材料科学第1章B.ppt

1 第1章材料科学与工程 MaterialsScienceandEngineering 材料主要有哪些类别 什么是材料 什么是材料科学与工程 2 1 1什么是材料 强烈火舌的吹氧炼钢炉 寂静的铜电解沉积规模巨大的钢材加工 珠宝行业的手工作坊微细的电子器件芯片 摩天大厦日常使用的塑料袋 宇宙飞船的钛合金壳体明净的玻璃 碳黑液态汞 最硬的金刚石超导体 绝缘体室温浇注的塑料 难以熔化的耐火材料 材料是人们可用来制作物品的宇宙中物质的子集 3 材料科学与工程是研究材料的成分与结构 性能 加工与合成和使用性能之间关系的一门学科 材料包括传统材料和新型材料 1 2什么是材料科学与工程 四大要素 成分与结构 compositionandstructure 性能 properties 加工与合成 synthesisandprocessing 使用性能 performance 4 结构包括肉眼或低倍放大镜观察到的宏观组织 光学或电子显微镜观察到的微观组织 原子力显微镜观察到的原子像及其原子的电子结构等 性能包括力学性能 物理性能 化学性能 以及冶金和加工性能等工艺性能 加工与合成包括材料的制备 加工 后处理在内的各项生产工艺 使用性能包括材料的应用效果和反响如材料在使用过程中的组织稳定性 四大要素 5 Performance Properties SynthesisandProcessing CompositionsandStructures 6 7 8 1 3材料学科的特点 多学科交叉是物理学 化学 冶金学 金属学 陶瓷 高分子化学及计算科学相互融合与交叉的结果 是一种与实际使用结合非常密切的科学发展材料科学的目的在于开发新材科 提高材料的性能和质量 合理使用材料 同时降低材料成本和减少污染等 是一门正在发展中的科学不像物理学 化学已经是一个很成熟的体系 材科科学随各有关学科的发展而得到充实和完善 9 10 1 4材料科学技术的重要地位 材料是所有科技进步的核心 用于航空 航天 船舶 能源 通信 交通 电子技术 武器装备领域等 先进材料及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 先进材料是先进技术的奠基石 11 12 13 14 15 16 1 5材料科学技术的发展趋势 17 1 6材料主要有哪些类别 材料多种多样 丰富多彩 各种材料可以从不同的角度来分类 分类依据 材料的组成 材料的特性和用途 材料内部原子排列情况 材料的热力学状态 材料的尺寸 18 金属材料 铁 铜 金 银 无机非金属材料 玻璃 石墨 砂 粘土 有机高分子材料 聚合物 纤维素 尼龙 复合材料 SiC颗粒增强铝基复合材料 碳 碳复合材料 根据组成 材料可分为 有人将它们称为固体材料的四大家族 19 根据特性和用途 材料可分为 结构材料 功能材料 结构材料以力学性能为主要的使用性能 用于制造承受一定载荷的机器设备 零部件和建筑结构等 功能材料以除力学性能以外的其它性能如电学性能 光学性能 磁学性能和生物学性能等为主要的使用性能 用于制造电子器件 光敏元件和绝缘材料等 20 晶态材料 根据内部原子排列状况 材料可分为 非晶态材料 内部原子排列规则 长程有序 如大多数金属和合金 食盐 雪花 准晶态材料 内部原子排列不规则 短程有序 如普通玻璃 石蜡 松香 介于长程有序与短程有序之间 21 稳态材料 根据热力学状态 材料可分为 亚稳态材料 能量最低的状态 如平衡凝固的金属及合金 能量不是最低的状态 如淬火钢 非晶态材料等 22 一维材料 纤维及晶须 根据材料的尺寸 材料可以分为 二维材料 薄膜 三维材料 大块 零维材料 粉末 23 化学成分 碳素钢 合金钢品质 普通 优质 高级优质钢组织 珠光体 贝氏体 马氏体和奥氏体灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁特殊性能铸铁 铸铁 一 金属材料 合金是由两种或两种以上的金属元素 或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质 合金的性质与组成合金的各个相的性质有关 同时也与这些相在合金中的数量 形状及分布有关 黑色金属 钢 24 轻金属 4 5g cm2 Cu Ni Pb Zn贵金属 Au Ag Pt 类金属 半金属 Si Se As B 稀有金属 Ti Li W Mo 常用的有色金属材料有 Al Cu Zn Sn Pb Mg Ni 有色金属 25 主要是金属键 有些金属具有共价键 有金属光泽 强度高 韧性好 可加工成复杂形状 导热 导电性好 在空气中易氧化 基本特性 26 分类传统的无机非金属材料 二 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 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 27 先进 或新型 的无机非金属材料 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 28 先进陶瓷也称之为特种陶瓷 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 29 以陶瓷为例 其它有较大差别离子键 共价键及其混合键硬而脆熔点高 耐高温抗氧化导热 导电性差耐化学腐蚀性好耐磨成型方式为粉末制坯 烧制成型 陶瓷材料的基本特性 30 分子量大于10000以上的有机化合物称为高分子材料 是由许多小分子聚合而成 故又称为聚合物或高聚物 原子之间由共价键结合 分子之间由范德瓦尔键连接 聚合物的小分子化合物称为单体 组成聚合物长链的基本结构单元则称为链节 聚合物长链的重复链节数目 称为聚合度 三 高分子材料 polymers 31 按主链结构碳链 C C C杂链 C N C O C O C 按使用性质塑料Plastics 通用 工程 热塑性 热固性 橡胶Rubber 天然 合成 纤维Fiber 人造 合成 粘合剂Adhesive涂料Coating 分类 32 橡胶的特点是室温弹性高 即使在很小的外力作用下 也能产生很大的形变 可达1000 外力去除后 能迅速恢复原状 其弹性模量小 约104 105Pa 常用的橡胶有天然橡胶 异戊橡胶 丁苯橡胶 顺丁橡胶 聚丁二烯 乙丙橡胶和硅橡胶等 橡胶 33 纤维的弹性模量较大 约109 1010Pa 受力时 形变不超过百分之二十 纤维大分子沿轴向作规则排列 其长径比较大 在较宽的温度范围 50 150 内 机械性能变化不大 常用的合成纤维有尼龙 涤纶 晴纶和维尼纶等 纤维 34 塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间 约107 108Pa 温度稍高些 受力形变可达百分之几至几百 有些塑料的形变是可逆的 有些塑料的形变是永久的 根据塑料受热时行为的不同 分为热塑性和热固性塑料两类 前者受热时可以塑化和软化 冷却时则凝固成形 再加热又可塑化软化 聚乙烯 聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类 后者在受热时可塑化和软化 并通过化学反应 使之固定成型 但冷却后不能再加热软化 酚醛塑料和脲醛塑料就属此类 塑料 35 主链为共价键 分子间为二次键结合分子量大 无明显熔点 有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf力学状态有三态 玻璃态 高弹态 粘流态 密度小绝缘性好 也有部分可以导电 优越的化学稳定性成型方法多 基本性质 36 结构材料 电视机壳 冰箱壳体 机械零件等 绝缘材料 漆包线 电缆 绝缘版 电器零件建筑材料 贴面板 地贴包装材料 塑料袋 薄膜 泡沫塑料涂装 涂料粘合剂 粘合剂日用 织物 衣服 胶鞋运输 轮胎 传送带航空航天 结构件 用途 37 分类按性能 结构复合材料 功能复合材料按增强剂形状及增强机理 颗粒增强 纤维增强 晶须增强按复合方式 基体Matrix增强体Reinforcement金属金属 无机非金属无机非金属金属 无机非金属高分子 塑料 橡胶 金属 无机非金属 高分子 四 复合材料 composites 由两种以上组分组成 并且具有与其组成不同的新的性能的材料 38 高比强度 比弹性模量纤维增强材料有各向异性 而颗粒增强则没有抗疲劳性能好 纤维增强材料 减振性能好可设计性强 性能特点 39 航空航天材料 发动机 高温合金 金属基复合材料 陶瓷与陶瓷基复合材料 汽轮机部件 纤维增强金属基复合材料 陶瓷基复合材料 火箭喷嘴 难熔金属 等 40 五 半导体材料 按材料的电性质 材料可以分为导体 半导体和绝缘体 主要的半导体材料是以共价键结合的元素硅和锗以及一系列的共价键化合物 半导体可以分为本征半导体和非本征半导体两大类 本征半导体 Si Ge InSb CdS ZnTe取决于纯材料本身的导电能力 非本征半导体 杂质在本征半导体材料中的固溶体 取决于杂质的导电能力 41 半导体材料的分类 元素半导体 Si Ge S Se Te等 化合物半导体 族化合物 CdS CdSe ZnS 族化合物 GaAs InP GaP 族化合物 SiC此外还有CuAlS2 ZnSiP2等 固溶体半导体Ge Si Ga1 xAlx As HgxCd1 xTe等非晶半导体 Si Ge GaAs SiC等 薄膜态 有机半导体 未掺杂和用碘 碱金属掺杂的高分子材料 超晶格半导体材料 42 半导体材料的结构 能级能带禁带价带导带 43 能级 现代量子物理学认为原子的可能状态是不连续的 因此各状态对应能量也是不连续的 这些能量值就是能级 能带 由于元素价电子的作用力导致能级分裂 能级差越来越小 能级越来越密最终形成一个几乎是联成一片且具有一定上下限的能级 称为能带 价带 被价电子占据的允带 低温零度时通常被价电子占满 导带 在绝对零度温度下 半导体的价带是满带 受到光电注入或热激发后 价带中的部分电子会越过禁带 进入能量较高的空带 空带中存在电子后成为导带 禁带 不允许电子存在的能量范围 基本术语 44 半导体材料的特性 一般半导体的电