材料合成与制备第一章-绪论

1,材料合成与制备,参考资料1、教材：曹茂盛等主编，材料合成与制备方法，哈尔滨工业大学出版社，2001年8月。2、其它信息库：课堂图书馆网络,2,课程考察与成绩评定100702010，即总评考试成绩出勤作业、提问,3,1.1材料科学的内涵,2020/6/7/12:03:20,人类社会的进步和技术发展过程中的每一个重大突破，都是因为有了先进的新材料而实现的。现代文明的三大支柱：信息、能源和材料。而其中材料又是信息技术、能源技术及其它一切技术发展的物质基础和关键。,材料科学的内涵,2020/6/7/12:03:20,历史学家将材料作为文明社会进化的标志。,新石器时代,青铜器时代,复合材料时代,合成材料时代,.,智能材料?,旧石器时代,1、材料的定义通俗定义：材料是原料中取得的生产物质的原料。材料是制成成品的东西。例如：高分子、金属、陶瓷等等。,6,7,现代材料学可以如此来定义材料：经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对象称为材料（Materials）。例如：钢铁、金属、陶瓷、木材等。原料（Rawmaterials）：潜入了劳动价值，但在以后应用中原质会发生变化的劳动对象。如烧碱、中和反应所用的盐酸等。,2、材料的分类从来源上分，材料可以分为：天然的木材，石料合成化学纤维，塑料，金属，陶瓷半天然纸张，布料,8,9,按照材料的化学属性可以分,有机高分子材料,黑色金属（铁、锰、铬及其合金）,有色金属,金属材料,单晶形态,多晶形态。新型陶瓷材料（NewCeramics）或精细陶瓷（FineCeramics）。,以脂肪族或芳香族的C-C共价键为基础结构的大分子组成。一般又分为塑料、橡胶和纤维。,复合材料,金属、无机非金属和有机高分子材料等有机结合,无机非金属材料,10,“杂化材料”从80年代开始，日本理部化学研究所山田瑛、雀部博之等人，在应用化学学科中提出“杂化”（hybrid）的概念两种以上不同种类的有机、无机和金属材料在原子、分子水平上杂化，从而产生具有新型原子、分子集合结构的物质，属于分子复合材料的范畴。构造机制：离子界面消失，完全结晶化，因此这种材料具有许多新的性能和用途。,11,按材料的性能分类任何材料在使用过程中都能提供可利用的某种或某些功能。根据这些性能可以将材料分为2大类：结构材料（Structuralmaterial）以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，具有抵抗外力作用而保持自己的形状、结构不变的特点。如制造工具、机器、车辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。,功能材料（Functionalmaterial）：指具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构为目的高技术材料。如光致变色材料、电致变色、形状记忆材料等。,12,13,功能材料的功能及其示例热学性能热容、热传导、热稳定；光学性能与光的作用、吸光、发光和透光性；电学性能导电、介电和压电性等；磁学性能永磁、硬磁、软磁等；化学性能反应性、催化等；生物功能适应、生物活性、保健等。,14,按材料的化学组成分类,材料,有机材料,无机材料,木材,石材,人工晶体,高性能陶瓷,化学纤维,塑料,钢材,砖瓦,纸张,布料,陶器,15,新材料体系的混合分类法,16,根据性质分类物理性质高强、超塑性、高温、低温、导电、半导体、绝缘、绝热等其它功能性质结构材料、功能材料按技术成熟程度及发展前景划分传统材料，如普通金属、钢铁、有机物新型材料，如智能材料、传感材料、光纤等,17,3材料的发展历程第一代为天然材料在原始社会生产技术水平低下，人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。,18,第二代为烧炼材料烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。人类用天然的矿土烧结砖瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，这些都属于烧结材料；从各种天然的矿石中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料。,5500BC，天然金与铜被用作工具与武器人类开始了金属的使用,19,20,5000BC，熔炼和锤击改变了铜的性能，金属材料开始发展,4000BC，通过金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状。,21,最早的模铸件-一个铜制杖头,3500BC，从矿石中提炼铜-冶金业的黎明,22,这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一,3000BC，青铜的使用-制造合金,23,青铜：第一种合金,1450BC，铁的发现,24,至公元前1000年左右，铁器才基本上从日常用具中排挤了铜器而占统治地位,1886AD，电化学方法冶炼铝，使铝成为一种常用金属。,25,1856AD，英国发明家贝塞麦（HenryBessemer，18131898）发明了钢铁冶炼的专利贝塞麦转炉炼钢法，在铸造炉中熔化铁时使用鼓风设备，利用空气即可除去铁水中的碳，炼出熟铁或低碳钢。贝塞麦法的诞生使钢铁制品性能大大改观而成本也降低不少，这在冶金发展史上具有划时代的意义，标志着早期工业革命“铁时代”向“钢时代”的演变。,26,贝塞麦曾任英国钢铁学会主席，1879年当选为英国皇家学会会员,27,继次之后，炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明,廉价的冶铁业,28,第三代材料为合成材料在20世纪初期出现了化工合成产品，其中合成塑料、合成橡胶和合成纤维已广泛地是用于生产和生活中。从1907年第一个小型酚醛树脂厂建立，到1927年第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工业迅猛发展起来，这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工业化（1970-1980年）、分子设计、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等几个发展进程。,29,1939尼龙商业迅速发展这是高分子材料发展的关键时期,30,第四代可设计的材料并不满足于现有的材料，而是出现了根据实际需要而设计的具有特殊性能的材料，如金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料属于这一类。第五代智能材料，现代功能材料是近三、四十年来研制的一类新型功能材料，它们随时间、环境的变化改变自己的性能或形状，好像具有智能。例如自修复材料、形状记忆材料等就属于这一类，后者已开展在金属、高分子和复合材料领域内，应用广泛，极大地丰富和方便了现代航天、工业和医疗技术。,31,形状记忆合金在军事和航天工业方面的应用月面天线,31,Chapter6MetallicMaterials,32,在工程方面的应用,32,形状记忆合金管接口,Chapter6MetallicMaterials,33,Advantages,33,形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：,夹紧力大，接触密封可靠，避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；,适于不易焊接的接头；,金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；,安装时不需要熟练的技术。,Chapter6MetallicMaterials,34,在医疗方面的应用,34,记忆型NiTi牙弓丝,Chapter6MetallicMaterials,脊柱矫形棒、人工关节、人造心脏、美体内衣等。,35,Examples,35,形状记忆合金套管连接的铝合金假肢,形状记忆合金制成的血栓过滤器,Chapter6MetallicMaterials,36,形状记忆式热发动机,36,形状记忆用于热发动机的原理,Chapter6MetallicMaterials,37,37,自控元件原理,Chapter6MetallicMaterials,38,4.4SMA,38,Chapter6MetallicMaterials,双程CuZnAl记忆合金弹簧,39,4.4SMA,39,双程CuZnAl记忆合金花,Chapter6MetallicMaterials,40,Examples,40,TiNi记忆合金眼镜架,Chapter6MetallicMaterials,超弹性耐腐蚀性重量轻,41,燧石，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。,从人类社会发展来看，使用材料经历了三大里程碑：石器时代：以石头制造工具。可以划分为旧石器时代（公元前23百万年至约1万年,从原始部落到母系社会）、中石器时代（公元前约1万年至78千年）、新石器时代（公元前78千年至6千年）。这期间，我们的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了矿石，发明了火，制造了第1种人造材料陶，并在烧陶过程中发展了冶铜术，开创了冶金技术。,（2）材料的使用程度是人类社会发展的里程碑,42,5500BC天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用。,铜器时代：人类大量制造和使用第2种人造材料“红铜”和“青铜”。“红铜”时代约在公元前45千年，即原始社会到奴隶社会初期；“青铜”时代约在我国商周时代和私有制建立的前夜。,43,1450BC铁的发现,铁器时代：人类制造和使用第3种人造材料铸铁，此后是钢铁工业的迅猛发展,成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。人类社会发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为发明之母和产业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。在当前新技术革命涉及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个材料革命的新时代。,1950S，高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展。,44,45,（3）生活和工业中的材料科学材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。因此，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类社会进步的里程碑。纵观人们利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。,复合材料,铁器材料,铜器材料,石器材料,现代社会原始社会,46,（4）材料与新技术革命新材料的每次使用都引起人类社会的巨大变革和生产力革命。18世纪以来世界范围内的生产力变革和技术革命都以新材料使用为龙头：第一次技术革命产业革命始于18世纪的英国产业革命，使得以手工技术为基础的资本主义工场手工业过渡到采用机器大生产的资本主义工厂制度。这场工业革命的物质基础是钢铁材料，而伴随的新技术则是蒸汽机的发明；,47,第二次技术革命电气革命1879年爱迪生发明了电灯，把电力革命的曙光带给了人类，一系列电气材料相继诞生与广泛应用，产生了巨大的生产力变革；第三次技术革命电子革命20世纪中叶，新导电、导磁材料和半导体材料的发明和应用，使大规模集成块问世，带来了计算机的广泛应用，以及原子能利用，大大发展了生产力和科学技术；,48,第四次技术革命有说法提出：目前正处在第四次技术革命的前夜。这次技术革命以信息技术、新材料技术、新能源技术和生物工程技术为基础。亦有人把材料、能源和信息科学看作是现代科学技术的三大支柱，而材料科学技术称为三大科学技术支柱之首。,5、材料对人类的意义,适应性与人类社会发展相适应标志性标志人类智慧的程度推动性高科技材料推动工业技术的发展革命性材料引起技术的革命，引起人类革命决定性材料及其技术决定人类,49,50,现代化的建筑和现代化的室内装修要求优质的新型建筑材料新型的显示技术和照明技术要求性能优良的新型荧光材料高密小型电池及燃料电池要求新型电极材料和电解质材料高密度的新型信息存储器件对磁性材料有新的要求通讯技术要求光纤的衰减更小,中继距离更长更高的超导转变温度，实用化,三基色荧光粉,微波介电陶瓷,白色发光二极管,超导体悬浮,6现代科技、生产和生活对材料的新要求,计算机：最早的18000个电子管，总重量达30吨，运算速度5000次/秒；现在：几kg，半导体材料和大规模集成电路人造卫星：每减少1kg，运载火箭的质量可以减少500kg；飞机：发动机的质量减少1kg，升高10m；工作温度每提高100，飞机的推力提高15%导弹：每减少1kg，射程提高12km,51,材料科学的内涵,“材料”是早已存在的名词，但“材料科学”的提出只是20世纪60年代初的事。1957年前苏联人造卫星首先上天，美国朝野上下为之震惊，认为自己落后的主要原因之一是先进材料落后，于是在一些大学相继成立了十余个材料研究中心。采用先进的科学理论与实验方法对材料进行深入的研究，以取得重要成果。从此，“材料科学”这个名词便开始流行。,2020/6/7/12:03:20,材料科学的内涵,首先，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入。,2020/6/7/12:03:20,“材料科学”的形成实际是科学技术发展的结果,材料科学的内涵,其次，在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料都已自成体系，目前复合材料也获得广泛应用，其研究也逐步深入。但它们之间存在着颇多相似之处，不同类型材料的研究可以相互借鉴，从而促进学科的发展。第三，许多不同类型的材料可以相互替代和补充，能更充分发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。但长期以来，金属、高分子及无机非金属材料自成体系，缺乏沟通。由于互不了解，不利于发展创新。,2020/6/7/12:03:20,材料科学的内涵,材料科学,材料科学与工程,2020/6/7/12:03:20,研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律。,基础研究,工程是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题,综合性研究,材料科学的内涵,材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识的产生及其运用。换言之，材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。,组成与结构(composition-structure)合成与生产过程(synthesis-processing)性质(properties)使用效能(performance),2020/6/7/12:03:20,四个基本要素(basicelements),材料科学的内涵,2020/6/7/12:03:20,成分(composition)、合成/加工(synthesisproeessing)、结构(structure)、性质(properties)、使用效能(performance),五个基本要素(basicelements),1.2材料科学各组元及其关系,合成与制备合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程合成的研究既包括有关寻找新合成方法的科学问题，也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成，也应包括已有材料的新合成方法(如溶胶凝胶法)及其新形态(如纤维、薄膜)的合成。,2020/6/7/12:03:20,材料科学各组元,制备研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料，这一点是与合成相同的.制备还包括在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和使用效能，即包括材料的加工、处理、装配和制造。,合成与制备是提高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键，也是开发新材料、新器件的中心环节。,2020/6/7/12:03:20,区别：合成一般含有化学反应，有新物质生成，而制备则不一定。物质的提纯，设备的组装等可以叫制备但不能叫合成。同样得到一样目标物质，制备讲的是结果，合成更侧重过程。,60,合成与制备就是建立原子、分子的新排列，从微观到宏观尺度对结构予以控制，从而制造材料和零件的过程。,材料合成与制备,材料科学各组元,在合成与制备中工程性的研究固然重要，基础研究也不应忽视。对材料合成与制备的动力学过程的研究可以揭示过程的本质。为改进制备方法建立新的制备技术提供科学基础。,以晶体材料为例在晶体生产中如果不了解原料合成与生产各阶段发生的物理化学过程、热量与质量的传输、固液界面的变化和缺陷的生成以及环境参数对这些过程的影响，就不可能建立并掌握生长参数优化的制备方法，生长出具有所需组成、完整性、均匀性和物理性的晶体材料。,2020/6/7/12:03:20,材料科学各组元,以陶瓷材料为例，陶瓷材料的最严重的问题是可靠性差，原因是制备过程落后以致材料的微结构和特性缺少均匀性和重复性。研究结果已表明，若粉料在材料制备中发生团聚，则材料难免出现分布不均匀的气孔从而导致性能不均一，因为粉料团聚一旦在制备的早期阶段形成，实际上就不可能在不存在液相的情况下通过煅烧或烧结消除其影响。这说明为提高材料的可靠性必须对制备过程中的每阶段所发生的化学、物理变化认真加以研究并做出必要的表征。,2020/6/7/12:03:20,把合成制备简单地与工艺等同起来而忽略其基础研究的科学内涵，是不恰当的。,材料科学各组元,组成与结构组成指构成材料物质的原子、分子及其分布；除主要组成以外，杂质及对无机非金属材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略.结构则指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、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。,2020/6/7/12:03:20,材料科学各组元,材料的组成与结构是材料的基本表征。它们一方面是特定的合成与制备条件的产物，另一方面又是决定材料性能与使用效能的内在因素，因而在材料科学与工程的“四面体”中占有独特的承前启后的地位，并起着指导性的作用,2020/6/7/12:03:20,材料科学各组元,2020/6/7/12:03:20,了解材料的组成与结构及它们同合成与制备之间、性能与使用效能之间的内在联系，是材料科学与工程的基本研究内容。,金刚石、石墨、C60和碳纳米管结构示意图,材料科学各组元,性能与使用效能性能是指材料固有的物理、化学特性，也是确定材料用途的依据。广义地说，性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述。例如，对外力作用的反应为力学性能，对外电场作用的反应为电学性能，对光波作用的反应为光学性能等等。,2020/6/7/12:03:20,材料科学各组元,使用效能是材料以特定产品形式在使用条件下所表现的效能。它是材料的固有性能、产品设计、工程特性、使用环境和效益的综合表现，通常以寿命、效率，可靠性、效益及成本等指标衡量。,2020/6/7/12:03:20,材料科学各组元,使用效能的研究与工程设计及生产制造过程密切相关，不仅有宏观的工程问题，还包括复杂