第一章-化學(xué)與新材料第一章-化學(xué)與新材料1主要內(nèi)容1.化學(xué)與材料科學(xué)技術(shù)2.金屬材料3.無機(jī)非金屬材料4.有機(jī)高分子材料5.復(fù)合材料6.納米材料與納米科技主要內(nèi)容1.化學(xué)與材料科學(xué)技術(shù)2材料化學(xué)的內(nèi)涵材料化學(xué)是由材料和化學(xué)兩大學(xué)科的交叉融合產(chǎn)生的新型交叉學(xué)科研究材料制備(或合成)、材料加工、材料結(jié)構(gòu)與性能研究制備材料的化學(xué)方法材料的化學(xué)處理方法研究材料的化學(xué)和物理特性材料化學(xué)的內(nèi)涵材料化學(xué)是由材料和化學(xué)兩大學(xué)科的交叉融合產(chǎn)生的3化學(xué)與新材料課件4

現(xiàn)代高科技(modernhigh-tech)

信息、材料、能源、生物技術(shù)：

—社會文明支柱，科技創(chuàng)新的重要標(biāo)志

材料—人類社會發(fā)展的里程碑

新材料—現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱

化學(xué)（物理化學(xué)）—材料科學(xué)技術(shù)的理論基礎(chǔ).現(xiàn)代高科技(modernhigh-tech)5本課程主要內(nèi)容物理化學(xué)基礎(chǔ)材料化學(xué)制備原理材料表面化學(xué)處理方法新材料介紹本課程主要內(nèi)容物理化學(xué)基礎(chǔ)61.材料科學(xué)與工程

(materialsscienceandengineering)研究材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能及使用效能各組元本身及四者之間的相互依賴關(guān)系的規(guī)律—材料科學(xué)研究如何利用這些規(guī)律性的研究成果以新的或更有效的方式開發(fā)并生產(chǎn)出材料,提高材料的使用效能,以滿足社會的需要,設(shè)汁與制造材料制備與表征所需的儀器、設(shè)備—材料工程科學(xué)與工程彼此密切結(jié)合,構(gòu)成個學(xué)科整體1.材料科學(xué)與工程

(materialsscience7性能(properties)使用效能(performance)合成與制備(synthesisandprocessing)組成與結(jié)構(gòu)(componentsandstructure)材料科學(xué)的主要內(nèi)容性能使用效能(performance)合成與制備組成與結(jié)構(gòu)材8合成與制備合成主要指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與物理過程.既包括有關(guān)尋找新合成方法的科學(xué)可題、也包括以適用的數(shù)量和形態(tài)合成材料的技術(shù)問題；既包括新材料的合成,也應(yīng)包括已有材料的新合成方法(加溶膠—凝被法)及其新形態(tài)(如纖維、薄膜)的合成.制備主要指材料在宏觀尺度上加工、處理、裝配和制造等一系列過程，使之具有所需的性質(zhì)和使用效能.

合成與制備是提高材料性能、降低生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵,也是開發(fā)新材料、新器件的首要環(huán)節(jié).合成與制備合成主要指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與9組成和結(jié)構(gòu)

組成指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布;除主要組成以外,雜質(zhì)及對材料結(jié)構(gòu)與性能有重要影響的微量添加物亦不能忽略.

結(jié)構(gòu)則指組成原干、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與品界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括微米、納米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次.

材料的組成與結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)與工程的基本研究內(nèi)容,它們指導(dǎo)材料的合成與制備,決定材料的性能和使用效能.組成和結(jié)構(gòu)組成指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布;除10性能

性能指材料固有的物理、化學(xué)特性,也是確定材料用途的依據(jù).廣義地說,性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應(yīng)的定量表述.例如,對外力作用的反應(yīng)為力學(xué)性能,對外電場作用的反應(yīng)為電學(xué)性能,對光波作用的反應(yīng)為光學(xué)性能等等.性能性能指材料固有的物理、化學(xué)特性,也是確定材料用途11使用效能

使用效能是材料以特定產(chǎn)品形式在使用條件下所表現(xiàn)的效能.它是材料的固有性能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程持性、使用環(huán)境和效益的綜合表現(xiàn),通常以壽命、效率、可靠性、效益及成本等指標(biāo)衡量.因此,與工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造過程密切相關(guān),不僅有宏觀的工程問題,還包括復(fù)雜的材料科學(xué)問題.例如,材料部件的損毀過程和可靠性往往涉及在特定的溫度、氣氛、應(yīng)力和疲勞環(huán)境廠材料中的缺陷形成和裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)理.

材料的使用效能是材料科學(xué)與工程所追求的最終目標(biāo)、而且在很大程度上代表這一學(xué)科的發(fā)展水平.使用效能使用效能是材料以特定產(chǎn)品形式在使用條件下所表現(xiàn)的12材料的選擇(materialsselection)三個重要標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)

機(jī)械性能+物理性能失效性

環(huán)境因素:氧化&腐蝕經(jīng)濟(jì)性

價格&可用性材料的選擇(materialsselection)三個重13材料的性質(zhì)(propertiesofmaterials)機(jī)械性質(zhì)

(應(yīng)力—應(yīng)變)

強(qiáng)度 延展性 斷裂韌性 抗沖擊強(qiáng)度 蠕變性 疲勞性 磨損物理性質(zhì)熱性能磁性能光學(xué)性能失效性能材料的性質(zhì)(propertiesofmaterials)14材料的分類(classificationofmaterials)基本分類(按照組成)金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料其他

(按照用途)結(jié)構(gòu)材料功能材料光電、磁熱生物材料材料的分類(classificationofmater152.金屬材料（metals&alloys)金屬材料是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料.金屬單質(zhì)一般有良好的塑性,但其機(jī)械性能往往很難滿足工程技術(shù)等多方面的需要,因此,金屬材料更多以合金的形式使用.由于價電子的高度離域性,決定了它們具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和易氧化腐蝕的性能.高密度

可塑性形變,加工成各種復(fù)雜形狀.高延展性,決定了具有高沖擊和斷裂韌性.

2.金屬材料（metals&alloys)金屬材料是以16合金的基本結(jié)構(gòu)類型(alloys)合金是由兩種或兩種以上的金屬元素(或金屬與非金屬元素)組成,具有金屬特征和更優(yōu)異性能與使用效能的材料.包括三種結(jié)構(gòu)類型.相互溶解而形成金屬固溶體—強(qiáng)度提高,延展性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能下降相互起化學(xué)作用而形成化合物—性能隨化合物組成、結(jié)構(gòu)與性能而變化無化學(xué)相互作用的機(jī)械混合物—性能平均、熔點(diǎn)下降合金的基本結(jié)構(gòu)類型(alloys)合金是由兩種17輕質(zhì)合金(lightalloys)輕質(zhì)合金:由輕金屬(Al,Mg,Ti,Li等)形成的合金材料.鋁合金:金屬鋁的密度僅2.7g/cm3,導(dǎo)電導(dǎo)熱,但強(qiáng)度、硬度和耐磨性能差,若與Mg、Cu、Zn、Mn、Si等形成合金,機(jī)械性能會大幅度改善.硬鋁合金:經(jīng)熱處理提高強(qiáng)度的變形鋁合金,其制品的強(qiáng)度和鋼相近,而質(zhì)量僅為鋼的1／4左右,但耐腐蝕性較差.如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等.防銹鋁合金:用壓力加工法提高強(qiáng)度的變形鋁合金,可耐海水腐蝕,可用于造船工業(yè)等.如Al-Mn,Al-Mg等鋁鋰合金:鋰是最輕金屬,其密度為0.534g/cm3，是鋁的1/5,鋼的1/15.飛機(jī)上改用鋁鋰合金后,重量可減輕8％~16％.如B737可減重2178kg,B747SP可減重4200kg.輕質(zhì)合金(lightalloys)輕質(zhì)合金:由輕金屬18輕質(zhì)合金鈦合金鈦與Al,V,Cr,Mo,Mn和Fe可形成置換固熔體或金屬間化合物而使其強(qiáng)度提高.具有強(qiáng)度高,密度小,抗磁性,耐高溫,抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn),是宇航工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料.輕質(zhì)合金鈦合金鈦與Al,V,Cr,Mo,Mn和19形狀記憶合金(shapememoryalloy)形狀記憶效應(yīng)-指合金材料在一定條件下,變形后仍能恢復(fù)到變形前原始形狀的能力.這類合金存在著一對可逆轉(zhuǎn)變的晶體結(jié)構(gòu),在某一轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生相轉(zhuǎn)變1951年,美國人,Au-Cd合金有記憶形狀的特性.現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多種合金系統(tǒng),In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金具有傳感和驅(qū)動雙重功能,是一種智能材料,可廣泛應(yīng)用于宇航,自控,醫(yī)療和生活等領(lǐng)域形狀記憶合金(shapememoryalloy)形20貯氫合金

(hydrogenstoragealloy)貯氫合金:某些過渡金屬、合金和金屬間化合物,由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu),使氫原子容易進(jìn)入其晶格的間隙中并形成金屬氫化物,氫與這些金屬的結(jié)合力很弱,但貯氫量很大,可以貯存比其本身體積大1000~1300倍的氫,加熱時氫又能從金屬中釋放出來.

1968年美國布魯海文國家實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)現(xiàn)鎂-鎳合金具有吸氫特性,1969年荷蘭菲利普實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)釤鈷（SmCo5）合金,鑭-鎳（LaNi5）合金在常溫下具有良好的可逆吸放氫性能.已經(jīng)成功開發(fā)了鎂系,稀土系,鈦系,鋯系貯氫合金等.貯氫合金貯運(yùn)氫氣,既輕便又安全,作為一種新型貯能材料具有極為廣泛的應(yīng)用前景.貯氫合金(hydrogenstoragealloy)貯21耐熱合金

(heatresistantalloy)耐熱合金:能在高于700℃條件下工作的金屬合金.“耐熱”是指材料在高溫下能保持足夠強(qiáng)度和良好的抗氧化性.通常是由第ⅤB~ⅦB和Ⅷ族高熔點(diǎn)金屬形成

包括鐵基,鎳基,鈷基,鈮基和鎢基等合金廣泛應(yīng)用于制造渦輪發(fā)電機(jī),各種燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件等耐熱合金(heatresistantalloy)耐熱合22耐腐蝕合金(corrosion-resistantalloy)耐腐蝕金屬:通常具備下述條件之一熱力學(xué)穩(wěn)定性高:一般是貴金屬Pt,Pd,Au,Ag,Cu等.易于鈍化的金屬:Al,Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等.表面能生成難溶的和保護(hù)性良好的腐蝕產(chǎn)物膜的金屬,通過特定腐蝕介質(zhì)來實(shí)現(xiàn).耐腐蝕合金:抵抗介質(zhì)侵蝕能力比一般金屬材料更高.與熱穩(wěn)定性高的貴金屬形成合金.與易鈍化金屬形成合金.在合金表面形成致密保護(hù)膜.耐腐蝕合金(corrosion-resistantallo23磁性材料

(magneticmaterials)

磁性體:由電磁作用而產(chǎn)生磁化的物質(zhì).凡是能磁化到較大磁化強(qiáng)度并在實(shí)際中可利用其磁性的強(qiáng)磁性體稱為磁性材料.磁性材料的類型硬磁材料或永磁材料:矯頑力極大,剩余磁通密度很高,在發(fā)電機(jī)、電氣儀表等方面大量應(yīng)用SmCo5,Sm2Co17,Nd-Fe-B,Sm2Fe17N2,Pr-Fe-B-Cu

磁性材料(magneticmaterials)磁性體:24磁性材料的類型軟磁材料:矯頑力小,外部磁場的微小變化即可引起磁化的很大變化,為磁損失小的高導(dǎo)磁率材料,主要用于電動機(jī)及變壓器的磁芯以及各種磁頭材料、磁性密封材料和微波材料等磁性材料的類型軟磁材料:矯頑力小,外部磁場的微小變化即可引25巨磁阻效應(yīng)

(giganticreluctanceeffect)

在一定磁場下材料電阻改變的現(xiàn)象稱磁電阻.巨磁阻是指在一定磁場下電阻急劇減小的現(xiàn)象.比一般磁性合金強(qiáng)10多倍.

1988年首次在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng).隨后在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中發(fā)現(xiàn)了顯著的巨磁阻效應(yīng).

1994年IBM公司研制成功巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭,磁記錄密度提高17倍,達(dá)5Gbit/in2,現(xiàn)超過11Gbit/in2.巨磁阻效應(yīng)在高密度讀出磁頭,磁存儲元件等領(lǐng)域有廣泛用途.還可用于無電源隨機(jī)存儲器,微弱磁場探測器.

巨磁阻效應(yīng)(giganticreluctanceeff26非晶態(tài)金屬(amorphousmetal)非晶態(tài)金屬:將某些金屬熔體,以極快的速度急劇冷卻,無序的原子被迅速“凍結(jié)”而形成無定型的固體.類型:金屬-金屬形成的非晶態(tài)合金:Cu60Zr40,La76Au24,U70Cr30等.

金屬-非金屬形成的非晶態(tài)合金:如Fe80B20,Fe40Ni40P14O6和Fe5Co70Si15B10等.性能特點(diǎn):強(qiáng)度韌性兼具;耐蝕性優(yōu)異;低損耗,高磁導(dǎo);催化性能和貯氫能力.非晶態(tài)金屬(amorphousmetal)非晶態(tài)金屬:將某273.無機(jī)非金屬材料

(inorganicnonmetalmaterials)除金屬以外的無機(jī)材料統(tǒng)稱無機(jī)非金屬材料或陶瓷材料.傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四種,化學(xué)組成均為硅酸鹽類,因此無機(jī)非金屬材料亦稱硅酸鹽材料先進(jìn)無機(jī)非金屬材料,亦稱無機(jī)新材料.包括結(jié)構(gòu)陶瓷,復(fù)合材料,功能陶瓷,半導(dǎo)體,新型玻璃,非晶態(tài)材料和人工晶體等.3.無機(jī)非金屬材料

28無機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu):結(jié)合力主要為離子健、共價鍵或離子-共價混合鍵.賦于這類材料以高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、耐磨損、高硬度、耐腐蝕和抗氧化的基本屬性,以及新近發(fā)現(xiàn)的寬廣的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和透光性以及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性,高溫超導(dǎo)性等.無機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu):結(jié)合力主要為離子健、共價鍵或29化學(xué)組成:無機(jī)非金屬材料已不局限于硅酸鹽,還包括其他含氧酸鹽、氧化物、碳與碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、鍺、III~V族及II~VI族化合物等.其形態(tài)初形狀也趨于多樣化,復(fù)合材料、薄膜、纖維、單晶和非晶材料占有越來越重要的地應(yīng).制備:高純度、高細(xì)度的原料,并精確控制化學(xué)組成、添加物的數(shù)量和分布、晶體結(jié)構(gòu)和材料微觀結(jié)構(gòu)等.化學(xué)組成:無機(jī)非金屬材料已不局限于硅酸鹽,還包括其他含氧30傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料天然硅酸鹽:其基本結(jié)構(gòu)單元為硅氧四面體(SiO4)4-,即硅位于四面體的中心,四個氧原子位于四面體的四個頂點(diǎn).(SiO4)4-四面體相互結(jié)合,或與金屬離子形成:具有單個陰離子,鏈狀和層狀陰離子以及骨架狀結(jié)構(gòu)等四大類硅酸鹽.

傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料天然硅酸鹽:其基本結(jié)構(gòu)單元為硅氧四面體31硅氧骨架結(jié)構(gòu)島狀三方環(huán)四方環(huán)六方環(huán)硅氧骨架結(jié)構(gòu)島狀三方環(huán)四方環(huán)六方環(huán)32硅氧骨架結(jié)構(gòu)單鏈雙鏈硅氧骨架結(jié)構(gòu)單鏈雙鏈33硅氧骨架結(jié)構(gòu)長石架狀

石英架狀

層狀硅氧骨架結(jié)構(gòu)長石架狀

石英架狀

層狀34層狀硅酸鹽礦物滑石高嶺土白云母蛇紋石層狀硅酸鹽礦物滑石高嶺土白云母蛇紋石35架狀硅酸鹽礦物長石沸石架狀硅酸鹽礦物長石沸石36鏈狀、環(huán)狀硅酸鹽礦物碌簾石電氣石輝石硅灰石硅線石鏈狀、環(huán)狀硅酸鹽礦物碌簾石電氣石輝石硅灰石硅線石37精細(xì)陶瓷(advancedceramics)

結(jié)構(gòu)陶瓷:指具有高硬、高強(qiáng)、耐磨耐蝕、耐高溫和潤滑性好等性能,用做機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的陶瓷材料.氧化鋁Al2O3

:高純超細(xì)氧化鋁經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而得.使用溫度高達(dá)1980℃,用途極廣.高純氧化鋁加入少量Y2O3和MgO等,特殊燒結(jié),可得透明陶瓷.少量Cr2O3與Al2O3形成固溶體,稱紅寶石,是激光材料.

氧化鋯ZrO2:離子鍵結(jié)合,性脆.加入少量Y2O3和CaO等可實(shí)現(xiàn)增韌,得到“陶瓷鋼”.

氮化硅(Si3N4):硬度為9.低膨脹,高熱導(dǎo),可適應(yīng)溫度的急劇變化.Si3N4可與Al2O3形成固溶體,制得新材料“塞龍(sialon)”.

碳化硅SiC,俗稱“金剛砂”,原子晶體.高溫強(qiáng)度極高,摻雜可制得半導(dǎo)體材料,制作發(fā)熱元件.已用于制造無冷卻式陶瓷發(fā)動機(jī).精細(xì)陶瓷(advancedceramics)結(jié)構(gòu)陶瓷:38精細(xì)陶瓷(advancedceramics)

功能陶瓷:指以其固有的特性或通過各種物理因素作用而顯示某種新性能的陶瓷材料.壓電陶瓷:具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料.主要有:鈦酸鋇系、鈦酸鉛系和鋯鈦酸鉛系.用于制造各種換能器和傳感器.晶體受外力作用而形變,同時在對應(yīng)兩個面上產(chǎn)生電荷,晶體帶電的大小與外力成正比;相反,在外加電場作用下,在晶體相應(yīng)面上會產(chǎn)生形變,該現(xiàn)象稱“壓電效應(yīng)”.

光導(dǎo)纖維:光通信的關(guān)鍵.SiO2和LaF3已實(shí)用化.

固體電解質(zhì):AgI離子晶體,Y2O3和CaO穩(wěn)定的ZrO2,Na-b-Al2O3等.

傳感材料精細(xì)陶瓷(advancedceramics)功能陶瓷:39半導(dǎo)體材料(semiconductingmaterial)

半導(dǎo)體材料:室溫電阻率為10-4~1010·cm,依靠電子和孔穴這兩類載流子的遷移實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的材料.半導(dǎo)體材料類型:元素半導(dǎo)體：包括Si,Ge,Sn,P,As,Se等,但實(shí)用的純單質(zhì)只有Si和Ge.均使用其高純單質(zhì),如大規(guī)模集成電路使用的硅純度超過99.9999999,現(xiàn)已能制得14個9的單晶硅.半導(dǎo)體材料(semiconductingmaterial40半導(dǎo)體材料

摻雜半導(dǎo)體:適當(dāng)摻雜大幅度提高電導(dǎo)率,通過調(diào)整雜質(zhì)含量控制電導(dǎo)率,包括p-型如Si(B,Al),Ge(Ga)和n-型半導(dǎo)體如Si(P,As),Ge(As).化合物半導(dǎo)體:AxB8-x(x=1,2,3),即I-VII,II-VI,III-V族元素的組合,具有金剛石型或ZnS型晶體結(jié)構(gòu),以共價鍵為主.實(shí)用化最多的是III-V型,性能最好的是GaAs,亮灰,硬而脆,摻Te,得n-型,摻Zn或Cd得p-型.缺陷半導(dǎo)體:氧化物和硫化物,結(jié)構(gòu)中存在陰離子或陽離子空位.半導(dǎo)體材料摻雜半導(dǎo)體:適當(dāng)摻雜大幅度提高電導(dǎo)率,通過調(diào)41超導(dǎo)材料(superconductingmaterials)

超導(dǎo)電性:某些材料隨溫度降低,電阻率下降,在某一特定溫度附近,電阻突然消失的現(xiàn)象.具有超導(dǎo)電性的材料稱超導(dǎo)材料.荷蘭物理學(xué)家H.K.Onnes:1911年首次發(fā)現(xiàn)Hg在4.15K時出現(xiàn)0電阻.1973年得到Tc為23.2K的Nb3Ge超導(dǎo)體.超導(dǎo)材料(superconductingmaterial42超導(dǎo)材料20世紀(jì)80年代中期,世界超導(dǎo)研究取得巨大突破:1986年瑞士貝德諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)了Tc=35K的La-Ba-Cu-O混合氧化物.1987年美籍華人朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)了Tc=90K的超導(dǎo)氧化物.我國趙中賢研究組制得了Tc=93K的Y-Ba-Cu-O混合氧化物,并測定了晶體結(jié)構(gòu).超導(dǎo)溫度已高于液氮沸點(diǎn)77K,進(jìn)入實(shí)用化階段.中國科大研究組已制得了Tc=132K的Bi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體.超導(dǎo)材料在能源輸送,磁懸浮列車,醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景.超導(dǎo)材料20世紀(jì)80年代中期,世界超導(dǎo)研究取得巨大突破:434.高分子材料高分子材料學(xué)科的基本任務(wù)是：研究高分子材料的合成、結(jié)構(gòu)和組成與材料的性質(zhì)、性能之間的相互關(guān)系;探索加工工藝和各種環(huán)境因素對高分子材料性能的影響;為改進(jìn)工藝,提高高分子材料的質(zhì)量,合理使用高分子材料,開發(fā)新材料、新工藝和新的應(yīng)用領(lǐng)域提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù).高分子材料學(xué)科是一門年輕而新興的學(xué)科,它的發(fā)展要求科學(xué)和工程技術(shù)最為密切的配合,它的進(jìn)步需要跨部門、多學(xué)科的最佳協(xié)調(diào)和共同參與.4.高分子材料高分子材料學(xué)科的基本任務(wù)是：研究高分子材料的合44術(shù)語（Nomenclatures）Macromolecule(大分子):由大量原子組成,具有高的相對分子質(zhì)量或分子重量.Polymermolecule(聚合物分子,簡稱高分子):由許多(poly)部分(mer,單體單元或鏈節(jié))組成的多重重復(fù)的分子.一個高分子總是一個大分子,但一個大分子不一定是高分子.Polymer(聚合物):是由許多聚合物分子組成的一種物質(zhì),它是一種聚合的物質(zhì).術(shù)語（Nomenclatures）Macromolecul45化學(xué)與新材料課件465.復(fù)合材料金屬材料易腐蝕;高分子材料易老化,不耐高溫;無機(jī)非金屬材料韌性差,易碎裂.三者優(yōu)化組合,制備性能優(yōu)異的復(fù)合材料.復(fù)合材料大多是以連續(xù)相存在的基體材料和分散于基體中的增強(qiáng)材料組成.增強(qiáng)材料:能提高材料基本力學(xué)性能的物質(zhì).包括粒子和纖維.無機(jī)納米粒子具有更高的增強(qiáng)增韌效應(yīng);纖維具有良好的剛性和抗張強(qiáng)度.在體系中構(gòu)成復(fù)合材料的骨架,決定材料的剛性和強(qiáng)度.基體材料:使增強(qiáng)材料粘合成型,且對承受的外力起傳導(dǎo)和分散作用.21世紀(jì)是復(fù)合材料的世紀(jì).5.復(fù)合材料金屬材料易腐蝕;高分子材料易老化,不耐高47聚合物基復(fù)合材料主要指纖維增強(qiáng)聚合物材料.環(huán)氧樹脂包埋碳纖維復(fù)合材料.網(wǎng)球拍,高爾夫球棍和滑雪撬等.玻璃纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料—玻璃鋼.應(yīng)用極端廣泛.玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺,可大幅度提高聚酰胺的機(jī)械強(qiáng)度,耐水性,尺寸穩(wěn)定性和使用溫度.碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺已用于制備汽車發(fā)電機(jī).和飛機(jī)零配件.聚合物基復(fù)合材料主要指纖維增強(qiáng)聚合物材料.48金屬基復(fù)合材料鋁基(碳纖維增強(qiáng))復(fù)合材料.鎳基(鎢絲增強(qiáng))復(fù)合材料.提高耐溫性能.鈦基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料鋁基(碳纖維增強(qiáng))復(fù)合材料.49陶瓷基復(fù)合材料陶瓷包埋纖維或晶須復(fù)合材料可大幅度提高材料的韌性.法國長纖維增強(qiáng)碳化硅:應(yīng)用于制造高速列車的制動件.美國陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于制造渦輪發(fā)動機(jī).我國碳纖維增強(qiáng)石英復(fù)合材料,為我國航天事業(yè)“再返大氣層的超高溫防熱問題”,提供了關(guān)鍵材料.陶瓷基復(fù)合材料陶瓷包埋纖維或晶須復(fù)合材料可大幅度提高材料的506.納米科技與納米材料納米科學(xué)技術(shù):20世紀(jì)80年代末誕生并在蓬勃發(fā)展的一中高新科技.是在納米尺寸范圍內(nèi)(1-100nm)認(rèn)識和改造自然通過直接操縱原子和分子而創(chuàng)造新物質(zhì)(包括材料、器件、性能和使用效能等)，探索在納米尺度范圍內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動的新現(xiàn)象和新規(guī)律.它的出現(xiàn)標(biāo)志著人類改造自然的能力已延伸到原子和分子水平,標(biāo)志著人類科學(xué)技術(shù)水平已進(jìn)入到個新時代—納米科技時代.納米科學(xué)技術(shù)是多學(xué)科交叉,基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)緊密聯(lián)系的集成高新科技.包括:納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)等新學(xué)科領(lǐng)域,已經(jīng)并繼續(xù)對相關(guān)各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響和滲透。

6.納米科技與納米材料納米科學(xué)技術(shù):20世紀(jì)80年代末誕51納米科學(xué)技術(shù)宇航、交通傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)環(huán)境、能源醫(yī)療和藥物新材料電子器件計(jì)算機(jī)國家安全生物、農(nóng)業(yè)納米科技向不同領(lǐng)域的滲透納米科學(xué)宇航、交通傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)環(huán)境、能源醫(yī)療和藥物新材料電子52納米材料科學(xué)技術(shù)納米材料即是由納米結(jié)構(gòu)形成的材料,包括納米粒子、納米管以及納米結(jié)構(gòu)按一定方式堆積或在一定基體中分散形成的宏觀材料,如納米塊體材料和納米復(fù)合材料等.納米材料學(xué)(nanomaterialscience)是研究納米材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系及其應(yīng)用的科學(xué),是物理學(xué)、化學(xué)和材料學(xué)的交叉研究領(lǐng)域,是納米科技的重要組成部分和中心環(huán)節(jié).納米材料學(xué)是原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、固體化學(xué)、配位化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和表面、界面科學(xué)交叉匯合而出現(xiàn)的新學(xué)科生長點(diǎn).納米材料科學(xué)技術(shù)納米材料即是由納米結(jié)構(gòu)形成的材料,包括納米53Nanoscalefunctionalunit.NanoscalebuildingblocksNanomachineBulkmaterialsNanocompositesGrindingUltrasoundSol-gelMoleculesSTM,AFMSelf-assemblyVapordepositionMicroemulsionDendrimer納米材料科學(xué)技術(shù)Nanoscalefunctionalunit.Nano54NanoparticleNanolayerNanomachine,nanoclusterComposedofafewatom(molecular)withsomespecialfunction,extensivelyexistinnatureNanostructureNanotubeNanorodNanowhiskerNanocrystallinity把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)控制在100nm以下長度尺寸的材料稱為納米材料.分為兩個層次:即納米超微粒子和納米固體材料(具有納米孔、納米通道等納米相結(jié)構(gòu)).NanoparticleNanolayerNanomach55TwopathwaystonanostructuresTwopathwaystonanostructures56我國的進(jìn)展白春禮等研制成功STM,并用其進(jìn)行石墨表面刻蝕，刻出線寬為10nm的“中國”字樣.“碳納米管和其它納米材料”

制備或合成出直徑為0.5nm的碳納米管，使碳納米管的制備和研究處于國際領(lǐng)先水平。我國的進(jìn)展白春禮等研制成功STM,并用其進(jìn)行石墨表面刻57化學(xué)與新材料課件58SomenewnanostructuresobtainedrecentlyNanobeltsSomenewnanostructuresobtain59化學(xué)與新材料課件60化學(xué)與新材料課件61未來材料發(fā)展的趨勢

未來的材料:智能化仿生化復(fù)合化納米化輕量化高功能化應(yīng)用已有的系統(tǒng)化的分子結(jié)構(gòu)和性能等知識和信息,進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì),并指導(dǎo)合成和制備具有預(yù)期性能和使用效能的材料.未來材料發(fā)展的趨勢未來的材料:62化學(xué)與新材料課件63化學(xué)與新材料課件64第一章-化學(xué)與新材料第一章-化學(xué)與新材料65主要內(nèi)容1.化學(xué)與材料科學(xué)技術(shù)2.金屬材料3.無機(jī)非金屬材料4.有機(jī)高分子材料5.復(fù)合材料6.納米材料與納米科技主要內(nèi)容1.化學(xué)與材料科學(xué)技術(shù)66材料化學(xué)的內(nèi)涵材料化學(xué)是由材料和化學(xué)兩大學(xué)科的交叉融合產(chǎn)生的新型交叉學(xué)科研究材料制備(或合成)、材料加工、材料結(jié)構(gòu)與性能研究制備材料的化學(xué)方法材料的化學(xué)處理方法研究材料的化學(xué)和物理特性材料化學(xué)的內(nèi)涵材料化學(xué)是由材料和化學(xué)兩大學(xué)科的交叉融合產(chǎn)生的67化學(xué)與新材料課件68

現(xiàn)代高科技(modernhigh-tech)

信息、材料、能源、生物技術(shù)：

—社會文明支柱，科技創(chuàng)新的重要標(biāo)志

材料—人類社會發(fā)展的里程碑

新材料—現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱

化學(xué)（物理化學(xué)）—材料科學(xué)技術(shù)的理論基礎(chǔ).現(xiàn)代高科技(modernhigh-tech)69本課程主要內(nèi)容物理化學(xué)基礎(chǔ)材料化學(xué)制備原理材料表面化學(xué)處理方法新材料介紹本課程主要內(nèi)容物理化學(xué)基礎(chǔ)701.材料科學(xué)與工程

(materialsscienceandengineering)研究材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能及使用效能各組元本身及四者之間的相互依賴關(guān)系的規(guī)律—材料科學(xué)研究如何利用這些規(guī)律性的研究成果以新的或更有效的方式開發(fā)并生產(chǎn)出材料,提高材料的使用效能,以滿足社會的需要,設(shè)汁與制造材料制備與表征所需的儀器、設(shè)備—材料工程科學(xué)與工程彼此密切結(jié)合,構(gòu)成個學(xué)科整體1.材料科學(xué)與工程

(materialsscience71性能(properties)使用效能(performance)合成與制備(synthesisandprocessing)組成與結(jié)構(gòu)(componentsandstructure)材料科學(xué)的主要內(nèi)容性能使用效能(performance)合成與制備組成與結(jié)構(gòu)材72合成與制備合成主要指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與物理過程.既包括有關(guān)尋找新合成方法的科學(xué)可題、也包括以適用的數(shù)量和形態(tài)合成材料的技術(shù)問題；既包括新材料的合成,也應(yīng)包括已有材料的新合成方法(加溶膠—凝被法)及其新形態(tài)(如纖維、薄膜)的合成.制備主要指材料在宏觀尺度上加工、處理、裝配和制造等一系列過程，使之具有所需的性質(zhì)和使用效能.

合成與制備是提高材料性能、降低生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵,也是開發(fā)新材料、新器件的首要環(huán)節(jié).合成與制備合成主要指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與73組成和結(jié)構(gòu)

組成指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布;除主要組成以外,雜質(zhì)及對材料結(jié)構(gòu)與性能有重要影響的微量添加物亦不能忽略.

結(jié)構(gòu)則指組成原干、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與品界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括微米、納米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次.

材料的組成與結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)與工程的基本研究內(nèi)容,它們指導(dǎo)材料的合成與制備,決定材料的性能和使用效能.組成和結(jié)構(gòu)組成指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布;除74性能

性能指材料固有的物理、化學(xué)特性,也是確定材料用途的依據(jù).廣義地說,性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應(yīng)的定量表述.例如,對外力作用的反應(yīng)為力學(xué)性能,對外電場作用的反應(yīng)為電學(xué)性能,對光波作用的反應(yīng)為光學(xué)性能等等.性能性能指材料固有的物理、化學(xué)特性,也是確定材料用途75使用效能

使用效能是材料以特定產(chǎn)品形式在使用條件下所表現(xiàn)的效能.它是材料的固有性能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程持性、使用環(huán)境和效益的綜合表現(xiàn),通常以壽命、效率、可靠性、效益及成本等指標(biāo)衡量.因此,與工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造過程密切相關(guān),不僅有宏觀的工程問題,還包括復(fù)雜的材料科學(xué)問題.例如,材料部件的損毀過程和可靠性往往涉及在特定的溫度、氣氛、應(yīng)力和疲勞環(huán)境廠材料中的缺陷形成和裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)理.

材料的使用效能是材料科學(xué)與工程所追求的最終目標(biāo)、而且在很大程度上代表這一學(xué)科的發(fā)展水平.使用效能使用效能是材料以特定產(chǎn)品形式在使用條件下所表現(xiàn)的76材料的選擇(materialsselection)三個重要標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)

機(jī)械性能+物理性能失效性

環(huán)境因素:氧化&腐蝕經(jīng)濟(jì)性

價格&可用性材料的選擇(materialsselection)三個重77材料的性質(zhì)(propertiesofmaterials)機(jī)械性質(zhì)

(應(yīng)力—應(yīng)變)

強(qiáng)度 延展性 斷裂韌性 抗沖擊強(qiáng)度 蠕變性 疲勞性 磨損物理性質(zhì)熱性能磁性能光學(xué)性能失效性能材料的性質(zhì)(propertiesofmaterials)78材料的分類(classificationofmaterials)基本分類(按照組成)金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料其他

(按照用途)結(jié)構(gòu)材料功能材料光電、磁熱生物材料材料的分類(classificationofmater792.金屬材料（metals&alloys)金屬材料是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料.金屬單質(zhì)一般有良好的塑性,但其機(jī)械性能往往很難滿足工程技術(shù)等多方面的需要,因此,金屬材料更多以合金的形式使用.由于價電子的高度離域性,決定了它們具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和易氧化腐蝕的性能.高密度

可塑性形變,加工成各種復(fù)雜形狀.高延展性,決定了具有高沖擊和斷裂韌性.

2.金屬材料（metals&alloys)金屬材料是以80合金的基本結(jié)構(gòu)類型(alloys)合金是由兩種或兩種以上的金屬元素(或金屬與非金屬元素)組成,具有金屬特征和更優(yōu)異性能與使用效能的材料.包括三種結(jié)構(gòu)類型.相互溶解而形成金屬固溶體—強(qiáng)度提高,延展性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能下降相互起化學(xué)作用而形成化合物—性能隨化合物組成、結(jié)構(gòu)與性能而變化無化學(xué)相互作用的機(jī)械混合物—性能平均、熔點(diǎn)下降合金的基本結(jié)構(gòu)類型(alloys)合金是由兩種81輕質(zhì)合金(lightalloys)輕質(zhì)合金:由輕金屬(Al,Mg,Ti,Li等)形成的合金材料.鋁合金:金屬鋁的密度僅2.7g/cm3,導(dǎo)電導(dǎo)熱,但強(qiáng)度、硬度和耐磨性能差,若與Mg、Cu、Zn、Mn、Si等形成合金,機(jī)械性能會大幅度改善.硬鋁合金:經(jīng)熱處理提高強(qiáng)度的變形鋁合金,其制品的強(qiáng)度和鋼相近,而質(zhì)量僅為鋼的1／4左右,但耐腐蝕性較差.如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等.防銹鋁合金:用壓力加工法提高強(qiáng)度的變形鋁合金,可耐海水腐蝕,可用于造船工業(yè)等.如Al-Mn,Al-Mg等鋁鋰合金:鋰是最輕金屬,其密度為0.534g/cm3，是鋁的1/5,鋼的1/15.飛機(jī)上改用鋁鋰合金后,重量可減輕8％~16％.如B737可減重2178kg,B747SP可減重4200kg.輕質(zhì)合金(lightalloys)輕質(zhì)合金:由輕金屬82輕質(zhì)合金鈦合金鈦與Al,V,Cr,Mo,Mn和Fe可形成置換固熔體或金屬間化合物而使其強(qiáng)度提高.具有強(qiáng)度高,密度小,抗磁性,耐高溫,抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn),是宇航工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料.輕質(zhì)合金鈦合金鈦與Al,V,Cr,Mo,Mn和83形狀記憶合金(shapememoryalloy)形狀記憶效應(yīng)-指合金材料在一定條件下,變形后仍能恢復(fù)到變形前原始形狀的能力.這類合金存在著一對可逆轉(zhuǎn)變的晶體結(jié)構(gòu),在某一轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生相轉(zhuǎn)變1951年,美國人,Au-Cd合金有記憶形狀的特性.現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多種合金系統(tǒng),In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金具有傳感和驅(qū)動雙重功能,是一種智能材料,可廣泛應(yīng)用于宇航,自控,醫(yī)療和生活等領(lǐng)域形狀記憶合金(shapememoryalloy)形84貯氫合金

(hydrogenstoragealloy)貯氫合金:某些過渡金屬、合金和金屬間化合物,由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu),使氫原子容易進(jìn)入其晶格的間隙中并形成金屬氫化物,氫與這些金屬的結(jié)合力很弱,但貯氫量很大,可以貯存比其本身體積大1000~1300倍的氫,加熱時氫又能從金屬中釋放出來.

1968年美國布魯海文國家實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)現(xiàn)鎂-鎳合金具有吸氫特性,1969年荷蘭菲利普實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)釤鈷（SmCo5）合金,鑭-鎳（LaNi5）合金在常溫下具有良好的可逆吸放氫性能.已經(jīng)成功開發(fā)了鎂系,稀土系,鈦系,鋯系貯氫合金等.貯氫合金貯運(yùn)氫氣,既輕便又安全,作為一種新型貯能材料具有極為廣泛的應(yīng)用前景.貯氫合金(hydrogenstoragealloy)貯85耐熱合金

(heatresistantalloy)耐熱合金:能在高于700℃條件下工作的金屬合金.“耐熱”是指材料在高溫下能保持足夠強(qiáng)度和良好的抗氧化性.通常是由第ⅤB~ⅦB和Ⅷ族高熔點(diǎn)金屬形成

包括鐵基,鎳基,鈷基,鈮基和鎢基等合金廣泛應(yīng)用于制造渦輪發(fā)電機(jī),各種燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件等耐熱合金(heatresistantalloy)耐熱合86耐腐蝕合金(corrosion-resistantalloy)耐腐蝕金屬:通常具備下述條件之一熱力學(xué)穩(wěn)定性高:一般是貴金屬Pt,Pd,Au,Ag,Cu等.易于鈍化的金屬:Al,Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等.表面能生成難溶的和保護(hù)性良好的腐蝕產(chǎn)物膜的金屬,通過特定腐蝕介質(zhì)來實(shí)現(xiàn).耐腐蝕合金:抵抗介質(zhì)侵蝕能力比一般金屬材料更高.與熱穩(wěn)定性高的貴金屬形成合金.與易鈍化金屬形成合金.在合金表面形成致密保護(hù)膜.耐腐蝕合金(corrosion-resistantallo87磁性材料

(magneticmaterials)

磁性體:由電磁作用而產(chǎn)生磁化的物質(zhì).凡是能磁化到較大磁化強(qiáng)度并在實(shí)際中可利用其磁性的強(qiáng)磁性體稱為磁性材料.磁性材料的類型硬磁材料或永磁材料:矯頑力極大,剩余磁通密度很高,在發(fā)電機(jī)、電氣儀表等方面大量應(yīng)用SmCo5,Sm2Co17,Nd-Fe-B,Sm2Fe17N2,Pr-Fe-B-Cu

磁性材料(magneticmaterials)磁性體:88磁性材料的類型軟磁材料:矯頑力小,外部磁場的微小變化即可引起磁化的很大變化,為磁損失小的高導(dǎo)磁率材料,主要用于電動機(jī)及變壓器的磁芯以及各種磁頭材料、磁性密封材料和微波材料等磁性材料的類型軟磁材料:矯頑力小,外部磁場的微小變化即可引89巨磁阻效應(yīng)

(giganticreluctanceeffect)

在一定磁場下材料電阻改變的現(xiàn)象稱磁電阻.巨磁阻是指在一定磁場下電阻急劇減小的現(xiàn)象.比一般磁性合金強(qiáng)10多倍.

1988年首次在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng).隨后在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中發(fā)現(xiàn)了顯著的巨磁阻效應(yīng).

1994年IBM公司研制成功巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭,磁記錄密度提高17倍,達(dá)5Gbit/in2,現(xiàn)超過11Gbit/in2.巨磁阻效應(yīng)在高密度讀出磁頭,磁存儲元件等領(lǐng)域有廣泛用途.還可用于無電源隨機(jī)存儲器,微弱磁場探測器.

巨磁阻效應(yīng)(giganticreluctanceeff90非晶態(tài)金屬(amorphousmetal)非晶態(tài)金屬:將某些金屬熔體,以極快的速度急劇冷卻,無序的原子被迅速“凍結(jié)”而形成無定型的固體.類型:金屬-金屬形成的非晶態(tài)合金:Cu60Zr40,La76Au24,U70Cr30等.

金屬-非金屬形成的非晶態(tài)合金:如Fe80B20,Fe40Ni40P14O6和Fe5Co70Si15B10等.性能特點(diǎn):強(qiáng)度韌性兼具;耐蝕性優(yōu)異;低損耗,高磁導(dǎo);催化性能和貯氫能力.非晶態(tài)金屬(amorphousmetal)非晶態(tài)金屬:將某913.無機(jī)非金屬材料

(inorganicnonmetalmaterials)除金屬以外的無機(jī)材料統(tǒng)稱無機(jī)非金屬材料或陶瓷材料.傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四種,化學(xué)組成均為硅酸鹽類,因此無機(jī)非金屬材料亦稱硅酸鹽材料先進(jìn)無機(jī)非金屬材料,亦稱無機(jī)新材料.包括結(jié)構(gòu)陶瓷,復(fù)合材料,功能陶瓷,半導(dǎo)體,新型玻璃,非晶態(tài)材料和人工晶體等.3.無機(jī)非金屬材料

92無機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu):結(jié)合力主要為離子健、共價鍵或離子-共價混合鍵.賦于這類材料以高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、耐磨損、高硬度、耐腐蝕和抗氧化的基本屬性,以及新近發(fā)現(xiàn)的寬廣的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和透光性以及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性,高溫超導(dǎo)性等.無機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu):結(jié)合力主要為離子健、共價鍵或93化學(xué)組成:無機(jī)非金屬材料已不局限于硅酸鹽,還包括其他含氧酸鹽、氧化物、碳與碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、鍺、III~V族及II~VI族化合物等.其形態(tài)初形狀也趨于多樣化,復(fù)合材料、薄膜、纖維、單晶和非晶材料占有越來越重要的地應(yīng).制備:高純度、高細(xì)度的原料,并精確控制化學(xué)組成、添加物的數(shù)量和分布、晶體結(jié)構(gòu)和材料微觀結(jié)構(gòu)等.化學(xué)組成:無機(jī)非金屬材料已不局限于硅酸鹽,還包括其他含氧94傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料天然硅酸鹽:其基本結(jié)構(gòu)單元為硅氧四面體(SiO4)4-,即硅位于四面體的中心,四個氧原子位于四面體的四個頂點(diǎn).(SiO4)4-四面體相互結(jié)合,或與金屬離子形成:具有單個陰離子,鏈狀和層狀陰離子以及骨架狀結(jié)構(gòu)等四大類硅酸鹽.

傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料天然硅酸鹽:其基本結(jié)構(gòu)單元為硅氧四面體95硅氧骨架結(jié)構(gòu)島狀三方環(huán)四方環(huán)六方環(huán)硅氧骨架結(jié)構(gòu)島狀三方環(huán)四方環(huán)六方環(huán)96硅氧骨架結(jié)構(gòu)單鏈雙鏈硅氧骨架結(jié)構(gòu)單鏈雙鏈97硅氧骨架結(jié)構(gòu)長石架狀

石英架狀

層狀硅氧骨架結(jié)構(gòu)長石架狀

石英架狀

層狀98層狀硅酸鹽礦物滑石高嶺土白云母蛇紋石層狀硅酸鹽礦物滑石高嶺土白云母蛇紋石99架狀硅酸鹽礦物長石沸石架狀硅酸鹽礦物長石沸石100鏈狀、環(huán)狀硅酸鹽礦物碌簾石電氣石輝石硅灰石硅線石鏈狀、環(huán)狀硅酸鹽礦物碌簾石電氣石輝石硅灰石硅線石101精細(xì)陶瓷(advancedceramics)

結(jié)構(gòu)陶瓷:指具有高硬、高強(qiáng)、耐磨耐蝕、耐高溫和潤滑性好等性能,用做機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的陶瓷材料.氧化鋁Al2O3

:高純超細(xì)氧化鋁經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而得.使用溫度高達(dá)1980℃,用途極廣.高純氧化鋁加入少量Y2O3和MgO等,特殊燒結(jié),可得透明陶瓷.少量Cr2O3與Al2O3形成固溶體,稱紅寶石,是激光材料.

氧化鋯ZrO2:離子鍵結(jié)合,性脆.加入少量Y2O3和CaO等可實(shí)現(xiàn)增韌,得到“陶瓷鋼”.

氮化硅(Si3N4):硬度為9.低膨脹,高熱導(dǎo),可適應(yīng)溫度的急劇變化.Si3N4可與Al2O3形成固溶體,制得新材料“塞龍(sialon)”.

碳化硅SiC,俗稱“金剛砂”,原子晶體.高溫強(qiáng)度極高,摻雜可制得半導(dǎo)體材料,制作發(fā)熱元件.已用于制造無冷卻式陶瓷發(fā)動機(jī).精細(xì)陶瓷(advancedceramics)結(jié)構(gòu)陶瓷:102精細(xì)陶瓷(advancedceramics)

功能陶瓷:指以其固有的特性或通過各種物理因素作用而顯示某種新性能的陶瓷材料.壓電陶瓷:具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料.主要有:鈦酸鋇系、鈦酸鉛系和鋯鈦酸鉛系.用于制造各種換能器和傳感器.晶體受外力作用而形變,同時在對應(yīng)兩個面上產(chǎn)生電荷,晶體帶電的大小與外力成正比;相反,在外加電場作用下,在晶體相應(yīng)面上會產(chǎn)生形變,該現(xiàn)象稱“壓電效應(yīng)”.

光導(dǎo)纖維:光通信的關(guān)鍵.SiO2和LaF3已實(shí)用化.

固體電解質(zhì):AgI離子晶體,Y2O3和CaO穩(wěn)定的ZrO2,Na-b-Al2O3等.

傳感材料精細(xì)陶瓷(advancedceramics)功能陶瓷:103半導(dǎo)體材料(semiconductingmaterial)

半導(dǎo)體材料:室溫電阻率為10-4~1010·cm,依靠電子和孔穴這兩類載流子的遷移實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的材料.半導(dǎo)體材料類型:元素半導(dǎo)體：包括Si,Ge,Sn,P,As,Se等,但實(shí)用的純單質(zhì)只有Si和Ge.均使用其高純單質(zhì),如大規(guī)模集成電路使用的硅純度超過99.9999999,現(xiàn)已能制得14個9的單晶硅.半導(dǎo)體材料(semiconductingmaterial104半導(dǎo)體材料

摻雜半導(dǎo)體:適當(dāng)摻雜大幅度提高電導(dǎo)率,通過調(diào)整雜質(zhì)含量控制電導(dǎo)率,包括p-型如Si(B,Al),Ge(Ga)和n-型半導(dǎo)體如Si(P,As),Ge(As).化合物半導(dǎo)體:AxB8-x(x=1,2,3),即I-VII,II-VI,III-V族元素的組合,具有金剛石型或ZnS型晶體結(jié)構(gòu),以共價鍵為主.實(shí)用化最多的是III-V型,性能最好的是GaAs,亮灰,硬而脆,摻Te,得n-型,摻Zn或Cd得p-型.缺陷半導(dǎo)體:氧化物和硫化物,結(jié)構(gòu)中存在陰離子或陽離子空位.半導(dǎo)體材料摻雜半導(dǎo)體:適當(dāng)摻雜大幅度提高電導(dǎo)率,通過調(diào)105超導(dǎo)材料(superconductingmaterials)

超導(dǎo)電性:某些材料隨溫度降低,電阻率下降,在某一特定溫度附近,電阻突然消失的現(xiàn)象.具有超導(dǎo)電性的材料稱超導(dǎo)材料.荷蘭物理學(xué)家H.K.Onnes:1911年首次發(fā)現(xiàn)Hg在4.15K時出現(xiàn)0電阻.1973年得到Tc為23.2K的Nb3Ge超導(dǎo)體.超導(dǎo)材料(superconductingmaterial106超導(dǎo)材料20世紀(jì)80年代中期,世界超導(dǎo)研究取得巨大突破:1986年瑞士貝德諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)了Tc=35K的La-Ba-Cu-O混合氧化物.1987年美籍華人朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)了Tc=90K的超導(dǎo)氧化物.我國趙中賢研究組制得了Tc=93K的Y-Ba-Cu-O混合氧化物,并測定了晶體結(jié)構(gòu).超導(dǎo)溫度已高于液氮沸點(diǎn)77K,進(jìn)入實(shí)用化階段.中國科大研究組已制得了Tc=132K的Bi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體.超導(dǎo)材料在能源輸送,磁懸浮列車,醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景.超導(dǎo)材料20世紀(jì)80年代中期,世界超導(dǎo)研究取得巨大突破:1074.高分子材料高分子材料學(xué)科的基本任務(wù)是：研究高分子材料的合成、結(jié)構(gòu)和組成與材料的性質(zhì)、性能之間的相互關(guān)系;探索加工工藝和各種環(huán)境因素對高分子材料性能的影響;為改進(jìn)工藝,提高高分子材料的質(zhì)量,合理使用高分子材料,開發(fā)新材料、新工藝和新的應(yīng)用領(lǐng)域提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù).高分子材料學(xué)科是一門年輕而新興的學(xué)科,它的發(fā)展要求科學(xué)和工程技術(shù)最為密切的配合,它的進(jìn)步需要跨部門、多學(xué)科的最佳協(xié)調(diào)和共同參與.4.高分子材料高分子材料學(xué)科的基本任務(wù)是：研究高分子材料的合108術(shù)語（Nomenclatures）Macromolecule(大分子):由大量原子組成,具有高的相對分子質(zhì)量或分子重量.Polymermolecule(聚合物分子,簡稱高分子):由許多(poly)部分(mer,單體單元或鏈節(jié))組成的多重重復(fù)的分子.一個高分子總是一個大分子,但一個大分子不一定是高分子.Polymer(聚合物):是由許多聚合物分子組成的一種物質(zhì),它是一種聚合的物質(zhì).術(shù)語（Nomenclatures）Macromolecul109化學(xué)與新材料課件1105.復(fù)合材料金屬材料易腐蝕;高分子材料易老化,不耐高溫;無機(jī)非金屬材料韌性差,易碎裂.三者優(yōu)化組合,制備性能優(yōu)異的復(fù)合材料.復(fù)合材料大多是以連續(xù)相存在的基體材料和分散于基體中的增強(qiáng)材料組成.增強(qiáng)材料:能提高材料基本力學(xué)性能的物質(zhì).包括粒子和纖維.無機(jī)納米粒子具有更高的增強(qiáng)增韌效應(yīng);纖維具有良好的剛性和抗張強(qiáng)度.在體系中構(gòu)成復(fù)合材料的骨架,決定材料的剛性和強(qiáng)度.基體材料:使增強(qiáng)材料粘合成型,且對承受的外力起傳導(dǎo)和分散作用.21世紀(jì)是復(fù)合材料的世紀(jì).5.復(fù)合