搜索
1四、什么是材料？1.材料是物质，但不是任何物质都可称为材料。专家一：“材料是为人类社会所能接受的，经济地制造有用器件的物质”专家二：“材料是经过萃取、反应、加工、处理后具有某种确定的物理和化学性质的物质。”2五、材料分类材料的类别划分有多种不同的方式，各种方式是从不同的角度来划分的，下面我们举出一些常见的分类方式。化学分类：从化学组成来划分材料类别，可以简单地将材料划分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。状态分类：从结晶状态角度材料被划分为：单晶材料、多晶材料、非晶材料、液晶材料等。物相分类：单相材料、多相材料、混合材料、复合材料等。形态分类：按材料的几何形态尺度，材料可分类为：三维（块状）材料、二维（薄膜）材料、一维（纤维）材料等。3预备知识：晶体与非晶体的主要区别晶体具有规则的几何外形，而非晶体则没有。因为组成晶体的质点是有规则地排列在空间的一定点上的，形成空间格子(晶格)，而非晶体内质点的排列是不整齐和无规则的。晶体具有固定的熔点。当晶体被加热达到某一温度即熔点，晶体开始熔化，但在晶体物质没有全部熔化前继续加热温度不再上升。而非晶体物质在加热或冷却时则并不如此，它们在加热时随温度的升高逐渐变软，开始流动，最后完全变成液体。晶体在各个方向上的性质不同，如硬度、导热性、光的折射率等均随晶体方向的不同而不同。而非晶体则各向同性。除上述特性外，晶体还具有同质多晶与类质同晶现象及热振动现象。4多晶是众多取向晶粒的单晶的集合。多晶与单晶内部均以点阵式的周期性结构为其基础，对同一品种晶体来说两者本质相同。两者不同处在于单晶是各向异性的，多晶则是各向同性的单晶与多晶：一个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒就是非晶。单晶只有一套衍射斑点；多晶的话，取向不同会表现几套斑点。预备知识：什么是多晶?5物性分类：根据材料物理性质的差别，常常把材料分为：强度材料、高温材料、导电材料、半导体材料、绝缘材料、磁性材料、透明材料、不透明材料等。用途分类：从使用领域不同，材料也被划归不同的类别，如：建筑材料、结构材料、电工材料、电子材料、能源材料、信息材料、纺织材料、包装材料、生物医用材料等。6有时把材料简单分为结构材料和功能材料两类。主要利用其力学性能且被用于结构性装置的材料被归于结构材料。而将主要利用其热、电、磁、光特性且不承担结构作用的材料统称为功能材料。对功能材料，又往往根据材料所具有的特殊物理效应再划分成各种不同的类别，如：压电材料、热电材料、铁电材料、光电材料、电光材料、声光材料、磁光材料等。功能分类7材料分类说明8六、什么是新材料？1989年，日本基础新材料研究会在“新材料产业今后应有的状态”报告书中的定义如下：“所谓新材料，是指以金属系、无机系、有机系的原料以及由它们组合的原料为基础，通过高水平的制造、加工技术（例如在原子、分子水平上微制造控制、高纯度化、复合化）或商品化技术，产生过去没有的、具有所期望的特性和新的社会效益的、附加值高的材料”。9现代科技的兴起和发展与某种或某类新材料的出现息息相关。例如：铀等核材料→原子能科技；半导体材料→电子科技→计算机科技；激光材料→激光科技及现代光学；光纤材料→光纤通讯；高温超导材料→超导科技的高潮；敏感材料→传感器技术磁性记录材料→高密度存储器技术纳米材料→纳米技术，C60→富勒烯科技的大发展。新材料是现代科技发展的生长点10七、什么是复合材料？将不同的材料组合，可以有效发挥各材料的优点，从而得到比单独的材料具有更优越的特性或多种功能的新材料。复合，不仅具有互补作用，还具有一种相乘效应，能够产生出单一材料或技术所无法期望得到的全新的材料。11七、什么是复合材料？复合材料大致可以分为合成系和生成系。合成系如图(a)所示，复合前后的构成原料、比例、形态几乎不发生变化。生成系如图(b)所示，在复合前后上述三种要素都发生变化。复合材料的基体材料金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。天然树脂是指由自然界中动植物分泌物所得的无定形有机物质，如松香、琥珀、虫胶等。合成树脂是指由简单有机物经化学合成或某些天然产物经化学反应而得到的树脂产物.12复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类成型方法复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将粉末冶金基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等.陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。13预备知识:RTM：树脂传递模塑成型工艺（ResinTransferMolding，简称RTM）是在闭合模腔中预先铺覆好增强材料，然后将热固性树脂注入到模腔内，浸润其中的增强材料，树脂在室温或升温条件下固化脱模，得到两面光滑的制品。14预备知识:热压罐成型是将复合材料毛胚、蜂窝夹芯结构或胶接结构用真空袋密封在模具上，置于热压罐中，在真空（或非真空）状态下，经过升温→加压→保温→降温和卸压过程，使其成为所需要求的先进复合材料及其构件的成型方法之一。用热压罐成型的复合材料构件多应用于航空航天领域等的主承力和次承力结构。该成型工艺模具简单，制件密实，尺寸公差小，空隙率低。但是该方法能耗大，辅助材料多，成本高。1516八、电气电子技术的发展和电工材料电工材料的分类导电材料（铜、铝等低电阻率材料）绝缘材料（瓷、云母等高电阻率有机材料）半导体材料（硅、锗、砷等材料）磁性材料（铁氧体、硅钢片、非晶态合金等）电工新材料（超导体、压电陶瓷等）17电工材料学科的研究方向电工材料学科的研究方向复合材料的研究，把现有材料有效组合，即材料复合技术分子和原子技术，即利用分子和原子技术改善材料的性能，或者开发出新材料电工材料涉及学科电磁学、量子物理学、固体物理学、电子电路、半导体技术、电介质绝缘技术和磁性物质等18学习本课程所需要的基础19大方面小方面问题类别涉及学科科学问题现象描述宏观现象微观现象迁移现象物理学，结晶学固体物理学，晶体物理学，核物理学物质合成反应过程相关系化学键化学，热力学，物理化学，结晶化学，量子化学特性表征组成结构缺陷表观观察，显微观察，成分分析，结构分析，波谱分析技术问题材料制备晶体,非晶体陶瓷,复合体粉,膜,纳米材料等晶体生长，烧结，熔融，聚合，冶炼，复合工艺物性测定本征物性缺陷物性效应物性力学，光学，热学，电磁学，声学，化学应用后处理技术性能测试使用试验加工，成形，器材试制，材料力学化学20几种新型材料介绍1.石墨烯2.足球烯——C603.碳纤维21石墨烯发现过程2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(AndreK.Geim)等制备出了石墨烯。海姆和他的同事偶然中发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用普通的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。斯德哥尔摩2010年10月5日瑞典皇家科学院5日宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·K·海姆和康斯坦丁·沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。22石墨烯材料特性石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electricchargecarrier)。石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料，这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线！232.足球烯——C6024C60发现过程C60是美国休斯顿赖斯大学的史沫莱(Smalley,R.E.)等人和英国的克罗脱(Kroto,H.W.)于1985年提出烟火法而正式制得的。他们用大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳分子，从而得到了C60。C60的组成及结构已经被质谱、X射线分析等实验所证明。此外，还有C70等许多类似C60的分子也已被相继发现。25富勒烯除C60外，具有封闭笼状结构的还可能有C28、C32、C50、C70、C84……C240、C540等，统称为富勒烯(Fullerene)。数学上，富勒烯的结构都是以五边形和六边形面组成的凸多面体。最小的富勒烯是C20，有正十二面体的构造。没有22个顶点的富勒烯。之后都存在C2n的富勒烯，n=12,13,14...。在之些小的富勒烯中，都存在着五边形相邻结构。C60是第一个没有相邻的五边形的富勒烯，下一个是C70。在更高的富勒烯中，普遍满足孤立五边形规则(Isolatedpentagonrule,IPR)，即在n12时，不存在相邻的五边形结构。C60的制备用纯石墨作电极，在氦气氛中放电，电弧中产生的烟炱（音tai_2)沉积在水冷反应器的内壁上，这种烟炱中存在着C60、C70等碳原子簇的混合物。用萃取法从烟炱中分离提纯富勒烯，将烟炱放入索氏(Soxhlet)提取器中，用甲苯或苯提取，提取液中的主要成分是C60和C70以及少量C84和C78。再用液相色谱分离法对提取液进行分离，就能得到纯净的C60溶液。C60溶液是紫红色的，蒸发掉溶剂就能得到深红色的C60微晶。2627材料特性C60分子的直径约为7.1埃（1埃=10-10米）；C60常态下不导电。因为C60大得可以将其他原子放进它内部，并影响其物理性质，因而不可导电。另外，由于C60有大量游离电子，所以若把可作β衰变的放射性元素困在其内部，其半衰期可能会因此受到影响。掺杂C60的超导体已进入高温超导体的行列。北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了K3C60和Rb3C60超导体，超导起始温度分别为8K和28K。有科学工作者预言，如果掺杂C240和掺杂C540，有可能合成出具有更高超导起始温度的超导体。利用C60独特的分子结构，可以将C60用作比金属及其合金更为有效和新型的吸氢材料。每一个C60分子中存在着30个碳碳双键，因此，把C60分子中的双键打开便能吸收氢气。与金属或其合金的贮氢材料相比，用C60贮存氢气具有价格较低的优点，而且C60比金属及其合金要轻，因此，相同质量的材料，C60所贮存的氢气比金属或其合金要多。C60的甲苯溶液中加入过量的TDAE，得到了黑色微晶沉