材料化學(xué)PPT(2008)

1、朱振峰朱振峰 教授陜西科技大學(xué) 二OO八年九月Tel13909101927E-Mail: 材料化學(xué)導(dǎo)論材料化學(xué)導(dǎo)論研究生學(xué)位課研究生學(xué)位課：INTRODUCTION（一）、問題的引出：（一）、問題的引出： 現(xiàn)代文明的三大支柱：材料、能源、信息材料、能源、信息 現(xiàn)代高新技術(shù)：信息、生命、能源、交通、環(huán)境、信息、生命、能源、交通、環(huán)境、空間、海洋空間、海洋1. 1. 材料科學(xué)四面體材料科學(xué)四面體：材料科材料科學(xué)學(xué)工程學(xué)工程學(xué)化學(xué)化學(xué)物理物理理論理論物理學(xué)物理學(xué)：研究物質(zhì)中原子、電子的運動、相互作用及結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系；強調(diào)：物質(zhì)運動的共同規(guī)律；注重：物性的連續(xù)變化；探索：

2、結(jié)構(gòu)與物理性能的定量關(guān)系?；瘜W(xué)：化學(xué)：研究制備、反應(yīng)及結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系；注重：物性隨組成變化的特殊性；探索：組成-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系。工程學(xué)工程學(xué)：目的是改造自然！運用理論及專業(yè)知識，將自然資源變?yōu)椋航Y(jié)構(gòu)、機械及產(chǎn)品。材料科學(xué)：材料科學(xué)：根據(jù)工程的需要，以物理、化學(xué)及理論為基礎(chǔ)而形成的一種 交叉邊緣學(xué)科。定義：定義：以物理、化學(xué)及相關(guān)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)工程對材料的要求，設(shè)計一定的工藝過程，把原料制備成實際應(yīng)用的元氣件，使其具備規(guī)定的形態(tài)、形貌和功能。形態(tài)及形貌：形態(tài)及形貌：多晶、單晶、纖維、薄膜、陶瓷、玻璃、復(fù)合體、集成塊等功能：功能：熱、聲、光、電、磁、力學(xué)、化學(xué)、生物、機敏、智能等。2.

3、2. 材料科學(xué)的現(xiàn)代內(nèi)涵材料科學(xué)的現(xiàn)代內(nèi)涵經(jīng)典的材料科學(xué)注重于材料的應(yīng)用性能及制造工藝；現(xiàn)代的材料科學(xué)注重于材料的宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。3. Hard Chemistry & Soft Chemistry3. Hard Chemistry & Soft ChemistryHard ChemistryHard Chemistry在在極端條件下進(jìn)行反應(yīng)，如：超高壓、超高溫、強輻射、沖擊波、超高真空、無重力等環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng)。Soft Chemistry在溫和條件下進(jìn)行反應(yīng)，控制反應(yīng)過程、路徑和機制，一步步設(shè)計中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的組成、結(jié)構(gòu)，剪裁其物理和化學(xué)性質(zhì)，可以形成介穩(wěn)、

4、非平衡結(jié)構(gòu)、低焓、低維、低對稱材料和不同類型的復(fù)合材料。如：溶膠凝膠反應(yīng)、插層反應(yīng)、前驅(qū)物法、水熱反應(yīng)、局部化學(xué)反應(yīng)、助熔劑反應(yīng)、離子交換反應(yīng)等。.Nanophase materials.Nanophase materials（納米材料）（納米材料）物質(zhì)的性質(zhì)取決于構(gòu)成物質(zhì)的原子、分子和其介觀層次。納米材料：是指長度范圍內(nèi)的微粒、結(jié)構(gòu)、結(jié)晶或納米復(fù)合材料。納米材料把物質(zhì)內(nèi)部潛在的豐富結(jié)構(gòu)和性能開發(fā)出來，表現(xiàn)出了異于宏觀物質(zhì)的性質(zhì)。應(yīng)用于：信息科技的超微化、高密度、高靈敏度、高集程度、高速度的發(fā)展中。（二）、參考教材：二）、參考教材：（1）材料化學(xué)導(dǎo)論 唐小真 揚宏秀 丁馬太 主編高等教育出版社

5、（2）材料化學(xué)導(dǎo)論 曹茂盛 等 主編 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社（3）新型陶瓷材料手冊 欽征騎 主編 江蘇科技出版社教材分三類：教材分三類：（）材料科學(xué)與材料工程方面：金屬類的很多，非金屬的偏少；（）化學(xué)方面：以化學(xué)為主，如固體化學(xué)等，涉及材料的不多；（）單科性的如：高分子材料、陶瓷材料等。（二）、教學(xué)類容：（二）、教學(xué)類容：1.1.材料化學(xué)的理論基礎(chǔ)材料化學(xué)的理論基礎(chǔ) 1 1.1 固體晶體和非晶體 1.2 晶體材料的微觀結(jié)構(gòu) 1.3 晶體的能帶理論 1.4 缺陷和非化學(xué)計量化合物 1.5 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的幾何特征 1.6 相圖和相圖化學(xué) 1.7 固態(tài)相變 1.8 聚合物的結(jié)構(gòu)特征2 2. .材料結(jié)構(gòu)表

6、征材料結(jié)構(gòu)表征 2.1 材料結(jié)構(gòu)的表征 2.2 熱分析技術(shù) 2.3 顯微技術(shù) 2.4 XRD技術(shù) 2.5 波譜技術(shù)3. 3. 材料制備化學(xué)材料制備化學(xué) 3.1 化學(xué)合成與材料制備 3.2 晶體的制備（陶瓷法、化學(xué)法、氣相沉積法等） 3.3 微晶顆粒和團(tuán)簇的制備 3.4 無定型材料的制備 3.5 晶體生長 3.6 聚合物材料的制備4.4.材料的結(jié)構(gòu)與物性材料的結(jié)構(gòu)與物性 4.1晶體材料的結(jié)構(gòu)與物性 4.2 非晶體材料的結(jié)構(gòu)與物性 4.3 液晶材料的結(jié)構(gòu)與物性5. 5. 新型結(jié)構(gòu)材料新型結(jié)構(gòu)材料 5.1 高溫結(jié)構(gòu)材料 5.2 輕型結(jié)構(gòu)材料 5.3 超低溫材料 5.4 超硬材料 5.5 超塑性合金

7、5.6 非晶態(tài)金屬 5.7 新制備方法制備的新材料 5.8 工程塑料 5.9復(fù)合材料6. 6. 新型功能材料新型功能材料 6.1 形狀記憶合金 6.2 減震材料 6.3 儲氫材料 6.4 液晶材料 6.5 超導(dǎo)材料 6.6 光導(dǎo)纖維 6.7 分離膜 6.8 醫(yī)用聚合物材料 6.9 其它現(xiàn)代功能材料 6.10 準(zhǔn)晶體7. 7. 功能轉(zhuǎn)換材料功能轉(zhuǎn)換材料 7.1 熱電材料 7.2 壓電材料 7.3 光電材料 7.4 熱釋電材料 7.5 磁光材料 7.6 電光材料 7.7 聲光材料 7.8 具有能量轉(zhuǎn)換功能的聚合物第一章：緒論第一章：緒論. .材料的發(fā)展過程材料的發(fā)展過程是社會進(jìn)步社會進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)

8、與先導(dǎo)；是人類生存人類生存、發(fā)展、征服自然的物質(zhì)基礎(chǔ)；材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破重大突破必然會引起生產(chǎn)技術(shù)的革命、大大加速社會發(fā)展進(jìn)程、推動物質(zhì)文明的發(fā)展。材材 料料. . .材料發(fā)展的歷史：材料發(fā)展的歷史：石英晶體作為武器與工具（人類與晶體打交道的濫觴）在尋找石器的過程中認(rèn)識了礦石；陶器的燒制開創(chuàng)了冶金術(shù)5000B.C人類進(jìn)入了青銅器時代1200B.C人類進(jìn)入了鐵器時代（鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展）；18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命機械化（以鋼鐵材料為基礎(chǔ)）；20世紀(jì)中葉新材料（發(fā)明之母、產(chǎn)業(yè)糧食）人類進(jìn)入了聚合物時代、半導(dǎo)體時代、先進(jìn)陶瓷時代。. . .材料發(fā)展的五個階段：材料發(fā)展的五個階段：第一代天然材料：第一

9、代天然材料：自然界動物、植物、礦物，如：獸皮、甲骨、羽毛、樹木、草葉、石塊、泥土等；第二代燒煉材料：第二代燒煉材料：包括燒結(jié)材料和冶煉材料。燒燒結(jié)材料：結(jié)材料：磚瓦、陶瓷、玻璃、水泥等；冶煉材料冶煉材料：銅、鐵等。第三代合成材料：第三代合成材料：20世紀(jì)初合成塑料、合成纖維、合成橡膠等；聚合物材料工業(yè)聚合物材料工業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個時期： （1950-1970年）新型塑料和合成纖維的深入研究（1970-1980年）工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工業(yè)化和應(yīng)用(1990年）分子設(shè)計、高性能、高功能聚合物材料的合成。第四代可設(shè)計材料：第四代可設(shè)計材料：用新的物理、化學(xué)方法根據(jù)需要去設(shè)計特殊性

10、能的材料。如金屬陶瓷、鋁塑薄膜等復(fù)合材料。第五代智能材料：第五代智能材料：是一種新型的功能材料，它們能隨著環(huán)境、時間的變化改變自己的性能和形狀，如：記憶合金、功能陶瓷等。上述的五代材料，并不是新舊交替的，而是長期并存的，它們共同在生產(chǎn)、生活、科研的各方面發(fā)揮著不同的作用。. . .我國材料的研究現(xiàn)狀：我國材料的研究現(xiàn)狀：. .信息材料：信息材料： 在人工晶體特別是在無機非線性光學(xué)晶體方面（三硼酸鋰LBO、偏硼酸鋇BBO、高摻鎂鈮酸鋰），已達(dá)到國際先進(jìn)水平。. .能源材料：能源材料： 新型儲氫材料在實驗室成功地用于鎳氫電池中。. .高性能金屬材料：高性能金屬材料： 建成了年產(chǎn)百噸級的非晶合金屬（

11、具有高強度、高韌性、耐腐蝕、極軟的磁特性等特點）中試線。. .先進(jìn)陶瓷：先進(jìn)陶瓷： 1990年我國研制成功了無水冷陶瓷發(fā)動機組在45座位的大客車上，順利通過了3500km道路試車。. .先進(jìn)復(fù)合材料；先進(jìn)復(fù)合材料； 一批高性能樹脂在向中試規(guī)模發(fā)展，新一代樹脂基、金屬基、陶瓷基復(fù)合材料正在研究發(fā)展中。. .材料的分類：材料的分類： 目前世界上已有的傳統(tǒng)材料有幾十萬種，而新材料的品種正以每年的速度增長。1950 年至今，已知的化合物已從200萬種增至1000 萬種，而且還以每年25萬種的速度遞增，其中有相當(dāng)一部分有發(fā)展為新材料的潛力。 一般將材料分為兩大類：即結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料（以強度為特征）和功能

12、材料功能材料（以功能為特征）。. . .金屬材料：金屬材料： 金屬玻璃、準(zhǔn)晶、定向共晶合金、微晶、低維合金、納米晶體、薄膜、微粉、非晶態(tài)金屬、稀釋合金等；其電性、磁性、耐腐蝕、強度等物理、力學(xué)、結(jié)構(gòu)性能取得了很大進(jìn)展。. . .非金屬材料：（見下表）非金屬材料：（見下表）新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的主要區(qū)別新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的主要區(qū)別區(qū)別點傳統(tǒng)陶瓷新型陶瓷原料天然礦物原料人工精制合成原料（氧化物和非氧化物兩大類）成型注漿、可塑成型為主壓制、熱壓鑄、注射、軋膜、流廷、等靜壓成型為主燒成溫度一般在 1350以下，燃料以煤、油、氣為主結(jié)構(gòu)陶瓷常需 1600左右高溫?zé)Y(jié)，功能陶瓷需精確控制燒結(jié)溫度，燃料以電、

13、氣、油為主加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和拋光性能以外觀效果為主以內(nèi)在質(zhì)量為主，常呈現(xiàn)耐溫、耐磨、耐腐蝕和各種敏感特性用途餐具、陳設(shè)品、建筑衛(wèi)生瓷等主要用于宇航、能源、冶金、交通、電子家電等行業(yè)結(jié)構(gòu)陶瓷的分類結(jié)構(gòu)陶瓷的分類種類材料氧化物系A(chǔ)l2O3，MgO，SiO2，UO2，BeO碳化物SiC，TiC，B4C，WC，UC，ZrC氮化物Si3N4，AlN，BN，TiN，ZrN硼化物ZrB2，WB，TiB2，LaB6硅化物MoSi2氟化物CaF2，BaF2，MgF2硫化物ZnS，TiS2，MxMo6S8（M=Pb，Cu，Gd）非氧化物系碳和石墨C功功能能陶陶瓷瓷的的分分類類功能系列材料用途絕

14、緣陶瓷Al2O3， BeO， MgO， AlN， SiC集成電路基片、封裝陶瓷、高頻絕緣瓷介電陶瓷TiO2，La2Ti2O7，Ba2Ti9O20陶瓷電容器、微波陶瓷鐵電陶瓷BaTiO3，SrTiO3陶瓷電容器壓電陶瓷PZT，PT，LNN，（PbBa）NaNb5O15超聲換能器，諧振器，濾波器，壓電點火，壓電電動機，微位移器NTC （Mn， Co， Ni， LaCrO3 ，ZrO2-Y2O3 ，SiC）溫度傳感器、溫度補償器等PTC（Ba-Sr-Pb）TiO3溫度補償器和自控加熱元件CTR（V2O5）熱傳感元件，防火災(zāi)傳感器等ZnO 壓敏陶瓷浪涌電流吸收器、噪聲消除、避雷器SiC 發(fā)熱體電爐、小

15、型電熱器等半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體BaTiO3，SrTiO3晶界層電容器電功能陶瓷快離子導(dǎo)體陶瓷-Al2O3 ，ZrO2鈉硫電池固體電解質(zhì)、氧傳感器陶瓷軟磁鐵氧體Mn-Zn，Cu-Zn，Ni-Zn，Cu-Zn-Mg記錄磁頭、溫度傳感器、電視機、收錄機、通訊機、磁芯、計算機電源、磁頭、電波吸收體硬磁鐵氧體Ba，Sr 鐵氧體鐵氧體磁石磁功能陶瓷記憶用鐵氧體Li，Mn，Ni，Mg，Zn與鐵形成的尖晶石形鐵氧體計算機磁芯等透明氧化鋁陶瓷高壓鈉燈透明氧化鎂陶瓷照明或特殊燈管、紅外輸出窗材料透明氧化鈹陶瓷激光元件透明氧化釔陶瓷激光元件透明氧化釷陶瓷激光元件光功能陶瓷PLZT 透明鐵電陶瓷光存儲元件、視頻顯示和存儲

16、系統(tǒng)、光開關(guān)、光閥等濕敏陶瓷MgCr2O4-TiO2，TiO2-V2O5，ZnO-Cr2O3（LiZnVO4） ，F(xiàn)e3O4，NiFe2O4工業(yè)濕度檢測、烹飪控制元件等氣敏陶瓷SnO2， -Fe2O3， ZrO2，TiO2，CoO-MgO，ZnO，WO3等汽車傳感器、鍋爐燃燒控制、氣體漏泄報警、載體用陶瓷堇青石瓷，Al2O3瓷，SiO2-Al2O3瓷等汽車尾氣催化載體、化學(xué)工業(yè)用催化載體、酵素固定載體等催化用陶瓷沸石，過渡金屬氧化物接觸分解反應(yīng)催化、排氣凈化催化等生物及化學(xué)功能陶瓷生物陶瓷Al2O3，氫氧磷灰石人造牙齒、關(guān)節(jié)骨等新型陶瓷的特性與應(yīng)用新型陶瓷的特性與應(yīng)用領(lǐng)域特性應(yīng)用高絕緣性集成電

17、路組件，集成電路襯底，散熱性絕緣性襯底鐵電性、介電性圖象存儲元件，電光偏振光元件，高容量電容器壓電性振子，點火元件，濾波器，壓電變壓器，超聲波元件，電子引燃器，彈性表面波元件，電子鐘表熱電性紅外檢測元件，自計式溫度計，探測器，新型武器電子放射性陰極射線管電子槍熱陰極，熱電子裝置，電子顯微鏡，電子束焊槍，超大規(guī)模集成電路電子束繪圖儀光、電、磁學(xué)功能領(lǐng)域電子陶瓷半導(dǎo)性、傳感性電阻發(fā)熱體（高溫電爐） ，濕度傳感器，熱敏電阻（溫度控制器） ，壓力傳感器，穩(wěn)壓元件（非線性電阻） ，自控系統(tǒng)電阻發(fā)熱元件（電子恒溫器，被褥干燥器，頭發(fā)干燥器） ，氣體傳感器（氣體泄露報警器）離子導(dǎo)電性氧量傳感器（汽車發(fā)動機空

18、氣/燃料比控制器） ，高爐的控制，鈉硫電池（功率平衡用）熒光性熒光體，彩色電視顯象管材料偏振光性電光偏振光元件光電陶瓷光電性光電變換元件透光性耐高溫耐蝕透光性（高壓鈉燈燈管） ，窯爐觀察窗，原子能反應(yīng)堆窗口，半導(dǎo)性透可見光性（光改變色玻璃）光反射性耐高溫金屬特性反射紅外線透過可見光、反射紅外線特性（節(jié)能型玻璃）光陶瓷導(dǎo)光性通信用光纖，胃攝像機，光能傳輸纖維光、電、磁學(xué)功能領(lǐng)域磁性陶瓷軟磁性、硬磁性電腦存儲元件，變壓器磁芯，磁帶，磁盤，橡膠磁鐵，立體聲拾音器，磁頭，現(xiàn)金支付信用卡，冷藏庫氣密磁門傳熱性集成電路絕緣（散熱）襯底絕熱性耐熱絕熱體，輕質(zhì)絕熱體，不燃壁材，節(jié)能壁爐熱學(xué)功能領(lǐng)域耐高溫性耐高

19、溫結(jié)構(gòu)材料，高溫爐，核聚變反應(yīng)堆材料，原子能反應(yīng)堆材料高強度、耐磨性、非膨脹收縮性超高精度全陶瓷車床，機床，測量機械，拉絲模高強度、耐高溫性高性能高效汽車發(fā)動機，燃?xì)廨啓C葉片，柴油機，Sterling 發(fā)動機，航天飛機表面瓦高比強度性汽車零件，人造衛(wèi)星機體，火箭機體，飛機機體高模量高爾夫球棒，長柄，網(wǎng)球拍，撐桿跳高撐桿，釣魚桿，各種彈簧材料超硬性研磨材料，切削工具，磨削材料機械功能領(lǐng)域潤滑性軸承材料，高溫潤滑材料骨親和性人工骨，人造牙根，人造關(guān)節(jié)載體性固定酶載體，催化劑載體，生物化學(xué)反應(yīng)控制裝置耐蝕性理化儀器，化工陶瓷，化學(xué)裝置內(nèi)襯，原子能有關(guān)材料生物化學(xué)功能領(lǐng)域催化性水煤氣反應(yīng)催化劑，耐熱催

20、化劑，化學(xué)用催化劑. . .合成材料合成材料 合成塑料、合成纖維、合成橡膠。特點：特點：質(zhì)地輕巧、原料豐富、加工簡便、性能良好、用途廣泛。發(fā)展速度發(fā)展速度：以超過鋼鐵、水泥、木材三大基體材料。具體種類具體種類（見下頁）（見下頁）（1 1）塑料：）塑料：分熱塑性塑料（加熱融化，用模型和擠塑工藝成型）、熱固性塑料（一次性固化，不能反復(fù)熔融）兩種；（2 2）橡膠：）橡膠：另一類聚合物工程材料，與塑料生產(chǎn)過程不同，與塑料聚合物材料類型不同；（3 3）纖維）纖維、涂料、粘合劑：不同物理形態(tài)和不同用途的聚合物材料；（4 4）耐高溫的聚合物材料）耐高溫的聚合物材料： 一種芳環(huán)聚合物塑料可在500度下長期使用

21、；一種交聯(lián)苯酚型纖維，可耐2500度的火焰?。? 5）其他新型合成材料）其他新型合成材料： 變色塑料玻璃、磁體記憶元件、聚合物電路、生物電路等。. . .復(fù)合材料：復(fù)合材料： 將多種不同類型的材料進(jìn)行多相復(fù)合，使之取長補短，許多復(fù)合材料既是結(jié)構(gòu)材料又是功能材料。復(fù)合材料的發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個時期： 1942-1960年：以高剛度、輕質(zhì)量材料為主； 1960-1975年：以高強度、高韌性材料為主； 1975-至今：向多功能方向發(fā)展。（1 1）纖維（晶須）增強或補強復(fù)合材料）纖維（晶須）增強或補強復(fù)合材料： 有機聚合物復(fù)合材料：聚酰胺復(fù)合材料； 金屬基復(fù)合材料：C纖維或SIC纖維增強的鋁基、鈦基復(fù)合

22、材料； 陶瓷基復(fù)合材料：SIC纖維或其它無機纖維增強。（2 2）第二相顆粒彌散的復(fù)合材料）第二相顆粒彌散的復(fù)合材料 SiC顆粒增強的鋁基或鈦基復(fù)合材料改善高溫性能明顯； TIC或ZrB彌散的SiC基復(fù)合材料強度和韌性提高50-70%； SiC顆粒彌散的ZrO2基復(fù)相陶瓷（Y-TZP）800度時高溫強度提高50%； SiC顆粒彌散的莫來石陶瓷常溫和高溫下強度提高2.5倍，抗熱震性增加。（3 3）梯度功能的復(fù)合材料）梯度功能的復(fù)合材料：如在金屬基體上逐層滲入無機材料，使其既有金屬的結(jié)構(gòu)支撐，又具有特殊功能。. . .功能材料：功能材料：如磁性材料、發(fā)光材料、記憶材料（已研制出100多種）、光導(dǎo)纖維

23、、超導(dǎo)材料、感光樹脂（光刻、照相、精密機加工）等. .材料科學(xué)與材料化學(xué)：材料科學(xué)與材料化學(xué)：. . .材料研究中的化學(xué)問題：材料研究中的化學(xué)問題：使命使命在分子、原子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性能以及相互轉(zhuǎn)化的科學(xué)；長期的任務(wù)長期的任務(wù)整理天然產(chǎn)物，耕耘周期系，發(fā)現(xiàn)了大量化合物，為新材料的開發(fā)儲備了足夠的化合物；化化 學(xué)學(xué)發(fā)展速度發(fā)展速度近半個世紀(jì)中的到了該速發(fā)展，可以處理實際的、高度復(fù)雜的體系；發(fā)展伙伴發(fā)展伙伴材料科學(xué)的誕生和成長，使化學(xué)在原子、分子層次上增添了新的伙伴，化學(xué)已離不開和材料科學(xué)的相互依存而獨立發(fā)展；發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢一方面一方面，繼續(xù)化學(xué)科學(xué)基礎(chǔ)理論的研究；另一方面另一方面

24、，加強應(yīng)用化學(xué)的研究。CA中此類文獻(xiàn)的數(shù)量呈迅速增加的趨勢。對材料制造的貢獻(xiàn)對材料制造的貢獻(xiàn)化學(xué)是用量子化學(xué)等理論進(jìn)一步揭示材料的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，按預(yù)定性能去設(shè)計新材料，不斷滿足：微電子技術(shù)（超純、超凈、超精細(xì)）、空間技術(shù)（耐高溫、耐熱沖擊、高強度）、海洋技術(shù)（耐高壓、耐腐蝕）等新材料。材料科學(xué)材料科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)研究的前沿，材料的研究和發(fā)展是古老而新興的領(lǐng)域。如：石器、陶器、瓷器、鐵器、銅器、玻璃、鋼、水泥、有機聚合物、單晶材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、超導(dǎo)材料等。材料科學(xué)涉及材料科學(xué)涉及固體物理、晶體學(xué)、無機化學(xué)、高分子化學(xué)、冶金、陶瓷、化工等領(lǐng)域。傳統(tǒng)材料的研究方法傳統(tǒng)材料的研究方

25、法以經(jīng)驗、技藝為基礎(chǔ)，依靠配方篩選和性能測試，通過宏觀研究建立唯象理論，描述材料的宏觀現(xiàn)象?，F(xiàn)代材料的研究方法現(xiàn)代材料的研究方法重視基礎(chǔ)理論研究，利用現(xiàn)代測試手段，揭示微觀機制?；瘜W(xué)家的任務(wù)化學(xué)家的任務(wù)傳統(tǒng)：發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)；現(xiàn)代：三大任務(wù)，即：制備、表征與性能測試。材料化學(xué)：材料化學(xué)：是化學(xué)、物理、材料科學(xué)互相交叉的研究領(lǐng)域。其研究特點是：化學(xué)與物理相結(jié)合，化學(xué)與物理相結(jié)合，微觀與宏觀相結(jié)合，理論與技術(shù)相結(jié)合。微觀與宏觀相結(jié)合，理論與技術(shù)相結(jié)合。材料化學(xué)的主要內(nèi)容：材料化學(xué)的主要內(nèi)容：（1 1）采用新工藝、新技術(shù)（高溫、高壓、低溫、高真空、失重等）合成新物質(zhì)、新材料；（2 2）用現(xiàn)代研究方法來研究

26、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、性能之間的關(guān)系（如：SEM、TEM、STM、AFM、XRD、EDX、XPS、ICP、BET、IR、EPMA、DTA-TG、ESR等 ）；（3 3）廣泛應(yīng)用相平衡、亞穩(wěn)態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論等工具。. .2 .2 從原料到材料從原料到材料 化學(xué)過程和材料過程：化學(xué)過程和材料過程：原料原料（ make from）在制品中不保留其形態(tài)，在使用過程中自身消失，其功能屬于化學(xué)；材料材料（make of)在制品中殘留其形態(tài)，其功能屬物理在使用中保持原狀?，F(xiàn)代社會對材料的要求現(xiàn)代社會對材料的要求 （1 1）結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合：要求材料既能作為結(jié)構(gòu)材料又能作為功能材料（如梯度功能材料）。 （2

27、2）智能型：要求材料本身具有感知、自我調(diào)節(jié)和反饋的能力，具有敏感和驅(qū)動雙重功能，如同防生體。 （3 3）少污染：要求材料制作和廢棄過程中盡可能減少對環(huán)境的污染。 （4 4）可再生：一是保護(hù)和充分利用資源，二是減少地球廢料積存。 （5 5）節(jié)約能源：減少能耗，開辟新能源。 （6 6）長壽命：要求材料減少維修或不維修。2.1 固體晶體和非晶體2.2 晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)2.3 2.3 晶體的能帶理論晶體的能帶理論2.4 缺陷和非化學(xué)計量化合物2.5 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的幾何特征2.6 相圖和相圖化學(xué)2.7 固態(tài)相變2.8 聚合物的結(jié)構(gòu)特征第二章：材料化學(xué)的理論基礎(chǔ)第二章：材料化學(xué)的理論基礎(chǔ)內(nèi)內(nèi) 容容自由電子

28、自由電子理論理論（電子在均勻勢場中運動）晶體勢場晶體勢場的周期性的周期性（電子靠近原子時勢能明顯降低）把晶體周期性勢場考慮進(jìn)去，研究電子在不同運動狀態(tài)的能量分布，這種能量呈帶狀分布。能帶理論能帶理論晶體的能帶理論晶體的能帶理論1. 1. 共有化電子：共有化電子： 固體的研究是從金屬開始的，物理學(xué)家關(guān)心：為什么為什么金屬易導(dǎo)電？易傳熱？1897年，湯姆孫（J.J.THOSOM）首先發(fā)現(xiàn)金屬中電子的存在（當(dāng)時分子論處理氣體獲得巨大成功！）。1900年，特魯特（P.DRUDE）提出第一個固體電子模型金屬模型。金屬模型：金屬模型：金屬中價電子是共有的，在原子中處于熱運動平衡狀態(tài)。共有化電子可看成特殊的

29、電子氣，電子氣構(gòu)成了原子間的鍵。金屬導(dǎo)電是由于電子氣的遷移所制。金屬中價電子的運動基本上是自由的（除去和原子的碰撞外），通過碰撞電子和金屬原子交換能量，在一定溫度下達(dá)到平衡。H.A.LORENTZ洛倫茲對上述理論進(jìn)行了改進(jìn)：假定電子速度服從MAXWELLBOLTZMAN分布定律。經(jīng)典理論能解釋歐姆定律和維德曼弗蘭茲定律（熱導(dǎo)率/電導(dǎo)率=恒定），不能解釋常溫下金屬電阻率溫度正比關(guān)系，不能解釋電子的比熱容問題。A.J.W.SOMMERFELD索末菲：用量子力學(xué)處理自由電子，認(rèn)為電子速度分布滿足費密分布。金屬中電子雖然很多，但只有能量分布處于費密能級附近的電子參與熱激發(fā)，從而對比熱容有貢獻(xiàn)，而參與熱

30、激發(fā)的電子只占全部金屬電子的很小一部分，因而金屬電子的比熱容可以忽略。解決不了的問題：電子散射機構(gòu)的問題。2. 2. 能帶理論：能帶理論：自由電子理論自由電子理論忽略金屬離子的作用，同時假定金屬內(nèi)存在均勻勢能。實際實際電子在非均勻勢場中運動，在兩原子之間勢能為零，在金屬離子附近勢能為較大的負(fù)值（如圖）。k波矢（方向為電子運動方向）KyKxKzAO波矢空間mvhPhhmv1hmvk22因為：所以：自由電子理論自由電子理論：費密面呈球型，電子在k空間亦呈球型分布。周期性勢場中周期性勢場中；k空間等能面呈非球型分布，k值高則能量高，k值低，離原點近，能量低。KxKzAOKyKxKzAOKy在自由電子

31、理論中：2222282121kmhpmmvEEk為拋物線關(guān)系（如圖）如上圖（20）中：k在-1/2a到+1/2a區(qū)間，稱為第一布里淵區(qū)；k在-1/a到-1/2a和1/2a到1/a稱為第二布里淵區(qū)。1.1. 每一個區(qū)域中能量是連續(xù)的，這種區(qū)稱為布里淵區(qū)，一個布里淵區(qū)中的k值，分布在一個連續(xù)的帶內(nèi)，此帶稱為能能帶帶。2.2. 區(qū)和區(qū)之間能量是不連續(xù)的，這個區(qū)域稱為禁帶，禁帶寬度的不同可以用來區(qū)分導(dǎo)體和絕緣體。3.3. 價電子的運動速度越大，能級E所屬的帶，一般來說越寬；則電子自一個結(jié)點向另一個結(jié)點的過渡越困難。電子的平均速度越小，對應(yīng)的帶越窄。結(jié)結(jié) 論論3. 3. 能帶理論的應(yīng)用：能帶理論的應(yīng)用：

32、設(shè)想晶體中：兩原子距離無限遠(yuǎn)，無相互作用，電子在原能級上原子不斷靠近電子云重疊能級分裂。 每一個原子分裂成一個準(zhǔn)連續(xù)的能帶 原子間距進(jìn)一步縮小，能帶寬度進(jìn)一步增加 能級的分裂和能帶的展寬從價電子開始，只有原子進(jìn)一步接近時，內(nèi)層電子才開始分裂。允許帶允許帶：高能的叫導(dǎo)帶（0K以下導(dǎo)帶中無電子），低能的叫滿帶（價帶）價帶是基態(tài)電子能級分裂形成的能帶。禁帶禁帶：導(dǎo)帶與價帶之間稱為禁帶。費密能級費密能級填充能級和未填充能級的界面所處的能級叫費密能級。在0K時，費密能級以下的所有電子狀態(tài)都被占據(jù)，所以費密能級就與部分填充能帶的頂部的被占據(jù)能級一致。T 電子可能躍遷到費密能級附近，所以：費密能級可作為電子

33、躍遷的參考能級。例：Si原子的外層軌道3S23P2在組成雜化軌道時，形成了允許帶和禁帶。其禁帶寬度為1.1eV。某一能帶中的總能級數(shù)=M（各原子的能級數(shù)） N（固體中的原子數(shù)）1Kg晶體1026個原子，能帶寬度1.0eV1.0eV內(nèi)分布著M 1026個能級能級間隔小于10-26能帶。舉例：舉例：（一）、電阻問題：（一）、電阻問題： 一切固體中價電子都能移動，為什么只有金屬才能導(dǎo)電？為什么石英、金剛石的電阻是金屬的1024倍？mkmk外加電場方向Kx未加電場以前，電子填充狀態(tài)在K空間是對稱分布的，在x方向沒電流。加電場后，分布曲線向右移動，大多數(shù)電子仍不產(chǎn)生電流，只有叫波數(shù)接近+k的電子才沿x方

34、向產(chǎn)生電流。結(jié)論結(jié)論：雖然所有電子都受到電場的加速，但只有費密分布曲線頂部的電子，即能量接近Emax的電子，才能產(chǎn)生電流。絕緣體絕緣體：一個布里淵區(qū)全部占滿，沒有重疊，要產(chǎn)生電流的條件能量高至布里淵區(qū)邊界的能量峭壁以上，需若干千伏的電場。外加電場的方向外加電場方向金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體：布里淵區(qū)部分填充，同一區(qū)相臨狀態(tài)能級非常接近，外加很小的電場電子可以移入同一區(qū)向臨狀態(tài)能級狀態(tài)發(fā)生位移產(chǎn)生電流。形成部分填充區(qū)有兩個途徑：1.電子數(shù)目不足以填滿布里淵區(qū)；2.區(qū)與區(qū)發(fā)生重疊，一個區(qū)未滿時另一區(qū)已開始部分填充。金屬晶體中，一般布里淵區(qū)都有重疊?。ǘ雽?dǎo)體（二）、半導(dǎo)體1. 1. 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)

35、體： 第一布里淵區(qū)（填滿）與第二布里淵區(qū)（空的）之間有很小的能量間隙，0K時是絕緣體溫度升高第一布里淵區(qū)頂部電子激發(fā)到第二布里淵區(qū)導(dǎo)電。溫度越高，激發(fā)的電子越多，導(dǎo)電性越強。如：Si、Ge、C等。2. 2. 摻雜半導(dǎo)體：摻雜半導(dǎo)體： 第一布里淵區(qū)（填滿）與第二布里淵區(qū)（空的）之間有一雜質(zhì)能級，0K時也是絕緣體溫度升高電子從雜質(zhì)能級激發(fā)到第二布里淵區(qū)，形成N型半導(dǎo)體；從第一布里淵區(qū)進(jìn)入雜質(zhì)能級，形成P型半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體與絕緣體的能帶填充情況相同，但半導(dǎo)體禁帶寬度小于2.0eV，而絕緣體禁帶寬度較大（7.0eV）。（三）、金屬的物理性質(zhì)：（三）、金屬的物理性質(zhì)：不透明不透明導(dǎo)帶中電子能吸收各種波長

36、光，而跳到較高能量的軌道上；金屬光澤金屬光澤激發(fā)的電子跳回原能級時，發(fā)出不同波長的光；導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性導(dǎo)帶中電子運動速度快，傳遞能量；延展性延展性一個地方的金屬鍵破壞，在另一個地方形成新鍵。金屬原子的價電子S軌道球型對稱，個方向可成鍵。（四）、能帶理論的局限性：（四）、能帶理論的局限性：1.能帶理論建立在簡單的球型模型的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料，如聚合物材料，其電子運動軌道能帶理論無法解決。2.材料科學(xué)的發(fā)展，要求研究微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，能帶理論也無法處理。3.雜質(zhì)對固體性能有很大的影響，雜質(zhì)的運動規(guī)律也是一個很重要的課題，能帶理論無法解決雜質(zhì)的電子運動軌道。4. 能帶理論無法解決非晶態(tài)

37、的電子運動軌道。5. 能帶理論無法處理固態(tài)表面的電子運動規(guī)律。第四章：材料制備化學(xué)第四章：材料制備化學(xué)1. 1. 化學(xué)合成與材料制備：化學(xué)合成與材料制備：化學(xué)合成是材料制備的基礎(chǔ)，但并不是全部！材料制備是化學(xué)和物理的綜合變化過程材料制備是化學(xué)和物理的綜合變化過程，是橫跨化學(xué)科學(xué)和物理科學(xué)的制備技術(shù)。材料制備的目的：材料制備的目的：1.1制備一系列材料以研究這些材料的特殊性能；1.2制備一系列結(jié)構(gòu)相關(guān)的材料以研究材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；1.3制備一系列 新種類的材料；1.4制備一系列特殊性能的材料。化學(xué)合成屬經(jīng)典方法，不多介紹。2. 2. 晶體材料的制備晶體材料的制備2.1 2.1 陶瓷法：

38、陶瓷法：是用經(jīng)典制造陶瓷的方法來制備材料的方法，其工藝技術(shù)現(xiàn)狀如下普通球磨法振動球磨法行星球磨法氣 流 磨攪 拌 磨沖 擊 磨機械粉碎法加熱合成反 應(yīng)加熱分解氧化還原固相制備法共沉淀法電 解 法溶膠凝膠法乳 化 法醇 鹽 法噴霧熱解法液相合成法氣相氧化法氣相合成法氣相熱分解氣相制備法粉體制備 成 型 燒 結(jié) 精 加 工常壓燒結(jié)氣氛燒結(jié)熱壓燒結(jié)等靜壓燒結(jié)熱鍛燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)重結(jié)晶燒結(jié)微波燒結(jié)爆炸燒結(jié)機械加工（研磨、打孔、拋光等）超聲波加工化學(xué)加工電學(xué)加工電化學(xué)及光化學(xué)光學(xué)加工熱 加工薄、厚膜成型擠出成型加壓成型注射成型注漿成型等靜壓成型塑性成型熱壓鑄成型流延成型印刷成型噴涂成型爆炸成型紙帶成型軋膜成

39、型滾壓成型例：4232OMgAlOAlMgO陶瓷法制備材料的缺陷：陶瓷法制備材料的缺陷：1.反應(yīng)只能在相界面進(jìn)行，隨后的擴(kuò)散過程十分困難；2.反應(yīng)最終得到的往往是反應(yīng)物和產(chǎn)物的一個混合物，極難分離或提純；3 .即使反應(yīng)進(jìn)行的再完全，也難得到一個純相體系；4.存在反應(yīng)容器污染的問題。MgOAl2O3MgAl2O4Mg2+Al3+產(chǎn)物產(chǎn)物要消除上述缺陷，除了通過化學(xué)、溶膠凝膠等方法使反應(yīng)物充分均勻外，反應(yīng)可朝兩個方向發(fā)展：1. Hard Chemistry1. Hard Chemistry超高溫1600、高壓和超高壓、電磁輻射、射頻、太陽爐、激光、仿宇宙、仿地、沖擊波.；2. Soft Chemi

40、stry2. Soft Chemistry向溫和條件下發(fā)展。. .化學(xué)法：化學(xué)法： 比陶瓷法更易得到高純和均相材料，并能夠在較低溫度下采取較容易的方法制備。. . .前身物法（前身物法（PrecursorPrecursor）：）： 在較短的時間內(nèi)和較底的溫度下進(jìn)行固相反應(yīng)并得到均勻的產(chǎn)物，最好的方法就是使反應(yīng)物能在原子級水平上混合，即制備一個有確定比例的單相（單一化合物），這樣一種故態(tài)相稱之為PrecursorPrecursor，它們在加熱后能得到所設(shè)計的產(chǎn)物。此方法叫前身物法。前身物法。Precursor)()(3323酸溶入水、加熱、加入草NOFeNOZn242100023244)()(0

41、COCOOZnFeCOOZnCOOFeC. . .局部氧化還原法：局部氧化還原法： 普通的氧化還原法不做介紹，只介紹采取“插層反應(yīng)”來達(dá)到局部氧化還原的方法。插層反應(yīng)插層反應(yīng)在材料原有的晶體結(jié)構(gòu)中插入額外的原子或離子來達(dá)到氧化還原的目的的方法。例：層狀或鏈狀過渡金屬氧化物或硫化物在室溫下與堿金屬離子發(fā)生插層反應(yīng)：nxKNaLiAnMXAMX)(、其中：M過渡金屬，XO、S，ALi、Na、K。插層反應(yīng)的特點：插層反應(yīng)的特點：1.1. 反應(yīng)是可逆的，可以采取化學(xué)或電化學(xué)的方法來實施；2.2. 反應(yīng)是局部的，對主體結(jié)構(gòu)變化不大；3.3. 插入主體MXn相中的離子和電子具有相當(dāng)大的遷移度，可作為離子電

42、子混合導(dǎo)電材料。. .3.3局部離子交換法：局部離子交換法：對于具有一定程度（局部）的結(jié)構(gòu)開放晶體局部離子交換法更有效。如：鈉離子能快速地在層里移動，為離子移動提供空位和方便的通道。左圖為其在水溶液中的離子交換圖。離子交換速度取決于動力學(xué)因素，交換程度則取決于熱力學(xué)因素。32OAl 和二元硝酸鹽熔體在300-350時的離子交換平衡圖32OAl.3 .3 化學(xué)氣相沉積法：化學(xué)氣相沉積法：CVDCVD法法在氣相中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的固體產(chǎn)物沉積于襯底上的制備方法。制備過程包括制備過程包括1. 氣相反應(yīng)物的形成；2. 氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)；3. 固體產(chǎn)物從氣相中沉積于襯底。優(yōu)點優(yōu)點1. 能制備幾乎

43、任何形態(tài)的固體材料；2. 產(chǎn)物形成不受動力學(xué)因素和擴(kuò)散的影響；3. 可在相對的低溫下進(jìn)行固體合成；4. 產(chǎn)物的均勻程度和化學(xué)計量容易控制；5. 能實現(xiàn)摻雜劑濃度的控制。用途用途1. 單晶薄膜的生長如：人造金剛石薄膜；2. 超導(dǎo)材料如：Nb3Sn晶體；3. 磁性材料。.4 .4 高壓法：高壓法：高壓高溫反應(yīng)在材料合成方面有其特殊的重要性。在高壓下，物質(zhì)可以產(chǎn)生多性相變，改變物質(zhì)的原子間距和原子殼層狀態(tài)，因而可以增加反應(yīng)速度、降低反應(yīng)溫度、縮短合成時間、獲得單相產(chǎn)物、提高結(jié)晶度。最成功的高壓高溫結(jié)合的工業(yè)化實例從石墨合成金剛石。高壓合成實驗設(shè)備的壓力范圍（1-10）105KPa和（10-150）1

44、05KPa兩種。.5 .5 水熱法：水熱法：高壓合成的實驗設(shè)備在（1-10）105KPa范圍內(nèi)常采用水熱法在高壓狀態(tài)下，且溫度高于正常沸點，水處于超臨界狀態(tài)。此時，水既傳遞壓力，又起溶劑作用，高壓下大部分物質(zhì)都溶于水，反應(yīng)在液相或氣相中更容易進(jìn)行。高壓釜有自壓式和外壓式兩種。.6 .6 其他方法：其他方法：2.6.1 電弧法：在相當(dāng)高的溫度和熔融狀態(tài)下制備材料。2.6.2 2.6.2 渣殼熔煉法渣殼熔煉法：與電弧法的區(qū)別是加熱方式通過射電頻率的電磁場來得到熔體。制備過程是在無坩堝的情況下進(jìn)行的，反應(yīng)中形成的一層很薄的固體渣殼使熔體與冷容器分開。3. 3. 微晶顆粒和團(tuán)簇的制備：微晶顆粒和團(tuán)簇的

45、制備：團(tuán)簇尺寸大小介于原子（或分子）與凝聚物之間的微小聚集體或集合。這些團(tuán)簇具備一些獨特性質(zhì)并在技術(shù)上有一定應(yīng)用。制備技術(shù)制備技術(shù)1. 蒸發(fā)蒸發(fā)- -冷凝法冷凝法：在惰性氣體環(huán)境實現(xiàn)，一般制備顆粒尺寸在0.5-20nm，微集合包含1-500個原子。2. 電弧等離子法電弧等離子法：用于制備鎢的碳化物（5-8nm）、硅的碳化物（10-20nm）等陶瓷材料的微集合。3. 溶膠溶膠- -凝膠法凝膠法：用于制備陶瓷-金屬的復(fù)合材料。微晶材料具有相對較大的顆粒（10-6m），其制備可采用：噴霧干燥、冷凍干燥、溶膠凝膠、熱凝膠（高溫噴射）、液體干燥等。4. 4. 無定性材料的制備：無定性材料的制備：制備技術(shù)

46、：過冷液相冷卻、氣相沉積、沖擊無序、輻射無序去溶劑效應(yīng)、膠凝法等如圖。5. 5. 晶體的生長晶體的生長6.6.聚合物材料的制備聚合物材料的制備（不做介紹）晶體晶體干凝膠干凝膠無定形固體無定形固體玻璃玻璃無定形沉積物無定形沉積物無定形粉末無定形粉末溶液輻照、剪切沖擊蒸汽熔融6.1 形狀記憶合金形狀記憶合金6.2 6.2 減震材料減震材料6.3 6.3 儲氫材料儲氫材料6.4 液晶材料6.5 6.5 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料6.6 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維6.7 分離膜6.8 醫(yī)用聚合物材料6.9 其它現(xiàn)代功能材料6.10 準(zhǔn)晶體6.11功能陶瓷基本內(nèi)容基本內(nèi)容第六章新型功能材料第六章新型功能材料定義定義具有熱、

47、聲、光、電、磁、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化功能，并應(yīng)用于現(xiàn)代高新技術(shù)中的材料叫功能材料功能材料。發(fā)展發(fā)展大量使用鋼鐵、水泥、玻璃使用新的功能材料功能材料（70年代后的新能源、電子技術(shù)和空間技術(shù)時期，要求具有物理、化學(xué)、力學(xué)、生物等功能的材料）目前發(fā)展到智能材智能材料料和機敏材料機敏材料。分類分類按物質(zhì)分按物質(zhì)分：金屬、非金屬等；按功能性質(zhì)分按功能性質(zhì)分：熱、聲、光、電、磁、力學(xué)、化學(xué)等；按應(yīng)用領(lǐng)域分按應(yīng)用領(lǐng)域分：傳感器、電子、信息通訊、計算機等。6.1 6.1 形狀記憶合金形狀記憶合金 60年代 美國 一個秘密的 海軍武器 研究所 研究耐腐蝕極強的鈦鎳合金,發(fā)現(xiàn)其在做了彎曲強度試驗后能

48、自然恢復(fù)形狀。 實際上，形狀記憶合金的鼻祖鼻祖美國伊利若大學(xué)的T.A.Read等發(fā)現(xiàn)鎳鎘合金鎳鎘合金可以通過加熱恢復(fù)原形。6.1.1 6.1.1 熱彈性馬氏相變機理：熱彈性馬氏相變機理：金屬淬火：)()(硬低溫馬氏相軟高溫鋼的母相瞬間冷卻記憶合金:)()(硬母相軟的多馬氏相加熱記憶機理：記憶機理：外力作用馬氏相內(nèi)雙晶面移動變形加熱恢復(fù)母相形狀復(fù)原。幾個概念：幾個概念：TMf轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏伛R氏體 的結(jié)束溫度；TAf轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貖W氏體的結(jié)束溫度。上述相變溫度相變溫度可通過改變合金的成分合金的成分來調(diào)節(jié)。如； Ti-Ni合金：Ni到50%記憶溫度降低到-幾十；4%的Fe置換Ni后記憶溫度降低到-196（液

49、態(tài)空氣的溫度）。為什么普通鋼材不能記憶形狀？為什么普通鋼材不能記憶形狀？因為：因為：MSASSTTT熱彈性馬氏相變熱彈性馬氏相變需要很小的相變推動力就能發(fā)生的馬氏相變。目前發(fā)現(xiàn)的記憶合金有 許多新系統(tǒng)但記憶效果最佳的仍然是鎳鈦合金。普通金屬高達(dá)幾百；而Cu-Cd、Ti-Ni合金則為1020。鐵基記憶合金鐵基記憶合金1971年C.M.Wayman開創(chuàng)了鐵基記憶合金的歷史。優(yōu)點優(yōu)點強度高、塑性好、加工容易、價格便宜使用方便，有利于工業(yè)生產(chǎn)。6.1.2 6.1.2 應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏相變機理：應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏相變機理： 熱彈性馬氏相變不是具有形狀記憶效應(yīng)的必備條件。1982年日本 學(xué)者Sato報道了Fe-30

50、Mn-1Si單晶合金中顯示出的完全記憶效應(yīng)。研究表明：其記憶效應(yīng)來源于應(yīng)力誘導(dǎo) 可逆馬氏體相變。 新型鐵基記憶合金Fe-Mn-Si的相呈面心立方結(jié)構(gòu)，而相密排六方結(jié)構(gòu)。從 的相轉(zhuǎn)變極易進(jìn)行。從理論上看從理論上看 似乎似乎合金單獨發(fā)生 馬氏相變，都會呈現(xiàn)記憶效應(yīng)。實際上實際上，迄今只發(fā)現(xiàn)Co-Ni，Co-Mn，F(xiàn)e-Cr-Ni，F(xiàn)e-Mn，F(xiàn)e-Mn-Si，F(xiàn)e-Ni-C等少數(shù)幾種合金在發(fā)生 馬氏相變時，產(chǎn)生記憶效應(yīng)。Fe-Mn-Si形形狀狀記記憶憶合合金金的的性性能能性能Fe-Mn-SiNi-TiCu-Zn-Al相對密度7.26.46.57.78.0熔點/132012401310960990膨

51、脹系數(shù)/10-6-11516.5101819電阻率/10-6cm11012050100911質(zhì)量熱容/kJkg-1K-10.540.460.39抗拉強度/MPa7001000700延伸率/%252560812加工性能好差好TMs/-2030-2530-10030TAs/60125045045TAf/160230458045100滯后溫度/80100230520形狀恢復(fù)量2.53674恢復(fù)應(yīng)力/ MPa1904002006.1.36.1.3形狀記憶合金的應(yīng)用：形狀記憶合金的應(yīng)用：1. 1. 在一般工程上的應(yīng)用在一般工程上的應(yīng)用 美國國家航空和宇航局的月面天線計劃月面天線計劃：與此相似的問題是改變

52、真空裝置內(nèi)部件的形狀改變真空裝置內(nèi)部件的形狀。制作管接口：制作管接口：F-14戰(zhàn)斗機油壓系統(tǒng)的接頭、海底輸送管的接口、電子線路的連接器、卡鉗、緊固套、鋼板鉚釘?shù)取?. 2. 在制熱機構(gòu)上的應(yīng)用在制熱機構(gòu)上的應(yīng)用 溫室窗戶開閉器溫室窗戶開閉器：窗戶安裝預(yù)壓彈簧而常閉,當(dāng)溫度高于25時，記憶效應(yīng)的力克 服 了 預(yù) 壓 彈 簧 的 力 而 打 開 窗 戶 。 水暖系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)閥水暖系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)閥：室溫上升后，記憶合金制成的線圈膨脹而克服預(yù)壓彈簧的力，使水暖系統(tǒng)的閥門關(guān)閉。類似的應(yīng)用實例：恒溫控制器、加熱冷卻控制裝置、放火門、電路自動斷路器等。 用于微小管內(nèi)或高空作業(yè)的微型機用于微小管內(nèi)或高空作業(yè)的微

53、型機器人、顯微鏡下工作的機器人及具有人器人、顯微鏡下工作的機器人及具有人工腕功能的機械手工腕功能的機械手：利用處于拉應(yīng)力狀態(tài)的形狀記憶合金的記憶效應(yīng)，可供輸入信號通過感應(yīng)線圈而變成電流，使合金絲長度發(fā)生變化。 汽車發(fā)動機防熱用的風(fēng)扇離合器風(fēng)扇離合器、汽化器用的噴氣嘴噴氣嘴等也可用形狀記憶合金。3. 3. 在醫(yī)療方面的應(yīng)用在醫(yī)療方面的應(yīng)用脊椎彎曲矯正脊椎彎曲矯正：將Ni-Ti合金（與脊椎形狀一致）移植到脊椎上，然后用體外高頻裝置對其加熱，可逐步實現(xiàn)對脊椎彎曲癥的矯正。骨折固定骨折固定：將冷卻后的鎳鈦合金扳稍加拉伸，安裝在骨折部位，再稍加加熱讓其收縮，將骨頭牢固結(jié)合再一起。人工關(guān)節(jié)與骨頭固定人工關(guān)

54、節(jié)與骨頭固定：人工關(guān)節(jié)上的鎳鈦合金冷卻后插入骨頭的中空部，安裝后體溫可使其微膨脹而實現(xiàn)牢固固定。人造心臟的收縮運動人造心臟的收縮運動：心臟的彈性體室壁上安裝鎳鈦合金絲，然后以周期性電脈沖加熱，可造成心臟的收縮運動。肺動脈栓塞癥肺動脈栓塞癥的栓塞物95%來自下半身流來的凝血，將鎳鈦合金絲制成濾器在低溫下變形為直線體，通過導(dǎo)管置入大動脈，通過體溫加熱恢復(fù)成網(wǎng)狀，可過濾凝血。4. 形狀記憶式熱發(fā)動機：形狀記憶式熱發(fā)動機：TTAf可實現(xiàn)利用海水溫差發(fā)電的夢想！可實現(xiàn)利用海水溫差發(fā)電的夢想！6.1.3形狀記憶樹脂：形狀記憶樹脂：分熱固性熱固性和熱塑性熱塑性兩種。主要用主要用途途：異型管接口、鉚釘、火災(zāi)報

55、警器溫感裝置、醫(yī)療固定器具、汽車擋板、保險桿等。6.2 6.2 減震材料：減震材料：有機聚合物有機聚合物( (如橡膠如橡膠)柔性大分子鏈?zhǔn)覝叵鲁尸F(xiàn)高彈性的力學(xué)特征。一方面分子鏈在外力的作用下順外力場舒展或回縮，另一方面受熱運動作用形成回彈力，在外力解除后可恢復(fù)原狀（熱力學(xué)性能不變，外力熱力學(xué)性能不變，外力作用的功變?yōu)闊崮茏饔玫墓ψ優(yōu)闊崮埽p震合金減震合金內(nèi)耗能量非常大，震動能與熱能交換能力很強，可以使震動能迅速衰減的合金材料（防止機械、車輛、結(jié)構(gòu)件的震動；減少噪音等）。減震合金分四類：1. 1. 復(fù)合型材料復(fù)合型材料： 鑄鐵對震動的衰減系數(shù)是鋼的6-10倍。鑄鐵內(nèi)石墨在震動能的作用下，經(jīng)受反

56、復(fù)的塑性變形將震動能轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ翢岫牡?。鑄鐵中石墨量越大，則衰減系數(shù)越大。這種利用第二相的防震合金稱為復(fù)合型減震材料復(fù)合型減震材料。Al78Zn合金也屬復(fù)合型減震材料。2. 2. 鐵磁性材料：鐵磁性材料：原理：原理：鐵磁體的磁致伸縮大，在震動能作用下出現(xiàn)磁疇移動和旋轉(zhuǎn)，可將部分震動能消耗掉，使震動和噪音迅速衰減。種類及應(yīng)用：種類及應(yīng)用：12%鉻鋼用作蒸汽透平機的葉片；根特（Genter）合金（12%Cr，2%Al，3%Mo的Fe合金）消聲合金，用作精密儀器、齒輪及切削加工的刀桿材料等；NIVCO-10（22%Ni，2%Ti,0.25%Al的Co)合金；高純度鐵和高純度鎳等也屬磁性減震材料。3

57、. 3. 位錯型材料位錯型材料： KLXl合金在Mg中加入6%的Zr形成位錯型材料。是利用位錯和夾雜物原子之間的的相互作用來吸收震動能的。用該材料可避免導(dǎo)彈發(fā)射時控制盤和陀螺盤等精密儀器受沖擊而損害。4. 4. 孿晶型材料孿晶型材料：錳銅合金。原理：原理：當(dāng)錳銅合金再由面心立方結(jié)構(gòu)向面心正交結(jié)構(gòu)的馬氏相變時，由于生生成的孿晶成的孿晶發(fā)生晶界移動，呈現(xiàn)出高的衰減系數(shù)。此種合金稱為孿晶型孿晶型減震合金減震合金。種類：種類： 錳銅合金、37%Cu4.25%Al3%Fe1.5%Ni的錳合金（索若斯頓）、40%Cu1.4%-2.25%Al的錳合金（因克拉扭特）、在因克拉扭特中添加1.5%-2.5%的Sn

58、則為因克拉扭特II、布羅臺烏斯（Cu13-21Zn2-8）、鈦鎳合金（含49%原子數(shù)的鈦）、Cu13-14Al4Ni等。應(yīng)用：應(yīng)用：鑿巖機鉆桿、鏈條運輸機的鏈條導(dǎo)軌、蒸汽透平機齒輪、汽車凸輪軸齒輪、潛水艇螺旋槳等。6.3 儲氫材料儲氫材料6.3.1 儲氫原理：儲氫原理：HMHHMsxgs)()(2)(各種形態(tài)氫的密度和氫的含有率比較6.3.2 6.3.2 儲氫合金的開發(fā)：儲氫合金的開發(fā)：并不是所有的儲氫合金都具有儲氫能力，實用的儲氫合金必須具備如下性能：1 1. . 單位質(zhì)量或單位體積的儲氫量盡可能的多，吸氫操作的溫度、壓力條件要求不高，易于實施，設(shè)備簡單；2.2. 氫化物生成熱少，具有適于常

59、溫使用的氫的平衡壓力，而且可以根據(jù)需要能容易地釋放出氫；3.3. 可供反復(fù)使用，經(jīng)歷吸氫釋氫的反復(fù)循環(huán)其性能不便，也不致因受工業(yè)氫氣燃料中所含雜質(zhì)的污染而使吸氫釋氫性能下降；4.4. 儲氫合金造價低廉、穩(wěn)定、輕質(zhì)、便于儲運。6.3.3 6.3.3 儲氫合金的應(yīng)用：儲氫合金的應(yīng)用：1.1.熱泵：熱泵：利用吸氫合金吸氫放熱、釋氫吸熱的原理。如：用于工廠低溫排熱的回收、節(jié)能型冷暖設(shè)備系統(tǒng)。 白天 使用廉價的太陽能照射儲氫合金,在其吸熱的同時釋放氫氣,將所釋放的氫氣儲存于罐中；晚上氣溫下降，給儲罐中施加少量壓力，就可使儲氫合金發(fā)生吸氫作用，同時放熱。這樣可實現(xiàn)太陽能的儲存。 冷氣設(shè)備的原理如下圖：2.

60、 2. 儲存氫燃料：儲存氫燃料： 鑭鎳合金試制以氫為燃料的汽車用容器，可適用于轉(zhuǎn)速為3500rpm的發(fā)動機。3. 3. 用于儲氫氣瓶：用于儲氫氣瓶： 鑭鎳合金試制的儲氫氣瓶可使其體積縮小為原來的1/10。4. 4. 用于氫同位素分離：用于氫同位素分離： 核聚變?nèi)剂现貧涞姆蛛x 儲氫合金吸收重氫和普通氫的混合物后，通過減少壓力，使普通氫優(yōu)先釋出，而重氫則殘留在儲氫合金中，反復(fù)實施以上操作，就可實現(xiàn)重氫的分離。6.5 6.5 超導(dǎo)材料：超導(dǎo)材料：6.5.1 6.5.1 超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象：6.5.2 6.5.2 超導(dǎo)的臨界參數(shù)超導(dǎo)的臨界參數(shù)：臨界溫度Tc、臨界磁場Hc、臨界電流Ic6.5.3 6.5.3 超導(dǎo)的微觀圖