1、第 7 章 无机材料,根据某一年代具有代表性的材料将人类社会划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。,7.1 材料科学发展概况,旧石器时代,1）,a. 公元前10万年左右。,b. 火的发现：熟食、取暖、照明、驱兽,制陶,瓷器的出现，是中华民族文化的象征之一。,人们在大量地烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术 烧炼矿石 铜及青铜,铜及青铜是人类社会最早出现的金属材料，它使人类社会由新石器时代转入青铜器时代。用铁制造农具，使农业生产力得到了空前提高。唐宋时期，我国社会科学文化达到了高峰。,青铜器时代,2）,炼铁,18世纪发明了蒸汽机，爆发了产业革命，推动和促进了以钢铁为中心的金属材料的大规模
2、发展。,第二次世界大战后，对材料提出了质量轻、强度高、价格低等要求，产生了合成高分子材料。到此，以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。,20世纪80年代以来，高新技术（生物技术、信息技术、能源技术）竞争激烈。新材料技术的标志技术是材料设计或分子设计，即根据需要设计具有特定功能的新材料。,化学是材料发展的源泉,材料是指人类利用化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。化学是材料科学的源泉，而材料科学的发展也为化学研究开辟了一个新的领域。,高分子化学与高分子材料的关系,材料的不同分类方法,结构材料和功能材料。结构材料利用了材料的力学和理化性质 。应用范围
3、：机械制造、工程建设、交通运输等领域。功能材料利用材料的光、电、磁、热等性能。应用范围：电子、激光、能源和生物工程等领域。,1）按用途分,2）按时间分,传统材料和新型材料。传统材料指生产工艺已经成熟，并已投入工业生产的材料。新型材料指新发展或正在发展的具有特殊功能的材料。,3）按成分和特性分,金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。,金属材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括铁、锰、铬以及它们的合金。除黑色金属以外的其它各种金属及其合金都称为有色金属。纯金属的强度都比其相应的合金低。工业上用的金属大多是合金。注：合金也可由金属和非金属元素组成。,陶瓷材料,也叫无机非金属材料，
4、是人类应用最早的材料，分为传统陶瓷和精细陶瓷。,高分子材料,复合材料,由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成。特点：强度、刚度和耐腐蚀性能比单一材料优越。,合成材料。特点：较高的强度、耐腐蚀、不导电，发展速度快。,延性是指金属能被拉伸成金属丝，展性是指金属能被捶打成金属薄片。,7.2 金属材料,7.2.1 金属键和纯金属的晶体结构,金属内部由金属原子作规整的周期性排列，由于金属原子电负性较小，最外层的价电子容易脱离原子的束缚而在整个金属中自由运动，此时原子与自由电子紧密地胶合在一起，形成金属晶体。,金属的内部结构,金属的一般性质都与自由电子的存在有关。如：金属光泽、导电、导热、延展性。整块金
5、属可看做是一个巨大的分子。,1s,3s,2p,2s,N个,原子轨道,Na,N个,N个,N个,一块金属钠是由N个钠原子形成的巨大分子。N个钠原子中能量相同的原子轨道发生组合，可形成能级非常接近，间隙极小的轨道，我们形象地称为能带。,内层原子轨道形成较窄的能带，外层原子轨道形成较宽的能带。各个能带按能量高低排列起来，成为能带结构。已填满电子的能带叫满带，没有电子的能带叫空带，尚未添满电子的能带叫导带。具有导带的金属能导电。,知识点,绝缘体: 只有满带和空带，而且满带和空带之间的能级间隙较宽(Eg5eV)。 一般电场条件下，难以将满带电子激发入空带，故不能导电。,导体: 具有导带,半导体: 只有满带
6、和空带，但满带与空带之间的能级间隙较窄(Eg3eV), 电子容易从满带激发到空带, 形成导带, 可以导电。,重要的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(FeO . Fe2O3)、黄铁矿(FeS2)等。,7.2.2 钢铁,铁的冶炼,原料：铁矿石 设备：高炉还原剂：焦炭 助熔剂：石灰石、二氧化硅,C + O2 CO2 CO2 + C 2CO Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2,1）生铁,含碳量较高的铁称为生铁。生铁分为：灰口铁、白口铁和球墨铸铁。灰口铁：,特点：断口呈灰色。成因：处于熔融状态的铁水，其中碳以Fe3C的形式存在，待铁水慢慢冷却， Fe3C分解为铁和石墨。用途：切削加工、浇铸
7、零件（柔软、有韧性）。,特点：断口呈白色。成因：高温熔融的铁水快速冷却，Fe3C来不及分解。用途：炼铁（硬、脆）。,白口铁,特点：有高的强度、塑性、韧性和热加工性能。 成因：在铁水中加入0.05%的镁，使生铁中的碳变成球状。用途：易切削加工，综合性好。,球墨铸铁,2）纯铁,含铁99.9%以上。特点：银白色、有金属光泽、性软、有延展性。,随着温度的增加，由一种结构转变为另一种结构的现象，称为相变。发生结构转变时的温度称为相变温度。,纯铁,- Fe,- Fe,- Fe,室温,910 oC,1390 oC,3）钢铁,铁和碳的合金体系总称。特点：强度高、价格便宜、应用广泛。钢铁约占金属材料产量的90%
8、，是世界上产量最大的金属材料。,钢铁,生铁（含碳量大于2.0%）,纯铁（含碳量小于0.02%）,低碳钢（含碳量小于0.25%）,钢,中碳钢（介于0.25%0.60%）,高碳钢（大于0.60%）,炼钢的实质是控制生铁中的含碳量达到钢的要求，同时除去危害钢的性能的一些杂质。,4）合金钢,钢中加入其他金属，就可得到特殊性能的合金钢。,加入铬 不锈钢 加入锰 锰钢,有色金属分为轻金属、重金属、高熔点金属、稀土金属、稀散金属、贵金属。,自然界中含量最多的金属元素。存在形式：复硅酸盐。主要矿石：铝土矿(Al2O3 . nH2O)、粘土H2Al2(SO4)2H2O、冰晶石(Na3AlF6)等。制备方法：电解
9、法。,7.2.3 铝合金和铝锂合金,铝,1,2Al2O3 4Al + 3O2,电解,特点：银白色，密度低，导电、导热性好，可代替铜做导线，抗腐蚀性好（可形成致密的氧化层），面心立方堆积，有优良的延展性。用途：航空工业、汽车工业和建筑业。,铝合金,2,铝的缺点：强度、弹性模量低，硬度、耐磨性差，不适宜制造承受大载荷及强烈磨损的构件。为提高强度 铝合金,特点：强度高、相对密度小、易成型。用途：飞机制造业。,铝镁合金、铝锰合金 塑性、压力加工性 铝铜镁合金为硬铝；铝锌镁铜合金为超硬铝。,铝锂合金,3,如掺入1%锂，可使合金密度下降3%，弹性模量提高6%。用途：制造飞机（使飞机质量减轻1520%，降低
10、油耗，提高飞机性能）。,新的功能金属材料。特点：用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。代表：Ni-Ti合金(镍钛脑 )、铜基(Cu-Zn-Al)、铁基形状记忆合金。用途：用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等领域。高分子、铁磁、超导材料中也存在形状记忆效应。,7.2.4 新型金属材料,形状记忆合金,1,传统涡轮叶片存在的问题：工作温度高、受力复杂、容易损坏。,高温合金,2,材料：镍基和钴基高温合金。工艺：多晶铸造工艺。机制：熔融的合金在铸型中逐渐冷却凝固，随着温度降低，晶粒不断长大，最后充满整个叶片。缺点：未控制散热方向，晶粒长大是随
11、意的。晶粒形状接近球形，称为等轴晶。,a. 等轴晶,晶粒之间的界面称为晶界。晶界上容易出现杂质和缺陷，是最薄弱的易破坏区。,工艺：定向凝固工艺。机制：合金在铸型内冷却时，控制散热方向，使晶粒按预定方向生长，得到长条形的柱晶合金。特点：不存在横向晶界，减少了晶界断裂的机会。改进：工作温度提高了50 oC，发动机寿命提高一倍。,b. 柱晶合金,c. 单晶合金,特点：完全消除了晶界的影响。工艺：种晶法。机制：预先在铸型的底部植入一粒籽晶，当铸型内的熔融合金凝固时，控制散热方向，只允许籽晶长大，直到完全占有整个铸型空间。条件：合金有很高的纯度，铸型非常洁净。改进：工作温度又提高100 oC，发动机寿命
12、延长4倍。,贮氢合金,3,氢是21世纪要开发的新能源之一。优点：发热值高、没有污染、资源丰富。氢作为常规能源必须解决的问题是氢的贮存和输送问题。常用气态或液态贮存法。贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。机制：金属结构存在许多空隙，可以容纳半径较小的氢原子，从而生成金属氢化物。,不是每一种贮氢合金都可以作为贮氢材料。,要求：贮氢量大，金属氢化物既容易生成，稍稍加热又容易分解，寿命长，成本低。三大系列贮氢合金：镁系贮氢合金(MgH2)、稀土系贮氢合金(LaNi5)、钛系贮氢合金(TiH2)。贮氢合金用于氢动力汽车的试验已获成功。用途：氢的贮存、运输、回收、分离、净化。,非晶态合金
13、,4,也称玻璃态，非晶态合金原子排列是长程无序的，但短程可以有序。,熔融状态的合金缓慢冷却得到的是晶态合金，以极高速度骤冷得到的是非晶态合金。非晶态合金具有均匀性和各向同性。优点：优良的力学性能（拉伸强度、硬度）、高电阻率、高导磁率、高抗腐蚀性。,知识点,7.3 无机非金属材料,7.3.1 传统陶瓷,成分：硅酸盐（天然和人造硅酸盐）。特点：性质稳定、熔点较高、难溶于水、用途广泛。硅酸盐制品一般都以粘土(Al2O3 . SiO2 . H2O)、石英和长石(K2O . Al2O3 . 6SiO2 、Na2O . Al2O3 . 6SiO2 )为原料。在硅酸盐结构中，含SiO2及Al2O3。硅酸盐在
14、高温烧结后，先脱水，然后转化为莫来石(3Al2O3 . 2SiO2 ) ，耐火材料基本上是由石英、莫来石和玻璃构成。,7.3.2 精细陶瓷,高温结构陶瓷,1）,用途：汽车及飞机的陶瓷发动机。优点：工作温度可稳定在1300 oC左右，不需水冷系统，热效率大幅度提高，可减轻汽车、飞机的质量。材料：氮化硅、碳化硅、二氧化锆、三氧化二铝。 特点：机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高。制备方法：工业法、气相沉积法。,1300 oC,3Si + 2N2 Si3N4,3SiCl4 + 2N2 + 6H2 Si3N4 + 12HCl,透明陶瓷,2）,传统陶瓷不透明的原因是内部存在杂质和气孔
15、。若选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔可获得透明陶瓷。 代表：Al2O3、MgO、BeO、GaAs、ZnS等。特点：耐高温、高透明度、高强度、高硬度、耐磨损、耐划伤。用途：高压钠灯（使用寿命最长的高效电光源）、防弹汽车的窗、坦克的观察窗等。,光导纤维,3）,从高纯度的二氧化硅或石英玻璃熔融体中，拉出直径约100 的细丝，称为石英玻璃纤维。这种纤维可使光损耗大为降低，称为光导纤维。,光纤通讯,理想光源：激光,光纤通讯与电波通讯,能提供更多的通讯通路，可满足大容量通讯系统的需要。,光导纤维,内芯 折射率较大,包层 折射率较小,从光导纤维一端入射的光，经内芯反复折射而传到末端。 光的传输距离与光损
16、耗大小有关 。光损耗大时需用中继器把衰减的信号放大。,实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强，这样既可提高光导纤维的强度，又增加通信容量。光缆优点：可节省大量有色金属，质量轻，体积小，结构紧凑，绝缘性能好，寿命长，输送距离长，保密性好，成本低。,生物陶瓷,4）,用途：人体器官、组织的修复和再造。条件：生物相容性好，对肌体无免疫排斥反应；血液相容性好，无溶血、凝血反应；不会引起代谢作用异常现象；对人体无毒，不会致癌。生物合金、生物高分子和生物陶瓷（惰性材料，耐腐蚀）。代表：氧化铝陶瓷、二氧化锆陶瓷、生物玻璃（CaO -Na2O-SiO2-P2O5）。,生物玻璃与骨结合时，先在植入体表
17、面形成富硅凝胶，然后转化成磷灰石晶体，在结合面形成有机和无机的复合层，保持很高的结合强度。羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2是骨组织的主要成分。陶瓷材料最大的弱点是性脆、韧性不足。,超导陶瓷,5）,1911年，Onnes发现汞在4.2 K附近，电阻突然下降为0，这种零电阻现象称为超导电性。电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度（Tc）。,低温超导材料,高温超导材料,室温超导材料,低温超导材料局限：用液氦做制冷剂才能呈现超导态。,1986年研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35 K，这是材料研究上的一次重大突破。,Y-Ba-CuO，90 K； Bi-Sr-C
18、a-CuO，120 K。,一定温度下，具有超导电性的物体称为超导体。,室温超导体的应用,a. 用超导材料输电，可将输电线上的电损耗降为0。b. 超导发电机。用超导材料制造发电机的线圈，可有效制止线圈的发热。c. 磁悬浮高速列车利用磁排斥作用。d. 可控热核聚变。,7.3.3 纳米陶瓷,陶瓷材料发展的三次飞跃,a. 由陶器发展到瓷器；b. 由传统陶瓷发展到精细陶瓷；c. 纳米材料的发现极好地解决了脆性问题。,纳米指合成的陶瓷粉体颗粒大小处于纳米级的陶瓷材料。纳米陶瓷具有延性和超塑性，被称为21世纪陶瓷。,习题：课后2. 3. 5. 7. 8.,纳米材料具有特殊的电、磁、热、力和化学等性质。纳米技术是指用单个原子或分子作材料建造物体的技术。做血管吻接手术：进入血管后，清除血管壁上的胆固醇，防止脑血栓。,微型机器人,
