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1、化学与新材料李侃社 赵世永西安科技大学 化学化工学院1/30/20231主要内容1.化学与材料科学技术2.金属材料3.无机非金属材料4.有机高分子材料5.复合材料6.纳米材料与纳米科技1/30/20232 现代高科技现代高科技(modern high-tech)信息、材料、能源、生物技术信息、材料、能源、生物技术：社会文明支柱，科技创新的重要标志社会文明支柱，科技创新的重要标志 材料材料人类社会发展的里程碑！人类社会发展的里程碑！新新材材料料现现代代科科学学技技术术和和社社会会发发展展的的基础和支柱！基础和支柱！化学化学材料科学技术的理论基础材料科学技术的理论基础.1/30/202331.材料
2、科学与工程(materials science and engineering)研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及四者之间的相互依赖关系的规律材料科学.研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发并生产出材料,提高材料的使用效能,以满足社会的需要,设汁与制造材料制备与表征所需的仪器、设备材料工程科学与工程彼此密切结合,构成个学科整体.1/30/20234性能性能(properties)使用效能使用效能(performance)合成与制备合成与制备(synthesis and processing)组成与结构组成与结构(components and stru
3、cture)构成材料科学与工程的四组元四面体关系构成材料科学与工程的四组元四面体关系1/30/20235合成与制备合成与制备 合合成成主主要要指指促促使使原原子子、分分子子结结合合而而构构成成材材料料的的化化学学与与物物理理过过程程.既既包包括括有有关关寻寻找找新新合合成成方方法法的的科科学学可可题题、也也包包括括以以适适用用的的数数量量和和形形态态合合成成材材料料的的技技术术问问题题；既既包包括括新新材材料料的的合合成成,也也应应包包括括已已有有材材料料的的新新合合成成方方法法(加加溶溶胶胶凝被法凝被法)及其新形态及其新形态(如纤维、薄膜如纤维、薄膜)的合成的合成.制制备备主主要要指指材材料
4、料在在宏宏观观迟迟到到上上加加工工、处处理理、装装配配和和制制造等一系列过程，使之具有所需的性质和使用效能造等一系列过程，使之具有所需的性质和使用效能.合合成成与与制制备备是是提提高高材材料料质质量量、降降低低牛牛产产成成本本和和提提高高经经济效益的关键济效益的关键,也是开发新材料、新器件的小心环节也是开发新材料、新器件的小心环节.1/30/20236组成和结构组成和结构 组组成成指指构构成成材材料料物物质质的的原原子子、分分子子及及其其分分布布;除除主主要要组组成成以以外外,杂杂质质及及对对材材料料结结构构与与性性能能有有重重要要影影响响的的微微量量添添加加物亦不能忽略物亦不能忽略.结结构构
5、则则指指组组成成原原干干、分分子子在在不不同同层层次次上上彼彼此此结结合合的的形形式式、状状态态和和空空间间分分布布，包包括括原原子子与与电电子子结结构构、分分子子结结构构、晶晶体体结结构构、相相结结构构、晶晶粒粒结结构构、表表面面与与品品界界结结构构、缺缺陷陷结结构构等等；在在尺尺度度上上则则包包括括纳纳米米以以下下、纹纹米米、微微米米、色色米米及及更更宏宏观观的的结构层次结构层次.材材料料的的组组成成与与结结构构是是材材料料科科学学与与工工程程的的基基本本研研究究内内容容,它们指导材料的合成与制备它们指导材料的合成与制备,决定材料的性能和使用效能决定材料的性能和使用效能.1/30/2023
6、7性能性能 性性能能指指材材料料固固有有的的物物理理、化化学学特特性性,也也是是确确定定材材料料用用途途的的依依据据.广广义义地地说说,性性能能是是材材料料在在一一定定的的条条件件下下对对外外部部作作用用的的反反应应的的定定量量表表述述.例例如如,对对外外力力作作用用的的反反应应为为力力学学性性能能,对对外外电电场场作作用用的的反反应应为为电电学学性性能能,对对光光波波作作用用的的反反应应为为光光学性能等等学性能等等.1/30/20238使用效能使用效能 使使用用效效能能是是材材料料以以持持定定产产品品形形式式在在使使用用条条件件下下所所表表现现的的效效能能.它它是是材材料料的的固固有有性性能
7、能、产产品品设设计计、工工程程持持性性、使使用用环环境境和和效效益益的的综综合合表表现现,通通常常以以寿寿命命、效效率率、可可靠靠性性、效效益益及及成成本本等等指指标标衡衡量量.因因此此,与与工工程程设设计计及及生生产产制制造造过过程程密密切切相相关关,不不仅仅有有宏宏观观的的工工程程问问题题,还还包包括括复复杂杂的的材材料料科科学学问问题题.例例如如,材材料料部部件件的的损损毁毁过过程程和和可可靠靠性性往往往往涉涉及及在在特特定定的的温温度度、气气氛氛、应应力力和和疲疲劳劳环环境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理.材材料料的的使使用用效效能能是是材
8、材料料科科学学与与工工程程所所追追求求的的最最终终目目标标、而而且在很大程度上代表这一学科的发展水平且在很大程度上代表这一学科的发展水平.1/30/20239 材料科学与工程是多学科交叉材料科学与工程是多学科交叉1/30/202310材料的选择材料的选择(materials selection)三个重要标准三个重要标准n性质机械性能机械性能+物理性能物理性能n失效性环境因素环境因素:氧化氧化&腐蚀腐蚀n经济性价格价格&可用性可用性1/30/202311材料的性质材料的性质(propertiesofmaterials)n机械性质机械性质(应力应力应变应变)强度强度延展性延展性断裂韧性断裂韧性抗冲
9、击强度抗冲击强度蠕变性蠕变性疲劳性疲劳性磨损磨损n物理性质物理性质热性能热性能磁性能磁性能光学性能光学性能失效性能失效性能1/30/202312材料的分类材料的分类(classificationofmaterials)n基本分类基本分类(按照组成)金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料n其他其他 (按照用途按照用途)结构材料结构材料功能材料功能材料光光电、磁电、磁热热生物材料生物材料1/30/2023132.金属材料（金属材料（metals&alloys)n金金属属材材料料是是以以金金属属元元素素为为基基础础的的材材料料.金金属属单单质质一一般
10、般有有良良好好的的塑塑性性,但但其其机机械械性性能能往往往往很很难难满满足足工工程程技技术术等等多多方面的需要方面的需要,因此因此,金属材料更多以合金的形式使用金属材料更多以合金的形式使用.n由于价电子的高度离域性由于价电子的高度离域性,决定了它们具有良好的导电、决定了它们具有良好的导电、导热性能和易氧化腐蚀的性能导热性能和易氧化腐蚀的性能.n高密度高密度n可塑性形变可塑性形变,加工成各种复杂形状加工成各种复杂形状.n高延展性高延展性,决定了具有高冲击和断裂韧性决定了具有高冲击和断裂韧性.1/30/202314 合金的基本结构类型合金的基本结构类型(alloys)P291297n合合金金是是由
11、由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素(或或金金属属与与非非金金属属元元素素)组组成成,具具有有金金属属特特征征和和更更优优异异性性能能与与使使用用效效能能的的材料材料.包括三种结构类型包括三种结构类型.n相互溶解而形成金属相互溶解而形成金属固熔体固熔体强度提高强度提高,延展性和导电延展性和导电导热性能下降导热性能下降.n相互起化学作用而相互起化学作用而形成化合物形成化合物性能随化合物组成、性能随化合物组成、结构与性能而变化结构与性能而变化n无化学相互作用的无化学相互作用的机械混合物机械混合物性能平均、熔点下降性能平均、熔点下降.1/30/202315轻质合金轻质合金(alloys
12、)n轻质合金是由轻金属轻质合金是由轻金属(Al,Mg,Ti,Li等等)形成的合金材料形成的合金材料.n铝铝合合金金:金金属属铝铝的的密密度度仅仅2.7g/cm3,导导电电导导热热,但但强强度度、硬硬度度和和耐耐磨磨性性能能差差,若若与与Mg、Cu、Zn、Mn、Si等等形形成成合合金金,机机械械性性能能会大幅度改善会大幅度改善.经经热热处处理理提提高高强强度度的的变变形形铝铝合合金金为为硬硬铝铝合合金金,其其制制品品的的强强度度和和钢钢相相近近,而而质质量量仅仅为为钢钢的的14左左右右,但但耐耐腐腐蚀蚀性性较较差差.如如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等等.用用压压力力加加工工法法提提高
13、高强强度度的的变变形形铝铝合合金金称称为为防防锈锈铝铝合合金金,可可耐耐海海水水腐蚀腐蚀,可用于造船工业等可用于造船工业等.如如Al-Mn,Al-Mg等等高高强强高高模模铝铝锂锂合合金金:锂锂是是最最轻轻金金属属,其其密密度度为为0.534g/cm3，是是铝铝的的1/5,钢钢的的1/15.飞飞机机上上改改用用铝铝锂锂合合金金后后,重重量量可可减减轻轻816.如如 B737可减重可减重 2178kg,B747SP可减重可减重4200kg.1/30/202316轻质合金轻质合金(lightalloys)n钛钛合合金金 钛钛与与Al,V,Cr,Mo,Mn和和Fe可可形形成成置置换换固固熔熔体体或或金
14、金属属间间化化合合物物而而使使其其强强度度提提高高.具具有有强强度度高高,密密度度小小,抗抗磁磁性性,耐耐高高温温,抗抗腐腐蚀蚀等等优优点点,是是宇宇航航工工业业的的重重要要结构材料结构材料.可助人可助人上天入海上天入海.1/30/202317形状记忆合金形状记忆合金(shapememoryalloy)n所所谓谓形形状状记记忆忆效效应应是是指指合合金金材材料料在在一一定定条条件件下下,变变形形后后仍仍能能恢恢复复到到变变形形前前原原始始形形状状的的能能力力.这这类类合合金金存存在在着着一一对对可可逆逆转转变变的的晶晶体体结结构构,在在某某一一转转变变温温度度发发生生相相转转变变.1951年年美
15、美国国人人在在一一次次试试验验中中首首先先发发现现Au-Cd合合金金有有记记忆忆形形状状的的特特性性.现现已已发发现现有有多多种种合合金金系系统统都都存存在在形形状状记记忆效应忆效应,In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb合金等合金等.n形形状状记记忆忆合合金金具具有有传传感感和和驱驱动动双双重重功功能能,是是一一种种智智能能材材料料,可广泛应用于宇航可广泛应用于宇航,自控自控,医疗和生活等领域医疗和生活等领域.1/30/202318贮氢合金贮氢合金(hydrogenstoragealloy)v 某某些些过过渡渡金金属属、合合金金和和金金属属间间化化合合物物,由由于于其其特
16、特殊殊的的晶晶体体结结构构,使使氢氢原原子子容容易易进进入入其其晶晶格格的的间间隙隙中中并并形形成成金金属属氢氢化化物物,氢氢与与这这些些金金属属的的结结合合力力很很弱弱,但但贮贮氢氢量量很很大大,可可以以贮贮存存比比其其本本身身体体积积大大1000 1300倍倍的的氢氢,加热时氢又能从金属中释放出来加热时氢又能从金属中释放出来.v 1968年年美美国国布布鲁鲁海海文文国国家家实实验验室室首首先先发发现现镁镁-镍镍合合金金具具有有吸吸氢氢特特性性,1969年年荷荷兰兰菲菲利利普普实实验验室室发发现现钐钐钴钴（SmCo5）合合金金,随随后后又又发发现现镧镧-镍镍（LaNi5）合合金金在在常常温温
17、下下具具有有良良好好的的可可逆逆吸吸放放氢氢性性能能,从从此此引引起起了了人人们们极极大大的的关关注注.已已经经成成功功开开发发了了镁镁系系,稀稀土土系系,钛钛系系,锗锗系系贮贮氢氢合合金金,正正向向多多元化发展元化发展.v 贮贮氢氢合合金金贮贮运运氢氢气气,既既轻轻便便又又安安全全,作作为为一一种种新新型型贮贮能能材材料料具具有有极极为为广泛的应用前景广泛的应用前景.1/30/202319耐热合金耐热合金(heatresistantalloy)一一般般金金属属材材料料的的长长期期使使用用温温度度500600,能能在在高高于于700 条条件件下下工工作作的的金金属属合合金金称称为为耐耐热热合合
18、金金.“耐耐热热”是是指指材材料在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性料在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性.耐热合金耐热合金通常是由第通常是由第BB和和族高熔点金属形成的合金族高熔点金属形成的合金.广泛应用于制造涡轮发电机广泛应用于制造涡轮发电机,各种燃气轮机热端部件等各种燃气轮机热端部件等.包括铁基包括铁基,镍基镍基,钴基钴基,铌基和钨基等合金铌基和钨基等合金.提高钢铁耐热性的途径提高钢铁耐热性的途径:设设法法提提高高金金属属键键的的强强度度.金金属属键键的的强强度度与与原原子子中中成成单单电电子子数有关数有关,所以与所以与Cr,Mo,W等形成合金等形成合金可提高耐热性可提高耐热性.加入
19、可形成加入可形成耐高温化合物如碳化物耐高温化合物如碳化物的金属的金属,形成合金形成合金.1/30/202320低熔点合金低熔点合金(lowmeltingalloy)低熔点合金低熔点合金是指由低熔点金属是指由低熔点金属Hg,Sn,Pb和和Bi形成的合金形成的合金.Wood合合金金:组组成成为为:质质量量分分数数50%Bi-25%Pb-13%Sn-12%Cd,熔熔点点仅仅71,应应用用于于自自动动灭灭火火设设备备,锅锅炉炉安安全全装置以及信号仪表等装置以及信号仪表等.焊锡焊锡:组成为质量分数组成为质量分数37%Pb-63%Sn,熔点熔点183.液液体体合合金金:组组成成质质量量分分数数77.2%K
20、-22.8%Na,熔熔点点 -12.3,应用于原子能反应堆的冷却剂应用于原子能反应堆的冷却剂.1/30/202321耐腐蚀合金耐腐蚀合金(corrosion-resistantalloy)耐腐蚀金属耐腐蚀金属:通常具备下述条件之一通常具备下述条件之一热力学稳定性高热力学稳定性高:一般是贵金属一般是贵金属Pt,Pd,Au,Ag,Cu等等.易于钝化的金属易于钝化的金属:Al,Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等等.表表面面能能生生成成难难溶溶的的和和保保护护性性良良好好的的腐腐蚀蚀产产物物膜膜的的金金属属.通过特定腐蚀介质来实现通过特定腐蚀介质来实现.耐腐蚀合金耐腐蚀合金:抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料
21、更高抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料更高.与热稳定性高的贵金属形成合金与热稳定性高的贵金属形成合金.与易钝化金属形成合金与易钝化金属形成合金.在合金表面形成致密保护膜在合金表面形成致密保护膜.1/30/202322磁性材料磁性材料(magneticmaterials)v 磁磁性性体体是是由由电电磁磁作作用用而而产产生生磁磁化化的的物物质质.凡凡是是能能磁磁化化到到较较大大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为磁性材料磁性材料.v 磁性材料主要有两大类磁性材料主要有两大类 矫矫顽顽力力极极大大,并并且且以以剩剩余余磁磁通通密密度度很很高高为为特特征
22、征,称称为为硬硬磁磁材料或永磁材料材料或永磁材料,在发电机、电气仪表等方面大量应用；在发电机、电气仪表等方面大量应用；矫矫顽顽力力小小,外外部部磁磁场场的的微微小小变变化化即即可可引引起起磁磁化化的的很很大大变变化化,为为磁磁损损失失小小的的高高导导磁磁率率材材料料,称称为为软软磁磁材材料料,主主要要用用于于电电动动机机及及变变压压器器的的磁磁芯芯以以及及各各种种磁磁头头材材料料、磁磁性性密密封封材材料料和和微微波波材材料料等等.此此外外还还有有利利用用磁磁滞滞曲曲线线非非线线性性部部分分的的磁磁记记录录材材料料和和磁存储材料以及磁致伸缩材料和磁光材料等磁存储材料以及磁致伸缩材料和磁光材料等.
23、1/30/202323永磁合金永磁合金(permanentmagnetalloy)v 矫矫顽顽力力极极大大,并并且且以以剩剩余余磁磁通通密密度度很很高高为为特特征征,称称为为硬硬磁磁材材料或永磁材料料或永磁材料.v 最早的永磁合金是具有铁磁性的最早的永磁合金是具有铁磁性的Fe,Co,Ni的合金的合金.v 稀土永磁合金稀土永磁合金 SmCo5 Sm2Co17 Nd-Fe-B Sm2Fe17N2 Pr-Fe-B-Cu 1/30/202324巨磁阻效应巨磁阻效应(giganticreluctanceeffect)v 在在一一定定磁磁场场下下材材料料电电阻阻改改变变的的现现象象称称磁磁电电阻阻.巨巨磁
24、磁阻阻是是指指在在一一定磁场下电阻急剧减小的现象定磁场下电阻急剧减小的现象.比一般磁性合金强比一般磁性合金强10多倍多倍.v 1988年年巴巴黎黎大大学学肯肯特特教教授授首首次次在在Fe/Cr多多层层膜膜中中发发现现巨巨磁磁阻阻效效应应.随随后后在在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和和Co/Au等等纳纳米米结结构的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应构的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应.v 巨巨磁磁阻阻效效应应在在高高密密度度读读出出磁磁头头,磁磁存存储储元元件件等等高高技技术术领领域域有有广广泛用途泛用途.v 1994年年IBM公公司司研研制制成成功功巨巨磁磁阻阻效效应应的
25、的读读出出磁磁头头,磁磁记记录录密密度度提高提高17倍倍,达达5Gbit/in2,现衣超过现衣超过11 Gbit/in2.v 巨巨磁磁阻阻效效应应还还可可用用于于制制备备无无电电源源随随机机存存储储器器,微微弱弱磁磁场场探探测测器器.1/30/202325非晶态金属非晶态金属(amorphous metal)v 将将某某些些金金属属熔熔体体,以以极极快快的的速速度度急急剧剧冷冷却却,如如106K/s,无无序序的的原原子子被被迅迅速速“冻冻结结”而而形形成成无无定定型型的的固固体体,称称非非晶晶态态金金属属,亦亦称称金金属属玻璃玻璃.v 能形成非晶态的合金有两类能形成非晶态的合金有两类:金属之间
26、的合金金属之间的合金:如如Cu60Zr40,La76Au24,U70Cr30等等.金金属属与与非非金金属属形形成成的的合合金金:如如Fe80B20,Fe40Ni40P14O6和和 Fe5Co70Si15B10等等.v 制制备备非非晶晶态态合合金金的的技技术术:气气相相沉沉积积法法,激激光光表表层层熔熔化化法法,离离子子注注入法入法,化学沉积法和电沉积法等化学沉积法和电沉积法等.v 性性能能特特点点:强强度度韧韧性性兼兼具具;耐耐蚀蚀性性优优异异;低低损损耗耗,高高磁磁导导;一一定定的催化性能和贮氢能力的催化性能和贮氢能力.1/30/2023263.无机非金属材料 (inorganic nonm
27、etal materials)除金属以外的无机材料统称除金属以外的无机材料统称无机非金属材料无机非金属材料.传传统统的的无无机机非非金金属属材材料料主主要要有有陶陶瓷瓷、玻玻璃璃、水水泥泥和和耐耐火火材材料料四四种种,化化学学组组成成均均为为硅硅酸酸盐盐类类,因因此此无无机机非非金金属属材材料料亦亦称称硅硅酸酸盐盐材材料料;又又因因其其中中陶陶瓷瓷材材料料历历史史最最悠悠久久,应用甚为广泛应用甚为广泛,故国际上常称之为故国际上常称之为陶瓷材料陶瓷材料.先先进进无无机机非非金金属属材材料料,亦亦称称无无机机新新材材料料.包包括括结结构构陶陶瓷瓷,复复合合材材料料,功功能能陶陶瓷瓷,半半导导体体,
28、新新型型玻玻璃璃,非非晶晶态态材料和人工晶体等材料和人工晶体等.1/30/202327无机非金属材料的特点晶体结构:结结合合力力主主要要为为离离子子健健、共共价价键键或或离离子子-共共价价混混合合键键.赋赋于于这这类类材材料料以以高高熔熔点点、高高强强度度、耐耐磨磨损损、高高硬硬度度、耐耐腐腐蚀蚀和和抗抗氧氧化化的的基基本本属属性性,以以及及新新近近发发现现的的宽宽广广的的导导电电、导导热热性性和和透透光光性性以以及及良良好好的铁电性、铁磁性和压电性的铁电性、铁磁性和压电性,高温超导性等高温超导性等.化学组成:无无机机非非金金属属材材料料已已不不局局限限于于硅硅酸酸盐盐,还还包包括括其其他他含
29、含氧氧酸酸盐盐、氧氧化化物物、氯氯化化物物、碳碳与与碳碳化化物物、硼硼化化物物、氟氟化化物物、硫硫系系化化合合物物、硅硅、锗锗、IIIV族族及及IIVI族族化化合合物物等等.其其形形态态初初形形状状也也趋趋于于多多样样化化,复合材料、薄膜、纤维、单晶和非晶材料占有越来越重要的地应复合材料、薄膜、纤维、单晶和非晶材料占有越来越重要的地应.制备:高高纯纯度度、高高细细度度的的原原料料,并并精精确确控控制制化化学学组组成成、添添加加物物的的数数量和分布、晶体结构和材料微观结构等量和分布、晶体结构和材料微观结构等.1/30/202328传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料n天天然然硅硅酸酸盐盐:其
30、基本结构单元为硅氧四面体(SiO4)4-,即硅位于四面体的中心,四个氧原子位于四面体的四个顶点.(SiO4)4-四面体相互结合,或与金属离子形成:具有单个阴离子,链状和层状阴离子以及骨架状结构等四大类硅酸盐.1/30/202329硅氧骨架结构硅氧骨架结构岛状岛状三方环三方环四方环四方环六方环六方环1/30/202330硅氧骨架结构硅氧骨架结构单链单链双链双链1/30/202331硅氧骨架结构硅氧骨架结构长石架状长石架状石英架状石英架状层状层状1/30/202332层状硅酸盐矿物层状硅酸盐矿物滑石滑石高岭土高岭土白云母白云母蛇纹石蛇纹石1/30/202333架状硅酸盐矿物架状硅酸盐矿物长石长石沸
31、石沸石1/30/202334链状、环状硅酸盐矿物链状、环状硅酸盐矿物碌帘石碌帘石电气石电气石辉石辉石硅灰石硅灰石硅线石硅线石1/30/202335水泥水泥(cement)v水泥:是一种水硬性胶凝材料,加入适量水后称为塑性浆体,可将砂、石纤维等材料黏结起来,硬化后形成一个整体.v 硅酸盐水泥:以粘土和石灰石(有时加入少量氧化铁粉)为原料,经煅烧成熟料,磨细后混入适量石膏而成.v 组成为质量分数组成为质量分数:6267%CaO+2024%SiO2+47%Al2O3+25%Fe2O3.v 水泥标号水泥标号:标准试样在标准条件下标准试样在标准条件下,28天后的强度天后的强度kg/cm2.v 特特种种水
32、水泥泥:矾矾土土水水泥泥,快快凝凝快快硬硬“双双快快水水泥泥”,防防裂裂防防渗渗的的“低低温温水水泥泥”,能能耐耐1250的的“耐耐火火水水泥泥”,用用于于化化工工生生产产和特殊场合的和特殊场合的“耐酸水泥耐酸水泥”.1/30/202336玻璃（玻璃（glass)n广广义义上上说说,凡凡熔熔体体通通过过一一定定方方式式冷冷却却，因因粘粘度度逐逐渐渐增增大大而而具具有有固固体体性性质质和和结结构特征的非晶态物质都称为构特征的非晶态物质都称为玻璃玻璃.n 普通硅酸盐玻璃:主要成分是SiO2,Na2O和CaO等,硬而脆.n 硅酸盐玻璃中的Na2O被B2O3取代,可得到硬而耐热的硅硼酸盐玻璃,最高耐温
33、可达1600,称为称为耐热玻璃耐热玻璃.n 硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃中中加加入入Li2O等等成成核核剂剂,紫紫外外线线照照射射或或特特殊殊热热处处理理,在在体体系系中中形形成成SiO2和和Li2O微微晶晶,得得到到微微晶晶玻玻璃璃.强强度度提提高高6倍倍,比比高高碳碳钢钢硬硬,比比铝铝轻轻,900 入冷水而不碎入冷水而不碎.n 石英玻璃石英玻璃:热膨胀系数极小热膨胀系数极小,11001200 可长期使用可长期使用.n 钢化玻璃钢化玻璃:高强而安全高强而安全,碎块不尖碎块不尖,不伤人不伤人.n 新玻璃品种新玻璃品种:半导体玻璃半导体玻璃,激光玻璃激光玻璃,电光玻璃电光玻璃,透红外线玻璃等透红外线玻璃
34、等.1/30/202337陶瓷陶瓷(ceramics)陶瓷:指以粘土为原料,调制成型,经高温烧结而制得的硬而脆,耐水的人工硅酸盐材料.以粘土为原料,调制成型,低于1000烧烧结结得得到到的的多多孔孔烧烧结结体体,称称陶;以更纯粘土与几乎等量的石英和长石,调制成型后,1200煅煅烧烧,在在经经涂涂釉釉,升升至至1400煅煅烧烧,得得到到带带有有细细釉釉的的“瓷瓷器器”.传传统统的的陶陶瓷瓷材材料料是是复复杂杂的的多多晶晶体体,是是晶晶粒粒、晶晶界界、气气孔孔和和玻玻璃璃包包裹裹物物的的集集合合体体.细细化化晶晶粒粒,提提高高致致密密程程度度,减减小小气气孔孔率率,增增加加附加能量消耗材料相附加能
35、量消耗材料相,可提高陶瓷的强度和韧性可提高陶瓷的强度和韧性.1/30/202338精细陶瓷精细陶瓷(advanced ceramics)结结构构陶陶瓷瓷:指具有高硬、高强、耐磨耐蚀、耐高温和润滑性好等性能,用做机械结构零部件的陶瓷材料.氧氧化化铝铝:高高纯纯超超细细氧氧化化铝铝经经高高温温烧烧结结而而得得.使使用用温温度度高高达达1980,用用途途极极广广.高高纯纯氧氧化化铝铝加加入入少少量量Y2O3和和MgO等等,特特殊殊烧烧结结,可可得得透透明明陶陶瓷瓷.少少量量Cr2O3与与Al2O3形成固溶体形成固溶体,称称红宝石红宝石,是激光材料是激光材料.氧氧化化锆锆:离离子子键键结结合合,性性脆
36、脆.加加入入少少量量Y2O3和和CaO等等可可实实现现增增韧韧,得得到到“陶瓷纲陶瓷纲”.氮氮化化硅硅:硬硬度度为为9.低低膨膨胀胀,高高热热导导,可可适适应应温温度度的的急急剧剧变变化化.Si3N4可可与与Al2O3形成固溶体形成固溶体,制得新材料制得新材料“塞龙塞龙(sialon)”.碳碳化化硅硅:SiC,俗俗称称“金金刚刚砂砂”,原原子子晶晶体体.高高温温强强度度极极高高,掺掺杂杂可可制制得得半导体材料半导体材料,制作发热元件制作发热元件.已用于制造无冷却式陶瓷发动机已用于制造无冷却式陶瓷发动机.1/30/202339精细陶瓷精细陶瓷(advanced ceramics)功功能能陶陶瓷瓷
37、:指以其固有的特性或通过各种物理因素作用而显示某种新性能的陶瓷材料.压压电电陶陶瓷瓷:具具有有压压电电效效应应的的陶陶瓷瓷材材料料.主主要要有有:钛钛酸酸钡钡系系、钛钛酸酸铅铅系系和和锆锆钛钛酸酸铅铅系系.用用于于制制造造各各种种换换能能器器和和传传感感器器.晶晶体体受受外外力力作作用用而而形形变变,同同时时在在对对应应两两个个面面上上产产生生电电荷荷,晶晶体体带带电电的的大大小小与与外外力力成成正正比比;相相反反,在在外外加加电电场场作用下作用下,在晶体相应面上会产生形变在晶体相应面上会产生形变,该现象称该现象称“压电效应压电效应”.光导纤维光导纤维:光通信的关键光通信的关键.SiO2和和L
38、aF3已实用化已实用化.固体电解质固体电解质:AgI离子晶体离子晶体,Y2O3和和CaO稳定的稳定的ZrO2,Na-b-b-Al2O3等等.传感材料传感材料1/30/202340半导体材料半导体材料(semiconducting material)半半导导体体材材料料:室室温温电电阻阻率率为为10-41010 cm,依依靠靠电电子子和和孔孔穴穴这这两两类类载载流子的迁移实现导电的材料流子的迁移实现导电的材料.半导体材料类型半导体材料类型:元元素素半半导导体体：包包括括Si,Ge,Sn,P,As,Se等等,但但实实用用的的纯纯单单质质只只有有Si和和Ge.均均使使用用其其高高纯纯单单质质,如如大
39、大规规模模集集成成电电路路使使用用的的硅硅纯纯度度超超过过99.9999999,现现已已能能制制得得14个个9的单晶硅的单晶硅.掺掺杂杂半半导导体体:适适当当掺掺杂杂大大幅幅度度提提高高电电导导率率,通通过过调调整整杂杂质质含含量量控控制制电电导导率率,包括包括p-型如型如Si(B,Al),Ge(Ga)和和n-型半导体如型半导体如Si(P,As),Ge(As).化化合合物物半半导导体体:AxB8-x(x=1,2,3),即即I-VII,II-VI,III-V族族元元素素的的组组合合,具具有有金金刚刚石石型型或或ZnS型型晶晶体体结结构构,以以共共价价键键为为主主.实实用用化化最最多多的的是是II
40、I-V型型,性性能能最最好好的是的是GaAs,亮灰亮灰,硬而脆硬而脆,掺掺Te,得得n-型型,掺掺Zn或或Cd得得p-型型.缺陷半导体缺陷半导体:氧化物和硫化物氧化物和硫化物,结构中存在阴离子或阳离子空位结构中存在阴离子或阳离子空位.1/30/202341超导材料超导材料(superconducting materials)超超导导电电性性:某些材料随温度降低,电阻率下降,在某一特定温度附近,电阻突然消失的现象.具有超导电性的材料称超导材料.荷兰物理学家荷兰物理学家H.K.Onnes:1911年年首次发现首次发现Hg在在4.15K时时出现出现0电阻电阻.1973年得到年得到Tc为为23.2K的
41、的Nb3Ge超导体超导体.20世纪世纪80年代中期年代中期,世界超导研究出现高潮世界超导研究出现高潮,取得巨大突破取得巨大突破:1986年瑞士贝德诺兹和缪勒发现了年瑞士贝德诺兹和缪勒发现了Tc=35K的的La-Ba-Cu-O混合氧化物混合氧化物.1987年年美美籍籍华华人人朱朱经经武武发发现现了了Tc=90K的的超超导导氧氧化化物物.我我国国赵赵中中贤贤研研究究组组制制得得了了Tc=93K的的Y-Ba-Cu-O混混合合氧氧化化物物,并并测测定定了了晶晶体体结结构构.超超导导温温度度已已高高于于液液氮氮沸沸点点77K,进入实用化阶段进入实用化阶段.科大研究组已制得了科大研究组已制得了Tc=132
42、K的的Bi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超导体超导体.以以C60为基础的有机超导体研究也取得了突破性进展为基础的有机超导体研究也取得了突破性进展.超导材料在能源输送超导材料在能源输送,磁悬浮列车磁悬浮列车,医疗卫生等领域有广阔应用前景医疗卫生等领域有广阔应用前景.1/30/2023424.4.高分子材料高分子材料高分子材料学科的的基基本本任任务务是是：研研究究高高分分子子材材料料的的合合成成、结结构构和和组组成成与与材材料料的的性性质质、性性能能之之间间的的相相互互关关系系;探探索索加加工工工工艺艺和和各各种种环环境境因因素素对对高高分分子子材材料料性性能能的的影影响响;为为改改进进工工艺
43、艺,提提高高高高分分子子材材料料的的质质量量,合合理理使使用用高高分分子子材材料料,开开发发新新材材料料、新新工工艺艺和和新新的的应应用用领领域域提提供供理理论论依依据据和和基基础础数数据据.高高分分子子材材料料学学科科是是一一门门年年轻轻而而新新兴兴的的学学科科,它它的的发发展展要要求求科科学学和和工工程程技技术术最最为为密密切切的的配配合合,它它的的进进步需要步需要跨部门、多学科的最佳协调和共同参与跨部门、多学科的最佳协调和共同参与.1/30/202343术语（Nomenclatures）Macromolecule(大大分分子子):由由大大量量原原子子组组成成,具具有有高高的的相对分子质量
44、或分子重量相对分子质量或分子重量.Polymer molecule(聚聚合合物物分分子子,简简称称高高分分子子):由由许许多多(poly)部部分分(mer,单单体体单单元元或或链链节节)组组成成的的多多重重重重复复的的分子分子.一个高分子总是一个大分子一个高分子总是一个大分子,但一个大分子不一定是高分子但一个大分子不一定是高分子.Polymer(聚聚合合物物):是是由由许许多多聚聚合合物物分分子子组组成成的的一一种种物物质质,它是一种聚合的物质它是一种聚合的物质.1/30/2023441/30/202345 高分子材料结构与性能的关系结构决定性能，性能反映结构结构决定性能，性能反映结构.根根据
45、据需需要要选选择择性性能能，根根据据性性能能设设计计结结构构，进进而合成高分子材料，改性高分子材料而合成高分子材料，改性高分子材料.高高分分子子结结构构与与性性能能的的关关系系及及其其变变化化规规律律,是是高高分分子子分分子子设设计计的的基基础础,同同时时也也是是确确定定高高分分子加工成型工艺的依据子加工成型工艺的依据.1/30/202346聚合物结构的主要特点 链式结构链式结构链的柔性链的柔性多分散性多分散性 凝聚态结构的复杂性凝聚态结构的复杂性 高高分分子子链链依依靠靠分分子子内内和和分分子子间间的的范范德德华华力力相相互互作作用用培砌在一起，可呈现为培砌在一起，可呈现为晶态和非晶态晶态和
46、非晶态交联网状结构交联网状结构1/30/202347线形非晶态聚合物的物理形态线形非晶态聚合物的物理形态 线形非晶态聚合物无无一一定定的的熔熔点点,随温度的变化,呈现三种物理形态三种物理形态:当TTf时,聚合物呈粘粘流流态态(能能流流动动的的粘粘稠稠液液体体),如如常常温温下下的的胶胶粘剂或涂料粘剂或涂料;当TTg时,聚合物呈玻玻璃璃态态(玻玻璃璃状状坚坚硬硬固固体体),如常温下的塑料塑料;当TgTTf时,聚合物呈高高弹弹态态(受力形变,除力回复的高弹体),如常温下的橡胶橡胶.1/30/202348聚合物分子内与分子间相互作用力聚合物分子内与分子间相互作用力 物质的结构物质的结构是指物质的组成
47、单元是指物质的组成单元(原于或分子原于或分子)之间在相互吸引和排斥作用之间在相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间诽布因此为了认识高聚物的结构，首先应了解存在于高聚达到平衡时的空间诽布因此为了认识高聚物的结构，首先应了解存在于高聚物分子内和分子间的相互作用物分子内和分子间的相互作用 化学键化学键 构构成成分分子子的的原原子子间间的的作作用用力力有有吸吸引引力力和和斥斥力力，吸吸引引力力是是原原子子形形成成分分于于的的结结合合力力，叫叫作作主主价价力力，或或称称键键合合力力斥斥力力是是各各原原子子的的电电子子之之间间的的相相互互排排斥斥力力当当吸吸引引力力和斥力达到平衡时，便形成稳定的化学键和斥力达
48、到平衡时，便形成稳定的化学键共价键共价键:离子键离子键:(CH2CH)n COO-H+(CH2CH)n NH+OH-聚丙烯酸聚丙烯酸聚丙烯胺聚丙烯胺1/30/202349 离离子子型型聚聚合合物物(ionomer)中中也也有有离离子子键键存存在在，例例如如以以乙乙烯烯和和10%左左右的丙烯酸的共聚物为主链，以金属离子右的丙烯酸的共聚物为主链，以金属离子Mg2+为交联剂的高聚物：为交联剂的高聚物：常温下成键常温下成键,高温下解离高温下解离.高温加工高温加工,冷却交联冷却交联.结结晶晶度度低低,透透明明性性好好,冲冲击击和和拉拉伸伸强强度度高高.金金属属键键 是是由由金金属属原原子子的的价价电电子
49、子和和金金属属离离子子晶晶格格之之间间的的相相互互作作用用而而形形成成的的，无无方方向向性性和和饱饱和和性性，赋赋予予高高导导电电性性在在所所谓谓的的“金金属属螯螯合合高高聚聚”(metallocene po1ymer)中中可可以以说说存存在在金金属属键键1/30/202350 范德华力范德华力 作用能作用能:28kJ/mol是是存存在在于于分分子子间间或或分分子子内内非非键键合合原原于于间间的的相相互互作作用用力力两两分分子子间间的的范德华力范德华力F(r)及相互作用能及相互作用能E(r)是分子之间距离是分子之间距离r的函数如图所示的函数如图所示.当当r=r0时时,F(r)=0静电力静电力:
50、极性分子之间极性分子之间,温度温度T成反比成反比,与距离的与距离的7次方成反比次方成反比;诱导力诱导力:极性分子与非极性分子之间极性分子与非极性分子之间,与温度有关与温度有关,与距离的与距离的7次方成反比次方成反比;色散力色散力:非极性分子之间非极性分子之间,与温度无关与温度无关,与距离的与距离的7次方成反比次方成反比;r1/30/202351 氢氢 键键 氢氢键键是是与与电电负负性性较较强强的的原原子子相相结结合合的的氢氢原原子子(如如XH)同同时时与与另另一一个个电电负负性性较较强强的的原原子子(如如Y)之之间间的的相相互互作作用用，即即(XHY)这这些些电电负负性性铰铰强强的的原原子子一