南京大學(xué)材料化學(xué)基礎(chǔ)課件.ppt

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2020 3 31 材料化學(xué) 緒論 唐月鋒e Mail yftang Tel 025 83594317 O 13951724707本人南京大學(xué)材料化學(xué)基礎(chǔ)全套資料QQ 2091958842 1 2020 3 31 緒論 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 0 2現(xiàn)代材料及其分類 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)研究對(duì)象及內(nèi)容 0 4現(xiàn)代材料化學(xué)參考書(shū) 2 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 材料科學(xué)工程 是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的四大支柱之一 幾乎每一項(xiàng)重大的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步都與材料的發(fā)現(xiàn)有著密切關(guān)系 現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)已經(jīng)由過(guò)去的宏觀研究發(fā)展進(jìn)入到微觀分析和研究 用分子 原子 電子的尺度來(lái)改變物質(zhì)性質(zhì) 發(fā)展新型材料 3 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 材料化學(xué) 材料科學(xué)是近40多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和理論研究的深入 近年來(lái)材料科學(xué)又萌發(fā)出一個(gè)嶄新的分支 材料化學(xué) 一方面 由于材料化學(xué)創(chuàng)立不久 其含義和內(nèi)容只初具概念 急需不斷探索和完善 另一方面 由于當(dāng)今以服務(wù)于高科技 現(xiàn)代工業(yè)和國(guó)防為主的現(xiàn)代材料或新材料的需求量越來(lái)越大 新材料的研制與開(kāi)發(fā)速度也越來(lái)越快 因而涌現(xiàn)出的新概念 新理論 新技術(shù) 新方法 新工藝 新產(chǎn)品和新問(wèn)題越來(lái)越需要材料學(xué)家和化學(xué)家等共同努力來(lái)歸納 整理 總結(jié)及創(chuàng)新 從而為新材料的發(fā)展提供完整而系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和技術(shù)保障 4 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 在人類的生活或生產(chǎn)中 材料是必需的物質(zhì)基礎(chǔ) 是社會(huì)進(jìn)步的里程碑 歷史學(xué)家曾將人類的歷史按石器時(shí)代 銅器時(shí)代等來(lái)劃分 從近代科技史來(lái)看 新材料的使用對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用 例如 鋼鐵材料的出現(xiàn) 孕育了產(chǎn)業(yè)革命 高純半導(dǎo)體材料的制造 大大促進(jìn)了現(xiàn)代信息技術(shù)的建立與發(fā)展 先進(jìn)復(fù)合材料和一系列新型超合金材料的開(kāi)發(fā) 為空間技術(shù)的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ) 新型超導(dǎo)材料的研制和開(kāi)發(fā) 將大大推動(dòng)無(wú)損耗輸電 大功率發(fā)電機(jī) 磁流發(fā)電以及受控?zé)岷朔磻?yīng)堆等現(xiàn)代能源的發(fā)展 可以說(shuō)人類社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的每一個(gè)重大突破 都是以材料為前提的 5 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 20世紀(jì)后期以來(lái) 人們把材料 信息和能源作為現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步的三大支柱 特別是進(jìn)人80年代以來(lái) 在全球范圍內(nèi)崛起了信息 新材料 新能源 生物 空間和海洋六大技術(shù)群體 其中信息技術(shù) 新材料技術(shù)和生物技術(shù)被視為2O世紀(jì)末乃至21世紀(jì)新技術(shù)革命的主要標(biāo)志 最近 德國(guó)FraunhoferInstituteforSystemsandInnovationResearch FISIR 分析了世界各國(guó)的發(fā)展計(jì)劃 總結(jié)出21世紀(jì)初的九大重點(diǎn)領(lǐng)域 它們是 先進(jìn)材料 納米技術(shù) 微電子學(xué) 光子學(xué) 微系統(tǒng)工程 軟件與計(jì)算機(jī)模擬 分子電子學(xué) 細(xì)胞生物技術(shù)以及信息 生產(chǎn)與管理工程 6 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 在這九大重點(diǎn)領(lǐng)域中又列出了80個(gè)課題 其中屬于先進(jìn)材料的有24項(xiàng) 在其他領(lǐng)域中也包含著不少與材料直接相關(guān)的課題 如納米技術(shù)中的納米材料 微電子學(xué)中的信息存儲(chǔ) 微電子材料 超導(dǎo)及高溫電子學(xué)等 共有27項(xiàng) 因此 在未來(lái)技術(shù)80個(gè)課題中 有關(guān)材料方面的課題占60 以上 這充分說(shuō)明了新材料在未來(lái)技術(shù)中的重要地位 7 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家歷來(lái)都把材料的研究和發(fā)展提高到戰(zhàn)略高度來(lái)看 把材料作為優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域 例如 美國(guó)早在20世紀(jì)50年代由艾森豪威爾總統(tǒng)親自制訂了 國(guó)家材料規(guī)劃 經(jīng)過(guò)這一規(guī)劃的實(shí)施 美國(guó)國(guó)力大增 美國(guó)總統(tǒng)克林頓在1994年提出 技術(shù) 經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī) 的決策 大力發(fā)展新材料被列為重要內(nèi)容之一 其目的是使美國(guó)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位 日本政府則把新材料技術(shù)作為未來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)并提出了龐大的研究計(jì)劃 西歐的尤里卡計(jì)劃等都對(duì)新材料的發(fā)展作出了重要 8 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 的安排 其他一些發(fā)達(dá)國(guó)家也對(duì)本國(guó)的經(jīng)濟(jì)和科技政策進(jìn)行了調(diào)整 尤其是對(duì)新材料的研究和開(kāi)發(fā)十分活躍 把新材料作為前沿技術(shù)來(lái)抓 我國(guó)黨和政府歷來(lái)對(duì)材料的研究和開(kāi)發(fā)都很重視 但在改革開(kāi)放以前 我國(guó)材料研究的重點(diǎn)是為軍工生產(chǎn)服務(wù) 民用研究薄弱 改革開(kāi)放以來(lái) 我國(guó)材料科學(xué)發(fā)展迅速 特別是以民用為目的和以高新技術(shù)服務(wù)為目的的材料研究受到了普遍重視 江澤民同志在為 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) 一書(shū)作的序中 把電子信息 生物技術(shù)和新材料稱為當(dāng)代 一系列高新技術(shù)取得重大突破和飛躍發(fā)展的支柱 在國(guó)家 九五 規(guī)劃及2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃中 新材料的研究和開(kāi)發(fā)已被作為重要項(xiàng)目列入 9 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 材料 一詞是早已存在的名詞 但 材料科學(xué) 的提出卻只有40多年的歷史 20世紀(jì)60年代以前 材料專業(yè)分別以冶金 陶瓷和有機(jī)化學(xué)等專業(yè)分設(shè)在大學(xué)的各個(gè)不同系里 這些專業(yè)無(wú)疑都是以物理和化學(xué)為基礎(chǔ) 如冶金方面提取是以化學(xué)為主 但金屬結(jié)構(gòu)與性能以及使用方面的研究則以物理為主 有機(jī)合成材料的制備以化學(xué)為主 但涉及物性和力學(xué)性質(zhì)就偏重物理 陶瓷材料也是如此 因此 這些材料在發(fā)展初期 確實(shí)各有特點(diǎn) 學(xué)科基礎(chǔ)也各不相同 硬把它們扯在一起 有時(shí)會(huì)缺乏共同語(yǔ)言 10 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和研究工作的不斷發(fā)展 對(duì)材料的了解愈加深入 材料的領(lǐng)域也就不斷擴(kuò)大 除了上述三類材料外 又出現(xiàn)了半導(dǎo)體材料 它們多屬于類金屬 如Si Ge 或?qū)儆诮饘倩衔?如GaAs InSb等 也有屬于陶瓷材料 如SiC等 甚至屬于有機(jī)物 還有復(fù)合材料 它們既不完全屬于金屬 也不完全屬于有機(jī)物或陶瓷材料 而是混合體 如玻璃鋼便是樹(shù)脂與玻璃纖維混合后的產(chǎn)物 目前還有正在迅速發(fā)展中的金屬基復(fù)合材料與陶瓷基復(fù)合材料等 11 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 從科學(xué)角度上來(lái)看 它們之間確實(shí)有不少共同之處 如材料中的界面與表面 晶體結(jié)構(gòu)與微觀缺陷以及材料中的擴(kuò)散與相變等 材料領(lǐng)域中金屬材料 陶瓷材料 有機(jī)高分子材料及復(fù)合材料的統(tǒng)一體系的形成勢(shì)在必行 另一重要原因是1957年蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星首先被送上天 當(dāng)時(shí)美國(guó)朝野上下為之震驚 普遍認(rèn)為材料落后是重要原因之一 于是在50年代末 美國(guó)政府制訂了一個(gè)如前面所說(shuō) 國(guó)家材料規(guī)劃 而且自1960年開(kāi)始 美國(guó)調(diào)整了國(guó)家和技術(shù)投向 在全國(guó)范圍內(nèi)相繼建立了十幾個(gè) 材料 12 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 研究中心 簡(jiǎn)稱MRC 并在不少大學(xué)建立了 材料科學(xué)系 或 材料科學(xué)與工程系 材料研究中心的成立 是把各類材料統(tǒng)一考慮的開(kāi)始 而 材料科學(xué)系 的建立 則是把 材料的整體 視為自然科學(xué)的一大分支 于是60年代美國(guó)學(xué)者首先提出來(lái) 材料科學(xué) 這個(gè)名詞 一個(gè)新興的材料科學(xué)體系也隨之開(kāi)始建立 材料科學(xué)建立是社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果 事實(shí)上 將原來(lái)分屬于不同學(xué)科的知識(shí)入融為一體 形成一個(gè)新的學(xué)科體系還有多方面的原因 13 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 第一 各類材料的研究理論和方法可以互相借鑒 互相促進(jìn) 例如 金屬材料中的缺陷類及其行為的理論 各種力學(xué)測(cè)試方法和指標(biāo) 都是研究陶瓷材料和有機(jī)高分子材料不可缺少的 同樣陶瓷材料的制備方法和高分子材料等在不少方面也為金屬材料的研究與開(kāi)發(fā)提供了重要的參考 第二 由于對(duì)不同類型材料的深入了解 為材料的相互代用及最佳選材創(chuàng)造了條件 例如 當(dāng)前致力于開(kāi)發(fā)陶瓷材料以部分代替高溫合金 即所謂的 以陶代鋼 14 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 第三 有利于開(kāi)發(fā)復(fù)合材料 例如 第一代復(fù)合材料 玻璃鋼是無(wú)機(jī)非金屬材料玻璃纖維與有機(jī)材料樹(shù)脂的復(fù)合 金屬基復(fù)合材料則主要是指無(wú)機(jī)非金屬纖維或顆粒 如SiC Al2O3等 增強(qiáng)金屬而成的一類新材料等 第四 不同類型材料所用的研究 制備 生產(chǎn)的裝置和工藝 例如粉末冶金和陶瓷制備工藝 有頗多共同之處 工作原理也很相近 特別是性能與結(jié)構(gòu)的測(cè)試設(shè)備往往是通用的 即使有的是專用的 但相互之間也有參考價(jià)值 而且把不同類型的材料統(tǒng)一考慮 不但可以節(jié)省投資 更重要的是相互借鑒 相互啟發(fā) 能加速材料及材料科學(xué)的 15 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 發(fā)展 第五 有利于人才培養(yǎng) 由于拓寬了專業(yè)知識(shí)面 使學(xué)習(xí)材料專業(yè)的青年專家增強(qiáng)了開(kāi)發(fā)新課題和新產(chǎn)品的能力 材料科學(xué) 作為研究各種材料共性規(guī)律的學(xué)科 是一門(mén)多學(xué)科交叉而又相互滲透的新興學(xué)科 也可以說(shuō)材料科學(xué)是以固體物理 合成化學(xué) 化學(xué)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)等為理論基礎(chǔ) 結(jié)合冶金 化工 機(jī)械 陶瓷等學(xué)科 探討材料的內(nèi)在規(guī)律 制造工藝和應(yīng)用的科學(xué) 它已成為一門(mén)覆蓋 16 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 廣而輻射面寬的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科 材料科學(xué)的研究?jī)?nèi)容很廣 但主要是研究材料的成分 結(jié)構(gòu) 合成 工藝流程 性質(zhì) 性能 與效能以及它們之間的關(guān)系 可以用一個(gè)四面體表表示 如圖1 1所示 17 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 材料性質(zhì)或性能取決于材料的成分 組成 和結(jié)構(gòu) 而這些又取決于合成與制造工藝 但性能好的材料 在實(shí)際使用條件下不一定符合要求 所以在上述三項(xiàng)之外 又加入了效能這一項(xiàng) 從而構(gòu)成了材料科學(xué)的四要素 所謂效能 或稱之為材料的使用性能或效果 是指材料在使用條件下的表現(xiàn) 包括環(huán)境影響 受力狀態(tài) 材料特征曲線 乃至壽命估計(jì)等 因此 材料科學(xué)是有關(guān)材料成分 合成與工藝流程對(duì)于材料性質(zhì)與用途的影響規(guī)律的知識(shí)與運(yùn)用 故材料科學(xué)又是一門(mén)應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué) 18 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 材料科學(xué)是正在發(fā)展中的新興學(xué)科 其學(xué)科特點(diǎn)主要是 l 材料科學(xué)是一門(mén)多學(xué)科交織的前沿學(xué)科 是多學(xué)科交叉和相互滲透的產(chǎn)物 它不但與物理學(xué) 化學(xué)及冶金學(xué)等有直接關(guān)系 也和生物學(xué) 如生物材料 仿生材料 地球科學(xué) 如礦物材料 有密切關(guān)系 特別是與工程科學(xué)有著不可分割的關(guān)系 2 材料科學(xué)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物 這是它與固體物理及固體化學(xué)的主要區(qū)別所在 材料通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的研究工作而得到深入的了解 從而指導(dǎo)材料的發(fā)展和合理 19 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 使用 高性能 高質(zhì)量及低成本的材料只有通過(guò)工藝的不斷改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn) 材料變?yōu)槠骷虍a(chǎn)品要解決一系列工程技術(shù)問(wèn)題 這都需要理論和實(shí)踐的結(jié)合 一方面用理論指導(dǎo)實(shí)踐 另一方面通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)使理論得到進(jìn)一步發(fā)展 3 材料科學(xué)有很寬的研究范圍 它涉及從微觀原子 電子缺陷的規(guī)律與控制到大的器件 從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的廣闊領(lǐng)域 材料科學(xué)所包含內(nèi)容大多有比較明確的應(yīng)用背景和目標(biāo) 而且隨時(shí)間 地點(diǎn)而發(fā)生變化 例如 20世紀(jì)80年代初期 超導(dǎo)材料研究在材料科 20 2020 3 31 0 1材料科學(xué)及其發(fā)展 學(xué)中所占的地位非常有限 而到80年代中期幾乎處于壓倒一切的地位 當(dāng)前 各類材料中許多熱點(diǎn)都在不斷涌現(xiàn) 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 材料科學(xué)在21世紀(jì)將會(huì)得到更大的發(fā)展 21 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 材料的品種極其繁多 形式各異 據(jù)統(tǒng)計(jì) 迄今注冊(cè)的已達(dá)幾十萬(wàn)種 而且每年還以5 左右的速度繼續(xù)增長(zhǎng) 科學(xué)工作者根據(jù)材料的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 將其分為金屬材料 無(wú)機(jī)非金屬材料 簡(jiǎn)稱為無(wú)機(jī)材料 有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料四大類 也可根據(jù)材料的性能特征 將其分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料 還可根據(jù)材料的用途 將其分為建筑材料 能源材料 航空材料和電子材料等 事實(shí)上 大多數(shù)材料同時(shí)具有幾類材料的部分特征 通常前兩種分類方法使用較多 22 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 金屬材料是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料 純金屬的直接應(yīng)用很少 因此金屬材料絕大多數(shù)是以合金的形式出現(xiàn) 合金即是在純金屬中 有意識(shí)地加入一種或多種其他元素 通過(guò)冶金或粉末冶金方法制成的具有金屬特性的材料 金屬材料可分為鋼鐵材料和非鐵材料兩大類 金屬材料一般具有優(yōu)良的力學(xué)性能 特別是高強(qiáng)度和高塑性的配合 還具有優(yōu)良的可加工性及優(yōu)異的物理特性 金屬材料的性質(zhì)主要取決于它的成分 顯微結(jié)構(gòu)和制造工藝 人們可以通過(guò)調(diào)整和控制成分 組織結(jié)構(gòu)和工藝 制造出具有不同性能的各種金屬材料 在近代的物質(zhì)文明中 金屬材料 如鋼鐵 鋁 銅等及其合金 起了關(guān)鍵的作用 至今這類材料仍然有著強(qiáng)大的生命力 23 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 無(wú)機(jī)非金屬材料是指包括除金屬材料和高分子材料以外的幾乎所有的材料 這類材料主要有陶瓷 磚瓦 玻璃 水泥和耐火材料等以硅酸鹽化合物為主要成分制成的傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料 以及由氧化物 碳化物 氮化物 硼化物等制成的新型無(wú)機(jī)材料 無(wú)機(jī)材料具有諸如耐高溫 高硬度 抗腐蝕等優(yōu)異性能 以及優(yōu)良的介電 壓電磁學(xué) 光學(xué) 電及其功能轉(zhuǎn)換等特性 從而使其成為在所有材料中用量最大的一類材料 被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域 24 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 高分子材料又稱高聚物或聚合物材料 其基本成分是有機(jī)高分子化合物 它是一類由一種或幾種分子或分子團(tuán) 結(jié)構(gòu)單元或單體 以共價(jià)鍵結(jié)合成的具有多個(gè)重復(fù)單體或單元的大分子 其相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)104 106 它又可以分為天然和合成兩大類 例如 纖維素 蛋白質(zhì)以及天然橡膠和天然樹(shù)脂等均屬于天然高分子化合物 合成高分子化合物 又稱合成材料 的種類和品種則比天然的多得多 自高分子學(xué)說(shuō)確立半個(gè)多世紀(jì)以來(lái) 有力地促進(jìn)了高分子材料工業(yè)的發(fā)展 生產(chǎn)出大批 25 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 的合成高分子化合物 如聚氯乙烯 聚苯乙烯 聚乙烯 聚四氟乙烯 聚甲醛 環(huán)氧樹(shù)脂等 它們可制備塑料 橡膠 纖維 涂料或粘合劑 由于這類化合物多以石油 煤炭等為原料 資源豐富易得 因此發(fā)展迅速 加上高分子材料還具有密度小 僅為鋼鐵的l 8 1 7 比強(qiáng)度大 電絕緣性和耐腐蝕性好 加工容易等許多優(yōu)點(diǎn) 所以可部分取代金屬材料及無(wú)機(jī)材料 目前其應(yīng)用己遍及衣 食 住 行以至信息 能源 航空航天及國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域 高分子材料與金屬材料和無(wú)機(jī)材料一起構(gòu)成工程材料的三大支柱 26 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 復(fù)合材料是由有機(jī)高分子 無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾種不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料 它既能保留原組成材料的主要特色 還能通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能 可以通過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián) 從而獲得新的優(yōu)越性能 與一般材料的簡(jiǎn)單混合有著本質(zhì)的區(qū)別 復(fù)合材料主要分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類 還可分為常用復(fù)合材料和現(xiàn)代復(fù)合材料兩大類 27 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展 新材料的品種不斷增加 重要性也日益提高 但傳統(tǒng)材料在很多量大面廣的產(chǎn)業(yè)中仍是主要的 英國(guó)Ashby有過(guò)一個(gè)預(yù)測(cè) 他認(rèn)為今后幾十年內(nèi) 金屬材料 高分子材料 陶瓷材料與復(fù)合材料是四分天下的局面 只是由過(guò)去以天然為主走向以合成為主而已 如圖1 2所示 28 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 29 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 現(xiàn)代材料又稱為先進(jìn)材料或新型材料 是指新近發(fā)展起來(lái)的和正在發(fā)展中的 具有一系列優(yōu)異性能和特殊功能 且對(duì)科學(xué)技術(shù)尤其是高技術(shù)的發(fā)展及新興產(chǎn)業(yè)的形成具有決定意義的一大類材料的總稱 是相對(duì)于傳統(tǒng)材料前言的 新材料是高技術(shù)的一部分 同時(shí)又為高技術(shù)服務(wù) 它具有以下特點(diǎn) l 是多學(xué)科交叉 知識(shí)密集 技術(shù)密集 資金密集的一類新產(chǎn)業(yè) 2 在新材料的設(shè)計(jì) 制備 質(zhì)量控制及性能測(cè)試等 30 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 方面 綜合利用現(xiàn)代的先進(jìn)科學(xué)技術(shù) 而某些未來(lái)的高新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)往往依賴于新型材料的研制與應(yīng)用 3 新型材料的生產(chǎn)一般比常規(guī)材料的生產(chǎn)規(guī)模要小 但品種多 更新?lián)Q代快 價(jià)格昂貴 技術(shù)保密性強(qiáng) 屬于難度較大的產(chǎn)業(yè) 新型材料是新技術(shù)發(fā)展的必要物質(zhì)基礎(chǔ) 因此被看成是當(dāng)代新技術(shù)革命的先導(dǎo) 現(xiàn)代材料的種類很多 也可依據(jù)常規(guī)材料的分類方法將其分為 新型金屬材料 先進(jìn)無(wú)機(jī)材料 高分子材 31 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 料和現(xiàn)代復(fù)合材料四大類 也可根據(jù)材料的性質(zhì) 將現(xiàn)代材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料 今后 結(jié)構(gòu)新材料將向高比強(qiáng)度 高比剛度 耐高溫 耐腐蝕 耐磨損方向發(fā)展 結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合 智能型 能耗少 可再生 少污染 將是材料發(fā)展的總方向 當(dāng)前最為人們關(guān)注的重點(diǎn)有以下幾類 1 光電子信息材料和超導(dǎo)材料美國(guó) 高技術(shù) 雜志在評(píng)價(jià)高技術(shù)在21世紀(jì)的作用時(shí)指出 超導(dǎo)產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益 光電子技術(shù)變革信息 32 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 社會(huì) 人體科學(xué)向未來(lái)提出挑戰(zhàn) 可見(jiàn)在21世紀(jì) 光電子信息材料和超導(dǎo)材料的重要意義 光電子信息材料對(duì)滿足國(guó)防 計(jì)算機(jī) 通訊 航天工業(yè)等方面的要求是至關(guān)重要的 為此必須大力開(kāi)發(fā)作為基本材料的超高純玻璃材料 新型半導(dǎo)體材料 先進(jìn)薄膜以及各種非線性光學(xué)和激光材料的研究與應(yīng)用 目前在這些方面日本居于世界的領(lǐng)先地位 美國(guó)光電子技術(shù)發(fā)展也很快 由超導(dǎo)材料引發(fā)的超導(dǎo)技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科交叉綜合的高技術(shù) 自20世紀(jì)80年代中期以來(lái) 高溫超導(dǎo)材料的研究和開(kāi)發(fā)一直受到世界各國(guó)的重視 在高溫超導(dǎo)材料的研制中 33 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 我國(guó)處于世界前沿行列 目前各國(guó)都在努力尋找臨界溫度更高 能夠?qū)嶋H應(yīng)用的超導(dǎo)材料及其制造技術(shù) 并在積極開(kāi)拓應(yīng)用研究 2 新型金屬材料盡管非金屬新材料發(fā)展迅猛 但金屬材料在21世紀(jì)仍將占有重要地位 如高比強(qiáng)度的鈦合金及鎳基高溫合金在現(xiàn)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的總質(zhì)量中仍將占很大出例 超高強(qiáng)鋼 超塑合金 超耐熱合金等將仍是工業(yè) 交通和軍工的主要結(jié)構(gòu)材料 永磁合金 超導(dǎo)合金及貯氫合金等將會(huì)更加普遍地被應(yīng)用 許多金屬及合金材料將通過(guò) 34 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 新技術(shù) 新工藝來(lái)提高合金化程度或改變組織 從而大幅度提高材料的性能 開(kāi)發(fā)新品種 如通過(guò)快速冷卻 104 105K s 可使合金成為非晶態(tài)或制得微晶 提高合金化程度 從而使合金得到強(qiáng)化 通過(guò)定向結(jié)晶和單晶生長(zhǎng)以及對(duì)合金成分的設(shè)計(jì)和微量元素的控制來(lái)制得所需的新型合金材料 3 先進(jìn)無(wú)機(jī)材料 常稱陶瓷材料 先進(jìn)陶瓷材料與傳統(tǒng)的陶瓷截然不同 對(duì)原料的純度和物理形態(tài)有更嚴(yán)格要求 一般要采用化學(xué)合成的方法或采用激光 化學(xué)氣相沉積 等離子 高分子先驅(qū)體 35 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 轉(zhuǎn)化等新技術(shù) 通過(guò)嚴(yán)格控制的制備工藝才能獲得 每一種先進(jìn)陶瓷材料都具有特定的精細(xì)顯微結(jié)構(gòu)和性能 先進(jìn)陶瓷可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類 功能陶瓷是利用其絕緣性和介電性以及電性與其他性能 機(jī) 聲 光 熱等 之間的耦合和轉(zhuǎn)換功能而發(fā)展成的一大類新材料產(chǎn)業(yè) 占先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)的70 以上 結(jié)構(gòu)陶瓷則具有高強(qiáng)度 耐磨損 耐腐蝕等優(yōu)良性能 在機(jī)械 化工 冶金等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用 由于先進(jìn)陶瓷材料在現(xiàn)代工程和現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用 對(duì)許多裝置和系統(tǒng)來(lái)說(shuō) 先進(jìn)陶瓷材料或部件是必不可少的 而且應(yīng)用范 36 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 圍在不斷擴(kuò)大 因此 國(guó)際上對(duì)先進(jìn)陶瓷材料的研究開(kāi)發(fā)都非常重視 把它列為國(guó)家技術(shù)發(fā)展政策的重要組成部分 4 新型高分子材料這類新材料可以做到強(qiáng)度比金屬高 更耐腐蝕 而且生產(chǎn)過(guò)程中耗能低 成型加工工藝性能良好 成本較低 所以發(fā)展很快 特別是可以根據(jù)需要 通過(guò)分子設(shè)計(jì)選行試制和生產(chǎn) 目前 全世界高分子材料的年產(chǎn)量已達(dá)億噸級(jí) 其中塑料的產(chǎn)量?jī)H次于鋼鐵 高性能塑料 合成橡膠和合成纖維近年來(lái)發(fā)展都非常迅速 它們 37 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 在人類生活及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用 5 現(xiàn)代復(fù)合材料 又稱先進(jìn)復(fù)合材料 是指用高性能增強(qiáng)體 如碳纖維 芳綸等與高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復(fù)合材料 后來(lái)又把金屬 陶瓷基和碳 石墨 基以及功能復(fù)合材料包括在內(nèi) 這類復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高 耐熱性和抗疲勞性能好以及熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能 但價(jià)格相對(duì)較高 主要用于國(guó)防工業(yè) 航空航天 精密機(jī)械 深潛器 機(jī)器人結(jié)構(gòu)件和高檔體育用品等 復(fù)合材料通過(guò)材料設(shè)計(jì)和復(fù)合效應(yīng) 將會(huì)不斷創(chuàng)造出新穎的品種以滿足現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的需要 38 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容 在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中 各門(mén)學(xué)科都有各自的研究對(duì)象 即物質(zhì)世界的不同領(lǐng)域和不同層次 也有各自的理論體系 學(xué)科內(nèi)容和研究方法 材料科學(xué)盡管以物理學(xué)和化學(xué)為基礎(chǔ) 但是它們之間無(wú)論是在研究對(duì)象 內(nèi)容和方法等諸方面都有很大差別 尤其是材料科學(xué)更著眼于實(shí)際應(yīng)用 事物在不斷發(fā)展 各種學(xué)科也在不斷變化 材料科學(xué)固然是不同學(xué)科相互交叉和滲透的產(chǎn)物 但隨著相關(guān)學(xué)科如物理學(xué)和化學(xué)等本身的不斷發(fā)展 新的學(xué)科也應(yīng)運(yùn)而生 20世紀(jì)80年代初先后有人提出 材料物理 和 材料化學(xué) 的概念 美國(guó)出版的MRSBulletin 39 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容 Vol 12 No 6中明確指出 材料物理 就是把凝聚態(tài)物質(zhì)的基本概念試圖運(yùn)用于復(fù)雜和多相介質(zhì) 包括材料中的問(wèn)題 近年來(lái) 我國(guó)也陸續(xù)出版了凝聚態(tài)物理與材料物理方面的叢書(shū)和專著 加上我國(guó)的物理和冶金界科技人員介人材料領(lǐng)域較早 因此材料物理學(xué)科的建立也就比較成熟和完善 相比之下 材料化學(xué) 則是創(chuàng)立不久 其含義和學(xué)科內(nèi)容至今尚只初具概念 目前能見(jiàn)到的是國(guó)外與材料化學(xué)相接近的著作 有美國(guó)AnthonyR West的專著 固體化學(xué)及其應(yīng)用 該書(shū)對(duì)無(wú)機(jī)固體 有機(jī)固體及晶體結(jié)構(gòu) 晶體缺陷 制備方法 固相轉(zhuǎn)變及相 40 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容 圖和固體的測(cè)試鑒定等進(jìn)行了討論 大部分都涉及材料學(xué)科 但全書(shū)未提到材料化學(xué)的概念 現(xiàn)代材料化學(xué)是一門(mén)以現(xiàn)代材料為主要研究對(duì)象 研究材料的化學(xué)組成 結(jié)構(gòu) 電子結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu) 與材料性能和效能之間的關(guān)系及其合成 制備 方法 檢測(cè)表征 材料與環(huán)境協(xié)調(diào)等問(wèn)題的科學(xué) 現(xiàn)代材料化學(xué)的學(xué)科內(nèi)容主要包括 1 用結(jié)構(gòu)理論 化學(xué)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)等基本原理研究固體 特別是研究實(shí)際材料的化學(xué)反應(yīng)性 這是現(xiàn)代材料化學(xué)的理論基礎(chǔ) 各類材料的成鍵本質(zhì)與其結(jié)構(gòu)和 41 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容 性質(zhì)緊密相關(guān) 材料組成元素的電子結(jié)構(gòu) 材料的晶體結(jié)構(gòu) 缺陷結(jié)構(gòu) 從能量和過(guò)程的觀點(diǎn)研究材料的組織結(jié)構(gòu)及從熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)研究實(shí)際材料的化學(xué)反應(yīng) 均是現(xiàn)代材料化學(xué)的重要內(nèi)容 2 現(xiàn)代材料制備原理和合成方法的研究仍是現(xiàn)代材料化學(xué)的核心內(nèi)容 傳統(tǒng)的金屬材料的熔煉法 無(wú)機(jī)材料的陶瓷法 高分子材料的聚合法仍然是許多現(xiàn)代材料制備的重要方法 采用高新技術(shù) 例如高溫 高壓 低溫 高真空 失重 輻射以及其他極端技術(shù)條件 采用新的合成方法和制備工藝 例如Sol Gel法 水熱法 自蔓 42 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容 延高溫合成法 CVD法及復(fù)合技術(shù)等 制備各種單晶 多晶及非晶態(tài)材料 制備高分子材料以及液晶和納米材料等 都是現(xiàn)代材料制備化學(xué)研究的主要內(nèi)容 在材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中 制備技術(shù)往往會(huì)成為整個(gè)新材料研究和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵步驟 因而現(xiàn)代材料制備原理和合成方法的研究也就成為材料科學(xué)的核心和研究熱點(diǎn) 3 現(xiàn)代材料性能學(xué)研究 包括材料的力學(xué)性能 物理性能和化學(xué)性能 都是現(xiàn)代材料具有良好使用性能 即效能 和多種用途以及材料壽命和材料保護(hù)的根本依據(jù) 現(xiàn)代材料化學(xué)重點(diǎn)研究各類材料的化學(xué)性能 特別是各 43 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容 類材料在環(huán)境介質(zhì)中的腐蝕破壞與防護(hù)的研究 仍是材料科學(xué)及相關(guān)科學(xué)的重要研究課題 也是關(guān)系到保護(hù)資源和環(huán)境 節(jié)約材料和發(fā)展新技術(shù)等方面的重大問(wèn)題 4 從現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)發(fā)展需要的角度來(lái)分述各類現(xiàn)代材料和重要的常規(guī)材料 包括新型金屬材料 先進(jìn)無(wú)機(jī)材料 高分子合成材料和現(xiàn)代復(fù)合材料 它們都是現(xiàn)代材料化學(xué)研究的對(duì)象 由于這部分內(nèi)容龐大 因此 這些介紹都只能是初步的和基礎(chǔ)性的 5 通過(guò)對(duì)環(huán)境材料和資源化學(xué)的初步介紹來(lái)研究和探索各類材料與環(huán)境協(xié)調(diào)方面的問(wèn)題 包括材料的功能 44 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容 性 經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境性關(guān)系 綠色材料的研制與開(kāi)發(fā) 廢棄材料和物質(zhì)的無(wú)害化與資源化的方法和途徑 以及材料 資源 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的辯證關(guān)系 此外 對(duì)現(xiàn)代材料的表征技術(shù)和方法 材料設(shè)計(jì)與改性的基本原則以及現(xiàn)代材料的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)的介紹也是必要的 綜上所述 材料化學(xué)是近十年來(lái)才創(chuàng)立的材料科學(xué)的一個(gè)重要分支 又是應(yīng)用化學(xué)的一部分 且有明顯的交叉 邊緣學(xué)科的性質(zhì) 現(xiàn)代材料化學(xué)則是研究現(xiàn)代材料制備 組成 結(jié)構(gòu) 性能和應(yīng)用的科學(xué) 即現(xiàn)代材料 45 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容 化學(xué)研究的是與新材料有關(guān)的問(wèn)題 因而更具有前沿學(xué)科的特點(diǎn) 在整個(gè)材料科學(xué)發(fā)展中占有極其重要的地位 特別是現(xiàn)代材料的成鍵理論以及制備原理和合成方法的研究 仍是材料科學(xué)和新技術(shù)領(lǐng)域中最活躍的部分 也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn) 盡管現(xiàn)代材料化學(xué)還只初具規(guī)模 只要材料學(xué)家和化學(xué)家共同努力探索和研究 定能盡快地完善和進(jìn)一步發(fā)展 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展 材料研究必將沿著知識(shí)技術(shù)更加密集化 研究開(kāi)發(fā)綜合化 學(xué)科交叉前沿化以及彼此競(jìng)爭(zhēng)激烈化的方向發(fā)展 這無(wú)疑給現(xiàn)代材料化學(xué)的研究展示了無(wú)限廣闊的 46 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容 發(fā)展前景 47 2020 3 31 0 4現(xiàn)代材料化學(xué)參考書(shū) 參考書(shū) TB3 H14 王恩信主編 材料化學(xué)原理 東南大學(xué)出版社 1997年3月第1版 TB3 H43 劉光華編著 現(xiàn)代材料化學(xué) 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 2000年6月第1版 48 2020 3 31 0 4現(xiàn)代材料化學(xué)參考書(shū) 49 2020 3 31 0 4現(xiàn)代材料化學(xué)參考書(shū) 50