材料科学与技术第一部分

材料科学与技术,参考文献,1、TB303/ZT356:材料物理性能，北航出版社2、TB3/ZH471:材料科学基础，上海交大出版社3、TQ174.75ZQ562:功能陶瓷及应用，化学工业出版4、TB34/ZM141:功能材料学概论，冶金工业出版5、TQ174.5/ZL398:电子陶瓷工艺原理，华中工学院出版6、TQ174.6/ZC418:现代陶瓷工业技术装备，中国建材工业出版7、O62/ZW227:有机化学，清华大学出版8、O631.1/ZZ717:高分子链结构，科学出版社9、TQ31/ZL398:高分子合成原理及工艺学10、铁电压电材料及器件，刘梅冬，华中理工大出版？,第一章材料科学概述,第一节材料科学的发展背景,什么是材料和材料科学,？,是人类赖依生存和发展的物质基础，是国民经济的物质基础。,（人的衣、食、住、行、通讯等）,材料：,广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)，材料无处不在，无处不有。,以材料的性能、结构及相关应用为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的基础应用科学。集物理学、化学和冶金学等于一体的一门的综合性或交叉性学科。,材料科学：,生命科学（生物科学）也已渗入并将更为深刻地渗入,以材料的发展划分人类历史:,旧石器时代:（B.C.101万年）以天然石块凿成棱边锋利的,新石器时代:（B.C.60004000年）出现磨光的工具。,工具或武器。,石器时代：,石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗址）,石斧,人类文明史与材料的发展阶段密切相关的,陶瓷时代：（B.C.60004000年）出现了烧炉。,青铜器时代：（B.C.80001500年）B.C.8000年，纯铜的发现,和加工；B.C.20001500年铜矿石的开采和冶炼。,铁器时代：（B.C.14001200年）B.C.1000年之后欧洲进入,“铁器时代”。,湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄,中国古代铁器的金相组织,理论上：量子理论、统计物理、固体电子论、晶体结构,近代物理使材料科学进入一个崭新的阶段：,实验上：劳厄X射线法窥探晶体结构。可在超高真空、,等理论的建立和发展使深入、正确地描述晶体内微观粒子运动成为可能。,超低温或超高压下借助各类电子显微镜观察、甚至操纵、安排原子分子的排列。,近代：玻璃、瓷器、及铝工业；,现代：高分子聚合物材料、超导材料、纳米材料等,第二节材料科学的任务及材料的分类,按状态：气态、液态、固态,材料科学的任务：,以物理学、化学、冶金学等为理论基础，应用各种测试和实验手段从微观上来研究材料的各种性能及其在制造和应用中的行为，以提高材料的性能、探索和开发新型材料。,材料科学研究的对象甚多，世界上已注册的材料有几十万种。,材料分类方法：,有多种,金属材料（MetallicMaterials)：钢铁、铝、铜、钛合金,陶瓷材料（Ceramics）：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN,如，电工电子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等,高分子材料（HighPolymers)：,聚乙烯、聚丙烯、纤维、蛋白质等,复合材料（Composites)：,Matel-Matrixor,Polymer-Matrix,按特性：,金属、无机非金属（如陶瓷）、有机高分子材料和复合材料,两种或两种以上的材料按一定的比例通过特殊方法结合起来而构成,按作用:结构材料和功能材料,按使用领域：建筑、电子、医用、仪表及能源材料等,结构材料：是机械制造、建筑工程、交通运输、能源利用,工程等的物质基础。具有抵抗外力作用、保持自身形状和结构不变的力学特性及对外界环境良好的适应性。,高强的机械性能、耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐辐照。,新型结构材料：,新型陶瓷结构材料、复合材料及高分子材料的开发利用正在受到重视。,功能材料：具有优良的电、磁、声、热、光、力、化学、,用途：可用于研制具有传递、存储或记忆信息、,转化或变换能量的功能性元件。,包括：金属、半导体、有机高分子、复合材料等。,有多种分类，按性能可分为：,或生物学等性能的材料。,力学、声学、电学、磁学、光学、化学、生物医学、核功能材料。,第二节材料科学的重要性,材料科学发展对国民经济、国防建设具有重要意义,先进材料与制造技术是未来国民经济与国防力量发展的基础,是各种高、新技术成果转化为实用产品与商品的关键。当前各种新材料市场规模已超过4000亿美元,材料与制造技术是新时代企业的物质基础。各种高新技术(如电子信息、能源、制造业以及航空、航天、海洋、军事技术等)将都对材料及工艺提出更新、更高的要求,美国曾在“国家关键技术报告”认为:材料领域的进展可以显著改进国民经济所有部门的产品性能,提高它们的竞争能力;材料被列为六大关键技术的首位,3、现代的高科技兵器战争时代：,按武器装备的演变、战争分为三个时代：,1、经典的冷兵器战争时代：,2、近代的热兵器战争时代：,以大刀、长矛、弓箭等借士兵体能为其基本特征。陆、水两维战争。,以飞机、枪、炮、弹药、原子弹等的钢铁、炸药的较量。陆、海、空三维战争。,以精密制导、电子战、航天、激光、隐形、人工智能武器为其特征。高科技密集形战争。,国防科技及武器装备的发展在很大程度上也要依赖新材料和先进制造工艺,第三节21世纪材料科学的发展前景,21世纪将是在方方面面，发生重大变革的时期，是一个各学科交织发展，以至逐步消失它们之间的明确界线的时期。新材料与材料科学将无疑有着持续、高速发展的势头。各类新技术的诞生与发展无一不需要新材料，要求材料能与之同步或领先发展,信息技术方面,已从电子技术到光电子技术，进而将到光子技术是自然的发展趋势,新材料必然需要相应地发展以适应这种趋势,如、与光子技术相应的传输、调制、存储等材料需要深入、有效的研究与开发，巨大的产业前景,提高热机效率方面,氮化物及碳化物以及它们的复合材料受到广泛的重视,需要能够承受更高温度的材料以提高热机效率、减少燃料消耗、改善环境污染,当前热机材料能承受的温度：10501100，希望提高到1400、1600或更高,能源方面,燃料电池、特别是固体燃料电池：能量转换效率高,已达到80以上，大型电池组预计可达到65,相应的材料研究包括电解质、阳极、阴极以及相关材料,最核心的问题仍然是材料，如何能够得到高效、大面积、低成本的相应材料,太阳能：取之不尽的低密度能源,纳米技术：具有广泛应用前景，预期21世纪将是其开花、结果的时代,纳米材料与纳米技术,纳米材料：在光、电、磁、热、力等方面的新现象、新性能，许多现象尚是未知数或尚无妥善的解释,生物材料,牙齿的基本组成羟基磷灰石，具有纳米结构、定向性很好、具有较好的韧性,为什么人体能够在十分温和的环境下合成这类牙齿或骨胳？,十分有兴趣的新领域仿生合成（BiomimeticSynthesis）,富勒球（C60）、富勒管（Fullerene-tubes）,新发现常常是人们所未估计到的，需要善于抓住科学上的偶然性,如：类钙钛矿结构的高温超导陶瓷、,第二章原子结构与键合,原子、原子排列、微观结构和宏观组织。,材料的结构层次：,原子：材料的基本单元。,原子结构：直接影响材料中原子的结合方式,形成不同的结合键及不同性质的材料：,金属、半导体、绝缘体（高分子聚合物）,第一节原子结构,卢瑟福粒子散射实验：,原子的核式结构模型,原子：原子核、电子,原子核：质子和中子,核内质子数:等于核外电子数,质子电量：等于电子电量,原子半径：,原子核半径：,原子量（M）定义：,？,原子量有两个单位：,1个原子的质量：,1个C12原子的质量：,（原子质量单位）,1原子质量单位,原子量的另一单位:,原子质量单位,碳同位素中的C12原子的原子量：,1个原子的质量：,（原子质量单位）,1mol原子的质量,原子量的单位:,第二节原子的电子壳层结构,一、量子数,元素的性能决定于原子中电子所处的状态,描述电子状态的四个量子数：,1、主量子数n,取值：1、2、3、4、,是决定电子能量的主要参数，表征电子所处的壳层及电子运动轨道的大小,主量子数,名称,1,壳层,2、轨道角动量量子数取值：,是决定电子能量的另一个参数,表征轨道的形状和轨道角动量的大小。,S轨道,P轨道,轨道名称,0,3,f,轨道,代表电子自旋的取向和自旋角动量在特殊方向的分量,3、轨道方向量子数取值：,表征轨道角动量在特殊方向（如磁场方向）上的可能分量或轨道在空间的可能取向。,如时，,3个可能的取向,4、自旋方向量子数取值：,泡利不相容原理：,原子中不可能有两个电子处于同一状态,不可能有两个电子具有完全相同的上述四个量子数,原子次壳层和壳层中可容纳的电子数：,壳层：,次壳层：,次壳层有个，每一个有两个,壳层n中包含n个次壳层,二、原子的电子结构,基态：原子最低能态；电子从最低能级填充原子能级。,决定电子能量的量子数：主量子数、次量子数,越大、电子能量越大。,决定电子能量的主要量子数、,实际上通常：,电子填满各能级次序通常为:,但不能保证：,过渡族金属的电子结构,而不是,三、原子价及原子的电负性,原子依靠外层电子与其它原子化合原子外层电子决定其化学活性,外壳层8电子结构是稳定结构，原子在结合时倾向于或填满外层s,p能级，或使s,p能级完全空着,非金属元素倾向于接受电子成为8电子结构，具有电负性。,金属元素倾向于失去价电子成为8电子结构，显正价。,氯的电子结构：,强电负性,铝的电子结构：,显正3价,钠的电子结构：,更易失去1个价电子，正电性更强。,第三节原子的键合,四种基本的原子键：金属键、共价键、离子键和范德瓦尔键,一、金属键,金属键本质：离子、电子间的库伦相互作用,价电子是sp电子的低价金属（Na,Ca,Al等）金属键,金属原子失去价电子成为正离子、价电子成为自由电子，离子骨架浸泡在电子的海洋。,金属特性：（1）延展性；（2）良好的导电性。,金属键特性：无方向性、不易被破坏。,金属是良导体,二、共价键,不易失去价电子的原子倾向于与邻近原子共有价电子、成为8电子稳定结构。,共价键：拉手结合,IV元素半导体（C,Si,Ge）是共价键。一个原子与周围4个原子形成电子对共价键,共价键之间的夹角：109o,S