材料化学与物理绪论.ppt

1、材料化学与物理,焦 桓 陕西师范大学化学与材料科学学院 E-mail: ,绪 论,1. 什么是材料？ 原料中取得生产物质的原料。 材料是制成成品的东西。,绪 论,a. 高分子材料上个世纪三十年代发现，当时美国的产量 2 万吨。它的应用范围也有极大的局限性，但是到了八十年代，其产量为 2000 多万吨。五十年间增加了 100 倍，按体积计算已超过所有尽是材料的总和。 b. 半导体材料它的发展是近几十年来材料科学发展的另一个缩影，从五十年代开始发展，现在已成为工业和科学技术的基础性材料。从工农业生产到科学研究，从人们的日常生活到文化娱乐，社会管理，甚至战争都可以看到半导体材料的缩影。,绪论材料的分

2、类,2. 材料的分类 a. 从来源上讲，材料可以分为： 天然的木材，石料 合成化学纤维，塑料，金属，陶瓷 半天然纸张，布料,绪论材料的分类,绪论材料的分类,从组成角度 无机高性能结构陶瓷，功能陶瓷，石料等 有机木材，涂料，化纤，纸张等,2. 材料的分类,材料,有机材料,无机材料,按化学组成分类,木材,石材,人工晶体,高性能陶瓷,化学纤维,塑料,钢材,砖瓦,纸张,布料,陶器,绪论材料和人类社会发展的关系,3. 材料和人类社会发展的关系,绪 论 材料与人类的日常生活,从古到今，材料与人类日常生活密切相关。材料的发展与进步不断改善与提高人类的生活质量，历史学家早就按人类使用材料的特点来划分 历史发展

3、的阶段。 远古时代，人类只能使用天然的石头作为工具，故称之为石器时代。火的发现使人类多了一种改造自然的武器，人类对材料的使用由天然材料向人工材料发展，开始了陶器时代，接着是铜器时代、铁器时代、钢铁时代和新材料时代（也即信息时代）。 材料与食物、居住空间、能源、信息共同组成了人类生活的基本资源。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,燧石，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,5500BC 天然金与铜被用作工具与武器， 开始了人类金属的使用。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,5000BC 熔炼和锤击改变了铜的性能-材料开始发展,绪论材料是人类社会进步的里程碑,4

4、000BC 金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状。,最早的模铸件- 一个铜制杖头,绪论材料是人类社会进步的里程碑,3500BC 从矿石中提炼铜-冶金业的黎明,这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一,绪论材料是人类社会进步的里程碑,3000BC 青铜的使用-制造合金,青铜：第一种合金,绪论材料是人类社会进步的里程碑,1450BC 铁的发现,绪论材料是人类社会进步的里程碑,1500AD 炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明,廉价的冶铁业,绪论材料是人类社会进步的里程碑,1855AD Henry Bessemer拥有钢铁冶炼的专利-当代钢铁冶炼的出现。他的方法使钢铁制品性能大大改观而成本也降低不

5、少。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,1886AD 电化学方法冶炼铝-使铝成为一种常用金属。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,1939 尼龙的商业发展，高分子材料发展的关键时期,绪论材料是人类社会进步的里程碑,1950S 高温合金的发展， 掺镍合金促进了喷气发动机的发展。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,1960s 制作越来越小的硅芯片,绪论材料是人类社会进步的里程碑,1980s 高温超导体，高温超导的革命时代。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,生活中的材料科学,钛结构自行车架的断面结构,钛钢的焊接,绪论材料是人类社会进步的里程碑,生命科学材料,1832年以来美国牙科协会一直使用专用的汞合金，

6、它通常有下列材料组成： 50% Hg 汞 20% （最少） Ag 银 15% （最多） Cu 铜 15% （最多） Sn 锡最近有一些病人抱怨口腔中发生电化学反应会导致金属合金的分解。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,解决方案之一就是开发填补龋齿的新材料。口腔中特殊的物理及化学环境对置入其中的材料是一个严峻的考验。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。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,航空材料,718合金被广泛的用于制造飞机发动机的压缩机、叶片及紧固件。图示为GE 90-92B 发动机在车间起重机上接受最后

7、的检查。这种发动即将装备在新型的波音777客机上。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,复合材料,绪论材料是人类社会进步的里程碑,未来汽车,汽车由于种种原因在不断发展：燃料短缺，空气污染，全球危机所有这些都迫使政府对汽车行业加以控制。但是一些汽车制造商已能依仗自力，主动参与到革新重。福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具。材料科学领域给推进系统（包含内燃，气体涡轮机，及燃料电池等混合电气系统）带来发展。铝合金工艺及低阻缆线等领域的进展将使未来汽车行驶的更远，热耗减少，噪音也将比现在的汽车更小。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,高强钢：这类金属将是未来汽车的中坚力

8、量。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%。新型钢材的优点是： 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）。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,取代传统轮胎，一家制造公司开发出一种经久耐用的新型轮胎，可以和钢或铝制轮胎一决高下。这种轮胎的优点可不仅仅是时髦漂亮，聚酯材料提供了优良的抗腐耐磨性能，可以有效的抑制化学物对轮胎的侵蚀。,绪论材料是人类社会进步的里程碑,1966年高琨博士发现提高玻璃的纯度可以减少光传播过程中的损耗。1970年美国康宁公司将这一科研成果开发为商品，用高纯石英玻璃制造出了现代光导纤维。这种光纤是一种

9、比头发还细的高纯度玻璃丝,一根细丝就能同时传输2000路通话，并且不失真、不受环境干扰、不易被窃听、还传输特别快，光缆一秒钟传输的距离若改用铜缆则要花上20个小时，快了72000倍。,4. 材料科学在现代社会中的作用,科技、生产、生活对材料的新要求 现代化的建筑和现代化的室内装修要求优质的新型建筑材料 新型的显示技术和照明技术要求性能优良的新型荧光材料 高密小型电池及燃料电池要求新型电极材料和电解质材料 高密度的新型信息存储器件对磁性材料有新的要求 通讯技术要求光纤的衰减更小中继距离更长。放大材料。 更高的超导转变温度，实用化。,三基色荧光粉,微波介电陶瓷,白色发光二极管,超导体悬浮,绪论材料

10、化学、材料物理与材料工程 的联系与区别,材料科学包括材料化学、材料物理和材料工程，是一门交叉科学。 材料物理材料的内禀性质（Intrinsic Properties）,决定与材料的组成和晶体结构，而与材料的制备过程无关。 材料化学材料的外赋性质（Extrinsic Properties），它不仅决定与材料的组成和晶体结构，而且与晶体尺寸、缺陷、杂质和共生相，以及材料的合成和处理方法有关。,5. 无机材料化学与材料物理和材料工程学的关系,材料科学应包括材料化学、材料 物理和材料工程几个方面,材料物理：主要是研究材料光、电、磁 及机械性能等方面的基本原理和理论。 特点：进行抽象分析，建立模型。 不

11、足：涉及具体材料不够，“有理无物”,材料化学： 发展新颖的材料制备方法。 从组成、结构、成键的方面理解材料 的性能为新材料的涉及奠定基础。 设计合成新型材料。 避免“有物无理”。 “新材料”这一概念在不同的领域的涵 义不尽相同。,材料工程： 材料制备工艺（包括组 成，制备条件）的优化 材料在具体器件和设备 中的应用,材料科学,材料 化学,材料 物理,材料 工程,材料科学与各学科的关系,5. 无机材料化学与材料物理和材料工程学的关系,材料科学应包括三个学科是相互交叉、相互补充、相互 促进的。本课程以材料化学方面的知识为主，同时涉及 材料性质产生的物理机理以及材料在工程方面应用。 本课程涉及的范围

12、 材料科学包括很广泛的内容，即使无机材料也包括很多内容： 无机天然材料 （地质、矿产、建筑） 金属材料 (金属学、冶金学） 无机建筑材料（建筑水泥、陶瓷、钢筋、玻璃，建材） 无机结构陶瓷（Al2O3, ZrO2, SiC, BN等） 无机功能材料（导电陶瓷, 超导陶瓷, 荧光材料, 磁性材料等） 本课程一方面介绍无机材料的一般知识（结构、缺陷、相平衡 等），同时介绍无机功能材料方面的基本知识。,5. 无机材料化学与材料物理和材料工程学的关系,化学与材料科学所关心问题的异同,BaFCl结构,1842年，Berzelius研究BaF2溶解性发现 BaF2 + Cl- BaFCl+ F- 1932年， X-射线确定晶体结构四方晶系， 空间群为 P4/mmm 性质：无色透明层状（片状）晶体 化学性质稳定，不溶于水和稀酸 从化学角度上讲，对BaFCl的认识已比较完善，但从材料角度讲，还没有开始。,5. 无机材料化学与材料物理和材料工程学的关系,化学与材料科学所关心问题的异同,1965年，Kiss研究了BaFCl:Sm3+的荧光性质 1975年，Philips公司发现BaFCl:Eu2+是一种性能优良的X-射线 荧光材料,可以取代CaWO4用于X-射线增感屏 1983年，日本富士公司发现BaFCl:Eu2+是一种X-射线存储材 料，可以制成X-射线数字图像仪,化学 本征性质（内禀，i