材料科學(xué)技術(shù)

第2節(jié)金屬材料一、概念及其分類金屬材料是指金屬單質(zhì)及合金構(gòu)成的材料。金屬特性：良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、金屬光澤、大多具有超導(dǎo)性、良好的反射性和塑性變形能力、不透明等。金屬分為黑色金屬和有色金屬第2節(jié)金屬材料二、黑色金屬黑色金屬是指鐵,錳,鉻及其合金材料。最重要的是鋼鐵：鐵和碳所形成的系列合金的總稱。純鐵（熟鐵）：含碳低于0.04％，強(qiáng)度低、硬度低、塑性好。鑄鐵（生鐵）：含碳大于2％，硬而脆、幾乎沒(méi)有塑性、硬度高，歷史悠久，我國(guó)春秋時(shí)期已發(fā)明了生鐵冶鑄技術(shù)。鋼：含碳在0.04-2％之間，兼有兩者優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度高、韌性和塑性好，碳鋼、合金鋼。第2節(jié)金屬材料二、黑色金屬轉(zhuǎn)爐煉鋼（英國(guó)貝塞麥1854年試射炮彈時(shí)擔(dān)心鑄鐵承受不了爆炸力，導(dǎo)致他研究新煉鋼方法，1.22米容器下部有6個(gè)進(jìn)風(fēng)口，溫度上升到1600℃，30分鐘就可以煉1爐鋼，后改為向一側(cè)傾倒，即“轉(zhuǎn)爐”，1857年獲專利。電爐煉鋼：可以冶煉各種性能的合金鋼。平爐煉鋼：鋼質(zhì)穩(wěn)定，一直沿用至今近年新鋼鐵種類：低合金超高強(qiáng)度鋼（飛機(jī)起落架、火箭外殼、常規(guī)武器的承力零件）超低溫奧氏體鋼（-269攝氏度下具有良好的力學(xué)性能）第2節(jié)金屬材料三、有色金屬1.普通有色金屬鋁及其合金：資源豐富，成本較低，塑性好，可冷拔成細(xì)絲。銅及其合金：電氣、儀表、造船、機(jī)械制造等工業(yè)廣泛應(yīng)用。鈦及其合金：強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕，資源豐富，加工復(fù)雜，成本高。鋰：1817年瑞典化學(xué)家阿爾費(fèi)德松發(fā)現(xiàn)。密度比水小一半。鎳：1715年由瑞典化學(xué)家克朗斯塔特在“銅怪”的礦石中發(fā)現(xiàn)。（因與銅色澤相同，但無(wú)法提煉出銅，以為山神作怪）2.稀有金屬稀土金屬：鈧,釔,鑭和錒系17種元素。被稱為冶金工業(yè)的維生素。第2節(jié)金屬材料四、幾種新興金屬材料簡(jiǎn)介1.彩色不銹鋼（彩鋼）：根據(jù)光的干涉原理，設(shè)法在不銹鋼表面形成一層無(wú)色透明的致密的鈍化薄膜（氧化膜）。保持了金屬的光澤，色調(diào)艷麗，耐蝕性強(qiáng)、耐熱性好、較好的耐磨性。室內(nèi)裝潢、廣告、工藝品、包裝…2.金屬玻璃（非晶態(tài)合金）：106℃/秒的冷卻速度，剛?cè)岵?jì)，但不透明。硬度是常規(guī)鋼材的兩倍，耐腐蝕性比最好的不銹鋼高100倍。軍事上制造導(dǎo)彈和裝甲車、體育上用在高爾夫球桿上、電腦和手機(jī)外殼…思考題2第3節(jié)無(wú)機(jī)非金屬材料天然無(wú)機(jī)非金屬材料、硅酸鹽材料、新型硅酸鹽材料一、天然無(wú)機(jī)非金屬材料天然石料(石灰石,長(zhǎng)石,石膏)、天然礦土(粘土,高嶺土)、天然纖維(石棉)二、硅酸鹽材料陶瓷:陶和瓷的總稱，分為傳統(tǒng)陶瓷和先進(jìn)陶瓷(高性能陶瓷，精細(xì)陶瓷等)。不破的陶瓷,能透光的陶瓷,壓電陶瓷玻璃:石英石加入純堿和石灰石在1500℃燒制而成。鋼化玻璃,光導(dǎo)纖維，玻璃幕墻水泥：以生石灰和粘土為主要原料燒制而成。耐火材料：能耐1580℃以上高溫的材料，金屬冶煉爐、鍋爐、窯爐等都必須使用耐火材料作內(nèi)襯絕熱層。氧化鋁陶瓷(剛玉),碳化硅陶瓷等第4節(jié)有機(jī)高分子材料一、高分子的概念及分類由一種或幾種結(jié)構(gòu)單元聚合而成，分子量通常十幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)。又稱高聚合物。根據(jù)來(lái)源可分為：

天然：纖維素、淀粉

合成：聚乙烯、聚丙烯

半合成：醋酸纖維素

根據(jù)合成反應(yīng)特點(diǎn)：聚合物、縮合物、開(kāi)環(huán)聚合物根據(jù)性質(zhì)和用途：塑料、橡膠、纖維第4節(jié)有機(jī)高分子材料二、高分子材料發(fā)展歷史

1812年用酸水解樹(shù)皮等，得到淀粉?！跋鹉z”最早認(rèn)識(shí)是印第安人，“卡烏巧烏”1823年，蘇格蘭人馬幸托斯創(chuàng)辦了雨衣廠，但很快倒閉了。1839年古德意發(fā)現(xiàn)天然橡膠與松節(jié)油、硫磺共熱可改變性能，化學(xué)上叫高分子化學(xué)改性，工業(yè)上叫硫化處理。1864年，舍恩拜因用棉纖維經(jīng)硝酸、硫酸混合液處理，發(fā)明了火藥棉。1865年帕克爾對(duì)膠棉處理，得到第一種人造塑料------賽璐珞。1892年克羅斯以木纖維生產(chǎn)粘膠纖維?；瘜W(xué)改性到人工合成第4節(jié)有機(jī)高分子材料三、傳統(tǒng)的三大合成材料1.合成橡膠

供不應(yīng)求，探索合成；世界大戰(zhàn)，加速發(fā)展；奇妙魔術(shù)，前程無(wú)量1879年，第一次人工合成橡膠1910年德國(guó)拜爾公司合成橡膠，同年前蘇聯(lián)、英國(guó)都發(fā)明了不同的合成橡膠。1914年，德國(guó)在戰(zhàn)爭(zhēng)期間共生產(chǎn)2350噸合成橡膠。普通合成橡膠：丁苯橡膠、順丁橡膠等特種合成橡膠：用于飛機(jī)宇宙飛船的硅橡膠1907年，貝克蘭把苯酚與甲醛進(jìn)行反應(yīng)，得到酚醛塑料------最早合成的塑料。

合成纖維、合成橡膠、塑料發(fā)展最快，應(yīng)用最廣，被稱為傳統(tǒng)的三大有機(jī)合成材料。第4節(jié)有機(jī)高分子材料三、傳統(tǒng)的三大合成材料2.合成纖維

糧棉爭(zhēng)地，另辟蹊徑；尼龍問(wèn)世，巧奪天工；姹紫嫣紅，大放異彩；以假亂真，造福人類1913年德國(guó)化學(xué)家科拉特首先開(kāi)始合成纖維1938年杜邦公司建成第一座尼龍66工廠滌綸、腈綸、錦綸、丙綸—四大綸“仿生化”：仿棉、仿麻、仿皮等1939年尼龍絲襪在紐約首次公開(kāi)銷售《紐約時(shí)報(bào)》第4節(jié)有機(jī)高分子材料三、傳統(tǒng)的三大合成材料3.塑料人造“象牙”，能伸能屈；酚醛塑料，冷熱均靈；塑料之王，神通廣大；錯(cuò)誤導(dǎo)致奇跡，導(dǎo)電塑料1萬(wàn)美元，征求象牙替代品，1869年，海厄特發(fā)明了賽璐珞（硝化纖維素經(jīng)植物油和樟腦軟化制成）1907年，貝克蘭把苯酚與甲醛進(jìn)行反應(yīng)，得到酚醛塑料------最早合成的塑料“塑料王”聚四氟乙烯：軸承、人體器官替代品聚乙炔第4節(jié)有機(jī)高分子材料四、新型有機(jī)高分子材料----功能高分子材料

功能高分子材料是指既有傳統(tǒng)高分子材料的機(jī)械性能，又有某些特殊功能的高分子材料。第4節(jié)有機(jī)高分子材料四、新型有機(jī)高分子材料----功能高分子材料（1）高分子分離膜組成：是用具有特殊分離功能的高分子材料制成的薄膜。特點(diǎn)：有選擇的通過(guò)應(yīng)用：物質(zhì)分離（2）醫(yī)用高分子材料性能：優(yōu)異的生物相容性，很高的機(jī)械性能應(yīng)用：制作人體的皮膚、骨骼、心、肺等各種人工器官。第4節(jié)有機(jī)高分子材料五、有機(jī)高分子材料的發(fā)展趨勢(shì)一方面，對(duì)重要的通用有機(jī)高分子材料繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)和推廣，使性能不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

例如，近年來(lái)，研制出具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的導(dǎo)電塑料，并在電子計(jì)算機(jī)外殼、罩、傳輸帶等方面得到應(yīng)用，成為最年輕、最有發(fā)展前途的新型導(dǎo)電和電磁屏蔽材料。另一方面，與人類自身密切相關(guān)、具有特殊功能的材料的研究也在不斷加強(qiáng)，并取得了一定的進(jìn)展。如仿生高分子材料、高分子智能材料等。應(yīng)用于宇航、建筑、機(jī)器人、仿生和醫(yī)藥等領(lǐng)域。第5節(jié)復(fù)合材料一、復(fù)合材料概述1.什么是復(fù)合材料一般說(shuō)法：由2種或2種以上不同材料組合在一起而形成的新材料。土坯、張飛的丈八長(zhǎng)矛、蒙古弓、鋼筋混凝土木材、人體骨骼、竹子2.復(fù)合材料的特征至少包括2種以上的獨(dú)立化學(xué)相（組元）是按性能要求人為設(shè)計(jì)和制造的（有別于一般天然材料）具有各單一組元所沒(méi)有的綜合優(yōu)良性能（有別于一般混合物）第5節(jié)復(fù)合材料3.發(fā)展簡(jiǎn)史40年代玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）出現(xiàn)60年代金屬基復(fù)合材料出現(xiàn)80年代陶瓷基復(fù)合材料出現(xiàn)4.復(fù)合材料舉例玻璃鋼（印刷電路板），輪胎（纖維增強(qiáng)橡膠）雷達(dá)罩（玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂）火箭鼻錐（碳纖維/樹(shù)脂）（碳/碳復(fù)合材料）人造衛(wèi)星天線（碳纖維/鎂合金）航天飛機(jī)框架（硼纖維/鋁合金）網(wǎng)球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿、釣魚(yú)桿、雪橇－休閑汽車活塞、連桿、自行車飛輪等－民用工業(yè)第5節(jié)復(fù)合材料二、復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的組成基體(Matrix)：含量較大，連續(xù)分布的組成相增強(qiáng)相(ReinforcementElements)：含量較小，分散分布，一般起增強(qiáng)作用1.按基體的性質(zhì)分金屬基復(fù)合材料（MetalMatrixCompositeMaterials,MMCs)樹(shù)脂基復(fù)合材料(PolymerMatrixComposites，PMCs)陶瓷基復(fù)合材料(CeramicMatrixComposites，CMCs)第5節(jié)復(fù)合材料2.按增強(qiáng)相的形狀分纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FiberReinforcedComposites,FRCs)：玻璃鋼、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、樹(shù)脂基復(fù)合材料層壓復(fù)合材料(LaminatedComposites,Laminates)：太空棉,鋁塑薄膜顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料(ParticulateReinforcedComposites,PRCs)3.按制造方法分人造或合成復(fù)合材料(SyntheticComposites)自生復(fù)合材料（原位復(fù)合材料）(insituComposites)4.按用途分結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(StructrualComposites)功能復(fù)合材料(FunctionalComposites)第5節(jié)復(fù)合材料復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)層壓復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料長(zhǎng)纖維增強(qiáng)短纖維增強(qiáng)定向排布混亂排布取向性排布第5節(jié)復(fù)合材料應(yīng)用舉例體育器材往往在使用時(shí)變形較大，使用聚合物基復(fù)合材料制造體育用品，可充分發(fā)揮其高強(qiáng)度、耐疲勞和高彈性等特點(diǎn)，為提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)創(chuàng)造了條件。典型的有：聚合物基復(fù)合材料夾層滑雪板、撐桿跳高用的撐桿、射箭用的弓等，當(dāng)然還有高爾夫球棒、網(wǎng)球拍、跳板、釣魚(yú)桿等。在醫(yī)學(xué)方面，用玻璃鋼代替鋼制假肢在英國(guó)已有應(yīng)用，玻璃鋼假肢比鋼制品輕2/3，制造費(fèi)用減少了1/4。此外，聚合物基復(fù)合材料作為顱骨缺損修補(bǔ)材料已在臨床應(yīng)用。有機(jī)玻璃和陶瓷制造牙齒、碳纖維增強(qiáng)有機(jī)玻璃制造齒齦等都比原來(lái)的材料要好。玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料主要用于中小型船艇的船體，如漁船、游艇、汽艇、掃雷艇、巡邏艇等。如日本70%的漁船采用玻璃鋼制造，美國(guó)海軍部在1960年代就規(guī)定，長(zhǎng)度在16米以下的艦船全部采用玻璃鋼制造。美國(guó)用玻璃鋼管代替2000多米鋼管輸送苛性鉀生產(chǎn)中的殘液，質(zhì)量減輕60%，成本降低1/3，壽命由原來(lái)的6-9個(gè)月提高到2-5年。第6節(jié)納米材料一、概念及其發(fā)展

1.概念:

目前，普遍接受的定義為基本單元的顆粒或晶粒尺寸至少在一維上小于100nm，且必須具有與常規(guī)材料截然不同的光、電、熱、化學(xué)或力學(xué)性能的一類材料體系。

第6節(jié)納米材料2.納米材料的發(fā)展：

第一階段:(1990年以前)實(shí)驗(yàn)室探索第二階段:(1990-1994年)挖掘特性

第三階段:(1994年以后)研究應(yīng)用納米材料的研究最初源于十九世紀(jì)六十年代對(duì)膠體微粒的研究，二十世紀(jì)六十年代后，研究人員通過(guò)對(duì)金屬納米微粒的制備和研究來(lái)探索納米體系的奧秘。1984年，德國(guó)薩爾布呂肯的格萊特(Gleiter)教授把粒徑為6nm的金屬鐵粉原位加壓制成世界上第一塊納米材料，開(kāi)創(chuàng)納米材料學(xué)之先河。1990年7月，在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)了第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議(Nano-ST)，標(biāo)志著納米材料學(xué)作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立學(xué)科的誕生。

第6節(jié)納米材料目前我國(guó)納米技術(shù)的應(yīng)用成了熱門(mén)。據(jù)2001年6月的一項(xiàng)調(diào)查，國(guó)內(nèi)已有323家納米企業(yè)，其中，以“納米”字樣注冊(cè)的企業(yè)57家，三十多條納米材料的生產(chǎn)線，社會(huì)投入資金約30億元。產(chǎn)業(yè)化效果還不太理想：這是由于許多納米技術(shù)項(xiàng)目研發(fā)時(shí)間僅有一年左右，屬啟動(dòng)階段?？蒲性核募{米科技論文水平很高，潛心于后續(xù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和技術(shù)支持顯得力不從心。而大部分企業(yè)屬于生產(chǎn)型，缺乏持續(xù)創(chuàng)新和應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，只能接受非常成熟的技術(shù)。二者接口的差異，導(dǎo)致納米技術(shù)成果不能順利轉(zhuǎn)化。雖然國(guó)內(nèi)已建立了幾十條納米材料和技術(shù)的生產(chǎn)線，但產(chǎn)品主要集中在制備納米粉體方面。市場(chǎng)上很多“納米商品”還不是真正意義上的“納米產(chǎn)品”，急需國(guó)家制定一個(gè)指導(dǎo)性的納米技術(shù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。由于納米材料特殊的性能，將納米科技和納米材料應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都能帶來(lái)產(chǎn)品性能上的改變或較大的提高。

第6節(jié)納米材料三、幾種典型的納米材料納米顆粒型材料納米固體材料納米膜材料納米磁性液體材料碳納米管

納米顆粒型材料也稱納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。

第6節(jié)納米材料用途：高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、微芯片導(dǎo)熱基與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、電池電極材料、太陽(yáng)能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料和抗癌制劑等。

第6節(jié)納米材料納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。

納米膜材料

納米薄膜是指尺寸在納米量級(jí)的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級(jí)的單層或多層膜。

納米磁性液體材料

磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長(zhǎng)鍵的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場(chǎng)作用下整體地運(yùn)動(dòng)，因此具有其它液體所沒(méi)有的磁控特性。

第6節(jié)納米材料碳納米管

碳納米管，是1991年由日本電鏡學(xué)家飯島教授通過(guò)高分辨電鏡發(fā)現(xiàn)的，屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。

碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強(qiáng)度可以超過(guò)鋼絲強(qiáng)度，它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。第6節(jié)納米材料碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬(wàn)分之一，但它的導(dǎo)電率是銅的1萬(wàn)倍，它的強(qiáng)度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一。它像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點(diǎn)是已知材料中最高的。

在電子方面，利用碳納米管奇異的電學(xué)性能，可將其應(yīng)用于超級(jí)電容器、場(chǎng)發(fā)射平板顯示器、晶體管集成電路等領(lǐng)域。在材料方面，可將其應(yīng)用于金屬、水泥、塑料、纖維等諸多復(fù)合材料領(lǐng)域。它是迄今為止最好的貯氫材料，并可作為多類反應(yīng)的催化劑的優(yōu)良載體。在軍事方面，可利用它對(duì)波的吸收、折射率高的特點(diǎn)，作為隱身材料廣泛應(yīng)用于隱形飛機(jī)和超音速飛機(jī)。在航天領(lǐng)域，利用其良好的熱學(xué)性能，添加到火箭的固體燃料中，從而使燃燒效率更高。第6節(jié)納米材料

如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球-月球乘人的電梯，人們?cè)谠虑蚨ň泳秃苋菀琢?。納米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子。用于做電子槍，可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)的發(fā)展方向。

然而，碳納米管作為一種新型材料被發(fā)現(xiàn)至今已有十年，卻尚未得到工業(yè)應(yīng)用。超高的成本使國(guó)際市場(chǎng)90％高純度的碳納米管價(jià)格高達(dá)1000－2000美元／克，一般純度的碳納米管價(jià)格也在60美元／克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出黃金的價(jià)格。

我國(guó)清華—南風(fēng)納米粉體產(chǎn)業(yè)化工程中心，一直致力于碳納米管在工業(yè)化生產(chǎn)上的科技攻關(guān)，是目前世界上已知生產(chǎn)規(guī)模最大的碳納米管生產(chǎn)基地。第6節(jié)納米材料四、納米材料的應(yīng)用

著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feyneman在60年代就預(yù)言：如果對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，物體就能得到大量的異乎尋常的特性。在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用

希望以納米技術(shù)來(lái)克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問(wèn)題，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等優(yōu)點(diǎn)。在微電子學(xué)上的應(yīng)用

納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段，按照全新的理念來(lái)構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在的儲(chǔ)存和處理信息的能力，實(shí)現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學(xué)將成為下世紀(jì)信息時(shí)代的核心。

第6節(jié)納米材料在生物工程上的應(yīng)用

該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲(chǔ)存信息，從而起到代替當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲(chǔ)的作用，它將使單位體積物質(zhì)的儲(chǔ)存和信息處理能力提高上百萬(wàn)倍。在光電領(lǐng)域的應(yīng)用

將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對(duì)地偵察。在化工領(lǐng)域的應(yīng)用

將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。將金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中，可以大大降低靜電作用。研究人員還發(fā)現(xiàn)，可以利用納米碳管其獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)，大的比表面（每克納米碳管的表面積高達(dá)幾百平方米）、較高的機(jī)械強(qiáng)度做成納米反應(yīng)器，該反應(yīng)器能夠使化學(xué)反應(yīng)局限于一個(gè)很小的范圍內(nèi)進(jìn)行。

第6節(jié)納米材料在醫(yī)