工程化学(周祖新)5-1 化学与材料科学.ppt

第五章化学与材料科学 金属和合金材料 无机非金属材料 高分子化合物材料 复合材料第一节、材料科学发展概况材料:名词,指物质或构成器件之物。 1、材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史。根据当时有代表性的材料将人类社会划分为: (1)石器时代:(旧石器时代--原始人采用天然的石、木、竹、骨等材料作为狩猎工具;新石器时代--公元前 6000年,人类发明了火,掌握了钻木取火技术,用以烧制陶瓷。) 瓷器的出现已成为中华民族文化的象征之一, 对世界文化产生过深远的影响。(2)青铜器时代: 这是人类社会出现最早的金属材料,中国历史上曾有过灿烂的青铜文化。(3)铁器时代:用铁作为材料来制造农具, 铁在农业上的广泛应用,推动了以农业为中心的科学技术日益进步;以钢铁为中心的金属材料大规模发展,有力地摧毁了封建社会的生产方式,萌发了资本主义。(4)聚合物时代二战后各国致力于恢复经济,发展工农业生产,对材料提出了质量轻、强度高、价格低等一系列要求。具有优良性能的工程塑料部分地代替了金属材料。合成高分子材料的问世是材料发展的重大突破,从此以金属材料、陶瓷材料、高分子材料为主体,建立了完整的材料体系,形成了材料科学。 20世纪80年代以来,在世界范围内高新技术(生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术)迅猛发展,国际上展开激烈的竟争。发展高新技术的关键往往与材料有关,即根据需要来设计具有特定功能的新材料。能源、信息和材料已被公认为当今社会发展的三大支柱产业。例:计算机发展史 1946 年世界第一台电子计算机ENIAC问世时,它是用 18000 只电子管组装而成,计算机总质量达 30 多吨,占地 150m 2,耗电几百千瓦。(计算速度不如现在的一台微型计算器); 半导体材料的发展,用半导体材料代替电子管,使计算机技术跨进了一大步; 为了使计算机体积小、质量轻,人们把许多晶体管和连线集成在硅基片上,出现了集成电路。集成电路不仅是计算机技术的基础,也是现代社会中通迅、电视、遥控等微电子技术的基础。现在最大规模的集成电路,每个硅基片上的晶体管数目已达到550万个(Pentium PRO1995) ,因而对新单晶硅材料的纯度要求日益提高。( 例如计算机内存为 64 K,则要求集成电路在 7mm 2大小的芯片上连接 10 万个晶体管,晶体管之间用线宽为 3um 的布线互相连接起来。) 目前人们正在探索实现三维集成电路的可能性。 2、化学是材料发展的源泉化学与材料科学保持着相互依存、相互促进。新分子和新材料的飞速增长(平均每天递增 7000 种) 3、材料分类(1)按用途分: 结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性质,广泛用于机械制造、工程建设、交通运输、和能源等各个部门; 功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能,用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料,它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能,智能材料是 21 世纪材料。(2)按材料成分和特性分:金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。复合材料是由金属材料、陶瓷材料、高分子材料组成的。复合材料的强度、刚度和耐腐蚀性能比单一材料更为优越,是一类更为广阔发展前景的新型材料。(3)材料也可分为传统材料和新型材料。传统材料是指生产工艺已经成熟,并投入工业生产的材料。新型材料是指新发展或正在发展的具有特殊功能的材料,如高温超导材料、特种材料、功能高分子材料。新型材料的特点: ⑴具有特殊的性能,能满足尖端技术和设备制造的需要。如能在接近极限条件下使用的超高温、超高压、极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料。⑵新型材料的研制是多学科综合研究成果。它要求以先进的科学技术为基础,往往涉及到物理、化学、冶金等多个学科。⑶新型材料从设计到生产,需要专门的、复杂的设备和技术,它自身形成一个独特的领域,称为新材料技术。 4、材料的组成、结构与材料的性能⑴材料的组成和性能的关系所有的材料都是由已知的 109 种元素单质和它们的化合物组成的,组成不同,便会得到物理、化学性质迥异的物质,材料的组成对于控制、改变材料性能具重要作用。例如钢铁的性质与其中碳含量有密切关系。不含碳或含碳少(% 以下)的铁称熟铁,其质软,不能作为结构材料使用。含碳量在 % 以上称铸铁,其抟硬而脆。含量在 -% 之间, 则称钢,钢兼具较高的强度和韧性,因此在工程上获得广泛的应用。与此相似合金钢的性能是以合金元素的一定含量为条件的。钢中加铬,可提高钢的耐蚀性,但只有当钢中含铬量在 12 %以上时,才能成为耐蚀性强的不锈钢。加入锰特别硬,称为猛钢。杂质对材料性能有严重的影响,要提高材料的纯度。我家的厨房材料? 自来水管:镀锡管水