北京化工大学材料化学讲稿第1章剖析

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1、欢迎大家进入一门 新课程的学习！ 材料化学 杨 儒 材料科学与工程学院 第一章 绪论 1.1 材料的发展历史及在现代社会中的重要地位 材料是社会进步的物质基础，是人 类进步程度的主要标志，所以人类 社会的进步以材料作为里程碑。 纵观人类发现和利用材料的历史，每一种重要材 料的发现和广泛利用，都会把人类支配和改造然 的能力提高到一个新水平。 给社会生产力和人类生活水平带来巨大的变化， 把人类的物质文明和精神文明向前推进一步。 一百万年以前，人类开始用石头做工具 ，进入旧石器时代。 大约一万年以前，人类开始对石头进行 加工制成精致的器皿或工具，人类进入新 石器时代。 石器时代人类 开始用皮毛遮身

2、8000年前中国 开始用蚕丝做衣服 4500年前印度人 开始种植棉花 标志着人类使用材料 促进文明进步 公元前2700年，中国已经使用青铜器，至今约5000年的历史，到商周(公元前 17世纪到公元前3世纪)进入了鼎盛时期，如河南安阳出土的达875kg的鼎、湖 北隋县的编钟、西安青铜车马都充分反映了当时中国冶金技术水平和制造工 艺的高超。 陶器的出现是对精神文明的一 大促进，历史上虽无陶器时代 的名称，但其对人类文明的 贡献是不可估量的。 烧制陶器过程中偶然发现金属铜和锡，进 而又生产出色泽鲜艳、又能浇铸成型的青 铜器，从而使人类进入青铜时代。 当然那时还不明白这是铜、 锡的氧化物在高温下被炭还

3、 原的产物 大约在80009000年前，人类还 处于新石器时代，已发明了用 粘土成型，再火烧固化而成为 陶器。 希腊在公元前3000年前，埃及在公元前2500年前，巴比仑在公元前19世纪中 叶，印度大约在公元前3000年已广泛使用青铜器。 这是人类大量利用金属的开这是人类大量利用金属的开 始，也是人类文明发展的重始，也是人类文明发展的重 要里程碑。要里程碑。 公元前1314世纪前，人类已开始用铁，3000年前铁工具比青铜工具更为普 遍，人类开始进入了铁器时代。 中国最早出土的人工冶铁制品约在公元前9世纪。到春秋(公元前770476年) 末期，生铁技术有较大突破，遥遥领先于世界其他地区，如用生铁

4、退火而 制成韧性铸铁及以生铁炼钢技术的发明，促进了中国生产力的大发展，对 战国和秦汉农业、水利和军事的发展起到很大作用。早在公元二世纪中 国的钢和丝绸已驰名罗马帝国。 生铁技术在公元前5世纪即春秋末叶已经在黄河长江流域传播。 生铁技术于公元67世纪传人朝鲜半岛、日本和北欧，推动了整个世界文明 的进步。 18世纪发明了蒸汽机，19世纪发明了电动机，对金属材料提出了更高要求 ，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。1854年和1864年先后发明 了转炉和平炉炼钢，使世界钢产量有一个飞速发展。1850年世界钢产 量为6万吨，1890年达2800万吨，大大促进了机械制造、铁道交通及纺织工 业的发展。

5、 电炉冶炼开始，不同类型的特殊钢相继问世 1887年高锰钢 1900年18-4-1(W18Cr4V)高速钢 1903年硅钢及1910年奥氏体镍铬(Crl8Ni8)不锈钢，把人类带进 了现代物质文明。 铜、铝得到大量应用，镁、钛和很多稀有金属也相继出现， 金属材料在整个20世纪占据了结构材料的主导地位。 有机化学的发展，19世纪末叶西方科学家仿制中国丝绸发明了人造丝，这 是人类改造自然材料的又一里程碑。 20世纪初，人工合成有机高分子材料相继问世。 1909年的酚醛树脂(电木)， 1920年的聚苯乙烯， 1931年的聚氯乙烯 1941年的尼龙等， 性能优异，资源丰富、建设投资少、收效快而得到迅速

6、发展。目前世界三 大有机合成材料(树脂、纤维和橡胶)年产量逾亿吨。而且有机材料的性能不 断提高，附加值大幅度增加，特别是特种聚合物正向功能材料各个领域进 军，显示其巨大的潜力。 陶瓷本来用作建筑材料、容器或装饰品等。 由于其资源丰富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蚀、膨胀系数小、耐高温、耐磨 等特点，到了20世纪中叶，通过合成及其他制备方法，做出各种类型的先进陶瓷( 如Si3N4、SiC、ZrO2等)，成为近几十年来材料中非常活跃的研究领域，有人甚至 认为“新陶器时代即将到来。 由于其脆性问题难以解决，且价格过高，作为结构材料没有得到如钢铁或高分子材 料一样的广泛应用。 复合材料是20世纪后期发

7、展的另一类材料。天然材料很多是复合材料，如木材、皮 革、竹子等。人类很早就制造复合材料，如泥巴中混入碎麻或麦秆用以建造房屋， 钢筋水泥是脆性材料和韧性材料的复合。 近几十年来，利用树脂的易成型和金属韧性好，无机非金属的高模量、高强度、耐 高温，做成了树脂基复合材料或金属基复合材料，前者已得到广泛应用，后者以其 制作困难、价格高而受到一定限制。为了改善陶瓷的性能，也制成陶瓷基复合材料 。 碳是使用温度最高的材料(可达2500 ), 为了克服热震性能差，并提高其力学性能 而制出的碳碳复合材料已广泛用于军工，并扩展到民用。 自19世纪中叶，现代炼钢技术出现以后，金属材料的重要性急剧增加，一直到20世

8、 纪中叶，人工合成有机材料、陶瓷材料及先进复合材料迅速发展，金属材料的重要 性逐渐下降，但一直到21世纪上半叶，金属材料仍将占重要位置。 功能材料自古就受到重视，早在战国(公元前3世纪)已利用天然磁铁矿来制造司南 ，到宋代用钢针磁化制出了罗盘，为航海的发展提供了关键技术。 功能材料是信息技术及自动化的基础，特别是半导体材料出现以后，加速了现代 文明的发展，1947年发明了第一只具有放大作用的晶体管，10余年后又研制成功集 成电路，使以硅材料为主体的计算机的功能不断提高，体积不断缩小，价格不断下 降，加之高性能的磁性材料不断涌现，激光材料与光导纤维的问世，使人类社会进 入了信息时代。因为硅是微电

9、子技术的关键材料，所以有人称之为“硅片为代 表的电子材料时代”，再一次说明材料对人类文明起了关键的作用。 “材料”是早已存在的名词，但“材料科学”的提出只是20世纪60年代初 的事。1957年前苏联人造卫星首先上天，美国朝野上下为之震惊，认 为自己落后的主要原因之一是先进材料落后，于是在一些大学相继成 立了十余个材料研究中心。 1.2 材料科学的形成与内涵 采用先进的科学理论与实验方法对材料进行 深入的研究，取得重要成果。从此，“材料科学”这个名 词便开始流行。 “材料科学”的形成实际是科学技术发展的结果。 材料科学所包括的内容往往被理解为研究材料的组织、结构与性 质的关系，探索自然规律。这属

10、于基础研究。 材料是面向实际、为经济建设服务的，是一门应用科学，研究与发展材料 的目的在于应用，而材料又必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用 价值的材料来，通过批量生产才能成为工程材料。 在“材料科学”这个名词出现后不久，就提出了 “材料科学与工程”。 工程是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。 许多大学的冶金系、材料系也就此改变了名称，多数改为“材料科学与工程 系”，偏重基础方面的就称“材料科学系”，偏重工艺方 面的称“材料工程系”。也有不肯放弃“冶金”而称为“冶金与材料科 学系”的，如英国的剑桥大学。同时，有关材料科学或材料科学与工程方面 的杂志和书籍也应运而生。 第一部材料科

11、学与工程百科全书由美国麻省理工学院的科学家主编 ，由英国Pergamon自1986年陆续出版。它对材料科学与工程下的定义为 ： 材料科学与工程就是研究有关材料组成、 结构、制备工艺流程与材料性能和用途 的关系的知识的产生及其运用。换言之 ，材料科学与工程是研究材料组成、结构 、生产过程、材料性能与使用效能以及 它们之间的关系。 组成与结构(composition-structure)、 合成与生产过程(synthesis-processing)、 性质(properties)及使用效能(performance) 称之为材料科学与工程的四个基本要素 (basicelements)。把四要素连结在

12、一起，便 形成一个四面体(tetrahedron)。 考虑在四要素中的组成结构并非同义词，即相同成分或组成 通过不同的合成或加工方法，可以得出不同结构，从而材料的 性质或使用效能都不会相同。 我国有人提出一个五个基本要素的模型 ，即 成分(composition)、 合成/加工(synthesis/processing) 结构(structure) 性质(properties) 使用效能(performance)。 如果把它们连接起来，则形成一个六面 体 (hexahedron)。 材料科学与工程五要素模型的特点主要有两个： 一是性质与使用效能有一个特殊的联 系，材料的使用效能便是材料性质在

13、使用条件下的表现。 环境对材料性能的影响很大，如受力 状态、气氛、介质与温度等。 有些材料在一般环境下的性能很好， 而在腐蚀介质下性能却下降显著； 有的材料在光滑样品时表现很好，而 在有缺口的情况下性能大为下降，特 别有些高强度材料表现尤为突出，但 凡有一个划痕，就会造成灾害性破坏 。因此，环境因素的引入对工程材料 来说十分重要。 二是材料理论和材料设计或 工艺设计有了一个适当位置 ，它处在六面体的中心。 因为五个要素中的每一个要素，或 几个相关要素都有其理论，根据理 论建立模型(modelling)，通过模型 可以进行材料设计或工艺设计，以 达到提高性能及使用效能、节约资 源、减少污染或降低

14、成本的最佳状 态。这是材料科学与工程最终努力 的目标。 人们设想提出性能指标或使用效能 要求，可以通过材料配方，采用最 佳工艺，就可制备出符合要求的材 料或器件。 一是：多学科交叉。 是物理学、化学、冶金学、金属学 、陶瓷、高分子化学及计算科学相 互融合与交叉的结果，如生物医用 材料要涉及医学、生物学及现代分 子生物学等学科。 二是：与实际使用结合非常密 切的科学。 发展材料科学的目的在于开发 新材料，提高材料的性能和质 量，合理使用材料，同时降低 材料成本和减少污染。 材料科学有三个重要属性： 三是：材料科学是一个正在发展中 的科学。 不像物理学、化学已经有一个很成 熟的体系，材料科学将随各

15、有关学 科的发展而得到充实和完善。 1.3 先进材料是社会现代化的先导 从电子技术的发展可以看出材 料所起的作用。 1906年发明了电子管，从而出 现了无线电技术、电视机、电 子计算机。 1948年发明了半导体晶体管， 致使电子设备的小型化、轻量 化、节能化及成本的降低、可 靠性的提高与寿命的延长。 1958年出现了集成电路，使计 算机及各种电工设备发生再一 次飞跃。 1946年电子管计算机与1976年微机 的一些指标来对比，由于采用集成 电路，使计算机体积缩小了30万倍 ，功耗降低了5万多倍，重量降低了 6万倍，平均故障率也大为减少，而 且价格大幅度下降。这样为计算机 的普及创造了条件。 芯

16、片集成度不断提高，单元体积和 价格不断下降，19581998的40年 间，芯片集成度提高了一百万倍， 每单元价格下降到一百万分之一， 因为单元价格与特征尺寸的平方成 正比，与晶片直径的平方成反比。 材料既是人类社会进步的里程碑，又是社会现代化的物质基础与先导。特别 是先进材料的研究、开发与应用反映着一个国家科学技术与工业水平。 航空航天技术的进步 21世纪全球经济的一体化，一靠信息 网络的大发展，形成全球性的电子商 业；二是运输工具的高效、远程、大 容量。 前者是电子及光电技术发展的结果，后者 是航空技术与水上、地面运输工具不断改 进的结果，都与材料有着密切联系。 以飞机而论，由于战争的需要，20世纪40 年代出现了喷气技术，这种技术的实现是 以高温材料及高性能结构材料为依托的。 高温合金的发展，使涡轮温度不断提高； 高比强度、高比刚度结构材料的不断进步 ，使今天大型客机的安全性及有效载荷大 为提高，续航时间不断延长，飞机发动机 寿命显著延长，