材料科學(xué)基礎(chǔ)簡介學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)(jch)簡介簡介第一頁，共48頁。2 美英材料學(xué)家美英材料學(xué)家把當(dāng)今廣泛使用把當(dāng)今廣泛使用的材料分為十類的材料分為十類，以金屬、高分，以金屬、高分子 與 陶 瓷 作 為子 與 陶 瓷 作 為(zuwi)材料基材料基礎(chǔ)提供各類使用礎(chǔ)提供各類使用要求的材料領(lǐng)域要求的材料領(lǐng)域。材料間有密切聯(lián)材料間有密切聯(lián)系，有許多基礎(chǔ)系，有許多基礎(chǔ)共性。共性。第1頁/共47頁第二頁，共48頁。3第2頁/共47頁第三頁，共48頁。4第3頁/共47頁第四頁，共48頁。55氣化(q hu)轉(zhuǎn)化甲醇(ji chn)煤炭(mitn) CO、CO2、H2甲醛醋酸MTBE二甲醚甲烷 氯 化物MT

2、OMTP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）

3、。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。第4頁/共47頁第五頁，共48頁。6衣、食、住、行是人類衣、食、住、行是人類(rnli)生存的生存的基本需求，材料則提供了人類基本需求，材料則提供了人類(rnli)生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今一切科學(xué)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)。技術(shù)的基礎(chǔ)。第5頁/共47頁第六頁，共48頁。7 材料的使用是人類技術(shù)材料的使用是人類技術(shù)進(jìn)步進(jìn)步(jnb)的標(biāo)志的標(biāo)志 人類的進(jìn)步人類的進(jìn)步(jnb)是從使用是從使用工具開始的，而最早使用的工工具開始的，而最早使用的工具是石器。石器的使用代表了具是石器。石器的使用代表了人

4、類智慧的飛躍。人類智慧的飛躍。 石器石器- 新石器新石器-青銅青銅-鐵器鐵器-電子材料時代電子材料時代100萬年萬年(wnnin)BC 90003000 2500900AC19602000代表了人類文明史的不同階段代表了人類文明史的不同階段. 第6頁/共47頁第七頁，共48頁。8 8-9千年前，千年前，陶器出現(xiàn)陶器出現(xiàn)(chxin)，不，不僅做器皿，而僅做器皿，而且做裝飾品且做裝飾品-促進(jìn)了精神文促進(jìn)了精神文明的巨大發(fā)展明的巨大發(fā)展。在燒制過程。在燒制過程中發(fā)現(xiàn)了銅、中發(fā)現(xiàn)了銅、錫錫-及其合金及其合金-青銅。青銅。第7頁/共47頁第八頁，共48頁。9第8頁/共47頁第九頁，共48頁。10第9頁

5、/共47頁第十頁，共48頁。111. 1. 金屬材料（金屬材料（metalsmetals） 1.11.1分類分類 (1) (1)黑色金屬材料主要是指鋼鐵材料。黑色金屬材料主要是指鋼鐵材料。 鋼（鋼（SteelSteel） 按化學(xué)成分分碳素鋼、合金鋼等；按按化學(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；按冶煉方法分平爐等；按冶煉方法分平

6、爐(pngl)(pngl)、轉(zhuǎn)爐、電爐、沸、轉(zhuǎn)爐、電爐、沸騰爐鋼等。騰爐鋼等。 鑄鐵（鑄鐵（Cast ironCast iron）按石墨形態(tài)及性能又分為灰鑄鐵）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、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵、特殊性能鑄鐵等。第二節(jié)第二節(jié) 材料材料(cilio)的類別的類別第10頁/共47頁第十一頁，共48頁。12(2)有色金屬有色金屬(jnsh)常分五大類：常分五大類：輕金屬輕金屬(jnsh)（4.58 g/cm3) ，如銅、鎳，如銅、鎳、鉛、鋅等貴金屬、鉛、鋅等貴金屬(jnsh) 如金、如金、銀、鉑、銠等；類（半）金屬銀、鉑、銠等；類

7、（半）金屬(jnsh)，如硅、硒、紳、硼等；，如硅、硒、紳、硼等；稀有金屬稀有金屬(jnsh)，如鈦、鋰、鎢、，如鈦、鋰、鎢、鉬、鐳等。鉬、鐳等。 第11頁/共47頁第十二頁，共48頁。131.2基本特性基本特性 a.金屬鍵，常規(guī)法生產(chǎn)的為晶體結(jié)構(gòu)；金屬鍵，常規(guī)法生產(chǎn)的為晶體結(jié)構(gòu)；b.常溫下固體熔點較高；常溫下固體熔點較高；c.金屬光澤；金屬光澤；d.純金屬范性大、展性、延性大；純金屬范性大、展性、延性大；e.強(qiáng)強(qiáng)度較高；度較高；f.導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好；導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好；g.空氣空氣(kngq)中易氧化，如鋼、鐵等生成氧中易氧化，如鋼、鐵等生成氧化膜，合金可改善金屬性能化膜，合金可改善金屬性能,提高

8、抗氧提高抗氧化?；５?2頁/共47頁第十三頁，共48頁。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(ybn)都具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。第13頁/共47頁第十四頁，共48頁。151.3用途用途 a.結(jié)構(gòu)材料：如機(jī)床、建筑機(jī)械設(shè)備、工結(jié)構(gòu)材料：如機(jī)床、建筑機(jī)械設(shè)備、工程交通工具；程交通工具；b.導(dǎo)體導(dǎo)體(dot)材料，電線芯（材料，電線芯（銅）銅）c.工具等。工具等。第14頁/共47頁第十五頁，共48頁。16金屬材料

9、的金屬材料的主要主要(zhyo)應(yīng)用領(lǐng)域應(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第15頁/共47頁第十六頁，共48頁。172無機(jī)非金屬材料（無機(jī)非金屬材料（Inorganic nonmetals）2.1分類分類(fn li) 按成分，化學(xué)結(jié)構(gòu)和用途分四大類：混凝按成分，化學(xué)結(jié)構(gòu)和用途分四大類：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）。其中陶）。其中陶瓷又分為：傳統(tǒng)陶瓷（天然硅酸鹽礦瓷又分為：傳統(tǒng)陶瓷（天然硅酸鹽礦,粘土燒粘土燒制而成制而成,Silicate Ceramics)和特

10、種陶瓷（人工和特種陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。第16頁/共47頁第十七頁，共48頁。18第17頁/共47頁第十八頁，共48頁。19第18頁/共47頁第十九頁，共48頁。202.2 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1、離子鍵：大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要、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是以離子鍵的方式結(jié)合。離子鍵鍵合的基本特點是以離子而不是以離子而不是(b shi)以原子為結(jié)合單元。以原子為結(jié)合單元。 第19頁/共47頁第二十頁，共48頁。21 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

11、和硬度均較高。另外，在離子晶體中很難產(chǎn)生自由運動的電子，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是核外電子云達(dá)到最大的重疊，形成“共用電子對”，有確定(qudng)的方位，且配位數(shù)較小。 第20頁/共47頁第二十一頁，共48頁。22圖1.6 SiO2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(jih)極為牢

12、固，故共價晶體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點高、質(zhì)硬脆等特點。共價形成的材料一般是絕緣體，其導(dǎo)電性能差。第21頁/共47頁第二十二頁，共48頁。232.2基本特性基本特性 以陶瓷為例（其它有較大差別）以陶瓷為例（其它有較大差別）a.離子離子鍵、共價鍵及其混合鍵；鍵、共價鍵及其混合鍵； b.硬而脆；硬而脆； c.熔熔點高、耐高溫抗氧化點高、耐高溫抗氧化d.導(dǎo)熱、導(dǎo)電性差；導(dǎo)熱、導(dǎo)電性差； e.耐化學(xué)腐蝕性性好；耐化學(xué)腐蝕性性好；f.耐磨；耐磨；g.成型方式成型方式為粉末制壞、燒制成型。三、用途為粉末制壞、燒制成型。三、用途 建筑衛(wèi)建筑衛(wèi)生陶瓷：瓷磚、浴缸等。工程陶瓷生陶瓷：瓷磚、浴缸等。工程陶瓷 工程結(jié)工程

13、結(jié)構(gòu)陶瓷：反應(yīng)釜（耐酸、耐腐蝕）、絕緣構(gòu)陶瓷：反應(yīng)釜（耐酸、耐腐蝕）、絕緣(juyun)瓷瓶；功能陶瓷：磁性、導(dǎo)電材瓷瓶；功能陶瓷：磁性、導(dǎo)電材料。料。第22頁/共47頁第二十三頁，共48頁。243高分子材料：高分子材料實際上是由高分子材料：高分子材料實際上是由高分子化合物經(jīng)過加工和加入添加物高分子化合物經(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)、淀粉及纖維與合成之分。如蛋白質(zhì)、淀粉及纖維是自然界中生長是自然界中生長(shngzhng)的。叫的。叫天然高分子化合物；而塑料、合成纖天然高分子化合物；而塑料、合成纖維及合成橡膠則屬于人工

14、合成的，所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。以也叫合成高分子材料。 第23頁/共47頁第二十四頁，共48頁。25第24頁/共47頁第二十五頁，共48頁。26第25頁/共47頁第二十六頁，共48頁。27第26頁/共47頁第二十七頁，共48頁。28高分子科學(xué)的誕生高分子科學(xué)的誕生(dnshng)(dnshng)與發(fā)展與發(fā)展高分子科學(xué)是一門新興的學(xué)科，是高分子科學(xué)是一門新興的學(xué)科，是在人們長期的生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗在人們長期的生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展(fzhn)起來的起來的。高分子科學(xué)的發(fā)展高分子科學(xué)的發(fā)展(fzhn)大致經(jīng)大致經(jīng)歷了以下幾個時期：歷了以下

15、幾個時期：第27頁/共47頁第二十八頁，共48頁。29蒙蒙 昧昧 期期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)(huxu)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，然而，人們只知道使用、加工，不知道化學(xué)(huxu)組成和結(jié)構(gòu)。第28頁/共47頁第二十九頁，共48頁。30萌萌 芽芽 期期自自1919世紀(jì)的后期，人們開始研究天然高分世紀(jì)的后期，人們開始研究天然高分子的化學(xué)組

16、成子的化學(xué)組成(z chn(z chn) )、結(jié)構(gòu)和形態(tài)、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，但是人們只知道子化合物雖然得到應(yīng)用，但是人們只知道它是它是“材料材料”，并不知道它是，并不知道它是“高分子高分子”。第29頁/共47頁第三十頁，共48頁。311869年31歲的印刷工人(gng rn)約翰海阿特發(fā)明賽璐珞1909年貝克蘭發(fā)明(fmng)酚醛樹脂第30頁/共47頁第三十一頁，共4

17、8頁。32第31頁/共47頁第三十二頁，共48頁。33第32頁/共47頁第三十三頁，共48頁。34第33頁/共47頁第三十四頁，共48頁。35 爭爭 鳴鳴 期期19201920年，年，H.Staudinger(H.Staudinger(德德) )發(fā)表了他的劃時代的發(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)中相同，所以不能用有機(jī)化學(xué)中“純粹化合物純粹化合物”的的概念來理解大分子。這些概念來理解大分子。這些(zhxi)(zhxi)大分子是許

18、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。別很小，難以分離，平均分子量?！罢摼酆险摼酆稀敝刑岢霎愇於?gòu)成橡膠，葡萄糖構(gòu)中提出異戊二烯構(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。價鍵彼此連接，提出高分子長鏈結(jié)構(gòu)的概念。第34頁/共47頁第三十五頁，共48頁。36第35頁/共47頁第三十六頁，共48頁。37第36頁/共47頁第三十七頁，共48頁。38第37頁/共47頁第三十八頁，共48頁。39發(fā)發(fā) 展展 期期當(dāng)高分子理

19、論促進(jìn)當(dāng)高分子理論促進(jìn)(cjn)(cjn)了合了合成高分子工業(yè)的發(fā)展后，出現(xiàn)了一成高分子工業(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)，又為高分子（合成材料）的出現(xiàn)，又為理論研究提供了大量的實驗依據(jù)和理論研究提供了大量的實驗依據(jù)和積累了豐富的數(shù)據(jù)，促進(jìn)積累了豐富的數(shù)據(jù)，促進(jìn)(cjn)(cjn)了高分子物理學(xué)的迅速了高分子物理學(xué)的迅速發(fā)展。發(fā)展。第38頁/共47頁第三十九頁，共48頁。40第39頁/共47頁第四十頁，共48頁。41發(fā)展期代表性工作發(fā)展期代表性工作(gngzu)(gngzu)Carothers 縮合聚合(jh) 尼龍-66 Ziegler（德） 定向聚合(jh) 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(jh)物材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)第40頁/共47頁第四十一頁，共48頁。42第41頁/共47頁第四十