化学与新材料

化学与新材料李侃社赵世永西安科技大学化学化工学院2020/2/52主要内容1.化学与材料科学技术2.金属材料3.无机非金属材料4.有机高分子材料5.复合材料6.纳米材料与纳米科技2020/2/53•现代高科技(modernhigh-tech)信息、材料、能源、生物技术：—社会文明支柱，科技创新的重要标志•材料—人类社会发展的里程碑！•新材料—现代科学技术和社会发展的基础和支柱！化学—材料科学技术的理论基础.2020/2/541.材料科学与工程(materialsscienceandengineering)研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及四者之间的相互依赖关系的规律—材料科学.研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发并生产出材料,提高材料的使用效能,以满足社会的需要,设汁与制造材料制备与表征所需的仪器、设备—材料工程科学与工程彼此密切结合,构成个学科整体.2020/2/55性能(properties)使用效能(performance)合成与制备(synthesisandprocessing)组成与结构(componentsandstructure)构成材料科学与工程的四组元四面体关系2020/2/56合成与制备•合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程.既包括有关寻找新合成方法的科学可题、也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成,也应包括已有材料的新合成方法(加溶胶—凝被法)及其新形态(如纤维、薄膜)的合成.•制备主要指材料在宏观迟到上加工、处理、装配和制造等一系列过程，使之具有所需的性质和使用效能.合成与制备是提高材料质量、降低牛产成本和提高经济效益的关键,也是开发新材料、新器件的小心环节.2020/2/57组成和结构•组成指构成材料物质的原子、分子及其分布;除主要组成以外,杂质及对材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略.•结构则指组成原干、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与品界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纹米、微米、色米及更宏观的结构层次.材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容,它们指导材料的合成与制备,决定材料的性能和使用效能.2020/2/58性能•性能指材料固有的物理、化学特性,也是确定材料用途的依据.广义地说,性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述.例如,对外力作用的反应为力学性能,对外电场作用的反应为电学性能,对光波作用的反应为光学性能等等.2020/2/59使用效能•使用效能是材料以持定产品形式在使用条件下所表现的效能.它是材料的固有性能、产品设计、工程持性、使用环境和效益的综合表现,通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标衡量.因此,与工程设计及生产制造过程密切相关,不仅有宏观的工程问题,还包括复杂的材料科学问题.例如,材料部件的损毁过程和可靠性往往涉及在特定的温度、气氛、应力和疲劳环境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理.材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标、而且在很大程度上代表这一学科的发展水平.2020/2/510材料科学与工程是多学科交叉2020/2/511材料的选择(materialsselection)三个重要标准性质机械性能+物理性能失效性环境因素:氧化&腐蚀经济性价格&可用性2020/2/512材料的性质(propertiesofmaterials)机械性质(应力—应变)强度延展性断裂韧性抗冲击强度蠕变性疲劳性磨损物理性质热性能磁性能光学性能失效性能2020/2/513材料的分类(classificationofmaterials)基本分类(按照组成)金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料其他(按照用途)结构材料功能材料光电、磁热生物材料2020/2/5142.金属材料（metals&alloys)金属材料是以金属元素为基础的材料.金属单质一般有良好的塑性,但其机械性能往往很难满足工程技术等多方面的需要,因此,金属材料更多以合金的形式使用.由于价电子的高度离域性,决定了它们具有良好的导电、导热性能和易氧化腐蚀的性能.高密度可塑性形变,加工成各种复杂形状.高延展性,决定了具有高冲击和断裂韧性.2020/2/515合金的基本结构类型(alloys)P291~297合金是由两种或两种以上的金属元素(或金属与非金属元素)组成,具有金属特征和更优异性能与使用效能的材料.包括三种结构类型.相互溶解而形成金属固熔体—强度提高,延展性和导电导热性能下降.相互起化学作用而形成化合物—性能随化合物组成、结构与性能而变化无化学相互作用的机械混合物—性能平均、熔点下降.2020/2/516轻质合金(alloys)轻质合金是由轻金属(Al,Mg,Ti,Li等)形成的合金材料.铝合金:金属铝的密度仅2.7g/cm3,导电导热,但强度、硬度和耐磨性能差,若与Mg、Cu、Zn、Mn、Si等形成合金,机械性能会大幅度改善.经热处理提高强度的变形铝合金为硬铝合金,其制品的强度和钢相近,而质量仅为钢的1／4左右,但耐腐蚀性较差.如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等.用压力加工法提高强度的变形铝合金称为防锈铝合金,可耐海水腐蚀,可用于造船工业等.如Al-Mn,Al-Mg等高强高模铝锂合金:锂是最轻金属,其密度为0.534g/cm3，是铝的1/5,钢的1/15.飞机上改用铝锂合金后,重量可减轻8％~16％.如B737可减重2178kg,B747SP可减重4200kg.2020/2/517轻质合金(lightalloys)钛合金钛与Al,V,Cr,Mo,Mn和Fe可形成置换固熔体或金属间化合物而使其强度提高.具有强度高,密度小,抗磁性,耐高温,抗腐蚀等优点,是宇航工业的重要结构材料.可助人上天入海.2020/2/518形状记忆合金(shapememoryalloy)所谓形状记忆效应是指合金材料在一定条件下,变形后仍能恢复到变形前原始形状的能力.这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构,在某一转变温度发生相转变.1951年美国人在一次试验中首先发现Au-Cd合金有记忆形状的特性.现已发现有多种合金系统都存在形状记忆效应,In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb合金等.形状记忆合金具有传感和驱动双重功能,是一种智能材料,可广泛应用于宇航,自控,医疗和生活等领域.2020/2/519贮氢合金(hydrogenstoragealloy)某些过渡金属、合金和金属间化合物,由于其特殊的晶体结构,使氢原子容易进入其晶格的间隙中并形成金属氢化物,氢与这些金属的结合力很弱,但贮氢量很大,可以贮存比其本身体积大1000~1300倍的氢,加热时氢又能从金属中释放出来.1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁-镍合金具有吸氢特性,1969年荷兰菲利普实验室发现钐钴（SmCo5）合金,随后又发现镧-镍（LaNi5）合金在常温下具有良好的可逆吸放氢性能,从此引起了人们极大的关注.已经成功开发了镁系,稀土系,钛系,锗系贮氢合金,正向多元化发展.贮氢合金贮运氢气,既轻便又安全,作为一种新型贮能材料具有极为广泛的应用前景.2020/2/520耐热合金(heatresistantalloy)一般金属材料的长期使用温度500~600℃,能在高于700℃条件下工作的金属合金称为耐热合金.“耐热”是指材料在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性.耐热合金通常是由第ⅤB~ⅦB和Ⅷ族高熔点金属形成的合金.广泛应用于制造涡轮发电机,各种燃气轮机热端部件等.包括铁基,镍基,钴基,铌基和钨基等合金.提高钢铁耐热性的途径:设法提高金属键的强度.金属键的强度与原子中成单电子数有关,所以与Cr,Mo,W等形成合金可提高耐热性.加入可形成耐高温化合物如碳化物的金属,形成合金.2020/2/521低熔点合金(lowmeltingalloy)低熔点合金是指由低熔点金属Hg,Sn,Pb和Bi形成的合金.Wood合金:组成为:质量分数50%Bi-25%Pb-13%Sn-12%Cd,熔点仅71℃,应用于自动灭火设备,锅炉安全装置以及信号仪表等.焊锡:组成为质量分数37%Pb-63%Sn,熔点183℃.液体合金:组成质量分数77.2%K-22.8%Na,熔点-12.3℃,应用于原子能反应堆的冷却剂.2020/2/522耐腐蚀合金(corrosion-resistantalloy)耐腐蚀金属:通常具备下述条件之一热力学稳定性高:一般是贵金属Pt,Pd,Au,Ag,Cu等.易于钝化的金属:Al,Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等.表面能生成难溶的和保护性良好的腐蚀产物膜的金属.通过特定腐蚀介质来实现.耐腐蚀合金:抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料更高.与热稳定性高的贵金属形成合金.与易钝化金属形成合金.在合金表面形成致密保护膜.2020/2/523磁性材料(magneticmaterials)磁性体是由电磁作用而产生磁化的物质.凡是能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为磁性材料.磁性材料主要有两大类矫顽力极大,并且以剩余磁通密度很高为特征,称为硬磁材料或永磁材料,在发电机、电气仪表等方面大量应用；矫顽力小,外部磁场的微小变化即可引起磁化的很大变化,为磁损失小的高导磁率材料,称为软磁材料,主要用于电动机及变压器的磁芯以及各种磁头材料、磁性密封材料和微波材料等.此外还有利用磁滞曲线非线性部分的磁记录材料和磁存储材料以及磁致伸缩材料和磁光材料等.2020/2/524永磁合金(permanentmagnetalloy)矫顽力极大,并且以剩余磁通密度很高为特征,称为硬磁材料或永磁材料.最早的永磁合金是具有铁磁性的Fe,Co,Ni的合金.稀土永磁合金SmCo5Sm2Co17Nd-Fe-BSm2Fe17N2Pr-Fe-B-Cu2020/2/525巨磁阻效应(giganticreluctanceeffect)在一定磁场下材料电阻改变的现象称磁电阻.巨磁阻是指在一定磁场下电阻急剧减小的现象.比一般磁性合金强10多倍.1988年巴黎大学肯特教授首次在Fe/Cr多层膜中发现巨磁阻效应.随后在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应.巨磁阻效应在高密度读出磁头,磁存储元件等高技术领域有广泛用途.1994年IBM公司研制成功巨磁阻效应的读出磁头,磁记录密度提高17倍,达5Gbit/in2,现衣超过11Gbit/in2.巨磁阻效应还可用于制备无电源随机存储器,微弱磁场探测器.2020/2/526非晶态金属(amorphousmetal)将某些金属熔体,以极快的速度急剧冷却,如106K/s,无序的原子被迅速“冻结”而形成无定型的固体,称非晶态金属,亦称金属玻璃.能形成非晶态的合金有两类:金属之间的合金:如Cu60Zr40,La76Au24,U70Cr30等.金属与非金属形成的合金:如Fe80B20,Fe40Ni40P14O6和Fe5Co70Si15B10等.制备非晶态合金的技术:气相沉积法,激光表层熔化法,离子注入法,化学沉积法和电沉积法等.性能特点:强度韧性兼具;耐蚀性优异;低损耗,高磁导;一定的催化性能和贮氢能力.2020/2/5273.无机非金属材料(inorganicnonmetalmaterials)除金属以外的无机材料统称无机非金属材料.传统的无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种,化学组成均为硅酸盐类,因此无机非金属材料亦称硅酸盐材料;又因其中陶瓷材料历史最悠久,应用甚为广泛,故国际上常称之为陶瓷材料.先进无机非金属材料,亦称无机新材料.包括结构陶瓷,复合材料,功能陶瓷,半导体,新型玻璃,非晶态材