1PreparationofMaterials材料制備技術第一章緒論2課程介紹

材料已成為當今科學技術和社會發(fā)展的重要支柱，材料科學與基礎科學亦日益融合形成了新的邊沿科學——材料化學和材料物理。在該專業(yè)本科生大三的第二學期開設材料合成這門課，旨在將同學們在大學初期的知識模塊融和在一起，是專業(yè)培養(yǎng)的很重要的一個環(huán)節(jié)，也是對大學所學知識的一次匯總應用，是理論知識與實踐結合的一次訓練，屬于綜合性質(zhì)很強的高級專業(yè)課，共32學時，講課28，實驗4。通過學習，要求學生掌握幾種材料的制備技術，理解其制備原理，知道所用的主要儀器設備和基本實驗思路、知道不同制備方法的特點，擴大視野，最終學會自己設計實驗，合成材料。3學習方式

課程以課堂講授為主，配有實驗課程，同時可通過查閱文獻及課堂討論等形式，借以促進學生了解并學習材料化學和材料物理領域內(nèi)材料合成的基本方法以及理論，同時掌握一些新的材料合成技術。4材料制備化學合成工藝技術Chapter5PreparationofMaterials課程重點及學習內(nèi)容

單晶制備非晶材料的制備薄膜制備技術復合材料及其制備技術（高聚物基、金屬基、陶瓷基）結構陶瓷功能陶瓷電子陶瓷通訊器件（壓電陶瓷變壓器、揚聲器)生產(chǎn)技術功能高分子制備技術納米合成技術5

參考資料

1、教材：曹茂盛等主編，材料合成與制備方法，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2001年8月。

2、其它信息庫：－課堂－圖書館（各章所需的參考書將會在每章列出來）－網(wǎng)絡－實驗課程中6課程考察與成績評定

總評積分公式為

100＝70＋10＋20，即總評＝考試成績＋實驗成績＋平時成績

1、考試成績常規(guī)閉卷，滿分100，占70％

2、實驗成績試驗老師給出，滿分100，占10％

3、平時成績到課情況、課堂聽講、回答問題情況為主，滿分100，占20％7

緒論1、材料的定義通俗定義：

材料是原料中取得的生產(chǎn)物質(zhì)的原料。材料是制成成品的東西。例如：高分子、金屬、陶瓷等等。8●國內(nèi)外3部大型辭書對材料的定義：

①《LongmanDictionary》《朗曼詞典》

anythingfromwhichsomethingisormaybemade。②《OxfordAdvancedLearner’English-ChineseDictionary》

thatofwhichsomethingiscanbemadeorwhichsomethingisdone。材料的專業(yè)涵義9③《辭海》：

把自然界經(jīng)過開采而獲得的勞動對象稱為原料。因此，自然存在的，而未經(jīng)過人類任何勞動輸入的就不能稱為原料。例如，開采出來的礦物是冶金的原料，種植出來的小麥是制造面粉的原料，單采掘工業(yè)中就沒有原料，而自身長出也未收割的小麥就不是原料。同樣，在加工工業(yè)中，一般把來自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動對象稱為原料，把經(jīng)過工業(yè)加工的原料（如鋼鐵、水泥）稱為材料，而材料和原料合稱為原材料。10

《辭海》定義可以總結為

原料材料經(jīng)過人類勞動而取得的勞動對象

經(jīng)過二次加工的原料11●上述定義的欠缺共性

3個定義都指出了：材料是用來制作某種物件或完成某一事情的。差異

兩種英文定義均未能指出材料使用過程中本質(zhì)方面的變化。辭海的定義雖然闡明了原料和材料之間的聯(lián)系和區(qū)別，但也沒有指出材料在使用中本質(zhì)的變化。12使用這些定義在實際中帶來不便如①化工品燒堿(NaOH)？按定義應是材料，但類似不勝枚舉的化工產(chǎn)品都是原料。②來自采掘工業(yè)的沙石、木材等等？按定義似乎應是原料，但習慣上將其歸入建筑材料。思考？食鹽在加工中失去了其原質(zhì)，燒堿在應用于其它化工加工過程時，也要失去原質(zhì)，而食鹽和燒堿一般都被看作是化工原料，故原料在加工中一般均失去了原質(zhì)。13

因此，現(xiàn)代材料學可以如此來定義材料：

經(jīng)過人類勞動獲得的、在進一步的加工過程中仍然保持原質(zhì)的勞動對象稱為材料（Materials）。例如：鋼鐵、金屬、陶瓷、木材等。

原料（Rawmaterials）：潛入了勞動價值，但在以后應用中原質(zhì)會發(fā)生變化的勞動對象。如燒堿、中和反應所用的鹽酸等化工原料。142、材料的分類從來源上分，材料可以分為：天然的——木材，石料合成——化學纖維，塑料，金屬，陶瓷半天然——紙張，布料15按照材料的化學屬性可以分有機高分子材料黑色金屬（鐵、錳、鉻及其合金）有色金屬金屬材料單晶形態(tài)多晶形態(tài)。新型陶瓷材料（NewCeramics）或精細陶瓷（FineCeramics）。以脂肪族或芳香族的C-C共價鍵為基礎結構的大分子組成。一般又分為塑料、橡膠和纖維。復合材料金屬、無機非金屬和有機高分子材料等有機結合無機非金屬材料16

“雜化材料”從80年代開始，日本理部化學研究所山田瑛、雀部博之等人，在應用化學學科中提出“雜化”（hybrid）的概念——兩種以上不同種類的有機、無機和金屬材料在原子、分子水平上雜化，從而產(chǎn)生具有新型原子、分子集合結構的物質(zhì)，屬于分子復合材料的范疇。構造機制：離子界面消失，完全結晶化，因此這種材料具有許多新的性能和用途。17按材料的性能分類任何材料在使用過程中都能提供可利用的某種或某些功能。根據(jù)這些性能可以將材料分為2大類：結構材料（Structuralmaterial）以力學性能，如受力形變、脆性斷裂和強度等作為應用性能，具有抵抗外力作用而保持自己的形狀、結構不變的特點。如制造工具、機器、車輛用的鋼鐵材料，建筑房屋、橋梁和鐵路用的混凝土材料。18功能材料（Functionalmaterial）：指具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功能及相互轉(zhuǎn)化的性能，被用于非結構目的高技術材料。如光致變色材料、電致變色、形狀記憶材料等。此概念1965年由美國貝爾研究所的J.A.Morton博士提出，現(xiàn)已被各國材料界重視和接受。19功能材料的功能及其示例熱學性能——熱容、熱傳導、熱穩(wěn)定；光學性能——與光的作用、吸光、發(fā)光和透光性；電學性能——導電、介電和壓電性等；磁學性能——永磁、硬磁、軟磁等；化學性能——反應性、催化等；生物功能——適應、生物活性、保健等。20注意：一種材料屬于結構材料還是功能材料，由使用目的決定。舉例：①彈性材料應用力學性能——用于非結構目的

——屬于功能材料；②結構陶瓷應用力學性能——用于結構目的

——屬于結構材料；③普通玻璃應用力學性能——用于結構目的

——屬于結構材料；④特種玻璃應用光學性能——用于非結構目的

——屬于功能材料。21按材料的化學組成分類材料有機材料無機材料木材石材人工晶體高性能陶瓷化學纖維塑料鋼材磚瓦紙張布料陶器22金屬材料非金屬材料高分子材料復合材料金屬結構材料金屬功能材料新型陶瓷材料特種玻璃超耐熱合金非晶合金輕質(zhì)合金等導電材料形狀記憶合金貯氫合金超導合金電氣陶瓷工程陶瓷超硬陶瓷敏感元件陶瓷快離子導體納米陶瓷優(yōu)異機械性能特種玻璃導電性能玻璃光學性能玻璃耐輻射性能玻璃集成電路材料磁記錄材料人工單晶材料塑料、橡膠、纖維涂料、粘合劑工程高分子功能高分子材料液晶材料纖維增強材料聚合物基復合材料金屬基復合材料無機基復合材料新材料體系的混合分類法23根據(jù)性質(zhì)分類

物理性質(zhì)——高強、超塑性、高溫、低溫、導電、半導體、絕緣、絕熱等

其它功能性質(zhì)——結構材料、功能材料按技術成熟程度及發(fā)展前景劃分傳統(tǒng)材料，如普通金屬、鋼鐵、有機物新型材料，如智能材料、傳感材料、光纖等243材料的發(fā)展歷程

第一代為天然材料在原始社會生產(chǎn)技術水平低下，人類使用的材料只能是自然界的動物、植物和礦物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。

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第二代為燒煉材料

燒煉材料是燒結材料和冶煉材料的總稱。人類用天然的礦土燒結磚瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，這些都屬于燒結材料；從各種天然的礦石中提煉銅、鐵等金屬，則屬于冶煉材料。26

5500BC，天然金與銅被用作工具與武器人類開始了金屬的使用275000BC，熔煉和錘擊改變了銅的性能，金屬材料開始發(fā)展

284000BC，通過金屬鑄造工藝-人們得到了他們需要的形狀。

最早的模鑄件-一個銅制杖頭

293500BC，從礦石中提煉銅-冶金業(yè)的黎明

這張埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀錄之一

303000BC，青銅的使用-制造合金

青銅：第一種合金

311450BC，鐵的發(fā)現(xiàn)

注：人類最早發(fā)現(xiàn)和使用的鐵是隕鐵（含鐵量較高的鐵、鈷、鎳等金屬的混合物）。在約公元前1500年左右，埃及和美索不達米亞開始有煉鐵業(yè)：至公元前1000年左右，鐵器才基本上從日常用具中排擠了銅器而占統(tǒng)治地位、中國商代銅鉞上就鑲鑄有鐵刃，表明中國在公元前1000多年就熟悉了鐵的鍛造性能?；瘜W符號Fe來自鐵的拉丁文名ferrum。32

1886AD，電化學方法冶煉鋁，使鋁成為一種常用金屬。

331856AD，英國發(fā)明家貝塞麥（HenryBessemer，1813～1898）發(fā)明了鋼鐵冶煉的專利——貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼法，在鑄造爐中熔化鐵時使用鼓風設備，利用空氣即可除去鐵水中的碳，煉出熟鐵或低碳鋼。貝塞麥法的誕生使鋼鐵制品性能大大改觀而成本也降低不少，這在冶金發(fā)展史上具有劃時代的意義，標志著早期工業(yè)革命“鐵時代”向“鋼時代”的演變。貝塞麥曾任英國鋼鐵學會主席，1879年當選為英國皇家學會會員

34繼次之后，煉鐵的需要促使了鼓風機與熔爐的發(fā)明

廉價的冶鐵業(yè)

35第三代材料為合成材料

在20世紀初期出現(xiàn)了化工合成產(chǎn)品，其中合成塑料、合成橡膠和合成纖維已廣泛地是用于生產(chǎn)和生活中。從1907年第一個小型酚醛樹脂廠建立，到1927年第一個熱塑性聚氯乙烯塑料的生產(chǎn)實現(xiàn)商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工業(yè)迅猛發(fā)展起來，這一領域的進展經(jīng)歷了新型塑料和合成纖維的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工業(yè)化（1970-1980年）、分子設計、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等幾個發(fā)展進程。361939尼龍商業(yè)發(fā)展迅速發(fā)展高分子材料發(fā)展的關鍵時期

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第四代——可設計的材料

并不滿足于現(xiàn)有的材料，而是出現(xiàn)了根據(jù)實際需要而設計的具有特殊性能的材料，如金屬陶瓷、鋁塑薄膜等復合材料屬于這一類。第五代——智能材料，現(xiàn)代功能材料是近三、四十年來研制的一類新型功能材料，它們隨時間、環(huán)境的變化改變自己的性能或形狀，好像具有智能。例如自修復材料、形狀記憶材料等就屬于這一類，后者已開展在金屬、高分子和復合材料領域內(nèi)，應用廣泛，極大地豐富和方便了現(xiàn)代航天、工業(yè)和醫(yī)療技術。3838形狀記憶合金在軍事和航天工業(yè)方面的應用——月面天線Chapter6MetallicMaterials3939

在工程方面的應用形狀記憶合金管接口Chapter6MetallicMaterials4040Advantages形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)勢：①夾緊力大，接觸密封可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；②適于不易焊接的接頭；③金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體；④安裝時不需要熟練的技術。

Chapter6MetallicMaterials4141

在醫(yī)療方面的應用記憶型NiTi牙弓絲Chapter6MetallicMaterials脊柱矯形棒、人工關節(jié)、人造心臟、美體內(nèi)衣等。4242Examples形狀記憶合金套管連接的鋁合金假肢形狀記憶合金制成的血栓過濾器Chapter6MetallicMaterials4343

形狀記憶式熱發(fā)動機形狀記憶用于熱發(fā)動機的原理Chapter6MetallicMaterials4444Examples美國人發(fā)明的鎳鈦諾爾熱機JChapter6MetallicMaterials4545偏心曲柄型熱機渦輪型熱機Chapter6MetallicMaterials4646自控元件原理Chapter6MetallicMaterials47474.4SMAChapter6MetallicMaterials雙程CuZnAl記憶合金彈簧

48484.4SMA雙程CuZnAl記憶合金花Chapter6MetallicMaterials4949ExamplesTiNi

記憶合金眼鏡架Chapter6MetallicMaterials超彈性耐腐蝕性重量輕504材料與人類社會的關系

材料是人類社會進步的物質(zhì)基礎和先導，是人類進步的里程碑。（1）材料和人類社會發(fā)展關系密切51燧石，這種容易制成工具的石頭，開始了制陶業(yè)的發(fā)展。

從人類社會發(fā)展來看，使用材料經(jīng)歷了三大里程碑：

石器時代：以石頭制造工具?？梢詣澐譃榕f石器時代（公元前2~3百萬年至約1萬年,從原始部落到母系社會）、中石器時代（公元前約1萬年至7~8千年）、新石器時代（公元前7~8千年至6千年）。這期間，我們的祖先以石器為主要工具，在尋找石器的過程中認識了礦石，發(fā)明了火，制造了第1種人造材料——陶，并在燒陶過程中發(fā)展了冶銅術，開創(chuàng)了冶金技術。（2）材料的使用程度是人類社會發(fā)展的里程碑525500BC天然金與銅被用作工具與武器，開始了人類金屬的使用。

銅器時代：人類大量制造和使用第2種人造材料——“紅銅”和“青銅”?！凹t銅”時代約在公元前4～5千年，即原始社會到奴隸社會初期；“青銅”時代約在我國商周時代和私有制建立的前夜。533500BC從礦石中提煉銅-冶金業(yè)的黎明

埃及的古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀錄之一

541450BC鐵的發(fā)現(xiàn)

鐵器時代：人類制造和使用第3種人造材料——鑄鐵，此后是鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展,成為18世紀產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎。人類社會發(fā)展到20世紀中葉以來，科學技術突飛猛進，日新月異，作為發(fā)明之母和產(chǎn)業(yè)糧食的新材料研制更是異?；钴S，出現(xiàn)了稱之為聚合物時代、半導體時代、先進陶瓷時代和復合材料時代等種種提法。在當前新技術革命涉及整個國際社會的浪潮沖擊下，人類進入了一個材料革命的新時代。551950’S，高溫合金的發(fā)展，摻鎳合金促進了噴氣發(fā)動機的發(fā)展。56（3）生活和工業(yè)中的材料科學

材料是人類社會賴以生存和發(fā)展、征服自然和改造自然的物質(zhì)基礎。因此，材料是社會進步的物質(zhì)基礎和先導，是人類社會進步的里程碑?？v觀人們利用材料的歷史，可以清楚地看到，每一種重要的新材料的發(fā)展和應用，都把人類支配自然的能力提高到一個新水平。材料科學技術的每一次重大突破都會引起生產(chǎn)技術的革命，大大加速社會發(fā)展的進程，給社會生產(chǎn)和人們生活帶來巨大的變化，把人類物質(zhì)文明推向前進。復合材料鐵器材料銅器材料石器材料現(xiàn)代社會原始社會57生活中的材料科學

鈦結構自行車架的斷面結構

鈦鋼的焊接

58生命科學材料

1832年以來美國牙科協(xié)會一直使用專用的汞合金，它通常有下列材料組成：

50%Hg汞

20%（最少）Ag銀

15%（最多）