材料科學(xué)基礎(chǔ)簡介課件

第一章材料科學(xué)基礎(chǔ)簡述第一節(jié)材料歷史—產(chǎn)生、發(fā)展與應(yīng)用第二節(jié)材料的類別第三節(jié)高分子材料的發(fā)展歷程及新動向1第一章材料科學(xué)基礎(chǔ)簡述第一節(jié)材料歷史—產(chǎn)生、發(fā)展與應(yīng)用第美英材料學(xué)家把當(dāng)今廣泛使用的材料分為十類，以金屬、高分子與陶瓷作為材料基礎(chǔ)提供各類使用要求的材料領(lǐng)域。材料間有密切聯(lián)系，有許多基礎(chǔ)共性。2美英材料學(xué)家把當(dāng)今廣泛使用的材料分為十類，以金屬、高33445氣化轉(zhuǎn)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、酚醛樹脂、脲醛樹脂、氨基樹脂、季戊四醇、新戊二醇、三羥甲基丙烷、烏洛托品、MDI等。醋酸酯、醋酸乙烯、聚乙烯醇、氯乙酸、醋酸酐、醋酸纖維素、PTA等。油品添加劑，提高辛烷值聚乙烯、環(huán)氧乙烷/乙二醇、苯乙烯/聚苯乙烯、聚氯乙烯、醋酸乙烯、乙丙橡膠、EVA樹脂等。聚丙烯、環(huán)氧丙烷/丙二醇、聚醚多元醇、苯酚丙酮、丁辛醇、丙烯酸及酯、乙丙橡膠、異丙醇、丙烯腈、丙烯酰胺等。氣霧劑、民用燃料和車用燃料（代替柴油）。甲醇燃料甲醇蛋白MMA/DMT車輛代用燃料等。畜禽飼料蛋白等。有機(jī)玻璃、MBS、涂料、PET樹脂等。焦?fàn)t氣甲醇制氫生產(chǎn)加氫產(chǎn)品等。甲醇燃料電池。甲醇制芳烴（MTA）。MTG氣霧劑、民用燃料和車用燃料（代替柴油）。電子清洗劑、制冷劑、有機(jī)硅和有機(jī)氟等。55甲醇煤炭CO、CO2、H2甲醛醋酸MTBE二甲醚甲烷基本定義：材料是指；用于制造其它物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或產(chǎn)品的那些物質(zhì)。衣、食、住、行是人類生存的基本需求，材料則提供了人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今一切科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。6基本定義：材料是指；用于制造其它物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或產(chǎn)材料的使用是人類技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志

人類的進(jìn)步是從使用工具開始的，而最早使用的工具是石器。石器的使用代表了人類智慧的飛躍。

石器--------

新石器-------青銅---------鐵器--------電子材料時代100萬年－BC9000—3000－2500－900－AC1960—2000代表了人類文明史的不同階段.7材料的使用是人類技術(shù)石器--------新石器----

8-9千年前，陶器出現(xiàn)，不僅做器皿，而且做裝飾品---促進(jìn)了精神文明的巨大發(fā)展。在燒制過程中發(fā)現(xiàn)了銅、錫-及其合金-青銅。88-9千年前，陶器出現(xiàn)，不僅做器皿，而且做裝飾品---9910101.金屬材料（metals）

1.1分類

(1)黑色金屬材料－主要是指鋼鐵材料。

鋼（Steel）按化學(xué)成分分碳素鋼、合金鋼等；按品質(zhì)分普通、優(yōu)質(zhì)、高級優(yōu)質(zhì)鋼等；按金相組織或組織結(jié)構(gòu)分珠光體、貝氏體、馬氏體和奧氏體鋼等；按用途分建筑工程、結(jié)構(gòu)、工具、特殊性能、專業(yè)用鋼等；按冶煉方法分平爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、沸騰爐鋼等。

鑄鐵（Castiron）按石墨形態(tài)及性能又分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵、特殊性能鑄鐵等。第二節(jié)材料的類別111.金屬材料（metals）

第二節(jié)材料的類別11(2)有色金屬－常分五大類：①輕金屬（ρ<4.5g/cm3），如鋁、鎂、納、鈣等；②重金屬(ρ>4.58g/cm3)，如銅、鎳、鉛、鋅等③貴金屬如金、銀、鉑、銠等；④類（半）金屬，如硅、硒、紳、硼等；⑤稀有金屬，如鈦、鋰、鎢、鉬、鐳等。12(2)有色金屬－常分五大類：121.2基本特性

a.金屬鍵，常規(guī)法生產(chǎn)的為晶體結(jié)構(gòu)；b.常溫下固體熔點(diǎn)較高；c.金屬光澤；d.純金屬范性大、展性、延性大；e.強(qiáng)度較高；f.導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好；g.空氣中易氧化，如鋼、鐵等生成氧化膜，合金可改善金屬性能,提高抗氧化。131.2基本特性

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金屬鍵既無飽和性又無方向性，因而每個原子有可能同更多的原子相結(jié)合，并趨于形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬受力變形而改變原子之間的相互位置時，不至于使金屬鍵破壞，這就使金屬具有良好延展性，并且，由于自由電子的存在，金屬一般都具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。14金屬鍵既無飽和性又無方向性，因而每個原子有可能同更多1.3用途

a.結(jié)構(gòu)材料：如機(jī)床、建筑機(jī)械設(shè)備、工程交通工具；b.導(dǎo)體材料，電線芯（銅）c.工具等。151.3用途

15金屬材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑16金屬材料的戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層162無機(jī)非金屬材料（Inorganicnonmetals）

2.1分類

按成分，化學(xué)結(jié)構(gòu)和用途分四大類：混凝土（水泥）、玻璃（Glass）硅及耐火材料（Silane）陶瓷（器）（Ceramics）。其中陶瓷又分為：傳統(tǒng)陶瓷（天然硅酸鹽礦,粘土燒制而成,SilicateCeramics)和特種陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。

172無機(jī)非金屬材料（Inorganicnonmetals）1181819192.2結(jié)構(gòu)1、離子鍵：大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結(jié)合。離子鍵鍵合的基本特點(diǎn)是以離子而不是以原子為結(jié)合單元。

202.2結(jié)構(gòu)20

一般離子晶體中正負(fù)離子靜電引力較強(qiáng)，結(jié)合牢固。因此。其熔點(diǎn)和硬度均較高。另外，在離子晶體中很難產(chǎn)生自由運(yùn)動的電子，因此，它們都是良好的電絕緣體。但當(dāng)處在高溫熔融狀態(tài)時，正負(fù)離子在外電場作用下可以自由運(yùn)動，即呈現(xiàn)離子導(dǎo)電性。2.共價鍵

兩個或多個電負(fù)性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學(xué)鍵。共價鍵鍵合的基本特點(diǎn)是核外電子云達(dá)到最大的重疊，形成“共用電子對”，有確定的方位，且配位數(shù)較小。

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一般離子晶體中正負(fù)離子靜電引力較強(qiáng)，結(jié)合牢固。因此。圖1.6SiO2中硅和氧原子間的共價鍵示意圖

共價鍵在亞金屬（碳、硅、錫、鍺等）、聚合物和無機(jī)非金屬材料中均占有重要地位。共價鍵晶體中各個鍵之間都有確定的方位，配位數(shù)比較小。共價鍵的結(jié)合極為牢固，故共價晶體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆等特點(diǎn)。共價形成的材料一般是絕緣體，其導(dǎo)電性能差。22圖1.6SiO2中硅和氧原子間的共價鍵示意圖

共價鍵在亞金2.2基本特性

以陶瓷為例（其它有較大差別）a.離子鍵、共價鍵及其混合鍵；b.硬而脆；c.熔點(diǎn)高、耐高溫抗氧化d.導(dǎo)熱、導(dǎo)電性差；e.耐化學(xué)腐蝕性性好；f.耐磨；g.成型方式為粉末制壞、燒制成型。三、用途建筑衛(wèi)生陶瓷：瓷磚、浴缸等。工程陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷：反應(yīng)釜（耐酸、耐腐蝕）、絕緣瓷瓶；功能陶瓷：磁性、導(dǎo)電材料。232.2基本特性

233高分子材料：高分子材料實(shí)際上是由高分子化合物經(jīng)過加工和加入添加物而制成的。有機(jī)高分子化合物有天然與合成之分。如蛋白質(zhì)、淀粉及纖維是自然界中生長的。叫天然高分子化合物；而塑料、合成纖維及合成橡膠則屬于人工合成的，所以也叫合成高分子材料。243高分子材料：高分子材料實(shí)際上是由高分子化合物經(jīng)過加工和加入2525262627271.3.1．高分子科學(xué)的誕生與發(fā)展高分子科學(xué)是一門新興的學(xué)科，是在人們長期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。高分子科學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個時期：281.3.1．高分子科學(xué)的誕生與發(fā)展高分子科學(xué)是一門新興的學(xué)科3.1.1蒙昧期19世紀(jì)的中葉以前，木材、棉、麻、絲、毛、漆、橡膠、皮革和各種樹脂等天然高分子材料都已經(jīng)在人們的生活和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。有些加工方法改變了天然高分子的化學(xué)組成，如橡膠的硫化(1839)、皮革的揉制、棉麻的絲光處理，以及把天然纖維制成人造絲、賽璐珞(1868)等。盡管這些技術(shù)取得了重要的結(jié)果和豐富的經(jīng)驗(yàn)，然而，人們只知道使用、加工，不知道化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。293.1.1蒙昧期293.1.2．萌芽期自19世紀(jì)的后期，人們開始研究天然高分子的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)。還有意無意地合成了一批化合物。它們通常是粘稠的液體或無定形粉末，無法純化和分析，被當(dāng)作廢物拋棄。有些高分子化合物雖然得到應(yīng)用，但是人們只知道它是“材料”，并不知道它是“高分子”。303.1.2．萌芽期自19世紀(jì)的后期，人們開始研究天然高分塑料的發(fā)現(xiàn)1869年31歲的印刷工人約翰?海阿特發(fā)明賽璐珞1909年貝克蘭發(fā)明酚醛樹脂31塑料的發(fā)現(xiàn)1869年31歲的印刷工人約翰?海阿特發(fā)明賽璐珞11877年，Kekule就曾指出：絕大多數(shù)與生命直接聯(lián)系在一起的天然有機(jī)物蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素可以由很長的鏈組成，并且這種特殊的結(jié)構(gòu)決定它們具有特殊的性質(zhì)。但被當(dāng)時有機(jī)化學(xué)和膠體化學(xué)的聲音掩蓋。321877年，Kekule就曾指出：絕大多數(shù)與生命直接聯(lián)系在一當(dāng)時，有機(jī)化學(xué)家可以熟練地合成和提純小分子有機(jī)物，并分析它們的組成；準(zhǔn)確地測定它們的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和分子量等。但是，當(dāng)他們遇到高分子時，就束手無策了。這種粘糊糊的東西，不能用已往的手段提純和分析，它們不能升華和結(jié)晶，也沒有固定的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，甚至連表征化合物的最重要的參數(shù)----分子量也捉摸不定。因此，有機(jī)化學(xué)家們認(rèn)為這種物質(zhì)不是純粹的化合物，而是由小分子通過“次價”力結(jié)合而成的聚集體，有不少人認(rèn)為這種物質(zhì)的溶液是膠體體系。

33當(dāng)時，有機(jī)化學(xué)家可以熟練地合成和提純小分子有機(jī)物，并分析它們1893年，F(xiàn)ischer將氨基酸逐個連接成多肽，制備了聚合度為30的單分散多肽，證明多肽是由許多氨基酸單元通過正常的－CO－NH－化學(xué)鍵相連而成的線型長鏈分子，這一工作孕育了高分子學(xué)說的基本思想。341893年，F(xiàn)ischer將氨基酸逐個連接成多肽，制備了聚合3.1.3.

爭鳴期1920年，H.Staudinger(德)發(fā)表了他的劃時代的文獻(xiàn)《論聚合》，提出了鏈結(jié)構(gòu)模型。它們是由共價鍵聯(lián)結(jié)起來的大分子，但分子的長度不完全相同，所以不能用有機(jī)化學(xué)中“純粹化合物”的概念來理解大分子。這些大分子是許多同系物的混合物，它們彼此結(jié)構(gòu)相似，性質(zhì)差別很小，難以分離，平均分子量?！罢摼酆稀敝刑岢霎愇於?gòu)成橡膠，葡萄糖構(gòu)成淀粉，纖維素。氨基酸構(gòu)成蛋白質(zhì)，都是以共價鍵彼此連接，提出高分子長鏈結(jié)構(gòu)的概念。353.1.3.爭鳴期1920年，H.Staudinger然而，由于高分子的降解和當(dāng)時實(shí)驗(yàn)方法的粗糙，使分子量的測定不能重復(fù)，這又給那些膠體締合論者找到了反對大分子學(xué)說的借口。他們認(rèn)為用溶液的依數(shù)性所測得的不是溶質(zhì)的分子量，而是膠粒的重量，因膠粒不穩(wěn)定，所以結(jié)果不重復(fù)。這樣，雙方觀點(diǎn)相持不下。

36然而，由于高分子的降解和當(dāng)時實(shí)驗(yàn)方法的粗糙，使分子量的測定不此后，人們改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法，通過滲透壓，端基分析法測定高分子化合物的分子量，所得結(jié)果一致。用超離心機(jī)把含有蛋白質(zhì)的膠體溶液在不同的溫度和不同的鹽溶液中進(jìn)行超離心分析時，證明分子量是均一的。電泳法研究結(jié)果表明，對于一定的蛋白質(zhì)，每單位質(zhì)量所帶的電荷數(shù)總是相等的。另外，也成功地獲得了尿素酶的結(jié)晶。這許多發(fā)現(xiàn)都是用膠體締合的理論所不能解釋的。因此，直到1930年初，人們才認(rèn)識到在有機(jī)膠體中所遇到的是真正的高分子。37此后，人們改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法，通過滲透壓，端基分析法測定高分子化1932年，Staudinger提出了溶液粘度與分子量的關(guān)系式。并測定出大分子的分子量。通過大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，雄辯地證明了大分子的存在。30年代末期，高分子學(xué)說終于戰(zhàn)勝了膠體締合論。高分子（Macromolecule，Polymer）概念形成從此，高分子科學(xué)進(jìn)入了大發(fā)展階段。

381932年，Staudinger提出了溶液粘度與分子量的關(guān)系3.1.4.發(fā)展期當(dāng)高分子理論促進(jìn)了合成高分子工業(yè)的發(fā)展后，出現(xiàn)了一大批商品化的合成材料，這些合成高分子（合成材料）的出現(xiàn)，又為理論研究提供了大量的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和積累了豐富的數(shù)據(jù)，促進(jìn)了高分子物理學(xué)的迅速發(fā)展。393.1.4.發(fā)展期當(dāng)高分子理論促進(jìn)了合成高分子工業(yè)的發(fā)

30～40年代，高物領(lǐng)域最有代表性的工作：

W．Kuhn、E.Guth和H.Mark等把統(tǒng)計力學(xué)用于高分子鏈的構(gòu)象統(tǒng)計，建立了橡膠高彈性統(tǒng)計理論Svedbergy用超離心技術(shù)測定蛋白質(zhì)的分子量1942年，F(xiàn)lory和Huggins用似晶格模型推導(dǎo)出高分子溶液的熱力學(xué)性質(zhì)，理論上的解釋了高分子稀溶液的依數(shù)性質(zhì)Debeye和Zimm用光散射法研究高分子溶液性質(zhì)，測定了Mw4030～40年代，高物領(lǐng)域最有代表性的工作：40發(fā)展期代表性工作Carothers

縮合聚合尼龍-66Ziegler（德）定向聚合HDPENatta（意）改進(jìn)催化劑等規(guī)PPOstwald和Svedberg用擴(kuò)散、沉降、粘度和濁度的測定，建立了高分子溶液定量研究的基礎(chǔ)Scherrer用X射線衍射研究聚合物材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)41發(fā)展期代表性工作Carothers縮合聚合1949年，F(xiàn)lory和Fox把熱力學(xué)和流體力學(xué)聯(lián)系起來，使粘度、擴(kuò)散、沉降等宏觀性質(zhì)與分子的微觀結(jié)構(gòu)有了聯(lián)系Tobolsky，Williams等發(fā)展了粘彈性理論Watson和Crick用X射線衍射法研究高分子的晶系結(jié)構(gòu)，于1953年確定了脫氧核糖核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)。此后人們發(fā)現(xiàn)許多天然高分子和合成高分子都具有這種奇特的結(jié)構(gòu)

421949年，F(xiàn)lory和Fox把熱力學(xué)和流體力學(xué)聯(lián)系起來，使此外，偏振紅外吸收光譜，旋光色散，核磁共振，示差熱分析，在密度梯度池中的沉降和擴(kuò)散等聚合物鑒定的新方法都得到了一定程度的發(fā)展。43此外，偏振紅外吸收光譜，旋光色散，核磁共振，示差熱分析，在密50年代，高分子物理學(xué)基本形成70年代，高分子功能材料進(jìn)入發(fā)展期：1969聚偏氯乙烯壓電性的發(fā)現(xiàn)與研究1975-(-SN-)-超導(dǎo)性發(fā)現(xiàn)；鐵電液晶的合成1977聚乙炔膜合成方法及高導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)1979(TMTSF)2PF2超導(dǎo)性發(fā)現(xiàn)感光材料PVK-TNF用于復(fù)印技術(shù)液晶顯示工業(yè)化塑料光纖應(yīng)用4450年代，高分子物理學(xué)基本形成4480年代導(dǎo)電高分子加工及應(yīng)用大發(fā)展液晶顯示器商品化