材料科学基础简介

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1、第一章 材料科学基础简述,第一节 材料历史产生、发展与应用,第二节 材料的类别,第三节 高分子材料的发展历程及新动向,2,美英材料学家把当今广泛使用的材料分为十类，以金属、高分子与陶瓷作为材料基础提供各类使用要求的材料领域。 材料间有密切联系，有许多基础共性。,3,4,5,5,气化 转化,甲醇,煤炭,CO、CO2、H2,甲醛,醋酸,MTBE,二甲醚,甲烷 氯 化物,MTO,MTP,聚甲醛、多聚甲醛、酚醛树脂、脲醛树脂、氨基树脂、季戊四醇、新戊二醇、三羟甲基丙烷、乌洛托品、MDI等。,醋酸酯、醋酸乙烯、聚乙烯醇、氯乙酸、醋酸酐、醋酸纤维素、PTA等。,油品添加剂，提高辛烷值,聚乙烯、环氧乙烷/乙

2、二醇、苯乙烯/聚苯乙烯、聚氯乙烯、醋酸乙烯、乙丙橡胶、EVA树脂等。,聚丙烯、环氧丙烷/丙二醇、聚醚多元醇、苯酚丙酮、丁辛醇、丙烯酸及酯、乙丙橡胶、异丙醇、丙烯腈、丙烯酰胺等。,气雾剂、民用燃料和车用燃料（代替柴油）。,甲醇 燃料,甲醇 蛋白,MMA/ DMT,车辆代用燃料等。,畜禽饲料蛋白等。,有机玻璃、MBS、涂料、PET树脂等。,焦炉气,甲醇 制氢,生产加氢产品等。,甲醇燃料电池。,甲醇制芳烃（MTA）。,MTG,气雾剂、民用燃料和车用燃料（代替柴油）。,电子清洗剂、制冷剂、有机硅和有机氟等。,6,基本定义：材料是指；用于制造其它物品、器件、构件、机器或产品的那些物质。,衣、食、住、行是

3、人类生存的基本需求，材料则提供了人类生存的物质基础，也是当今一切科学技术的基础。,7,材料的使用是人类技术 进步的标志 人类的进步是从使用工具开始的，而最早使用的工具是石器。石器的使用代表了人类智慧的飞跃。,石器- 新石器-青铜-铁器-电子材料时代 100万年BC 90003000 2500900AC19602000 代表了人类文明史的不同阶段.,8,8-9千年前，陶器出现，不仅做器皿，而且做装饰品-促进了精神文明的巨大发展。在烧制过程中发现了铜、锡-及其合金-青铜。,9,10,11,1. 金属材料（metals） 1.1分类 (1)黑色金属材料主要是指钢铁材料。 钢（Steel） 按化学成分

4、分碳素钢、合金钢等；按品质分普通、优质、高级优质钢等；按金相组织或组织结构分珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢等；按冶炼方法分平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢等。 铸铁（Cast iron）按石墨形态及性能又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁等。,第二节 材料的类别,12,(2)有色金属常分五大类： 轻金属（4.58 g/cm3) ，如铜、镍、铅、锌等贵金属 如金、银、铂、铑等；类（半）金属，如硅、硒、绅、硼等；稀有金属，如钛、锂、钨、钼、镭等。,13,1.2基本特性 a.金属键，常规法生产的为晶体结构； b.常温下固体熔点较高；

5、c.金属光泽； d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热、导电性好；g.空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改善金属性能,提高抗氧化。,14,金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。,15,1.3用途 a.结构材料：如机床、建筑机械设备、工程交通工具；b.导体材料，电线芯（铜） c.工具等。,16,金属材料的 主要应用领域,战机,舰船,导弹,火箭,人造卫星,战车,高速列车,

6、汽车,高层 建筑,17,2无机非金属材料（Inorganic nonmetals） 2.1分类 按成分，化学结构和用途分四大类：混凝土（水泥）、玻璃（Glass）硅及耐火材料（Silane）陶瓷（器）（Ceramics）。其中陶瓷又分为：传统陶瓷（天然硅酸盐矿,粘土烧制而成,Silicate Ceramics)和特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。,18,19,20,2.2 结构 1、离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。,21,一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。

7、另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。 2.共价键 两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。,22,图1.6 SiO2中硅和氧原子间的共价键示意图,共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。 共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘

8、体，其导电性能差。,23,2.2基本特性 以陶瓷为例（其它有较大差别）a.离子键、共价键及其混合键； b.硬而脆； c.熔点高、耐高温抗氧化d.导热、导电性差； e.耐化学腐蚀性性好；f.耐磨；g.成型方式为粉末制坏、烧制成型。三、用途 建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸等。工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）、绝缘瓷瓶；功能陶瓷：磁性、导电材料。,24,3高分子材料：高分子材料实际上是由高分子化合物经过加工和加入添加物而制成的。有机高分子化合物有天然与合成之分。如蛋白质、淀粉及纤维是自然界中生长的。叫天然高分子化合物；而塑料、合成纤维及合成橡胶则属于人工合成的，所以也叫合成高分子材料。,25

9、,26,27,28,1.3.1高分子科学的诞生与发展,高分子科学是一门新兴的学科，是在人们长期的生产实践和科学实验的基础上逐渐发展起来的。 高分子科学的发展大致经历了以下几个时期：,29,3.1.1 蒙 昧 期,19世纪的中叶以前，木材、棉、麻、丝、毛、漆、橡胶、皮革和各种树脂等天然高分子材料都已经在人们的生活和生产中得到了广泛的应用。有些加工方法改变了天然高分子的化学组成，如橡胶的硫化(1839)、皮革的揉制、棉麻的丝光处理，以及把天然纤维制成人造丝、赛璐珞(1868)等。尽管这些技术取得了重要的结果和丰富的经验，然而，人们只知道使用、加工，不知道化学组成和结构。,30,3.1.2萌 芽 期

10、,自19世纪的后期，人们开始研究天然高分子的化学组成、结构和形态学。还有意无意地合成了一批化合物。它们通常是粘稠的液体或无定形粉末，无法纯化和分析，被当作废物抛弃。有些高分子化合物虽然得到应用，但是人们只知道它是“材料”，并不知道它是“高分子”。,31,塑料的发现,1869年31岁的印刷工人约翰海阿特发明赛璐珞,1909年贝克兰发明酚醛树脂,32,1877年，Kekule就曾指出：绝大多数与生命直接联系在一起的天然有机物蛋白质、淀粉、纤维素可以由很长的链组成，并且这种特殊的结构决定它们具有特殊的性质。但被当时有机化学和胶体化学的声音掩盖。,33,当时，有机化学家可以熟练地合成和提纯小分子有机物

11、，并分析它们的组成；准确地测定它们的熔点、沸点和分子量等。但是，当他们遇到高分子时，就束手无策了。这种粘糊糊的东西，不能用已往的手段提纯和分析，它们不能升华和结晶，也没有固定的熔点和沸点，甚至连表征化合物的最重要的参数-分子量也捉摸不定。因此，有机化学家们认为这种物质不是纯粹的化合物，而是由小分子通过“次价”力结合而成的聚集体，有不少人认为这种物质的溶液是胶体体系。,34,1893年，Fischer将氨基酸逐个连接成多肽，制备了聚合度为30的单分散多肽，证明多肽是由许多氨基酸单元通过正常的CONH化学键相连而成的线型长链分子，这一工作孕育了高分子学说的基本思想。,35,3.1.3. 争 鸣 期

12、,1920年，H.Staudinger(德)发表了他的划时代的文献论聚合，提出了链结构模型。它们是由共价键联结起来的大分子，但分子的长度不完全相同，所以不能用有机化学中“纯粹化合物”的概念来理解大分子。这些大分子是许多同系物的混合物，它们彼此结构相似，性质差别很小，难以分离，平均分子量。 “论聚合”中提出异戊二烯构成橡胶，葡萄糖构成淀粉，纤维素。氨基酸构成蛋白质，都是以共价键彼此连接，提出高分子长链结构的概念。,36,然而，由于高分子的降解和当时实验方法的粗糙，使分子量的测定不能重复，这又给那些胶体缔合论者找到了反对大分子学说的借口。他们认为用溶液的依数性所测得的不是溶质的分子量，而是胶粒的重

13、量，因胶粒不稳定，所以结果不重复。这样，双方观点相持不下。,37,此后，人们改进了实验方法，通过渗透压，端基分析法测定高分子化合物的分子量，所得结果一致。用超离心机把含有蛋白质的胶体溶液在不同的温度和不同的盐溶液中进行超离心分析时，证明分子量是均一的。电泳法研究结果表明，对于一定的蛋白质，每单位质量所带的电荷数总是相等的。另外，也成功地获得了尿素酶的结晶。这许多发现都是用胶体缔合的理论所不能解释的。因此，直到1930年初，人们才认识到在有机胶体中所遇到的是真正的高分子。,38,1932年，Staudinger提出了溶液粘度与分子量的关系式。并测定出大分子的分子量。 通过大量的实验事实，雄辩地证

14、明了大分子的存在。30年代末期，高分子学说终于战胜了胶体缔合论。高分子（Macromolecule，Polymer）概念形成 从此，高分子科学进入了大发展阶段。,39,3.1.4. 发 展 期,当高分子理论促进了合成高分子工业的发展后，出现了一大批商品化的合成材料，这些合成高分子（合成材料）的出现，又为理论研究提供了大量的实验依据和积累了丰富的数据，促进了高分子物理学的迅速发展。,40,3040年代，高物领域最有代表性的工作： WKuhn、E.Guth和H.Mark等把统计力学用于高分子链的构象统计，建立了橡胶高弹性统计理论 Svedbergy用超离心技术测定蛋白质的分子量 1942年，Flo

15、ry和Huggins用似晶格模型推导出高分子溶液的热力学性质，理论上的解释了高分子稀溶液的依数性质 Debeye和Zimm用光散射法研究高分子溶液性质，测定了Mw,41,发展期代表性工作,Carothers 缩合聚合 尼龙-66 Ziegler（德） 定向聚合 HDPE Natta （意） 改进催化剂 等规PP Ostwald和Svedberg用扩散、沉降、粘度和浊度的测定，建立了高分子溶液定量研究的基础 Scherrer用X射线衍射研究聚合物材料的聚集态结构,42,1949年，Flory和Fox把热力学和流体力学联系起来，使粘度、扩散、沉降等宏观性质与分子的微观结构有了联系 Tobolsky

16、，Williams等发展了粘弹性理论 Watson和Crick用X射线衍射法研究高分子的晶系结构，于1953年确定了脱氧核糖核酸的双螺旋结构。此后人们发现许多天然高分子和合成高分子都具有这种奇特的结构,43,此外，偏振红外吸收光谱，旋光色散，核磁共振，示差热分析，在密度梯度池中的沉降和扩散等聚合物鉴定的新方法都得到了一定程度的发展。,44,50年代，高分子物理学基本形成 70年代，高分子功能材料进入发展期： 1969 聚偏氯乙烯压电性的发现与研究 1975 -(-SN-)-超导性发现；铁电液晶的合成 1977 聚乙炔膜合成方法及高导电性发现 1979 (TMTSF)2PF2超导性发现 感光材料PVK-TNF用于复印技术 液晶显示工业化 塑料光纤应用,45,80年代导电高分子加工及应用大发展 液晶显示器商品化 压电高分子用于传感器 分离膜技术进步 人工