念: 目前，普遍接受的定义为基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm，且必须具有与常规材料截然不同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系,第6节 纳米材料,2.纳米材料的发展： 第一阶段:(199

18、0年以前)实验室探索 第二阶段:(1990-1994年)挖掘特性 第三阶段:(1994年以后)研究应用 纳米材料的研究最初源于十九世纪六十年代对胶体微粒的研究，二十世纪六十年代后，研究人员通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。 1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料，开创纳米材料学之先河。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议(Nano-ST)，标志着纳米材料学作为一个相对独立学科的诞生,第6节 纳米材料,目前我国纳米技术的应用成了热门。据2001年6月的一项调查，国内已有323

19、家纳米企业，其中，以“纳米”字样注册的企业57家，三十多条纳米材料的生产线，社会投入资金约30亿元。产业化效果还不太理想：这是由于许多纳米技术项目研发时间仅有一年左右，属启动阶段。 科研院所的纳米科技论文水平很高，潜心于后续的应用开发和技术支持显得力不从心。而大部分企业属于生产型，缺乏持续创新和应用开发能力，只能接受非常成熟的技术。二者接口的差异，导致纳米技术成果不能顺利转化。 虽然国内已建立了几十条纳米材料和技术的生产线，但产品主要集中在制备纳米粉体方面。市场上很多“纳米商品”还不是真正意义上的“纳米产品”，急需国家制定一个指导性的纳米技术准入标准。由于纳米材料特殊的性能，将纳米科技和纳米材

20、料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变或较大的提高,第6节 纳米材料,二、纳米材料特性 1.奇特的物性 2.扩散及烧结性能 3.力学性能 4.超塑性,第6节 纳米材料,三、几种典型的纳米材料 纳米颗粒型材料 纳米固体材料 纳米膜材料 纳米磁性液体材料 碳纳米管,第6节 纳米材料,纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性,第6节 纳米材料,用途：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电

21、极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等,第6节 纳米材料,纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料,Fe-B纳米棒,第6节 纳米材料,纳米膜材料 纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜,第6节 纳米材料,纳米磁性液体材料 磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性,第6节 纳米材料,碳纳米管 碳纳

22、米管，是1991年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米,第6节 纳米材料,碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能,第6节 纳米材料,碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的,第6节 纳米材料,在

23、电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高,第6节 纳米材料,如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪

24、，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向,第6节 纳米材料,把碳纳米管用作转子的纳米马达图像,第6节 纳米材料,然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场90高纯度的碳纳米管价格高达10002000美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元克，远远高出黄金的价格。 我国清华南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规模最大的碳纳米管生产基地,第6节 纳米材料,四、纳米材料的应用 著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言：如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就

25、能得到大量的异乎寻常的特性。 在陶瓷领域的应用 希望以纳米技术来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。 在微电子学上的应用 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心,第6节 纳米材料,在生物工程上的应用 该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍。 在光电领域的应用 将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷