材料化學導論

1、材料化學導論 張寶蓮 田中華1.1 材料與新材料的重要性材料與新材料的重要性 Def: 材料是人類用來制作物件，如用具、工具、元器件、設備設施、系統(tǒng)等的物質。 人與其它動物的區(qū)別：能有意識的制造和使用工具 人類文明史與材料的發(fā)展史密切相關。 材料是物質，但不是所有物質都可以稱為材料。如燃料和化學原料、工業(yè)化學品、食物和藥物，一般都不算是材料。但是這個定義并不那么嚴格，如炸藥、固體火箭推進劑，一般稱之為“含能材料”，因為它屬于火炮或火箭的組成部分。 l 鄧小平：科學技術是鄧小平：科學技術是第一生產(chǎn)力。第一生產(chǎn)力。l 政治學家：生產(chǎn)力的政治學家：生產(chǎn)力的進步是社會發(fā)展的根進步是社會發(fā)展的根本原因，

2、而勞動工具本原因，而勞動工具的發(fā)展是生產(chǎn)力進步的發(fā)展是生產(chǎn)力進步的主要因素。的主要因素。l 材料學家：材料學家：材料是時材料是時代進步的標志。代進步的標志。青青 銅銅 器器 時時 代代青銅（主要為Cu、Sn合金）青銅器（戰(zhàn)國）錯金犀牛尊青銅器（戰(zhàn)國）錯金犀牛尊青銅器（戰(zhàn)國）司母戊方鼎青銅器（戰(zhàn)國）司母戊方鼎鐵鐵 器器 時時 代代信息時代工藝工藝過程過程材料的發(fā)展史 在人類發(fā)展史上材料的發(fā)展經(jīng)過哪幾個階段？ 1使用純天然材料的初級階段（舊石器時代 ）：群居洞穴，以狩獵為生，使用的工具是石器和骨器，這些骨器制作粗糙，用途尚未分化 2人類單純利用火制造材料的階段（新石器時代、銅器時代和鐵器時代 ）：

3、分別以人類的三大人造材料為象征，即陶、銅和鐵。這一階段主要是人類利用火來對天然材料進行煅燒、冶煉和加工的時代（燒結材料和冶煉材料）。 材料的發(fā)展史 3利用物理與化學原理合成材料的階段：這一階段以合成高分子材料的出現(xiàn)為開端，一直延續(xù)到現(xiàn)在，而且仍將繼續(xù)下去。除合成高分子材料以外，人類也合成了一系列的合金材料和無機非金屬材料。超導材料、半導體材料、光纖等材料都是這一階段的杰出代表。 4材料的復合化階段 5材料的智能化階段材料的發(fā)展史 4材料的復合化階段：20世紀50年代金屬陶瓷的出現(xiàn)標志著復合材料時代的到來。隨后又出現(xiàn)了玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及最近出現(xiàn)的抗菌材料的熱潮，都是復合材料的典型

4、實例。 現(xiàn)代復合材料最根本的思想不只是要使兩種材料的性能變成3加3等于6，而是要想辦法使他們變成3乘以3等于9，乃至更大。 5材料的智能化階段材料的發(fā)展史 5材料的智能化階段：自然界中的材料都具有自適應、自診斷合自修復的功能。如所有的動物或植物都能在沒有受到絕對破壞的情況下進行自診斷和修復。人工材料目前還不能做到這一點。但是近三四十年研制出的一些材料已經(jīng)具備了其中的部分功能。這就是目前最吸引人們注意的智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等等。 材料的重要性現(xiàn)代文明三大支柱 ：信息、能源、材料。 其中材料起決定性作用： 材料對信息科學的重要性半導體材料 材料對能源的影響綠色能源（太陽能利用過程

5、中的光電轉化材料、氫能利用過程中的儲氫材料） 材料對航天航空的影響很高的比強度和比剛度 以及宇航材料的耐超高溫 材料對原子能技術的影響核反應堆一般采用熱中子堆，堆心的結構件必須采用鋯合金，因為只有鋯合金吸收中子的幾率比較小，不會扼殺堆內(nèi)的鏈式反應。所以，要建設核電工業(yè)系統(tǒng)，必須建立鋯材料工業(yè)。 材料對生物技術的影響生物醫(yī)用材料材料是現(xiàn)代文明的基石1.2 材料科學與材料化學 （一）材料科學的形成（一）材料科學的形成材料科學的形成材料科學的形成： “材料”早存在，“材料科學”提出于20世紀60年代，1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學相繼建立十余個材料科學研究中心，自此開始，“材料科學”一

6、詞廣泛應用。 材料科學的形成是科學技術發(fā)展的結果 第一，固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等學科的發(fā)展，對物質結構和物性的深入研究，推動了對材料本質的研究和了解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學等對材料本身的研究也大大加強，從而對材料的制備、結構和性能，以及它們之間的相互關系的研究也愈來愈深入，這為材料科學的形成打下了比較堅實的基礎。 第二，在材料科學這個名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料科學都已自成體系，它們之間存在著頗多相似之處，可以相互借鑒，促進本學科的發(fā)展。如馬氏體相變本來是金屬學家提出來的，而且廣泛地用來作為鋼熱處理的理論基礎。但在氧化鋯陶瓷材料中也發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變現(xiàn)象，并

7、用來作陶瓷增韌的一種有效手段。 第三，各類材料的研究設備與生產(chǎn)手段也有很多相似之處。雖然不同類型的材料各有專用測試設備與生產(chǎn)裝置，但更多的是相同或相近的，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試及物理性能和力學性能測試設備等。在材料生產(chǎn)中，許多加工裝置也是通用的。研究設備與生產(chǎn)裝備的通用不但節(jié)約了資金，更重要的是相互得到啟發(fā)和借鑒，加速了材料的發(fā)展。 第四，科學技術的發(fā)展的要求。長期以來，金屬、高分子及無機非金屬材料學科相互分割，自成體系。由于互不了解，習慣于使用金屬材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又對其不太了解，不敢問津。相反，習慣于用高分子材料的，也不想用金屬材料或陶瓷材料。因此，科學技術發(fā)展

8、對材料提出的新的要求，促進了材料科學的形成。 第五，復合材料的發(fā)展，將各種材料有機地聯(lián)成了一體。復合材料在多數(shù)情況下是不同類型材料的組合，通過材料科學的研究，可以對各種類型材料有一個更深入的了解，為復合材料的發(fā)展提供必要的基礎。材料科學與材料工程的關系材料科學與材料工程的關系 一般來講，科學是研究“為什么”的學問，而工程是解決“怎么做”的學問。材料科學的基礎理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎。 w 材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點的不同或者說各自強調的中心不同，它們之間并沒有一條明確的界線，因此，后來人們常常將二者放在一起，采

9、用一個復合名詞材料科學與工程（MSE，Material Science and Engineering） 1.2 材料科學與材料化學 材料科學是研究材料的成分、組織結構、材料科學是研究材料的成分、組織結構、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應用之間的相互關系的科學。應用之間的相互關系的科學。材料科學是材料科學是當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產(chǎn)的支當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當今世界的帶頭學科之一，涉及的柱，是當今世界的帶頭學科之一，涉及的理論包括理論包括固體物理學固體物理學，材料化學材料化學 （一）材料科學的內(nèi)涵（一）材料科學的內(nèi)涵 材料科學

10、是一個跨物理、化學等的學科。材料科學的核心問題是材料科學是一個跨物理、化學等的學科。材料科學的核心問題是材料的組織結構（材料的組織結構（Structure）和性能（）和性能（Property）以及它們之間的）以及它們之間的關系。右圖為材料科學與工程四要素。所以，先要了解材料的結構關系。右圖為材料科學與工程四要素。所以，先要了解材料的結構是什么？是什么？ 材料科學材料科學 ：是一門科學，它從事與材料本質的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結構的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結構與性能之間的關系。它包括下面的三個環(huán)節(jié)，核心是結構和性能。材料科學研究內(nèi)容 材料科學研究的本質：組成、結構與性

11、能關系 材料設計原則：組成、結構如何影響性能分子組成宏觀結構 （晶態(tài)、非晶態(tài)）物理、機械性能使用性能而分子組成恰恰是材料化學所要研究的內(nèi)容1.3 材料化學專業(yè)人才培養(yǎng)及材料化學專業(yè)人才培養(yǎng)及課程成體系的研究課程成體系的研究 材料化學是一門材料科學與現(xiàn)代化學相結合的新興交叉的邊緣學科。他研究材料制備、加工、性能等的化學問題。材料化學與材料物理、材料工程一起構成材料科學的三塊基石。90年代初由復旦大學成立第一個材料化學專業(yè)開始，材料化學專業(yè)如雨后春筍般在全國許多高等院校相繼出現(xiàn)，我院材料化學專業(yè)也于2001年正式成立。 1 國內(nèi)材料化學專業(yè)情況分析國內(nèi)材料化學專業(yè)情況分析 材料化學專業(yè)在國內(nèi)許多高

12、校都有開設，據(jù)不完全統(tǒng)計，約90多所，包括北京大學、南開大學、吉林大學、復旦大學、南京大學、南京理工大學、南京工業(yè)大學、浙江大學、中國科學技術大學、廈門大學、華僑大學、青島科技大學、中國地質大學、武漢工業(yè)大學、中山大學、四川大學、西北大學、蘭州大學等。 北京大學材料化學系 建立于1996年, 隸屬于化學與分子工程學院，主要由無機化學研究所和稀土化學研究中心構成，其中有部分材料化學系人員組成了稀土材料化學及應用國家重點實驗室，研究領域主要包括無機功能材料及結構化學、稀土材料化學及應用、納米材料、高分子材料化學與有機/無機復合材料化學等，重點在材料的分離、合成、表征與結構等基礎研究方面 復旦大學的

13、材料化學專業(yè) 發(fā)揮了自身綜合性大學的特長，結合了無機非金屬材料和高分子材料的內(nèi)容，本科生畢業(yè)頒發(fā)理學學士學位 。 本專業(yè)培養(yǎng)具有系統(tǒng)的化學基礎理論及實驗技能，掌握高分子材料、無機材料、復合材料和微電子材料方面專業(yè)知識，并在科學研究、新材料開發(fā)和開拓應用方面受到良好訓練的專門人才。 。主要專業(yè)課程：材料科學基礎、材料分析、材料化學、材料物理導論、材料化學與物理實驗、高分子化學、高分子材料的結構與性能、復合材料以及微電子材料等。 中國石油大學材料化學專業(yè) 著重研究與石油化工相關材料的化學問題。 中國民航學院材料化學專業(yè) 三個專業(yè)方向緊扣與航天航空相關材料中的化學問題 納米功能材料及其應用方向：納米

14、功能材料及其應用方向：本方向以納米材料制備與檢測的新理論、新技術研究為重點，具有與民航前沿技術緊密結合的特色。在測定航空潤滑油殘?zhí)俊⒑娇杖剂先紵档确矫嫒〉昧诵鲁晒?。首次用離子注入方法，制備了納米氙化鈉。提出了納米晶體的疊合生長模型。梁家昌教授為美國紐約科學院成員，是美國應用物理學報和應用物理快報評審。宋慶功教授2005年被聘為科學通報評審。 金屬材料表面涂層與工藝方向：金屬材料表面涂層與工藝方向：本方向以超音速火焰噴涂、等離子噴涂和超音速冷氣噴涂為特色，在民用航空維修熱障涂層、高溫封嚴涂層、耐磨涂層和尺寸恢復涂層上具備一定的優(yōu)勢。完善了涂層結合強度、結合能、動態(tài)內(nèi)應力等重要涂層性能指標的測試

15、與分析；在超音速火焰噴涂成套設備的研制方面取得了重要成果。 飛機材料腐蝕與防護方向：飛機材料腐蝕與防護方向：以研究和解決民用飛機腐蝕的理論和應用技術為特色。方向帶頭人田秀云教授為國務院特殊津貼專家，她在我國民用飛機腐蝕事故的應急處理、腐蝕問題研究與防護等方面取得了許多有實用價值的成果，解決了許多民航飛行安全和技術中的重大問題，并完成多部飛機腐蝕方面的著作。波音公司等國際飛機腐蝕問題專家在本學科擔任兼職教授。 江蘇工業(yè)學院 考慮到蘇南地區(qū)大約3000家大大小小的涂料企業(yè)，和常州作為中國最大涂料生產(chǎn)基地這兩個事實，江蘇工業(yè)學院在材料化學專業(yè)正式成立之初，涂料就被列為專業(yè)教學與科研的主要方向，并納入

16、到了材料化學專業(yè)教學內(nèi)容中，充分結合了本地行業(yè)發(fā)展狀況，形成了自己的特色 2 國外情況分析 在國外來看，特別是發(fā)達國家的本科階段基本上是按照一級學科，比如化學、材料學、化學工程等來安排的，所以基本上沒有在本科階段就開設材料化學這個專業(yè)，到了碩士階段才開始按照不同的方向來劃分專業(yè)。 3 天津市材料化學專業(yè)情況 在天津市，目前開設材料化學的學校主要有天津城市建設學院、天津大學、南開大學、中國民航學院和天津科技大學。天津大學材料化學專業(yè)是在原有材料科學與工程專業(yè)的基礎上發(fā)展起來的，是理工結合的專業(yè)，培養(yǎng)學生具備材料科學的基本理論，材料化學的基本知識和基本實驗技能，使學生受到科學思維與科學實驗方面的基

17、本訓練，具備運用化學和材料化學的基本理論和實驗技能進行新材料設計和研究開發(fā)的能力。南開大學材料化學專業(yè)依托原有的化學專業(yè)，為以化學為主的理科。 我院材料化學的沿革及定位我院材料化學的沿革及定位 我院材料化學專業(yè)依托于有著傳統(tǒng)優(yōu)勢的材料科學與工程專業(yè)。材料科學與工程專業(yè)，是我校最早設立的專業(yè)之一，從設立之初即定位為兩個方向：高分子材料和無機材料，而具體研究內(nèi)容則是緊扣城建學院的特色：與建筑及城市建設相關材料的研究和開發(fā)。由于建筑材料以無機非金屬材料為主，在很長一段時間內(nèi)我系材料工程的研究方向也是以無機非金屬材料為主。隨著社會的發(fā)展，高分子材料由于其質輕、高性能及容易成型加工等越來越受到人們的關注

18、，而對傳統(tǒng)無機非金屬材料的改性很多也涉及到高分子材料和高分子化學的知識。高性能材料的開發(fā)及應用更需要對材料結構和性能的關系進行深入了解，因此我院材料化學專業(yè)主要著重在高性能高分子材料的研究上。 材料化學理論課程體系的基本框架材料化學理論課程體系的基本框架 培養(yǎng)目標課程體系設置的主要課程材料的化學背景化學基礎無機及分析化學、有機化學、物理化學、結構化學材料化學知識體系背景 材料化學基礎 材料化學導論，材料物理性能，材料表面與界面化學，材料制備科學與技術，材料結構分析，材料化學專業(yè)計算機應用 高分子材料基礎 高分子化學，高分子物理，高分子材料成型與加工，高分子材料改性，功能高分子材料化學，復合材料

19、學 建筑材料相關材料化學 建筑材料特色 涂料化學，環(huán)境材料，化學建材，助劑化學及工藝學，納米結構與納米材料，能源材料，混凝土外加劑 實驗模塊化學基礎化學基礎實驗（1）化學基礎實驗（1）中級化學實驗四大基礎化學實驗化學綜合性試驗材料化學基礎材料科學基礎實驗B材料工程基礎實驗材料化學專業(yè)實驗材料分析和性能測試實驗成型與加工實驗高分子材料合成材料化學系列實驗乳液合成及性能模塊涂料模塊功能樹脂模塊成型與加工模塊1.4 課程安排 總學時：40 學時 第一章 緒論（6學時）張寶蓮 第二章 晶體結構 (10學時)田中華 第三章 晶體結構缺陷 (8學時)田中華 第四章 材料力化學 （4學時）魏冬青 第五章 材

20、料高溫化學 （4學時） 第六章 材料激發(fā)化學（4學時） 第七章 材料的腐蝕化學（4學時）田中華1.5 材料的分類材料化學組成用途金屬材料：鋼鐵材料、非鐵材料、合金無機非金屬材料：陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷高分子材料：天然的、合成的復合材料結構材料：支撐件、連接件、傳動件、緊固件等功能材料：磁性材料、電子材料、信息記錄材料、光學材料、敏感材料、能源材料、生物醫(yī)學材料等結構材料與功能材料的劃分并不嚴格1.5.1金屬材料 是最常見的結構材料，但當具有某種功能時，為功能材料。 常見的金屬材料： 金屬分為純金屬和合金兩種； 目前已制得的純金屬只有90余種，但這些純金屬按一定比例制得的合金

21、已達幾千種。鐵、銅、鋁及其合金是人類使用最多的金屬材料。地殼中最多的金屬是鋁，應用最廣泛的是鐵。 金屬的特性金屬的性質與其用途有關 1）電線一般用銅制而不用鐵制、銀制：鐵的導電性比銅差，銀的價格高，不經(jīng)濟。2）為什么電燈中的燈絲用鎢絲而不用錫制？如果用錫制，可能出現(xiàn)什么情況：鎢的熔點高，錫的熔點低，錫受熱會熔化，斷路。3）為什么菜刀、鐮刀用鐵制而不用鋁制：鐵硬度大。4）為什么鐵制水龍頭表面鍍鉻？防銹，硬度大，合金合金：是在金屬中加熱熔合某些金屬或非金屬而制得的具有金屬特性的材料。 性能：1、硬度和強度：如純鋁的強度低，只有通過合金化才能得到可作結構材料使用的各種鋁合金。鋁合金的突出特點是密度小

22、、強度高。 2、抗腐蝕性能 ：在不耐腐蝕的金屬中進入熱力學穩(wěn)定的金屬3、低熔點：合金的熔點比任一組分金屬的熔點都要低。如焊錫的熔點（183）比錫的熔點（232）、鉛的熔點（327）都要低。 合金的性能 4、功能性：合金鋼又叫特種鋼，在碳鋼的基礎上加入一種或多種合金元素，使鋼的組織結構和性能發(fā)生變化，從而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韌性、耐腐蝕性，等等。記憶合金記憶合金 歷史歷史: 1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。（記憶合金）

23、 記憶合金的分類分類（1）單程記憶效應：形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應。（2）雙程記憶效應：某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。（3）全程記憶效應：加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應。記憶合金的原理原理 SMA的形狀記憶效應源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低于平衡溫度T0時

24、才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應力引起，這種由應力引起的馬氏體相變叫做應力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應力呈線性關系。記憶合金的用途用途 (1)航空航天工業(yè)中的應用 ：1969年7月20日，人類第一次登上了月球，宇航員登月后，在月球上放置了一個直徑達 2.54 m的半球形天線，實行了月、地之間的信息傳輸。宇航員乘座的登月艙直徑只有1m多一點，這個天線是怎么帶上去的呢？原來天線也是用記憶合金制成的，在登月艙里它的直徑只有大約50mm大小，送到月球上吸收太陽光的熱量后又恢復到原來的形狀。 記憶合金的用途用途 (2

25、) 機械電子產(chǎn)品中的應用 用于制造精密儀器或精密車床，一旦由于震動、碰撞等原因變形，只需加熱即可排除故障。 記憶合金的用途用途 (3)生物醫(yī)療上的應用： (a)牙齒矯形絲 。通常牙齒矯形用不銹鋼絲 CoCr 合金絲，但這些材料有彈性模量高，彈性應變小的缺點。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且結扎固定要求熟練。如果用 TiNi 合金作牙齒矯形絲，即使應變高達10%也不會產(chǎn)生塑性變形，而且應力誘發(fā)馬氏體相變(stress-induced martensite)使彈性模量呈現(xiàn)非線型特性，即應變增大時矯正力波動很少。這種材料不僅操作簡單，療效好，也可減輕患者不適感。 記憶合金的用途用途

26、 (b) 脊柱側彎矯形：各種脊柱側彎癥(先天性、習慣性、神經(jīng)性、佝僂病性、特發(fā)性等)疾病，不僅身心受到嚴重損傷，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以有必要進行外科手術矯形。目前這種手術采用不銹鋼制哈倫敦棒矯形，在手術中安放矯形棒時，要求固定后脊柱受到的矯正力保持在3040kg以下，一但受力過大，矯形棒就會破壞，結果不僅是脊柱，而且連神經(jīng)也有受損傷的危險。同時存在矯形棒安放后矯正力會隨時間變化，大約矯正力降到初始時的30%時，就需要再進行手術調整矯正力，這樣給患者在精神和肉體上都造成極大痛苦。采用形狀記憶合金制作的哈倫頓棒，只需要進行一次安放矯形棒固定。如果矯形棒的矯正力有變化，以通過體外加熱形狀記憶合金，

27、把溫度升高到比體溫約高5，就能恢復足夠的矯正力。 記憶合金的用途用途 (4)日常生活應用 (a) 防燙傷閥 在家庭生活中，已開發(fā)的形狀記憶閥可用來防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷；這些閥門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達到可能燙傷人的溫度(大約 48)時，形狀記憶合金驅動閥門關閉，直到水溫降到安全溫度，閥門才重新打開記憶合金的用途用途 (b) 眼鏡框架 ：在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配 TiNi 合金可使人感到舒適并抗磨損，由于 TiNi 合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用于改變眼鏡時尚界。用超彈性 TiNi 合金絲做眼鏡框架，即使鏡片熱膨脹，該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的

28、恒定力夾牢鏡片。這些超彈性合金制造的眼鏡框架的變形能力很大，而普通的眼鏡框則不能做到。 記憶合金的用途用途 (c) 移動電話天線和火災檢查閥門： 使用超彈性TiNi金屬絲做蜂窩狀電話天線是形狀記憶合金的另一個應用。過去使用不銹鋼天線，由于彎曲常常出現(xiàn)損壞問題。使用TiNi形狀記憶合金絲移動電話天線，具有高抗破壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來制作蜂窩狀電話天線和火災檢查閥門。火災中，當局部地方升溫時閥門會自動關閉，防止了危險氣體進入。這種特殊結構設計的優(yōu)點是，它具有檢查閥門的操作，然后又能復位到安全狀態(tài)；這種火災檢查閥門在半導體制造業(yè)中得到使用，在半導體制造的擴散過程中使用了有毒的氣體；這種火災

29、檢查閥也可在化學和石油工廠應用。記憶合金的用途用途 (5)其他方面的應用用記憶合金加工成內(nèi)徑比欲連接管子的外徑小4的套管，然后在一定條件下將套管擴徑約8，裝配好后，再升高溫度，套管的內(nèi)徑恢復到原尺寸，緊緊收起，把管子封接得非常嚴密。儲氫合金儲氫合金 氫是一種熱值很高的燃料。燃燒1千克氫可放出62.8千焦的熱量，1千克氫可以代替3千克煤油。氫氧結合的燃燒產(chǎn)物是最干凈的物質水，沒有任何污染。氫的來源非常豐富，若能從水中制取氫，則可謂取之不盡、用之不竭。 氫能的利用，主要包括兩個方面：一是制氫工藝，二是貯氫方法。 傳統(tǒng)貯氫方法： 利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來貯存氫氣，但鋼瓶貯存氫氣的容積小，瓶里的氫氣即

30、使加壓到150個大氣壓，所裝氫氣的質量也不到氫氣瓶質量的1，而且還有爆炸的危險； 貯存液態(tài)氫，將氣態(tài)氫降溫到253變?yōu)橐后w進行貯存，但液體貯存箱非常龐大，需要極好的絕熱裝置來隔熱，才能防止液態(tài)氫不會沸騰汽化。儲氫合金 儲氫合金（hydrogen storage metal）,這些金屬或合金具有很強的捕捉氫的能力，它可以在一定的溫度和壓力條件下，氫分子在合金(或金屬)中先分解成單個的原子，而這些氫原子便“見縫插針”般地進入合金原子之間的縫隙中，并與合金進行化學反應生成金屬氫化物(metal hydrides)，外在表現(xiàn)為大量“吸收”氫氣，同時放出大量熱量。而當對這些金屬氫化物進行加熱時，它們又會

31、發(fā)生分解反應，氫原子又能結合成氫分子釋放出來，而且伴隨有明顯的吸熱效應。儲氫合金種類 目前儲氫合金主要包括有鈦系、鋯系、鐵系及稀土系儲氫合金。 儲氫合金用途 （1）氫氣分離、回收和凈化材料?；瘜W工業(yè)、石油精制以及冶金工業(yè)生產(chǎn)中，通常有大量的含氫尾氣排出，含氫量有些達到5060%，而目前多是采用排空或者白白的燃燒處理。因此，對這部分加以回收利用，在經(jīng)濟上有巨大的意義。另外，集成電路、半導體器件、電子材料和光纖等產(chǎn)業(yè)中，需要超高純氫體。利用儲氫合金對氫原子有特殊的親和力，而對其他氣體雜質擇優(yōu)排斥的特性，不但可以回收廢氣中的氫，而且可以使氫純度高于 99.9999%以上，價格便宜、安全，具有十分重要

32、的社會效益和經(jīng)濟意義。 儲氫合金用途 （2）制冷或采暖設備材料。由于儲氫合金具有在吸氫化學反應時放出大量熱，而在放氫時吸收大量熱的特性，因此，人們可以利用儲氫合金的這種放熱吸熱循環(huán)，可進行熱的儲存和傳輸，制造制冷或采暖設備。 儲氫合金用途（3）儲氫合金具有高放電(功率)性能和優(yōu)異的放電性能。由于鎳鎘電池中的鎘有毒，使廢電池處理復雜，環(huán)境受到污染，因此它將逐漸被用儲氫合金做成的鎳氫充電電池（NiMH）所替代。從電池電量來講，相同大小的鎳氫充電電池電量比鎳鎘電池高約1.52倍，且無鎘的污染，現(xiàn)已經(jīng)廣泛地用于移動通訊、筆記本計算機等各種小型便攜式的電子設備。目前，更大容量的鎳氫電池已經(jīng)開始用于汽油/

33、電動混合動力汽車上，利用鎳氫電池可快速充放電過程，當汽車高速行駛時，發(fā)電機所發(fā)的電可儲存在車載的鎳氫電池中，當車低速行駛時，通常會比高速行駛狀態(tài)消耗大量的汽油，因此為了節(jié)省汽油，此時可以利用車載的鎳氫電池驅動電動機來代替內(nèi)燃機工作，這樣既保證了汽車正常行駛，又節(jié)省了大量的汽油，因此，混合動力車相對傳統(tǒng)意義上的汽車具有更大的市場潛力，世界各國目前都在加緊這方面的研究。無機非金屬材料 是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質組成的材料。 傳統(tǒng)無機非金屬材料 水泥和其他膠凝材料 硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏等 陶瓷 粘土質、長石質、滑石質

34、和骨灰質陶瓷等 耐火材料 硅質、硅酸鋁質、高鋁質、鎂質、鉻鎂質等 玻璃 硅酸鹽 搪瓷 鋼片、鑄鐵、鋁和銅胎等 鑄石 輝綠巖、玄武巖、鑄石等 研磨材料 氧化硅、氧化鋁、碳化硅等 多孔材料 硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸鹽和硅酸鋁等 碳素材料 石墨、焦炭和各種碳素制品等 非金屬礦 粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金剛石等 傳統(tǒng)的無機非金屬材料是工業(yè)和基本建設所必需的基礎材料。如水泥是一種重要的建筑材料;耐火材料與高溫技術,尤其與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展關系密切;各種規(guī)格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產(chǎn)、生活休戚相關。它們產(chǎn)量大,用途廣。其

35、他產(chǎn)品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化鋁)、鑄石(輝綠巖、玄武巖等)、碳素材料、非金屬礦(石棉、云母、大理石等)也都屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。 新型無機非金屬材料 新型元機非金屬材料是20世紀中期以后發(fā)展起來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現(xiàn)代新技術、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術改造、現(xiàn)代國防和生物醫(yī)學所不可缺少的物質基礎。主要有先進陶瓷(advanced ceramics)、非晶態(tài)材料(noncrystal material、人工晶體artificial crys-tal、無機涂層(inorganic coating)、無機纖維(inorganic fibre等。 1、陶瓷材料陶瓷材料的發(fā)展概況的發(fā)

36、展概況2、功能陶瓷功能陶瓷的定義、范圍和分類的定義、范圍和分類3、功能陶瓷功能陶瓷的性能與工藝特征的性能與工藝特征4、功能陶瓷功能陶瓷的應用和展望的應用和展望5、制備、制備陶瓷材料的原料陶瓷材料的原料 在人類在人類生活和社會建設生活和社會建設中是不中是不可缺少的材料，它和可缺少的材料，它和、并列為當代并列為當代。我國的我國的歷史悠久歷史悠久、成就輝煌，、成就輝煌，它是中華文明的偉大象征之一，在我國它是中華文明的偉大象征之一，在我國的的文化和發(fā)展史上文化和發(fā)展史上占有極其重要的地位。占有極其重要的地位。新石器時代新石器時代先進陶瓷階段先進陶瓷階段納米陶瓷階段納米陶瓷階段遠在遠在幾千年前幾千年前的

37、的，我們的祖先就，我們的祖先就已經(jīng)用已經(jīng)用作原料，塑造成各種器皿，再作原料，塑造成各種器皿，再在在火堆中火堆中燒成堅硬的可重復使用的燒成堅硬的可重復使用的，由于，由于燒成燒成溫度較低溫度較低，陶瓷僅是一種含有，陶瓷僅是一種含有、的的未完全燒成未完全燒成制品。制品。以后大約在以后大約在2000年前的年前的，人們，人們利用利用為原料，加上為原料，加上的的發(fā)明，以及發(fā)明，以及的不斷改進，使陶的不斷改進，使陶瓷步入瓷步入瓷器階段瓷器階段，這是，這是陶瓷技術發(fā)展史上陶瓷技術發(fā)展史上意意義重大的里程碑。義重大的里程碑。以以石英石英、長石長石、硼砂硼砂、黏土黏土等為原料制成等為原料制成的東西，涂在瓷器、陶器

38、外面，燒制后的東西，涂在瓷器、陶器外面，燒制后，可增加陶瓷的，可增加陶瓷的機械強度機械強度和和絕緣性能絕緣性能。燒成溫度高燒成溫度高，質地致密堅硬質地致密堅硬，表，表面有面有光亮的釉彩光亮的釉彩。隨著科學進步與發(fā)展，由隨著科學進步與發(fā)展，由又衍生又衍生出許多種類的出許多種類的。都是以都是以為主要原料與其他為主要原料與其他天天然礦物原料然礦物原料經(jīng)經(jīng)一一等等過程制成的。過程制成的。如常見的如常見的日用陶瓷日用陶瓷、建筑陶瓷建筑陶瓷、電電瓷瓷等傳統(tǒng)陶瓷。等傳統(tǒng)陶瓷。由于由于的主要原料取之于自然界的主要原料取之于自然界的的(如如黏土黏土、長石長石、石英石英等等)，所以可歸為所以可歸為硅酸鹽類材料和制

39、品硅酸鹽類材料和制品。從從的出現(xiàn)到的出現(xiàn)到，這一階段持續(xù)了四千余年。，這一階段持續(xù)了四千余年。20世紀以來，隨著人類對世紀以來，隨著人類對宇宙的探索宇宙的探索、原子原子能工業(yè)的興起能工業(yè)的興起和和電子工業(yè)電子工業(yè)的迅速發(fā)展，從的迅速發(fā)展，從、到到等方面，對等方面，對均提出均提出越來越高越來越高的要求的要求。從而，促使。從而，促使發(fā)展成為一系列發(fā)展成為一系列具具有特殊功能的有特殊功能的。如如、等各種等各種高溫和功能陶瓷高溫和功能陶瓷。這時，陶瓷研究進入第二個階段這時，陶瓷研究進入第二個階段。（Advanced ceramics）又稱）又稱，是為了有別于是為了有別于而言的。而言的。有時也稱為有時也

40、稱為(Fine Ceramics)、(New Ceramics)、(Special Ceramics)和和(High-Tech. Ceramics)等。等。在在陶瓷制備技術陶瓷制備技術飛速發(fā)展。飛速發(fā)展。在在有有成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形等成形方法；成形等成形方法；在在則有則有燒結、燒結、燒結、燒結、燒結、燒結、燒結、燒結、燒結、燒結、燒結等。燒結等。在在采用的采用的已不再使用或已不再使用或很少使用很少使用等傳統(tǒng)原料，而已擴大到等傳統(tǒng)原料，而已擴大到和和，甚至是，甚至是、原料，原料，組成范圍組成范圍也延伸到也延伸到范圍。范圍。此時可認為，此時可認為，已已是是用陶瓷生產(chǎn)

41、方法用陶瓷生產(chǎn)方法制造的制造的和和的統(tǒng)稱。的統(tǒng)稱。但是，但是，無論從，無論從、中所體現(xiàn)的中所體現(xiàn)的晶粒晶粒、晶界晶界、氣孔氣孔、缺陷缺陷等等在尺度上在尺度上還只是處在還只是處在的水平，故又可稱之為的水平，故又可稱之為。 到到20世紀世紀90年代，陶瓷研究已進入第三個階年代，陶瓷研究已進入第三個階段段-。所謂所謂，是指，是指顯微結構中的物相顯微結構中的物相就有就有納米級尺度納米級尺度的陶瓷材料。它包括的陶瓷材料。它包括、等均等均在在納米量級的尺度上納米量級的尺度上。是當今是當今陶瓷材料研究中陶瓷材料研究中一個一個十分重要的發(fā)展趨向，它將促使十分重要的發(fā)展趨向，它將促使從工藝到理論從工藝到理論、從

42、性能到應用從性能到應用都提都提高到一個嶄新的階段。高到一個嶄新的階段。從性能上從性能上可把可把分為分為(Structral ceramics)和和(Functional Ceramics)兩大類。兩大類。是指具有是指具有和和及部及部分分的先進陶瓷的先進陶瓷(現(xiàn)代陶瓷現(xiàn)代陶瓷)，特別特別適于高溫下應用的適于高溫下應用的則稱為則稱為。是指那些利用是指那些利用、等等直接效應直接效應及其及其耦合效應耦合效應所提所提供的供的一種或多種性質一種或多種性質來實現(xiàn)某種來實現(xiàn)某種的先進陶瓷的先進陶瓷(現(xiàn)代陶瓷現(xiàn)代陶瓷)。品種多品種多、產(chǎn)量大產(chǎn)量大、價格低價格低、應用廣應用廣、功能全功能全、技術高技術高、更新快更

43、新快。通過對通過對的的化學、物理及化學、物理及組成、結構、性能和使用效能組成、結構、性能和使用效能間相互關系的研究，間相互關系的研究，已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一大批具有已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一大批具有，并可借助于，并可借助于離子置換離子置換、摻雜摻雜等方法等方法調調節(jié)、優(yōu)化其性能節(jié)、優(yōu)化其性能，功能陶瓷材料研究已開始從，功能陶瓷材料研究已開始從逐步走向逐步走向。的實現(xiàn)，主要取決于它所具有的的實現(xiàn)，主要取決于它所具有的，而在，而在范圍中，又必須針范圍中，又必須針對對，去，去改善、提高某種有效的性能改善、提高某種有效的性能，以獲得有以獲得有某種功能某種功能的陶瓷材料。的陶瓷材料。例如，就陶瓷的例如，就陶瓷的而言，要改善

44、而言，要改善在大功率使用下在大功率使用下的功能，就必須首先的功能，就必須首先改改進陶瓷材料的進陶瓷材料的；為改善為改善，則要從，則要從提高材料提高材料的的和和入手；入手；對于對于，需改善其，需改善其和和；為改善作避雷器使用的為改善作避雷器使用的的功的功能，則需提高其能，則需提高其和和。一般來說，要一般來說，要來來，需從以下兩個方面入手：，需從以下兩個方面入手：通過通過，即，即以以改善和提高改善和提高，達到獲得優(yōu)質材，達到獲得優(yōu)質材料的目的。料的目的。從材料的組成上從材料的組成上直接直接、其內(nèi)其內(nèi)在的品質在的品質，包括采用，包括采用、，使不同相在微觀級，使不同相在微觀級復合，進而形成不同性質的晶

45、界層等。復合，進而形成不同性質的晶界層等。是指是指原料的原料的和和、和和條件條件、和和燒結狀態(tài)燒結狀態(tài)，以及，以及和和等。等。無論是無論是還是還是，最終都，最終都是通過是通過材料材料，才能體現(xiàn)出，才能體現(xiàn)出。因此，要想達到因此，要想達到，或者進行，或者進行，必須綜合考慮，必須綜合考慮組成組成、工藝工藝、微觀微觀結構結構等諸多因素，這是個系統(tǒng)工程。等諸多因素，這是個系統(tǒng)工程。下圖表示了下圖表示了陶瓷功能陶瓷功能與與組成、工藝、性能和組成、工藝、性能和結構結構的關系。的關系。陶瓷功能與組成、工藝、性能、結構的關系陶瓷功能與組成、工藝、性能、結構的關系的不斷開發(fā)，對的不斷開發(fā)，對科學技術的科學技術的

46、發(fā)展發(fā)展起了巨大促進作用，功能陶瓷的起了巨大促進作用，功能陶瓷的應用應用領域領域也隨之更為廣泛。也隨之更為廣泛。目前，目前，主要用于主要用于電、磁、光、電、磁、光、聲、熱和化學聲、熱和化學等等、和和等，并已在電子信息、等，并已在電子信息、集成電路集成電路、計算機計算機、能源工程能源工程、超聲換能、超聲換能、人工智能人工智能、生物工程生物工程等眾多等眾多近代科技領域近代科技領域顯示出廣闊的顯示出廣闊的應用前景。應用前景。根據(jù)功能陶瓷根據(jù)功能陶瓷組成結構的組成結構的和和，可以制備，可以制備超高絕緣性超高絕緣性、絕緣性絕緣性、半半導性導性、導電性導電性和和超導電性超導電性陶瓷；陶瓷；根據(jù)功能陶瓷根據(jù)功能陶瓷和和，可，可以制備以制備壓電壓電、光電光電、熱電熱電、磁電磁電和和鐵電鐵電等等陶瓷；陶瓷；根據(jù)功能陶瓷對根據(jù)功能陶瓷對，則可制備則可制備熱敏熱敏、氣敏氣敏、濕敏濕敏、壓敏壓敏、磁敏磁敏和和光敏光敏等敏感陶瓷。等敏感陶瓷。二十世紀二十世紀90年代，開始的年代，開始的的研究，表明人們已開始深入到的研究，表明人們已開始深入到來研究功能陶瓷來研究功能陶瓷的的性能與結構性能與結構，以期進一步開拓，以期進一步開拓功能陶瓷功能陶瓷新的應用領域。新的應用領域。無論從無論從，還是，還是來看，在來看，在當前