材料科学基础简介.课件.ppt

1、第一章第一章 材料科学基础简述材料科学基础简述第一节第一节 材料历史材料历史产生、发展与应用产生、发展与应用第二节第二节 材料的类别材料的类别第三节第三节 高分子材料的发展历程及新动向高分子材料的发展历程及新动向2 美英材料学家美英材料学家把当今广泛使用把当今广泛使用的材料分为十类的材料分为十类，以金属、高分，以金属、高分子与陶瓷作为材子与陶瓷作为材料基础提供各类料基础提供各类使用要求的材料使用要求的材料领域。领域。材料间有密切联材料间有密切联系，有许多基础系，有许多基础共性。共性。3455气化转化甲醇煤炭 CO、CO2、H2甲醛醋酸MTBE二甲醚甲烷 氯 化物MTOMTP聚甲醛、多聚甲醛、酚

2、醛树脂、脲醛树脂、氨基树脂、季戊四醇、新戊二醇、三羟甲基丙烷、乌洛托品、MDI等。醋酸酯、醋酸乙烯、聚乙烯醇、氯乙酸、醋酸酐、醋酸纤维素、PTA等。油品添加剂，提高辛烷值聚乙烯、环氧乙烷/乙二醇、苯乙烯/聚苯乙烯、聚氯乙烯、醋酸乙烯、乙丙橡胶、EVA树脂等。聚丙烯、环氧丙烷/丙二醇、聚醚多元醇、苯酚丙酮、丁辛醇、丙烯酸及酯、乙丙橡胶、异丙醇、丙烯腈、丙烯酰胺等。气雾剂、民用燃料和车用燃料（代替柴油）。甲醇 燃料甲醇蛋白MMA/ DMT车辆代用燃料等。畜禽饲料蛋白等。有机玻璃、MBS、涂料、PET树脂等。焦炉气甲醇制氢生产加氢产品等。甲醇燃料电池。甲醇制芳烃（MTA）。MTG气雾剂、民用燃料和车

3、用燃料（代替柴油）。电子清洗剂、制冷剂、有机硅和有机氟等。6 基本定义基本定义：材料是指；用于制造其材料是指；用于制造其它物品、器件、构件、机器或产品的它物品、器件、构件、机器或产品的那些物质。那些物质。衣、食、住、行是人类生存的基本需衣、食、住、行是人类生存的基本需求，材料则提供了人类生存的物质基求，材料则提供了人类生存的物质基础，也是当今一切科学技术的基础。础，也是当今一切科学技术的基础。7 材料的使用是人类技术材料的使用是人类技术进步的标志进步的标志 人类的进步是从使用工具开始的，人类的进步是从使用工具开始的，而最早使用的工具是石器。石器的使而最早使用的工具是石器。石器的使用代表了人类智

4、慧的飞跃。用代表了人类智慧的飞跃。 石器石器- 新石器新石器-青铜青铜-铁器铁器-电子材料时代电子材料时代100万年万年BC 90003000 2500900AC19602000代表了人类文明史的不同阶段代表了人类文明史的不同阶段. 8 8-98-9千年前，千年前，陶器出现，不陶器出现，不仅做器皿，而仅做器皿，而且做装饰品且做装饰品- -促进了精神促进了精神文明的巨大发文明的巨大发展。在烧制过展。在烧制过程中发现了铜、程中发现了铜、锡锡- -及其合金及其合金- -青铜。青铜。910111. 1. 金属材料（金属材料（metalsmetals） 1.1分类分类 (1)(1)黑色金属材料主要是指钢

5、铁材料。黑色金属材料主要是指钢铁材料。 钢（钢（SteelSteel） 按化学成分分碳素钢、合金钢等；按品按化学成分分碳素钢、合金钢等；按品质分普通、优质、高级优质钢等；按金相组织或组织结质分普通、优质、高级优质钢等；按金相组织或组织结构分珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分构分珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢等；按冶建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢等；按冶炼方法分平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢等。炼方法分平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢等。 铸铁（铸铁（Cast ironCast iron）按石墨形态及性能又分为灰铸铁、）按石墨形态及

6、性能又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁等。球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁等。第二节第二节 材料的类别材料的类别12(2)有色金属常分五大类：有色金属常分五大类：轻金属轻金属（4.58 g/cm3) ，如铜、镍、铅、锌等贵金属贵金属 如金、银、铂、铑等；类（半）金属类（半）金属，如硅、硒、绅、硼等；稀有金属稀有金属，如钛、锂、钨、钼、镭等。 131.2基本特性基本特性 a.a.金属键，常规法生产的为晶体结构；金属键，常规法生产的为晶体结构；b.b.常温下固体熔点较高；常温下固体熔点较高；c.c.金属光泽；金属光泽；d.d.纯金属范性大、展性、延性大；纯金属范性大

7、、展性、延性大；e.e.强度强度较高；较高；f.f.导热、导电性好；导热、导电性好；g.g.空气中易氧空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改善化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改善金属性能金属性能, ,提高抗氧化。提高抗氧化。14 金属键既无饱和金属键既无饱和性又无方向性，因性又无方向性，因而每个原子有可能而每个原子有可能同更多的原子相结同更多的原子相结合，并趋于形成低合，并趋于形成低能量的密堆结构。能量的密堆结构。当金属受力变形而当金属受力变形而改变原子之间的相改变原子之间的相互位置时，不至于互位置时，不至于使金属键破坏，这使金属键破坏，这就使金属具有良好就使金属具有良好延展性，并且，由

8、延展性，并且，由于自由电子的存在，于自由电子的存在，金属一般都具有良金属一般都具有良好的导电和导热性好的导电和导热性能。能。151.3用途用途 a.结构材料：如机床、建筑机械设备、工结构材料：如机床、建筑机械设备、工程交通工具；程交通工具；b.导体材料，电线芯（铜）导体材料，电线芯（铜）c.工具等。工具等。16金属材料的金属材料的主要应用领域主要应用领域战机舰船导弹火箭人造卫星战车高速列车汽车高层建筑172无机非金属材料（无机非金属材料（Inorganic nonmetals）2.12.1分类分类 按成分，化学结构和用途分四大类：混凝土按成分，化学结构和用途分四大类：混凝土（水泥）、玻璃（水泥

9、）、玻璃（GlassGlass）硅及耐火材料（）硅及耐火材料（SilaneSilane）陶瓷（器）（陶瓷（器）（CeramicsCeramics）。其中陶瓷又分为：传）。其中陶瓷又分为：传统陶瓷（天然硅酸盐矿统陶瓷（天然硅酸盐矿, ,粘土烧制而成粘土烧制而成,Silicate ,Silicate Ceramics)Ceramics)和特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮和特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。化物、硼化物、碳化物）。1819202.2 结构结构1 1、离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要、离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的

10、基本特点是以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。以离子而不是以原子为结合单元。 21 一般离子晶体中正负离子静电引力较强，一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。可以自由运动，即呈现离子导电性。2.2.共价键共价键 两个或多个电负

11、性相差不大的原子间通两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成形成“共用电子对共用电子对”，有确定的方位，且配，有确定的方位，且配位数较小。位数较小。 22图1.6 SiO2中硅和氧原子间的共价键示意图 共价键在亚金属共价键在亚金属（碳、硅、锡、（碳、硅、锡、锗等）、聚合物锗等）、聚合物和无机非金属材和无机非金属材料中均占有重要料中均占有重要地位。地位。 共价键共价键晶体中各个键之晶体中各个键之间都有确定的方间都有确定的方位，配位数比较位，配位数比

12、较小。共价键的结小。共价键的结合极为牢固，故合极为牢固，故共价晶体具有结共价晶体具有结构稳定、熔点高、构稳定、熔点高、质硬脆等特点。质硬脆等特点。共价形成的材料共价形成的材料一般是绝缘体，一般是绝缘体，其导电性能差。其导电性能差。232.2基本特性基本特性 以陶瓷为例（其它有较大差别）以陶瓷为例（其它有较大差别）a.a.离子键、离子键、共价键及其混合键；共价键及其混合键； b.b.硬而脆；硬而脆； c.c.熔点高、熔点高、耐高温抗氧化耐高温抗氧化d.d.导热、导电性差；导热、导电性差； e.e.耐化学耐化学腐蚀性性好；腐蚀性性好；f.f.耐磨；耐磨；g.g.成型方式为粉末制坏、成型方式为粉末制

13、坏、烧制成型。三、用途烧制成型。三、用途 建筑卫生陶瓷：瓷砖、建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸等。工程陶瓷浴缸等。工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）、绝缘瓷瓶；功能陶瓷：磁（耐酸、耐腐蚀）、绝缘瓷瓶；功能陶瓷：磁性、导电材料。性、导电材料。243高分子材料高分子材料：高分子材料实际上是由高分子材料实际上是由高分子化合物经过加工和加入添加物而高分子化合物经过加工和加入添加物而制成的。有机高分子化合物有天然与合制成的。有机高分子化合物有天然与合成之分。如蛋白质、淀粉及纤维是自然成之分。如蛋白质、淀粉及纤维是自然界中生长的。叫天然高分子化合物；而界中生长的。叫天然高分子化合物

14、；而塑料、合成纤维及合成橡胶则属于人工塑料、合成纤维及合成橡胶则属于人工合成的，所以也叫合成高分子材料。合成的，所以也叫合成高分子材料。 252627281.3.11.3.1高分子科学的诞生与发高分子科学的诞生与发展展高分子高分子科学科学是一门新兴的学科，是是一门新兴的学科，是在人们长期的生产实践和科学实验在人们长期的生产实践和科学实验的基础上逐渐发展起来的。的基础上逐渐发展起来的。高分子科学的发展大致经历了以下高分子科学的发展大致经历了以下几个时期：几个时期：293.1.1 3.1.1 蒙蒙 昧昧 期期1919世纪的中叶以前，木材、棉、麻、丝、世纪的中叶以前，木材、棉、麻、丝、毛、漆、橡胶、

15、皮革和各种树脂等天然高毛、漆、橡胶、皮革和各种树脂等天然高分子材料都已经在人们的生活和生产中得分子材料都已经在人们的生活和生产中得到了广泛的应用。有些加工方法改变了天到了广泛的应用。有些加工方法改变了天然高分子的化学组成，如橡胶的硫化然高分子的化学组成，如橡胶的硫化(1839)(1839)、皮革的揉制、棉麻的丝光处理，、皮革的揉制、棉麻的丝光处理，以及把天然纤维制成人造丝、赛璐珞以及把天然纤维制成人造丝、赛璐珞(1868)(1868)等。尽管这些技术取得了重要的结等。尽管这些技术取得了重要的结果和丰富的经验，然而，人们只知道使用、果和丰富的经验，然而，人们只知道使用、加工，不知道化学组成和结构

16、。加工，不知道化学组成和结构。303.1.23.1.2萌萌 芽芽 期期自自1919世纪的后期，人们开始研究天然世纪的后期，人们开始研究天然高分子的化学组成、结构和形态学。高分子的化学组成、结构和形态学。还有意无意地合成了一批化合物。它还有意无意地合成了一批化合物。它们通常是粘稠的液体或无定形粉末，们通常是粘稠的液体或无定形粉末，无法纯化和分析，被当作废物抛弃。无法纯化和分析，被当作废物抛弃。有些高分子化合物虽然得到应用，但有些高分子化合物虽然得到应用，但是人们只知道它是是人们只知道它是“材料材料”，并不知并不知道它是道它是“高分子高分子”。311869年31岁的印刷工人约翰海阿特发明赛璐珞19

17、09年贝克兰发明酚醛树脂3233 34CONH353.1.3. 争争 鸣鸣 期期19201920年，年，H.StaudingerH.Staudinger( (德德) )发表了他的划时代的发表了他的划时代的文献文献论聚合论聚合，提出了链结构模型。它们是由提出了链结构模型。它们是由共价键联结起来的大分子，但分子的长度不完全共价键联结起来的大分子，但分子的长度不完全相同，相同，所以不能用有机化学中所以不能用有机化学中“纯粹化合物纯粹化合物”的的概念来理解大分子。这些大分子是许多同系物的概念来理解大分子。这些大分子是许多同系物的混合物，混合物，它们彼此结构相似，性质差别很小，难它们彼此结构相似，性质差

18、别很小，难以分离，平均分子量以分离，平均分子量。“论聚合论聚合”中提出异戊二烯构成橡胶，葡萄糖构成淀粉，纤维素中提出异戊二烯构成橡胶，葡萄糖构成淀粉，纤维素。氨基酸构氨基酸构成蛋白质，都是以共价键彼此连接，提出高分子长链结构的概念成蛋白质，都是以共价键彼此连接，提出高分子长链结构的概念。36 3738并测定出并测定出大分子的分子量。大分子的分子量。高分子（Macromolecule，Polymer）概念形成 393.1.4. 发发 展展 期期当高分子理论促进了合成高分子工当高分子理论促进了合成高分子工业的发展后，出现了一大批商品化业的发展后，出现了一大批商品化的合成材料，这些合成高分子（合的合

19、成材料，这些合成高分子（合成材料）的出现，又为理论研究提成材料）的出现，又为理论研究提供了大量的实验依据和积累了丰富供了大量的实验依据和积累了丰富的数据，的数据，促进了高分子物理学的迅促进了高分子物理学的迅速发展。速发展。4041发展期代表性工作发展期代表性工作Carothers 缩合聚合缩合聚合 尼龙尼龙-66 Ziegler（德） 定向聚合定向聚合 HDPENatta （意） 改进催化剂改进催化剂 等规等规PPOstwald和Svedberg用扩散、沉降、粘度和浊度用扩散、沉降、粘度和浊度的测定，建立了高分子溶液定量研究的基础的测定，建立了高分子溶液定量研究的基础Scherrer用用X X

20、射线衍射研究聚合物材料的聚集态射线衍射研究聚合物材料的聚集态结构结构42 4344454647至今高分子科学诺贝尔奖获得者至今高分子科学诺贝尔奖获得者H. Staudinger （德国）（德国） : 把把“高分子高分子”这个概念引进这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系（关系（1953年诺贝尔奖）年诺贝尔奖） K.Ziegler （德国）（德国）, G.Natta （意大利）（意大利） : 乙烯、丙烯乙烯、丙烯配位聚合配位聚合 （1963年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）P. J. Flory (美国）美国）: 聚合聚合反应反应原理、高分子物理性质与原理、高分子物理性质与结构的关系（结构的关系（1974年诺贝尔奖）。年诺贝尔奖）。H. Shirakawa白川英树白川英树(日本日本), Alan G. MacDiarmid (美美国国), Alan J. Heeger (美国美国) ：对导电聚合物的发现和发对导电聚合物的发现和发展（展（2000年诺贝尔奖）。年诺贝尔奖）。de Gennes(法国法国)：软物质、普适性、标度、魔梯。：软物质、普适性、标度、魔梯。