材料科学的发展概况和阶段

1、材料科学的发展概况和阶段使用纯天然材料的初级阶段 利用火制造材料的阶段 物理与化学原理合成材料的阶段 材料的复合化阶段 材料的智能化阶段 旧石器时代（公元前10万年左右）使用天然的石、木、竹、骨等材料作为守猎工具；新石器时代（公元前6000年）陶瓷材料的发明和应用饮食方式：烧烤煮食生产工具：打磨的石头陶器住房：半穴居的泥草房陶器的房屋，挡风遮雨，坚固不怕水Chemistry and Humankind粘土的化学成分：SiO2、MgO、CaCO3、Al2O3，熔点都不很高。当温度达900时， 硅酸钙CaSiO3和硅酸铝Al2(SiO3)3等，它们融合在一起便成为坚硬的陶。粘土为什么能制陶呢？新石

2、器时代（公元前6000年）到了殷商时期，人们发现，用含SiO2较高的粘土，再加入石灰、草木灰等含有CaO、KOH的碱性物质，在1200度的高温下，烧出的陶器硬度更高、吸水率更低，表面光滑明亮，这就是釉层。如果用CuO、FeO做颜料，可使釉层十分漂亮。宋代五大名窑之一钧窑产品-钧红花瓶釉里红 青花瓷 唐三彩 青铜器时代（公元前21世纪，夏、商、西周至春秋时期）司母戊大方鼎矛戈鉴燧两用镜 战国初期的曾侯乙编钟“五金”：在战国之前，人们只能从矿石中提炼出金、银、铜、锡、铅5种金属，被人们称之为“五金”。“炉火纯青”：两千余年的青铜熔炼工艺 “凡铸金之状，金与锡黑浊之气竭，黄白次之，黄白之气竭，青白次

3、之，青白之气竭，青气次之，然后可铸也。” 该工艺是为了控制熔炼的温度，即掌握火候；当熔炼到“青气次之”之时，也就是熔炼到了所谓“炉火纯青”的火候了。 以钢铁为中心的金属材料的使用（18世纪产业革命）合成高分子材料（二次大战后）合成纤维、合成橡胶、合成塑料、涂料和胶粘剂20世纪80年代，半导体材料、光导纤维（信息技术），耐高温材料、复合材料、烧蚀材料、涂层材料（空间技术）CCD光纤涂层材料烧蚀材料在哥伦比亚号航天飞机再次发射以前，上一次发射时受损的陶瓷防护片必须更换。5.1.1 化学是材料发展的源泉传统材料有几十万种，而新合成的材料每年大约以5的速度在增加。例如：高分子材料的发展5.1.2 材料

4、的分类方法按来源分类天然材料人工材料按用途分类结构材料功能材料按材料的成分和特性金属材料复合材料陶瓷材料高分子材料金属材料黑色金属材料包括铁、锰、铬以及它们的合金有色金属材料轻金属：Al, Mg, Ti重金属: Cu, Zn, Cd, Hg, Pb高熔点金属: V, Mo稀土金属: La, Ce, Pr贵金属: Au, Ag, Pt, Pd 陶瓷材料传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，新发展起来的陶瓷成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等等；高分子材料新一代合成材料，优点：较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等复合材料由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成如：纤维增强

5、陶瓷基复合材料，可以增加陶瓷的韧性，解决陶瓷的脆性弱点。由纤维增强陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘结剂贴在航天飞机机身上，确保航天飞机能安全的穿越大气层回到地球上。 1、新型材料具有特殊的性能，能满足尖端技术和设备制造的需要，如超高温材料、超高压材料、耐腐蚀、耐磨擦材料等等； 2、新型材料的发展与材料科学理论的关系比传统材料更为密切，它的研制是多学科综合研究的结果；如太阳能电池材料的研制涉及光电子学理论、减振吸声材料的研制等等；5.1.3 新型材料的主要特点3、 新型材料从设计到生产，需要专门的、复杂的设备和技术，它自身形成了一个独特的领域，称为新材料技术；如用机械合金化技术制备纳米晶材料、非晶态合金

6、材料，用自蔓延高温合成技术制备多孔陶瓷材料等； 4、新型材料更新换代快、式样多变；如手机电池所采用的能源材料，在比较短的时间内经历了Ni-Cd、Ni-H、锂离子材料的变化； 5、新型材料大多是知识密集、技术密集、附加值高的高技术材料； 5.2.1 金属键和纯金属的晶体结构5.2 金属材料金属的性质：有金属光泽、良好的传热、导电和延展性；自由电子5.2.2 钢铁地壳中铁主要以氧化物、硫化物和碳酸盐形式存在，重要的矿石有赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿等；铁冶炼过程为还原反应，以焦炭为还原剂，再加一些石灰石和二氧化硅等作助熔剂。生铁（铸铁）：脆，含碳3-4%灰口铁：铁水慢慢冷却，Fe3C3Fe+C

7、柔软，有韧性，可切削加工。白口铁：铁水快速冷却，Fe3C 硬且脆，用来炼钢。球墨铸铁：在铁水中加0.05%镁，使碳变成球状。具有高强度、塑性、韧性和热加工性能，易切削加工。-Fe, -Fe-Fe纯铁是银白色，有金属光泽，性软，有延展性。熔点为1535，沸点为3000。铁有-Fe、-Fe、-Fe三种同素异形体，三种同素异形体之间可互相转化，这种现象称为相变；9101390钢铁是铁和碳的合金体系总称，特点是强度高、硬度高、耐腐蚀等，是世界上产量最大的金属材料；炼钢，其实质就是控制生铁中的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；低碳钢：含碳量0.6%金属间隙结构金属单质的结构

8、中存在许多四面体和八面体空隙，使半径较小的非金属原子如硼、碳、氮、氢等可填入空隙中，形成金属间隙化合物或金属间隙固溶体，通称为金属间隙结构。同时存在金属键和共价键，原子间结合得特别牢固。碳原子在铁原子的空隙中可形成多种物相奥氏体：碳在-Fe中的间隙固溶体。铁素体：碳在-Fe中的间隙固溶体。渗碳体：铁和碳形成的化合物，化学式为Fe3C，含碳量为。珠光体：奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。 合金钢 按合金元素含量多少，分为： 低合金钢（合金元素总量低于5%） 中合金钢（合金元素总量为5%-10%） 高合金钢（合金元素总量高于10%） 按所含的主要

9、合金元素，分为： 铬钢（Cr-Fe-C) 铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C) 锰钢（Mn-Fe-C) 硅锰钢（Si-Mn-Fe-C)5.2.3 铝合金和铝锂合金铝是自然界含量最多的金属，在地壳中以复硅酸盐形式存在。主要的矿石有铝土矿、粘土、长石、云母、冰晶石等。常用电解法从矿石中提炼金属铝。纯铝是银白色金属，熔点为659.8 ，沸点为2270 ,密度为3，仅为铁的1/3。导电导热性能好，有优良的延展性，在大气中易形成致密的氧化膜保护层，有很好的抗蚀性。金属铝与镁、铜、锌、锰、硅等形成的合金，强度高、相对密度小、易成型，广泛用于飞机制造业；铝合金铝锂合金金属铝与锂形成的合金，比铝合金强度高，密度小，

10、用于制造飞机，可使飞机质量减轻15-20%，并能降低油耗和提高飞机性能；5.2.4 新型金属材料形状记忆合金：Ni-Ti镍钛高温合金：Ni-Co合金柱晶合金单晶合金贮氢合金：镁系、稀土系、钛系合金非晶态合金喷气式飞机的发动机叶片是由镍、铁、碳和钴组成的镍钴合金制造的，能承受1200 的高温 形状记忆合金形状记忆合金转变温度以镍钛合金来说，它的转变温度在40左右，在40以上时它很坚硬，强度也很高；在40以下时，它相当软，强度低，可以方便地做成各种形状。形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。航天器的天线在阳光的照射下

11、慢慢打开形状记忆合金在医学中的应用消化道内支架血管内支架胆道内支架形状记忆合金在日常生活中的应用5.3 无机非金属材料又称陶瓷材料，包括范围非常广泛；可分为传统陶瓷材料和精细陶瓷材料。 5.3.1 传统陶瓷传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐；天然硅酸盐：岩石、沙子、粘土、云母、滑石、高岭土等；人造硅酸盐：玻璃、水泥、砖瓦、耐火砖等。硅酸盐制品一般都是以粘土（高岭土）、石英和长石为原料。粘土：Al2O3.2SiO2.2H2O石英：SiO2钾长石：K22O3.6SiO2钠长石：Na22O3.6SiO2硅酸盐都需要高温烧结。粘土在高温下先脱水，转化为莫来石（3Al2O3.2SiO2）。耐火材料基本上由石

12、英、莫来石和玻璃组成的。5.3.2 精细陶瓷精细陶瓷与传统陶瓷的差别：1、 在原料上，突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限，特种陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要原料。 2、 在成分上，传统陶瓷的组成由粘土的成分决定，所以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的质地。由于特种陶瓷的原料是纯化合物，因此成分由人工配比决定，其性质的优劣由原料的纯度和工艺，而不是由产地决定。 5.3.2 精细陶瓷精细陶瓷与传统陶瓷的差别：3、 在制备工艺上，突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界限，广泛采用真空烧结，保护气氛烧结、热压、热静压等手段。 4、 在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高

13、强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、电子、宇航、医学工程各方面得到广泛的应用。 精细陶瓷举例：电子陶瓷高温结构陶瓷陶瓷复合材料透明陶瓷光导纤维生物陶瓷超导陶瓷光缆光导纤维生物陶瓷（1）生物陶瓷必须具备的条件：生物相容性力学相容性与生物组织有优异的亲和性抗血栓灭菌性具有良好的物理、化学稳定性惰性生物陶瓷表面活性生物陶瓷吸收性生物陶瓷生物复合材料（2）生物陶瓷的分类：生物陶瓷惰性生物陶瓷这类陶瓷长期处于生理环境中而几乎不发生化学变化，即使发生轻微的化学或力学的降解作用，降解的浓度也相当的低，而且在邻近活组织处易被人体天然而有规律的机理所控制。主要包括氧化铝陶瓷和碳化物陶瓷。应用：外科矫形手术的假