材料化学导论

1、材料化学导论 张宝莲 田中华 1.1 材料与新材料的重要性材料与新材料的重要性 Def: 材料是人类用来制作物件，如用具、工具、 元器件、设备设施、系统等的物质。 人与其它动物的区别：能有意识的制造和使用工 具 人类文明史与材料的发展史密切相关。 材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。 如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物， 一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格， 如炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材 料”，因为它属于火炮或火箭的组成部分。 l 邓小平：科学技术是邓小平：科学技术是 第一生产力。第一生产力。 l 政治学家：生产力的政治学家：生产力的 进步是社会发展的根进步是

2、社会发展的根 本原因，而劳动工具本原因，而劳动工具 的发展是生产力进步的发展是生产力进步 的主要因素。的主要因素。 l 材料学家：材料学家：材料是时材料是时 代进步的标志。代进步的标志。 青青 铜铜 器器 时时 代代 青铜（主要为Cu、Sn合金） 青铜器（战国）错金犀牛尊青铜器（战国）错金犀牛尊青铜器（战国）司母戊方鼎青铜器（战国）司母戊方鼎 铁铁 器器 时时 代代 信息时代 工艺工艺 过程过程 材料的发展史 在人类发展史上材料的发展经过哪几个阶段？ 1使用纯天然材料的初级阶段（旧石器时代 ）： 群居洞穴，以狩猎为生，使用的工具是石器和骨 器，这些骨器制作粗糙，用途尚未分化 2人类单纯利用火制

3、造材料的阶段（新石器时代、 铜器时代和铁器时代 ）：分别以人类的三大人造 材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人 类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的 时代（烧结材料和冶炼材料）。 材料的发展史 3利用物理与化学原理合成材料的阶段： 这一阶段以合成高分子材料的出现为开端， 一直延续到现在，而且仍将继续下去。除 合成高分子材料以外，人类也合成了一系 列的合金材料和无机非金属材料。超导材 料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶 段的杰出代表。 4材料的复合化阶段 5材料的智能化阶段 材料的发展史 4材料的复合化阶段：20世纪50年代金属 陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。 随后又出现了玻

4、璃钢、铝塑薄膜、梯度功 能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮， 都是复合材料的典型实例。 现代复合材料 最根本的思想不只是要使两种材料的性能 变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成 3乘以3等于9，乃至更大。 5材料的智能化阶段 材料的发展史 5材料的智能化阶段：自然界中的材料都 具有自适应、自诊断合自修复的功能。如 所有的动物或植物都能在没有受到绝对破 坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料 目前还不能做到这一点。但是近三四十年 研制出的一些材料已经具备了其中的部分 功能。这就是目前最吸引人们注意的智能 材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等 等。 材料的重要性 现代文明三大支柱 ：信息、能源、

5、材料。 其中材料起决定性作用： 材料对信息科学的重要性半导体材料 材料对能源的影响绿色能源（太阳能利用过程中的光 电转化材料、氢能利用过程中的储氢材料） 材料对航天航空的影响很高的比强度和比刚度 以及 宇航材料的耐超高温 材料对原子能技术的影响核反应堆一般采用热中子堆， 堆心的结构件必须采用锆合金，因为只有锆合金吸收中子 的几率比较小，不会扼杀堆内的链式反应。所以，要建设 核电工业系统，必须建立锆材料工业。 材料对生物技术的影响生物医用材料 材料是现代文明的基石 现代文明现代文明 生物技术生物技术 信息技术信息技术 能源技术能源技术 材料科学与工程材料科学与工程 1.2 材料科学与材料化学 （

6、一）材料科学的形成（一）材料科学的形成 材料科学的形成材料科学的形成： “材料”早存在，“材 料科学”提出于20世纪60年代，1957年苏 联卫星上天，美国震动很大，在大学相继 建立十余个材料科学研究中心，自此开始， “材料科学”一词广泛应用。 材料科学的形成是科学技术发展的结果 第一，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研究和了解；同时，冶金学、 金属学、陶瓷学等对材料本身的研究也大大加强， 从而对材料的制备、结构和性能，以及它们之间 的相互关系的研究也愈来愈深入，这为材料科学 的形成打下了比较坚实的基础。 第二，在材料科学这

7、个名词出现以前，金属材料、 高分子材料与陶瓷材料科学都已自成体系，它们 之间存在着颇多相似之处，可以相互借鉴，促进 本学科的发展。如马氏体相变本来是金属学家提 出来的，而且广泛地用来作为钢热处理的理论基 础。但在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变 现象，并用来作陶瓷增韧的一种有效手段。 第三，各类材料的研究设备与生产手 段也有很多相似之处。虽然不同类型 的材料各有专用测试设备与生产装置， 但更多的是相同或相近的，如显微镜、 电子显微镜、表面测试及物理性能和 力学性能测试设备等。在材料生产中， 许多加工装置也是通用的。研究设备 与生产装备的通用不但节约了资金， 更重要的是相互得到启发和借鉴，加

8、速了材料的发展。 第四，科学技术的发展的要求。长期以来，金属、 高分子及无机非金属材料学科相互分割，自成体 系。由于互不了解，习惯于使用金属材料的想不 到采用高分子材料，即使想用，又对其不太了解， 不敢问津。相反，习惯于用高分子材料的，也不 想用金属材料或陶瓷材料。因此，科学技术发展 对材料提出的新的要求，促进了材料科学的形成。 第五，复合材料的发展，将各种材料有机地联成 了一体。复合材料在多数情况下是不同类型材料 的组合，通过材料科学的研究，可以对各种类型 材料有一个更深入的了解，为复合材料的发展提 供必要的基础。 材料科学与材料工程的关系材料科学与材料工程的关系 一般来讲，科学是研究“为什

9、么”的学问，而工程是解决 “怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方 向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新 材料提供理论基础。 w 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者 说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因 此，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词材料 科学与工程（MSE，Material Science and Engineering） 1.2 材料科学与材料化学 材料科学是研究材料的成分、组织结构、材料科学是研究材料的成分、组织结构、 制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料 应用之间的

10、相互关系的科学。应用之间的相互关系的科学。材料科学是材料科学是 当代科学技术发展的基础、工业生产的支当代科学技术发展的基础、工业生产的支 柱，是当今世界的带头学科之一，涉及的柱，是当今世界的带头学科之一，涉及的 理论包括理论包括固体物理学固体物理学，材料化学材料化学 （一）材料科学的内涵（一）材料科学的内涵 材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是 材料的组织结构（材料的组织结构（Structure）和性能（）和性能（Property）以及它们之间的）以及它们之间的 关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的结

11、构关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的结构 是什么？是什么？ 材料科学材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现、 分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构 的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间 的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性 能。 材料科学研究内容 材料科学研究的本质：组成、结构与性能 关系 材料设计原则：组成、结构如何影响性能 分子组成 宏观结构 （晶态、非晶态） 物理、机械性能使用性能 而分子组成恰恰是材料化学所要研究的内容 1.3 材料化学专业人才培养及材料化学专业人才培养及 课程成体系的研究课程成体系的研究 材料化学是一门材料科学与现代

12、化学相结 合的新兴交叉的边缘学科。他研究材料制 备、加工、性能等的化学问题。材料化学 与材料物理、材料工程一起构成材料科学 的三块基石。90年代初由复旦大学成立第 一个材料化学专业开始，材料化学专业如 雨后春笋般在全国许多高等院校相继出现， 我院材料化学专业也于2001年正式成立。 1 国内材料化学专业情况分析国内材料化学专业情况分析 材料化学专业在国内许多高校都有开设， 据不完全统计，约90多所，包括北京大学、 南开大学、吉林大学、复旦大学、南京大 学、南京理工大学、南京工业大学、浙江 大学、中国科学技术大学、厦门大学、华 侨大学、青岛科技大学、中国地质大学、 武汉工业大学、中山大学、四川大

13、学、西 北大学、兰州大学等。 北京大学材料化学系 建立于1996年, 隶属于化学与分子工程学院， 主要由无机化学研究所和稀土化学研究中 心构成，其中有部分材料化学系人员组成 了稀土材料化学及应用国家重点实验室， 研究领域主要包括无机功能材料及结构化 学、稀土材料化学及应用、纳米材料、高 分子材料化学与有机/无机复合材料化学等， 重点在材料的分离、合成、表征与结构等 基础研究方面 复旦大学的材料化学专业 发挥了自身综合性大学的特长，结合了无机非金 属材料和高分子材料的内容，本科生毕业颁发理 学学士学位 。 本专业培养具有系统的化学基础理论及实验技能， 掌握高分子材料、无机材料、复合材料和微电子

14、材料方面专业知识，并在科学研究、新材料开发 和开拓应用方面受到良好训练的专门人才。 。主 要专业课程：材料科学基础、材料分析、材料化 学、材料物理导论、材料化学与物理实验、高分 子化学、高分子材料的结构与性能、复合材料以 及微电子材料等。 中国石油大学材料化学专业 着重研究与石油化工相关材料的化学问题。 中国民航学院材料化学专业 三个专业方向紧扣与航天航空相关材料中的化学 问题 纳米功能材料及其应用方向：纳米功能材料及其应用方向：本方向以纳米材料 制备与检测的新理论、新技术研究为重点，具有 与民航前沿技术紧密结合的特色。在测定航空润 滑油残炭、航空燃料燃烧值等方面取得了新成果。 首次用离子注入

15、方法，制备了纳米氙化钠。提出 了纳米晶体的叠合生长模型。梁家昌教授为美国 纽约科学院成员，是美国应用物理学报和 应用物理快报评审。宋庆功教授2005年被聘 为科学通报评审。 金属材料表面涂层与工艺方向：金属材料表面涂层与工艺方向：本方向以 超音速火焰喷涂、等离子喷涂和超音速冷 气喷涂为特色，在民用航空维修热障涂层、 高温封严涂层、耐磨涂层和尺寸恢复涂层 上具备一定的优势。完善了涂层结合强度、 结合能、动态内应力等重要涂层性能指标 的测试与分析；在超音速火焰喷涂成套设 备的研制方面取得了重要成果。 飞机材料腐蚀与防护方向：飞机材料腐蚀与防护方向：以研究和解决 民用飞机腐蚀的理论和应用技术为特色。

16、 方向带头人田秀云教授为国务院特殊津贴 专家，她在我国民用飞机腐蚀事故的应急 处理、腐蚀问题研究与防护等方面取得了 许多有实用价值的成果，解决了许多民航 飞行安全和技术中的重大问题，并完成多 部飞机腐蚀方面的著作。波音公司等国际 飞机腐蚀问题专家在本学科担任兼职教授。 江苏工业学院 考虑到苏南地区大约3000家大大小小的涂 料企业，和常州作为中国最大涂料生产基 地这两个事实，江苏工业学院在材料化学 专业正式成立之初，涂料就被列为专业教 学与科研的主要方向，并纳入到了材料化 学专业教学内容中，充分结合了本地行业 发展状况，形成了自己的特色 2 国外情况分析 在国外来看，特别是发达国家的本科阶段

17、基本上是按照一级学科，比如化学、材料 学、化学工程等来安排的，所以基本上没 有在本科阶段就开设材料化学这个专业， 到了硕士阶段才开始按照不同的方向来划 分专业。 3 天津市材料化学专业情况 在天津市，目前开设材料化学的学校主要有天津 城市建设学院、天津大学、南开大学、中国民航 学院和天津科技大学。天津大学材料化学专业是 在原有材料科学与工程专业的基础上发展起来的， 是理工结合的专业，培养学生具备材料科学的基 本理论，材料化学的基本知识和基本实验技能， 使学生受到科学思维与科学实验方面的基本训练， 具备运用化学和材料化学的基本理论和实验技能 进行新材料设计和研究开发的能力。南开大学材 料化学专业

18、依托原有的化学专业，为以化学为主 的理科。 我院材料化学的沿革及定位我院材料化学的沿革及定位 我院材料化学专业依托于有着传统优势的材料科学与工程 专业。材料科学与工程专业，是我校最早设立的专业之一， 从设立之初即定位为两个方向：高分子材料和无机材料， 而具体研究内容则是紧扣城建学院的特色：与建筑及城市 建设相关材料的研究和开发。由于建筑材料以无机非金属 材料为主，在很长一段时间内我系材料工程的研究方向也 是以无机非金属材料为主。随着社会的发展，高分子材料 由于其质轻、高性能及容易成型加工等越来越受到人们的 关注，而对传统无机非金属材料的改性很多也涉及到高分 子材料和高分子化学的知识。高性能材料

19、的开发及应用更 需要对材料结构和性能的关系进行深入了解，因此我院材 料化学专业主要着重在高性能高分子材料的研究上。 材料化学理论课程体系的基本框架材料化学理论课程体系的基本框架 培养目标课程体系设置的主要课程 材料的化学背景化学基础无机及分析化学、有机化学、物理化学、 结构化学 材料化学知识体 系背景 材料化学基 础 材料化学导论，材料物理性能，材料表面 与界面化学，材料制备科学与技术，材料 结构分析，材料化学专业计算机应用 高分子材料 基础 高分子化学，高分子物理，高分子材料成 型与加工，高分子材料改性，功能高分子 材料化学，复合材料学 建筑材料相 关材料化学 建筑材 料特色 涂料化学，环境

20、材料，化学建 材，助剂化学及工艺学，纳米 结构与纳米材料，能源材料， 混凝土外加剂 实 验 模 块 化 学 基 础 化学基础实验（1） 化学基础实验（1） 中级化学实验 四大基础化学实验 化学综合性试验 材 料 化 学 基 础 材料科学基础实验B 材料工程基础实验 材料化学专业实验 材料分析和性能测试实验 成型与加工实验 高分子材料合成 材料化学系列实验 乳液合成及性能模块 涂料模块 功能树脂模块 成型与加工模块 1.4 课程安排 总学时：40 学时 第一章 绪论（6学时）张宝莲 第二章 晶体结构 (10学时)田中华 第三章 晶体结构缺陷 (8学时)田中华 第四章 材料力化学 （4学时）魏冬青

21、 第五章 材料高温化学 （4学时） 第六章 材料激发化学（4学时） 第七章 材料的腐蚀化学（4学时）田中华 1.5 材料的分类 材料化学组成 用途 金属材料：钢铁材料、非铁材料、合金 无机非金属材料：陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷 高分子材料：天然的、合成的 复合材料 结构材料：支撑件、连接件、传动件、紧固件等 功能材料：磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料 、生物医学材料等 结构材料与功能材料的划分并不严格 1.5.1金属材料 是最常见的结构材料，但当具有某种功能 时，为功能材料。 常见的金属材料： 金属分为纯金属和合金两种； 目前已制得的纯金属只有90

22、余种，但这些 纯金属按一定比例制得的合金已达几千种。 铁、铜、铝及其合金是人类使用最多的金 属材料。地壳中最多的金属是铝，应用最 广泛的是铁。 金属的特性 金属的性质与其用途有关 1）电线一般用铜制而不用铁制、银制：铁的导电 性比铜差，银的价格高，不经济。 2）为什么电灯中的灯丝用钨丝而不用锡制？如果 用锡制，可能出现什么情况：钨的熔点高，锡的 熔点低，锡受热会熔化，断路。 3）为什么菜刀、镰刀用铁制而不用铝制：铁硬度 大。 4）为什么铁制水龙头表面镀铬？防锈，硬度大， 合金合金：是在金属中加热熔合某些金属或非金 属而制得的具有金属特性的材料。 性能： 1、硬度和强度：如纯铝的强度低，只有通过

23、合金化 才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。铝合 金的突出特点是密度小、强度高。 2、抗腐蚀性能 ：在不耐腐蚀的金属中进入热力学 稳定的金属 3、低熔点：合金的熔点比任一组分金属的熔点都 要低。如焊锡的熔点（183）比锡的熔点 （232）、铅的熔点（327）都要低。 合金的性能 4、功能性：合金钢又叫特种钢，在碳钢 的基础上加入一种或多种合金元素，使钢 的组织结构和性能发生变化，从而具有一 些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韧 性、耐腐蚀性，等等。 记忆合金记忆合金 历史历史: 1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中 首次观察到“记忆”效应，即合金的形状 被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度

24、时，它又可以魔术般地变回到原来的形状， 人们把具有这种特殊功能的合金称为形状 记忆合金。（记忆合金） 记忆合金的分类分类 （1）单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下 变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在 加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆 效应。 （2）双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形 状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记 忆效应。 （3）全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却 时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称 为全程记忆效应。 记忆合金的原理原理 SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变， 这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续 生长，如果温度上升它又

25、会减少，以完全相反的 过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两 项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温 度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之， 只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。 在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以 由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做 应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性 关系。 记忆合金的用途用途 (1)航空航天工业中的应用 ：1969年7月20 日，人类第一次登上了月球，宇航员登月 后，在月球上放置了一个直径达 2.54 m的 半球形天线，实行了月、地之间的信息传 输。宇航员乘座的登月舱直径只有1m多一 点，这个天线是怎么带

26、上去的呢？原来天 线也是用记忆合金制成的，在登月舱里它 的直径只有大约50mm大小，送到月球上吸 收太阳光的热量后又恢复到原来的形状。 记忆合金的用途用途 (2) 机械电子产品中的应用 用于制造精密仪器或精密车床，一旦由于 震动、碰撞等原因变形，只需加热即可排 除故障。 记忆合金的用途用途 (3)生物医疗上的应用： (a)牙齿矫形丝 。通常牙齿矫形用不锈钢丝 CoCr 合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小 的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要 加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 TiNi 合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不 会产生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变 (st

27、ress-induced martensite)使弹性模量呈现非线 型特性，即应变增大时矫正力波动很少。这种材 料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。 记忆合金的用途用途 (b) 脊柱侧弯矫形：各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神 经性、佝偻病性、特发性等)疾病，不仅身心受到严重损 伤，而且内脏也受到压迫，所以有必要进行外科手术矫形。 目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形，在手术中安放 矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在3040kg 以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱， 而且连神经也有受损伤的危险。同时存在矫形棒安放后矫 正力会随时间变化，大约矫正力降到初始时的30

28、%时，就 需要再进行手术调整矫正力，这样给患者在精神和肉体上 都造成极大痛苦。采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒，只 需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的矫正力有变 化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温 约高5，就能恢复足够的矫正力。 记忆合金的用途用途 (4)日常生活应用 (a) 防烫伤阀 在家庭生活中，已开发的形状 记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室 的热水意外烫伤；这些阀门也可用于旅馆 和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水 温达到可能烫伤人的温度(大约 48)时， 形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降 到安全温度，阀门才重新打开 记忆合金的用途用途 (b) 眼镜框架 ：在

29、眼镜框架的鼻梁和耳部装 配 TiNi 合金可使人感到舒适并抗磨损，由 于 TiNi 合金所具有的柔韧性已使它们广泛 用于改变眼镜时尚界。用超弹性 TiNi 合金 丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状 记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜 片。这些超弹性合金制造的眼镜框架的变 形能力很大，而普通的眼镜框则不能做到。 记忆合金的用途用途 (c) 移动电话天线和火灾检查阀门： 使用超弹性TiNi金属 丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。过去 使用不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题。使用TiNi 形状记忆合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们 普遍欢迎。因此常用来制作蜂窝状电话天线和火

30、灾检查阀 门。火灾中，当局部地方升温时阀门会自动关闭，防止了 危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是，它具有检查 阀门的操作，然后又能复位到安全状态；这种火灾检查阀 门在半导体制造业中得到使用，在半导体制造的扩散过程 中使用了有毒的气体；这种火灾检查阀也可在化学和石油 工厂应用。 记忆合金的用途用途 (5)其他方面的应用 用记忆合金加工成内径比欲连接管子的外 径小4的套管，然后在一定条件下将套管 扩径约8，装配好后，再升高温度，套管 的内径恢复到原尺寸，紧紧收起，把管子 封接得非常严密。 储氢合金储氢合金 氢是一种热值很高的燃料。燃烧1千克氢可 放出62.8千焦的热量，1千克氢可以代替3 千克

31、煤油。氢氧结合的燃烧产物是最干净 的物质水，没有任何污染。氢的来源 非常丰富，若能从水中制取氢，则可谓取 之不尽、用之不竭。 氢能的利用，主要包括两个方面：一是制 氢工艺，二是贮氢方法。 传统贮氢方法： 利用高压钢瓶（氢气瓶）来贮存氢气，但钢瓶 贮存氢气的容积小，瓶里的氢气即使加压到 150个大气压，所装氢气的质量也不到氢气瓶 质量的1，而且还有爆炸的危险； 贮存液态氢，将气态氢降温到253变为液 体进行贮存，但液体贮存箱非常庞大，需要极 好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸 腾汽化。 储氢合金 储氢合金（hydrogen storage metal）,这些金属 或合金具有很强的捕捉氢的能

32、力，它可以在一定 的温度和压力条件下，氢分子在合金(或金属)中先 分解成单个的原子，而这些氢原子便“见缝插针” 般地进入合金原子之间的缝隙中，并与合金进行 化学反应生成金属氢化物(metal hydrides)，外在 表现为大量“吸收”氢气，同时放出大量热量。 而当对这些金属氢化物进行加热时，它们又会发 生分解反应，氢原子又能结合成氢分子释放出来， 而且伴随有明显的吸热效应。 储氢合金种类 目前储氢合金主要包括有钛系、锆系、铁 系及稀土系储氢合金。 储氢合金用途 （1）氢气分离、回收和净化材料。化学工业、 石油精制以及冶金工业生产中，通常有大量的含 氢尾气排出，含氢量有些达到5060%，而目前

33、 多是采用排空或者白白的燃烧处理。因此，对这 部分加以回收利用，在经济上有巨大的意义。另 外，集成电路、半导体器件、电子材料和光纤等 产业中，需要超高纯氢体。利用储氢合金对氢原 子有特殊的亲和力，而对其他气体杂质择优排斥 的特性，不但可以回收废气中的氢，而且可以使 氢纯度高于 99.9999%以上，价格便宜、安全， 具有十分重要的社会效益和经济意义。 储氢合金用途 （2）制冷或采暖设备材料。由于储氢合金 具有在吸氢化学反应时放出大量热，而在 放氢时吸收大量热的特性，因此，人们可 以利用储氢合金的这种放热吸热循环， 可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖 设备。 储氢合金用途 （3）储氢合金具有高

34、放电(功率)性能和优异的放电性能。 由于镍镉电池中的镉有毒，使废电池处理复杂，环境受到 污染，因此它将逐渐被用储氢合金做成的镍氢充电电池 （NiMH）所替代。从电池电量来讲，相同大小的镍氢 充电电池电量比镍镉电池高约1.52倍，且无镉的污染， 现已经广泛地用于移动通讯、笔记本计算机等各种小型便 携式的电子设备。目前，更大容量的镍氢电池已经开始用 于汽油/电动混合动力汽车上，利用镍氢电池可快速充放 电过程，当汽车高速行驶时，发电机所发的电可储存在车 载的镍氢电池中，当车低速行驶时，通常会比高速行驶状 态消耗大量的汽油，因此为了节省汽油，此时可以利用车 载的镍氢电池驱动电动机来代替内燃机工作，这样

35、既保证 了汽车正常行驶，又节省了大量的汽油，因此，混合动力 车相对传统意义上的汽车具有更大的市场潜力，世界各国 目前都在加紧这方面的研究。 无机非金属材料 是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、 卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、 磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。 传统无机非金属材料 水泥和其他胶凝材料 硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、 石膏等 陶瓷 粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等 耐火材料 硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等 玻璃 硅酸盐 搪瓷 钢片、铸铁、铝和铜胎等 铸石 辉绿岩、玄武岩、铸石等 研磨材料 氧化硅、氧化铝、碳化硅等 多孔材料 硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸

36、铝等 碳素材料 石墨、焦炭和各种碳素制品等 非金属矿 粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金 刚石等 传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需 的基础材料。如水泥是一种重要的建筑材料;耐火 材料与高温技术,尤其与钢铁工业的发展关系密切; 各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻 璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶 瓷和电瓷等与人们的生产、生活休戚相关。它们 产量大,用途广。其他产品,如搪瓷、磨料(碳化硅、 氧化铝)、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)也都属于传统的 无机非金属材料。 新型无机非金属材料 新型元机非金属材料是20世纪中期以后发 展

37、起来的,具有特殊性能和用途的材料。它 们是现代新技术、新产业、传统工业技术 改造、现代国防和生物医学所不可缺少的 物质基础。主要有先进陶瓷 (advanced ceramics)、非晶态材料 (noncrystal material、人工晶体 artificial crys-tal、无机涂层 (inorganic coating)、无机纤维 (inorganic fibre等。 1、陶瓷材料陶瓷材料的发展概况的发展概况 2、功能陶瓷功能陶瓷的定义、范围和分类的定义、范围和分类 3、功能陶瓷功能陶瓷的性能与工艺特征的性能与工艺特征 4、功能陶瓷功能陶瓷的应用和展望的应用和展望 5、制备、制备陶瓷

38、材料的原料陶瓷材料的原料 在人类在人类生活和社会建设生活和社会建设中是不中是不 可缺少的材料，它和可缺少的材料，它和、 并列为当代并列为当代。 我国的我国的历史悠久历史悠久、成就辉煌，、成就辉煌， 它是中华文明的伟大象征之一，在我国它是中华文明的伟大象征之一，在我国 的的文化和发展史上文化和发展史上占有极其重要的地位。占有极其重要的地位。 新石器时代新石器时代 先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段 纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段 远在远在几千年前几千年前的的，我们的祖先就，我们的祖先就 已经用已经用作原料，塑造成各种器皿，再作原料，塑造成各种器皿，再在在 火堆中火堆中烧成坚硬的可重复使用的烧成坚硬的可重复使用的

39、，由于，由于烧成烧成 温度较低温度较低，陶瓷仅是一种含有，陶瓷仅是一种含有、 的的未完全烧成未完全烧成制品。制品。 以后大约在以后大约在2000年前的年前的，人们，人们 利用利用为原料，加上为原料，加上的的 发明，以及发明，以及的不断改进，使陶的不断改进，使陶 瓷步入瓷步入瓷器阶段瓷器阶段，这是，这是陶瓷技术发展史上陶瓷技术发展史上意意 义重大的里程碑。义重大的里程碑。 以以石英石英、长石长石、硼砂硼砂、黏土黏土等为原料制成等为原料制成 的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后 ，可增加陶瓷的，可增加陶瓷的机械强度机械强度和和绝缘性能绝缘性能。 烧成温度高烧成温度高

40、，质地致密坚硬质地致密坚硬，表，表 面有面有光亮的釉彩光亮的釉彩。 随着科学进步与发展，由随着科学进步与发展，由又衍生又衍生 出许多种类的出许多种类的。 都是以都是以为主要原料与其他为主要原料与其他天天 然矿物原料然矿物原料经经一一等等 过程制成的。过程制成的。 如常见的如常见的日用陶瓷日用陶瓷、建筑陶瓷建筑陶瓷、电电 瓷瓷等传统陶瓷。等传统陶瓷。 由于由于的主要原料取之于自然界的主要原料取之于自然界 的的(如如黏土黏土、长石长石、石英石英等等)， 所以可归为所以可归为硅酸盐类材料和制品硅酸盐类材料和制品。 从从的出现到的出现到 ，这一阶段持续了四千余年。，这一阶段持续了四千余年。 20世纪以

41、来，随着人类对世纪以来，随着人类对宇宙的探索宇宙的探索、原子原子 能工业的兴起能工业的兴起和和电子工业电子工业的迅速发展，从的迅速发展，从、 到到等方面，对等方面，对均提出均提出越来越高越来越高 的要求的要求。从而，促使。从而，促使发展成为一系列发展成为一系列具具 有特殊功能的有特殊功能的。 如如、 等各种等各种高温和功能陶瓷高温和功能陶瓷。 这时，陶瓷研究进入第二个阶段这时，陶瓷研究进入第二个阶段 。 （Advanced ceramics）又称）又称， 是为了有别于是为了有别于而言的。而言的。 有时也称为有时也称为(Fine Ceramics)、 (New Ceramics)、(Specia

42、l Ceramics)和和(High-Tech. Ceramics)等。等。 在在陶瓷制备技术陶瓷制备技术飞速发展。飞速发展。 在在有有成形、成形、成形、成形、 成形、成形、成形、成形、成形等成形方法；成形等成形方法； 在在则有则有烧结、烧结、烧结、烧结、 烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结等。烧结等。 在在采用的采用的已不再使用或已不再使用或 很少使用很少使用等传统原料，而已扩大到等传统原料，而已扩大到 和和，甚至是，甚至是、原料，原料， 组成范围组成范围也延伸到也延伸到范围。范围。 此时可认为，此时可认为，已已 是是用陶瓷生产方法用陶瓷生产方法制造的制造的 和和的统称。的统称。 但是

43、，但是，无论从，无论从 、中所体现的中所体现的晶粒晶粒、晶界晶界、 气孔气孔、缺陷缺陷等等在尺度上在尺度上还只是处在还只是处在 的水平，故又可称之为的水平，故又可称之为。 到到20世纪世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶年代，陶瓷研究已进入第三个阶 段段-。 所谓所谓，是指，是指显微结构中的物相显微结构中的物相就有就有 纳米级尺度纳米级尺度的陶瓷材料。它包括的陶瓷材料。它包括、 、等均等均在在 纳米量级的尺度上纳米量级的尺度上。 是当今是当今陶瓷材料研究中陶瓷材料研究中一个一个 十分重要的发展趋向，它将促使十分重要的发展趋向，它将促使 从工艺到理论从工艺到理论、从性能到应用从性能到应用都提都提

44、 高到一个崭新的阶段。高到一个崭新的阶段。 从性能上从性能上可把可把分为分为 (Structral ceramics)和和(Functional Ceramics)两大类。两大类。 是指具有是指具有和和及部及部 分分的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)， 特别特别适于高温下应用的适于高温下应用的则称为则称为。 是指那些利用是指那些利用、 、等等直接效应直接效应及其及其耦合效应耦合效应所提所提 供的供的一种或多种性质一种或多种性质来实现某种来实现某种 的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)。 品种多品种多、产量大产量大、价格低价格低、应用广应用广、 功能全功能全、技术高技术高、更新快更新快

45、。 通过对通过对的的化学、物理及化学、物理及 组成、结构、性能和使用效能组成、结构、性能和使用效能间相互关系的研究，间相互关系的研究， 已陆续发现了一大批具有已陆续发现了一大批具有 ，并可借助于，并可借助于离子置换离子置换、掺杂掺杂等方法等方法调调 节、优化其性能节、优化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从，功能陶瓷材料研究已开始从 逐步走向逐步走向。 的实现，主要取决于它所具有的的实现，主要取决于它所具有的 ，而在，而在范围中，又必须针范围中，又必须针 对对，去，去改善、提高某种有效的性能改善、提高某种有效的性能， 以获得有以获得有某种功能某种功能的陶瓷材料。的陶瓷材料。 例如，就陶瓷的例如，就

46、陶瓷的而言，要改善而言，要改善 在大功率使用下在大功率使用下的功能，就必须首先的功能，就必须首先改改 进陶瓷材料的进陶瓷材料的； 为改善为改善，则要从，则要从提高材料提高材料 的的和和入手；入手； 对于对于，需改善其，需改善其 和和； 为改善作避雷器使用的为改善作避雷器使用的的功的功 能，则需提高其能，则需提高其和和。 一般来说，要一般来说，要来来 ，需从以下两个方面入手：，需从以下两个方面入手： 通过通过，即，即以以 改善和提高改善和提高，达到获得优质材，达到获得优质材 料的目的。料的目的。 从材料的组成上从材料的组成上直接直接、其内其内 在的品质在的品质，包括采用，包括采用、 、，使不同相

47、在微观级，使不同相在微观级 复合，进而形成不同性质的晶界层等。复合，进而形成不同性质的晶界层等。 是指是指原料的原料的 和和、和和条件条件、和和 烧结状态烧结状态，以及，以及和和等。等。 无论是无论是还是还是，最终都，最终都 是通过是通过材料材料，才能体现出，才能体现出 。 因此，要想达到因此，要想达到，或者进行，或者进行 ，必须综合考虑，必须综合考虑组成组成、工艺工艺、微观微观 结构结构等诸多因素，这是个系统工程。等诸多因素，这是个系统工程。 下图表示了下图表示了陶瓷功能陶瓷功能与与组成、工艺、性能和组成、工艺、性能和 结构结构的关系。的关系。 陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系陶瓷功能

48、与组成、工艺、性能、结构的关系 的不断开发，对的不断开发，对科学技术的科学技术的 发展发展起了巨大促进作用，功能陶瓷的起了巨大促进作用，功能陶瓷的应用应用 领域领域也随之更为广泛。也随之更为广泛。 目前，目前，主要用于主要用于电、磁、光、电、磁、光、 声、热和化学声、热和化学等等、 和和等，并已在电子信息、等，并已在电子信息、集成电路集成电路、 计算机计算机、能源工程能源工程、超声换能、超声换能、人工智能人工智能、 生物工程生物工程等众多等众多近代科技领域近代科技领域显示出广阔的显示出广阔的 应用前景。应用前景。 根据功能陶瓷根据功能陶瓷组成结构的组成结构的和和 ，可以制备，可以制备超高绝缘性

49、超高绝缘性、绝缘性绝缘性、半半 导性导性、导电性导电性和和超导电性超导电性陶瓷；陶瓷； 根据功能陶瓷根据功能陶瓷和和，可，可 以制备以制备压电压电、光电光电、热电热电、磁电磁电和和铁电铁电等等 陶瓷；陶瓷； 根据功能陶瓷对根据功能陶瓷对， 则可制备则可制备热敏热敏、气敏气敏、湿敏湿敏、压敏压敏、磁敏磁敏 和和光敏光敏等敏感陶瓷。等敏感陶瓷。 二十世纪二十世纪90年代，开始的年代，开始的 的研究，表明人们已开始深入到的研究，表明人们已开始深入到 来研究功能陶瓷来研究功能陶瓷 的的性能与结构性能与结构，以期进一步开拓，以期进一步开拓功能陶瓷功能陶瓷 新的应用领域。新的应用领域。 无论从无论从，还是，还是来看，在来看，在 当前及以后相当一段