材料物理化学1课件.ppt

,绪论,INTRODUCTION,?,什么是材料,?,?,材料与人类文明,?,什么是材料科学？,?,?,0.1,材料分类,0.2,组成,-,结构,-,性质,-,工艺过程之间的关系,什么是材料,?,世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。,材料是具有一定性能，可以用来制作器件、,构件、工具、装置等物品的物质。材料存,在于我们的周围，与我们的生活、我们的,生命息息相关。材料是人类文明、社会进,步、科技发展的物质基础。,材料与人类文明,材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物,质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青铜器、,铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器,时代、青铜器时代和铁器时代。在近代，材料的种类,及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来,代表当今时代的特征。,第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽,机,，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，,蒸汽机才得以使用并逐步推广。,第二次产业革命一直延续到,20,世纪中叶，,以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力,发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产,业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合,金以及各种非金属材料的发展。,?,材料是当代文明的三大支柱之一,材料、能源、信息,是当代社会文明和国,民经济的三大支柱，是人类社会进步和科,学技术发展的物质基础和技术先导。,?,材料是全球新技术革命的,四大标志,之一,（,新材料技术、新能源技术、信息技术、,生物技术,）。,什么是材料科学？,材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、,热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边,缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、,X-,射线衍射、,热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的,组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、,化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共,性的一门学科。,材料科学基础课程的教学内容,材料科学基础课程是材料科学与工程专业的重要,的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律，,即材料的组成,-,形成（工艺）条件,-,结构,-,性能,-,材料用,途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材料种,类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表面,与界面、相图、扩散、相变、固相反应及烧结等基础,知识。,0.1,材料分类,?,0.1.1,材料按化学组成（或基本组成）分类,0.1.2,根据材料的性能分类,0.1.3,材料按服役的领域来分类,0.1.4,材料按结晶状态分类,0.1.5,材料按材料的尺寸分类,?,?,?,?,?,按,物理性质,可分为：导电材料、绝缘材料、半,导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、,高温材料、超硬材料等。,?,按,物理效应,分为：压电材料、热电材料、铁电,材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、,声光材料、激光材料等。,?,按,用途,分为：电子材料、电工材料、光学材料、,感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建,筑材料、结构材料、包装材料等。,0.1.1,按化学组成（或基本组成）分类,1.,金属材料,2.,无机非金属材料,3.,高分子材料（聚合物）,4.,复合材料,1.,金属材料,金属材料是由化学元素,周期表中的金属元素组成的,材料。可分为由一种金属元,素构成的单质（纯金属）；,由两种或两种以上的金属元,素或金属与非金属元素构成,的合金。合金又可分为固溶,体和金属间化合物。,2.,无机非金属材料,无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸,盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼,化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备,而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的,总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材,料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。,一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机,非金属材料两大类。,传统的无机非金属材料,主,要是指由,SiO,2,及其硅酸盐化合,物为主要成分制成的材料，包,括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材,料等。此外，搪瓷、磨料、铸,石（辉绿岩、玄武岩等）、碳,素材料、非金属矿（石棉、云,母、大理石等）也属于传统的,无机非金属材料。,先进（或新型）无机非金属材料,是用,氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、,硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的,先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、,非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤,维等。,传统的无机非金属材料之一：陶瓷,陶瓷按其概念和用途不,同，可分为两大类，即,普通,陶瓷,和,特种陶瓷,。,根据陶瓷坯体结构及其基,本物理性能的差异，陶瓷制,品可分为,陶器,和,瓷器,。,?,普通陶瓷,即传统陶瓷，是指以粘土为主,要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混,练、成型、煅烧等过程而制成的各种制,品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶,瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶,瓷。,?,特种陶瓷,是用于各种现代工业及尖端科,学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷,和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、,高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高,刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷,主要包括电磁功能、光学功能、生物功,能、核功能及其它功能的陶瓷材料。,常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、,碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。,功能陶瓷包括,:,装置瓷（即电绝缘瓷）、电,容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧,体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又,称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、,导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、,化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能,陶瓷等。,?,根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，,陶瓷制品可分为,陶器,和,瓷器,。陶器包括粗陶,器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏,松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙,无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。,传统的无机非金属材料之二：玻璃,玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成,网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐,玻璃等，其网络形成剂分为,SiO,2,、,B,2,O,3,和,P,2,O,5,。习惯上玻,璃态材料可分为,普通玻璃,和,特种玻璃,两大类。,普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。,普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃,和玻璃纤维等。,特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高,纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件,下或严格控制,形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。,特种玻璃包括,SiO,2,含量在,85%,以上或,55%,以下的硅,酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、,锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、,金属玻璃等）以及光学纤维等。,根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻,璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻,非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、,璃等。,传统的无机非金属材料之三：水泥,水泥是指加入适量,水后可成塑性浆体，既能,在空气中硬化又能在水中,硬化，并能够将砂、石等,材料牢固地胶结在一起的,细粉状水硬性材料。,水泥的种类很多，按其用途和性能可,分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大,类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可,分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水,泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材,料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一,百多种。,?,通用水泥,为大量土木工程所使用的一般用途的,水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣,硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅,酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。,?,专用水泥,指有专门用途的水泥，如油井水泥、,砌筑水泥等。,?,特性水泥,则是某种性能比较突出的一类水泥，,如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中,热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝,酸盐水泥等。,传统的无机非金属材料之四：耐火材料,耐火材料是指耐火度不低于,1580,的无机非,金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽,管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即,耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，,以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受,相应的物理化学变化及机械作用。,大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、,硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。,3.,有机高分子材料（高聚物）,高聚物是由一种或几种简单低,分子化合物经聚合而组成的分子量,很大的化合物。高聚物的种类繁多，,性能各异，其分类的方法多种多样。,按高分子材料,来源,分为天然高分子,材料和合成高分子材料；按材料的,性能和用途,可将高聚物分为橡胶、,纤维、塑料和胶粘剂等。,4.,复合材料,复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不,同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本,相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的,增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起,承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）,的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通,过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备,的许多优良性能。,复合材料的种类繁多，目前还没有统,一的分类方法，下面根据复合材料的三要素,来分类。按,基体材料,分类，有金属基复合材,料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合,材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；,按,增强剂形状,可分为粒子、纤维及层状复合,材料；依据复合材料的性能可分为结构复合,材料和功能复合材料。,0.1.2,根据材料的性能分类,根据材料在外场作用下其性质或性能,对外场的响应不同，材料可分为,结构材,料,和,功能材料,。,?,结构材料,是指具有抵抗外场作用而保持自己,的形状、结构不变的优良力学性能（强度和,韧性等），用于结构目的的材料。这种材料,通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、,桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、,建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普,通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构,材料（一般结构材料）以及高温合金、结构,陶瓷等高级结构材料。,?,功能材料,是具有优良的电学、磁学、光,学、热学、声学、力学、化学和生物学,功能及其相互转化的功能，被用于非结,构目的的高技术材料。,0.1.3,材料按服役的领域来分类,根据材料服役的技术领域可分为,信息,材料,、,航空航天材料,、,能源材料,、,生物,医用材料,等。,0.1.4,材料按结晶状态分类,?,单晶材料,是由一个比较完整的晶粒构成的材,料，如单晶纤维、单晶硅；,?,多晶材料,是由许多晶粒组成的材料，其性能,与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。,?,非晶态材料,是由原子或分子排列无明显规律,的固体材料，如玻璃、高分子材料。,0.1.5,按材料的尺寸分类,材料按材料的尺寸可分为零维材料、,一维材料、二维材料、三维材料。,?,零维材料,即超微粒子，通过,Sol-gel,法、多,相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级,的陶瓷或金属粉末，大小,1,100nm,的超微粒,比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面,能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、,强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变,为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成,为高效微波吸收材料）。,?,一维材料,，如光导纤维由于其信息传输量远,比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的,保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材,料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增,强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、,陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶,须。,?,二维材料（薄膜），,如金刚石薄膜、高温超导薄,膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外,界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，,完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝,缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作,为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调,幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于,环保或表面改性的保护膜。,?,三维材料,即块状材料。,0.2,组成,-,结构,-,性质,-,工艺过程之间的,关系,使用效能,组,成,与,结,构,（,工程,）,性质,（,化学,）,（,物理学,）,合成与制备过程,图,组成,-,结构,-,性质,-,工艺过程之间关系示意,图,材料的,性质,是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的,反应，主要决定于材料的组成与结构。,使用效能,是材料在使用状态下表现的行为，它与材料,设计、工程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐用性、,寿命预测及延寿措施等。,合成与制备,过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力,加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新,工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。,材料科学与工程,科学方面,偏重于研究材料的,合成与制备、组成与结构、,性能与使用效能,各组员本身及其相互间关系的规,律；,工程方面,着重与研究如何利用这些规律性的研究成果,以新的或更有效的方式,开发并生产出材料,，,提高材料的使用效能，以满足社会的需要。,工程研究中还应包括,材料制备与表征所需的仪器、设备的设计与,制造。,在材料科学与工程的发展中，科学与工程彼,此密切结合，构成一个学科整体。,1.,合成与制备,合成,指促使原子、分子结合而构成材料,的化学与物理过程。合成的研究既包括有,关,寻找新合成方法,的科学问题，也包括以,适当的数量和形态,合成材料的技术问题,；,既包括,新材料的合成,，也应包括,已,有材料,的新合成方法,（如溶胶,-,凝胶法）及其,新,形态,（如纤维、薄膜）的合成。,制备,研究如何控制原子与分子使之构成,有用的材料。这一点是与合成相同的，但制,备还包括在更为,宏观的尺度,上或以更大的规,模控制材料的结构，使之具备所需的性能和,适用效能，,即包括材料的,加工、处理、装,配和制造,。,简而言之，合成与制备就是将原子、分子聚,合起来并最终转变为有用产品的一系列连续,过程。,把合成制备简单的与工艺等同起来而忽略其基,础研究的科学内涵，是不恰当的！,在合成与制备中工程性的研究固然重要，,基础,研究也不应忽视,。对材料合成与制备的动力学过程,的研究可以,揭示过程的本质,，为改进制备方法建立,新的制备技术提供科学基础。,以晶体材料为例,在晶体生产中如果不了解,原料合成与生产各阶段发生的物理化学过程、热量,与质量的传输、固液界面的变化和缺陷的生成以及,环境参数对这些过程的影响，就不可能建立并掌握,生长参数优化的制备方法，生长出具有所需组成、,完整性、均匀性和物理性的晶体材料。,以陶瓷材料为例,陶瓷材料的最严重的问题是可靠性差，原因是,制备过程落后以致材料的微结构和特性缺少均匀性,和重复性,。研究结果已表明，若粉料在材料制备中,发生团聚，则材料难免出现分布不均匀的气孔从而,导致性能不均一。,为提高材料的可靠性，必须对制备过程中的每,阶段所发生的化学、物理变化认真加以研究并做出,必要的表征,。,陶瓷材料中颗粒间界的强度远远低于颗粒或晶,粒本身的强度。,为了提高材料强度，对颗粒间晶界结构、本质,和在制备中的变化过程以及这些过程如何受制备条,件的影响，进行基础性的研究，是极其重要的。,2.,组成与结构,组成,指构成材料物质的原子、分子及,其分布；除主要组成以外，,杂质,及对无机非,金属材料结构与性能有重要影响的微量添加,物亦不能忽略。,结构,则指组成原子、分子在不同层次上,彼此结合的形式、状态和空间分布，包括,原,子与电子结构,、,分子结构、晶体结构、相结,构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构,等,；,在尺度上则包括,纳米以下,、,纳米、微米、,毫米及更宏观的结构层次,。,了解材料的,组成与结构,及它们同,合成,与制备,之间、,性能与使用效能,之间的内,在联系，一直是,无机非金属材料科学与,工程,的基本研究内容,。,0.3,材料物理化学的研究方法,1,、材料物理化学的性质：,研究材料科学与工程涉及的各种物质,聚集状态的结构和结构变化，以及结构,对性能的决定作用。,2,、基本思路：,决定,决定,化学组成,结构,性能,