材料科学基础简介.优秀PPT.ppt

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1、第一章第一章 材料科学基础简述材料科学基础简述第一节第一节 材料历史材料历史产生、发展与应用产生、发展与应用其次节其次节 材料的类别材料的类别第三节第三节 高分子材料的发展历程及新动向高分子材料的发展历程及新动向1 美美英英材材料料学学家家把把当当今今广广泛泛运运用用的的材材料料分分为为十十类类，以以金金属属、高高分分子子与与陶陶瓷瓷作作为为材材料料基基础础供供应应各各类类运运用用要要求求的的材材料料领领域。域。材材料料间间有有亲亲密密联联系系，有有很很多多基基础础共性。共性。2345气化转化甲醇煤炭CO、CO2、H2甲醛醋酸MTBE二甲醚甲烷氯化物MTOMTP聚甲醛、多聚甲醛、酚醛树脂、脲醛

2、树脂、氨基树脂、季戊四醇、新戊二醇、三羟甲基丙烷、乌洛托品、MDI等。醋酸酯、醋酸乙烯、聚乙烯醇、氯乙酸、醋酸酐、醋酸纤维素、PTA等。油品添加剂，提高辛烷值聚乙烯、环氧乙烷/乙二醇、苯乙烯/聚苯乙烯、聚氯乙烯、醋酸乙烯、乙丙橡胶、EVA树脂等。聚丙烯、环氧丙烷/丙二醇、聚醚多元醇、苯酚丙酮、丁辛醇、丙烯酸及酯、乙丙橡胶、异丙醇、丙烯腈、丙烯酰胺等。气雾剂、民用燃料和车用燃料（代替柴油）。甲醇燃料甲醇蛋白MMA/DMT车辆代用燃料等。畜禽饲料蛋白等。有机玻璃、MBS、涂料、PET树脂等。焦炉气甲醇制氢生产加氢产品等。甲醇燃料电池。甲醇制芳烃（MTA）。MTG气雾剂、民用燃料和车用燃料（代替柴油

3、）。电子清洗剂、制冷剂、有机硅和有机氟等。5 基本定义基本定义：材料是指；用于制造其材料是指；用于制造其它物品、器件、构件、机器或产品的它物品、器件、构件、机器或产品的那些物质。那些物质。衣、食、住、行是人类生存的基本需衣、食、住、行是人类生存的基本需求，材料则供应了人类生存的物质基求，材料则供应了人类生存的物质基础，也是当今一切科学技术的基础。础，也是当今一切科学技术的基础。6材料的运用是人类技术材料的运用是人类技术进步的标记进步的标记人类的进步是从运用工具起人类的进步是从运用工具起先的，而最早运用的工具是石先的，而最早运用的工具是石器。石器的运用代表了人类才器。石器的运用代表了人类才智的飞

4、跃。智的飞跃。石器石器-新石器新石器-青铜青铜-铁器铁器-电电子材料时代子材料时代100万年万年BC900030002500900AC19602000代表了人类文明史的不同阶段代表了人类文明史的不同阶段.78-9千年前，千年前，陶器出现，不陶器出现，不仅做器皿，而仅做器皿，而且做装饰品且做装饰品-促进了精神促进了精神文明的巨大发文明的巨大发展。在烧制过展。在烧制过程中发觉了铜、程中发觉了铜、锡锡-及其合金及其合金-青铜。青铜。89101.1.金属材料（金属材料（metalsmetals）1.11.1分类分类(1)(1)黑色金属材料主要是指钢铁材料。黑色金属材料主要是指钢铁材料。钢（钢（Stee

5、lSteel）按化学成分分碳素钢、合按化学成分分碳素钢、合金钢等；按品质分一般、优质、高级优质钢等；金钢等；按品质分一般、优质、高级优质钢等；按金相组织或组织结构分珠光体、贝氏体、马氏按金相组织或组织结构分珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分建筑工程、结构、工体和奥氏体钢等；按用途分建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢等；按冶炼方法分平炉、具、特殊性能、专业用钢等；按冶炼方法分平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢等。转炉、电炉、沸腾炉钢等。铸铁（铸铁（Cast ironCast iron）按石墨形态及性能又）按石墨形态及性能又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、分为灰铸铁、球墨铸铁、可

6、锻铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁等。特殊性能铸铁等。其次节其次节材料的类别材料的类别11(2)有色金属常分五大类：有色金属常分五大类：轻金属轻金属（4.58 g/cm3)，如铜、镍、铅、锌等贵贵金属金属 如金、银、铂、铑等；类类（半）金属（半）金属，如硅、硒、绅、硼等；稀有金属稀有金属，如钛、锂、钨、钼、镭等。121.2基本特性基本特性a.a.金属键，常规法生产的为晶体结构；金属键，常规法生产的为晶体结构；b.b.常温下固体熔点较高；常温下固体熔点较高；c.c.金属光泽；金属光泽；d.d.纯金属范性大、展性、延性大；纯金属范性大、展性、延性大；e.e.强度较强度较高；高；f.f.导热、导电性好；

7、导热、导电性好；g.g.空气中易氧化，空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改善金属性如钢、铁等生成氧化膜，合金可改善金属性能能,提高抗氧化。提高抗氧化。13金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而变更原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。141.3用途用途a.结结构构材材料料：如如机机床床、建建筑筑机机械械设设备备、工工程程交交通通工工具具；b.导导体体材材料料，电电线线芯芯（铜铜）c.工具等。工具等。15战机舰船导弹火箭人造卫

8、星战车高速列车汽车高层建筑162无机非金属材料（无机非金属材料（Inorganicnonmetals）2.1分类分类按成分，化学结构和用途分四大类：混凝按成分，化学结构和用途分四大类：混凝土（水泥）、玻璃（土（水泥）、玻璃（Glass）硅及耐火材料）硅及耐火材料（Silane）陶瓷（器）（）陶瓷（器）（Ceramics）。其中）。其中陶瓷又分为：传统陶瓷（自然硅酸盐矿陶瓷又分为：传统陶瓷（自然硅酸盐矿,粘土粘土烧制而成烧制而成,SilicateCeramics)和特种陶瓷和特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。碳化物）。1718192.2

9、 结构结构1 1、离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要、离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。离子而不是以原子为结合单元。20 一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合坚固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。2.共价键 两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“

10、共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。21图1.6SiO2中硅和氧原子间的共价键示意图共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为坚固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。222.2基本特性基本特性以陶瓷为例（其它有较大差别）以陶瓷为例（其它有较大差别）a.a.离子键、离子键、共价键及其混合键；共价键及其混合键；b.b.硬而脆；硬而脆；c.c.熔点高、熔点高、耐高温抗氧化耐高温抗氧化d.d.导热、导电性差；导热、导电性差；e.e.耐化学腐耐

11、化学腐蚀性性好；蚀性性好；f.f.耐磨；耐磨；g.g.成型方式为粉末制坏、成型方式为粉末制坏、烧制成型。三、用途烧制成型。三、用途 建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸等。工程陶瓷缸等。工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）、绝缘瓷瓶；功能陶瓷：磁性、导电耐腐蚀）、绝缘瓷瓶；功能陶瓷：磁性、导电材料。材料。233高分子材料：高分子材料事实上是高分子材料：高分子材料事实上是由高分子化合物经过加工和加入添加由高分子化合物经过加工和加入添加物而制成的。有机高分子化合物有自物而制成的。有机高分子化合物有自然与合成之分。如蛋白质、淀粉及纤然与合成之分。如蛋白

12、质、淀粉及纤维是自然界中生长的。叫自然高分子维是自然界中生长的。叫自然高分子化合物；而塑料、合成纤维及合成橡化合物；而塑料、合成纤维及合成橡胶则属于人工合成的，所以也叫合成胶则属于人工合成的，所以也叫合成高分子材料。高分子材料。24252627高分子科学的诞生与发展高分子科学的诞生与发展高分子科学是一门新兴的学科，是高分子科学是一门新兴的学科，是在人们长期的生产实践和科学试验在人们长期的生产实践和科学试验的基础上渐渐发展起来的。的基础上渐渐发展起来的。高分子科学的发展大致经验了以下高分子科学的发展大致经验了以下几个时期：几个时期：283.1.1 3.1.1 蒙蒙 昧昧 期期19世纪的中叶以前，

13、木材、棉、麻、丝、毛、漆、橡胶、皮革和各种树脂等自然高分子材料都已经在人们的生活和生产中得到了广泛的应用。有些加工方法变更了自然高分子的化学组成，如橡胶的硫化(1839)、皮革的揉制、棉麻的丝光处理，以及把自然纤维制成人造丝、赛璐珞(1868)等。尽管这些技术取得了重要的结果和丰富的阅历，然而，人们只知道运用、加工，不知道化学组成和结构。293.1.23.1.2萌萌 芽芽 期期自自1919世纪的后期，人们起先探讨自然世纪的后期，人们起先探讨自然高分子的化学组成、结构和形态学。高分子的化学组成、结构和形态学。还有意无意地合成了一批化合物。它还有意无意地合成了一批化合物。它们通常是粘稠的液体或无定

14、形粉末，们通常是粘稠的液体或无定形粉末，无法纯化和分析，被当作废物抛弃。无法纯化和分析，被当作废物抛弃。有些高分子化合物虽然得到应用，但有些高分子化合物虽然得到应用，但是人们只知道它是是人们只知道它是“材料材料”，并不知，并不知道它是道它是“高分子高分子”。30塑料的发觉塑料的发觉1869年31岁的印刷工人约翰海阿特独创赛璐珞1909年贝克兰独创酚醛树脂3118771877年，年，KekuleKekule就曾指出：绝就曾指出：绝大多数与生命干脆联系在一起的大多数与生命干脆联系在一起的自然有机物蛋白质、淀粉、纤维自然有机物蛋白质、淀粉、纤维素可以由很长的链组成，并且这素可以由很长的链组成，并且这

15、种特殊的结构确定它们具有特殊种特殊的结构确定它们具有特殊的性质。但被当时有机化学和胶的性质。但被当时有机化学和胶体化学的声音掩盖。体化学的声音掩盖。32当时，有机化学家可以娴熟地合成和提纯当时，有机化学家可以娴熟地合成和提纯小分子有机物，并分析它们的组成；精确地小分子有机物，并分析它们的组成；精确地测定它们的熔点、沸点和分子量等。但是，测定它们的熔点、沸点和分子量等。但是，当他们遇到高分子时，就手足无措了。这种当他们遇到高分子时，就手足无措了。这种粘糊糊的东西，不能用已往的手段提纯和分粘糊糊的东西，不能用已往的手段提纯和分析，它们不能升华和结晶，也没有固定的熔析，它们不能升华和结晶，也没有固定

16、的熔点和沸点，甚至连表征化合物的最重要的参点和沸点，甚至连表征化合物的最重要的参数数-分子量也捉摸不定。因此，有机化学分子量也捉摸不定。因此，有机化学家们认为这种物质不是纯粹的化合物，而是家们认为这种物质不是纯粹的化合物，而是由小分子通过由小分子通过“次价次价”力结合而成的聚集体，力结合而成的聚集体，有不少人认为这种物质的溶液是胶体体系。有不少人认为这种物质的溶液是胶体体系。3318931893年，年，FischerFischer将氨基酸逐将氨基酸逐个连接成多肽，制备了聚合度个连接成多肽，制备了聚合度为为3030的单分散多肽，证明多肽的单分散多肽，证明多肽是由很多氨基酸单元通过正常是由很多氨基

17、酸单元通过正常的的COCONHNH化学键相连而成化学键相连而成的线型长链分子，这一工作孕的线型长链分子，这一工作孕育了高分子学说的基本思想。育了高分子学说的基本思想。343.1.3.争争 鸣鸣 期期19201920年，年，H.Staudinger(H.Staudinger(德德)发表了他的划时代的发表了他的划时代的文献论聚合，提出了链结构模型。它们是由文献论聚合，提出了链结构模型。它们是由共价键联结起来的大分子，但分子的长度不完全共价键联结起来的大分子，但分子的长度不完全相同，所以不能用有机化学中相同，所以不能用有机化学中“纯粹化合物纯粹化合物”的的概念来理解大分子。这些大分子是很多同系物的概

18、念来理解大分子。这些大分子是很多同系物的混合物，它们彼此结构相像，性质差别很小，难混合物，它们彼此结构相像，性质差别很小，难以分别，平均分子量。以分别，平均分子量。“论聚合论聚合”中提出异戊二烯构成橡胶，葡萄糖构中提出异戊二烯构成橡胶，葡萄糖构成淀粉，纤维素。氨基酸构成蛋白质，都是以共成淀粉，纤维素。氨基酸构成蛋白质，都是以共价键彼此连接，提出高分子长链结构的概念。价键彼此连接，提出高分子长链结构的概念。35然而，由于高分子的降解和当时然而，由于高分子的降解和当时试验方法的粗糙，使分子量的测试验方法的粗糙，使分子量的测定不能重复，这又给那些胶体缔定不能重复，这又给那些胶体缔合论者找到了反对大分

19、子学说的合论者找到了反对大分子学说的借口。他们认为用溶液的依数性借口。他们认为用溶液的依数性所测得的不是溶质的分子量，而所测得的不是溶质的分子量，而是胶粒的重量，因胶粒不稳定，是胶粒的重量，因胶粒不稳定，所以结果不重复。这样，双方观所以结果不重复。这样，双方观点相持不下。点相持不下。36此后，人们改进了试验方法，通过渗透压，端此后，人们改进了试验方法，通过渗透压，端基分析法测定高分子化合物的分子量，所得结果基分析法测定高分子化合物的分子量，所得结果一样。用超离心机把含有蛋白质的胶体溶液在不一样。用超离心机把含有蛋白质的胶体溶液在不同的温度和不同的盐溶液中进行超离心分析时，同的温度和不同的盐溶液

20、中进行超离心分析时，证明分子量是均一的。电泳法探讨结果表明，对证明分子量是均一的。电泳法探讨结果表明，对于确定的蛋白质，每单位质量所带的电荷数总是于确定的蛋白质，每单位质量所带的电荷数总是相等的。另外，也成功地获得了尿素酶的结晶。相等的。另外，也成功地获得了尿素酶的结晶。这很多发觉都是用胶体缔合的理论所不能说明的。这很多发觉都是用胶体缔合的理论所不能说明的。因此，直到因此，直到19301930年初，人们才相识到在有机胶体年初，人们才相识到在有机胶体中所遇到的是真正的高分子。中所遇到的是真正的高分子。371932年，Staudinger提出了溶液粘度与分子量的关系式。并测定出大分子的分子量。通过

21、大量的试验事实，雄辩地证明白大分子的存在。30年头末期，高分子学说最终战胜了胶体缔合论。高分子（Macromolecule，Polymer）概念形成从今，高分子科学进入了大发展阶段。383.1.4.发发 展展 期期当高分子理论促进了合成高分子工当高分子理论促进了合成高分子工业的发展后，出现了一大批商品化业的发展后，出现了一大批商品化的合成材料，这些合成高分子（合的合成材料，这些合成高分子（合成材料）的出现，又为理论探讨供成材料）的出现，又为理论探讨供应了大量的试验依据和积累了丰富应了大量的试验依据和积累了丰富的数据，促进了高分子物理学的快的数据，促进了高分子物理学的快速发展。速发展。39303

22、04040年头，高物领域最有代表性的工作：年头，高物领域最有代表性的工作：WWKuhnKuhn、E.GuthE.Guth和和H.MarkH.Mark等把统计力学用于高分等把统计力学用于高分子链的构象统计，建立了橡胶高弹性统计理论子链的构象统计，建立了橡胶高弹性统计理论SvedbergySvedbergy用超离心技术测定蛋白质的分子量用超离心技术测定蛋白质的分子量19421942年，年，FloryFlory和和HugginsHuggins用似晶格模型推导出高分用似晶格模型推导出高分子溶液的热力学性质，理论上的说明白高分子稀溶液子溶液的热力学性质，理论上的说明白高分子稀溶液的依数性质的依数性质De

23、beyeDebeye和和ZimmZimm用光散射法探讨高分子溶液性质，测用光散射法探讨高分子溶液性质，测定了定了MwMw40发展期代表性工作发展期代表性工作Carothers 缩合聚合 尼龙-66 Ziegler（德）定向聚合 HDPENatta（意）改进催化剂 等规PPOstwald和Svedberg用扩散、沉降、粘度和浊度的测定，建立了高分子溶液定量探讨的基础Scherrer用X射线衍射探讨聚合物材料的聚集态结构4119491949年，年，FloryFlory和和FoxFox把热力学和流体把热力学和流体力学联系起来，使粘度、扩散、沉降力学联系起来，使粘度、扩散、沉降等宏观性质与分子的微观结

24、构有了联等宏观性质与分子的微观结构有了联系系TobolskyTobolsky，WilliamsWilliams等发展了粘弹性等发展了粘弹性理论理论WatsonWatson和和CrickCrick用用X X射线衍射法探讨高射线衍射法探讨高分子的晶系结构，于分子的晶系结构，于19531953年确定了脱年确定了脱氧核糖核酸的双螺旋结构。此后人们氧核糖核酸的双螺旋结构。此后人们发觉很多自然高分子和合成高分子都发觉很多自然高分子和合成高分子都具有这种奇妙的结构具有这种奇妙的结构 42此外，偏振红外吸取光谱，旋光色散，此外，偏振红外吸取光谱，旋光色散，核磁共振，示差热分析，在密度梯度核磁共振，示差热分析，

25、在密度梯度池中的沉降和扩散等聚合物鉴定的新池中的沉降和扩散等聚合物鉴定的新方法都得到了确定程度的发展。方法都得到了确定程度的发展。435050年头，高分子物理学基本形成年头，高分子物理学基本形成年头，高分子物理学基本形成年头，高分子物理学基本形成7070年头，高分子功能材料进入发展期：年头，高分子功能材料进入发展期：年头，高分子功能材料进入发展期：年头，高分子功能材料进入发展期：19691969聚偏氯乙烯压电性的发觉聚偏氯乙烯压电性的发觉聚偏氯乙烯压电性的发觉聚偏氯乙烯压电性的发觉与探讨与探讨与探讨与探讨1975-(-SN-)-1975-(-SN-)-超导性发觉；铁电超导性发觉；铁电超导性发觉

26、；铁电超导性发觉；铁电液晶的合成液晶的合成液晶的合成液晶的合成19771977聚乙炔膜合成方法及高导聚乙炔膜合成方法及高导聚乙炔膜合成方法及高导聚乙炔膜合成方法及高导电性发觉电性发觉电性发觉电性发觉1979(TMTSF)2PF21979(TMTSF)2PF2超导性发觉超导性发觉超导性发觉超导性发觉感光材料感光材料感光材料感光材料PVK-TNFPVK-TNF用于复印技术用于复印技术用于复印技术用于复印技术液晶显示工业化液晶显示工业化液晶显示工业化液晶显示工业化塑料光纤应用塑料光纤应用塑料光纤应用塑料光纤应用44 80 80年头导电高分子加工及应用年头导电高分子加工及应用大发展大发展 液晶显示器商

27、品化液晶显示器商品化 压电高分子用于传感器压电高分子用于传感器 分别膜技术进步分别膜技术进步 人工器官临床应用人工器官临床应用 铁电液晶空间光调制器铁电液晶空间光调制器 C60 C60的发觉，具有超导性，的发觉，具有超导性，非线性光学效应非线性光学效应45新动向：新动向：新动向：新动向：1.1.1.1.向生命现象靠拢向生命现象靠拢向生命现象靠拢向生命现象靠拢 2.2.2.2.更加精密更加精密更加精密更加精密化化化化我国我国我国我国1965196519651965年用人工合成的方法制成结晶牛年用人工合成的方法制成结晶牛年用人工合成的方法制成结晶牛年用人工合成的方法制成结晶牛胰岛素，这是世界上出现

28、的第一个人工合胰岛素，这是世界上出现的第一个人工合胰岛素，这是世界上出现的第一个人工合胰岛素，这是世界上出现的第一个人工合成的蛋白质成的蛋白质成的蛋白质成的蛋白质 高分子已不仅用作以力学特性为主的结构高分子已不仅用作以力学特性为主的结构高分子已不仅用作以力学特性为主的结构高分子已不仅用作以力学特性为主的结构材料，而且试图用作各种功能材料。探讨材料，而且试图用作各种功能材料。探讨材料，而且试图用作各种功能材料。探讨材料，而且试图用作各种功能材料。探讨高分子对电、光、热、化学变更等各种刺高分子对电、光、热、化学变更等各种刺高分子对电、光、热、化学变更等各种刺高分子对电、光、热、化学变更等各种刺激的

29、响应，以及开拓合成具备这些特性而激的响应，以及开拓合成具备这些特性而激的响应，以及开拓合成具备这些特性而激的响应，以及开拓合成具备这些特性而结构奇异的高分子的特殊反应也很热门。结构奇异的高分子的特殊反应也很热门。结构奇异的高分子的特殊反应也很热门。结构奇异的高分子的特殊反应也很热门。这样，高分子科学始终保持着年轻的活力这样，高分子科学始终保持着年轻的活力这样，高分子科学始终保持着年轻的活力这样，高分子科学始终保持着年轻的活力46至今高分子科学诺贝尔奖获得者至今高分子科学诺贝尔奖获得者H.Staudinger（德国）（德国）:把把“高分子高分子”这个概念引进这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶

30、液的粘度与分子量之间的科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系（关系（1953年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）K.Ziegler（德国）（德国）,G.Natta（意大利）（意大利）:乙烯、丙烯乙烯、丙烯配位聚合配位聚合（1963年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）P.J.Flory(美国）美国）:聚合反应原理、高分子物理性质与聚合反应原理、高分子物理性质与结构的关系（结构的关系（1974年诺贝尔奖）。年诺贝尔奖）。H.Shirakawa白川英树白川英树(日本日本),AlanG.MacDiarmid(美国美国),AlanJ.Heeger(美国美国)：对导电聚合物的发觉：对导电聚合物的发觉和发展（和发展（2000年诺贝尔奖）。年诺贝尔奖）。deGennes(法国法国)：软物质、普适性、标度、魔梯。：软物质、普适性、标度、魔梯。47