材料应用现状与新材料的发展趋势

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1、基础材料与新材料,绪 论 木工教研室 于晓芳,第一节 材料发展概述 材料:人类用来制造各种产品的物质，是人类生产和 生活的物质基础。 能源、信息和材料被称为现代科学技术的三大支柱。 历史学家将人类早期历史划分为石器时代、陶器时代、 青铜时代和铁器时代等.现在人类已进入人工合成材料 的新时期。,一、 石器时代,石器是人类最先使用的工 具。在新石器时代，出现了玉 器、陶器和瓷器。如金镂玉 衣，秦始皇兵马俑等。 我国是生产瓷器最早的的 国家。,二、 青铜器时代,青铜（铜锡合金）人类历史上发明的第一种合金。 晚商和西周是我国青铜器时代的鼎盛时期。如 “司母戊”大方鼎，越王 勾践的两把宝剑等。,三、 铁

2、器时代,春秋战国时期已开始大量使用铁器。 春秋晚期出土的铁器：江苏六合程桥楚墓的铁丸、长沙楚 墓的铁鼎。 战国时期已有韧性铸铁生产工艺。 在汉代冶铁遗址中，发掘出20多 座冶铁炉和锻炉，炉型庞大，结构复 杂，并有鼓风装置和铸造坑。,四、 钢铁工业和有色金属的发展,铸铁用来制作农具、兵器 等。瓦特发明蒸气机以后，实现工 业化生产。 炼钢技术是在蒸气机出现、能 够提供强大的鼓风和动力以后才发 展起来的。 目前我国的钢产量已跃居世界 首位。,五、非金属材料的发展,丝绸是一种天然高分子材料。 有机合成材料每年以14的速度增长，而金属材 料的年增长率仅为4。 陶瓷材料在冶金、建筑、化工以及尖端技术领 域

3、，已成为耐高温、耐腐蚀和各种功能材料的主要材 料。,六、复合材料及新材料技术的发展,传统的单一材料已不能满足使用要求，复合材料 和新材料的研究和应用引起了人们的重视。 新材料 是指那些对现代科学技术的进步和国民 经济的发展有重大推动作用的材料，这些材料具有传 统材料所没有的或无法比拟的优异性能，它的出现将 极大地促进生产力的提高，推动社会飞速发展。,第二节 材料应用现状与 新材料的发展趋势,一、材料应用的现状 目前，用量最大的材料是钢铁材料和铝合金、铜合金、钛 合金及镍合金等有色金属。 工程塑料常用于计算机外壳、接线板、控制按钮、窗玻 璃、容器等。 传统陶瓷主要用于建筑行业，而先进陶瓷材料则在

4、高新技 术领域得到应用。 复合材料尤其是金属基复合材料在航空航天部门得到了广 泛应用。,二、新材料的发展趋势 新材料的研制与开发应用和一个国家的工业实 力及经济、军事力量的增长都有十分密切的关系。,1.先进复合材料 金属基复合材料是当前先进复合材料研究中引人 注目的重点领域之一。如碳纤维增强铝，粉末颗粒增强 铝、硼纤维增强铝等。 陶瓷复合材料尚处于研究试制开发阶段，研究的 品种包括陶瓷纤维增强陶瓷和玻璃材料、金属纤维增强 陶瓷和玻璃材料、晶须增强陶瓷和玻璃材料等。,2.光电子信息材料 基本材料的研究（如超高纯玻璃、新型 半导体材料、先进薄膜材料等）。,3.低维材料 所谓低维材料就是指超微粒子（

5、零维）、纤维（一维）和薄膜 （二维）材料，这是近年来发展最快的材料领域。 通过溶胶凝胶法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微 米级的陶瓷或金属粉末，其大小只有几个原子到几百个原子，一般 称为纳米级超细微粉。纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑 体；以纳米颗粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属 铝的硬度是块状铝的8倍等。,一维纤维中最重要的是光导纤维，可用于通信工程材 料。光导纤维的特点是其信息传输量远比用铜、铅的同轴电缆 大，而且光纤有很强的保密性。 二维材料（薄膜）的发展也很快，特别是电子技术的发 展，需要各种类型的薄膜材料，当前发展最快的是金刚石薄 膜、高温超导薄膜和半导体薄膜

6、等。,4.新型金属材料 高性能金属新材料近期发展方向，主要是通过新技 术、新工艺，提高合金化程度或改变组织，从而大幅度 提高材料的性能，开发出新的品种。例如，可以通过对 合金成分的合理设计及微量元素的控制，研制出了高比 强度与高比模量的ALLi合金；通过快速冷却（104K/s 105K/s）可使某些合金成为非晶态，或可以得到微 晶，提高合金化程度，从而使合金得到强化。,5.高性能塑料 新型的高性能高分子材料，强度可比金属更高， 且更耐腐蚀，生产过程耗能低，成型加工工艺性能良 好，成本较低，所以发展较快。 目前高性能塑料主要应用于家用器皿、建筑构件 以及军用品，以及汽车及飞机工业上。,6.先进陶

7、瓷材料 先进陶瓷材料可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大 类。目前人们关注的是高温结构陶瓷在内燃机上的应 用研究，它将使热机效能大大提高，减少环境污染， 扩大燃料使用范围。,7.超导材料 目前研制的重点是高温超导材料的研制。,第三节 材料的分类,按使用性能分类，可分为以力学性能为主的结 构材料和以物理、化学性能为主的功能材料。 按用途分类，可分为机械材料、信息材料、电 子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、电工电 器材料、农用材料等。 目前材料通常是按其组成和结构特点，分为金 属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大 类。（见下表）,工程材料的分类,一、 金属材料,金属材料：是以金属元素为基础的材料

8、。 合金：是在纯金属中，有意地加入一种或多种其他元素，通过 冶金或粉末冶金方法制成的具有金属特性的材料。 金属材料可以分为两大部分： 黑色金属：铁和以铁为基的合金，包括钢、铸铁和铁合金。 有色金属：黑色金属金属以外的所有金属及其合金。,二、高分子材料,高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子 化合物组成，每个大分子皆包含有大量结构相同、相 互连接的链节。 高分子化合物具有较高的强度，良好的塑性，较 强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等性 能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。,工程上通常根据机械性能和使用状态将高分子材 料分为四大类： 塑料：强度、韧性和耐磨性较好，可制造某些机器零

9、件 或构件的工程塑料，可分为热塑性塑料和热固性塑料。 合成纤维：由单体聚合而成的、强度很高的聚合物，通 过机械处理所获得的纤维材料。 橡胶：经硫华处理的、弹性特别优良的聚合物，有通用 橡胶和特种橡胶两种。 胶粘剂：通过粘附作用，使同质或异质材料连接在一 起，并在胶接面上有一定强度的物质。又叫黏合剂或黏结剂。,三、陶瓷材料,陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属（通常为氧）的化 合物，其中尺寸较大的氧原子为陶瓷的基质，较小的金属（或半 金属如硅等）原子处于氧原子之间的空隙中。 陶瓷的特点是强度高、硬度大、耐腐蚀。缺点是脆性大。 陶瓷材料属于无机非金属材料，由于大部分无机非金属材料 含有硅和其他元素

10、的化合物，所以又叫做硅酸盐材料。它一般包 括无机玻璃（硅酸盐玻璃）、玻璃陶瓷（或称微晶玻璃）和陶瓷 等三类。,按照成分和用途，工业陶瓷材料可分为： 普通陶瓷：即传统陶瓷，主要为硅、铝氧化 物的硅酸盐材料。 特种陶瓷：又叫新型陶瓷，主要为高熔点的 氧化物、碳化物、氮化物、硅化 物等的烧结材料。 金属陶瓷：主要指由金属和陶瓷性非金属组 成的烧结材料。,四、复合材料,复合材料是由两种或两种以上不同材料组合的材料，其性能优于它的组成材料。复合材料在强度、刚度和耐腐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是一类特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。,第一章 材料科学基础知识 木工教研室 于晓芳,第一节

11、固体材料中的原子排列 固体分为晶体与非晶体两大类。 晶体的特点：原子排列有规则，有固定的熔点，各 向异性； 非晶体的特点：原子排布没有规律，没有固定的熔 点，各向同性。,一、短程有序与长程有序 1.短程有序：原子仅在很小的范围（几个原子的尺度） 内呈一定的规则排列。 2.长程有序：原子在很大的范围内是按一定的规则排列的。 具有长程有序排列的材料称为晶体材料。金属、半导体、 大部分陶瓷材料都是晶体材料。某些高分子材料也是晶体材 料。,二、晶体中原子的结合,化学键分离子键、共价键、金属键和分子键四种。 1.离子键和离子晶体 离子键：由正负离子通过强烈的化学作用而形成的化学键，称为 离子键。 离子晶

12、体：离子键构成的晶体。 离子晶体的特点：硬度大、强度高。 热膨胀系数小，绝缘性好，脆 性大。,氯化钠离子晶体结构,2.共价键 共价键：由共用电子对产生的化学键称为共价键。 共价晶体（原子晶体）：共价键构成的晶体。 共价晶体的特点：强度高， 硬度大，熔点高，挥发性低， 脆性大，是良好的绝缘体。,金刚石共价晶体结构,3.金属键和金属晶体 金属键：在金属中，正离子与自由电子之间的强烈 的化学作用. 金属晶体：金属键构成的晶体。 金属晶体的特点：具有良 好的导电性和导热性，塑性好， 强度高，不耐腐蚀。,4.分子键和分子晶体 分子键：存在于中性分子或原子之间的结合力，称为分子 键。 分子晶体：依靠分子键

13、结合 的晶体。 分子晶体的特点：熔点低， 硬度低。,熔点、强度、硬度和分子之间的作用力有密切的 关系，作用力越大，则熔点、强度、硬度越大。 塑性与脆性与分子间的作用力有关，离子晶体和原子 晶体脆性大，金属晶体塑性大。,三、晶体结构的一些重要概念,晶体的刚性球模型 1.晶体、晶格、晶胞及晶系 晶体中原子（离子或分子）在空间呈规 则排列，规则排列的方式称为晶体结构。,晶格：假设通过原子（分子或离子）的中心划 出许多空间直线，构成空间格架。这种 假想的格架称为晶格。 晶胞：晶格中能够反映晶格几何特征的最小几 何组成单元。 晶格常数：a、b、c、 、,晶 胞,晶体结构的七种晶系十四种点阵,2.晶格尺寸

14、 晶格尺寸是指晶胞的大小，用晶格常数表达。晶 格常数的单位为nm，晶体的晶格常数多为0.1 0.7nm。 3.晶胞原子数 是指一个晶胞所含的原子数目。 4.原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。 5.致密度 晶胞中原子所占体积的百分数。 致密度晶胞中原子的体积/晶胞的体积 6.配位数 晶格中，与任一原子处于相等距离并相距最近的 原子数目称为配位数。配位数越大，则致密度越高。,5.三种典型的金属晶体结构 体心立方晶格：原子分布在立方晶胞的中心和八 个角上。典型的有Fe、Cr、Mo、W 等。 面心立方晶格：原子分布在立方晶胞的六个面的 中心和八个角上。典型的有Au、Ag、Cu、Al、

15、Ni、Pb 等。 密排六方晶格：原子分布在六方晶胞的十二个 角，上下底面的中心以及两底之间三个均匀分布的间 隙里。当c/a1.633时，结构最紧密。属于这种晶 格的有Mg、Zn、Be 等。,四、晶体中的晶面和晶向,晶面：通过晶体中原子（分子或离子）中心的平面。 晶向：通过原子（分子或离子）中心的直线。 在晶体学中经常用晶面指数和晶向指数来表示晶面 和晶向。 1.立方晶系晶面指数的确定方法,确定立方晶系晶面指数的步骤如下： （1）选定不在预定晶面上的晶格中任一节点为空间坐标系的原点；以晶格三棱边为坐标轴ox、oy、oz；以晶格常数a、b、c分别作为ox、oy、oz轴的长度度量单位。 （2）求出预

16、定晶面在三个轴上的截距。 （3）取欲定晶面的三轴截距的倒数，并将其化为最小整数。 （4）把三正数写在圆括号内，并将其化为最小整数。 注意：当某一平面与某轴平行时，该晶面与该轴的截距为无穷 大。,2.立方晶系晶向指数的确定方法 确定晶向指数的步骤如下： （1）选定坐标系，其方法与晶面指数的方法相同。 （2）过坐标原点作一平行于欲求晶向的直线，求出该 直线上任一节点的坐标轴，并将其化为最小整 数。 （3）将整数记在方括号内，整数之间不用标点分开。 这样，即得到晶向指数uvw。,3.晶面和晶向的原子密度 晶面原子密度是指晶面单位面积中的原子数。晶向指数 密度是指该晶向单位长度上的原子数。体心立方与面心立方 晶体各主要晶面和晶向的原子密度如下图：,体心立方与面心立方晶体各 主要晶面的原子排列与密度,体心立方与面心立方晶体各 主要晶向的原子排列与密度,7.堆垛方式 假设原子同是半径相等的刚性球，面心立方结构 和密排六方结构密排