1、Preparation of Materials,材料合成与加工,杨 志 胜,,课程介绍 材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱，材料科学与基础科学亦日益融合形成了新的边沿科学材料化学和材料物理。 要求学生掌握几种材料的制备技术，理解其制备原理，知道所用的主要仪器设备和基本实验思路、知道不同制备方法的特点，扩大视野，最终学会自己设计实验，合成材料。,学习方式 课程以课堂讲授为主，同时可通过查阅文献及课堂讨论等形式，借以促进学生了解并学习材料化学和材料物理领域内材料合成的基本方法以及理论，同时掌握一些新的材料合成技术。,4,材料制备,化学合成,工艺技术,课程重点及学习内容 单晶制备 非晶材料
2、的制备 薄膜制备技术 复合材料及其制备技术（高聚物基、金属基、陶瓷基） 结构陶瓷 功能陶瓷 电子陶瓷通讯器件（压电陶瓷变压器、扬声器)生产技术 功能高分子制备技术 纳米合成技术,参考资料 1、教材： 曹茂盛等主编，材料合成与制备方法，哈尔滨工业大学出版社，2001年8月。 2、其它信息库： 课堂 图书馆（各章所需的参考书将会在每章列出来） 网络 实验课程中,课程考察与成绩评定 总评积分公式为 1006040，即 总评考试成绩 平时成绩 1、考试成绩 论文形式，满分100，占60 2、平时成绩 到课情况、课堂听讲、回答问题 情况为主，满分100，占40,绪 论,1、材料的定义通俗定义： 材料是原
3、料中取得的生产物质的原料。 材料是制成成品的东西。例如：高分子、金属、陶瓷等等。,国内外3部大型辞书对材料的定义： Longman Dictionary朗曼词典 anything from which something is or may be made。 Oxford Advanced LearnerEnglish-Chinese Dictionary that of which something is can be made or which something is done。,材料的专业涵义,辞海： 把自然界经过开采而获得的劳动对象称为原料。 同样，在加工工业中，一般把来自采掘工业
4、和农业的劳动对象称为原料，把经过工业加工的原料（如钢铁、水泥）称为材料，而材料和原料合称为原材料。,辞海定义可以总结为 原料 材料,经过人类劳动而取得的劳动对象,经过二次加工的原料,现代材料学可以如此来定义材料： 经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对象称为材料（ Materials ）。例如：钢铁、金属、陶瓷、木材等。 原料（ Raw materials ）：潜入了劳动价值，但在以后应用中原质会发生变化的劳动对象。如烧碱、中和反应所用的盐酸等化工原料。,2、材料的分类从来源上分，材料可以分为： 天然的木材，石料 合成化学纤维，塑料，金属，陶瓷 半天然纸张，布料,按照材料
5、的化学属性可以分,有机高分子材料,黑色金属 （铁、锰、铬及其合金）,有色金属,金属材料,单晶形态,多晶形态。新型陶瓷材料（New Ceramics）或精细陶瓷（Fine Ceramics）。,以脂肪族或芳香族的C-C共价键为基础结构的大分子组成。一般又分为塑料、橡胶和纤维。,复合材料,金属、无机非金属和有机高分子材料等有机结合,无机非金属材料,“杂化材料” 两种以上不同种类的有机、无机和金属材料在原子、分子水平上杂化，从而产生具有新型原子、分子集合结构的物质，属于分子复合材料的范畴。 构造机制：离子界面消失，完全结晶化，因此这种材料具有许多新的性能和用途。,按材料的性能分类 结构材料（Stru
6、ctural material） 以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，具有抵抗外力作用而保持自己的形状、结构不变的特点。如制造工具、机器、车辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。,功能材料（Functional material）： 指具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目的高技术材料。如光致变色材料、电致变色、形状记忆材料等。此概念1965年由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士提出，现已被各国材料界重视和接受。,功能材料的功能及其示例热学性能热容、热传导、热稳定；光学性能与光的作用、吸光、发光和透光
7、性；电学性能导电、介电和压电性等；磁学性能永磁、硬磁、软磁等；化学性能反应性、催化等；生物功能适应、生物活性、保健等。,注意：一种材料属于结构材料还是功能材 料，由使用 目的决定。举例：弹性材料 应用力学性能用于非结构目的 属于功能材料；结构陶瓷 应用力学性能用于结构目的 属于结构材料；普通玻璃 应用力学性能用于结构目的 属于结构材料；特种玻璃 应用光学性能用于非结构目的 属于功能材料。,按材料的化学组成分类,材料,有机材料,无机材料,木材,石材,人工晶体,高性能陶瓷,化学纤维,塑料,钢材,砖瓦,纸张,布料,陶器,新材料体系的混合分类法,根据性质分类 物理性质高强、超塑性、高温、低温、导电、半
8、导体、绝缘、绝热等 其它功能性质结构材料、功能材料按技术成熟程度及发展前景划分 传统材料，如普通金属、钢铁、有机物 新型材料，如智能材料、传感材料、光纤等,3 材料的发展历程 第一代为天然材料 在原始社会生产技术水平低下，人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。,第二代为烧炼材料 烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。人类用天然的矿土烧结砖瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，这些都属于烧结材料；从各种天然的矿石中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料。,5500BC，天然金与铜被用作工具与武器 人类开始了金属的使用,5000BC，熔炼和锤击改变了铜 的性能，金属材
9、料开始发展,4000BC ，通过金属铸造工艺-人们得到了 他们需要的形状。,最早的模铸件-一个铜制杖头,3500BC ，从矿石中提炼铜-冶金业的黎明,这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一,3000BC，青铜的使用-制造合金,青铜：第一种合金,1450BC，铁的发现,注：人类最早发现和使用的铁是陨铁（含铁量较高的铁、钴、镍等金属的混合物）。在约公元前1500年左右，埃及和美索不达米亚开始有炼铁业：至公元前1000年左右，铁器才基本上从日常用具中排挤了铜器而占统治地位、中国商代铜钺上就镶铸有铁刃，表明中国在公元前1000多年就熟悉了铁的锻造性能。化学符号Fe来自铁的拉丁文名ferrum。,1
10、886AD，电化学方法冶炼铝，使铝成为一种常用金属。,1856AD，英国发明家贝塞麦（Henry Bessemer， 18131898）发明了钢铁冶炼的专利贝塞麦转炉炼钢法，在铸造炉中熔化铁时使用鼓风设备，利用空气即可除去铁水中的碳，炼出熟铁或低碳钢。贝塞麦法的诞生使钢铁制品性能大大改观而成本也降低不少，这在冶金发展史上具有划时代的意义，标志着早期工业革命“铁时代”向“钢时代”的演变。,贝塞麦曾任英国钢铁学会主席，1879年当选为英国皇家学会会员,继次之后，炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明,廉价的冶铁业,第三代材料为合成材料 在20世纪初期出现了化工合成产品，其中合成塑料、合成橡胶和合成纤维
11、已广泛地是用于生产和生活中。从1907年第一个小型酚醛树脂厂建立，到1927年第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工业迅猛发展起来，这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工业化（1970-1980年）、分子设计、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等几个发展进程。,1939 尼龙商业发展迅速发展高分子材料发展的关键时期,第四代可设计的材料 并不满足于现有的材料，而是出现了根据实际需要而设计的具有特殊性能的材料，如金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料属于这一类。第五代智能材料，现代功能
12、材料 是近三、四十年来研制的一类新型功能材料，它们随时间、环境的变化改变自己的性能或形状，好像具有智能。例如自修复材料、形状记忆材料等就属于这一类，后者已开展在金属、高分子和复合材料领域内，应用广泛，极大地丰富和方便了现代航天、工业和医疗技术。,36,形状记忆合金在军事和航天工业方面的应用月面天线,37,在工程方面的应用,形状记忆合金管接口,38,Advantages,形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：, 夹紧力大，接触密封可靠，避免了由于焊 接而产生的冶金缺陷；, 适于不易焊接的接头；, 金属与塑料等不同材料可以通过这种连接 件连成一体；, 安装时不需要熟练的技术。,39,在医疗方面的应用
13、,记忆型NiTi牙弓丝,脊柱矫形棒、人工关节、人造心脏、美体内衣等。,40,Examples,形状记忆合金套管连接的铝合金假肢,形状记忆合金制成的血栓过滤器,41,形状记忆式热发动机,形状记忆用于热发动机的原理,42,Examples,美国人发明的镍钛诺尔热机,J,43,偏心曲柄型热机,涡轮型热机,44,自控元件原理,45,4.4 SMA,双程 CuZnAl 记忆合金弹簧,46,4.4 SMA,双程 CuZnAl 记忆合金花,47,Examples,TiNi 记忆合金眼镜架,超弹性耐腐蚀性重量轻,4 材料与人类社会的关系,材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。（1）材料和人类
14、社会发展关系密切,燧石，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。,从人类社会发展来看，使用材料经历了三大里程碑： 石器时代：以石头制造工具。可以划分为旧石器时代（公元前23百万年至约1万年, 从原始部落到母系社会）、中石器时代（公元前约1万年至78千年）、新石器时代（公元前78千年至6千年）。这期间，我们的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了矿石，发明了火，制造了第1种人造材料陶，并在烧陶过程中发展了冶铜术，开创了冶金技术。,（2）材料的使用程度是人类社会发展的里程碑,5500BC天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用。,铜器时代：人类大量制造和使用第2种人造材料“红铜
15、”和“青铜”。 “红铜”时代约在公元前45千年，即原始社会到奴隶社会初期；“青铜”时代约在我国商周时代和私有制建立的前夜。,3500BC 从矿石中提炼铜-冶金业的黎明,埃及的古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一,1450BC 铁的发现,铁器时代：人类制造和使用第3种人造材料铸铁，此后是钢铁工业的迅猛发展,成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。 人类社会发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为发明之母和产业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。在当前新技术革命涉及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个材料革命的
16、新时代。,1950S，高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展。,（3）生活和工业中的材料科学 材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。纵观人们利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。,复合材料,铁器材料,铜器材料,石器材料,现代社会 原始社会,生活中的材料科学,钛结构自行车架的断面结构,钛钢的焊接,生命科学材料,1832年以来美国牙科协会一直使用专用的汞合金，它通常有下
17、列材料组成： 50% Hg 汞 20% （最少） Ag 银 15% （最多） Cu 铜 15% （最多） Sn 锡最近有一些病人抱怨口腔中发生电化学反应会导致金属合金的分解。,解决方案之一就是开发填补龋齿的新材料。口腔中特殊的物理及化学环境对置入其中的材料是一个严峻的考验。具体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；经得住数年的咀嚼力；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适。,航空材料,718合金被广泛的用于制造飞机发动机的压缩机、叶片及紧固件。图示为GE90-92B 发动机在车间起重机上接受最后的检查。这种发动机即将装备在新型的波音777客机上。,复合材料,高强钢：将是
18、未来汽车的中坚力量。近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻24%，而强度高34%。新型钢材的优点是：高撞击能量吸收率；高强度-质量比；实用新型制造工艺；可以有多种不同性能(寿命长、防锈等）。,用耐磨聚酯材料取代传统轮胎材料，可以和钢或铝制轮胎一决高下。该轮胎的优点可不仅仅是时髦漂亮，而且聚酯材料提供了优良的抗腐、耐磨损性能，可以有效的抑制化学物对轮胎的侵蚀。,新型耐磨材料,1960s 制作越来越小的硅芯片,1966年，一位英籍华人高琨博士发表一篇著名的论文，首次提出，解决玻璃纯度和成分问题，就能够得到光传输衰减很小的玻璃纤维，并指出提高玻璃的纯度可以减少光传播过程中的损耗。1970年
19、美国康宁公司将这一科研成果开发为商品，用高纯石英玻璃制造出了现代光导纤维。这种光纤是一种比头发还细的高纯度玻璃丝,一根细丝就能同时传输2000路通话，并且不失真、不受环境干扰、不易被窃听、还传输特别快，光缆一秒钟传输的距离若改用铜缆则要花上20个小时，快了72000倍。,光导纤维,光导纤维奠定了当代信息革命的基础,1980s ，高温超导体，高温超导的革命时代,汽车由于种种原因在不断发展：燃料短缺，空气污染，全球危机迫使政府对汽车行业加以控制。但是一些汽车制造商已能依仗自力，主动参与到革新中 福特2000与西纳给2010，材料科学领域给推进系统（包含内燃，气体涡轮机，及燃料电池等混合电气系统）带
20、来发展。铝合金工艺及低阻缆线等领域的进展将使未来汽车行驶的更远，热耗减少，噪音也将比现在的汽车更小。,未来汽车材料,轿车制造,桥梁建造,智能传感材料,机器人制造,远程感应材料,摩天大厦与建筑材料,美国商业部对2000年12项新型技术的预测,先进材料包括特种陶瓷，陶瓷基和金属基复合材料，金属间化合物与轻合金，先进塑料，表面改性材料，金刚石薄膜，膜材料及生物材料等。,4、材料对人类的意义,适应性与人类社会发展相适应标志性标志人类智慧的程度推动性高科技材料推动工业技术的发展革命性材料引起技术的革命，引起人类 革命决定性材料及其技术决定人类,现代化的建筑和现代化的室内装修要求优质的新型建筑材料 新型的显示技术和照明技术要求性能优良的新型荧光材料 高密小型电池及燃料电池要求新型电极材料和电解质材料 高密度的新型信息存储器件对磁性材料有新的要求 通讯技术要求光纤的衰减更小,中继距离更长 更高的超导转变温度，实用化,三基色荧光粉,微波介电陶瓷,白色发光二极管,超导体悬浮,5 现代科技、生产和生活对材料的新要求,绪论中的重点,1、材料的定义、分类、发展历史2、材料与技术革命的关系3、材料是如何标志人类社会发展的各个 历史的4、材料对人类社会进步的意义5、本课程的意义、重点、学习方式、考 核,
