1、主要内容1.化学与材料科学技术2.金属材料3.无机非金属材料4.有机高分子材料5.复合材料6.纳米材料与纳米科技材料化学的内涵材料化学是由材料和化学两大学科的交叉材料化学是由材料和化学两大学科的交叉融合产生的新型融合产生的新型交叉学科交叉学科研究制备材料的化学方法研究制备材料的化学方法材料的化学处理方法材料的化学处理方法研究材料的化学和物理特性研究材料的化学和物理特性 现代高科技现代高科技(modern high-tech)信息、材料、能源、生物技术信息、材料、能源、生物技术：社会文明支柱，科技创新的重要标志社会文明支柱，科技创新的重要标志 材料材料人类社会发展的里程碑人类社会发展的里程碑 新
2、材料新材料现代科学技术和社会发展的现代科学技术和社会发展的基础和支柱基础和支柱 化学（物理化学）化学（物理化学）材料科学技术材料科学技术的理论基础的理论基础.本课程主要内容本课程主要内容物理化学基础物理化学基础材料化学制备原理材料化学制备原理材料表面化学处理方法材料表面化学处理方法新材料介绍新材料介绍1.材料科学与工程(materials science and engineering)研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及四者之间的相互依赖关系的用效能各组元本身及四者之间的相互依赖关系的规律规律材料科学材料科学 研究如何利用这些
3、规律性的研究成果以新的或更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有效的方式开发并生产出材料,提高材料的使用效提高材料的使用效能能,以满足社会的需要以满足社会的需要,设汁与制造材料制备与表设汁与制造材料制备与表征所需的仪器、设备征所需的仪器、设备材料工程材料工程科学与工程彼此密切结合科学与工程彼此密切结合,构成个学科整体构成个学科整体性能性能(properties)使用效能使用效能(performance)合成与制备合成与制备(synthesis and processing)组成与结构组成与结构(components and structure)材料科学的主要内容
4、材料科学的主要内容合成与制备合成与制备 合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程物理过程.既包括有关寻找新合成方法的科学可题、也既包括有关寻找新合成方法的科学可题、也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成新材料的合成,也应包括已有材料的新合成方法也应包括已有材料的新合成方法(加溶加溶胶胶凝被法凝被法)及其新形态及其新形态(如纤维、薄膜如纤维、薄膜)的合成的合成.制备主要指材料在宏观尺度上加工、处理、装配和制制备主要指材料在宏观尺度上加工、处理、装配和制造等一系列过程
5、，使之具有所需的性质和使用效能造等一系列过程，使之具有所需的性质和使用效能.合成与制备是提高材料性能、降低生产成本和提高经合成与制备是提高材料性能、降低生产成本和提高经济效益的关键济效益的关键,也是开发新材料、新器件的首要环节也是开发新材料、新器件的首要环节.组成和结构组成和结构 组成组成指构成材料物质的原子、分子及其分布指构成材料物质的原子、分子及其分布;除主要组除主要组成以外成以外,杂质杂质及对材料结构与性能有重要影响的微量添加及对材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略物亦不能忽略.结构结构则指组成原干、分子在不同层次上彼此结合的形式、则指组成原干、分子在不同层次上彼此结合的形式、
6、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与品界结构、缺陷结构等；结构、相结构、晶粒结构、表面与品界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括微米、纳米及更宏观的结构层次在尺度上则包括微米、纳米及更宏观的结构层次.材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容,它们指导材料的合成与制备它们指导材料的合成与制备,决定材料的性能和使用效能决定材料的性能和使用效能.性能性能 性能性能指材料固有的物理、化学特性指材料固有的物理、化学特性,也是确也是确定材料用途的依据定材料用途的依据
7、.广义地说广义地说,性能是材料在一性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述定的条件下对外部作用的反应的定量表述.例例如如,对外力作用的反应为力学性能对外力作用的反应为力学性能,对外电场作对外电场作用的反应为电学性能用的反应为电学性能,对光波作用的反应为光对光波作用的反应为光学性能等等学性能等等.使用效能使用效能 使用效能使用效能是材料以特定产品形式在使用条件下所表是材料以特定产品形式在使用条件下所表现的效能现的效能.它是材料的固有性能、产品设计、工程持它是材料的固有性能、产品设计、工程持性、使用环境和效益的综合表现性、使用环境和效益的综合表现,通常以寿命、效率、通常以寿命、效率、可靠
8、性、效益及成本等指标衡量可靠性、效益及成本等指标衡量.因此因此,与工程设计及与工程设计及生产制造过程密切相关生产制造过程密切相关,不仅有宏观的工程问题不仅有宏观的工程问题,还包还包括复杂的材料科学问题括复杂的材料科学问题.例如例如,材料部件的损毁过程和材料部件的损毁过程和可靠性往往涉及在特定的温度、气氛、应力和疲劳环可靠性往往涉及在特定的温度、气氛、应力和疲劳环境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理.材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标、而且在很大程度上代表这一学科的发展水平目标、而且在很大程度上代表
9、这一学科的发展水平.材料的选择材料的选择(materials selection)n性质机械性能机械性能 +物理性能物理性能n失效性环境因素环境因素:氧化氧化&腐蚀腐蚀n经济性价格价格&可用性可用性材料的性质材料的性质(properties of materials)n机械性质机械性质(应力应力应变应变)强度强度延展性延展性断裂韧性断裂韧性抗冲击强度抗冲击强度蠕变性蠕变性疲劳性疲劳性磨损磨损n物理性质物理性质热性能热性能磁性能磁性能光学性能光学性能失效性能失效性能材料的分类材料的分类(classification of materials)n基本分类基本分类(按照组成)金属材料金属材料无机非金
10、属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料n其他其他 (按照用途按照用途)结构材料结构材料功能材料功能材料光光电、磁电、磁热热生物材料生物材料2.金属材料（金属材料（metals&alloys)n金属材料是以金属元素为基础的材料金属材料是以金属元素为基础的材料.金属单质一般有金属单质一般有良好的塑性良好的塑性,但其机械性能往往很难满足工程技术等多但其机械性能往往很难满足工程技术等多方面的需要方面的需要,因此因此,金属材料更多以合金的形式使用金属材料更多以合金的形式使用.n由于价电子的高度离域性由于价电子的高度离域性,决定了它们具有良好的导电、决定了它们具有良好的导电、导热
11、性能和易氧化腐蚀的性能导热性能和易氧化腐蚀的性能.n高密度高密度n可塑性形变可塑性形变,加工成各种复杂形状加工成各种复杂形状.n高延展性高延展性,决定了具有高冲击和断裂韧性决定了具有高冲击和断裂韧性.合金的基本结构类型合金的基本结构类型(alloys)n合金是由两种或两种以上的金属元素合金是由两种或两种以上的金属元素(或金属与非金或金属与非金属元素属元素)组成组成,具有金属特征和更优异性能与使用效能具有金属特征和更优异性能与使用效能的材料的材料.包括三种结构类型包括三种结构类型.相互溶解而形成金属相互溶解而形成金属固固溶溶体体强度提高强度提高,延展性和导延展性和导电导热性能下降电导热性能下降相
12、互起化学作用而相互起化学作用而形成化合物形成化合物性能随化合物组成、性能随化合物组成、结构与性能而变化结构与性能而变化无化学相互作用的无化学相互作用的机械混合物机械混合物性能平均、熔点下降性能平均、熔点下降 轻质合金轻质合金(light alloys)n轻质合金轻质合金:由轻金属由轻金属(Al,Mg,Ti,Li等等)形成的合金材料形成的合金材料.n铝合金铝合金:金属铝的密度仅金属铝的密度仅2.7g/cm3,导电导热导电导热,但强度、硬度但强度、硬度和耐磨性能差和耐磨性能差,若与若与Mg、Cu、Zn、Mn、Si等形成合金等形成合金,机机械性能会大幅度改善械性能会大幅度改善.硬铝合金硬铝合金:经热
13、处理提高强度的变形铝合金经热处理提高强度的变形铝合金,其制品的强其制品的强度和钢相近度和钢相近,而质量仅为钢的而质量仅为钢的14左右左右,但耐腐蚀性较差但耐腐蚀性较差.如如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等等.防锈铝合金防锈铝合金:用压力加工法提高强度的变形铝合金用压力加工法提高强度的变形铝合金,可耐可耐海水腐蚀海水腐蚀,可用于造船工业等可用于造船工业等.如如Al-Mn,Al-Mg等等铝锂合金铝锂合金:锂是最轻金属锂是最轻金属,其密度为其密度为0.534g/cm3，是铝的，是铝的1/5,钢的钢的1/15.飞机上改用铝锂合金后飞机上改用铝锂合金后,重量可减轻重量可减轻816.如如 B73
14、7可减重可减重 2178kg,B747SP可减重可减重4200kg.轻质合金轻质合金n钛合金钛合金 钛与钛与Al,V,Cr,Mo,Mn和和Fe可形可形成置换固熔体或金属间化合物而使其强成置换固熔体或金属间化合物而使其强度提高度提高.具有具有强度高强度高,密度小密度小,抗磁性抗磁性,耐耐高温高温,抗腐蚀抗腐蚀等优点等优点,是宇航工业的重要是宇航工业的重要结构材料结构材料.形状记忆合金形状记忆合金(shape memory alloy)n形状记忆效应形状记忆效应-指合金材料在一定条件下指合金材料在一定条件下,变形后仍能变形后仍能恢复到变形前原始形状的能力恢复到变形前原始形状的能力.这类合金存在着一
15、对可这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构逆转变的晶体结构,在某一转变温度发生相转变在某一转变温度发生相转变n1951年年,美国人美国人,Au-Cd合金有记忆形状的特性合金有记忆形状的特性.现已发现已发现多种合金系统现多种合金系统,In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb等等n形状记忆合金具有传感和驱动双重功能形状记忆合金具有传感和驱动双重功能,是一种智能材是一种智能材料料,可广泛应用于宇航可广泛应用于宇航,自控自控,医疗和生活等领域医疗和生活等领域贮氢合金贮氢合金(hydrogen storage alloy)v贮氢合金贮氢合金:某些过渡金属、合金和金属间化合物某些过渡金属、
16、合金和金属间化合物,由于其特殊由于其特殊的晶体结构的晶体结构,使氢原子容易进入其晶格的间隙中并形成金属氢化使氢原子容易进入其晶格的间隙中并形成金属氢化物物,氢与这些金属的结合力很弱氢与这些金属的结合力很弱,但贮氢量很大但贮氢量很大,可以贮存比其本可以贮存比其本身体积大身体积大1000 1300倍的氢倍的氢,加热时氢又能从金属中释放出来加热时氢又能从金属中释放出来.v 1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁镁-镍合金镍合金具有吸具有吸氢特性氢特性,1969年荷兰菲利普实验室发现年荷兰菲利普实验室发现钐钴（钐钴（SmCo5）合金）合金,镧镧-镍（镍（LaNi5）
17、合金）合金在常温下具有良好的可逆吸放氢性能在常温下具有良好的可逆吸放氢性能.已经成已经成功开发了功开发了镁系镁系,稀土系稀土系,钛系钛系,锆系贮氢合金锆系贮氢合金等等.v 贮氢合金贮运氢气贮氢合金贮运氢气,既轻便又安全既轻便又安全,作为一种新型贮能材料具作为一种新型贮能材料具有极为广泛的应用前景有极为广泛的应用前景.耐热合金耐热合金(heat resistant alloy)耐热合金耐热合金:能在高于能在高于700 条件下工作的金属合金条件下工作的金属合金.“耐耐热热”是指材料在高温下能保持足够强度和良好的抗氧是指材料在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性化性.通常是由第通常是由第BB和和族高
18、熔点金属形成族高熔点金属形成 包括铁基包括铁基,镍基镍基,钴基钴基,铌基和钨基等合金铌基和钨基等合金广泛应用于制造涡轮发电机广泛应用于制造涡轮发电机,各种燃气轮机热端部各种燃气轮机热端部件等件等耐腐蚀合金耐腐蚀合金(corrosion-resistant alloy)耐腐蚀金属耐腐蚀金属:通常具备下述条件之一通常具备下述条件之一热力学稳定性高热力学稳定性高:一般是贵金属一般是贵金属Pt,Pd,Au,Ag,Cu等等.易于钝化的金属易于钝化的金属:Al,Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等等.表面能生成难溶的和保护性良好的腐蚀产物膜的金属表面能生成难溶的和保护性良好的腐蚀产物膜的金属,通过特定腐蚀介质来
19、实现通过特定腐蚀介质来实现.耐腐蚀合金耐腐蚀合金:抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料更高抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料更高.与热稳定性高的贵金属形成合金与热稳定性高的贵金属形成合金.与易钝化金属形成合金与易钝化金属形成合金.在合金表面形成致密保护膜在合金表面形成致密保护膜.磁性材料磁性材料(magnetic materials)v 磁性体磁性体:由电磁作用而产生磁化的物质由电磁作用而产生磁化的物质.凡是能磁化到较凡是能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为磁性磁性材料材料.v 磁性材料的类型磁性材料的类型硬磁材料或永磁材料硬磁材料或永磁
20、材料:矫顽力极大矫顽力极大,剩余磁通密度很高剩余磁通密度很高,在发电机、电气仪表等方面大量应用在发电机、电气仪表等方面大量应用SmCo5,Sm2Co17,Nd-Fe-B,Sm2Fe17N2,Pr-Fe-B-Cu 磁性材料的类型磁性材料的类型软磁材料软磁材料:矫顽力小矫顽力小,外部磁场的微小变化外部磁场的微小变化即可引起磁化的很大变化即可引起磁化的很大变化,为磁损失小的高为磁损失小的高导磁率材料导磁率材料,主要用于电动机及变压器的磁主要用于电动机及变压器的磁芯以及各种磁头材料、磁性密封材料和微波芯以及各种磁头材料、磁性密封材料和微波材料等材料等巨磁阻效应巨磁阻效应(gigantic reluct
21、ance effect)v 在一定磁场下材料电阻改变的现象称在一定磁场下材料电阻改变的现象称磁电阻磁电阻.巨磁阻巨磁阻是指在一定磁场下电阻急剧减小的现象是指在一定磁场下电阻急剧减小的现象.比一般磁性合比一般磁性合金强金强10多倍多倍.v 1988年首次在年首次在Fe/Cr多层膜中发现巨磁阻效应多层膜中发现巨磁阻效应.随后在随后在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和和Co/Au等纳米结构等纳米结构的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应.v 1994年年IBM公司研制成功巨磁阻效应的读出磁头公司研制成功巨磁阻效应的读出磁头,磁磁记录密度提高记录密度
22、提高17倍倍,达达5Gbit/in2,现超过现超过11 Gbit/in2.v巨磁阻效应巨磁阻效应在高密度读出磁头在高密度读出磁头,磁存储元件等领域有磁存储元件等领域有广泛用途广泛用途.还可用于无电源随机存储器还可用于无电源随机存储器,微弱磁场探测器微弱磁场探测器.非晶态金属非晶态金属(amorphous metal)v非晶态金属非晶态金属:将某些金属熔体将某些金属熔体,以极快的速度急剧冷却以极快的速度急剧冷却,无序的原子被迅速无序的原子被迅速“冻结冻结”而形成无定型的固体而形成无定型的固体.v类型类型:金属金属-金属形成的非晶态合金金属形成的非晶态合金:Cu60Zr40,La76Au24,U7
23、0Cr30等等.金属金属-非 金 属 形 成 的非 金 属 形 成 的 非晶态非晶态合 金合 金:如如 Fe8 0B2 0,Fe40Ni40P14O6和和 Fe5Co70Si15B10等等.v性能特点性能特点:强度韧性兼具强度韧性兼具;耐蚀性优异耐蚀性优异;低损耗低损耗,高磁导高磁导;催化性能和贮氢能力催化性能和贮氢能力.3.无机非金属材料 (inorganic nonmetal materials)除金属以外的无机材料统称除金属以外的无机材料统称无机非金属材料或陶无机非金属材料或陶瓷材料瓷材料.传统的无机非金属材料主要有传统的无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种
24、和耐火材料四种,化学组成均为硅酸盐类化学组成均为硅酸盐类,因此无因此无机非金属材料亦称机非金属材料亦称硅酸盐材料硅酸盐材料先进无机非金属材料先进无机非金属材料,亦称无机新材料亦称无机新材料.包括结构包括结构陶瓷陶瓷,复合材料复合材料,功能陶瓷功能陶瓷,半导体半导体,新型玻璃新型玻璃,非晶非晶态材料和人工晶体等态材料和人工晶体等.无机非金属材料的特点晶体结构:结合力主要为结合力主要为离子健、共价键或离子离子健、共价键或离子-共价共价混合键混合键.赋于这类材料以高熔点、高强度、耐磨损、高赋于这类材料以高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性,以及新近发
25、现的宽以及新近发现的宽广的导电、导热性和透光性以及良好的铁电性、铁磁广的导电、导热性和透光性以及良好的铁电性、铁磁性和压电性性和压电性,高温超导性等高温超导性等.化学组成化学组成:无机非金属材料已不局限于硅酸盐无机非金属材料已不局限于硅酸盐,还包括其他含氧酸盐、氧化物、碳与碳化物、硼还包括其他含氧酸盐、氧化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、IIIV族族及及IIVI族化合物等族化合物等.其形态初形状也趋于多样化其形态初形状也趋于多样化,复合材料、薄膜、纤维、单晶和非晶材料占有越复合材料、薄膜、纤维、单晶和非晶材料占有越来越重要的地应来越重要的地
26、应.制备制备:高纯度、高细度的原料高纯度、高细度的原料,并精确控制化学并精确控制化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构等观结构等.传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料n天然硅酸盐天然硅酸盐:其基本结构单元为硅氧四面体其基本结构单元为硅氧四面体(SiO4)4-,即硅位于四面体的中心即硅位于四面体的中心,四个氧原四个氧原子位于四面体的四个顶点子位于四面体的四个顶点.(SiO4)4-四面体相四面体相互结合互结合,或与金属离子形成或与金属离子形成:具有单个阴离具有单个阴离子子,链状和层状阴离子以及骨架状结构等四链状和层状阴离子以及骨架状结构等
27、四大类硅酸盐大类硅酸盐.硅氧骨架结构硅氧骨架结构岛状岛状三方环三方环四方环四方环六方环六方环硅氧骨架结构硅氧骨架结构单链单链双链双链硅氧骨架结构硅氧骨架结构长石架状长石架状 石英架状石英架状 层状层状层状硅酸盐矿物层状硅酸盐矿物滑石滑石高岭土高岭土白云母白云母蛇纹石蛇纹石架状硅酸盐矿物架状硅酸盐矿物长石长石沸石沸石链状、环状硅酸盐矿物链状、环状硅酸盐矿物碌帘碌帘石石电气石电气石辉石辉石硅灰石硅灰石硅线石硅线石精细陶瓷精细陶瓷(advanced ceramics)结构陶瓷结构陶瓷:指具有高硬、高强、耐磨耐蚀、耐高温和润滑性好等性能,用做机械结构零部件的陶瓷材料.氧化铝氧化铝Al2O3:高纯超细氧
28、化铝经高温烧结而得高纯超细氧化铝经高温烧结而得.使用温度高达使用温度高达1980,用途极广用途极广.高纯氧化铝加入少量高纯氧化铝加入少量Y2O3和和MgO等等,特殊烧结特殊烧结,可得可得透明陶瓷透明陶瓷.少量少量Cr2O3与与Al2O3形成固溶体形成固溶体,称称红宝石红宝石,是激光是激光材料材料.氧化锆氧化锆ZrO2:离子键结合离子键结合,性脆性脆.加入少量加入少量Y2O3和和CaO等可实等可实现增韧现增韧,得到得到“陶瓷钢陶瓷钢”.氮化硅氮化硅(Si3N4):硬度为硬度为9.低膨胀低膨胀,高热导高热导,可适应温度的急剧变可适应温度的急剧变化化.Si3N4可与可与Al2O3形成固溶体形成固溶体
29、,制得新材料制得新材料“塞龙塞龙(sialon)”.碳化硅碳化硅 SiC,俗称俗称“金刚砂金刚砂”,原子晶体原子晶体.高温强度极高高温强度极高,掺杂可掺杂可制得半导体材料制得半导体材料,制作发热元件制作发热元件.已用于制造无冷却式陶瓷发动机已用于制造无冷却式陶瓷发动机.精细陶瓷精细陶瓷(advanced ceramics)功能陶瓷功能陶瓷:指以其固有的特性或通过各种物理因素作用而显示某种新性能的陶瓷材料.压电陶瓷压电陶瓷:具有压电效应的陶瓷材料具有压电效应的陶瓷材料.主要有主要有:钛酸钡系、钛酸钛酸钡系、钛酸铅系和锆钛酸铅系铅系和锆钛酸铅系.用于制造各种换能器和传感器用于制造各种换能器和传感器
30、.晶体受外力作晶体受外力作用而形变用而形变,同时在对应两个面上产生电荷同时在对应两个面上产生电荷,晶体带电的大小与外力晶体带电的大小与外力成正比成正比;相反相反,在外加电场作用下在外加电场作用下,在晶体相应面上会产生形变在晶体相应面上会产生形变,该该现象称现象称“压电效应压电效应”.光导纤维光导纤维:光通信的关键光通信的关键.SiO2和和LaF3已实用化已实用化.固体电解质固体电解质:AgI离子晶体离子晶体,Y2O3和和CaO稳定的稳定的ZrO2,Na-b-b-Al2O3等等.传感材料传感材料半导体材料半导体材料(semiconducting material)半导体材料半导体材料:室温电阻率
31、为室温电阻率为10-41010 cm,依靠依靠电子和孔穴这两类载流子的迁移实现导电的材料电子和孔穴这两类载流子的迁移实现导电的材料.半导体材料类型半导体材料类型:元素半导体：包括元素半导体：包括Si,Ge,Sn,P,As,Se等等,但实但实用的纯单质只有用的纯单质只有Si和和Ge.均使用其高纯单质均使用其高纯单质,如 大 规 模 集 成 电 路 使 用 的 硅 纯 度 超 过如 大 规 模 集 成 电 路 使 用 的 硅 纯 度 超 过99.9999999,现已能制得现已能制得14个个9的单晶硅的单晶硅.半导体材料半导体材料 掺杂半导体掺杂半导体:适当掺杂大幅度提高电导率适当掺杂大幅度提高电导
32、率,通过调整杂质含量控制电导率通过调整杂质含量控制电导率,包括包括p-型如型如Si(B,Al),Ge(Ga)和和n-型半导体如型半导体如Si(P,As),Ge(As).化合物半导体化合物半导体:AxB8-x(x=1,2,3),即即I-VII,II-VI,III-V族元素的组合族元素的组合,具有金刚石型或具有金刚石型或ZnS型晶体结构型晶体结构,以共价键为主以共价键为主.实用化最多的是实用化最多的是III-V型型,性能最好的是性能最好的是GaAs,亮灰亮灰,硬而脆硬而脆,掺掺Te,得得n-型型,掺掺Zn或或Cd得得p-型型.缺陷半导体缺陷半导体:氧化物和硫化物氧化物和硫化物,结构中存在结构中存在
33、阴离子或阳离子空位阴离子或阳离子空位.超导材料超导材料(superconducting materials)超导电性超导电性:某些材料随温度降低,电阻率下降,在某一特定温度附近,电阻突然消失的现象.具有超导电性的材料称超导材料.荷兰物理学家荷兰物理学家H.K.Onnes:1911年首次发现年首次发现Hg在在4.15K时出现时出现0电阻电阻.1973年得到年得到Tc为为23.2K的的Nb3Ge超导体超导体.超导材料超导材料20世纪世纪80年代中期年代中期,世界超导研究取得巨大突破世界超导研究取得巨大突破:1986年瑞士贝德诺兹和缪勒发现了年瑞士贝德诺兹和缪勒发现了Tc=35K的的La-Ba-Cu
34、-O混合氧化物混合氧化物.1987年美籍华人朱经武发现了年美籍华人朱经武发现了Tc=90K的超导氧化物的超导氧化物.我国赵中贤研究组制得了我国赵中贤研究组制得了Tc=93K的的Y-Ba-Cu-O混合混合氧化物氧化物,并测定了晶体结构并测定了晶体结构.超导温度已高于液氮沸超导温度已高于液氮沸点点77K,进入实用化阶段进入实用化阶段.中国科大研究组已制得了中国科大研究组已制得了Tc=132K的的Bi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超导体超导体.超导材料在能源输送超导材料在能源输送,磁悬浮列车磁悬浮列车,医疗卫生等医疗卫生等领域有广阔应用前景领域有广阔应用前景.高分子材料学科的基本任务是：研究高分
35、子材料的的基本任务是：研究高分子材料的合成、合成、结构和组成与材料的性质、性能之间的相互关系结构和组成与材料的性质、性能之间的相互关系;探索探索加工工艺和各种环境因素加工工艺和各种环境因素对高分子材料性能的影响对高分子材料性能的影响;为为改进工艺改进工艺,提高高分子材料的质量提高高分子材料的质量,合理使用高分子材料合理使用高分子材料,开发新材料、新工艺和新的应用领域提供理论依据和基开发新材料、新工艺和新的应用领域提供理论依据和基础数据础数据.高分子材料学科是一门年轻而新兴的学科高分子材料学科是一门年轻而新兴的学科,它的它的发展要求科学和工程技术最为密切的配合发展要求科学和工程技术最为密切的配合
36、,它的进步需它的进步需要要跨部门、多学科的最佳协调和共同参与跨部门、多学科的最佳协调和共同参与.（Nomenclatures）Macromolecule(大分子大分子):由大量原子组成由大量原子组成,具有高的具有高的相对分子质量或分子重量相对分子质量或分子重量.Polymer molecule(聚合物分子聚合物分子,简称简称高分子高分子):由许多由许多(poly)部分部分(mer,单体单元或链节单体单元或链节)组成的多重重复的分组成的多重重复的分子子.一个高分子总是一个大分子一个高分子总是一个大分子,但一个大分子不一定是高分子但一个大分子不一定是高分子.Polymer(聚合物聚合物):是由许多
37、聚合物分子组成的一种物是由许多聚合物分子组成的一种物质质,它是一种聚合的物质它是一种聚合的物质.5.复合材料复合材料 金属材料易腐蚀金属材料易腐蚀;高分子材料易老化高分子材料易老化,不耐高温不耐高温;无机无机非金属材料韧性差非金属材料韧性差,易碎裂易碎裂.三者优化组合三者优化组合,制备性能优制备性能优异的异的复合材料复合材料.复合材料大多是以连续相存在的复合材料大多是以连续相存在的基体材料基体材料和分散于基和分散于基体中的体中的增强材料增强材料组成组成.增强材料增强材料:能提高材料基本力学性能的物质能提高材料基本力学性能的物质.包括粒子和纤维包括粒子和纤维.无机纳米粒子具有更高的增强增韧效应无
38、机纳米粒子具有更高的增强增韧效应;纤维具有良好的刚性纤维具有良好的刚性和抗张强度和抗张强度.在体系中构成复合材料的在体系中构成复合材料的骨架骨架,决定材料的决定材料的刚性刚性和强度和强度.基体材料基体材料:使增强材料使增强材料粘合成型粘合成型,且对承受的外力起且对承受的外力起传导和分传导和分散散作用作用.21世纪是复合材料的世纪世纪是复合材料的世纪.聚合物基复合材料聚合物基复合材料 主要指纤维增强聚合物材料主要指纤维增强聚合物材料.环氧树脂包埋碳纤维复合材料环氧树脂包埋碳纤维复合材料.网球拍网球拍,高高尔夫球棍和滑雪撬等尔夫球棍和滑雪撬等.玻璃纤维增强聚酯复合材料玻璃纤维增强聚酯复合材料玻璃钢
39、玻璃钢.应用应用极端广泛极端广泛.玻璃纤维增强聚酰胺玻璃纤维增强聚酰胺,可大幅度提高聚酰胺可大幅度提高聚酰胺的机械强度的机械强度,耐水性耐水性,尺寸稳定性和使用温度尺寸稳定性和使用温度.碳纤维增强聚酰亚胺已用于制备汽车发电碳纤维增强聚酰亚胺已用于制备汽车发电机机.和飞机零配件和飞机零配件.金属基复合材料金属基复合材料 铝基铝基(碳纤维增强碳纤维增强)复合材料复合材料.镍基镍基(钨丝增强钨丝增强)复合材料复合材料.提高耐温提高耐温性能性能.钛基复合材料钛基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 陶瓷包埋纤维或晶须复合材料可大幅度提陶瓷包埋纤维或晶须复合材料可大幅度提高材料的韧性高材料的韧性.法国长
40、纤维增强碳化硅法国长纤维增强碳化硅:应用于制造高速列车应用于制造高速列车的制动件的制动件.美国陶瓷基复合材料应用于制造涡轮发动机美国陶瓷基复合材料应用于制造涡轮发动机.我国碳纤维增强石英复合材料我国碳纤维增强石英复合材料,为我国航天事为我国航天事业业“再返大气层的超高温防热问题再返大气层的超高温防热问题”,提供了提供了关键材料关键材料.纳米科学技术纳米科学技术:20世纪世纪80年代末诞生并在蓬勃发展的一年代末诞生并在蓬勃发展的一中高新科技中高新科技.是在是在纳米尺寸范围内纳米尺寸范围内(1-100nm)认识和改认识和改造自然通过造自然通过直接操纵原子和分子直接操纵原子和分子而创造新物质而创造新
41、物质(包括材包括材料、器件、性能和使用效能等料、器件、性能和使用效能等)，探索在纳米尺度范围，探索在纳米尺度范围内物质运动的新现象和新规律内物质运动的新现象和新规律.它的出现标志着人类改它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子和分子水平造自然的能力已延伸到原子和分子水平,标志着人类科标志着人类科学技术水平已进入到个新时代学技术水平已进入到个新时代 纳米科技时代纳米科技时代.纳米科学技术是多学科交叉纳米科学技术是多学科交叉,基础研究和应用开发紧密基础研究和应用开发紧密联系的集成高新科技联系的集成高新科技.包括包括:纳米生物学、纳米电子学、纳米生物学、纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米材料
42、学、纳米机械学等纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学等新学科领域新学科领域,已经并继续对相关各产业领域产生强烈的已经并继续对相关各产业领域产生强烈的影响和渗透。影响和渗透。纳米科学纳米科学技术技术宇航、交通宇航、交通传统产业传统产业环境、能源环境、能源医疗和药物医疗和药物新新 材材 料料电子器件电子器件计算机计算机国家安全国家安全生物、农业生物、农业纳米科技向不同领域的渗透纳米科技向不同领域的渗透纳米材料科学技术纳米材料科学技术纳米材料纳米材料即是由纳米结构形成的材料即是由纳米结构形成的材料,包括纳米粒子、纳包括纳米粒子、纳米管以及纳米结构按一定方式堆积或在一定基体中分散米管以及纳米结
43、构按一定方式堆积或在一定基体中分散形成的宏观材料形成的宏观材料,如纳米块体材料和纳米复合材料等如纳米块体材料和纳米复合材料等.纳米材料学纳米材料学(nanomaterial science)是研究纳米材料的制备、是研究纳米材料的制备、结构与性能的关系及其应用的科学结构与性能的关系及其应用的科学,是物理学、化学和材是物理学、化学和材料学的交叉研究领域料学的交叉研究领域,是纳米科技的重要组成部分和中心是纳米科技的重要组成部分和中心环节环节.纳米材料学是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体纳米材料学是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学交化学、配位化学、
44、化学反应动力学和表面、界面科学交叉汇合而出现的新学科生长点叉汇合而出现的新学科生长点.Nanoscale functional unit.Nanoscale building blocksNanomachineBulk materialsNanocompositesGrinding Ultrasound Sol-gelMolecules STM,AFMSelf-assemblyVapor depositionMicroemulsion Dendrimer 纳米材料科学技术纳米材料科学技术把组成相或晶粒结构控制在把组成相或晶粒结构控制在100nm以下长度尺寸的材料以下长度尺寸的材料称为称为纳米材
45、料纳米材料.分为两个层次分为两个层次:即纳米超微粒子和纳米固即纳米超微粒子和纳米固体材料体材料(具有纳米孔、纳米通道等纳米相结构具有纳米孔、纳米通道等纳米相结构).Two pathways to nanostructures 白春礼等研制成功白春礼等研制成功STM,并用其进行石并用其进行石墨表面刻蚀，刻出线宽为墨表面刻蚀，刻出线宽为10nm的的“中国中国”字样字样.“碳纳米管和其它纳米材料碳纳米管和其它纳米材料”制备或合制备或合成出成出直径为直径为0.5nm 的碳纳米管的碳纳米管，使碳纳米，使碳纳米管的制备和研究处于国际领先水平。管的制备和研究处于国际领先水平。vSome new nanostructures obtained recentlyNanobelts未来材料发展的趋势未来材料发展的趋势 未来的材料未来的材料:智能化智能化 仿生化仿生化 复合化复合化 纳米化纳米化 轻量化轻量化 高功能化高功能化 应用已有的系统化的分子结构和性能等知识和应用已有的系统化的分子结构和性能等知识和信息信息,进行进行分子设计和材料设计分子设计和材料设计,并指导合成和并指导合成和制备具有制备具有预期预期性能和使用效能的材料性能和使用效能的材料.
