材料制備課件（邵慶益）0第一章-材料制備工藝與設(shè)備-前言與緒論（shao）

材料制備工藝與設(shè)備qyshao1課程介紹

材料已成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的重要支柱，材料科學(xué)與基礎(chǔ)科學(xué)亦日益融合形成了新的邊沿科學(xué)——材料化學(xué)和材料物理。在該專業(yè)，開設(shè)《材料制備工藝與設(shè)備》這門課，旨在將同學(xué)們在大學(xué)初期的知識模塊融和在一起，是專業(yè)培養(yǎng)的很重要的一個環(huán)節(jié)，也是對大學(xué)所學(xué)知識的一次匯總應(yīng)用，是理論知識與實踐結(jié)合的一次訓(xùn)練，屬于綜合性質(zhì)很強的高級專業(yè)課。通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握幾種材料的制備技術(shù)，理解其制備原理，知道所用的主要儀器設(shè)備和基本實驗思路、知道不同制備方法的特點，擴大視野，最終學(xué)會自己設(shè)計實驗，合成材料。2學(xué)習(xí)方式

課程以課堂講授為主，配有實驗課程，同時可通過查閱文獻及課堂討論等形式，借以促進學(xué)生了解并學(xué)習(xí)材料物理和材料化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)材料合成的基本方法以及理論，同時掌握一些新的材料合成技術(shù)。3材料制備合成工藝技術(shù)課程重點及學(xué)習(xí)內(nèi)容

單晶制備非晶材料的制備

薄膜制備技術(shù)復(fù)合材料及其制備技術(shù)（高聚物基、金屬基、陶瓷基）結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷電子陶瓷通訊器件（壓電陶瓷變壓器、揚聲器)生產(chǎn)技術(shù)功能高分子制備技術(shù)

納米合成技術(shù)4參考資料

1、教材：曹茂盛等主編，材料合成與制備方法，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001年8月。

2、其它信息庫：－課堂－圖書館－網(wǎng)絡(luò)－實驗課程中5緒論1、材料的定義通俗定義：

材料是原料中取得的生產(chǎn)物質(zhì)的原料。材料是制成成品的東西。例如：高分子、金屬、陶瓷等等。6●國內(nèi)外3部大型辭書對材料的定義：

①《LongmanDictionary》《朗曼詞典》

anythingfromwhichsomethingisormaybemade。②《OxfordAdvancedLearner’English-ChineseDictionary》

thatofwhichsomethingiscanbemadeorwhichsomethingisdone。材料的專業(yè)涵義7③《辭海》：

把自然界經(jīng)過開采而獲得的勞動對象稱為原料。因此，自然存在的，而未經(jīng)過人類任何勞動輸入的就不能稱為材料。例如，開采出來的礦物是冶金的原料，種植出來的小麥?zhǔn)侵圃烀娣鄣脑?，單采掘工業(yè)中就沒有材料，而自身長出也未收割的小麥就不是材料。同樣，在加工工業(yè)中，一般把來自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動對象稱為原料，把經(jīng)過工業(yè)加工的原料（如鋼鐵、水泥）稱為材料，而材料和原料合稱為原材料。8

《辭海》定義可以總結(jié)為

原料材料經(jīng)過人類勞動而取得的勞動對象經(jīng)過二次加工的原料9●上述定義的欠缺共性

3個定義都指出了：材料是用來制作某種物件或完成某一事情的。差異

兩種英文定義均未能指出材料使用過程中本質(zhì)方面的變化。辭海的定義雖然闡明了原料和材料之間的聯(lián)系和區(qū)別，但也沒有指出材料在使用中本質(zhì)的變化。10使用這些定義在實際中帶來不便如①化工品燒堿(NaOH)？按定義應(yīng)是材料，但類似不勝枚舉的化工產(chǎn)品都是原料。②來自采掘工業(yè)的沙石、木材等等？按定義似乎應(yīng)是原料，但習(xí)慣上將其歸入建筑材料。思考？食鹽在加工中失去了其原質(zhì)，燒堿在應(yīng)用于其它化工加工過程時，也要失去原質(zhì)，而食鹽和燒堿一般都被看作是化工原料，故原料在加工中一般均失去了原質(zhì)。11因此，現(xiàn)代材料學(xué)可以如此來定義材料：

經(jīng)過人類勞動獲得的、在進一步的加工過程中仍然保持原質(zhì)的勞動對象稱為材料（Materials）。例如：鋼鐵、金屬、陶瓷、木材等。

原料（Rawmaterials）：潛入了勞動價值，但在以后應(yīng)用中原質(zhì)會發(fā)生變化的勞動對象。如燒堿、中和反應(yīng)所用的鹽酸等化工原料。122、材料的分類從來源上分，材料可以分為：天然的——木材，石料合成——化學(xué)纖維，塑料，金屬，陶瓷半天然——紙張，布料13按照材料的化學(xué)屬性可以分有機高分子材料黑色金屬（鐵、錳、鉻及其合金）有色金屬金屬材料單晶形態(tài)多晶形態(tài)。新型陶瓷材料（NewCeramics）或精細陶瓷（FineCeramics）。以脂肪族或芳香族的C-C共價鍵為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大分子組成。一般又分為塑料、橡膠和纖維。復(fù)合材料金屬、無機非金屬和有機高分子材料等有機結(jié)合無機非金屬材料14

“雜化材料”從80年代開始，日本理部化學(xué)研究所山田瑛、雀部博之等人，在應(yīng)用化學(xué)學(xué)科中提出“雜化”（hybrid）的概念——兩種以上不同種類的有機、無機和金屬材料在原子、分子水平上雜化，從而產(chǎn)生具有新型原子、分子集合結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，屬于分子復(fù)合材料的范疇。構(gòu)造機制：離子界面消失，完全結(jié)晶化，因此這種材料具有許多新的性能和用途。15按材料的性能分類任何材料在使用過程中都能提供可利用的某種或某些功能。根據(jù)這些性能可以將材料分為2大類：結(jié)構(gòu)材料（Structuralmaterial）以力學(xué)性能，如受力形變、脆性斷裂和強度等作為應(yīng)用性能，具有抵抗外力作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的特點。如制造工具、機器、車輛用的鋼鐵材料，建筑房屋、橋梁和鐵路用的混凝土材料。16功能材料（Functionalmaterial）：指具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及相互轉(zhuǎn)化的性能，被用于非結(jié)構(gòu)目的高技術(shù)材料。如光致變色材料、電致變色、形狀記憶材料等。此概念1965年由美國貝爾研究所的J.A.Morton博士提出，現(xiàn)已被各國材料界重視和接受。17功能材料的功能及其示例熱學(xué)性能——熱容、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定；光學(xué)性能——與光的作用、吸光、發(fā)光和透光性；電學(xué)性能——導(dǎo)電、介電和壓電性等；磁學(xué)性能——永磁、硬磁、軟磁等；化學(xué)性能——反應(yīng)性、催化等；生物功能——適應(yīng)、生物活性、保健等。18注意：一種材料屬于結(jié)構(gòu)材料還是功能材料，由使用目的決定。舉例：①彈性材料

應(yīng)用力學(xué)性能——用于非結(jié)構(gòu)目的

——屬于功能材料；②結(jié)構(gòu)陶瓷

應(yīng)用力學(xué)性能——用于結(jié)構(gòu)目的

——屬于結(jié)構(gòu)材料；③普通玻璃

應(yīng)用力學(xué)性能——用于結(jié)構(gòu)目的

——屬于結(jié)構(gòu)材料；④特種玻璃

應(yīng)用光學(xué)性能——用于非結(jié)構(gòu)目的

——屬于功能材料。19按材料的化學(xué)組成分類材料有機材料無機材料木材石材人工晶體高性能陶瓷化學(xué)纖維塑料鋼材磚瓦紙張布料陶器20金屬材料非金屬材料高分子材料復(fù)合材料金屬結(jié)構(gòu)材料金屬功能材料新型陶瓷材料特種玻璃超耐熱合金非晶合金輕質(zhì)合金等導(dǎo)電材料形狀記憶合金貯氫合金超導(dǎo)合金電氣陶瓷工程陶瓷超硬陶瓷敏感元件陶瓷快離子導(dǎo)體納米陶瓷優(yōu)異機械性能特種玻璃導(dǎo)電性能玻璃光學(xué)性能玻璃耐輻射性能玻璃集成電路材料磁記錄材料人工單晶材料塑料、橡膠、纖維涂料、粘合劑工程高分子功能高分子材料液晶材料纖維增強材料聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料無機基復(fù)合材料新材料體系的混合分類法21根據(jù)性質(zhì)分類

物理性質(zhì)——高強、超塑性、高溫、低溫、導(dǎo)電、半導(dǎo)體、絕緣、絕熱等

其它功能性質(zhì)——結(jié)構(gòu)材料、功能材料按技術(shù)成熟程度及發(fā)展前景劃分傳統(tǒng)材料，如普通金屬、鋼鐵、有機物新型材料，如智能材料、傳感材料、光纖等223材料的發(fā)展歷程

第一代為天然材料在原始社會生產(chǎn)技術(shù)水平低下，人類使用的材料只能是自然界的動物、植物和礦物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。

23

第二代為燒煉材料

燒煉材料是燒結(jié)材料和冶煉材料的總稱。人類用天然的礦土燒結(jié)磚瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，這些都屬于燒結(jié)材料；從各種天然的礦石中提煉銅、鐵等金屬，則屬于冶煉材料。24

5500BC，天然金與銅被用作工具與武器人類開始了金屬的使用255000BC，熔煉和錘擊改變了銅的性能，金屬材料開始發(fā)展

264000BC，通過金屬鑄造工藝-人們得到了他們需要的形狀。

最早的模鑄件-一個銅制杖頭

273500BC，從礦石中提煉銅-冶金業(yè)的黎明

這張埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一

283000BC，青銅的使用-制造合金

青銅：第一種合金

29

1450BC，鐵的發(fā)現(xiàn)

注：人類最早發(fā)現(xiàn)和使用的鐵是隕鐵（含鐵量較高的鐵、鈷、鎳等金屬的混合物）。在約公元前1500年左右，埃及和美索不達米亞開始有煉鐵業(yè)：至公元前1000年左右，鐵器才基本上從日常用具中排擠了銅器而占統(tǒng)治地位、中國商代銅鉞上就鑲鑄有鐵刃，表明中國在公元前1000多年就熟悉了鐵的鍛造性能?；瘜W(xué)符號Fe來自鐵的拉丁文名ferrum。30

1886AD，電化學(xué)方法冶煉鋁，使鋁成為一種常用金屬。

31

1856AD，英國發(fā)明家貝塞麥（HenryBessemer，1813～1898）發(fā)明了鋼鐵冶煉的專利——貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼法，在鑄造爐中熔化鐵時使用鼓風(fēng)設(shè)備，利用空氣即可除去鐵水中的碳，煉出熟鐵或低碳鋼。貝塞麥法的誕生使鋼鐵制品性能大大改觀而成本也降低不少，這在冶金發(fā)展史上具有劃時代的意義，標(biāo)志著早期工業(yè)革命“鐵時代”向“鋼時代”的演變。貝塞麥曾任英國鋼鐵學(xué)會主席，1879年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員

32繼次之后，煉鐵的需要促使了鼓風(fēng)機與熔爐的發(fā)明

廉價的冶鐵業(yè)

33第三代材料為合成材料

在20世紀(jì)初期出現(xiàn)了化工合成產(chǎn)品，其中合成塑料、合成橡膠和合成纖維已廣泛地用于生產(chǎn)和生活中。從1907年第一個小型酚醛樹脂廠建立，到1927年第一個熱塑性聚氯乙烯塑料的生產(chǎn)實現(xiàn)商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工業(yè)迅猛發(fā)展起來，這一領(lǐng)域的進展經(jīng)歷了新型塑料和合成纖維的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工業(yè)化（1970-1980年）、分子設(shè)計、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等幾個發(fā)展進程。341939尼龍商業(yè)發(fā)展迅速發(fā)展高分子材料發(fā)展的關(guān)鍵時期

35第四代——可設(shè)計的材料

并不滿足于現(xiàn)有的材料，而是出現(xiàn)了根據(jù)實際需要而設(shè)計的具有特殊性能的材料，如金屬陶瓷、鋁塑薄膜等復(fù)合材料屬于這一類。第五代——智能材料，現(xiàn)代功能材料是近三、四十年來研制的一類新型功能材料，它們隨時間、環(huán)境的變化改變自己的性能或形狀，好像具有智能。例如自修復(fù)材料、形狀記憶材料等就屬于這一類，后者已在金屬、高分子和復(fù)合材料領(lǐng)域內(nèi)開展，應(yīng)用廣泛，極大地豐富和方便了現(xiàn)代航天、工業(yè)和醫(yī)療技術(shù)。36形狀記憶合金在軍事和航天工業(yè)方面的應(yīng)用——月面天線37

在工程方面的應(yīng)用形狀記憶合金管接口38Advantages形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)勢：①夾緊力大，接觸密封可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；②適于不易焊接的接頭；③金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體；④安裝時不需要熟練的技術(shù)。

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在醫(yī)療方面的應(yīng)用記憶型NiTi牙弓絲脊柱矯形棒、人工關(guān)節(jié)、人造心臟、美體內(nèi)衣等。40Examples形狀記憶合金套管連接的鋁合金假肢形狀記憶合金制成的血栓過濾器41

形狀記憶式熱發(fā)動機形狀記憶用于熱發(fā)動機的原理42Examples美國人發(fā)明的鎳鈦諾爾熱機J43偏心曲柄型熱機渦輪型熱機44自控元件原理454.4SMA雙程CuZnAl記憶合金彈簧

464.4SMA雙程CuZnAl記憶合金花47ExamplesTiNi

記憶合金眼鏡架超彈性耐腐蝕性重量輕484材料與人類社會的關(guān)系材料是人類社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類進步的里程碑。（1）材料和人類社會發(fā)展關(guān)系密切49燧石，這種容易制成工具的石頭，開始了制陶業(yè)的發(fā)展。

從人類社會發(fā)展來看，使用材料經(jīng)歷了三大里程碑：

石器時代：以石頭制造工具?？梢詣澐譃榕f石器時代（公元前2~3百萬年至約1萬年,從原始部落到母系社會）、中石器時代（公元前約1萬年至7~8千年）、新石器時代（公元前7~8千年至6千年）。這期間，我們的祖先以石器為主要工具，在尋找石器的過程中認識了礦石，發(fā)明了火，制造了第1種人造材料——陶，并在燒陶過程中發(fā)展了冶銅術(shù)，開創(chuàng)了冶金技術(shù)。（2）材料的使用程度是人類社會發(fā)展的里程碑505500BC天然金與銅被用作工具與武器，開始了人類金屬的使用。

銅器時代：人類大量制造和使用第2種人造材料——“紅銅”和“青銅”?！凹t銅”時代約在公元前4～5千年，即原始社會到奴隸社會初期；“青銅”時代約在我國商周時代和私有制建立的前夜。513500BC從礦石中提煉銅-冶金業(yè)的黎明

埃及的古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一

521450BC鐵的發(fā)現(xiàn)

鐵器時代：人類制造和使用第3種人造材料——鑄鐵，此后是鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展,成為18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)。

人類社會發(fā)展到20世紀(jì)中葉以來，科學(xué)技術(shù)突飛猛進，日新月異，作為發(fā)明之母和產(chǎn)業(yè)糧食的新材料研制更是異常活躍，出現(xiàn)了稱之為聚合物時代、半導(dǎo)體時代、先進陶瓷時代和復(fù)合材料時代等種種提法。在當(dāng)前新技術(shù)革命涉及整個國際社會的浪潮沖擊下，人類進入了一個材料革命的新時代。531950’S，高溫合金的發(fā)展，摻鎳合金促進了噴氣發(fā)動機的發(fā)展。54（3）生活和工業(yè)中的材料科學(xué)

材料是人類社會賴以生存和發(fā)展、征服自然和改造自然的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，材料是社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類社會進步的里程碑?？v觀人們利用材料的歷史，可以清楚地看到，每一種重要的新材料的發(fā)展和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個新水平。材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破都會引起生產(chǎn)技術(shù)的革命，大大加速社會發(fā)展的進程，給社會生產(chǎn)和人們生活帶來巨大的變化，把人類物質(zhì)文明推向前進。復(fù)合材料鐵器材料銅器材料石器材料現(xiàn)代社會原始社會55生活中的材料科學(xué)

鈦結(jié)構(gòu)自行車架的斷面結(jié)構(gòu)

鈦鋼的焊接

56生命科學(xué)材料

1832年以來美國牙科協(xié)會一直使用專用的汞合金，它通常由下列材料組成：

50%Hg汞

20%（最少）Ag銀

15%（最多）Cu銅

15%（最多）Sn

錫

最近有一些病人抱怨口腔中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致金屬合金的分解。57

解決方案之一就是開發(fā)填補齲齒的新材料。口腔中特殊的物理及化學(xué)環(huán)境對置入其中的材料是一個嚴(yán)峻的考驗。具體來講，它需要滿足下列要求：

耐口腔中的酸；

低熱導(dǎo)率（這對你吃冷飲有好處）；

經(jīng)得住數(shù)年的咀嚼力；

耐驟冷驟熱；

當(dāng)然還要口感舒適。

58航空材料

718合金被廣泛的用于制造飛機發(fā)動機的壓縮機、葉片及緊固件。圖示為GE90-92B發(fā)動機在車間起重機上接受最后的檢查。這種發(fā)動機即將裝備在新型的波音777客機上。

59復(fù)合材料

60高強鋼：將是未來汽車的中堅力量。近來，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一種汽車用鋼，比原先的輕24%，而強度高34%。新型鋼材的優(yōu)點是：高撞擊能量吸收率；

高強度-質(zhì)量比；

實用新型制造工藝；

可以有多種不同性能(壽命長、防銹等）。

61用耐磨聚酯材料取代傳統(tǒng)輪胎材料，可以和鋼或鋁制輪胎一決高下。該輪胎的優(yōu)點可不僅僅是時髦漂亮，而且聚酯材料提供了優(yōu)良的抗腐、耐磨損性能，可以有效的抑制化學(xué)物對輪胎的侵蝕。新型耐磨材料621960’s制作越來越小的硅芯片

63

1966年，一位英籍華人高琨博士發(fā)表一篇著名的論文，首次提出，解決玻璃純度和成分問題，就能夠得到光傳輸衰減很小的玻璃纖維，并指出提高玻璃的純度可以減少光傳播過程中的損耗。1970年美國康寧公司將這一科研成果開發(fā)為商品，用高純石英玻璃制造出了現(xiàn)代光導(dǎo)纖維。這種光纖是一種比頭發(fā)還細的高純度玻璃絲,一根細絲就能同時傳輸2000路通話，并且不失真、不受環(huán)境干擾、不易被竊聽、還傳輸特別快，光纜一秒鐘傳輸?shù)木嚯x若改用銅纜則要花上20個小時，快了72000倍。

光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維奠定了當(dāng)代信息革命的基礎(chǔ)641980’s，高溫超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)的革命時代

6566

汽車由于種種原因在不斷發(fā)展：燃料短缺，空氣污染，全球危機——迫使政府對汽車行業(yè)加以控制。但是一些汽車制造商已能依仗自力，主動參與到革新中——福特2000與西納給2010，材料科學(xué)領(lǐng)域給推進系統(tǒng)（包含內(nèi)燃，氣體渦輪機，及燃料電池等混合電氣系統(tǒng)）帶來發(fā)展。鋁合金工藝及低阻纜線等領(lǐng)域的進展將使未來汽車行駛的更遠，熱耗減少，噪音也將比現(xiàn)在的汽車更小。

未來汽車材料67轎車制造68橋梁建造69707172智能傳感材料7374機器人制造75遠程感應(yīng)材料76摩天大廈與建筑材料77（4）材料與新技術(shù)革命新材料的每次使用都引起人類社會的巨大變革和生產(chǎn)力革命。18世紀(jì)以來世界范圍內(nèi)的生產(chǎn)力變革和技術(shù)革命都以新材料使用為龍頭：

第一次技術(shù)革命——產(chǎn)業(yè)革命始于18世紀(jì)的英國產(chǎn)業(yè)革命，使得以手工技術(shù)為基礎(chǔ)的資本主義工場手工業(yè)過渡到采用機器大生產(chǎn)的資本主義工廠制度。這場工業(yè)革命的物質(zhì)基礎(chǔ)是鋼鐵材料，而伴隨的新技術(shù)則是蒸汽機的發(fā)明；78

第二次技術(shù)革命——電氣革命

1879年愛