1、第一第一讲 化学与材料化学与材料1/77各学科任务各学科任务a、物物理理学学：研研究究物物质质中中原原子子及及电电子子运运动动，相相互互作作用用以以及及物物质质结结构构与与物物性性间间关关系系提提出出能能说说明明物物性性理理论论和和模模型型强强调调物物质质运运动动共共同同规规律律性性重重视视物物性性连连续续改改变变探索物性与结构之间定量关系探索物性与结构之间定量关系b、化化学学：研研究究实实在在物物质质制制备备、反反应应以以及及结结构构和和物物性性关关系系尤尤其其重重视视物物性性随随组组成成改改变变而而产产生生特特殊殊性性注注意意因因为为组组成成改改变变而而造造成成物物性性突突变变探探索索物物
2、性性与与组组成成和和结结构之间定性关系构之间定性关系c、工工程程学学：以以改改造造自自然然为为目目标标，利利用用数数学学和和自自然然科科学学方方面面专专业业知知识识，以以经经济济，有有效效地地利利用用自自然然资资源源，设设计计和和实实施施生生产产过过程程，把把资资源源转转化化为为结结构构、机机械械或或产产品品以以造福于人类。造福于人类。d、材材料料科科学学：依依据据工工程程需需要要，在在物物理理学学和和化化学学这这两两门门基础学科及其理论基础上形成一个学科交叉边缘学科。基础学科及其理论基础上形成一个学科交叉边缘学科。2/77学科关系图3/77学科关系图表明：材料科学是以物理、化学及相关理论为基
3、础，依据工程对材料需要，设计一定工艺过程，把原料物质制备成能够实际应用材料和元器件。使其具备要求形态和形貌，如多晶、单晶、纤维、薄膜、陶瓷、玻璃、复合体、集成块等；同时含有指定光、电、磁、热学、力学、化学等功效，甚至具备能感应外界条件改变并产生对应反应和执行行为机敏性和智能性。联络：（1）材料离开器件就失去意义，器件离开材料也不可能实现其功效；（2）要使材料具备器件要求特定物性，就必须深入研究和掌握组成、结构与物性关系，所以物理学和化学就组成材料科学基础。4/77材料科学分支：材料物理、材料化学材料化学材料化学材料化学：化学参加材料科学是理所当然和责无旁贷，因为化学家对于物质结构和成键复杂性有
4、着深刻了解并掌握着精湛化学反应试验技术，这些在探索和开发含有新组成，新结构和新功效材料方面，在材料复合、集成、加工等方面能够大有所为。例：硬化学(hardchemistry)反应：极端条件下反应如：超高温、超高压、强辐射、冲击波、超高真空、无重力等合成新化合物。软化学(softchemistry)：反应：温和可控化学反应如：溶液溶胶凝胶，水热合成、离子交换、助溶剂反应等合成新化合物。5/77目录目录1.1 材料发展过程材料发展过程1.2 材料分类材料分类1.3 纳米材料及其应用纳米材料及其应用1.4 晶体和非晶体材料晶体和非晶体材料6/77材料(Materials)是国民经济物质基础。广义材料
5、包含人们思想意识之外全部物质(substance)材料无处不在，无处不有1.1 1.1 材料发展过程材料发展过程7/77我国材料历史进程(Historical perspective)漫长而又波折历程：漫长而又波折历程：石斧8/77公元前公元前5000年年青铜是铜和锡、铅合金，也是金属治铸史上最早合金9/77湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑10/77中国古代铁器金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄公元前公元前1200年年11/77古代科技名著：古代科技名著：“考工记考工记”（先秦）、（先秦）、“梦溪笔谈梦溪笔谈”（宋代沈（宋代沈括）、括）、“天工开物天工开物”（明代宋应星）（明代宋应星）明代后：封建
6、统治、帝国主义侵略束缚了材料发展明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料发展 停滞状态停滞状态解放后：材料科学受到重视和发展，被列为当代技术三大支柱之一。解放后：材料科学受到重视和发展，被列为当代技术三大支柱之一。一整套材料体系一整套材料体系 门类全齐门类全齐 数量数量 质量质量 钢铁突破亿吨大关钢铁突破亿吨大关 世界第一世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭原子弹、氢弹、人造卫星、火箭长征三号运载火箭在发射架上图片长征三号运载火箭在发射架上图片宝钢高炉宝钢高炉12/771.2 1.2 材材 料料 分分 类类1.1.依据结合键分类依据结合键分类：2.2.依据性能和用途分类依据性能和用途分类：1
7、3/773.3.依据材料颗粒大小分类依据材料颗粒大小分类：传统材料精细材料纳米材料4.4.依据材料结构分类依据材料结构分类：晶体材料非晶材料单晶材料多晶材料14/77一一金金属属材材料料1.1.钢铁材料钢铁材料,应用广泛：火箭，导弹，飞机，火炮，应用广泛：火箭，导弹，飞机，火炮，兵舰，轮船，火车，汽车，石油化工，建筑，日常兵舰，轮船，火车，汽车，石油化工，建筑，日常生活少不了钢铁生活少不了钢铁15/77 普通钢：200700Mpa 高强度钢：7001000Mpa 超高强度钢：10003000Mpa 超级钢：强度（韧性）寿命提到一倍16/772.2.高硬度材料高硬度材料机床革命机床革命 碳素工具
8、钢（200以下）合金工具钢（高速钢，W18 Cr4 V1 600）硬质合金(WC-Co,800）陶瓷刀具（Al2O3，Si3N4，1000以上）金刚石（加工陶瓷、岩石）金刚石刀具硬质合金钻17/773.形状记忆合金形状记忆合金 最初 60年代 美国海军研究所 研制成 NiTi合金*喷气飞机：油压系统有十多万个管接头无渗漏，无事故很困难。NiTi 合金首次应用于F14 大成功。*卫星天线，人造心脏，温度控制，牙齿校正记忆效应示意图18/774.4.贮氢合金（金属氢化物）贮氢合金（金属氢化物）新能源（新能源（H H2 2）Mg2Ni、LaNi5、ZrMn2 贮氢合金贮氢合金 贮贮H H原理：原理：
9、晶体结构，晶体结构，1 1 面心、体心、六方间隙中贮存很多面心、体心、六方间隙中贮存很多H H原子（最小原子原子（最小原子)2 2 形成金属氢化物，贮存更多形成金属氢化物，贮存更多H H 从贮从贮H H密度来看：密度来看：钢瓶中氢气体可压缩钢瓶中氢气体可压缩1/50,0.5*101/50,0.5*102222氢原子氢原子/cm/cm3 3（高压氢，（高压氢，15MPa15MPa）液体氢可缩小到液体氢可缩小到 1/800,4.2*10 1/800,4.2*102222氢原子氢原子/cm/cm3 3 (20K)La-Ni La-Ni5 5-H-H6 6 可将氢缩小可将氢缩小1/1000,6.2*1
10、01/1000,6.2*102222氢原子氢原子/cm/cm3 3 贮氢合金不但含有贮氢密度高，贮氢合金不但含有贮氢密度高，而且使用、运输及储存过程安全、可靠而且使用、运输及储存过程安全、可靠 19/775.5.非晶态金属非晶态金属金属液态（非晶态）金属固体（晶体）特急冷 非晶态金属 冷105106/秒 利用软磁性（低剩磁、低损耗）高密度磁统计，作为计算机磁带与磁头材料非晶 纳米晶 快速凝固得非晶 块状纳米晶好方法6.6.泡沫金属泡沫金属 可作为一个轻质抗冲击材料 用于航天航空材料 7.7.环境材料环境材料 资源能源消耗最小，环境污染最小，能够循环再利用 背景：金属资源 50年以后大多耗竭，能
11、源：石油、煤 环境污染日趋严重，治理环境污染费用巨大 可连续发展20/77二二先进陶瓷材料先进陶瓷材料1 陶瓷材料结合键陶瓷特征离子键 Al（T熔 600）Al2O3（）共价键 金刚石 Hv 10000 工具钢 Hv 800900结构陶瓷：耐高温、耐腐蚀、耐磨损 脆（塑、韧性差），难加工功效陶瓷：绝缘体、半导体、导体、超导体 光、电、磁、声、气、热等十分敏感结构键：离子键、共价键、混和键（离共）极性（介电、压电、铁电、热释电、超导。）21/77陶瓷SiC、Si3N4使用温度可达14001500oC热效率：可达50,无需水冷燃烧充分、污染少，耐磨损、耐腐蚀、寿命长发动机：汽车心脏汽车年产量300
12、05000万辆/年一辆汽车平均20万20万3000万6万亿/年燃气轮机：火电厂心脏使用陶瓷叶片升高经济效应大无法估量2陶瓷发动机3.陶瓷刀具与自动机床 高速度（几千米/分），刀尖温度 1000以上自动机床 高精度 刀具磨损量小 高寿命22/774 新能源陶瓷材料核能 堆心材料UO2 控制棒材料 4C 减速剂材料 SiC 聚变核能 产氚材料 LiAlO2太阳能 地球上总能耗(人类活动）PbSiO4Na2SiO3众多科学家从：众多科学家从：H、S等热力学数据研究玻璃形成规等热力学数据研究玻璃形成规律，结果都是失败！热力学是研究反应、平衡好工具，但律，结果都是失败！热力学是研究反应、平衡好工具，但不
13、能对玻璃形成做出主要贡献！不能对玻璃形成做出主要贡献！59/77形成玻璃动力学伎俩形成玻璃动力学伎俩1、Tamman观点观点：影响析晶原因影响析晶原因:成核速率成核速率Iv和晶体和晶体生长速率生长速率u需要适当需要适当过冷度：过冷度：过冷度增大，过冷度增大，熔体粘度熔体粘度熔体粘度熔体粘度增加，使质点移动困难，增加，使质点移动困难，难于从熔体中扩散到晶核表面，不利于晶核长大；难于从熔体中扩散到晶核表面，不利于晶核长大；过冷度增大，熔过冷度增大，熔体质点动能体质点动能体质点动能体质点动能降低，有利于质点降低，有利于质点相互吸引而聚结和吸附在晶核表面，有利于成核。相互吸引而聚结和吸附在晶核表面，有
14、利于成核。过冷度与成核速率过冷度与成核速率IvIv和晶体生和晶体生长速率长速率u u必有一个极值。必有一个极值。60/77Iv=P*DIv=P*D其中：P临界核坯生长速率 D相邻原子跃迁速率DPIvT速率首先：首先：T 粘度 质点运动困难，难于扩散到晶核表面，不利于成核和长大。另首先：另首先：T 质点动能 质点间引力 轻易聚集吸附在晶核表面，对成核有利。结结论论IvIv呈极值改变呈极值改变过冷度T=TMT61/77U=Bexp(-U=Bexp(-Ga/kT)*1-Bexp(-Ga/kT)*1-Bexp(-Gv/kT)Gv/kT)其中：项质点长程迁移影响 项与Gv相关，晶体态和玻璃态两项自由能差
15、.Gv H T/Te项项TU结结论论U U呈极值改变呈极值改变速率62/7763/77非晶结构与晶体结构比较64/772.2.晶体宏观特征晶体宏观特征a、规则几何外形规则几何外形b b、晶晶面面角角守守恒恒，属属于于同同一一晶晶种种晶晶体体两两个个对对应应晶晶面面间夹角恒定不变间夹角恒定不变c c、有固定熔点有固定熔点 为何当温度到达熔点时继续加热温度不升高，而等到全部融化后才升高呢？这是因为融化过程就是晶体长程序解体过程，破坏长程序所需能量就是日常说熔解热，所以晶体含有一定熔点，表明晶体内部结构规则性是长程序。d d、物理性质各向异性：晶体各向异性，非晶体各物理性质各向异性：晶体各向异性，非
16、晶体各向同性向同性65/77晶体结构例子g-Fea-Fe66/77晶体结构例子g-Fe,fccCuAu,tetragonal67/77总结晶体结构基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间 呈 周 期 性 重 复 排 列（periodic repeated array）即 存 在 长 程 有 序（long-range order）性能上两大特点：固定熔点（melting point）,各向异性（anisotropy）68/773 3 非晶态和晶态之间转化非晶态和晶态之间转化晶态：稳定相 G低非晶态:亚稳相 G高非晶晶转化总需要克服一定能垒，向吉布斯自由能减小方向移动热力学角度：向吉布斯自由能低相
17、转变动力学角度：转化难以实现金刚石（亚稳相）石墨（稳定相）动力学原因使得金刚石能够永存举例说明在材料制备中怎样依据实际需要控制材料结晶情况？69/774.4.单晶和多晶单晶和多晶单晶：周期性排列（原子排列）连续单晶：周期性排列（原子排列）连续 多晶：晶粒：凸形，比表面积最小多晶：晶粒：凸形，比表面积最小 晶界：晶粒间边界晶界：晶粒间边界 多晶是否有各向异性看怎么排列，晶粒若多晶是否有各向异性看怎么排列，晶粒若排列有序则有，若晶粒表现各种取向则各向同排列有序则有，若晶粒表现各种取向则各向同性。性。晶粒/晶界单胞/周期原子/对称原子核/电子毫米微米 纳米埃 埃70/77晶界晶界1、定义定义：2、晶
18、界上、晶界上特征特征：晶界结构疏松，：晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快速扩散通道，在多晶体中晶界是原子快速扩散通道，并轻易引发杂质原子偏聚。晶界上有并轻易引发杂质原子偏聚。晶界上有许多空位、位错和键变形等缺点使之许多空位、位错和键变形等缺点使之处于应力畸变状态，故能阶较高，使处于应力畸变状态，故能阶较高，使晶界成为固态相变时优先成核区域。晶界成为固态相变时优先成核区域。71/773、晶界结构分类：晶界结构分类：(1).按按两个晶粒之间夹角两个晶粒之间夹角大小来分：大小来分：小角度晶界小角度晶界小角度晶界小角度晶界(约约约约2 2o o33o o)大角度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界(2
19、).依据晶界两边依据晶界两边原子排列连贯性原子排列连贯性来分：来分：共格晶界共格晶界共格晶界共格晶界半共格晶界半共格晶界半共格晶界半共格晶界非共格晶界非共格晶界非共格晶界非共格晶界:72/77共格晶界共格晶界共格晶界共格晶界:界面两侧晶体含有非常相同结构和类似取向，界面两侧晶体含有非常相同结构和类似取向，越过界面原子面是连续越过界面原子面是连续半共格晶界半共格晶界半共格晶界半共格晶界:晶面间距比较小一个相发生应变，在界面位晶面间距比较小一个相发生应变，在界面位错线附近发生错线附近发生局部晶格畸变局部晶格畸变。非共格晶界非共格晶界非共格晶界非共格晶界:界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸变原子排列。变原子排列。73/77AlAl2 2O O3 3晶粒与晶界晶粒与晶界74/7775/77总结晶体单晶体多晶体 76/77习题1 1、依据性能和用途可将材料分为几类？举例说明。、依据性能和用途可将材料分为几类？举例说明。2 2、你认为材料中化学问题有哪些？、你认为材料中化学问题有哪些？3 3、谈谈对纳米材料认识。、谈谈对纳米材料认识。4 4、玻璃体（非晶体）形成条件是什么？为何亚稳态玻、玻璃体（非晶体）形成条件是什么？为何亚稳态玻璃体在一定条件下能稳定存在？璃体在一定条件下能稳定存在？77/77
