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包装材料学,河南科技大学魏风军qq:2369544,B,材料科学与工程的内涵,第一章绪论,第一章绪论,通过过程现象揭示材料组成-工艺-结构-性能的关联。过程是理解结构和性能的重要环节。结构决定性能，组成与工艺决定结构的形成。结构因素包括：组成基元、排列、结合类型和运动方式。材料聚集态：一维、二维、三维方向上小尺寸的材料称低维材料，低维材料具有体材料所不具备的性质。,第一章绪论,1、材料科学的核心,2、材料的结构原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次。影响和改变结构主要因素控制结构,第一章绪论,材料科学研究“为什么”的问题。核心是建立结构性能的关系。材料工程解决“怎样做”的问题。是能为社会所接受地获得材料的结构、性能和形状。（要考虑5个判据：经济、质量、资源、环保、能源）材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择材料、使用材料、发展新材料提供理论基础。材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。材料科学和材料工程紧密联系，它们之间没有明显的界线。在解决实际问题中，不能将科学因素和工程因素独立考虑。因此，人们常将二者合称为材料科学与工程。,3、材料科学与材料工程的关系,第一章绪论,3、材料科学与材料工程的关系,第一章绪论,三、材料,1材料的定义是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并制造有用物品的物质。,人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：石器时代（公元前10万年）青铜器时代（公元前3000年）铁器时代（公元前1000年）水泥时代（公元0年）钢时代（1800年）硅时代（1950年）新材料时代（1990年）（人造为特征，非自然界中现成有的;）,第一章绪论,第一章绪论,现代科学技术的三大支柱能源、材料、信息，其中材料是基础。,材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）。,第一章绪论,2材料分类,2.1根据材料的性能分类2.2材料按化学组成（或基本组成）分类2.3材料按服役的领域来分类2.4材料按结晶状态分类2.5材料按材料的尺寸分类,第一章绪论,按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等。按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料等。按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、包装材料等。,第一章绪论,1.金属材料2.无机非金属材料(陶瓷)3.高分子材料（聚合物）4.复合材料,2.1按化学组成（或基本组成）分类,第一章绪论,（1）金属材料,金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。,金属材料黑色金属（钢和铸铁）钢：碳素钢和合金钢（按成分）；普通钢、优质钢和高级优质钢（按品质）；平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢（按冶炼法）；结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢（按用途）。铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。有色金属(非铁材料)轻金属(密度5)、重金属(密度5)、贵金属、类金属和稀有金属，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有重要地位。,第一章绪论,当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固溶体。金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物。,第一章绪论,合金中的固溶体：根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上；在间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的，即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。,第一章绪论,此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列情况示于图0.1。,第一章绪论,图0.1不同类型固溶体中原子排列示意图,（a）随机置换固溶体,（b）有序置换固溶体,（c）随机间隙固溶体,（d）固溶体中的溶质丛聚,第一章绪论,合金中的金属间化合物：金属间化合物可分为三类，即由负电性决定的原子价化合物（简称价化合物）、由电子浓度决定的电子化合物（亦称为电子相）以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物。除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外，还有许多金属间化合物，其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂化合物。,第一章绪论,（2）无机非金属材料,无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。,第一章绪论,传统的无机非金属材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机非金属材料。,第一章绪论,先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。,第一章绪论,传统的无机非金属材料之一：陶瓷,陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。,第一章绪论,普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。,第一章绪论,特种陶瓷（精细陶瓷（FineCeramics）、高技术陶瓷（HighTechnicalCeramics）、先进陶瓷（AdvancedCeramics）是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。,第一章绪论,常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。,第一章绪论,根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。,第一章绪论,传统的无机非金属材料之二：玻璃,玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。,第一章绪论,特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。,第一章绪论,传统的无机非金属材料之三：水泥,水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。,第一章绪论,水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。,通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。,第一章绪论,传统的无机非金属材料之四：耐火材料,耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。,第一章绪论,3.有机高分子材料（高聚物）,高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。,第一章绪论,4.复合材料,主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。,第一章绪论,(1)定义复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。即是多相材料,复合材料分类。1按基体材料分：金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥、混凝土基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料等；,第一章绪论,第一章绪论,按增强剂形状分粒子增强复合材料纤维增强复合材料层状增强复合材料按复合材料性能结构复合材料功能复合材料,2.2根据材料的性能分类,根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为结构材料和功能材料。,第一章绪论,结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。,第一章绪论,功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。,第一章绪论,2.3材料按服役的领域来分类,根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。,第一章绪论,2.4材料按结晶状态分类,单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。,第一章绪论,2.5按材料的尺寸分类,材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。,第一章绪论,零维材料即超微粒子，通过Sol-gel法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小1100nm的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。,第一章绪论,一维材料，如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶须。,第一章绪论,二维材料（薄膜），如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。三维材料即块状材料。,第一章绪论,第一章绪论,一、包装工程学科体系,工程学包装材料学包装设计学包装工艺学包装机械学包装测试包装印刷学包装动力学,社会学包装管理学包装销售学包装标准与法规,第一章绪论,二、包装材料学研究的内容与目的要求包装材料的结构、组成、生产加工、性能及其检测方法；根据商品性能及包装要求正确选择包装材料(开发)；根据材料制定包装容器制品的生产工艺，并对生产过程进行技术、经济管理；检测包装材料性能。,三、包装材料学的地位与作用包装材料是保护产品的具体承担者,是构成商品包装使用价值的最基本要素，是形成商品包装的物质基础,包装材料学是包装工程的基础学科。正确选择包装材料是包装成功与否的关键，也决定了其它包装操作的进程。,第一章绪论,四、包装材料学定义,包装材料:用于制造包装容器和构成产品包装的材料的总称,包装材料学定义：研究包装材料的结构、性能及生产加工与应用的科学;是包装科学的基础学科。,五、包装材料分类1、纸质包装材料(纸、纸板、瓦楞纸板、蜂窝瓦楞纸板、现代新型加工纸与纸板）2、高分子包装材料（塑料、橡胶、粘合剂、化学纤维、涂料）3、金属包装材料（钢铁、铝、锡、铅）4、玻璃和陶瓷包装材料,5、玻璃和陶瓷包装材料6、复合包装材料7、纤维材料（天然纤维、合成纤维、纺织品）8、木材9、辅助包装材料：粘合剂、涂料、油墨、缓冲材料、封缄材料和捆扎材料,第一章绪论,2007年我国包装材料使用情况,纸、塑料、金属和玻璃占总用量的90%以上，被称为四大包装材料,第一章绪论,1、机械性能：（拉伸强度、抗压强度、耐斯裂度、耐戳穿能力）2、耐候性能：（耐光、耐寒）3、阻隔性或透气性：（透气性或阻气性、透光性或阻光性）4、卫生性5、印刷适性6、尺寸稳定性7、封口性,六、包装材料的必备性能,第一章绪论,七、包装材料发展简史,50万年前：树叶、哈壳、竹筒、兽皮等。几千年前：使用布袋4千年前：古埃及使用玻璃AC1200年：捷克斯洛伐克的波希米亚发明了镀锡铁皮。1620年：镀锡铁皮用于包装1799年，法国人发明了第一台长网抄纸机，纸大量用于包装；1841年：发明了金属软管1871年：美国人发明了瓦楞纸板1894年，研制成功了第一个瓦楞纸盒；1902年瓦楞纸箱正式用于运输包装，取代了木箱；50-60年代：美国和瑞士分别研制成功了缝焊罐1953年：英国发明了二片冲拔罐1968年：日本推出粘接罐,第一章绪论,1869年：人工合成了第一种塑料赛璐璐（硝酸纤维素）1909年：合成了酚醛树脂1927年：杜邦公司研制了玻璃纸（再生纤维素）1929年：合成了第一种注塑材料醋酸纤维素1936年：聚氯乙烯开始市场销售1938年：尼龙（聚酰胺）问世；1942年：合成聚酯1943年：合成出聚四氟乙烯1948年：人工合成苯乙烯橡胶投入生产；1954年：合成了高密度聚乙烯和聚丙烯；