材料合成与制备技术 第一章 绪论

1PreparationofMaterials材料制备技术第一章绪论2课程介绍材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱，材料科学与基础科学亦日益融合形成了新的边沿科学——材料化学和材料物理。在该专业本科生大三的第二学期开设材料合成这门课，旨在将同学们在大学初期的知识模块融和在一起，是专业培养的很重要的一个环节，也是对大学所学知识的一次汇总应用，是理论知识与实践结合的一次训练，属于综合性质很强的高级专业课，共32学时，讲课28，实验4。通过学习，要求学生掌握几种材料的制备技术，理解其制备原理，知道所用的主要仪器设备和基本实验思路、知道不同制备方法的特点，扩大视野，最终学会自己设计实验，合成材料。3学习方式课程以课堂讲授为主，配有实验课程，同时可通过查阅文献及课堂讨论等形式，借以促进学生了解并学习材料化学和材料物理领域内材料合成的基本方法以及理论，同时掌握一些新的材料合成技术。4材料制备化学合成工艺技术Chapter5PreparationofMaterials课程重点及学习内容单晶制备非晶材料的制备薄膜制备技术复合材料及其制备技术（高聚物基、金属基、陶瓷基）结构陶瓷功能陶瓷电子陶瓷通讯器件（压电陶瓷变压器、扬声器)生产技术功能高分子制备技术纳米合成技术5参考资料1、教材：曹茂盛等主编，材料合成与制备方法，哈尔滨工业大学出版社，2001年8月。2、其它信息库：－课堂－图书馆（各章所需的参考书将会在每章列出来）－网络－实验课程中6课程考察与成绩评定总评积分公式为100＝70＋10＋20，即总评＝考试成绩＋实验成绩＋平时成绩1、考试成绩常规闭卷，满分100，占70％2、实验成绩试验老师给出，满分100，占10％3、平时成绩到课情况、课堂听讲、回答问题情况为主，满分100，占20％7绪论1、材料的定义通俗定义：材料是原料中取得的生产物质的原料。材料是制成成品的东西。例如：高分子、金属、陶瓷等等。8●国内外3部大型辞书对材料的定义：①《LongmanDictionary》《朗曼词典》anythingfromwhichsomethingisormaybemade。②《OxfordAdvancedLearner’English-ChineseDictionary》thatofwhichsomethingiscanbemadeorwhichsomethingisdone。材料的专业涵义9③《辞海》：把自然界经过开采而获得的劳动对象称为原料。因此，自然存在的，而未经过人类任何劳动输入的就不能称为原料。例如，开采出来的矿物是冶金的原料，种植出来的小麦是制造面粉的原料，单采掘工业中就没有原料，而自身长出也未收割的小麦就不是原料。同样，在加工工业中，一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为原料，把经过工业加工的原料（如钢铁、水泥）称为材料，而材料和原料合称为原材料。10《辞海》定义可以总结为原料材料经过人类劳动而取得的劳动对象经过二次加工的原料11●上述定义的欠缺共性3个定义都指出了：材料是用来制作某种物件或完成某一事情的。差异两种英文定义均未能指出材料使用过程中本质方面的变化。辞海的定义虽然阐明了原料和材料之间的联系和区别，但也没有指出材料在使用中本质的变化。12使用这些定义在实际中带来不便如①化工品烧碱(NaOH)？按定义应是材料，但类似不胜枚举的化工产品都是原料。②来自采掘工业的沙石、木材等等？按定义似乎应是原料，但习惯上将其归入建筑材料。思考？食盐在加工中失去了其原质，烧碱在应用于其它化工加工过程时，也要失去原质，而食盐和烧碱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质。13因此，现代材料学可以如此来定义材料：经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对象称为材料（Materials）。例如：钢铁、金属、陶瓷、木材等。原料（Rawmaterials）：潜入了劳动价值，但在以后应用中原质会发生变化的劳动对象。如烧碱、中和反应所用的盐酸等化工原料。142、材料的分类从来源上分，材料可以分为：天然的——木材，石料合成——化学纤维，塑料，金属，陶瓷半天然——纸张，布料15按照材料的化学属性可以分有机高分子材料黑色金属（铁、锰、铬及其合金）有色金属金属材料单晶形态多晶形态。新型陶瓷材料（NewCeramics）或精细陶瓷（FineCeramics）。以脂肪族或芳香族的C-C共价键为基础结构的大分子组成。一般又分为塑料、橡胶和纤维。复合材料金属、无机非金属和有机高分子材料等有机结合无机非金属材料16“杂化材料”从80年代开始，日本理部化学研究所山田瑛、雀部博之等人，在应用化学学科中提出“杂化”（hybrid）的概念——两种以上不同种类的有机、无机和金属材料在原子、分子水平上杂化，从而产生具有新型原子、分子集合结构的物质，属于分子复合材料的范畴。构造机制：离子界面消失，完全结晶化，因此这种材料具有许多新的性能和用途。17按材料的性能分类任何材料在使用过程中都能提供可利用的某种或某些功能。根据这些性能可以将材料分为2大类：•结构材料（Structuralmaterial）以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，具有抵抗外力作用而保持自己的形状、结构不变的特点。如制造工具、机器、车辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。18•功能材料（Functionalmaterial）：指具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目的高技术材料。如光致变色材料、电致变色、形状记忆材料等。此概念1965年由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士提出，现已被各国材料界重视和接受。19功能材料的功能及其示例热学性能——热容、热传导、热稳定；光学性能——与光的作用、吸光、发光和透光性；电学性能——导电、介电和压电性等；磁学性能——永磁、硬磁、软磁等；化学性能——反应性、催化等；生物功能——适应、生物活性、保健等。20注意：一种材料属于结构材料还是功能材料，由使用目的决定。举例：①弹性材料应用力学性能——用于非结构目的——属于功能材料；②结构陶瓷应用力学性能——用于结构目的——属于结构材料；③普通玻璃应用力学性能——用于结构目的——属于结构材料；④特种玻璃应用光学性能——用于非结构目的——属于功能材料。21按材料的化学组成分类材料有机材料无机材料木材石材人工晶体高性能陶瓷化学纤维塑料钢材砖瓦纸张布料陶器22金属材料非金属材料高分子材料复合材料金属结构材料金属功能材料新型陶瓷材料特种玻璃超耐热合金非晶合金轻质合金等导电材料形状记忆合金贮氢合金超导合金电气陶瓷工程陶瓷超硬陶瓷敏感元件陶瓷快离子导体纳米陶瓷优异机械性能特种玻璃导电性能玻璃光学性能玻璃耐辐射性能玻璃集成电路材料磁记录材料人工单晶材料塑料、橡胶、纤维涂料、粘合剂工程高分子功能高分子材料液晶材料纤维增强材料聚合物基复合材料金属基复合材料无机基复合材料新材料体系的混合分类法23根据性质分类物理性质——高强、超塑性、高温、低温、导电、半导体、绝缘、绝热等其它功能性质——结构材料、功能材料按技术成熟程度及发展前景划分传统材料，如普通金属、钢铁、有机物新型材料，如智能材料、传感材料、光纤等243材料的发展历程第一代为天然材料在原始社会生产技术水平低下，人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。25第二代为烧炼材料烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。人类用天然的矿土烧结砖瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，这些都属于烧结材料；从各种天然的矿石中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料。265500BC，天然金与铜被用作工具与武器人类开始了金属的使用275000BC，熔炼和锤击改变了铜的性能，金属材料开始发展284000BC，通过金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状。最早的模铸件-一个铜制杖头293500BC，从矿石中提炼铜-冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一303000BC，青铜的使用-制造合金青铜：第一种合金311450BC，铁的发现注：人类最早发现和使用的铁是陨铁（含铁量较高的铁、钴、镍等金属的混合物）。在约公元前1500年左右，埃及和美索不达米亚开始有炼铁业：至公元前1000年左右，铁器才基本上从日常用具中排挤了铜器而占统治地位、中国商代铜钺上就镶铸有铁刃，表明中国在公元前1000多年就熟悉了铁的锻造性能。化学符号Fe来自铁的拉丁文名ferrum。321886AD，电化学方法冶炼铝，使铝成为一种常用金属。331856AD，英国发明家贝塞麦（HenryBessemer，1813～1898）发明了钢铁冶炼的专利——贝塞麦转炉炼钢法，在铸造炉中熔化铁时使用鼓风设备，利用空气即可除去铁水中的碳，炼出熟铁或低碳钢。贝塞麦法的诞生使钢铁制品性能大大改观而成本也降低不少，这在冶金发展史上具有划时代的意义，标志着早期工业革命“铁时代”向“钢时代”的演变。贝塞麦曾任英国钢铁学会主席，1879年当选为英国皇家学会会员34继次之后，炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明廉价的冶铁业35第三代材料为合成材料在20世纪初期出现了化工合成产品，其中合成塑料、合成橡胶和合成纤维已广泛地是用于生产和生活中。从1907年第一个小型酚醛树脂厂建立，到1927年第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工业迅猛发展起来，这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工业化（1970-1980年）、分子设计、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等几个发展进程。361939尼龙商业发展迅速发展高分子材料发展的关键时期37第四代——可设计的材料并不满足于现有的材料，而是出现了根据实际需要而设计的具有特殊性能的材料，如金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料属于这一类。第五代——智能材料，现代功能材料是近三、四十年来研制的一类新型功能材料，它们随时间、环境的变化改变自己的性能或形状，好像具有智能。例如自修复材料、形状记忆材料等就属于这一类，后者已开展在金属、高分子和复合材料领域内，应用广泛，极大地丰富和方便了现代航天、工业和医疗技术。3838形状记忆合金在军事和航天工业方面的应用——月面天线Chapter6MetallicMaterials3939在工程方面的应用形状记忆合金管接口Chapter6MetallicMaterials4040Advantages形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：①夹紧力大，接触密封可靠，避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；②适于不易焊接的接头；③金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；④安装时不需要熟练的技术。Chapter6MetallicMaterials4141在医疗方面的应用记忆型NiTi牙弓丝Chapter6MetallicMaterials脊柱矫形棒、人工关节、人造心脏、美体内衣等。4242Examples形状记忆合金套管连接的铝合金假肢形状记忆合金制成的血栓过滤器Chapter6MetallicMaterials4343形状记忆式热发动机形状记忆用于热发动机的原理Chapter6MetallicMaterials4444Examples美国人发明的镍钛诺尔热机JChapter6MetallicMaterials4545偏心曲柄型热机涡轮型热机Chapter6MetallicMaterials4646自控元件原理Chapter6MetallicMaterials47474.4SMAChapter6MetallicMaterials双程CuZnAl记忆合金弹簧48484.4SMA双程CuZnAl记忆合金花Chapter6MetallicMaterials4949ExamplesTiNi记忆合金眼镜架Chapter6MetallicMaterials超弹性耐腐蚀性重量轻5043%18%9.1%6.9%3.9%3.9%3.8%3.7%3.6%3.6