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1、材料是人类社会发展的基础和先导,是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料、 信息和能源被誉为当代文明的三大支柱”。材料科学的每一次重人突破都会引起生产技术的重人变革,甚至引起一次世界性的技术 革命。加速社会发展进程,推动人类物质文明前进。人类文明的发展史就是材料的发展史,材料的发展史就是人类文明的发展史。历史学家通常根据人类所使用材料的种类将时代划分为石器时代、青铜器时代、铁器时 代,以及当今的人工合成材料新时代。纵观历史可知,每一种重要新材料的发现和应用,都把人类支配自然的能力提高到了一 个新的水平。两次工业革命都是以新材料的发明和应用为基础和先导。18世纪第一次工业革命,制钢工业的发展为
2、蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。20世纪中叶以来第二次工业革命,单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。 再如发动机工作温度上升,使其理论效率大大提高;发动机叶片是其性能的关键。新材料是高技术发展的基础,是工业革命和产业发展的先导。信息材料 新能源材料生物材料空间技术用材料环保材料21世纪重点发展的高技术领域的材料1. 信息科学技术2. 新能源科学技术3. 生物科学技术4. 空间科学技术5. 生态环境科学技术 新材料技术群体性突破1. 纳米材料是前沿技术中的前瞻性和带动性领域之一。2. 电子信息材料发展迅速(光电子材料)。3. 新型功能材料及其应用技术面临新的突破(超导材料、智能材料)
3、。4. 新型结构材料发展前景乐观(高温合金、金属基复合材料)。材料的应用应考虑:1. 使用性能2.寿命及可靠性3.坏境适应性4.价格金属材料:21世纪主要结构材料和电能输送材料。趋势:改善提高传统材料品质的同时, 金属功能材料、非平衡态金属,特别是高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化 合金和金属基复合材料的发展,如形状记忆合金、金属超导材料、铝基增强复合材料。特种陶瓷应用:1. 高强度的可用于燃气涡轮机发动机的叶片等;2. 耐磨性优良的用途广泛,目前主要用于切削刀具、轴承等;3. 耐热性优良的町用于超高温材料用于原子能有关的高温结构材料;4. 隔热性优良的町用于高温隔热材料,用于高温
4、反应容器、核反应堆等;5. 导热性优良的可用于人规模集成电路电子器件的散热片;6. 生物陶瓷方面用于人工牙齿、人工骨等。研究方向与重点:1. 加强基础技术研究,例如粉末制备技术、烧结机理;2. 陶瓷与陶瓷或陶瓷与其他材料的复合;3. 纤维化是研究隔热材料,复合增强材料的重要基础:4. 超导陶瓷的研究:5. 非氮化物陶瓷中陶瓷发动机的研究;6. 生物陶瓷的开发研究。结构陶瓷按化学组成氧化物陶瓷(AIO、ZrO )氮化物陶瓷(SiN、赛龙陶瓷、AIN、BN)碳化物陶瓷(SiC)硼化物陶瓷 应用:1.机械方面:耐磨部件、切削刀具等:2. 耐热方面:高温耐热部件、发动机等;3. 化学生物方面:耐腐蚀部
5、件、人造骨头等。AIO :机械部件、切削刀具、人造骨(高强、高硬、耐磨损)发动机的火花塞、高温炉的结构件、化工管道(高强、耐高温、耐腐蚀) ZrO :陶瓷发动机中汽缸内壁、活塞。发展原因:1. 国际军爭工业竞争激烈,航空航天需要;2. 新技术促进新材料发展;3. 不可再生资源越用越少,开发与节约资源成当务之急。发展趋势:1. 单向陶瓷向多相复合陶瓷发展:2. 微米陶瓷向纳米陶瓷发展;3. 由经验式研究向材料设计方向发展。功能陶瓷用于行业:计算机、通信、电视、广播、空间技术、自动化、汽车及医疗等 发展趋势:1. 微型化(薄片化)和高速度化:2. 发展传感器和多孔瓷;3. 重视复合技术;4. 进入
6、智能化阶段。一、电绝缘陶瓷1. 体积电阻率高:2. 介电常数小;3. 介电强度人:4. 介电损耗小;5. 稳定性好。应用:AIO用于集成电路基板材料三、微波介质陶瓷应用:移动电话、军事雷达全球卫星定位系统五、热释电陶瓷应用:自动开关和报警装置二、电容器陶瓷1. 体积电阻率高;2. 介电常数大;3. 介电强度大;4. 介电损耗小;5. 稳定性好。应用:计算机、电视、通信设备四、压电陶瓷应用:蜂鸣器、点火器、滤波器电视、通信设备、水声与雷达高分子材料特点:原料丰富、合成容易、用途广泛 在材料领域地位口益突出,增长最快。 高分子化工工业:石油化工工业; 高分子加工工业:轻工业。高分子合成技术方向:1
7、. 综合利用原料,节约能源、资源;2. 发展聚合新技术,进入分子设计阶段,合成出预定结构的聚合物;3. 简化工艺,实现自动化;4. 降低成本; 高分子成型加工工方向:1. 反应性加工实现材料预期结构:2. 高效、清洁的加工新方法;3. 回收利用技术、4. 聚合物纳米材料的制备和加工。实施高分子材料绿色工程,解决白色污染;开发町回收再利用、可降解的高分子材料。陶瓷的显微结构三种不同相:晶相、玻璃相、气相。普通陶瓷由于化学组成复杂,显微结构不够均匀,多气孔:而特种陶瓷化学组成简单,显微 结构均匀且细密,气相和玻璃相较少。晶相是陶瓷材料中最主要的组成相。由原料带入或玻璃相析晶形成,分为主晶相和次晶相
8、。 主晶相是构成材料的主体,其性质、数量及结合状态,直接决定材料的基本性质。玻璃相是一种低熔点的非晶态固体。在高温烧成或使用过程中,由于化学反应或熔融冷去卩形 成。作用:填充晶粒间隙,黏结晶粒,提高陶瓷材料的致密程度;降低烧成温度,改善 工艺;抑制晶粒长人。但玻璃相的机械强度比晶相低,在较低温度下即开始软化,降低了 材料在高温时的使用性能。气相又称气孔,在工艺过程中形成并保留下来。材料的许多性质与气孔的含量、形状、分布 有密切的关系。普通陶瓷的制备工艺原料选择f坯料制备f成型f干燥f烧成f制品(1)原料选择:普通陶瓷中主要原料为石英、黏土、长石。石英为耐高温的骨架成分, 赋予制品高的强度、耐热
9、耐蚀等特性;黏土具有独特的可塑性与结合性,调水后成 为软泥,能塑造成型,烧后变得坚硬致密;长石作为助熔剂能熔解一部分黏土分解 物及部分石英,促进成瓷反应的进行,并降低烧成温度。(2)坯料制备:原料经配料和加工后成为坯料。制成可塑料、注浆料和压制粉料。(3)成型:将坯料加工成为一定形状和尺寸的半成品。成型方法:压制成型:采用机 械压力;注浆成型:注入多孔模型中;可塑成型。(4)生坯的干燥:使含水物料中液体水汽化而排除水分的过程称为生坯的干燥。(5)烧成:陶瓷工艺的最终目的是制成有足够机械强度的制品。经过成型和干燥过程后, 生坯中颗粒之间只有很小的附着力,因而强度相当低,为了使颗粒相互结合使坯体
10、形成较高的强度,只有在无液相或有液相的烧成温度卞才能实现。烧成也称烧结。特种陶瓷的制备工艺粉体制备原料处理成型烧结加工f制品原料特点:纯度高、颗粒细小;只加入很少甚至完全不见加入助熔剂与提高可塑性的添加剂: 原料由人工合成。一、制备粉体方法:粉碎法和合成法。合成法包括固相法、液相法和气相法。(1)粉碎法:机械磨细,高效气流磨机。(2)固相法:化合反应法;热分解反应法;氧化物还原法;直接固态反应法;(3)液相法:沉淀法;溶胶-凝胶法;水热法;(4)气相法:蒸发-凝聚法;化学气相反应法。二、成型:模压成型、注浆成型、冷等静压法、注射成型、轧膜成型。三、烧结:(1)普通烧结:传统陶瓷人多在隧道窑中进
11、行,特种陶瓷人多在电炉中进行;常 常添加一些烧结助剂以降低烧结温度,尽可能降低粉末粒度也是重要措施之一,因为粉 末越细,表面能越高,烧结越容易;(2)热压烧结:烧结机理由扩散为主变为塑性流动为主,从而可以在较低温度下 进行烧结,且得到的烧结体组织致密,气孔率低:(3)热等静压烧结:可以降低烧结温度,提高材料性能。此外,还有反应烧结、液相烧结、自蔓延高温合成烧结。玻璃态特点:介稳性;各向同性;物理化学性质变化的可逆性;性质随成分变化的 连续性和渐变性。玻璃的结构:(1)晶子学说:玻璃结构中存在微晶体,晶子与晶子之间由无定形中间层隔离,从晶子 部分到无定形的中间层部分是连续过渡的,二者之间并无明显
12、界限。(2)无规则网络学说:三维无规则的空间构造来解释玻璃结构,即玻璃结构与晶体类似, 都具有三维连续网架形式,网络中一个氧原子最多同两个形成网络的正离子M相连 接,正离子在多面体的中央,多面体通过顶角上的公共氧形成“氧桥”相连而形成 三维连续网架。但网架不像晶体那样有序,而是完全无序的。晶子学说强调玻璃的冇序性、微不均匀性和不连续性:无规则网络学说宏观上强调了玻璃多 面体间相互排列的无序性、均匀性和连续性方面,这可以说明玻璃的各向同性、性质随成分 变化的连续性等基本特性。玻璃态结构具有短程有序、长程无序的特点,即玻璃在微观上是有序的、为不均匀的:在宏 观上是无序的、均匀的。玻璃的生产工艺:(
13、1)玻璃的原料:分为主要原料和辅助原料;主要原料:硅质原料氧化钠氧化镁氧化铝氧化钙;辅助原料:澄清剂着色剂脱色剂助熔剂氧化与还原剂。(2)原料的加工处理:原料经破碎、粉碎、过筛使其成为一定大小的颗粒,然后称量、 混合制成配合料;(3)玻璃的熔制:将配合料经过高温加热形成均匀的、无气泡的、符合成型要求的玻璃 液的过程。可分为:硅酸盐的形成玻璃的形成玻璃液的澄清:排除可见气泡的过程。气体主要三种状态:可见气泡、溶解的气体、 化学结合的气体。变价氧化物类的澄清剂是在一定温度下分解放出氧,然后在玻璃 液中扩散,渗入气泡中使它们长大而排除;或者在一定温度下吸收或化合气泡中的 气体,使它们减小到临界气泡以
14、下而消失。 均化:目的是消除玻璃液中各部分的化学组成不均匀及热不均匀性,使达到均匀一 致。均化不良会:使制品产生条纹、波筋等缺陷,严重影响玻璃的外观及光学性 能;还会因各部分膨胀系数不同而产生内应力,造成玻璃力学性能的下降:不 均匀造成的界面层易形成新的气泡甚至产生析晶。不均匀的玻璃液对制品的产量和质量有着重大影响。 冷却:玻璃熔制的最后阶段,目的是将玻璃液的黏度增加到成型制品所需的范I韦I内。(4)玻璃的成型:热成型和冷成型。平板玻璃的成型方法:浮法;平拉法;垂直引上法。水泥的生产工艺:配料一粉磨成球f锻烧粉磨包装水泥的凝结与硬化:很复杂的物理化学过程。表面水化反应;内部分散作用;形成凝 胶
15、体,出现凝结现彖,初凝:固相不断增加,液相不断减少,终凝。聚合反应可分为:(1)按单体和聚合物成分与结构发生的变化可分为:加成聚合反应(加聚反应);缩合聚 合反应(缩聚反应)。(2)按聚合机理和动力学分类可分为:连锁聚合和逐步聚合。 连锁聚合反应又称链式聚合反应,反应需要活性中心,反应过程由链引发、链增长、 链终止几步基元反应组成,各步反应速率和活化能差别较人,反应体系中只存在单 体、聚合物和微量引发剂。 逐步聚合反应是由单体所带两种不同官能团之间发生化学反应而进行的。高分子的结构:高分子的结构包括高分子链的结构和聚集态的结构。高分子链的结构包括分子链的近程结构和远程结构。一、大分子链的进程结构人分子链的进程结构又称为聚合物的一次结构,包括大分子链结构单元的化学组成、连接方 式、空间构型、序列结构以及犬分子链的几何形状。(1)化学组成:分为碳链大分子、杂链人分子、元素有机人分子;(