无机工程材料

1、1第七章 无机工程材料2材 料 引 言 什么是材料? ? 材料与人类文明 材料分类 3什么是材料？ 材料是人类赖以生 存和发展的物质基础，是人类 进步的一个重要里程碑。4什 么 是 材 料?世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。5材料与人类文明 材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。在近代，材料的种类及其

2、繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。6材料是人类文明的基石材料发展的历史是一部人类社会发展的文明史。 人类社会发展经历了石器时代、青铜器时代和铁器时代，并于二十世纪形成了以金属材料、陶瓷材料、高分子材料为主体的材料科学体系。7 第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机 ，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸汽机才得以使用并逐步推广。 第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。 8 每一种新型材料的研制成功，都引起人类文化和生活的

3、新变化。没有半导体材料，便不可能有目前的计算机技术；没有耐高温、高强度的特殊结构材料，便没有今天的宇航工业；没有低损耗的光导纤维，也就没有现代的光通讯；没有有机高分子材料，人们的生活也不可能像今天这样丰富多彩。9 材料是当代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。 材料是全球新技术革命的四大标志之一 新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术 材料是高科技的先导 信息技术、空间技术、能源技术、生物技术、海洋技术等高新技术的发展关键在于材料。1011石器时代用于碾磨谷物的石盘原始人打制的石器12131415青铜器时

4、代温文尔雅的四羊方尊青铜乐器16铁器时代战国铁犁头战国铁锄17181920化学是材料科学发展的基础和先导 材料科学是研究材料的成分（结构）、合成（工艺流程）、性质（性能）与效能之间的关系的一门学科。材料科学 结 构合 成性 能效 能物理性能化学性能生物性能211 材料按化学组成（或基本组成）分类2 根据材料的性能分类 3 材料按服役的领域来分类 4 材料按结晶状态分类5 材料按材料的尺寸分类 材 料 分 类 221 按化学组成（或基本组成）分类（1） 金属材料（2） 无机非金属材料（3） 高分子材料（聚合物）（4） 复合材料232 根据材料的性能分类 根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响

5、应不同，材料可分为结构材料和功能材料。 24结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。 25功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。 如：磁性材料、发光材料、记忆材料、光导材料、超导材料等。263 材料按服役的领域来分类 根据材料服

6、役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。 27 信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。 28 航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。 29 能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，按

7、使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达1 3 7 W . h / K g ， 而 铅 蓄 电 池 的 比 能 量 只 有30W.h/Kg。 30 生物医用材料是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。 医用金属及合金，医用高分子材料（

8、包括合成和天然高分子，用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造），医用生物陶瓷（包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等），医用复合材料（表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等）。314 材料按结晶状态分类 单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。 32准晶材料是指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有

9、严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。 准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。 335 按材料的尺寸分类 材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。 34 零维材料即超微粒子，通过Sol-gel法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小1100 nm的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以

10、成为高效微波吸收材料）。 35 一维材料，如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶须。 36 二维材料（薄膜），如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。 三维材

11、料即块状材料。 37 按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等。 按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料等。 按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、包装材料等。38材料的分类化学组成使用功能无机非金属材料（如硅酸盐）金属材料（如合金材料）有机高分子材料（如橡胶材料）复合材料（如多功能复合材料）高功能材料（如超导材料）结构材料（如耐高温材料）信息材料（如液晶材料）39 根据材料的组成与结构金属材料无机非金属材料

12、有机高分子材料复合材料根据材料的性能特征结构材料功能材料 根据材料颗粒的大小传统材料精细材料纳米材料401材料的低维化2材料的梯度化3材料的复合化4材料的仿生化5材料的智能化材料科学的发展趋势41 展望21世纪，材料科学的前景是美好的： 1.光电转换材料，分解水的催化材料和储氢材料等能源材料将实现高效化； 2.集多种功能于一身的复合材料可使我们的生活质量得到进一步改善（如“白色污染”将被消除）； 3.高温超导材料进入实用阶段； 4.智能材料和机敏材料将得到广泛应用； 5、纳米材料将在治疗癌症、存储信息等领域大显神通 社会需要材料,材料离不开化学。开发新材料需要大家学好化学。42第一节 金 属

13、材 料 金属的分类和性质 合金的基本类型和结构 合金材料43什么是金属材料？什么是金属材料？ 什么是金属？要解答这个问题是十分困难的。在科学迅速发展的今天。我们对金属的理解更为深广，但仍有很多问题尚未彻底弄清。现在对金属的解释为“这种元素是热与电的良导体，具有特殊的强光泽，不透明，大多数与氧形成主要的化合物，导电性和传热性随温度升高而减少”。44 在103种元素中，除He、Ne、Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及

14、耐冲击性。一、金 属 分 类 和 性 质45金属黑色金属铁、锰、铬及其合金有色金属放射性金属稀有金属贵金属轻金属d5g/cm3，铜、镍、铅、锌金、银、铂系（钌、铑、钯、锇、铱）锂、铷、铍、镓、铟、铊镭、铀、钫、钚46金属锂锇金铁铝密度g/cm30.5322.719.37.862.7金属汞钨铬熔点-3833801857金属铬钨镍铁铜铝银金钠硬度9754-532.92.72.50.447二、合 金 的 基 本 类 型 和 结 构 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

15、分布有关。合金又可分为固溶体和金属间化合物。48 当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固溶体。 金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物。 49 根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。 在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上；在间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的，即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。 固溶体50 金属间形成置换固溶体

16、的条件：金属的电负性、原子半径（相差15以内）、纯金属晶体结构及化学性质较为接近。常见的属于置换固溶体的合金生成金属元素有：A与A金属、B至B各族元素之间形成的合金以及B至A族元素所形成的合金。 形成间隙固溶体的条件：元素的电负性、原子半径相差很大。常见的属于间隙固溶体的合金为过渡金属元素与半径很小的H、C、B、N等非金属元素形成的物种。其中，半径很小的原子填充在金属原子的间隙之中。51此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度

17、上并不要求它也是均匀的。52 不 同 类 型 固 溶 体 中 原 子 排 列 示 意 图 （a）随机置换固溶体（b）有序置换固溶体（c）随机间隙固溶体（d）固溶体中的溶质丛聚53固 溶 强 化 由于形成固溶体而引起合金强度、硬度升高的现象。原因：晶格畸变变形抗力作用：提高金属材料机械性能当溶剂原子格点溶入溶质原子后，多少能使原来的格点发生畸变，它们能阻碍外力对材料引起的形变，因而使固溶体的强度提高，同时其延展性和导电性将会下降。54 当合金中加入的溶质原子数量超过了溶剂金属的溶解度时，除能形成固溶体外，同时还会出现新的相，这第二相可以是另一种组成的固溶体，而更常见的是形成金属化合物。金属化合物

18、种类很多，从组成元素来说，可以由金属元素与金属元素，也可以由金属元素与非金属元素组成。前者如Mg2Pb、CuZn等；后者如硼、碳和氮等非金属元素与d区金属元素形成的化合物，分别称为硼化物、碳化物和氮化物，它们具有某些独特的性能，对金属和合金材料的应用起着重大的作用。金属间化合物55 金属间化合物可分为三类，即由负电性决定的原子价化合物（简称价化合物）、由电子浓度决定的电子化合物（亦称为电子相）以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物。除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外，还有许多金属间化合物，其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂化合物。56 金属化合物与置换和间隙固溶体之间最重要的区别在于

19、第二种元素在金属本体中的相对量即溶解度的多少。超过平衡溶解度，合金相中必有金属化合物，并且往往是固溶体与金属化合物的混合结构。57金属的互溶度不是可互易的。一般在低价金属中的溶解度大于在高价金属中的溶解度。 Zn在Ag中的溶解度：37.8原子Zn； Ag在Zn中的溶解度：6.3原子Ag； Zn在Cu中的溶解度：38.4原子Zn； Cu在Zn中的溶解度：2.3原子Cu。 58金属化合物物相的结构特征：1.远不同于纯组分在独立存在时的结构形式；2.A与B所形成的金属化合物物相中，各原子在结构中的位置发生分化，占据两套不同的结构位置，类似于离子晶体中的正负离子，所以，合金的结构往往可以归于诸如NaC

20、l型、CsCl型等。LiHg、LiAl即是CsCl型的。59三、合金材料 钢 轻质合金 硬质合金 新型合金材料60 钢铁是铁碳的合金体系总称 特点：强度高、价格便宜、应用广泛 占金属材料产量的90%钢铁中：含碳 2.0生铁含碳 %)10%)105高合金钢（中合金钢（%)6.0C=%)60.025.0C%)25.0C62（2）按质量分类 按照钢中硫（S）和磷（P）的含量可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。普通钢S 0.055% ；P 0.045% ；优质钢S、P均应 0.04% ；高级优质钢S 0.03% ；P 0.035%。63 根据钢的用途主要可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。结构钢 主要用于

21、制造各种工程构件和机器零件。 这类钢一般属于低碳或中碳的碳素钢或合金钢。工具钢 主要用于制造各种刀具、量具、模具。 这类钢一般属于高碳钢或高碳合金钢。特殊性能钢 是具有特殊物理性能或化学元素性能的钢，如不锈 钢、耐热钢、耐磨钢等，这类钢一般属于高合金 钢。（3）按用途分类64 结构钢要求具有高的强度，以便承受所负担的负荷，同时还要求有韧性，以便在超重的情况下只出现某些塑性变形而不折断和爆裂。 结构钢有碳素结构钢，优质碳素钢。 例：钢的牌号中35#、45#钢，称为优质碳素钢，其含碳量为0.35% 0.45%。65 工具钢有碳素工具钢和合金工具钢等。 例：T9、T10（特种碳素钢、含碳量0.9%

22、1.0%,）这种钢材韧性小，有较高的耐磨性，适用于不受震动的工具，如车刀、钻头及木工工具等。 合 金 工 具 钢 8 M n S i （ 含 碳 量 0 . 7 5 0.85%，含锰量0.8 1.1%，含硅量0.3 0.6%），这种钢用于木工工具中的凿子、锯条等工具。 锉刀采用高碳工具钢（T 13或T 12）。 工具钢要求硬度高，耐磨性好66 不锈钢外观呈微灰色或银白色。结构紧密，不易氧化生成氧化铁，故有不锈之称。不锈钢是能抵抗酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢的总称。在合金中以铬为主，有的还加入镍、钼、钛等元素，以提高抗腐蚀性能。常见的铬不锈钢其含铬量在12%以上，镍铬不锈钢含铬为18%，含镍为8

23、%，镍铬不锈钢的抗蚀性能较铬不锈钢更好。 为了防锈又在合金中加入铬和镍，这种钢称为不锈钢。不锈钢通常是指含铬量在12 30%的合金钢。67 通常把耐大气腐蚀的合金钢称为不锈钢，把在酸中及其它强腐蚀性介质中耐腐蚀的合金钢称为耐酸钢。一般把上述不锈钢与耐酸钢统称为不锈耐酸钢或简称为不锈钢。（1）马氏体不锈钢：钢中加入一定的铬。主要用在氧化性介质中，如大气、水蒸气中具有良好的耐蚀性，在淡水、海水、温度不超过30的盐水溶液、硝酸、食品介质以及浓度不高的有机酸中也具有足够的耐蚀性。（2）铁素体不锈钢：单相组织。主要用于制作抗高温氧化、耐硝酸腐蚀的设备。（3）奥氏体不锈钢：碳化物溶于奥氏体中。可用于制作在

24、腐蚀性介质中使用的设备。68（二）轻质合金1. 铝及其合金 (1) 铝特点：铝的密度小，比重为2.7，约为铜的1/3；导电性、导热性、塑性、冷韧性都 好，但强度低，经冷变形后强度可提高；能承受各种压力加工。 铝是电极电位很负的元素，铝在强氧化性介质以及在氧化性酸（如硝酸） 中也是稳定的。卤素离子对铝的氧化膜有破坏作用，所以铝在氢氟酸、盐 酸、海水和其它含卤素离子的溶液中是不耐蚀的。 应用：广泛用于制造反应器、热交换器、冷却器、泵、阀、槽车、管件等(2) 铝合金 纯铝的强度较低，若在铝中加入一些元素，如铜、镁、锌、锰、硅等形成 铝合金，其性能将会有很大的改善。692. 钛及钛合金 纯钛 特点：是

25、很活泼的元素。有很好的钝化性能，钝化膜很稳定，在许多环境中表现出很好的耐蚀性。有耐海水腐蚀之王之称。高温下，钛的化学活性很高，能与卤素、氧、氮、碳、硫等元素发生剧烈反应。钛一般不发生孔蚀；除在几种个别介质（如发烟硝酸、甲醇溶液）中，也不发生晶间腐蚀；钛的应力腐蚀破裂敏感性小，具有抗腐蚀疲劳的性能，耐缝隙腐蚀性能良好。 钛合金 特点：钛合金的机械性能与耐蚀性都比纯钛有明显提高。工业上使用的都是钛合金。钛合金的主要腐蚀形态是氢脆和应力腐蚀破裂。70（三）硬质合金第、副族（Ti、V、Cr等）的金属与氮、碳、硼等形成的化合物，硬度和熔点特别高，通称为硬质化合物。硬质合金可以看作是以硬质化合物（金属的碳

26、化物、硼化物、氮化物）为硬质相、以金属或合金作粘接相的复合材料。 71硬质合金是一种复合材料，由高硬度、高模量的金属碳化物（WC、TiC），与金属粘结剂（过渡族的金属或其合金：Fe、 Co、Ni）在高温下烧结而成，既具有高的硬度、耐磨性、红硬性，又具有高的强韧性，广泛应用于制造业。72硬质合金硬质合金钎具硬质合金钎头73硬质合金刀具74（四）新型合金材料1. 形状记忆合金某种合金做成的器件在一定外力作用下其形状和体积发生改变，而当加热到某一温度时它又可完全恢复到变形前的几何形态，即发生形状记忆效应，这种合金称为形状记忆合金（简称记忆合金）。 如：CuZnX(X=Si、Sn、Al、Ga)、CuA

27、lNi、CuAuZn、AgCd、FePt(Pd)、FeNiTiCo、NiAl、NiTi等 。75原因：合金内存在着一对可逆转变的晶格结构。 76一些形状记忆合金及其相变温度合金系相变温度合金系相变温度Ni-Ti-5080Cu-Sn-120-30Ni-Al-180100Cu-Zn-180-10Cu-Al-Ni-140100Ag-Cd-190-50Cu-Al-Zn-180100Au-Cd30100Cu-Au-Zn-19040InTi6010077 美国国家航空和宇宙航行局的月面天线计划 。首先用形状记忆材料Ti - Ni合金丝制成庞大的月面天线，经稍许冷却，便变成了柔软、容易折叠的天线，然后把它揉

28、成小团放入阿波罗11号舱内，发射并在月球表面进行安装后，在太阳光照射下，回到原来的抛物面形状。 782. 高温合金铁基、镍基和钴基高温合金：600 1000 高温合金是在高温严酷的机械应力和氧化、腐蚀环境下应用的一类合金。 等轴晶 柱晶 单晶 79高温合金 A. 变形高温合金B. 铸造高温合金 C. 粉末冶金高温合金D. 氧化物弥散强化（ODS）合金E. 金属间化合物高温材料F. 环境高温合金 80A变形高温合金 变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-2531320，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。按其热处理工艺可分为固溶强化型合

29、金和时效强化型合金。 （1）固溶强化型合金 使用温度范围为9001300，最高抗氧化温度达1320。固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。 （2）时效强化型合金 使用温度为-253950，一般用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件。制作涡轮盘的合金工作温度为-253700,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。 变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。 81B. 铸造高温合金 铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。它具有更宽的成分范围和更广阔的应用领域。根据铸造合金的使用温度，可以分

30、为以下三类： 第一类：在-253650使用的等轴晶铸造高温合金 这类合金在很大的范围温度内具有良好的综合性能，特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。用于制作航空发动机中的扩压器机匣及航天发动机中各种泵用复杂结构件等。 第二类：在650950 使用的等轴晶铸造高温合金 这类合金在高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能。这类合金适于用做航空发动机涡轮叶片、导向叶片及整铸涡轮。 第三类：在9501100 使用的定向凝固柱晶和单晶高温合金 这类合金在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀性能。这是国内使用温度最高的涡轮叶片材料，适用于制作新型高性能发动机的一级涡轮叶片。82C. 粉末冶金高温

31、合金 采用雾化高温合金粉末，经热等静压成型或热等静压后再经锻造成型的生产工艺制造出高温合金粉末的产品。采用粉末冶金工艺，由于粉末颗粒细小，冷却速度快，从而成分均匀，无宏观偏析，而且晶粒细小，热加工性能好，金属利用率高，成本低，尤其是合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高。 粉末冶金高温合金可以满足应力水平较高的发动机的使用要求,是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的选择材料。 83D. 氧化物弥散强化（ODS）合金 是采用独特的机械合金化工艺，超细的(小于50nm)在高温下具有超稳定的氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体中，而形成的一种特殊的高温合金。其合金强度在接近合金本身熔点

32、的条件下仍可维持，具有优良的高温蠕变性能、优越的高温抗氧化性能、抗碳、硫腐蚀性能。 主要用于航空发动机燃烧室内衬、导向叶片及发动机叶片等领域。84E. 金属间化合物高温材料 金属间化合物高温材料是近期研究开发的一类有重要应用前景的、轻比重高温材料。 Ti3Al基合金，TiAl基合金以及Ti2AlNb基合金具有低密度（3.85.8g/cm3）、高温高强度、高钢度以及优异的抗氧化、抗蠕变等优点，可以使结构件减重3550%。 Ni3Al基合金，具有很好的耐腐蚀、耐磨损和耐气蚀性能，展示出极好的应用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蚀性能，在中温（小于600）有较高强度，成本低，是一种可以部分

33、取代不锈钢的新材料。 85F. 环境高温合金 在民用工业的很多领域，服役的构件材料都处于高温的腐蚀环境中。如高温合金板、棒、丝、带、管及锻件； 特种精密铸造零件（叶片、增压涡轮、涡轮转子、导向器、仪表接头） ； 钢坯加热炉用钴基合金耐热垫块和滑轨 ；阀门座圈；离心铸管； 生物医学材料等。 86高温合金弹簧-273 360高强度、抗氧化增压涡轮Ti Al：800 900粉末高温合金形貌Co - Cr- Mo873. 贮氢合金利用氢与金属或合金形成氢化物而将氢贮存起来的合金 氢原子半径很小，容易进入金属紧密堆积晶格的孔隙 具有使用价值的贮氢合金要求贮氢量大，金属氢化物容易形成，而且稍稍加热又容易将

34、氢释放出来，室温下吸、放氢的速度快，使用寿命长且成本低。 钛系贮氢合金、锆系贮氢合金、铁系贮氢合金及稀土系贮氢合金 88一些贮氢合金的含氢率及其分解温度金属氢化物含氢率%分解温度LiH12.6855CaH24.7790MgH27.6284MgNiH43.6253TiH24.0650TiFeH1.81.818TiCoH1.51.4110TiMn1.5H2.141.620TiCr2H3.63.490LaNi5H61.31589第二节 半 导 体 材 料 固体能带理论 半导体材料 半导体导电的机理 半导体材料的种类 半导体材料的应用90半导体半导体的电阻率为10-4 109cm-1，介于绝缘体（电阻

35、率一般大于109cm-1）和导体（电阻率小于10-4cm-1）之间。 91 将整块金属当作一个巨大的分子，晶体中N个原子的每一种能量相等的原子轨道，通过轨道叠加、线性组合得到N个分子轨道，它是一组扩展到整块金属的离域轨道。由于N 数值很大(1023)，所得分子轨道各能级间的间隔极小，形成一个能带。每一个能带都有一定的能量范围，相邻原子间轨道重叠少的内层原子轨道形成的能带较窄；轨道重叠多的外层原子轨道形成的能带较宽。各个能带按能量高低排列起来，成为能带结构。 92Na、Mg的能带93 能带中充满电子的叫满带，部分填有电子的能带叫导带，没有电子的能带叫空带，各个能带间的间隙是不能存在电子的区域叫禁

36、带。 金属能带结构的特点是存在导带，在导带中的电子，受外电场作用改变其能量分布从而导电，所以金属是导体。绝缘体的性质是只有满带和空带，而且能量最高的满带与 能量最低的空带之间的禁带较宽Eg5eV，在一般电场条件下，难以将满带电子激发入空带，即不能形成导带而导电。半导体的性质也是只有满带和空带，但最高满带和最低空带之间的禁带较窄，Eg480 kJ/mol半导体禁带宽度：9.6 290 kJ/mol95导体、绝缘体和半导体的能带结构特点961. 半导体导电的机理 导带禁带满带空穴传导电子载流子：自由电子， 空穴电场反向电场方向外电场972. 半导体材料的种类本征半导体： 化学成分纯净的具有晶体结构

37、的半导体，它在物理结构上呈单晶体形态。 如制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。杂质半导体： 通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素（三价或五价）可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 根据掺杂的不同，可形成N型半导体和P型半导体。 本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。本征半导体99硅原子空间排列及共价键结构平面示意图电子空穴对 当导体处于热力学温

38、度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 这一现象称为本征激发，也称热激发 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合的过程空穴的移动 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空

39、穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。103本征半导体中的两种载流子（运载电荷的离子）1)两种载流子：自由电子和空穴。2)半导体导电的特殊性质：两种载流子均参与导电。杂质半导体（1） N 型半导体（2） P 型半导体N型半导体结构示意图P型半导体结构示意图 （1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自

40、由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。（2） P 型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。磷原子自由电子444454444电子一空穴对N型半导体的结构空穴硼原子444434444电子一空穴对P型半导体的结构108PN结 的 形成及特性 P型半导体与N型半导体结合 扩散（各

41、自的多子向对方处运动） 破坏电中性，形成PN结 达到平衡 出现内电场 抑制扩散，促进漂移 一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程： 浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 111 P区 N区内电场 P区 N区空间电荷区 PN结的形成112113114115V+-PN光生伏特效应11

42、6半导体二极管117118第三节 硅酸盐材料 陶瓷材料 硅酸盐水泥 耐火材料119陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。 一、陶瓷材料120 普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。121普通陶瓷的分类方法 类 别 主 要 种 类 用 途 中餐具（盘、碗、碟、羹、壶、杯等） 餐具 西餐具（碗、盘、碟、糖缸、奶盅、壶、杯等） 茶具、咖啡具 茶盘、水果盘、点心盘、杯、壶、碟等 酒

43、具 酒壶、酒杯、杯托、托盘 文具 笔筒、笔洗、水盂、EP 色盒、笔架 日用陶瓷 陈设瓷（美术瓷） 花瓶、灯具、雕塑瓶、薄胎碗等 建筑陶瓷 玻化砖（渗花或非渗花） 、彩釉砖、锦砖（马赛克） 、内墙砖、外墙砖、腰线砖、广场砖、劈裂砖、园林陶瓷等 建筑卫生陶瓷 卫生瓷砖 洗面器、大便器、小便器、洗涤器、水箱、水槽、存水弯、肥皂盒、手纸盒、淋浴盒 低压电瓷 用于 1kV 以下的电瓷 高压电瓷 用于 1kV 以上的电瓷、如普通高压瓷、铝质高强度瓷 电瓷 超高压电瓷 用于 500kV 以上的电瓷 耐酸砖 耐酸砖、耐酸耐温砖 耐酸容器 储酸缸、酸洗槽、电解槽、耐酸塔等 耐酸机械（部件） 耐酸离心泵、风机、球

44、磨机等 化工瓷 化学瓷 瓷坩埚、蒸发皿、研钵、漏斗、过滤板、燃烧舟等 122123 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。124常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括：装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学

45、功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。125根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。 126吸水率（%）特征陶器粗陶器15不时施釉，制作粗糙普通陶器12断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细细陶器15断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施釉，制作不够精细瓷器炻瓷器3透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口呈石状，制作精细普通瓷器1有一定透光性，断而呈石状或贝壳状，制作精细细瓷器0.5透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细性质及特征类别 中

46、国日用瓷分类标准1271. 陶瓷的基本组成陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。(1) 晶相晶相是陶瓷的主要组成相，它决定陶瓷的主要性质，在陶瓷中起骨架作用。组成晶相的物质有两类，一类是以离子键为主的离子晶体如MgO、Al2O3，一类是以共价键为主的原子晶体如SiC、BN、Si3N4等。陶瓷中晶相多为混合晶体，其晶相结构比金属更为复杂，存在的缺陷也更多。(2) 玻璃相玻璃相是一种非晶态的低熔点固体相，组成玻璃相的物质主要是碱金属、碱土金属的硅酸盐。玻璃相的作用是将分散的晶相粘接起来，填充晶相间的孔隙，提高陶瓷的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；获得一定程度的玻璃特性，如透光性。但是，玻璃相对陶瓷

47、的机械强度、介电性能、耐热性等是不利的，因此工业陶瓷中玻璃相的体积分数一般控制在20%40%。(3) 气相气相是指陶瓷孔隙中的气体，它分散在玻璃相内，形成不连续的气孔。根据存在形态不同，分为开口气孔和闭口气孔两种。对于隔热材料，气孔越多越好。为制成既轻便、绝热性能又好的陶瓷，希望气孔尽可能多且大小一致、分布均匀。对透光材料，则希望没有气孔，因为气孔可使光线散射而降低其透明度。气孔往往是应力集中的地方，可能直接产生裂纹，使陶瓷的强度大大降低。1282、陶瓷的基本性能（1） 陶瓷的机械性能Y刚度：陶瓷的刚度由弹性模量衡量，弹性模量反映结合键的强度，所以具有强大化学键的陶瓷都有很高的弹性模量，是各类

48、材料中最高的，比金属材料高若干倍，比高聚物高24个数量级。Y硬度：同刚度一样，硬度也决定于化学键的强度，所以陶瓷也是各类材料中硬度最高的，这也是陶瓷的最大特点。陶瓷的硬度随温度的升高而降低，但在高温下仍能保持较高的数值。Y强度：陶瓷实际强度比理论值低得多。它的破坏作用比在金属中更大。Y塑性：陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷晶体的滑移比金属困难得多，位错运动所需要的切应力很大，比较接近于晶体的理论剪切强度。陶瓷的塑性极差。Y韧性或脆性：陶瓷受载时都不发生塑性变形，在较低的应力下就会断裂，因此韧性极低或脆性极高。脆性是陶瓷的最大缺点。129（2）物理化学性能Y热膨胀：温度升高时物质原子振动振幅提高、

49、原子间距增大所导致的体积长大现象。陶瓷的线膨胀系数比高聚物低，比金属低得多。Y导热性：导热性为在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率。陶瓷的导热性比金属小，陶瓷多为较好的绝热材料。Y热稳定性：热稳定性就是抗热振性，为陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表征。陶瓷的热稳定性很低，比金属低得多。这是陶瓷的另一个主要缺点。Y化学稳定性：陶瓷的结构非常稳定。具有很好的耐火性能或不可燃烧性，对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀能力。Y导电性：陶瓷的导电性变化范围很广。大多数陶瓷是良好的绝缘体。但不少陶瓷既是离子导体，又有一定的电子导电性，是重要的半导体材

50、料。 陶瓷性能的主要特点是，具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，对温度剧变的抵抗力很低，抗拉、抗弯性能差。1303. 高温结构陶瓷(1)氧化铝陶瓷熔点高 硬度大 透明、耐高温 131高压钠灯132133氧化铝陶瓷制品134高纯氧化铝透明陶瓷管135(2)氮化硅陶瓷特点：密度小、高强、高硬、高韧性、耐 磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、 自润滑、隔热、电绝缘等一系列优 良性能。 136Si3N4基陶瓷球轴承137138139氮化硅陶瓷涡轮转子140氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦141142143陶瓷发动机的优点1、陶瓷的耐热性好，可以提高发动

51、机的工作温度， 从而提高发动机效率，可比目前作为其制造材 料的镍基耐热合金的发动机效率提高三成左右。2、工作温度高，使燃料充分燃烧，不仅排出废气 中的污染成分大大减少，减少了环境污染，而 且降低了能源消耗。3、陶瓷的热传导性比金属低，使发动机的热量不 易散发，可节省能源。4、陶瓷具有较高的高温强度和热稳定性，可延长 发动机的使用寿命144氧化锆陶瓷145压电陶瓷146二、玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料

52、，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。 147特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。148149三、硅酸盐水泥水泥是指加入适量水后可成

53、塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。150水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。硅酸盐水泥的主要化学成分是钙、铝、硅、铁的氧化物，其中CaO约占60%以上，SiO2约占20%以上，其余是Al2O3、Fe2O3等。151通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥

54、和复合硅酸盐水泥等。专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。 152水泥的凝结硬化过程分三个阶段：溶解期水泥遇水后颗粒表层与水发生反应，生成可溶性的Ca(OH)2和3CaOAl2O36H2O，暴露出新的表面，再继续与水反应，形成它们的饱和溶液。胶化期从水泥浆状物所含的Ca(OH)2饱和溶液中析出非晶体物质，它包围着水泥颗粒，使水泥凝结而失去塑性，并且变稠。结晶期水泥浆凝结后，凝胶体中水泥颗粒的未水化部分继续吸收水份进行水化和水解，凝胶体逐渐脱水而紧密，

55、Ca(OH)2和3CaOAl2O36H2O由胶体状态转变为结晶状态。析出的晶体嵌入凝胶体，并互相交错结合，使水泥强度提高。153四、耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。 154按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料；按制造方法分为天然矿石和人

56、造制品；按形状分为块状制品和不定形耐火材料；按热处理方式分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品；155按耐火度分为普通、高级及特级耐火制品；按化学性质分为酸性、中性及碱性耐火材料；按密度分为轻质及重质耐火材料。按制品的形状和尺寸可分为标准砖、异型砖、特异型砖、管和耐火器皿等。按应用分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑用耐火材料等等。156157第四节 其它 光导纤维 金刚石等158 1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是

57、光的全反射造成的结果。光导纤维（光纤）159160光导纤维（二氧化硅）光导纤维（二氧化硅）主要特性主要特性抗干扰性能好，不发生辐射；通抗干扰性能好，不发生辐射；通讯质量好；讯质量好；质量轻、耐腐蚀质量轻、耐腐蚀主要用途主要用途 除用于通讯外，还用于医疗、信息除用于通讯外，还用于医疗、信息处理、处理、传能传像、遥测遥控、照明传能传像、遥测遥控、照明等。等。是高质量传导光的玻璃纤维，信息高是高质量传导光的玻璃纤维，信息高速公路的速公路的“基石基石”(1)光导纤维的特点和用途：161光光 纤纤 光光 缆缆 普普 通通 电电 缆缆 信息量大信息量大,每根光纤理论上可同时每根光纤理论上可同时通过通过10

58、亿路电话亿路电话 8管同轴电缆每管同轴电缆每条通话条通话1800路路 原料来源广原料来源广(石英玻璃石英玻璃),节约有色金节约有色金属属 资源较少资源较少 质量小质量小,每公里每公里27 g,不怕腐蚀不怕腐蚀,铺设铺设方便方便 每公里每公里1.6 t 成本低成本低,每公里每公里1万元左右万元左右 每公里每公里20万元万元 性能好性能好,抗电磁干扰保密性强抗电磁干扰保密性强,能防能防窃听窃听,不发生电辐射不发生电辐射 (2)光纤光缆与普通电缆比较 162163现代通信用光缆164光纤通讯的优点：1、信息容量大，一条光缆通路可同时容纳10亿 人通话，也可同时传送多套电视节目2、光纤的抗干扰性能好，

59、不发生电辐射，通讯 质量好，能够防窃听3、光缆质量小，而且细，不怕腐蚀，铺设方便4、光纤通讯损耗低，适合远距离信息传输165光导纤维在医学上的应用光导纤维不但是通信技术中的重要材料，还是医生的得力助手。目前在医学领域，普遍使用着一种连接着许多光纤的胃镜，光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位。这种“手术”不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好。166光学纤维

60、胃镜167用 光 导 纤维做手术，不用开刀。168169医用内窥镜（右上）及在手术中的使用光导纤维在医学上的应用：170激光手术刀用卤化银光导纤维171射至地表的太阳光能量超过人类每天使用的能量的1万倍！射至地表的太阳光能量超过人类每天使用的能量的1万倍！ 光纤灯172173人造关节174人造血管175 金刚石是目前已知的最硬的材料，可以用来切削和刻划其他物质，被用于钻探、磨削等行业。 但是，由于天然金刚石非常少，远远不能满足生产和科研的需要。科学家们通过对石墨和金刚石同素异形体结构的研究，指出了在一定条件下使石墨转化为金刚石的可能性。 1955年，美国首先用石墨合成出金刚石，这是材料合成领域