《材料化学绪论》PPT课件.ppt

材 料 化 学 (Materials chemistry) 材化专业 1 课程简介 课程性质：专业基础课（考试课） 先修课程：无机化学，物理化学，等 总 学 时： 理论教学48学时 教 材：材料华学导论席慧智等 主编 参 考 书： 材料华学导论唐小真 主编 材料化学 潘伟 主编 现代材料化学刘光华 主编 基本要求：课堂学习；复习；作业；提问；笔记；课代表 2 绪 论 o材料科学及其发展 o材料的分类 o新材料应用举例 o材料化学 3 一、材料科学及其发展 材料是可以用来制造有用的构件、器 件或物品的物质。师昌绪主编：材料大辞典 材料是“具有一定性能的物质, 可以用 来制成一些机器、器件、结构和产品” 美国科学院、工程院联合编写材料：人类的需求 1 1、 什么是材料？什么是材料？ 4 几乎所有的物质都可以称为是材料，但并 不是所有的材料都能引起人们的广泛关注。 那么， 什么样的材料值得我们关注？ 实用价值 5 材料实用价值的五个判据 v 资 源 v 能 源 v 环 保 v 经 济 v 质 量 6 考虑到上述各种因素之后，有人提出材 料应该定义为： 人类社会所能够接受的经 济地制造有用器件的物质 7 2、 材料科学及其发展 第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物 第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥； 冶炼：铜铁 第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品，塑料、 橡胶、纤维等已广泛用于生活。 第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需 要设计特殊性能的材料。例20世 纪40年代的复合材料 第五代智能材料： 近三、四十年研制的新型功能材料， 例记忆合金等。 8 材料科学的发展过程： 发现与使用自然材料 合成与设计材料 赋予材料生命体功能 9 20 世纪科学技术领域发生了一系列惊人的重大发现（原 子能、航空航天、激光、信息、能源等领域），它有力 地促进了材料的发展，使得材料在20 世纪中叶，发生了 一次“革命性”的飞跃： v 超音速飞机 (镍基超级合金) v 计 算 机 (晶体管、半导体) v 航天飞机 (高温结构陶瓷) 这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。 10 3、材料科学形成的背景 20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领 域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其中的 主要内容之一。 v1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了 全球性的材料科学研究。 v美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料科 学作为一个学科对待。 11 v 美国：50年代末美国政府就制定了全国材料发展规划 ，70 80 年代又进行了多次的补充和修正，把重点放在 超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷上 。 v 日本：在 1980 年开展了为期 10 年耗资 4 亿美元的新 材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、复 合材料、生物材料等。 v 欧洲：与前苏联也制订了类似的规划，竞争的项目也 集中在这些领域。 12 英国人悲哀地说：英国没有硅工业了 ，英国从第一流的经济大国变为了第 二流的经济发达国家，而日本却从第 二流的经济发达国家变成了第一流的 经济大国。 13 二、材料的分类 14 按材料的组成分类 金属材料（纯金属、合金）：优良力学性能（强度、塑性）； 可加工性；优异的物理性能。 高分子材料（天然、合成）：密度小；比强度大；绝缘性好； 耐腐蚀；易加工。 无机非金属材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）： 耐高温；抗腐蚀；高硬度；优良 介电、压电、光学、磁学性能。 复合材料（玻璃钢，碳纤维聚合物，陶瓷基、金属基）： 两种以上；特殊方法。 15 按材料的用途分类 结构材料：力学性能为基础 （例支撑件、连接件、传动件、紧固件） 功能材料：特殊的物理、化学性能为基础 （磁性、电子、信息、光学、敏感、能源） 结构材料与功能材料的划分并不严格 n 生物医学材料？ 16 按材料内部原子排列情况分类 o 晶态材料 o 非晶态材料 o 液态材料 o 气态材料 17 从材料尺度角度分类 三维材料- 块体材料 二维材料- 薄膜、涂层等 (金刚石薄膜、高温 超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层) 一维材料- 纤维、晶须等 (光导纤维、高强纤维) 零维材料- 粉 体 18 三、新材料应用实例 19 v 1982 年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车。它的出现使 发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。 v 1988年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功 。液氢的沸点为 253C，携储液氢需要高效率的绝热材料。液 氢发动机的使用，则意味着低温极限技术已达到实用化程度。 v 1989 年日本一艘潜水调查船下潜到6500 米的深海区，打破 了美国、前苏联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱使用的 是一种高强度钛合金，观察窗使用的是一种新型的有机玻璃。 20 v 美国在海湾战争中使用的隐身战斗机所以能隐身，就 是使用了一种吸波材料和吸波涂层。 v所谓隐形是指不易被雷达或红外线、可见光、声探测等传 感器发现。 v隐形飞机之所以能够隐形，主要是综合采用了隐身外形技 术、隐身材料技术、红外线抑制和干扰技术、声波隐身技 术以及微电子技术等，具有降低其在雷达屏幕上的特征、 压制噪声、减弱飞机红外图像特征、抑制无线电信号传输 等性能。 隐形飞机与材料 21 n 隐形武器由于其科技含量高，对材料要求苛刻 ，研制费用异常高。 n 美国的 F-117A 隐形飞机单价 为 1.1 亿美元，B- 2隐形轰炸机单价更高达 5.3 亿美元，比与机体 等重量的黄金价值还要高。 n 最近，美国又以 4000 亿美元的天价，开始研制 一种集“隐形、敏捷、高速”为一体的 F-35 新型 隐形战机。 22 F-117A 战斗机周身几乎全由直线构成，机体表面使用 了 6 种不同的雷达吸波涂层材料，大大降低了雷达探 测度。经科学家测试，雷达在距离 F-117A 飞机 600 米 时，就已完全接收不到它发出的信号。 23 在美国的航天史上发生过三起巨大灾难 1967 年 1 月 27 日：阿波罗号飞船升空时爆炸，三名宇航 员遇难； 1986 年 1 月 28 日：挑战者号航天飞机升空时爆炸，包 括一名女教师在内的宇航员全部遇难； 2003 年 2 月 1 日：“哥伦比亚号”航天飞机在完成 16 天 的太空研究任务后，在返回大气层时突然发生解体，机上 7 名宇航员全部遇难 24 “哥伦比亚号”是航天飞机第一次在即将着陆时发生 的灾难。空难发生后，由美国宇航（NASA）组成了由 材料和工艺工程师及科学家组成的调查组对飞机残骸进 行了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验，分析了 航天飞机爆炸的原因。“哥伦比亚号”航天飞机的爆炸， 震惊了世人，同时也引起了人们对材料的关注，材料分 析揭开了哥伦比亚空难之谜。 哥伦比亚空难与材料 25 这张照片是在哥伦比亚号返回地球的11 天前拍摄并传回的，通过哥伦比亚号上 随机安装的一架照相机拍摄。 升空时，从燃 料箱脚架处掉 下的一块隔热 泡沫砸到左翼 碳碳复合材 料面板下半部 附近造成裂缝 。而后高温热 离子流穿过此 处，使机翼铝 合金、铁基合 金、钠基合金 结构熔化，导 致航天飞机失 控、机翼破坏 和机体解体。 26 2005 年 8 月 9 日，美国的“发现”号航天飞 机平安着陆。它对于人类今后探索太空、进一 步发展载人航天事业具有重要意义。与此同时 ，美国航天飞机两年半来重返太空的这次首航 ，在美国航天界、舆论界及民众中引发了对航 天飞机探测飞行前景及对载人飞行安全前所未 有的关注 27 新材料的发展方向 v 结构功能的复合化 v 功能材料的智能化 v 材料与器件的集成化 v 制备和使用工程的绿色化 28 o 形成了一支 40 万人的研究与生产队伍，其中科 研人员近 10 万人。研究单位有 300 多个，新材料生 产工厂 1000 多个。各类大学有 150 多个与材料有关 的专业，毕业生的数量与美国相近。 o 在光学晶体、有机分离膜、稀土永磁材料、高温 超导体、准晶态研究等方面取得举世瞩目成绩。 o 与发达国家相比，总体水平估计落后 10 年左右 。钢材和化工有机合成材料要靠进口，高技术所需 的新材料以及引进生产线所用原材料大量依靠国外 。 我国的新材料研究 29 四、材料化学 v 材料中原子、离子或分子的排列方式、不同组 成间的化学反应等 v 材料制备工艺过程中的化学问题 v 材料化学性质以及其他各类性质中的化学因素 v 环境对材料的影响 (例如腐蚀) 材料化学是材料科学的一个重要组成部分，在 化学学科中通常也称为“固体化学”。材料化学介绍 的是从化学角度来进行材料科学研究所需要的基本 知识。 30 化学与材料亲密接触的历史 v 火与陶瓷：人类第一个化学上的发现是火，这是公元 前 50 万年左右的事情。而人类第一次真正有意识地创造 发明的自然界并不存在的“新材料” 陶器就是在火的 帮助下制造出来的。 v 四大发明：造纸 蒸煮草木灰提炼纤维 火药 一硝二磺三木炭 2KNO3 + 3C + S = N2+ 3CO2+ K2S + 169千卡 31 “一硝二磺三木炭”的原理在抗日战争时期 发挥了巨大的作用。 32 v 18 世纪末分析化学的发展使得人们第一次认识到钢中 存在有碳原子，而且碳原子在决定钢的性质方面起着十 分关键的作用，从而促使人们开始从材料的组成角度来 研究材料。 v 20 世纪初开始出现的合成材料就是在有机化学发展的 基础上诞生的。 v 元素周期表的发现及其对材料科学的影响 近