材料化學(xué)講稿第一章緒論2007

第一章緒論1.1材料的發(fā)展歷史及在現(xiàn)代社會中的重要地位材料是社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類進步程度的主要標(biāo)志，所以人類社會的進步以材料作為里程碑?？v觀人類發(fā)現(xiàn)和利用材料的歷史，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和廣泛利用，都會把人類支配和改造然的能力提高到一個新水平。給社會生產(chǎn)力和人類生活水平帶來巨大的變化，把人類的物質(zhì)文明和精神文明向前推進一步。一百萬年以前，人類開始用石頭做工具，進入舊石器時代。大約一萬年以前，人類開始對石頭進行加工制成精致的器皿或工具，人類進入新石器時代。石器時代人類開始用皮毛遮身8000年前中國開始用蠶絲做衣服4500年前印度人開始種植棉花標(biāo)志著人類使用材料促進文明進步公元前2700年，中國已經(jīng)使用青銅器，至今約5000年的歷史，到商周(公元前17世紀(jì)到公元前3世紀(jì))進入了鼎盛時期，如河南安陽出土的達875kg的鼎、湖北隋縣的編鐘、西安青銅車馬都充分反映了當(dāng)時中國冶金技術(shù)水平和制造工藝的高超。陶器的出現(xiàn)是對精神文明的一大促進，歷史上雖無陶器時代的名稱，但其對人類文明的貢獻是不可估量的。燒制陶器過程中偶然發(fā)現(xiàn)金屬銅和錫，進而又生產(chǎn)出色澤鮮艷、又能澆鑄成型的青銅器，從而使人類進入青銅時代。當(dāng)然那時還不明白這是銅、錫的氧化物在高溫下被炭還原的產(chǎn)物大約在8000~9000年前，人類還處于新石器時代，已發(fā)明了用粘土成型，再火燒固化而成為陶器。希臘在公元前3000年前，埃及在公元前2500年前，巴比侖在公元前19世紀(jì)中葉，印度大約在公元前3000年已廣泛使用青銅器。這是人類大量利用金屬的開始，也是人類文明發(fā)展的重要里程碑。公元前13~14世紀(jì)前，人類已開始用鐵，3000年前鐵工具比青銅工具更為普遍，人類開始進入了鐵器時代。中國最早出土的人工冶鐵制品約在公元前9世紀(jì)。到春秋(公元前770~476年)末期，生鐵技術(shù)有較大突破，遙遙領(lǐng)先于世界其他地區(qū)，如用生鐵退火而制成韌性鑄鐵及以生鐵煉鋼技術(shù)的發(fā)明，促進了中國生產(chǎn)力的大發(fā)展，對戰(zhàn)國和秦漢農(nóng)業(yè)、水利和軍事的發(fā)展起到很大作用。早在公元二世紀(jì)中國的鋼和絲綢已馳名羅馬帝國。生鐵技術(shù)在公元前5世紀(jì)即春秋末葉已經(jīng)在黃河長江流域傳播。生鐵技術(shù)于公元6~7世紀(jì)傳人朝鮮半島、日本和北歐，推動了整個世界文明的進步。18世紀(jì)發(fā)明了蒸汽機，19世紀(jì)發(fā)明了電動機，對金屬材料提出了更高要求，同時對鋼鐵冶金技術(shù)產(chǎn)生了更大的推動作用。1854年和1864年先后發(fā)明了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼，使世界鋼產(chǎn)量有一個飛速發(fā)展。1850年世界鋼產(chǎn)量為6萬噸，1890年達2800萬噸，大大促進了機械制造、鐵道交通及紡織工業(yè)的發(fā)展。電爐冶煉開始，不同類型的特殊鋼相繼問世1887年高錳鋼1900年18-4-1(W18Cr4V)高速鋼1903年硅鋼及1910年奧氏體鎳鉻(Crl8Ni8)不銹鋼，把人類帶進了現(xiàn)代物質(zhì)文明。銅、鋁得到大量應(yīng)用，鎂、鈦和很多稀有金屬也相繼出現(xiàn)，金屬材料在整個20世紀(jì)占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料的主導(dǎo)地位。有機化學(xué)的發(fā)展，19世紀(jì)末葉西方科學(xué)家仿制中國絲綢發(fā)明了人造絲，這是人類改造自然材料的又一里程碑。20世紀(jì)初，人工合成有機高分子材料相繼問世。1909年的酚醛樹脂(電木)，1920年的聚苯乙烯，1931年的聚氯乙烯1941年的尼龍等，性能優(yōu)異，資源豐富、建設(shè)投資少、收效快而得到迅速發(fā)展。目前世界三大有機合成材料(樹脂、纖維和橡膠)年產(chǎn)量逾億噸。而且有機材料的性能不斷提高，附加值大幅度增加，特別是特種聚合物正向功能材料各個領(lǐng)域進軍，顯示其巨大的潛力。陶瓷本來用作建筑材料、容器或裝飾品等。由于其資源豐富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐磨等特點，到了20世紀(jì)中葉，通過合成及其他制備方法，做出各種類型的先進陶瓷(如Si3N4、SiC、ZrO2等)，成為近幾十年來材料中非?；钴S的研究領(lǐng)域，有人甚至認為“新陶器時代’’即將到來。由于其脆性問題難以解決，且價格過高，作為結(jié)構(gòu)材料沒有得到如鋼鐵或高分子材料一樣的廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料是20世紀(jì)后期發(fā)展的另一類材料。天然材料很多是復(fù)合材料，如木材、皮革、竹子等。人類很早就制造復(fù)合材料，如泥巴中混入碎麻或麥稈用以建造房屋，鋼筋水泥是脆性材料和韌性材料的復(fù)合。近幾十年來，利用樹脂的易成型和金屬韌性好，無機非金屬的高模量、高強度、耐高溫，做成了樹脂基復(fù)合材料或金屬基復(fù)合材料，前者已得到廣泛應(yīng)用，后者以其制作困難、價格高而受到一定限制。為了改善陶瓷的性能，也制成陶瓷基復(fù)合材料。碳是使用溫度最高的材料(可達2500℃),為了克服熱震性能差，并提高其力學(xué)性能而制出的碳—碳復(fù)合材料已廣泛用于軍工，并擴展到民用。自19世紀(jì)中葉，現(xiàn)代煉鋼技術(shù)出現(xiàn)以后，金屬材料的重要性急劇增加，一直到20世紀(jì)中葉，人工合成有機材料、陶瓷材料及先進復(fù)合材料迅速發(fā)展，金屬材料的重要性逐漸下降，但一直到21世紀(jì)上半葉，金屬材料仍將占重要位置。功能材料自古就受到重視，早在戰(zhàn)國(公元前3世紀(jì))已利用天然磁鐵礦來制造司南，到宋代用鋼針磁化制出了羅盤，為航海的發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)。功能材料是信息技術(shù)及自動化的基礎(chǔ)，特別是半導(dǎo)體材料出現(xiàn)以后，加速了現(xiàn)代文明的發(fā)展，1947年發(fā)明了第一只具有放大作用的晶體管，10余年后又研制成功集成電路，使以硅材料為主體的計算機的功能不斷提高，體積不斷縮小，價格不斷下降，加之高性能的磁性材料不斷涌現(xiàn)，激光材料與光導(dǎo)纖維的問世，使人類社會進入了信息時代。因為硅是微電子技術(shù)的關(guān)鍵材料，所以有人稱之為“硅片為代表的電子材料時代”，再一次說明材料對人類文明起了關(guān)鍵的作用?！安牧稀笔窃缫汛嬖诘拿~，但“材料科學(xué)”的提出只是20世紀(jì)60年代初的事。1957年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，美國朝野上下為之震驚，認為自己落后的主要原因之一是先進材料落后，于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個材料研究中心。

1.2材料科學(xué)的形成與內(nèi)涵采用先進的科學(xué)理論與實驗方法對材料進行深入的研究，取得重要成果。從此，“材料科學(xué)”這個名詞便開始流行?！安牧峡茖W(xué)”的形成實際是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。材料科學(xué)所包括的內(nèi)容往往被理解為研究材料的組織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，探索自然規(guī)律。這屬于基礎(chǔ)研究。材料是面向?qū)嶋H、為經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)的，是一門應(yīng)用科學(xué)，研究與發(fā)展材料的目的在于應(yīng)用，而材料又必須通過合理的工藝流程才能制備出具有實用價值的材料來，通過批量生產(chǎn)才能成為工程材料。在“材料科學(xué)”這個名詞出現(xiàn)后不久，就提出了“材料科學(xué)與工程”。工程是指研究材料在制備過程中的工藝和工程技術(shù)問題。許多大學(xué)的冶金系、材料系也就此改變了名稱，多數(shù)改為“材料科學(xué)與工程系”，偏重基礎(chǔ)方面的就稱“材料科學(xué)系”，偏重工藝方面的稱“材料工程系”。也有不肯放棄“冶金”而稱為“冶金與材料科學(xué)系”的，如英國的劍橋大學(xué)。同時，有關(guān)材料科學(xué)或材料科學(xué)與工程方面的雜志和書籍也應(yīng)運而生。第一部《材料科學(xué)與工程百科全書》由美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家主編，由英國Pergamon自1986年陸續(xù)出版。它對材料科學(xué)與工程下的定義為：材料科學(xué)與工程就是研究有關(guān)材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途的關(guān)系的知識的產(chǎn)生及其運用。換言之，材料科學(xué)與工程是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、材料性能與使用效能以及它們之間的關(guān)系。組成與結(jié)構(gòu)(composition-structure)、合成與生產(chǎn)過程(synthesis-processing)、性質(zhì)(properties)及使用效能(performance)稱之為材料科學(xué)與工程的四個基本要素(basicelements)。把四要素連結(jié)在一起，便形成一個四面體(tetrahedron)?？紤]在四要素中的組成／結(jié)構(gòu)并非同義詞，即相同成分或組成通過不同的合成或加工方法，可以得出不同結(jié)構(gòu)，從而材料的性質(zhì)或使用效能都不會相同。我國有人提出一個五個基本要素的模型，即成分(composition)、合成/加工(synthesis/processing)結(jié)構(gòu)(structure)性質(zhì)(properties)使用效能(performance)。如果把它們連接起來，則形成一個六面體(hexahedron)。材料科學(xué)與工程五要素模型的特點主要有兩個：一是性質(zhì)與使用效能有一個特殊的聯(lián)系，材料的使用效能便是材料性質(zhì)在使用條件下的表現(xiàn)。環(huán)境對材料性能的影響很大，如受力狀態(tài)、氣氛、介質(zhì)與溫度等。有些材料在一般環(huán)境下的性能很好，而在腐蝕介質(zhì)下性能卻下降顯著；有的材料在光滑樣品時表現(xiàn)很好，而在有缺口的情況下性能大為下降，特別有些高強度材料表現(xiàn)尤為突出，但凡有一個劃痕，就會造成災(zāi)害性破壞。因此，環(huán)境因素的引入對工程材料來說十分重要。二是材料理論和材料設(shè)計或工藝設(shè)計有了一個適當(dāng)位置，它處在六面體的中心。因為五個要素中的每一個要素，或幾個相關(guān)要素都有其理論，根據(jù)理論建立模型(modelling)，通過模型可以進行材料設(shè)計或工藝設(shè)計，以達到提高性能及使用效能、節(jié)約資源、減少污染或降低成本的最佳狀態(tài)。這是材料科學(xué)與工程最終努力的目標(biāo)。人們設(shè)想提出性能指標(biāo)或使用效能要求，可以通過材料配方，采用最佳工藝，就可制備出符合要求的材料或器件。一是：多學(xué)科交叉。是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷、高分子化學(xué)及計算科學(xué)相互融合與交叉的結(jié)果，如生物醫(yī)用材料要涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及現(xiàn)代分子生物學(xué)等學(xué)科。二是：與實際使用結(jié)合非常密切的科學(xué)。發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開發(fā)新材料，提高材料的性能和質(zhì)量，合理使用材料，同時降低材料成本和減少污染。材料科學(xué)有三個重要屬性：三是：材料科學(xué)是一個正在發(fā)展中的科學(xué)。不像物理學(xué)、化學(xué)已經(jīng)有一個很成熟的體系，材料科學(xué)將隨各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到充實和完善。1.3先進材料是社會現(xiàn)代化的先導(dǎo)從電子技術(shù)的發(fā)展可以看出材料所起的作用。1906年發(fā)明了電子管，從而出現(xiàn)了無線電技術(shù)、電視機、電子計算機。1948年發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，致使電子設(shè)備的小型化、輕量化、節(jié)能化及成本的降低、可靠性的提高與壽命的延長。1958年出現(xiàn)了集成電路，使計算機及各種電工設(shè)備發(fā)生再一次飛躍。1946年電子管計算機與1976年微機的一些指標(biāo)來對比，由于采用集成電路，使計算機體積縮小了30萬倍，功耗降低了5萬多倍，重量降低了6萬倍，平均故障率也大為減少，而且價格大幅度下降。這樣為計算機的普及創(chuàng)造了條件。芯片集成度不斷提高，單元體積和價格不斷下降，1958～1998的40年間，芯片集成度提高了一百萬倍，每單元價格下降到一百萬分之一，因為單元價格與特征尺寸的平方成正比，與晶片直徑的平方成反比。材料既是人類社會進步的里程碑，又是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)。特別是先進材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映著一個國家科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平。航空航天技術(shù)的進步21世紀(jì)全球經(jīng)濟的一體化，一靠信息網(wǎng)絡(luò)的大發(fā)展，形成全球性的電子商業(yè)；二是運輸工具的高效、遠程、大容量。前者是電子及光電技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，后者是航空技術(shù)與水上、地面運輸工具不斷改進的結(jié)果，都與材料有著密切聯(lián)系。以飛機而論，由于戰(zhàn)爭的需要，20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了噴氣技術(shù)，這種技術(shù)的實現(xiàn)是以高溫材料及高性能結(jié)構(gòu)材料為依托的。高溫合金的發(fā)展，使渦輪溫度不斷提高；高比強度、高比剛度結(jié)構(gòu)材料的不斷進步，使今天大型客機的安全性及有效載荷大為提高，續(xù)航時間不斷延長，飛機發(fā)動機壽命顯著延長，油耗不斷下降。有人對殲擊機的發(fā)展有一個估計，飛機性能的改善有2/3依靠于材料，航空發(fā)動機性能的提高在很大程度上也有賴于材料的改進。由此說明材料對飛機的重要性。地面運輸工具如汽車和火車，水上運輸工具如輪船的發(fā)展莫不與材料有密切關(guān)系。航天與衛(wèi)星是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。對材料的要求除了高比強度和高比剛度之外，還需要耐超高溫、抗輻射、耐粒子云以及原子氧侵蝕等的材料，對比強度和比剛度的要求更為苛刻，因為航天飛行器每減重1kg，可使運載火箭減輕幾百千克。

1.4傳統(tǒng)材料在國民經(jīng)濟中的地位與可持續(xù)發(fā)展談到傳統(tǒng)材料往往和“夕陽工業(yè)”聯(lián)系在一起。實際上傳統(tǒng)材料與國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)是密不可分的。①傳統(tǒng)材料量大面廣。傳統(tǒng)材料只要有一點改進，收益就十分可觀。據(jù)估計，美國道路與橋梁的使用壽命增加1％，其收益可達300億美元。世界易拉罐每年消耗量以600億計，其造價每個省1分，則有6億元的收益。②傳統(tǒng)材料是礦產(chǎn)資源消耗大戶。根據(jù)專家估計，全世界鐵礦資源最多能維持200~300年，鋁礦近百年，而銅、鉛、鋅礦只能夠幾十年。因此，除了提高礦產(chǎn)的收得率外，要開拓新的礦源，探索某些關(guān)鍵材料的代用品。③傳統(tǒng)材料在制備過程中污染嚴(yán)重。根據(jù)美國統(tǒng)計，含毒污水的排放，近80％來自化工、鋼鐵與有色金屬冶煉，因而有機材料和金屬是重要污染源。水泥生產(chǎn)除了高能耗外，也是一個重要污染源。1997年我國生產(chǎn)水泥5億噸，占世界產(chǎn)量近40％，產(chǎn)生CO2近4億噸，SO249萬噸，NO100萬噸，粉塵1100多萬噸。廢氣加劇了溫室效應(yīng)，促進了酸雨。1.5材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重點1.材料制備工藝與技術(shù)的開發(fā)任何一種新材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用于實際，必須經(jīng)過適宜的制備工藝才能成為工程材料。高溫超導(dǎo)自1986年發(fā)現(xiàn)以后到20世紀(jì)末，已有15年的歷史，但仍不能普遍應(yīng)用于電力，主要是因為沒有找到價廉而穩(wěn)定的生產(chǎn)線材的工藝。C60也是如此，盡管在發(fā)現(xiàn)之初認為它的用途十分廣泛，但到20世紀(jì)末仍處于科研階段。傳統(tǒng)材料也需要不斷改進生產(chǎn)工藝或流程，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和減少污染，從而提高競爭能力。材料制備工藝的重點：一是工藝流程的智能化；二是實現(xiàn)原子或分子加工，使材料或器件依照人們的意志達到微型化、多功能化和智能化。2.材料的應(yīng)用研究與開發(fā)材料的廣泛應(yīng)用是材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要動力，實驗研究出來的具有優(yōu)異性能的材料不等于具有實用價值，必須通過大量應(yīng)用研究，才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。材料的應(yīng)用要考慮以下幾個因素：一是材料的使用性能(performance)；二是使用壽命(durability)及可靠性(reliability)；三是環(huán)境適應(yīng)性(environmentalcompliance)，包括生產(chǎn)過程與使用期間；四是價格(cost)。材料是否有競爭能力，除了質(zhì)量和質(zhì)量穩(wěn)定性以外，還有材料的生產(chǎn)成本和價格。價格的影響因素很多，其中產(chǎn)量是決定因素之一。材料應(yīng)用研究又是機械部件與電子元件失效分析的基礎(chǔ)。失效分析的準(zhǔn)確性與時效性代表一個國家的科學(xué)技術(shù)水平，因而通過材料的應(yīng)用研究來培養(yǎng)一批既有實踐經(jīng)驗又有理論基礎(chǔ)的工程技術(shù)人才是一個重要途徑。3.開發(fā)先進材料，發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)(1)信息功能材料將得到更高的重視

人類已進入信息時代，為