无机材料课件化学与人类

1、2021/2/6 5.1. 材料科学的发展概况材料科学的发展概况 n使用使用纯天然材料纯天然材料的初级阶段的初级阶段 n人类单纯人类单纯利用火制造材料利用火制造材料的阶段的阶段 n利用利用物理与化学原理合成材料物理与化学原理合成材料的阶段的阶段 n材料的材料的复合化复合化阶段阶段 n材料的材料的智能化智能化阶段阶段 2021/2/6 旧石器时代（公元前旧石器时代（公元前1010万年左右）万年左右） 使用天然的石、木、竹、骨等材料作为守猎工具使用天然的石、木、竹、骨等材料作为守猎工具; ; 2021/2/6 新石器时代（公元前新石器时代（公元前60006000年）年） 陶瓷材料的发明和应用陶瓷材

2、料的发明和应用 饮食方式饮食方式:烧烤烧烤煮食煮食 生产工具生产工具:打磨的石头打磨的石头陶器陶器 住房住房:半穴居的泥草房半穴居的泥草房陶器的房屋陶器的房屋,挡挡 风遮雨风遮雨,坚固不怕水坚固不怕水 2021/2/64 粘土的化学成分粘土的化学成分: SiO2、MgO、CaCO3、Al2O3,熔点都不很高。熔点都不很高。 当温度达当温度达900时时, 硅酸钙硅酸钙CaSiO3和硅酸铝和硅酸铝Al2(SiO3)3等等, 它们融合在一起便成为坚硬的陶。它们融合在一起便成为坚硬的陶。 粘土为什么能制陶呢? 2021/2/6 新石器时代（公元前新石器时代（公元前60006000年）年） 到了到了殷商

3、时期殷商时期,人们发现人们发现,用含用含SiO2 较高的粘土较高的粘土,再加入再加入石灰、草木灰石灰、草木灰 等含有等含有CaO、KOH的碱性物质的碱性物质,在在 1200度度的高温下的高温下,烧出的陶器硬度烧出的陶器硬度 更高、吸水率更低更高、吸水率更低,表面光滑明亮表面光滑明亮, 这就是釉层。如果用这就是釉层。如果用CuO、FeO做做 颜料颜料,可使釉层十分漂亮。可使釉层十分漂亮。 宋代五大名窑之一宋代五大名窑之一 钧窑产品钧窑产品-钧红花瓶钧红花瓶 2021/2/6 釉里红 青花瓷 2021/2/6 唐 三 彩 2021/2/6 2021/2/6 2021/2/6 青铜器时代（公元前青铜

4、器时代（公元前2121世纪世纪, ,夏、商、西周至夏、商、西周至 春秋时期）春秋时期） 司母戊大方鼎司母戊大方鼎矛戈矛戈鉴燧两用镜鉴燧两用镜 战国初期的战国初期的 曾侯乙编钟曾侯乙编钟 2021/2/6 n“五金五金”: :在战国之前在战国之前, ,人们只能从矿石中提炼人们只能从矿石中提炼 出出金、银、铜、锡、铅金、银、铜、锡、铅5 5种金属种金属, ,被人们称之为被人们称之为 “五金五金”。 n“炉火纯青炉火纯青”: :两千余年的青铜熔炼工艺两千余年的青铜熔炼工艺 “凡铸金之状凡铸金之状, ,金与锡黑浊之气竭金与锡黑浊之气竭, ,黄白次之黄白次之, ,黄黄 白之气竭白之气竭, ,青白次之青白

5、次之, ,青白之气竭青白之气竭, ,青气次之青气次之, ,然后然后 可铸也。可铸也。” ” 该工艺是为了控制熔炼的温度该工艺是为了控制熔炼的温度, ,即即 掌握火候掌握火候; ;当熔炼到当熔炼到“青气次之青气次之”之时之时, ,也就是也就是 熔炼到了所谓熔炼到了所谓“炉火纯青炉火纯青”的火候了。的火候了。 2021/2/6 以钢铁为中心的金属材料的使用以钢铁为中心的金属材料的使用 （18世纪产业革命）世纪产业革命） 2021/2/6 合成高分子材料（二次大战后）合成高分子材料（二次大战后） 合成纤维、合成橡胶、合成塑料、涂料和胶粘剂合成纤维、合成橡胶、合成塑料、涂料和胶粘剂 2021/2/6

6、复合材料复合材料 n玻璃钢 2021/2/6 2020世纪世纪8080年代年代, ,半导体材料、光导纤维（信息半导体材料、光导纤维（信息 技术）技术）, ,耐高温材料、复合材料、烧蚀材料、耐高温材料、复合材料、烧蚀材料、 涂层材料（空间技术）涂层材料（空间技术） CCD 光纤光纤 2021/2/6 涂层材料涂层材料 烧蚀材料烧蚀材料 2021/2/6 n在哥伦比亚号航天飞机再次发射以前在哥伦比亚号航天飞机再次发射以前, ,上一次发射上一次发射 时受损的陶瓷防护片必须更换。时受损的陶瓷防护片必须更换。 2021/2/6 5.1.1 化学是材料发展的源泉化学是材料发展的源泉 传统材料有几十万种传统

7、材料有几十万种, ,而新合成的材料每年而新合成的材料每年 大约以大约以5 5的速度在增加。的速度在增加。 例如例如: :高分子材料的发展高分子材料的发展 2021/2/6 5.1.2 材料的分类方法材料的分类方法 按来源分类按来源分类 天然材料天然材料 人工材料人工材料 按用途分类按用途分类 结构材料结构材料 功能材料功能材料 按材料的成按材料的成 分和特性分和特性 金属材料金属材料 复合材料复合材料 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 2021/2/6 金属材料金属材料 黑色金属材料黑色金属材料 包括铁、锰、铬以及它们的合金包括铁、锰、铬以及它们的合金 有色金属材料有色金属材料 轻金属轻

8、金属:Al, Mg, Ti 重金属重金属: Cu, Zn, Cd, Hg, Pb 高熔点金属高熔点金属: V, Mo 稀土金属稀土金属: La, Ce, Pr 贵金属贵金属: Au, Ag, Pt, Pd 2021/2/6 陶瓷材料陶瓷材料 传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸硅酸 盐材料盐材料,新发展起来的陶瓷成分扩展到纯的新发展起来的陶瓷成分扩展到纯的氧化物、氧化物、 碳化物、氮化物和硅化物碳化物、氮化物和硅化物等等等等; 高分子材料高分子材料 新一代合成材料，优点：较高的强度、优良的塑新一代合成材料，优点：较高的强度、优良的塑 性、耐腐蚀、不导

9、电等性、耐腐蚀、不导电等 2021/2/6 复合材料复合材料 由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成 如如:纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料,可以增加陶瓷的韧可以增加陶瓷的韧 性性,解决陶瓷的脆性弱点。由纤维增强陶瓷做成的解决陶瓷的脆性弱点。由纤维增强陶瓷做成的 陶瓷瓦片陶瓷瓦片,用粘结剂贴在航天飞机机身上用粘结剂贴在航天飞机机身上,确保航确保航 天飞机能安全的穿越大气层回到地球上。天飞机能安全的穿越大气层回到地球上。 2021/2/6 n 1 1、新型材料具有、新型材料具有特殊的性能特殊的性能, ,能满足尖端技术和能满足尖端技术和 设备制

10、造的需要设备制造的需要, ,如超高温材料、超高压材料、耐如超高温材料、超高压材料、耐 腐蚀、耐磨擦材料等等腐蚀、耐磨擦材料等等; ; n 2 2、新型材料的发展与材料科学、新型材料的发展与材料科学理论理论的关系比传统的关系比传统 材料更为密切材料更为密切, ,它的研制是它的研制是多学科综合研究多学科综合研究的结果的结果; ; 如太阳能电池材料的研制涉及光电子学理论、减振如太阳能电池材料的研制涉及光电子学理论、减振 吸声材料的研制等等吸声材料的研制等等; ; 5.1.3 新型材料的主要特点新型材料的主要特点 2021/2/6 n3 3、 新型材料从设计到生产新型材料从设计到生产, ,需要专门的、

11、复杂的需要专门的、复杂的设设 备和技术备和技术, ,它自身形成了一个独特的领域它自身形成了一个独特的领域, ,称为新材料称为新材料 技术技术; ;如用机械合金化技术制备纳米晶材料、非晶态如用机械合金化技术制备纳米晶材料、非晶态 合金材料合金材料, ,用自蔓延高温合成技术制备多孔陶瓷材料用自蔓延高温合成技术制备多孔陶瓷材料 等等; ; n 4、新型材料、新型材料更新换代快、式样多变更新换代快、式样多变;如手机电池如手机电池 所采用的能源材料所采用的能源材料,在比较短的时间内经历了在比较短的时间内经历了Ni-Cd、 Ni-H、锂离子材料的变化、锂离子材料的变化; n 5 5、新型材料大多是知识密集

12、、技术密集、附加、新型材料大多是知识密集、技术密集、附加 值高的值高的高技术高技术材料材料; ; 2021/2/6 n 5.2.1 金属键和纯金属键和纯金属的晶体结构金属的晶体结构 5.2 金属材料金属材料 金属的性质金属的性质: :有金属光泽、良好的传热、导电和延有金属光泽、良好的传热、导电和延 展性展性; ; 自由电子 2021/2/6 5.2.2 钢铁钢铁 地壳中铁主要以氧化物、硫化物和碳酸盐形式存在地壳中铁主要以氧化物、硫化物和碳酸盐形式存在, 重要的矿石有赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿等重要的矿石有赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿等; 铁冶炼过程为铁冶炼过程为还原反应还原反应,以以焦炭

13、焦炭为还原剂为还原剂,再再 加一些石灰石和二氧化硅等作助熔剂。加一些石灰石和二氧化硅等作助熔剂。 2021/2/6 2021/2/6 n生铁（铸铁）生铁（铸铁）:脆脆,含碳含碳3-4% n灰口铁灰口铁:铁水慢慢冷却铁水慢慢冷却,Fe3C3Fe+C 柔软柔软,有韧性有韧性,可切削加工。可切削加工。 n白口铁白口铁:铁水快速冷却铁水快速冷却,Fe3C 硬且脆硬且脆,用来炼钢。用来炼钢。 n球墨铸铁球墨铸铁:在铁水中加在铁水中加0.05%镁镁,使碳变成球状。使碳变成球状。 具有高强度、塑性、韧性和热加工性能具有高强度、塑性、韧性和热加工性能,易切易切 削加工。削加工。 2021/2/6 -Fe, -

14、Fe-Fe 纯铁是银白色纯铁是银白色,有金属光泽有金属光泽,性软性软,有延展性。熔点为有延展性。熔点为 1535,沸点为沸点为3000。 铁有铁有-Fe、-Fe、-Fe三种同素异形体三种同素异形体,三种同素三种同素 异形体之间可互相转化异形体之间可互相转化,这种现象称为这种现象称为相变相变; 910 1390 2021/2/6 钢铁钢铁是铁和碳的合金体系总称是铁和碳的合金体系总称,特点是强度高、硬度特点是强度高、硬度 高、耐腐蚀等高、耐腐蚀等,是世界上产量最大的金属材料是世界上产量最大的金属材料; 炼钢炼钢,其实质就是控制生铁中的含碳量达到钢的要求其实质就是控制生铁中的含碳量达到钢的要求,同同

15、 时除去危害钢的性能的一些杂质时除去危害钢的性能的一些杂质,如如S、P等等; 低碳钢低碳钢:含碳量含碳量0.6% 2021/2/6 金属间隙结构金属间隙结构 n金属单质的结构中存在许多四面体和八面体空金属单质的结构中存在许多四面体和八面体空 隙隙,使半径较小的非金属原子如硼、碳、氮、使半径较小的非金属原子如硼、碳、氮、 氢等可填入空隙中氢等可填入空隙中,形成金属间隙化合物或金形成金属间隙化合物或金 属间隙固溶体属间隙固溶体,通称为金属间隙结构。通称为金属间隙结构。 同时存在金属键和同时存在金属键和 共价键共价键,原子间结合原子间结合 得特别牢固。得特别牢固。 2021/2/6 碳原子在铁原子的

16、空隙中可形成多种物相碳原子在铁原子的空隙中可形成多种物相 n奥氏体奥氏体:碳在碳在-Fe中的间隙固溶体。中的间隙固溶体。 n铁素体铁素体:碳在碳在-Fe中的间隙固溶体。中的间隙固溶体。 n渗碳体渗碳体:铁和碳形成的化合物铁和碳形成的化合物,化学式为化学式为Fe3C,含含 碳量为碳量为6.69。 n珠光体珠光体:奥氏体发生共析转变所形成的铁素体奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体。与渗碳体的共析体。 n马氏体马氏体:碳在碳在-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。 2021/2/6 合金钢合金钢 按合金元素含量多少按合金元素含量多少,分为分为: 低合金钢（合金元素总量低于低合金钢

17、（合金元素总量低于5%） 中合金钢（合金元素总量为中合金钢（合金元素总量为5%-10%） 高合金钢（合金元素总量高于高合金钢（合金元素总量高于10%） 按所含的主要合金元素按所含的主要合金元素,分为分为: 铬钢（铬钢（Cr-Fe-C) 铬镍钢（铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C) 锰钢（锰钢（Mn-Fe-C) 硅锰钢（硅锰钢（Si-Mn-Fe-C) 2021/2/6 5.2.3 铝合金和铝锂合金铝合金和铝锂合金 铝是自然界铝是自然界含量最多含量最多的金属的金属,在地壳中以在地壳中以复硅酸盐复硅酸盐形式形式 存在。主要的矿石有铝土矿、粘土、长石、云母、冰存在。主要的矿石有铝土矿、粘土、长石、云母、冰

18、晶石等。晶石等。 常用常用电解法电解法从矿石中提炼金属铝。从矿石中提炼金属铝。 纯铝是银白色金属纯铝是银白色金属,熔点为熔点为659.8 ,沸点为沸点为2270 ,密密 度为度为2.702g/cm3,仅为铁的仅为铁的1/3。导电导热性能好。导电导热性能好,有优有优 良的延展性良的延展性,在大气中易形成致密的氧化膜保护层在大气中易形成致密的氧化膜保护层,有很有很 好的抗蚀性。好的抗蚀性。 2021/2/6 金属铝与镁、铜、锌、锰、硅等形成的合金金属铝与镁、铜、锌、锰、硅等形成的合金,强度高、强度高、 相对密度小、易成型相对密度小、易成型,广泛用于飞机制造业广泛用于飞机制造业; 铝合金铝合金 铝锂

19、合金铝锂合金 金属铝与锂形成的合金金属铝与锂形成的合金,比铝合金强度高比铝合金强度高,密度小密度小,用用 于制造飞机于制造飞机,可使飞机质量减轻可使飞机质量减轻15-20%,并能降低油并能降低油 耗和提高飞机性能耗和提高飞机性能; 2021/2/6 5.2.4 新型金属材料新型金属材料 形状记忆合金形状记忆合金:Ni-Ti镍钛镍钛 高温合金高温合金:Ni-Co合金合金 柱晶合金柱晶合金 单晶合金单晶合金 贮氢合金贮氢合金:镁系、稀土系、钛系合金镁系、稀土系、钛系合金 非晶态合金非晶态合金 2021/2/6 n喷气式飞机的发动机叶片是由镍、铁、碳和钴喷气式飞机的发动机叶片是由镍、铁、碳和钴 组成

20、的镍钴合金制造的组成的镍钴合金制造的,能承受能承受1200 的高温的高温 2021/2/6 形状记忆合金形状记忆合金 2021/2/6 形状记忆合金形状记忆合金转变温度转变温度 n以镍钛合金来说以镍钛合金来说,它的转变温度在它的转变温度在40左右左右,在在40 以上时它很坚硬以上时它很坚硬,强度也很高强度也很高;在在40以下时以下时,它相当它相当 软软,强度低强度低,可以方便地做成各种形状。可以方便地做成各种形状。 n形状记忆合金由于具有许多优异的性能形状记忆合金由于具有许多优异的性能,因而广泛应因而广泛应 用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑

21、、 汽车工业及日常生活等多个领域。汽车工业及日常生活等多个领域。 2021/2/6航天器的天线在阳光的照射下慢慢打开航天器的天线在阳光的照射下慢慢打开 2021/2/6 形状记忆合金在医学中的应用形状记忆合金在医学中的应用 n消化道内支架消化道内支架n血管内支架血管内支架 n胆道内支架胆道内支架 2021/2/6 形状记忆合金在日常生活中的应用形状记忆合金在日常生活中的应用 2021/2/6 5.3 无机非金属材料无机非金属材料 又称又称陶瓷材料陶瓷材料,包括范围非常广泛包括范围非常广泛; 可分为可分为传统陶瓷材料传统陶瓷材料和和精细陶瓷材料精细陶瓷材料。 n 5.3.1 传统陶瓷传统陶瓷 传

22、统陶瓷材料的主要成分是传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐硅酸盐; 天然硅酸盐天然硅酸盐:岩石、沙子、粘土、云母、滑石、高岭岩石、沙子、粘土、云母、滑石、高岭 土等土等; 人造硅酸盐人造硅酸盐:玻璃、水泥、砖瓦、耐火砖等。玻璃、水泥、砖瓦、耐火砖等。 2021/2/6 硅酸盐制品一般都是以粘土（高岭土）、石英和长石硅酸盐制品一般都是以粘土（高岭土）、石英和长石 为原料。为原料。 粘土粘土:Al2O3.2SiO2.2H2O 石英石英:SiO2 钾长石钾长石:K2O.Al2O3.6SiO2 钠长石钠长石:Na2O.Al2O3.6SiO2 硅酸盐都需要高温烧结。粘土在高温下先脱水硅酸盐都需要高温烧结。粘土

23、在高温下先脱水,转化转化 为莫来石为莫来石（3Al2O3.2SiO2）。）。 耐火材料基本上由石英、莫来石和玻璃组成的。耐火材料基本上由石英、莫来石和玻璃组成的。 2021/2/6 5.3.2 精细陶瓷精细陶瓷 精细陶瓷与传统陶瓷的差别精细陶瓷与传统陶瓷的差别: : 1 1、 在原料上在原料上, ,突破了传统陶瓷以突破了传统陶瓷以粘土粘土为主要原料的为主要原料的 界限界限, ,特种陶瓷一般以特种陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、 碳化物碳化物等为主要原料。等为主要原料。 2 2、 在成分上在成分上, ,传统陶瓷的组成由传统陶瓷的组成由粘土的成分粘土的成分

24、决定决定, ,所所 以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的质地。由于特种陶瓷以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的质地。由于特种陶瓷 的原料是纯化合物的原料是纯化合物, ,因此成分由人工配比决定因此成分由人工配比决定, ,其性质的优其性质的优 劣由劣由原料的纯度和工艺原料的纯度和工艺, ,而不是由产地决定。而不是由产地决定。 2021/2/6 5.3.2 精细陶瓷精细陶瓷 精细陶瓷与传统陶瓷的差别精细陶瓷与传统陶瓷的差别: : 3 3、 在制备工艺上在制备工艺上, ,突破了传统陶瓷以突破了传统陶瓷以炉窑炉窑为主要生为主要生 产手段的界限产手段的界限, ,广泛采用广泛采用真空烧结真空烧结, ,保护气氛烧结、热压

25、、保护气氛烧结、热压、 热静压热静压等手段。等手段。 4 4、 在性能上在性能上, ,特种陶瓷具有不同的特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能特殊性质和功能, , 如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、 光、声、生物工程各方面具有的特殊功能光、声、生物工程各方面具有的特殊功能, ,从而使其在从而使其在 高温、机械、电子、宇航、医学工程各方面得到广泛的高温、机械、电子、宇航、医学工程各方面得到广泛的 应用。应用。 2021/2/6 p 精细陶瓷举例精细陶瓷举例: 电子陶瓷电子陶瓷 高温结构陶瓷高温结构陶瓷 陶瓷复合材料陶瓷复合材料 透明陶瓷透明陶瓷 光导纤维光导纤维 生物陶瓷生物陶瓷 超导陶瓷超导陶瓷 2021/2/6 光缆光缆 光导纤维光导纤维 2021/2/6 生物陶瓷生物陶瓷 （1）生物陶瓷必须具备的条件）生物陶瓷必须具备的条件: n生物相容性生物相容性 n力学相容性力学相容