化学与新材料

1、李侃社 赵世永西安科技大学 化学化工学院2022-5-172主要内容1. 化学与材料科学技术2. 金属材料3. 无机非金属材料4. 有机高分子材料5. 复合材料6. 纳米材料与纳米科技2022-5-173 现代高科技现代高科技(modern high-tech) 信息、材料、能源、生物技术信息、材料、能源、生物技术： 社会文明支柱，科技创新的重要标志社会文明支柱，科技创新的重要标志 材料材料人类社会发展的里程碑！人类社会发展的里程碑！ 新材料新材料现代科学技术和社会发展的现代科学技术和社会发展的基础和支柱！基础和支柱！ 化学化学材料科学技术的理论基础材料科学技术的理论基础.2022-5-174

2、1. 材料科学与工程(materials science and engineering)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.2022-5-175性能性能(properties)使用效能使用效能(performance)合成与制备合成与制备(synthesis and processing)组成与结构组成与结构(components

3、 and structure) 构成材料科学与工程的四组元四面体关系构成材料科学与工程的四组元四面体关系2022-5-176合成与制备合成与制备 合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程物理过程. 既包括有关寻找新合成方法的科学可题、也既包括有关寻找新合成方法的科学可题、也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成新材料的合成, 也应包括已有材料的新合成方法也应包括已有材料的新合成方法(加溶加溶胶胶凝被法凝被法)及其新形态及其新形态(如纤维、薄膜如纤维、薄膜)的合成的合

4、成. 制备主要指材料在宏观迟到上加工、处理、装配和制制备主要指材料在宏观迟到上加工、处理、装配和制造等一系列过程，使之具有所需的性质和使用效能造等一系列过程，使之具有所需的性质和使用效能. 合成与制备是提高材料质量、降低牛产成本和提高经合成与制备是提高材料质量、降低牛产成本和提高经济效益的关键济效益的关键, 也是开发新材料、新器件的小心环节也是开发新材料、新器件的小心环节.2022-5-177组成和结构组成和结构 组成组成指构成材料物质的原子、分子及其分布指构成材料物质的原子、分子及其分布; 除主要组除主要组成以外成以外, 杂质及对材料结构与性能有重要影响的微量添加杂质及对材料结构与性能有重要

5、影响的微量添加物亦不能忽略物亦不能忽略. 结构结构则指组成原干、分子在不同层次上彼此结合的形式、则指组成原干、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与品界结构、缺陷结构等；结构、相结构、晶粒结构、表面与品界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纹米、微米、色米及更宏观的在尺度上则包括纳米以下、纹米、微米、色米及更宏观的结构层次结构层次. 材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容, 它们指导材料的合成与制备它们指导材料的

6、合成与制备, 决定材料的性能和使用效能决定材料的性能和使用效能.2022-5-178性能性能 性能性能指材料固有的物理、化学特性指材料固有的物理、化学特性, 也是确也是确定材料用途的依据定材料用途的依据. 广义地说广义地说, 性能是材料在一性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述定的条件下对外部作用的反应的定量表述. 例例如如, 对外力作用的反应为力学性能对外力作用的反应为力学性能, 对外电场作对外电场作用的反应为电学性能用的反应为电学性能, 对光波作用的反应为光对光波作用的反应为光学性能等等学性能等等.2022-5-179使用效能使用效能 使用效能使用效能是材料以持定产品形式在使用

7、条件下所表现的效能是材料以持定产品形式在使用条件下所表现的效能. 它是材料的固有性能、产品设计、工程持性、使用环境和效益它是材料的固有性能、产品设计、工程持性、使用环境和效益的综合表现的综合表现, 通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标衡量衡量. 因此因此, 与工程设计及生产制造过程密切相关与工程设计及生产制造过程密切相关, 不仅有宏观不仅有宏观的工程问题的工程问题, 还包括复杂的材料科学问题还包括复杂的材料科学问题. 例如例如, 材料部件的损材料部件的损毁过程和可靠性往往涉及在特定的温度、气氛、应力和疲劳环毁过程和可靠性往往涉及在特定的温度、气氛

8、、应力和疲劳环境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理. 材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标、而材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标、而且在很大程度上代表这一学科的发展水平且在很大程度上代表这一学科的发展水平.2022-5-1710 材料科学与工程是多学科交叉材料科学与工程是多学科交叉2022-5-1711材料的选择材料的选择( materials selection)n性质机械性能机械性能 + + 物理性能物理性能n失效性环境因素环境因素: : 氧化氧化 & & 腐蚀腐蚀n经济性价格价格 & & 可用性可用性2022-5-1712

9、材料的性质材料的性质(properties of materials)n机械性质机械性质(应力应力应变应变) 强度强度延展性延展性断裂韧性断裂韧性抗冲击强度抗冲击强度蠕变性蠕变性疲劳性疲劳性磨损磨损n物理性质物理性质热性能热性能磁性能磁性能光学性能光学性能失效性能失效性能2022-5-1713材料的分类材料的分类 (classification of materials)n基本分类基本分类 (按照组成)金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料n其他其他 ( (按照用途按照用途) )结构材料结构材料功能材料功能材料光光电、磁电、磁热热生物材料生物材

10、料2022-5-17142. 金属材料（金属材料（metals & alloys)n金属材料是以金属元素为基础的材料金属材料是以金属元素为基础的材料. 金属单质一般有金属单质一般有良好的塑性良好的塑性, 但其机械性能往往很难满足工程技术等多但其机械性能往往很难满足工程技术等多方面的需要方面的需要, 因此因此, 金属材料更多以合金的形式使用金属材料更多以合金的形式使用. n由于价电子的高度离域性由于价电子的高度离域性, 决定了它们具有良好的导电、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导热性能和易氧化腐蚀的性能.n高密度高密度n可塑性形变可塑性形变, 加工成各种复杂形状加工成各种复杂

11、形状.n高延展性高延展性,决定了具有高冲击和断裂韧性决定了具有高冲击和断裂韧性.2022-5-1715 合金的基本结构类型合金的基本结构类型 (alloys) P291297n合金是由两种或两种以上的金属元素合金是由两种或两种以上的金属元素(或金属与非金属或金属与非金属元素元素)组成组成, 具有金属特征和更优异性能与使用效能的具有金属特征和更优异性能与使用效能的材料材料. 包括三种结构类型包括三种结构类型.n相互溶解而形成金属相互溶解而形成金属固熔体固熔体强度提高强度提高, 延展性和导延展性和导电导热性能下降电导热性能下降.n相互起化学作用而相互起化学作用而形成化合物形成化合物性能随化合物组成

12、、性能随化合物组成、结构与性能而变化结构与性能而变化n无化学相互作用的无化学相互作用的机械混合物机械混合物性能平均、熔点下降性能平均、熔点下降.2022-5-1716 轻质合金轻质合金 (alloys)n轻质合金是由轻金属轻质合金是由轻金属(Al, Mg, Ti, Li等等)形成的合金材料形成的合金材料.n铝合金铝合金: 金属铝的密度仅金属铝的密度仅2.7g/cm3, 导电导热导电导热, 但强度、硬度和耐但强度、硬度和耐磨性能差磨性能差, 若与若与Mg、Cu、Zn、Mn、Si等形成合金等形成合金, 机械性能机械性能会大幅度改善会大幅度改善. 经热处理提高强度的变形铝合金为经热处理提高强度的变形

13、铝合金为硬铝合金硬铝合金, 其制品的强度和钢其制品的强度和钢相近相近, 而质量仅为钢的而质量仅为钢的14左右左右, 但耐腐蚀性较差但耐腐蚀性较差.如如Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Zn等等. 用压力加工法提高强度的变形铝合金称为用压力加工法提高强度的变形铝合金称为防锈铝合金防锈铝合金, 可耐海水可耐海水腐蚀腐蚀, 可用于造船工业等可用于造船工业等. 如如Al-Mn, Al-Mg等等 高强高模铝锂合金高强高模铝锂合金: 锂是最轻金属锂是最轻金属,其密度为其密度为0.534g/cm3，是铝的，是铝的1/5, 钢的钢的1/15. 飞机上改用铝锂合金后飞机上改用铝锂合金后, 重量可减轻重量可减

14、轻816. 如如 B737可减重可减重 2178kg, B747SP可减重可减重4200kg.2022-5-1717 轻质合金轻质合金 (light alloys)n钛合金钛合金 钛与钛与Al, V, Cr, Mo, Mn和和Fe可形可形成置换固熔体或金属间化合物而使其强成置换固熔体或金属间化合物而使其强度提高度提高. 具有具有强度高强度高, 密度小密度小, 抗磁性抗磁性, 耐耐高温高温, 抗腐蚀抗腐蚀等优点等优点, 是宇航工业的重要是宇航工业的重要结构材料结构材料. 可助人可助人上天入海上天入海.2022-5-1718 形状记忆合金形状记忆合金 (shape memory alloy)n所谓

15、形状记忆效应所谓形状记忆效应是指合金材料在一定条件下是指合金材料在一定条件下, 变形后变形后仍能恢复到变形前原始形状的能力仍能恢复到变形前原始形状的能力. 这类合金存在着一这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构对可逆转变的晶体结构, 在某一转变温度发生相转变在某一转变温度发生相转变. 1951年美国人在一次试验中首先发现年美国人在一次试验中首先发现Au-Cd合金有记合金有记忆形状的特性忆形状的特性. 现已发现有多种合金系统都存在形状记现已发现有多种合金系统都存在形状记忆效应忆效应, In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb合金等合金等. n形状记忆合金具有传感和驱动双重功能形状

16、记忆合金具有传感和驱动双重功能, 是一种智能材是一种智能材料料, 可广泛应用于宇航可广泛应用于宇航, 自控自控, 医疗和生活等领域医疗和生活等领域.2022-5-1719贮氢合金贮氢合金 (hydrogen storage alloy)v 某些过渡金属、合金和金属间化合物某些过渡金属、合金和金属间化合物, 由于其特殊的晶体结构由于其特殊的晶体结构, 使氢使氢原子容易进入其晶格的间隙中并形成金属氢化物原子容易进入其晶格的间隙中并形成金属氢化物, 氢与这些金属的结氢与这些金属的结合力很弱合力很弱, 但贮氢量很大但贮氢量很大, 可以贮存比其本身体积大可以贮存比其本身体积大1000 1300倍的氢倍的

17、氢, 加热时氢又能从金属中释放出来加热时氢又能从金属中释放出来. v 1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁镁-镍合金镍合金具有吸氢特性具有吸氢特性, 1969年荷兰菲利普实验室发现年荷兰菲利普实验室发现钐钴（钐钴（SmCo5）合金）合金, 随后又发现镧随后又发现镧-镍镍（LaNi5）合金）合金在常温下具有良好的可逆吸放氢性能在常温下具有良好的可逆吸放氢性能, 从此引起了人们从此引起了人们极大的关注极大的关注. 已经成功开发了已经成功开发了镁系镁系,稀土系稀土系,钛系钛系,锗系贮氢合金锗系贮氢合金, 正向多正向多元化发展元化发展.v 贮氢合金贮运氢气贮氢合金

18、贮运氢气, 既轻便又安全既轻便又安全, 作为一种新型贮能材料具有极为作为一种新型贮能材料具有极为广泛的应用前景广泛的应用前景. 2022-5-1720耐热合金耐热合金 (heat resistant alloy) 一般金属材料的长期使用温度一般金属材料的长期使用温度500600 , 能在高于能在高于700 条件下工作的金属合金称为条件下工作的金属合金称为耐热合金耐热合金. “耐热耐热”是指材料是指材料在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性. 耐热合金耐热合金通常是由第通常是由第BB和和族高熔点金属形成的合金族高熔点金属形成的合金. 广泛应用于制造涡轮发电机

19、广泛应用于制造涡轮发电机, 各种燃气轮机热端部件等各种燃气轮机热端部件等. 包括铁基包括铁基, 镍基镍基, 钴基钴基,铌基和钨基等合金铌基和钨基等合金. 提高钢铁耐热性的途径提高钢铁耐热性的途径: 设法提高金属键的强度设法提高金属键的强度. 金属键的强度与原子中成单电子金属键的强度与原子中成单电子数有关数有关, 所以与所以与Cr,Mo,W等形成合金等形成合金可提高耐热性可提高耐热性. 加入可形成加入可形成耐高温化合物如碳化物耐高温化合物如碳化物的金属的金属, 形成合金形成合金.2022-5-1721低熔点合金低熔点合金( low melting alloy) 低熔点合金低熔点合金是指由低熔点金

20、属是指由低熔点金属Hg, Sn, Pb和和Bi形成的合金形成的合金. Wood合金合金: 组成为组成为: 质量分数质量分数50%Bi-25%Pb-13%Sn-12%Cd, 熔点仅熔点仅71, 应用于自动灭火设备应用于自动灭火设备, 锅炉安全锅炉安全装置以及信号仪表等装置以及信号仪表等. 焊锡焊锡: 组成为质量分数组成为质量分数37%Pb-63%Sn, 熔点熔点183. 液体合金液体合金: 组成质量分数组成质量分数77.2%K-22.8%Na, 熔点熔点 -12.3, 应用于原子能反应堆的冷却剂应用于原子能反应堆的冷却剂. 2022-5-1722耐腐蚀合金耐腐蚀合金(corrosion-resi

21、stant alloy) 耐腐蚀金属耐腐蚀金属: 通常具备下述条件之一通常具备下述条件之一热力学稳定性高热力学稳定性高: 一般是贵金属一般是贵金属Pt, Pd, Au,Ag,Cu等等. 易于钝化的金属易于钝化的金属: Al, Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等等. 表面能生成难溶的和保护性良好的腐蚀产物膜的金属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通过特定腐蚀介质来实现. 耐腐蚀合金耐腐蚀合金: 抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料更高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热稳定性高的贵金属形成合金. 与易钝化金属形成合金与易钝化金属形成合金

22、. 在合金表面形成致密保护膜在合金表面形成致密保护膜.2022-5-1723磁性材料磁性材料 (magnetic materials)v 磁性体磁性体是由电磁作用而产生磁化的物质是由电磁作用而产生磁化的物质. 凡是能磁化到较大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磁性材料.v 磁性材料主要有两大类磁性材料主要有两大类 矫顽力极大矫顽力极大, 并且以剩余磁通密度很高为特征并且以剩余磁通密度很高为特征, 称为称为硬磁硬磁材料或永磁材料材料或永磁材料, 在发电机、电气仪表等方面大量应用；在发电机、电气仪表等方面大量应用； 矫顽

23、力小矫顽力小, 外部磁场的微小变化即可引起磁化的很大变化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为磁损失小的高导磁率材料, 称为软磁材料称为软磁材料, 主要用于电动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波材料等. 此外还有利用磁滞曲线非线性部分的磁记录材料此外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和磁存储材料以及磁致伸缩材料和磁光材料等. 2022-5-1724永磁合金永磁合金 (permanent magnet alloy)v 矫顽力极大矫顽力极

24、大, 并且以剩余磁通密度很高为特征并且以剩余磁通密度很高为特征, 称为称为硬磁材料硬磁材料或永磁材料或永磁材料. v 最早的永磁合金是具有铁磁性的最早的永磁合金是具有铁磁性的Fe, Co, Ni的合金的合金.v 稀土永磁合金稀土永磁合金 SmCo5 Sm2Co17 Nd-Fe-B Sm2Fe17N2 Pr-Fe-B-Cu 2022-5-1725巨磁阻效应巨磁阻效应 (gigantic reluctance effect)v 在一定磁场下材料电阻改变的现象称在一定磁场下材料电阻改变的现象称磁电阻磁电阻. 巨磁阻巨磁阻是指在一是指在一定磁场下电阻急剧减小的现象定磁场下电阻急剧减小的现象. 比一般磁

25、性合金强比一般磁性合金强10多倍多倍.v 1988年巴黎大学肯特教授首次在年巴黎大学肯特教授首次在Fe/Cr多层膜中发现巨磁阻效多层膜中发现巨磁阻效应应. 随后在随后在Fe/Cu, Fe/Al, Fe/Au, Co/Cu, Co/Ag和和Co/Au等纳米结构等纳米结构的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应.v 巨磁阻效应巨磁阻效应在高密度读出磁头在高密度读出磁头, 磁存储元件等高技术领域有广磁存储元件等高技术领域有广泛用途泛用途.v 1994年年IBM公司研制成功巨磁阻效应的读出磁头公司研制成功巨磁阻效应的读出磁头, 磁记录密度磁记录密度提高提高17倍倍, 达达5Gb

26、it/in2, 现衣超过现衣超过11 Gbit/in2. v 巨磁阻效应巨磁阻效应还可用于制备无电源随机存储器还可用于制备无电源随机存储器, 微弱磁场探测器微弱磁场探测器. 2022-5-1726非晶态金属非晶态金属(amorphous metal)v 将某些金属熔体将某些金属熔体, 以极快的速度急剧冷却以极快的速度急剧冷却, 如如106K/s,无序的原子无序的原子被迅速被迅速“冻结冻结”而形成无定型的固体而形成无定型的固体,称称非晶态金属非晶态金属, 亦称亦称金属玻金属玻璃璃.v 能形成非晶态的合金有两类能形成非晶态的合金有两类: 金属之间的合金金属之间的合金: 如如Cu60Zr40, La

27、76Au24, U70Cr30等等. 金属与非金属形成的合金金属与非金属形成的合金: 如如Fe80B20, Fe40Ni40P14O6和和 Fe5Co70Si15B10等等.v 制备非晶态合金的技术制备非晶态合金的技术: 气相沉积法气相沉积法, 激光表层熔化法激光表层熔化法, 离子注离子注入法入法, 化学沉积法和电沉积法等化学沉积法和电沉积法等.v 性能特点性能特点: 强度韧性兼具强度韧性兼具; 耐蚀性优异耐蚀性优异; 低损耗低损耗, 高磁导高磁导; 一定的一定的催化性能和贮氢能力催化性能和贮氢能力.2022-5-17273. 无机非金属材料 (inorganic nonmetal mater

28、ials)除金属以外的无机材料统称除金属以外的无机材料统称无机非金属材料无机非金属材料. 传统的无机非金属材料主要有传统的无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种火材料四种, 化学组成均为硅酸盐类化学组成均为硅酸盐类, 因此无机非金属因此无机非金属材料亦称材料亦称硅酸盐材料硅酸盐材料; 又因其中陶瓷材料历史最悠久又因其中陶瓷材料历史最悠久,应用甚为广泛应用甚为广泛, 故国际上常称之为故国际上常称之为陶瓷材料陶瓷材料.先进无机非金属材料先进无机非金属材料, 亦称无机新材料亦称无机新材料. 包括结构陶瓷包括结构陶瓷, 复合材料复合材料, 功能陶瓷功能陶瓷, 半导体半导

29、体, 新型玻璃新型玻璃, 非晶态材料和非晶态材料和人工晶体等人工晶体等.2022-5-1728无机非金属材料的特点晶体结构: 结合力主要为离子健、共价键或离子结合力主要为离子健、共价键或离子-共价混合键共价混合键. 赋于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的基本属性, 以及新近发现的宽广的导电、导热性和透光性以及良以及新近发现的宽广的导电、导热性和透光性以及良好的铁电性、铁磁性和压电性好的铁电性、铁磁性和压电性, 高温超导性等高温超导性等.化学组成: 无机非金属材料已不局限于硅酸盐无机非金属材料已不局限于

30、硅酸盐, 还包括其他含氧酸还包括其他含氧酸盐、氧化物、氯化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合盐、氧化物、氯化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、物、硅、锗、IIIV族及族及IIVI族化合物等族化合物等. 其形态初形状也趋于多其形态初形状也趋于多样化样化, 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地应. 制备: 高纯度、高细度的原料高纯度、高细度的原料, 并精确控制化学组成、添加物的数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量和分布、晶体结构和材料微观结构等.2022-5-1729传

31、统的无机非金属材料传统的无机非金属材料n天然硅酸盐天然硅酸盐: 其基本结构单元为硅氧四面体 (SiO4)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. (SiO4)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. 2022-5-1730硅氧骨架结构硅氧骨架结构岛状岛状三方环三方环四方环四方环六方环六方环2022-5-1731硅氧骨架结构硅氧骨架结构单链单链双链双链2022-5-1732硅氧骨架结构硅氧骨架结构长石架状长石架状 石英架状石英架状 层状层状2022-5-1733层状硅酸盐矿物层状硅酸盐矿物滑石滑石高岭土高岭

32、土白云母白云母蛇纹石蛇纹石2022-5-1734架状硅酸盐矿物架状硅酸盐矿物长石长石沸石沸石2022-5-1735链状、环状硅酸盐矿物链状、环状硅酸盐矿物碌帘碌帘石石电气石电气石辉石辉石硅灰石硅灰石硅线石硅线石2022-5-1736水泥水泥 (cement)v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. v 硅酸盐水泥: 以粘土和石灰石(有时加入少量氧化铁粉)为原料, 经煅烧成熟料, 磨细后混入适量石膏而成. v 组成为质量分数组成为质量分数: 6267%CaO+2024%SiO2+47%Al2O3+25%Fe2O3.v 水泥

33、标号水泥标号: 标准试样在标准条件下标准试样在标准条件下, 28天后的强度天后的强度kg/cm2.v 特种水泥特种水泥: 矾土水泥矾土水泥, 快凝快硬快凝快硬“双快水泥双快水泥”, 防裂防渗的防裂防渗的“低温水泥低温水泥”, 能耐能耐1250的的“耐火水泥耐火水泥”, 用于化工生产和用于化工生产和特殊场合的特殊场合的“耐酸水泥耐酸水泥”.2022-5-1737玻璃（玻璃（glass)n广义上说广义上说, 凡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凡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构特征的非晶态物质都称为玻璃玻璃. n 普通硅酸盐玻璃:

34、 主要成分是SiO2, Na2O和CaO等, 硬而脆.n 硅酸盐玻璃中的Na2O被B2O3取代, 可得到硬而耐热的硅硼酸盐玻璃, 最高耐温可达1600 , 称为称为耐热玻璃耐热玻璃.n 硅酸盐玻璃中加入硅酸盐玻璃中加入Li2O等成核剂等成核剂, 紫外线照射或特殊热处理紫外线照射或特殊热处理, 在体系中形成在体系中形成SiO2和和Li2O微晶微晶, 得到得到微晶玻璃微晶玻璃. 强度提高强度提高6倍倍, 比高碳钢硬比高碳钢硬, 比铝轻比铝轻, 900 入冷水而不碎入冷水而不碎.n 石英玻璃石英玻璃: 热膨胀系数极小热膨胀系数极小, 11001200 可长期使用可长期使用.n 钢化玻璃钢化玻璃: 高

35、强而安全高强而安全, 碎块不尖碎块不尖, 不伤人不伤人.n 新玻璃品种新玻璃品种: 半导体玻璃半导体玻璃, 激光玻璃激光玻璃, 电光玻璃电光玻璃, 透红外线玻璃等透红外线玻璃等.2022-5-1738陶瓷陶瓷 (ceramics) 陶瓷: 指以粘土为原料, 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烧结得到的多孔烧结体, 称称陶; 以更纯粘土与几乎等量的石英和长石, 调制成型后, 1200煅烧煅烧, 在经涂釉在经涂釉, 升至升至1400煅烧煅烧, 得到带有细釉的得到带有细釉的“瓷器瓷器”. 传统的陶瓷材料是复杂的

36、多晶体传统的陶瓷材料是复杂的多晶体, 是晶粒、晶界、气孔和玻璃是晶粒、晶界、气孔和玻璃包裹物的集合体包裹物的集合体. 细化晶粒细化晶粒, 提高致密程度提高致密程度, 减小气孔率减小气孔率, 增加附增加附加能量消耗材料相加能量消耗材料相, 可提高陶瓷的强度和韧性可提高陶瓷的强度和韧性.2022-5-1739精细陶瓷精细陶瓷 (advanced ceramics) 结构陶瓷结构陶瓷: 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. 氧化铝氧化铝: 高纯超细氧化铝经高温烧结而得高纯超细氧化铝经高温烧结而得. 使用温度高达使用温度高达1980,用途用途极广极广.

37、高纯氧化铝加入少量高纯氧化铝加入少量Y2O3和和MgO等等, 特殊烧结特殊烧结, 可得可得透明陶瓷透明陶瓷. 少少量量Cr2O3与与Al2O3形成固溶体形成固溶体, 称称红宝石红宝石, 是激光材料是激光材料. 氧化锆氧化锆: 离子键结合离子键结合, 性脆性脆. 加入少量加入少量Y2O3和和CaO等可实现增韧等可实现增韧, 得到得到“陶瓷纲陶瓷纲”. 氮化硅氮化硅: 硬度为硬度为9. 低膨胀低膨胀, 高热导高热导, 可适应温度的急剧变化可适应温度的急剧变化. Si3N4可与可与Al2O3形成固溶体形成固溶体, 制得新材料制得新材料“塞龙塞龙(sialon)”. 碳化硅碳化硅: SiC, 俗称俗称

38、“金刚砂金刚砂”, 原子晶体原子晶体. 高温强度极高高温强度极高, 掺杂可制得掺杂可制得半导体材料半导体材料, 制作发热元件制作发热元件. 已用于制造无冷却式陶瓷发动机已用于制造无冷却式陶瓷发动机.2022-5-1740精细陶瓷精细陶瓷 (advanced ceramics) 功能陶瓷功能陶瓷: 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. 压电陶瓷压电陶瓷: 具有压电效应的陶瓷材料具有压电效应的陶瓷材料. 主要有主要有: 钛酸钡系、钛酸铅系和锆钛酸钡系、钛酸铅系和锆钛酸铅系钛酸铅系. 用于制造各种换能器和传感器用于制造各种换能器和传感器. 晶体受外力作用而形变晶体受外力

39、作用而形变, 同时在对同时在对应两个面上产生电荷应两个面上产生电荷, 晶体带电的大小与外力成正比晶体带电的大小与外力成正比; 相反相反, 在外加电场作用在外加电场作用下下, 在晶体相应面上会产生形变在晶体相应面上会产生形变, 该现象称该现象称“压电效应压电效应”. 光导纤维光导纤维: 光通信的关键光通信的关键. SiO2和和LaF3已实用化已实用化. 固体电解质固体电解质: AgI离子晶体离子晶体,Y2O3和和CaO稳定的稳定的ZrO2,Na-b-b-Al2O3等等. 传感材料传感材料2022-5-1741半导体材料半导体材料 (semiconducting material) 半导体材料半导

40、体材料:室温电阻率为室温电阻率为10-41010 cm, 依靠电子和孔穴这两类载流依靠电子和孔穴这两类载流子的迁移实现导电的材料子的迁移实现导电的材料. 半导体材料类型半导体材料类型: 元素半导体：包括元素半导体：包括Si,Ge,Sn,P,As,Se等等, 但实用的纯单质只有但实用的纯单质只有Si和和Ge. 均使均使用其高纯单质用其高纯单质, 如大规模集成电路使用的硅纯度超过如大规模集成电路使用的硅纯度超过99.9999999, 现已能制得现已能制得14个个9的单晶硅的单晶硅. 掺杂半导体掺杂半导体: 适当掺杂大幅度提高电导率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通过调整杂质含

41、量控制电导率, 包括包括p-型如型如Si(B,Al), Ge(Ga)和和n-型半导体如型半导体如Si(P,As), Ge(As). 化合物半导体化合物半导体: AxB8-x(x=1,2,3), 即即I-VII, II-VI, III-V族元素的组合族元素的组合, 具有金具有金刚石型或刚石型或ZnS型晶体结构型晶体结构, 以共价键为主以共价键为主. 实用化最多的是实用化最多的是III-V型型, 性能最好性能最好的是的是GaAs, 亮灰亮灰, 硬而脆硬而脆, 掺掺Te, 得得n-型型, 掺掺Zn或或Cd得得p-型型. 缺陷半导体缺陷半导体: 氧化物和硫化物氧化物和硫化物, 结构中存在阴离子或阳离子

42、空位结构中存在阴离子或阳离子空位.2022-5-1742超导材料超导材料 (superconducting materials) 超导电性超导电性: 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. 荷兰物理学家荷兰物理学家H.K.Onnes:1911年首次发现年首次发现Hg在在4.15K时出现时出现0电阻电阻.1973年得到年得到Tc为为23.2K的的Nb3Ge超导体超导体.20世纪世纪80年代中期年代中期, 世界超导研究出现高潮世界超导研究出现高潮, 取得巨大突破取得巨大突破: 1986年瑞士贝德诺兹和缪勒发现了年瑞士贝德诺兹和

43、缪勒发现了Tc=35K的的La-Ba-Cu-O混合氧化物混合氧化物. 1987年美籍华人朱经武发现了年美籍华人朱经武发现了Tc=90K的超导氧化物的超导氧化物. 我国赵中贤研究组制得了我国赵中贤研究组制得了Tc=93K的的Y-Ba-Cu-O混合氧化物混合氧化物, 并测定了晶体结构并测定了晶体结构. 超导温度已高于液氮沸点超导温度已高于液氮沸点77K, 进进入实用化阶段入实用化阶段. 科大研究组已制得了科大研究组已制得了Tc=132K的的Bi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超导体超导体.以以C60为基础的有机超导体研究也取得了突破性进展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

44、输送超导材料在能源输送, 磁悬浮列车磁悬浮列车, 医疗卫生等领域有广阔应用前景医疗卫生等领域有广阔应用前景.2022-5-1743高分子材料学科的基本任务是：研究高分子材料的的基本任务是：研究高分子材料的合成、合成、结构和组成与材料的性质、性能之间的相互关系结构和组成与材料的性质、性能之间的相互关系; 探索探索加工工艺和各种环境因素加工工艺和各种环境因素对高分子材料性能的影响对高分子材料性能的影响; 为为改进工艺改进工艺, 提高高分子材料的质量提高高分子材料的质量, 合理使用高分子材料合理使用高分子材料, 开发新材料、新工艺和新的应用领域提供理论依据和基开发新材料、新工艺和新的应用领域提供理论

45、依据和基础数据础数据. 高分子材料学科是一门年轻而新兴的学科高分子材料学科是一门年轻而新兴的学科, 它的它的发展要求科学和工程技术最为密切的配合发展要求科学和工程技术最为密切的配合, 它的进步需它的进步需要要跨部门、多学科的最佳协调和共同参与跨部门、多学科的最佳协调和共同参与.2022-5-1744（Nomenclatures ）Macromolecule (大分子大分子): 由大量原子组成由大量原子组成, 具有高的具有高的相对分子质量或分子重量相对分子质量或分子重量.Polymer molecule (聚合物分子聚合物分子, 简称简称高分子高分子): 由许多由许多(poly)部分部分(mer

46、, 单体单元或链节单体单元或链节)组成的多重重复的分组成的多重重复的分子子. 一个高分子总是一个大分子一个高分子总是一个大分子, 但一个大分子不一定是高分子但一个大分子不一定是高分子.Polymer (聚合物聚合物): 是由许多聚合物分子组成的一种物是由许多聚合物分子组成的一种物质质, 它是一种聚合的物质它是一种聚合的物质.2022-5-17452022-5-1746结构决定性能，性能反映结构结构决定性能，性能反映结构.根据需要选择性能，根据性能设计结构，进根据需要选择性能，根据性能设计结构，进而合成高分子材料，改性高分子材料而合成高分子材料，改性高分子材料.高分子结构与性能的关系及其变化规律

47、高分子结构与性能的关系及其变化规律,是是高分子分子设计的基础高分子分子设计的基础,同时也是确定高分同时也是确定高分子加工成型工艺的依据子加工成型工艺的依据.2022-5-1747聚合物结构的主要特点 链式结构链式结构链的柔性链的柔性多分散性多分散性 凝聚态结构的复杂性凝聚态结构的复杂性 高分子链依靠分子内和分子间的范德华力相互作用高分子链依靠分子内和分子间的范德华力相互作用培砌在一起，可呈现为培砌在一起，可呈现为晶态和非晶态晶态和非晶态交联网状结构交联网状结构2022-5-1748线形非晶态聚合物的物理形态线形非晶态聚合物的物理形态 线形非晶态聚合物无一定的熔点无一定的熔点, 随温度的变化,

48、呈现三种物理形态三种物理形态: 当TTf时, 聚合物呈粘流态粘流态 (能能流动的粘稠液体流动的粘稠液体), 如常温下的胶如常温下的胶粘剂或涂料粘剂或涂料; 当TTg时, 聚合物呈玻璃态玻璃态 (玻玻璃状坚硬固体璃状坚硬固体), 如常温下的塑料塑料; 当TgTTf时, 聚合物呈高弹态高弹态 (受力形变, 除力回复的高弹体),如常温下的橡胶橡胶.玻璃态玻璃态高弹态高弹态粘流态粘流态TgTf玻璃态玻璃态高弹态高弹态粘流态粘流态TgTf2022-5-1749 物质的结构物质的结构是指物质的组成单元是指物质的组成单元(原于或分子原于或分子)之间在相互吸引和排斥作用之间在相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间

49、诽布因此为了认识高聚物的结构，首先应了解存在于高聚达到平衡时的空间诽布因此为了认识高聚物的结构，首先应了解存在于高聚物分子内和分子间的相互作用物分子内和分子间的相互作用 化学键化学键 构成分子的原子间的作用力有吸引力和斥力，吸引力是原子形成分于的结合力，构成分子的原子间的作用力有吸引力和斥力，吸引力是原子形成分于的结合力，叫作主价力，或称键合力斥力是各原子的电子之间的相互排斥力当吸引力叫作主价力，或称键合力斥力是各原子的电子之间的相互排斥力当吸引力和斥力达到平衡时，便形成稳定的化学键和斥力达到平衡时，便形成稳定的化学键共价键共价键: 离子键离子键: ( CH2CH )n COO- H+ ( C

50、H2CH )n NH+ OH-聚丙烯酸聚丙烯酸聚丙烯胺聚丙烯胺2022-5-1750 离子型聚合物离子型聚合物(ionomer)中也有离子键存在，例如以乙烯和中也有离子键存在，例如以乙烯和10%左左右的丙烯酸的共聚物为主链，以金属离子右的丙烯酸的共聚物为主链，以金属离子Mg2+为交联剂的高聚物：为交联剂的高聚物：常温下成键常温下成键, 高温下解离高温下解离.高温加工高温加工, 冷却交联冷却交联.结晶度低结晶度低, 透明性好透明性好, 冲击和拉伸强度高冲击和拉伸强度高. 金属键金属键 是由金属原子的价电子和金属离子晶格之间的相互是由金属原子的价电子和金属离子晶格之间的相互作用而形成的，无方向性和

51、饱和性，赋予高导电性在所谓的作用而形成的，无方向性和饱和性，赋予高导电性在所谓的“金属螯合高聚金属螯合高聚”(metallocene po1ymer)中可以说存在金属中可以说存在金属键键2022-5-1751 作用能作用能: 28kJ/mol是存在于分子间或分子内非键合原于间的相互作用力两分子间的是存在于分子间或分子内非键合原于间的相互作用力两分子间的范德华力范德华力F(r)及相互作用能及相互作用能E(r)是分子之间距离是分子之间距离r的函数如图所示的函数如图所示. drrdErF- 0drrdE当当r=r0时时, F(r) =0静电力静电力: 极性分子之间极性分子之间, 温度温度T成反比成反

52、比, 与距离的与距离的7次方成反比次方成反比;诱导力诱导力: 极性分子与非极性分子之间极性分子与非极性分子之间, 与温度有关与温度有关, 与距离的与距离的7次方成反比次方成反比;色散力色散力: 非极性分子之间非极性分子之间, 与温度无关与温度无关,与距离的与距离的7次方成反比次方成反比;r2022-5-1752 氢键氢键是与电负性较强的原子相结合的氢原子是与电负性较强的原子相结合的氢原子(如如XH)同时与另同时与另一个电负性较强的原子一个电负性较强的原子(如如Y)之间的相互作用，即之间的相互作用，即(XHY)这这些电负性铰强的原子一般是氮、氧或卤素原子一般认为在氢键些电负性铰强的原子一般是氮、

53、氧或卤素原子一般认为在氢键中，中，XH基本上是共价键，而基本上是共价键，而HY则是一种强而有方向性的范则是一种强而有方向性的范德华力这里把氢键归入范德华力是因为氢键本质上是带有部分德华力这里把氢键归入范德华力是因为氢键本质上是带有部分负电荷的负电荷的Y与电偶极矩很大的极性键与电偶极矩很大的极性键XH间的静电吸引相互作用间的静电吸引相互作用. 氢键的键能氢键的键能: 1329 kJ/mol. 氢键键长氢键键长: 0.240.32 nm. 氢键氢键可以存在于分子内和分子问，在聚酰胺、聚氨酯和生物大分可以存在于分子内和分子问，在聚酰胺、聚氨酯和生物大分子中起着重要的作用子中起着重要的作用2022-5

54、-1753聚乙烯聚乙烯聚丙烯聚丙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯CH=CH-CH=CHn 聚乙炔聚乙炔链结构单元链结构单元: :2022-5-1754CF2CF2n 聚四氟乙烯聚四氟乙烯CH2CH=CHCH2n 聚丁二烯聚丁二烯CH2CH=CCH2n 聚异戊二烯聚异戊二烯 CH3尼龙尼龙-6,6聚丙烯氰聚丙烯氰聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯聚酰亚胺聚酰亚胺2022-5-1755聚合物分子单体聚合物分子单体必须是双官能团必须是双官能团的小分子的小分子具有两个具有两个(或多个或多个)官能的末端基团官能的末端基团. 二元醇二元醇, 二元酸二元酸, 二元胺二

55、元胺 羟基羧酸羟基羧酸, 氨基酸氨基酸 硫化钠硫化钠Na2S 三元胺三元胺, 四羧酸等四羧酸等.具有重键的单体具有重键的单体: 碳碳双键碳碳双键, 碳碳三键碳碳三键; 碳氮三键和碳氧碳氮三键和碳氧双键等双键等.在环中含有杂原子的环状单体在环中含有杂原子的环状单体: 如如环氧乙烷环氧乙烷, 四氢呋喃四氢呋喃, 六甲基环三硅氧烷六甲基环三硅氧烷, 己内酰胺等己内酰胺等. 2022-5-1756 均链高分子均链高分子(homochain polymer） 一种链原子一种链原子. 元素高分子元素高分子: 主链中含有主链中含有: Si, S, P, Al, Sb等等 杂链高分子杂链高分子: 如如PEO,

56、 POM, PA等等2022-5-1757 链结构单元的键接方式链结构单元的键接方式 头-头 尾-尾 头-尾 通过裂解方法检测链结构单元键接方式.2022-5-1758 交联和枝化交联和枝化HDPELDPELLDPE 高分于链之间通过化学键键接而形成三维网状结构，称为交联高分于链之间通过化学键键接而形成三维网状结构，称为交联热固性塑热固性塑料、硫化橡皮，羊毛、头发等都是交联结构的聚合物它们具有不溶不熔的料、硫化橡皮，羊毛、头发等都是交联结构的聚合物它们具有不溶不熔的特点，因此，可交联的高聚物的成型只能在形成交联结构以前，一经形成交特点，因此，可交联的高聚物的成型只能在形成交联结构以前，一经形成

57、交联结构，形状就不能再改变交联结构的高聚吻具有更优越的性能，例如耐联结构，形状就不能再改变交联结构的高聚吻具有更优越的性能，例如耐热、耐溶剂、尺寸稳定等交联聚乙烯的性能相对线形和支化聚乙烯具有更热、耐溶剂、尺寸稳定等交联聚乙烯的性能相对线形和支化聚乙烯具有更高的抗张强度和耐热性橡胶只有经过硫化才能形成真正的弹性体高的抗张强度和耐热性橡胶只有经过硫化才能形成真正的弹性体橡皮橡皮2022-5-1759Important Properties of Polymersw 低密度低密度 (Density: Low lightweight)w 良好绝缘良好绝缘 (Good electrical & the

58、rmal insulators )w 易变形和加工易变形和加工 (Flexible & subject to deformation)w 耐热温度低耐热温度低 (Thermal Transitions: 100oC )w 机械强度机械强度 (mechanical strength) 随结构不同而变化随结构不同而变化w 化学稳定性好化学稳定性好, 不腐蚀不腐蚀, 但可氧化燃烧但可氧化燃烧, 空气中易老化空气中易老化.2022-5-1760聚合物直接应用于精细高分子领域聚合物直接应用于精细高分子领域（如涂料、黏合剂、油墨、各种助剂等）（如涂料、黏合剂、油墨、各种助剂等）原料准备和精制配料聚合聚合反

59、应反应合成聚合物：合成聚合物：聚合物溶液、聚合物溶液、聚合物乳液等聚合物乳液等第一层次第一层次聚合物聚合物分离分离干燥的粉状、粒干燥的粉状、粒状或块状聚合物状或块状聚合物第二层次第二层次聚合物后处理：聚合物后处理：洗涤、干燥、造粒洗涤、干燥、造粒或压块、包装等或压块、包装等聚合物成型加工聚合物成型加工助剂成型的聚合物：塑料、橡胶或纤维成型的聚合物：塑料、橡胶或纤维第三层次第三层次2022-5-1761加聚反应加聚反应 由若干单体经加成反应而聚合生成聚合物由若干单体经加成反应而聚合生成聚合物的过程的过程. 由一种单体的聚合称由一种单体的聚合称均聚. 产物称产物称均聚物,如乙烯聚合得聚乙如乙烯聚合

60、得聚乙烯烯. 由两种或多种单体的加聚反应由两种或多种单体的加聚反应, 称称共聚. 产物称产物称共聚物, 与均与均聚物相比有更高的性能聚物相比有更高的性能,如苯乙烯如苯乙烯(S)与丁二烯与丁二烯(B)共聚共聚,得嵌段得嵌段共聚物共聚物SBS. 加聚反应的加聚反应的单体必须具有不饱和碳单体必须具有不饱和碳-碳重键碳重键. 如如: CH2=CH2, CHCH , CH2=C-CH3 COOCH3 绝大多数是不可逆反应; 延长反应时间不增加Mr, 但可提高单体转化率.2022-5-1762 缩聚反应缩聚反应: 低分子单体通过缩合反应形成聚合物的过程低分子单体通过缩合反应形成聚合物的过程, 产物产物称缩