非金属材料及应用 课件 第一章 绪论

非金属材料及应用主讲：吴庆定(二级教授)、司家勇（博士后）中南林业科技大学机电学院wudingle@126.com课程简介课程编号：A17020090学分：2英文名称：NonmetalMaterialsandApplication课程性质：选修适用专业：机类及材料类先修课程：物理、化学、材料力学、机械工程材料、金属工艺学、机械设计等主要参考书目推荐教材：吴庆定，司家勇等.非金属材料及应用[M].机械工业出版社，2016参考书目：[1]戈晓岚.机械工程材料[M].北京：北京大学出版社，2006；[2]朱张校.工程材料[M].北京：清华大学出版社，2003；[3]夏淑华.机械工程非金属材料[M].新疆：新疆大学出版社，1992.

绪论INTRODUCTION§1.1材料及其分类材料：人类用于制造各种有用物件及产品的总称。

材料与社会12注意:材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为材料。材料可由一种物质或若干种物质构成。同一种物质,由于制备或加工方法不同,可成为用途不同—不同类型的材料。激光材料宝石基板材料高温炉管切削工具催化剂载体Al2O313◆材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料与国民经济、国防建设和人民生活密切相关。◆

20世纪70年代，人们把材料、信息和能源誉为当代文明的三大支柱。20世纪80年代，人们又把新材料、信息技术和生物技术并列，作为新技术革命的重要标志。1.1.1材料的含义14“材料”的含义：材料一般是指人类用于制造生活和生产所需的物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。1.1.2材料的分类

构材料是主要利用材料的强度、韧性、弹性等力学性能，用于制造在不同环境下工作时承受载荷的各种结构件和零部件的一类材料，即机械结构材料和建筑结构材料。什么是“结构材料”

？1.1.2材料的分类什么是“功能材料”

？

以特殊的电学性能或各种电效应作为主要性能指标的一类材料。●

按用途对材料进行分类信息材料能源材料航空航天材料生物医用材料建筑材料包装材料，等等。●按组成与结构进行分类金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料151.1.2材料的分类●按应用和发展程度对材料进行分类可将材料分为传统材料和新型材料两大类。1）传统材料是生产技术成熟，可大量工业化生产的材料。2）新材料建立在新思路、新概念、新工艺、新技术基础之上，以性能优异、品质高、稳定性高为优势，其显著特征是投资强度较高，更新换代快，知识和技术密集程度高，不以规模取胜。1.1.2材料的分类16§1.2材料的地位和作用1.2.1材料与人类文明——材料是人类社会进步的里程碑。材料是社会进步的物质基础。材料是人类进步的主要标志。人类文明进程的划分依据是什么?

所使用的、占主导地位的材料——石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代……——发展得越来越快1.2.1材料与人类文明高层建筑材料划时代

材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。

在近代材料种类极其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征：新材料时代。1.2.1材料与人类文明

人类文明进化时代是以材料的使用来划分的。从远古的石器时代到铁器时代再到如今的新材料时代，先后经过了七个不同时代。公元前10万年石器时代公元前3000年公元前1000年公元前0年1800年1950年1990年青铜器时代铁器时代水泥时代钢时代硅时代（合成材料）新材料时代以材料区分的七个时代1.2.1材料与人类文明燧石：神奇的石头400,000BC—4,500BC

石器时代

(StoneAge)人类主要以石头、骨头、木制作简单的工具。1.2.1材料与人类文明陶器(Pottery)陶器的出现是人类跨入新石器时代的重要标志之一据考古资料，中国陶器制作历史至少有8000年以上西安半坡人面网纹陶盆战国陶制四通水管1.2.1材料与人类文明4,500BC—1,000BC

青铜时代

(BronzeAge)从矿石中提炼铜—冶金业的黎明埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一

人类学会了用炭把铜加热以造出纯度更高的铜,而把铜和锡矿石熔合后可得一种坚度高的合金--青铜，以青铜来造出各种武器。

大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。1.2.1材料与人类文明古称金或吉金，是铜与其它元素（锡、镍、铅、磷等）的合金中国青铜时代大致对应夏商周至秦汉，时间跨度约两千年。春秋战国时期，齐国工匠写成《考工记》，提出“金有六齐”，是世界科技史上最早的冶铜经验总结。

青铜：第一种合金夏钺戈1.2.1材料与人类文明三星堆突目面具铸于商代晚期，高64.5cm，宽138cm，眼球柱状外突长达13.5cm三星堆立人像铸于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大的青铜立人像1.2.1材料与人类文明四川三星堆青铜器司母戊鼎

司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133cm，重875kg。为已知的中国古代体量最大的青铜器。1.2.1材料与人类文明铜禁，中国已知最早应用失蜡法铸造的作品，春秋时代的楚国王子午墓出土，年代为公元前6世纪。青铜乐器（战国）错金犀牛尊1.2.1材料与人类文明曾候乙尊盘湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑1.2.1材料与人类文明锋披天下的秦国青铜兵器秦剑秦剑的佩戴方式曾侯乙编钟（战国），钟架长7.48米，宽3.35米，高2.73米，1978年湖北省随县擂鼓墩出土，现藏湖北省博物馆

铜三足鸟西周

铜奔马(马踏飞燕)汉

秦始皇陵铜车马秦

爵商

其它青铜制品1.2.1材料与人类文明1450BC铁制车轮1500AD廉价的冶铁业1000BC—

铁器时代

(IronAge)

公元前14世纪至公元前13世纪，人类开始使用并铸造铁器，当青铜器逐渐被铁器广泛替代时，标志着人类进入了铁器时代。1.2.1材料与人类文明战国铁犁头战国铁锄湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄

中国最早出现冶铁制品大约是在公元前9世纪。到了春秋末期，中国人就发明了在高温下用木炭还原铁矿石生产铁的方法，以及在半熔状态下锻造各种器具和武器的技术。1.2.1材料与人类文明水泥时代(CementAge)0BC—2000年前，希腊和古罗马人在建筑中使用一种石灰和火山灰的混合物，它们在水中缓慢反应生成坚硬的固体。为最早应用的水泥。

19世纪初，英、法等将粘土化石灰(或泥灰岩)烧结成为水硬性材料，其中Al2O3、

SiO2含量之和达到20~35%，称为天然水泥。

1824，英国用石灰石和粘土的混合物烧成一种水硬性的胶凝材料，凝结硬固后的颜色、外观和当时英国用于建筑的优质波特兰石头相似，故称为波特兰水泥。

1825，波特兰水泥在英国建厂生产。水泥生产工艺以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，喂入水泥窑中煅烧成熟料，加入适量石膏，磨细而成。1871年，日本开始建造水泥厂1889年，中国在唐山建造了第一座水泥厂。1.2.1材料与人类文明18世纪，出现了用钢铁制造的蒸汽机。19世纪发明的内燃机和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。

18世纪至20世纪，金属材料占据了结构材料的主导地位。

比如，火车铁轨的问世就是钢铁材料大量生产和应用的成功例子。钢铁时代(SteelAge)1800—：1.2.1材料与人类文明1854年和1864年，欧洲先后出现了转炉和平炉炼钢技术。随着电炉冶炼技术的出现，不同类型的特种钢相继问世：1887年——高锰钢1900年——高速钢1910年——镍铬不锈钢1.2.1材料与人类文明35艾菲尔铁塔钢的应用旧金山金门大桥建筑设备1.2.1材料与人类文明

同时，铜、铝及其合金大量使用，铅、锌、镁、钛和很多稀有金属相继被发现。世界钢产量从1850年的6万吨突增到1900年的2800万吨，人类进入了辉煌的钢铁时代。由此带动了冶金业、纺织业、机械制造业、交通运输业及航空工业等的迅速发展。轮船、汽车、飞机、电灯等的出现，使人类生活大大改善。1.2.1材料与人类文明2010年世界钢产量达13.5亿吨，中国突破6亿吨，占44.3%。

19世纪末期，西方科学家发明了人造丝，这是人类改造自然材料的又一里程碑。20世纪初，各种人工合成有机高分子材料相继问世。目前，全世界三大有机合成材料的年产量已达亿吨以上。1909年——合成酚醛树脂（电木）1920年——合成聚苯乙烯(PS)1931年——合成聚氯乙烯（PVC）1941年——合成聚酰胺、聚碳酸酯（尼龙）1.2.1材料与人类文明合成材料时代1900—：

在20世纪下半叶，合成高分子材料得到了飞速发展，已经深入人类社会的方方面面。伴随着核能的应用、合成材料工业和以硅材料为支柱的半导体工业走向大规模工业化，人类开辟了以计算机技术、生物技术和空间技术为主要标志的新时代。

20世纪中后期，通过使用合成原料和新的制备技术，出现了一系列具有特殊功能的先进陶瓷材料。由于陶瓷具有资源丰富、密度小、耐腐蚀、耐高温等特点，用途不断扩大，成为世界各国材料研究的重点。1.2.1材料与人类文明硅时代(SiliconAge)1950—

第二次世界大战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。所用的硅纯度低，不是单晶体。

1950，制出第1只硅晶体管。

1952，用直拉法培育硅单晶成功。

1953，用无坩埚区域熔化法拉制单晶。

1955，采用Zn还原SiCl4法生产纯硅，但不能满足制造晶体管的要求

1956，氢还原SiHCl3法。

1960，用氢还原SiHCl3法进行工业生产，已具规模。硅整流器、硅闸流管问世，促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的首位。

1960年代，硅外延生长单晶技术和硅平面工艺。硅晶体管制造技术趋于成熟，集成电路迅速发展。

1980年代初，全世界多晶硅产量达2500吨。1.2.1材料与人类文明20世纪90年代后，现代复合材料、各种新材料层出不穷，并得到快速发展，标志着人类已进入新材料时代。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。新材料时代1900—：1.2.1材料与人类文明

从人类利用材料的历史中可以清楚地看到：每一种重要新材料的发现和应用，都会把人类支配自然的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将引起生产技术的重大变革，甚至引发一场世界性的技术革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨大的变革，把人类物质文明推向前进。1.2.1材料与人类文明材料是所有科技进步的核心。没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦。没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天。没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外太空的飞船。没有固体微电子电路，就没有计算机。材料与建筑1.2.1材料与人类文明材料与交通1.2.1材料与人类文明材料与国防现代化

1.2.1材料与人类文明

材料的发展史1)

石器材料----对自然界天然物质作简单的打磨加工。

陶器材料----人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点。2)

青铜、铁器材料----加工、冶炼技术和工艺的改进。3)20世纪末主要的新材料----塑料、合成橡胶、化纤等各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料，记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、叠层复合等新型复合材料。4)第四代、第五代材料----纳米材料、超晶格膜、超纯材料等“极限材料”和“分子设计”材料等。1.2.1材料与人类文明—材料是高新技术发展与社会现代化的基础和先导。1.2.2材料与新技术革命§1.2材料的地位和作用

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。新材料的研究、开发与应用从根本上反映着一个国家的科学技术与工业水平。电子管→晶体管→集成电路时代

电子管——晶体管——集成电路钨、钼电极锗、硅半导体单晶硅片，高纯钛、SiO2、铬薄膜1.2.2材料与新技术革命1）电子技术的发展

新材料的研发对电子工业的发展无疑起到了决定性作用。2）光通信的产生和发展1.2.2材料与新技术革命

光导纤维、激光技术和电子技术的发展是促进通信技术进步的重要因素，而这些都与材料密切相关。正是由于新材料的发展，20世纪90年代初期人们提出的“信息高速公路”的设想今天已成为现实。

信息材料指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。主要包括监测和传感(获取)信息的材料、传输信息的材料、存储信息的材料、运算和处理信息的材料。

人类在步入信息时代的同时，也进入信息材料竞争的时代。

3）磁技术的广泛应用

磁性材料在现代化社会中应用十分广泛，电视机、计算机，电动机等都离不开各种磁性材料。1.2.2材料与新技术革命稀土NdFeB永磁合金4）超导技术的开发自1911年发现超导现象以后，到了20世纪80年代，超导材料所达到的最高临界温度仅有23.2K，还没有脱离液氦温度。1986年，由于人们发现了氧化物超导体，超导材料才有了重大突破，此后，超导温度跳跃式地升高到95～100K，已达到液氮温区。超导技术的引入，将会使许多方面发生飞跃式发展。1.2.2材料与新技术革命超导电缆已安装调试的超导电缆系统

5）航空航天技术的进步1.2.2材料与新技术革命

航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。

三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度)。在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的航天飞机。应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料。1.2.2材料与新技术革命

材料，特别是新材料与现代文明的关系十分密切，新材料的重要性是不言而喻的。美国国家委员会的一份研究报告指出，先进材料和先进材料工艺对国家的生活水平、安全及经济实力起着关键性的作用。

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，材料科学的进展决定了经济关键部门增长速度的极限范围。”1.2.2材料与新技术革命自工业革命后，人类社会的进步主要是材料推动的结果！

四次技术革命第一次技术革命18世纪后期

蒸汽机的发明及广泛应用为主要标志高炉、转炉、平炉制造优质钢材的工业化第二次技术革命19世纪末

电的发明和广泛应用为标志

远距离输送电材料以及通讯、照明用材料第三次技术革命20世纪中期

原子能应用为主要标志

合成材料、半导体材料等大规模工业化、民用化第四次技术革命20世纪70年代计算机，特别是微电子、生物工程和空间技术为主要标志相关的新型结构与功能材料1.2.2材料与新技术革命

以电子工程、空间技术、海洋工程、能源工程、生物工程为代表的第四次新技术革命浪潮同样离不开新材料。