1、l课程介绍课程介绍 材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱，材材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱，材料科学与基础科学亦日益融合形成了新的边沿科学料科学与基础科学亦日益融合形成了新的边沿科学材材料化学料化学和和材料物理材料物理。要求学生要求学生掌握几种材料的制备技术，理解其制备原理，掌握几种材料的制备技术，理解其制备原理，知道所用的主要仪器设备和基本实验思路、知道不同制备知道所用的主要仪器设备和基本实验思路、知道不同制备方法的特点方法的特点，扩大视野，最终学会自己设计实验，合成材扩大视野，最终学会自己设计实验，合成材料料。l学习方式学习方式 课程以课程以课堂讲授课堂讲授为主，同时可通
2、过查阅为主，同时可通过查阅文献及课堂讨论等形式，借以促进学生了文献及课堂讨论等形式，借以促进学生了解并学习材料化学和材料物理领域内材料解并学习材料化学和材料物理领域内材料合成的基本方法以及理论，同时掌握一些合成的基本方法以及理论，同时掌握一些新的材料合成技术。新的材料合成技术。4化学合成工艺技术l课程重点及学习内容课程重点及学习内容 单晶制备单晶制备 非晶材料的制备非晶材料的制备 薄膜制备技术薄膜制备技术 复合材料及其制备技术复合材料及其制备技术（高聚物基、（高聚物基、金属基、陶瓷基）金属基、陶瓷基）结构陶瓷结构陶瓷 功能陶瓷功能陶瓷 电子陶瓷通讯器件电子陶瓷通讯器件（压电陶瓷变压器、（压电陶
3、瓷变压器、扬声器扬声器)生产技术生产技术 功能高分子制备技术功能高分子制备技术 纳米合成技术纳米合成技术l 参考资料参考资料 1、教材：、教材：曹茂盛等主编，材料合成与制备方法，哈尔滨曹茂盛等主编，材料合成与制备方法，哈尔滨工业大学出版社，工业大学出版社，2001年年8月。月。2、其它信息库：、其它信息库：课堂课堂 图书馆图书馆（各章所需的参考书将会在每章列出来）（各章所需的参考书将会在每章列出来）网络网络 实验课程中实验课程中l课程考察与成绩评定课程考察与成绩评定 总评积分公式为总评积分公式为 1006040，即，即 总评考试成绩总评考试成绩 平时成绩平时成绩 1、考试成绩、考试成绩 论文形
4、式论文形式，满分，满分100，占，占60 2、平时成绩、平时成绩 到课情况、课堂听讲、回答问题到课情况、课堂听讲、回答问题 情况为主，满分情况为主，满分100，占，占40 绪绪 论论1 1、材料的定义、材料的定义通俗定义：通俗定义：材料是原料中取得的生产物质的原料。材料是原料中取得的生产物质的原料。材料是制成成品的东西。例如：高分子、材料是制成成品的东西。例如：高分子、金属、陶瓷等等。金属、陶瓷等等。国内外国内外3 3部大型辞书对材料的定义：部大型辞书对材料的定义：Longman Dictionary朗曼词典朗曼词典 anything from which something is or ma
5、y be made。Oxford Advanced LearnerEnglish-Chinese Dictionary that of which something is can be made or which something is done。辞海辞海：把自然界经过开采而获得的劳动对象称为把自然界经过开采而获得的劳动对象称为原料。原料。同样，在加工工业中，一般把来自采掘工业和同样，在加工工业中，一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为农业的劳动对象称为原料原料，把经过工业加工的，把经过工业加工的原料（如钢铁、水泥）称为原料（如钢铁、水泥）称为材料材料，而材料和原，而材料和原料合称为料合称
6、为原材料原材料。现代材料学可以如此来定义材料：现代材料学可以如此来定义材料：2 2、材料的分类、材料的分类从从来源来源上分，材料可以分为：上分，材料可以分为：天然的天然的木材，石料木材，石料 合成合成化学纤维，塑料，金属，陶瓷化学纤维，塑料，金属，陶瓷 半天然半天然纸张，布料纸张，布料按照材料的按照材料的化学属性化学属性可以分可以分有机高分子材料有机高分子材料黑色金属黑色金属 （铁、锰、铬及其合金）（铁、锰、铬及其合金）有色金属有色金属金属材料金属材料单晶形态单晶形态多晶形态。新型陶瓷材料（多晶形态。新型陶瓷材料（New Ceramics）或精细陶瓷（）或精细陶瓷（Fine Ceramics）
7、。）。以脂肪族或芳香族的以脂肪族或芳香族的C-CC-C共价键为基础共价键为基础结构的大分子组成。一般又分为塑料、结构的大分子组成。一般又分为塑料、橡胶和纤维。橡胶和纤维。复合材料复合材料金属、无机非金属和有机高分子材料金属、无机非金属和有机高分子材料等有机结合等有机结合无机非金属材料无机非金属材料 “杂化材料杂化材料”两种以上不同种类的有机、无机和金属材料两种以上不同种类的有机、无机和金属材料在原子、分子水平上杂化，从而产生具有新型原在原子、分子水平上杂化，从而产生具有新型原子、分子集合结构的物质，属于分子复合材料的子、分子集合结构的物质，属于分子复合材料的范畴范畴。构造机制：离子界面消失，完
8、全结晶化，因构造机制：离子界面消失，完全结晶化，因此此这种材料具有许多新的性能和用途。这种材料具有许多新的性能和用途。按材料的按材料的性能性能分类分类 结构材料（结构材料（Structural material）以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，具有抵抗外力作用而保持自己的作为应用性能，具有抵抗外力作用而保持自己的形状、结构不变的特点。如制造工具、机器、车形状、结构不变的特点。如制造工具、机器、车辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。凝土材料。功能材料（功能材料（Function
9、al material）：）：指具有优良的电学、磁学、光学、热学、声指具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的性能，学、力学、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目的高技术材料。如光致变色材料、被用于非结构目的高技术材料。如光致变色材料、电致变色、形状记忆材料等。此概念电致变色、形状记忆材料等。此概念1965年由美年由美国贝尔研究所的国贝尔研究所的J.A.Morton博士提出，现已被博士提出，现已被各国材料界重视和接受。各国材料界重视和接受。功能材料的功能及其示例功能材料的功能及其示例热学性能热学性能热容、热传导、热稳定；热容、热传导、热稳定；光学性
10、能光学性能与光的作用、吸光、发光和透光性；与光的作用、吸光、发光和透光性；电学性能电学性能导电、介电和压电性等；导电、介电和压电性等；磁学性能磁学性能永磁、硬磁、软磁等；永磁、硬磁、软磁等；化学性能化学性能反应性、催化等；反应性、催化等；生物功能生物功能适应、生物活性、保健等。适应、生物活性、保健等。举例：举例：弹性材料弹性材料 应用力学性能应用力学性能用于非结构目的用于非结构目的 属于功能材料；属于功能材料；结构陶瓷结构陶瓷 应用力学性能应用力学性能用于结构目的用于结构目的 属于结构材料；属于结构材料；普通玻璃普通玻璃 应用力学性能应用力学性能用于结构目的用于结构目的 属于结构材料；属于结构
11、材料；特种玻璃特种玻璃 应用光学性能应用光学性能用于非结构目的用于非结构目的 属于功能材料。属于功能材料。按材料的按材料的化学组成化学组成分类分类材材料料有机材料有机材料无机材料无机材料木材木材石材石材人工晶体人工晶体高性能陶瓷高性能陶瓷化学纤维化学纤维塑料塑料钢材钢材砖瓦砖瓦纸张纸张布料布料陶器陶器新材料体系的新材料体系的混合分类法混合分类法3 3 材料的发展历程材料的发展历程 第一代为天然材料第一代为天然材料 在原始社会生产技术水平低下，人类在原始社会生产技术水平低下，人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物，主要的工具是棍棒，用石料加工的矿物，主要
12、的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。磨制石器。第二代为烧炼材料第二代为烧炼材料 烧炼材料是烧结烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。人类用天然的矿材料和冶炼材料的总称。人类用天然的矿土烧结砖瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，土烧结砖瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，这些都属于烧结材料；从各种天然的矿石这些都属于烧结材料；从各种天然的矿石中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料。中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料。5500BC，天然，天然金与铜被用作工具与武器金与铜被用作工具与武器 人类开始了金属的使用人类开始了金属的使用，4000BC，通过金属铸造工艺通过金属铸造工艺-人们得到了人们得到了 他们需要的形状。他们需
13、要的形状。最早的模铸件最早的模铸件-一个铜制杖头一个铜制杖头 从矿石中提炼铜从矿石中提炼铜-冶金业的黎明冶金业的黎明 1450BC，铁的发现铁的发现 1886AD，电化学，电化学方法冶炼铝，使铝方法冶炼铝，使铝成为一种常用金属。成为一种常用金属。1856AD，英国发明家贝塞麦，英国发明家贝塞麦（Henry Bessemer，18131898）发明了钢铁冶炼的专利）发明了钢铁冶炼的专利贝塞麦转炉炼钢法贝塞麦转炉炼钢法，在铸造炉中熔，在铸造炉中熔化铁时使用鼓风设备，利用空气即化铁时使用鼓风设备，利用空气即可除去铁水中的碳，炼出熟铁或低可除去铁水中的碳，炼出熟铁或低碳钢。贝塞麦法的诞生使钢铁制品碳钢
14、。贝塞麦法的诞生使钢铁制品性能大大改观而成本也降低不少，性能大大改观而成本也降低不少，这在冶金发展史上具有划时代的意这在冶金发展史上具有划时代的意义，标志着早期工业革命义，标志着早期工业革命“铁时代铁时代”向向“钢时代钢时代”的演变。的演变。贝塞麦曾任英国钢铁学会主席，贝塞麦曾任英国钢铁学会主席，1879年当选为英国皇家学会会员年当选为英国皇家学会会员 第三代材料为合成材料第三代材料为合成材料 在在20世纪初期出现了化工合成产品，其中合成塑世纪初期出现了化工合成产品，其中合成塑料、合成橡胶和合成纤维已广泛地是用于生产和生活料、合成橡胶和合成纤维已广泛地是用于生产和生活中。从中。从1907年第一
15、个小型酚醛树脂厂建立，到年第一个小型酚醛树脂厂建立，到1927年第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现商品化，年第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工业迅猛发展年建立了聚合物概念后，聚合物工业迅猛发展起来，这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的起来，这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究（深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工业化（金、功能聚合物材料的工业化（1970-1980年）、年）、分子设计、高性能、高功能聚合物的合成（分子设计、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）年）等几个
16、发展进程等几个发展进程。1939 1939 尼龙商业发展迅速发展尼龙商业发展迅速发展高分子材料发展的关键时期高分子材料发展的关键时期 第四代第四代可设计的材料可设计的材料 并不满足于现有的材料，而是出现了根据实际需要并不满足于现有的材料，而是出现了根据实际需要而设计的具有特殊性能的材料，如而设计的具有特殊性能的材料，如金属陶瓷、铝塑薄膜金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料属于这一类。等复合材料属于这一类。第五代第五代智能材料，现代功能材料智能材料，现代功能材料 是近三、四十年来研制的一类新型功能材料，它们随是近三、四十年来研制的一类新型功能材料，它们随时间、环境的变化改变自己的性能或形状，好像具有智时
17、间、环境的变化改变自己的性能或形状，好像具有智能。例如能。例如自修复材料自修复材料、形状记忆材料等形状记忆材料等就属于这一类，就属于这一类，后者已开展在金属、高分子和复合材料领域内，应用广后者已开展在金属、高分子和复合材料领域内，应用广泛，极大地丰富和方便了现代航天、工业和医疗技术。泛，极大地丰富和方便了现代航天、工业和医疗技术。36形状记忆合金形状记忆合金在军事和航天工业方面的应用在军事和航天工业方面的应用月面天线月面天线37 在工程方面的应用在工程方面的应用形状记忆合金管接口38Advantages形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：夹紧力大，接触密封可
18、靠，避免了由于焊夹紧力大，接触密封可靠，避免了由于焊 接而产生的冶金缺陷；接而产生的冶金缺陷；适于不易焊接的接头；适于不易焊接的接头；金属与塑料等不同材料可以通过这种连接金属与塑料等不同材料可以通过这种连接 件连成一体；件连成一体；安装时不需要熟练的技术。安装时不需要熟练的技术。39 在医疗方面的应用在医疗方面的应用记忆型记忆型NiTi牙弓丝牙弓丝脊柱矫形棒、人工关节、人造心脏、美体内衣等。40Examples形状记忆合金套管连接的铝合金假肢形状记忆合金套管连接的铝合金假肢形状记忆合金制成的血栓过滤器形状记忆合金制成的血栓过滤器41 形状记忆式热发动机形状记忆式热发动机形状记忆用于热发动机的原
19、理形状记忆用于热发动机的原理42Examples美国人发明的镍钛诺尔热机美国人发明的镍钛诺尔热机J43偏心曲柄型热机偏心曲柄型热机涡轮型热机涡轮型热机44自控元件原理自控元件原理454.4 SMA双程双程 CuZnAl 记忆合金弹簧记忆合金弹簧 464.4 SMA双程双程CuZnAl 记忆合金花记忆合金花47ExamplesTiNi记忆合金眼镜架记忆合金眼镜架超弹性超弹性耐腐蚀性耐腐蚀性重量轻重量轻43%18%9.1%6.9%3.9%3.9%3.8%3.7%3.6%3.6%1000 1200 1500 1700 1900 1950 1980 1990 2000 2010 4 材料与人类社会的关
20、系材料与人类社会的关系 材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。里程碑。（1）材料和人类社会发展关系密切）材料和人类社会发展关系密切燧石，这种容易制成工具的石头，燧石，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。开始了制陶业的发展。从人类社会发展来看，使用材料从人类社会发展来看，使用材料经历了三大里程碑：经历了三大里程碑：石器时代石器时代：以石头制造工具。以石头制造工具。可以划分为可以划分为旧石器时代旧石器时代（公元前（公元前23百万年至约百万年至约1万年万年,从原始部从原始部落到母系社会）、落到母系社会）、中石器时代中石器时代（
21、公元前约（公元前约1万年至万年至78千年）、千年）、新石器时代新石器时代（公元前（公元前78千年至千年至6千年）。这期间，我们的祖先以千年）。这期间，我们的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了矿石，发明了火，过程中认识了矿石，发明了火，制造了第制造了第1种人造材料种人造材料陶，并陶，并在烧陶过程中发展了冶铜术，开在烧陶过程中发展了冶铜术，开创了冶金技术。创了冶金技术。（2）材料的使用程度是人类社会发展的里程碑）材料的使用程度是人类社会发展的里程碑5500BC天然金与铜被用作工具天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用。与武器，开始了人类金属的使用。
22、铜器时代铜器时代：人类大量制人类大量制造和使用第造和使用第2种人造材种人造材料料“红铜红铜”和和“青青铜铜”。“红铜红铜”时代约在公元时代约在公元前前45千年，即原始社千年，即原始社会到奴隶社会初期；会到奴隶社会初期；“青铜青铜”时代约在我国时代约在我国商周时代和私有制建立商周时代和私有制建立的前夜。的前夜。3500BC 从矿石中提炼铜从矿石中提炼铜-冶金业的黎明冶金业的黎明 埃及的古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一埃及的古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一 铁器时代铁器时代：人类制造和使用第：人类制造和使用第3种种人造材料人造材料铸铁，此后是钢铁工铸铁，此后是钢铁工业的迅猛发展业的迅猛发展,成
23、为成为18世纪产业革世纪产业革命的重要内容和物质基础。命的重要内容和物质基础。人类社会发展到人类社会发展到20世纪中叶以世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为发明之母和产业粮食的新材料作为发明之母和产业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为研制更是异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半导体时代、先进陶聚合物时代、半导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代瓷时代和复合材料时代等种种提法。等种种提法。在当前新技术革命涉及整个国际社在当前新技术革命涉及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个会的浪潮冲击下，人类进入了一个材料革命的新时代。材料革命的新时代。（3）
24、生活和工业中的材料科学）生活和工业中的材料科学 材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。纵观人们利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材础。纵观人们利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文发展的进程，给社会生
25、产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。明推向前进。复合材料铁器材料铜器材料石器材料生活中的材料科学生活中的材料科学 钛结构自行车架的断面结构钛结构自行车架的断面结构 钛钢的焊接钛钢的焊接 生命科学材料生命科学材料 1832年以来美国牙科协会一直年以来美国牙科协会一直使用专用的汞合金，它通常有使用专用的汞合金，它通常有下列材料组成：下列材料组成：50%Hg 汞汞 20%（最少）（最少）Ag 银银 15%（最多）（最多）Cu 铜铜 15%（最多）（最多）Sn 锡锡最近有一些病人抱怨口腔中发最近有一些病人抱怨口腔中发生电化学反应会生电化学反应会导致金属合金导致金属合金的分解。的分解。解
26、决方案之一就是开发填补龋齿的新材料。口腔中特殊的解决方案之一就是开发填补龋齿的新材料。口腔中特殊的物理及化学环境对置入其中的材料是一个严峻的考验。具物理及化学环境对置入其中的材料是一个严峻的考验。具体来讲，它需要满足下列要求：体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的酸；耐口腔中的酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；经得住数年的咀嚼力；经得住数年的咀嚼力；耐骤冷骤热；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适。当然还要口感舒适。航空材料航空材料 复合材料复合材料 用耐磨聚酯材料用耐磨聚酯材料取代传取代传统轮胎材料，可以和钢统轮胎材料，可以和钢或铝制轮胎一决高下。或铝制轮胎一决高下
27、。该轮胎的优点可不仅仅该轮胎的优点可不仅仅是时髦漂亮，而且聚酯是时髦漂亮，而且聚酯材料提供了优良的抗腐、材料提供了优良的抗腐、耐磨损性能，可以有效耐磨损性能，可以有效的抑制化学物对轮胎的的抑制化学物对轮胎的侵蚀。侵蚀。新型耐磨材料新型耐磨材料1960s 制作越来越小的硅芯片制作越来越小的硅芯片 光导纤维光导纤维光导纤维奠定了当代信息革命的基础1980s，高温超导体，高温超导的革命时代高温超导体，高温超导的革命时代 未来汽车材料未来汽车材料轿车制造轿车制造桥梁建造桥梁建造智能传感材料智能传感材料机器人制造机器人制造远程感应材料摩天大厦与建筑材料先进材料包括特种陶瓷，陶瓷基和金属基复合材料，金属间
28、化合物与轻合金，先进材料包括特种陶瓷，陶瓷基和金属基复合材料，金属间化合物与轻合金，先进塑料，表面改性材料，金刚石薄膜，膜材料及生物材料等。先进塑料，表面改性材料，金刚石薄膜，膜材料及生物材料等。4、材料对人类的意义、材料对人类的意义适应性与人类社会发展相适应标志性标志人类智慧的程度推动性高科技材料推动工业技术的发展革命性材料引起技术的革命，引起人类 革命决定性材料及其技术决定人类 现代化的建筑和现代化的室内装修要求优质的新型建筑材料 新型的显示技术和照明技术要求性能优良的新型荧光材料 高密小型电池及燃料电池要求新型电极材料和电解质材料 高密度的新型信息存储器件对磁性材料有新的要求 通讯技术要求光纤的衰减更小,中继距离更长 更高的超导转变温度，实用化三基色荧光粉微波介电陶瓷白色发光二极管 超导体悬浮5 现代科技、生产和生活现代科技、生产和生活对材料的新要求对材料的新要求绪论中的重点绪论中的重点1、材料的定义、分类、发展历史、材料的定义、分类、发展历史2、材料与技术革命的关系、材料与技术革命的关系3、材料是如何标志人类社会发展的各个、材料是如何标志人类社会发展的各个 历史的历史的4、材料对人类社会进步的意义、材料对人类社会进步的意义5、本课程的意义、重点、学习方式、考、本课程的意义、重点、学习方式、考 核核
