搜索
材料科学导论(重庆大学)2002.10绪论材料的发展过程材料是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类赖以生存和发展，征服自然和改造自然的物质基础；是人类进步的里程碑。人类社会发展史表明，生产中使用材料性质直接反映人类社会文明水平；每一种重要新材料的发展和应用，都把人类支配自然能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大变化，把人类物质文明推向前进。天然材料自然界中动、植物和矿物，如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等。人们利用天然的石器、骨器为工具，最多也进行切割、钻孔、雕刻等工序获得锐利的磨制石器。烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称，随着生产技术进步，人类早已能够用天然的矿土烧制砖瓦和陶瓷，以后又制击了玻璃和水泥，属于烧结材料。从各种天然矿石中提炼出Cu、Fe等金属则属于冶炼金属。陶器、瓷器制作：景泰兰(北京)；宜兴紫砂陶(江苏)；景德镇瓷器(江西)；醛陵瓷器(湖南)；石湾彩陶(广东)；耀州青瓷(陕西)。青铜器：Cu与Sn、Pb等金属组成的合金，与纯Cu相比，熔点降低，硬度增高，用于工具、兵器、食器、如：司母戊鼎、越王勾剑、吴王夫差的宝剑等。铁器：春秋战国时期开始大量使用铁器，西汉时期，采用煤为燃料炼铁比欧州早1700多年。合成材料20世纪初已出现化工合成产品，其中合成塑料、合成橡胶、合成纤维已广泛用于生产生活中。1907年小型酚酯树脂厂建立；1927年热塑性PVC塑料生产实现商品化；1940~1957年研制成功合成橡胶、合成纤维、聚丙烯睛、聚酯纤维、低压PE、PTFE，维尼龙等；1950~1980年工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工业化应用；1990年分子设计、高性能、高功能聚合物合成。可设计材料用新的物理、化学方法，根据实际需要去设计特殊性能的材料，如金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料。古代：木材、竹材、土砖、纤维增强复合材料；近代：软质复合材料（各种纤维增强的橡胶）以及硬质复合材料（纤维增强树脂、玻璃钢）；先进：比强应大，比模量高的结构复合材料，促进了航空、航天等高技术产业的发展，被公认为是当代科学技术中的重大关键技术；智能材料近30年研制出的一些新型功能材料，它们能随环境，时间变化改变自己的性能式形状，好像具有智能，其中形状记忆合金已崭露头角。智能材料是为21世纪准备的尖端技术，现已成为材料科学的一个重要前沿领域，有关研究及发展受到人们的很大重视。(Cr有自愈能力，Ni、Ti合金为形状记忆合金)人类使用材料的发展史材料的分类目前世界上传统材料已有十万种，而新材料品种正以每年大约5%的速度在增长。2从1950年到现在，已知的化合物已从200万种增至1000万种，而且还在以每年25万种速度递增，其中相当一部分有发展成为新材料的潜力。材料就大的类别来说，可以分为金属材料、非金属材料、合成材料、复合材料和功能材料等五类，其中前四类为结构材料，以其所具有的强度为特征被广泛应用；最后一类功能材料，则主要以其所具有的电、光、声、磁、热等效应和功能为特征被应用。金属材料金属材料是最重要的工程材料（包括金属和以金属为基的合金），最简单的金属材料是纯金属，周期表中金属元素分为简单金属和过渡金属。简单金属结合键完全为金属键；过渡金属结合键为金属键和共价键的混合键，以金属为主的金属材料均为金属晶体材料。一般金属及其合金可分为两大类，黑色金属：以Fe和Fe为基的合金（钢、铸铁、铁合金）；有色金属：黑色金属以外的所有金属及其合金，包括轻金属、易熔金属、难溶金属、贵金属、铀金属、稀土金属、碱土金属。近30年来，相继出现了金属玻璃、准晶、定向共晶合金、微晶、低维合金、以及纳米晶体等一系列从结构到物理力学性能均特色的新金属材料。非金属材料一般无机非金属材料含有Si及其它元素化合物，又称硅酸盐材料，包括无机玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷三大类，工业上应用最广泛的陶瓷又可分为：普通陶瓷：含SiO2、Al2O3的硅酸盐材料；新型陶瓷：为高熔点氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等烧结材料；金属陶瓷：陶瓷生产方法制取金属与碳化物或其它化合物的粉沫制品。陶瓷材料坚硬、稳定，但脆性大，用于制造工具、用具。该材料内部键型是氧原子与金属原子形成离子键，且尺寸大的氧原子为陶瓷基质，较小的金属原子处于氧原子之间空隙外。合成材料是指合成塑料、合成纤维和合成橡胶等有机聚合物合成材料，它们质地轻巧、原料丰富、加工简便、性能良好、用途广泛，其发展速度大大超过钢铁、水泥、木材等传统的三大基本材料。1．塑料是合成材料中用量最多的一类，常用于制造机器零件或构件，分为热塑料和热固性塑料。热塑性塑料：PE、PP、PB（聚丙乙烯）、PVC，具有加热熔融特征。热固性塑料：醇酸树脂、氨基树脂、酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚脂和聚氨酯等。不能反复溶融，而且一次固化；2．橡胶指经硫化处理，弹性特别良好的聚合物，有通用橡胶和特种橡胶两种。3．合成纤维由单体聚合成强度很高的聚合物，通过机械处理获得纤维材料。复合材料采取取长补短的方法将两种或两种以上不同材料进行有效复合得到的复合型材料。由于它是不同类型材料复合组成，结合键相当复杂，它在强度、钢度、耐蚀性方面比单独金属、陶瓷、聚合物优越、具有广阔发展前景。1．纤维（或晶须）增强或补强复合材料2．第二相颗粒弥散复合材料3．梯度功能复合材料功能材料具有能适应外界条件而改变自身性能的材料，如磁性材料、发光材料、记忆材料、光导材料、超导材料等。材料是必需的物质基础，是社会进步的里程碑；材料是现代社会进步的三大支柱（材料、信息、能源）之一；材料是六大技术群体（信息、新材料、新能源、生物、空间、海洋）之一；材料是20-21世纪新技术革命的主要标志（信息技术、新材料技术、生物技术）之一；材料科学的形成过程材料是21世纪初世界各国发展的九大重点领域（先进材料、纳米技术、微电子学、光子学、微系统工程、软件与计算机模拟、分子电子学、细胞生物技术以及信息、生产与管理工程）之一；该九大重点领域包括了80个课题，其中属于先进材料的有24项，而其它领域中与材料直接相关的课题有27项，如纳米技术中的纳米材料、微电子学中的信息存储、微电子材料、超导及高温电子学等，即未来技术80个课题中，有关材料方面的课题占60%以上。未来技术中新材料地位重要！“国家材料规划”；“技术-经济增长的发动机”；“日本政府的研究计划”；“西欧的尤里卡计划”；“九五规划、十五规划、2010年远景规划、863、973、攀登计划等”材料是各国优先发展的领域60年代初由美国学者提出。以前分属冶金、陶瓷、有机化学等各专业，但均以物理、化学为基础，如冶金方面的提取是以化学为主，但金属结构、性能及使用方面的研究以物理为主；有机合成材料、陶瓷材料的制备以化学为主，但物性和力学性质则偏重物理。材料科学的由来找出共性：材料中的界面与表面、晶体结构与微观缺陷、材料中的扩散与相变等；“材料研究中心”的成立；“材料科学”名词的产生；“材料科学系”的建立以固体物理、合成化学、化学热力学与动力学等为理论基础，结合冶金、机械、陶瓷等学科，探讨材料的内在规律、制造工艺和应用的科学，是一门覆盖广而辐射面宽的多学科交叉的新兴学科。材料科学的定义材料的成分（结构）、合成（工艺流程）、性质（性能）与效能以及它们之间的关系。材料的性质或性能取决于材料的成分、组成和结构，而这些又取决于合成与制造工艺。材料科学的研究内容效能合成与工艺流程成分与结构性质材料科学四要素指材料在使用条件下的表现，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线及寿命估计等。因此，材料科学是有关材料成分、合成与工艺流程对于材料性质与用途的影响规律的知识与运用，故材料科学是一门应用基础科学。效能（材料的使用性能或效果）是一门多学科交织的前沿学科，是多学科交叉与相互渗透的产物，它不但与物理学、化学及冶金学等有直接关系，也和生物学（生物材料、仿生材料）、地球科学（矿浆材料）有密切关系，特别是与工程科学有着不可分割的关系。材料科学学科特点是理论与实践相结合的产物，与固体物理和固体化学有显著区别。研究范围很宽，它涉及从微观原子、电子缺陷的规律与控制到大的器件，从基础研究到工程应用的广阔领域。材料科学所包含的内容大多有比较明确的应用背景和目标，而且随时间和地点而发生变化。21世纪，材料科学会迅猛发展！化学是认识、控制物体组成、性质、结构的中心科学，化学在寻求新材料过程中将起重要作用。当为某种需要剪截物质时，化学家们在合成和控制物质组成的非凡才能，确立了这种地位。目前，人们日常生活用的聚酯衬衫、聚乙烯奶瓶、聚氯乙烯手提箱、聚丙烯地毯、聚苯乙烯家俱、聚异丁烯车胎、聚乙酸酯软盘等材料，无不与化学相关，因此化学使新材料开发充满前景。由于化学家掌握物质结构及成键的复杂性，掌握化学反应实验技术，在探索和开发具有新组成、新结构和新功能材料方面，在材料复合、集成、加工等方面大有作为。因此，化学参与材料科学是理所当然和责无旁贷的。化学在材料发展中的地位分子设计和分子剪截获得新材料，设计新的反应步骤，在极端条件下（超高压、超高温、强辐射、冲击波、超高真空、无重力）反应合成地面上无法合成的新化合物，在温和条件下进行化学反应，控制反应过程、路径、机制，一步步地设计中间产物和最终产物的组成和结构，剪裁其物理和化学性质，形成介稳态、非平衡态结构，形成低熵、低焓、低维、低对称材料，可以复合不同类型、不同组成材料（溶液—溶胶—凝胶、插层反应、水热合成反应、局部化学反应、离子交换反应）。20世纪80年代初，美国AnthonyR.West编写了“固体化学及其应用”一书，论述了无机固体、有机固体及晶体结构、晶体缺陷、制备方法、固相转变及相图和固体的测试鉴定等，但未明确提出“材料化学”概念。“材料化学”概念的产生是一门以现代材料为主要研究对象，研究材料的化学组成、结构（电子结构、晶体结构和显微结构）与材料性能和效能之间的关系及其合成（制备）的方法、检测表征、材料与环境协调等问题的科学。什么叫“材料化学”？用结构理论、化学热力学与动力学等基本原理研究固体，特别是研究实际材料的化学反应性，是材料化学的理论基础。各类材料的成键本质与其结构和性质密切相关。材料组成元素的电子结构、材料的晶体结构、缺陷结构，从能量和过程的观点研究材料的组成结构以及从热力学与动力学的观点研究实际材料的化学反应，均是材料化学的重要研究内容。材料化学研究内容现代材料制备原理和合成方法的研究仍是现代材料化学的核心内容。传统的金属材料的熔炼法、无机材料的陶瓷法、高分子材料的聚合法仍然是许多现代材料制备的重要方法。采用高新技术，例如高温、高压、低温、高真空、失重、辐射以及其他极端技术条件；采用新的合成方法和制备工艺，例如Sol-Gel法（溶胶-凝胶法）、水热法、自蔓延高温合成法CVD法（化学气相沉积法）及复合技术等；制备各种单晶、多晶及非晶态材料，制备高分子材料以及液晶和纳米材料等，都是现代材料制备化学研究的主要内容。在材料科学的发展过程中，制备技术往往会成为整个新材料研究和开发的关键步骤。因而现代材料制备原理和合成方法的研究也就成为材料科学的核心和研究热点。现代材料性能学研究，包括材料的力学性能、物理性能和化学性能，都是现代材料具有良好使用性能（即效能）和多种用途以及材料寿命和材料保护的根本依据。现代材料化学重点研究各类材料的化学性能，特别是各类材料在环境介质中的腐蚀破坏与防护的研究，仍是材料科学及相关科学的重要研究课题，也是关系到保护资源和环境、节约材料和发展新技术等方面的重大问题。从现代工业和高技术发展需要的角度来分述各类现代材料和重要的常规材料，包括新型金属材料、先进无机材料、高分子合成材料和现代复合材料，它们都是现代材料化学研究的对象。由于这部分内容庞大，因此，这些介绍都只能是初步的和基础性的。通过对环境材料和资源化学的初步介绍来研究和探索各类材料与环境协调方面的问题，包括材料的功能性、经济性和环境