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1、Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 陶瓷科学与工艺 刘杏芹 中国科学技术大学材料科学与工程系 2012.02 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 第一章：绪论 材料( 新材料）概念与分类 *当前新材料研究热点领域 *材料制备技术的概念与意义 陶瓷定义、发展史及性能 陶瓷科学与工艺学课程 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,US
2、TC 固体化学与无机膜研究所 一、材料（新材料）的概念 材料是物质，但并非所有的物质都可称为材料，后者一定要具 有可以应用的形态和功用 何谓新材料？ 新发现或新研制的从前未知的全新材料（组成上，结构上，形态上，功 能上）自然界未发现、靠人工合成的材料皆属此类，如高温超导氧化物 材料，化合物半导体材料， 光纤材料 对已有材料的研究改性，提高了性能，改善了质量 发现了已有材料的新性能或新用途 先进材料共同特点 知识密集、技术密集是多学科和技术的结晶 性能优异，为高技术起核心关键作用 经济附加值高、是新经济的生长点 更新换代快，必须不断研究改进和追求持续发展 Lab for Solid State
3、Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 二、新材料的地位及分类 新材料与现代社会文明 一部人类文明的发展史,在某种意义上,可以说是人类 占有、认识、制造、应用和革新材料的历史 社会文明史是以所用的材料为特征来命名: 石器时代和陶器时代：原始社会 青铜时代 ： 奴隶制社会 铁器时代：封建社会 钢铁塑料时代：近代社会 新材料、高技术时代：现代社会 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 从化学组成上分类： （关联材料的基础研究） 材料的四大家族
4、 金属与合金材料 有机高分子 （聚合物）材料 复合材料无机非金属材料 钢铁材料，有色金 属，钛合金，储氢 合金Ni5La，记忆合 金TiNi，强磁合金 SmCo5， 超导合金Nb3Sn， 海绵金属（Al、Mg 、Ni） 氧化铝，氧化锆 单晶硅，砷化镓 硫化锌，碳化硅 氮化硅，氮化硼 碳纤维，金刚石 纳米碳管 钙钛矿ABO3型 尖晶石AB2O4型 塑料，人造橡胶 合成纤维，聚乙 烯，聚氯乙稀， ABS，环氧树脂 ，感光树脂，聚 酰亚砜，尼龙， 聚四氟乙烯，合 成橡胶（氯丁橡 胶，氟橡胶）涤 纶，锦纶，及中 空纤维 上述三种材料之间或同 类材料之间的相互复合 ， 如包层材料，细粒 混合材料，粒子分
5、散增 强材料，纤维增强材料 等，纤维增强金属（玻 璃钢， 硼纤维/铝）， 纤维增强橡胶, 纤维增 强塑料, 氧化锆增韧氧 化铝, 超硬合金WC-Co, 超导电缆(超导/导电), 保护涂层 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 信息材料, 生物材料, 能源材料, 建筑材料，家装材料， 从材料形态上分：（关联材料制备技术开发研究） 单晶材料，多晶材料，非晶（玻璃）材料，粉体，薄膜, 纤维 从材料物性上分: （关联材料的物理化学学科研究） 高强材料, 超硬材料, 高温材料, 导电材料，绝缘材料, 激光
6、材料, 磁性材料, 铁电材料，电光材料，声光材料, 压电材料, 热电材料 结构材料, 耐火材料, 耐酸材料, 研磨材料, 光学材料, 感光材料,电工材料, 从应用性能上分：（关联材料的应用研究） 从应用领域上分:（关联材料的技术集成和应用） 不同的分类形式 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 新材料的历史性发展与“材料科学与工程”学科 年代事件 1940Shottky等发发明了Ge 半导导体三极管，人类进类进 入了半导导体时时代 1954发现发现 了Si 材料， 取之不尽、用之不竭的IC基础础
7、材料 1960红红宝石的问问世，出现现了激光技术术 1957-1960美国第一批（5所）高校组组建了“材料科学与工程”系 多学科人才联合攻关的“国家实验室”： Argonne Lab（芝加哥），Lorenz Lab（加州）， Bell Telephone Lab. Oak- Ridge Lab， 对综合性学科知识人才的需求- 新学科的诞生: “材料科学与工程”学科: 综合性、交叉性、边缘性、应用性 定义：关于材料的合成、制备、组成、结构（包括缺陷）、性能和应用及其相互关 系的学科， 其基本宗旨是研发、利用新材料 （陶瓷料学与。） 19571960年 美国第一批（5所）高校组建了“材料科学与工程
8、”系 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 一个典型的例子是美国硅谷 （Silicon Valley）高技术开发区 ，Stanford University 和 UC Berkeley 与其密切结合， Stanford IC Center at CMR（ Center for Materials Research ）由19 个企业共同赞助，主要进 行IC新材料和器件技术开发。在 高科技的推动下，美国实现了经 济的又一轮快速增长 新材料与高新技术产业 “材料科学与工程”学科的出现大大促进了新材料的
9、发展 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 世界先进国家的高技术计划无不涉及新材料的研究开发与应用 国家/地区高科技发展计划 美国 1983年3月美国提出战战略防御计计划SDI（Strategic Defense Initiative）又称“星球大战战”计计划， 带动带动 了“航空 、航天”“火箭、卫卫星”新材料的发发展 欧共体 1985年4月欧共体创创建了“欧洲研究合作机构”， 即尤里 卡（EURECA）计计划，大力发发展信息处处理、计计算机、通 信、机器人、新材料及生物技术术。 日本 198
10、4年4月， 日本提出了“振兴兴科学技术术的基本政策”报报 告， 规规划了物质质和材料科学技术术，信息和电电子学，生命 科学技术术，资资源科学技术术，空间间、海洋技术术五大方面， 15个主题题。 中国 1986年3月我国提出了“高技术术研究发发展计计划”， 又叫 “863计计划” 在民口涉及5个领领域11个主题题， 新材料方面 包括光电电子信息材料，先进进复合材料，特种功能材料， 以及材料科学与工程基础础研究。973 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 三、当前新材料研究热点领域： 信息技术领域
11、与信息材料 世所公认，我们当前是处于信息时代， 即以信息技术为时代特 征。信息技术主要是指信息的获取、传递、处理、存储、显示 等技术，包括微电子技术，光电子技术，计算机技术，软件技 术，通讯技术，辐射成像技术，高清晰度电视技术等，以这些 技术为基础，互相交叉，形成现代信息高技术和产业。 这些技术的发展的基于种种新型材料，这些材料主要包括： 半导体材料和集成电路、微电子工业 激光材料与非线性光学材料 信息传感与传感器技术材料 半导体发光材料、液晶显示材料与感光材料 信息传输材料：石英光纤，非氧化物玻璃纤维，有机聚合物光纤 信息存储材料：磁记录材料、磁光记录材料、光存储材料 Lab for Sol
12、id State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 新型半导体材料与大规模三维集成电路 元素半导体和化合物半导体：Si， Ge，金刚石, IIIV、IIVI族化合物 单晶硅Si材料，直径，1970年50mm；1985年150mm； 2000年225mm 集成电路集成度：1987年 100万晶体管/平方厘米,2000年1000万(1024K) 2007年, 设计线宽达到0.01 微米, 芯片上可集成10亿晶体管 GaAs为第二代半导体, 可在300-500 使用, 运算频率可达2000 Mhz 而 Si 仅可工作在250以下,频率仅
13、为300 MHz GaN为第三代化合物半导体 ,工作放热有可能使电路失效, 发展高热导的II型金刚石是个方向 CVD法金刚石薄膜和AlN薄膜,将有效的提高了集成度 三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发 铁电-Si微集成系统, 具有良好系统功能, 成为当前的研制热点 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 信息传输光纤材料 多模光纤、新型色散补偿光纤与色散 管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光 纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤 ；特别是光纤预制棒制造技术是光纤制 造技术的核心，也一直是我
14、国光纤产业 发展的最薄弱环节， 光导纤维（例） Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 新型能源材料 目前地球上的主要能源化石燃料（煤、石油、天然气等）存在的主要问题是 ： 利用效率低 应用技术落后，对环境造成污染（烟尘、有害气体等） 未开采的储量已经不多，终将消耗 因而，开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题， 涉及种类 繁多的新材料： 核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料） 储氢材料（SmCo5，NbTi合金） 燃料电池材料（电解质、阴极、阳极、连接材料、密封材料) 风力发电设备材
15、料（高强度轻质复合材料） 太阳电池材料（Si，aSi， CdSe， GaAs 超导输电线材料 镍氢电池、锂离子电池相关材料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交 换膜燃料电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化 碳排放 50%，不产生NOx，已成为发达国家重点研究开发的 新能源技术。但目前研究的固体氧化物燃料电池的工作温度 达800900，其关键部件的材料制备总是成为制约固体氧 化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技术主要有： a）高性能电极材料及其制备技术； b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术； c）电池结构优化设计及其制备技术； d）电池的结构、性能与表征的研究。 固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料， 如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料 电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。 固体氧化物燃料电池材料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 传统发电与燃料电池发电污染率比较 （k
