化学与新材料.ppt
《化学与新材料.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化学与新材料.ppt(91页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、化学与新材料李侃社 赵世永西安科技大学 化学化工学院5/9/20241.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5/9/20242.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!新新材材料料现现代代科科学学技技术术和和社社会会发发展展的的基础和支柱!基础和支柱!化学化学材料科学技术的理论基础材料科学技术的理论基础.5/9/20243.1.材料科
2、学与工程(materials science and engineering)研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及四者之间的相互依赖关系的规律材料科学.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,提高材料的使用效能,以满足社会的需要,设汁与制造材料制备与表征所需的仪器、设备材料工程科学与工程彼此密切结合,构成个学科整体.5/9/20244.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 struc
3、ture)构成材料科学与工程的四组元四面体关系构成材料科学与工程的四组元四面体关系5/9/20245.合成与制备合成与制备 合合成成主主要要指指促促使使原原子子、分分子子结结合合而而构构成成材材料料的的化化学学与与物物理理过过程程.既既包包括括有有关关寻寻找找新新合合成成方方法法的的科科学学可可题题、也也包包括括以以适适用用的的数数量量和和形形态态合合成成材材料料的的技技术术问问题题;既既包包括括新新材材料料的的合合成成,也也应应包包括括已已有有材材料料的的新新合合成成方方法法(加加溶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.制制备备主主要要指指材材料料
4、在在宏宏观观迟迟到到上上加加工工、处处理理、装装配配和和制制造等一系列过程,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.合合成成与与制制备备是是提提高高材材料料质质量量、降降低低牛牛产产成成本本和和提提高高经经济效益的关键济效益的关键,也是开发新材料、新器件的小心环节也是开发新材料、新器件的小心环节.5/9/20246.组成和结构组成和结构 组组成成指指构构成成材材料料物物质质的的原原子子、分分子子及及其其分分布布;除除主主要要组组成成以以外外,杂杂质质及及对对材材料料结结构构与与性性能能有有重重要要影影响响的的微微量量添添加加物亦不能忽略物亦不能忽略.结结构构则
5、则指指组组成成原原干干、分分子子在在不不同同层层次次上上彼彼此此结结合合的的形形式式、状状态态和和空空间间分分布布,包包括括原原子子与与电电子子结结构构、分分子子结结构构、晶晶体体结结构构、相相结结构构、晶晶粒粒结结构构、表表面面与与品品界界结结构构、缺缺陷陷结结构构等等;在在尺尺度度上上则则包包括括纳纳米米以以下下、纹纹米米、微微米米、色色米米及及更更宏宏观观的的结构层次结构层次.材材料料的的组组成成与与结结构构是是材材料料科科学学与与工工程程的的基基本本研研究究内内容容,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.5/9/20247.
6、性能性能 性性能能指指材材料料固固有有的的物物理理、化化学学特特性性,也也是是确确定定材材料料用用途途的的依依据据.广广义义地地说说,性性能能是是材材料料在在一一定定的的条条件件下下对对外外部部作作用用的的反反应应的的定定量量表表述述.例例如如,对对外外力力作作用用的的反反应应为为力力学学性性能能,对对外外电电场场作作用用的的反反应应为为电电学学性性能能,对对光光波波作作用用的的反反应应为为光光学学性性能等等能等等.5/9/20248.使用效能使用效能 使使用用效效能能是是材材料料以以持持定定产产品品形形式式在在使使用用条条件件下下所所表表现现的的效效能能.它它是是材材料料的的固固有有性性能能
7、、产产品品设设计计、工工程程持持性性、使使用用环环境境和和效效益益的的综综合合表表现现,通通常常以以寿寿命命、效效率率、可可靠靠性性、效效益益及及成成本本等等指指标标衡衡量量.因因此此,与与工工程程设设计计及及生生产产制制造造过过程程密密切切相相关关,不不仅仅有有宏宏观观的的工工程程问问题题,还还包包括括复复杂杂的的材材料料科科学学问问题题.例例如如,材材料料部部件件的的损损毁毁过过程程和和可可靠靠性性往往往往涉涉及及在在特特定定的的温温度度、气气氛氛、应应力力和和疲疲劳劳环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.材材料料的的使使用用效效能能是是材材
8、料料科科学学与与工工程程所所追追求求的的最最终终目目标标、而而且在很大程度上代表这一学科的发展水平且在很大程度上代表这一学科的发展水平.5/9/20249.材料科学与工程是多学科交叉材料科学与工程是多学科交叉5/9/202410.材料的选择材料的选择(materials selection)三个重要标准三个重要标准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5/9/202411.材料的性质材料的性质(propertiesofmaterials)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
9、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5/9/202412.材料的分类材料的分类(classificationofmaterials)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5/9/202413.2.金属材料(金属材料(metals&alloys)n金金属属材材料料是是以以金金属属元元素素为为基基础础的的材材料料.金金属属单单质质一一般般有
10、有良良好好的的塑塑性性,但但其其机机械械性性能能往往往往很很难难满满足足工工程程技技术术等等多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.5/9/202414.合金的基本结构类型合金的基本结构类型(alloys)P291297n合合金金是是由由两两
11、种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素(或或金金属属与与非非金金属属元元素素)组组成成,具具有有金金属属特特征征和和更更优优异异性性能能与与使使用用效效能能的的材料材料.包括三种结构类型包括三种结构类型.n相互溶解而形成金属相互溶解而形成金属固熔体固熔体强度提高强度提高,延展性和导电延展性和导电导热性能下降导热性能下降.n相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n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.5/9/202415.轻质合金轻质合金(alloys)n轻
12、质合金是由轻金属轻质合金是由轻金属(Al,Mg,Ti,Li等等)形成的合金材料形成的合金材料.n铝铝合合金金:金金属属铝铝的的密密度度仅仅2.7g/cm3,导导电电导导热热,但但强强度度、硬硬度度和和耐耐磨磨性性能能差差,若若与与Mg、Cu、Zn、Mn、Si等等形形成成合合金金,机机械械性性能能会会大幅度改善大幅度改善.经经热热处处理理提提高高强强度度的的变变形形铝铝合合金金为为硬硬铝铝合合金金,其其制制品品的的强强度度和和钢钢相相近近,而而质质量量仅仅为为钢钢的的14左左右右,但但耐耐腐腐蚀蚀性性较较差差.如如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等等.用用压压力力加加工工法法提提高高强强
13、度度的的变变形形铝铝合合金金称称为为防防锈锈铝铝合合金金,可可耐耐海海水水腐蚀腐蚀,可用于造船工业等可用于造船工业等.如如Al-Mn,Al-Mg等等高高强强高高模模铝铝锂锂合合金金:锂锂是是最最轻轻金金属属,其其密密度度为为0.534g/cm3,是是铝铝的的1/5,钢钢的的1/15.飞飞机机上上改改用用铝铝锂锂合合金金后后,重重量量可可减减轻轻816.如如 B737可减重可减重 2178kg,B747SP可减重可减重4200kg.5/9/202416.轻质合金轻质合金(lightalloys)n钛钛合合金金 钛钛与与Al,V,Cr,Mo,Mn和和Fe可可形形成成置置换换固固熔熔体体或或金金属属
14、间间化化合合物物而而使使其其强强度度提提高高.具具有有强强度度高高,密密度度小小,抗抗磁磁性性,耐耐高高温温,抗抗腐腐蚀蚀等等优优点点,是是宇宇航航工工业业的的重重要要结构材料结构材料.可助人可助人上天入海上天入海.5/9/202417.形状记忆合金形状记忆合金(shapememoryalloy)n所所谓谓形形状状记记忆忆效效应应是是指指合合金金材材料料在在一一定定条条件件下下,变变形形后后仍仍能能恢恢复复到到变变形形前前原原始始形形状状的的能能力力.这这类类合合金金存存在在着着一一对对可可逆逆转转变变的的晶晶体体结结构构,在在某某一一转转变变温温度度发发生生相相转转变变.1951年年美美国国
15、人人在在一一次次试试验验中中首首先先发发现现Au-Cd合合金金有有记记忆忆形形状状的的特特性性.现现已已发发现现有有多多种种合合金金系系统统都都存存在在形形状状记记忆效应忆效应,In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb合金等合金等.n形形状状记记忆忆合合金金具具有有传传感感和和驱驱动动双双重重功功能能,是是一一种种智智能能材材料料,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.5/9/202418.贮氢合金贮氢合金(hydrogenstoragealloy)v 某某些些过过渡渡金金属属、合合金金和和金金属属间间化化合合物物,由由于于其其特特殊殊
16、的的晶晶体体结结构构,使使氢氢原原子子容容易易进进入入其其晶晶格格的的间间隙隙中中并并形形成成金金属属氢氢化化物物,氢氢与与这这些些金金属属的的结结合合力力很很弱弱,但但贮贮氢氢量量很很大大,可可以以贮贮存存比比其其本本身身体体积积大大1000 1300倍倍的的氢氢,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年年美美国国布布鲁鲁海海文文国国家家实实验验室室首首先先发发现现镁镁-镍镍合合金金具具有有吸吸氢氢特特性性,1969年年荷荷兰兰菲菲利利普普实实验验室室发发现现钐钐钴钴(SmCo5)合合金金,随随后后又又发发现现镧镧-镍镍(LaNi5)合合金金在在常常温温下下具
17、具有有良良好好的的可可逆逆吸吸放放氢氢性性能能,从从此此引引起起了了人人们们极极大大的的关关注注.已已经经成成功功开开发发了了镁镁系系,稀稀土土系系,钛钛系系,锗锗系系贮贮氢氢合合金金,正正向向多多元化发展元化发展.v 贮贮氢氢合合金金贮贮运运氢氢气气,既既轻轻便便又又安安全全,作作为为一一种种新新型型贮贮能能材材料料具具有有极极为为广泛的应用前景广泛的应用前景.5/9/202419.耐热合金耐热合金(heatresistantalloy)一一般般金金属属材材料料的的长长期期使使用用温温度度500600,能能在在高高于于700 条条件件下下工工作作的的金金属属合合金金称称为为耐耐热热合合金金.
18、“耐耐热热”是是指指材材料料在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性.耐耐热热合合金金通通常常是是由由第第BB和和族族高高熔熔点点金金属属形形成成的的合合金金.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件等各种燃气轮机热端部件等.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.提高钢铁耐热性的途径提高钢铁耐热性的途径:设设法法提提高高金金属属键键的的强强度度.金金属属键键的的强强度度与与原原子子中中成成单单电电子子数有关数有关,所以与所以与Cr,Mo,W等形成合金等形成合金可提高耐热性可提高耐热性.加入可形成
19、加入可形成耐高温化合物如碳化物耐高温化合物如碳化物的金属的金属,形成合金形成合金.5/9/202420.低熔点合金低熔点合金(lowmeltingalloy)低熔点合金低熔点合金是指由低熔点金属是指由低熔点金属Hg,Sn,Pb和和Bi形成的合金形成的合金.Wood合合金金:组组成成为为:质质量量分分数数50%Bi-25%Pb-13%Sn-12%Cd,熔熔点点仅仅71,应应用用于于自自动动灭灭火火设设备备,锅锅炉炉安安全全装置以及信号仪表等装置以及信号仪表等.焊锡焊锡:组成为质量分数组成为质量分数37%Pb-63%Sn,熔点熔点183.液液体体合合金金:组组成成质质量量分分数数77.2%K-22
20、.8%Na,熔熔点点 -12.3,应用于原子能反应堆的冷却剂应用于原子能反应堆的冷却剂.5/9/202421.耐腐蚀合金耐腐蚀合金(corrosion-resistantalloy)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.表表面面能能生生成成难难溶溶的的和和保保护护性性良良好好的的腐腐蚀蚀产产物物膜膜的的金金属属.通过特定腐蚀介质来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
21、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.5/9/202422.磁性材料磁性材料(magneticmaterials)v 磁磁性性体体是是由由电电磁磁作作用用而而产产生生磁磁化化的的物物质质.凡凡是是能能磁磁化化到到较较大大磁磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为磁性材料磁性材料.v 磁性材料主要有两大类磁性材料主要有两大类 矫矫顽顽力力极极大大,并并且且以以剩剩余余磁磁通通密密度度很很高高为为特特征征,称
22、称为为硬硬磁磁材材料或永磁材料料或永磁材料,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;矫矫顽顽力力小小,外外部部磁磁场场的的微微小小变变化化即即可可引引起起磁磁化化的的很很大大变变化化,为为磁磁损损失失小小的的高高导导磁磁率率材材料料,称称为为软软磁磁材材料料,主主要要用用于于电电动动机机及及变变压压器器的的磁磁芯芯以以及及各各种种磁磁头头材材料料、磁磁性性密密封封材材料料和和微微波波材材料料等等.此此外外还还有有利利用用磁磁滞滞曲曲线线非非线线性性部部分分的的磁磁记记录录材材料料和和磁磁存储材料以及磁致伸缩材料和磁光材料等存储材料以及磁致伸缩材料和磁光材料等.5/9
23、/202423.永磁合金永磁合金(permanentmagnetalloy)v 矫矫顽顽力力极极大大,并并且且以以剩剩余余磁磁通通密密度度很很高高为为特特征征,称称为为硬硬磁磁材材料料或永磁材料或永磁材料.v 最早的永磁合金是具有铁磁性的最早的永磁合金是具有铁磁性的Fe,Co,Ni的合金的合金.v 稀土永磁合金稀土永磁合金 SmCo5 Sm2Co17 Nd-Fe-B Sm2Fe17N2 Pr-Fe-B-Cu 5/9/202424.巨磁阻效应巨磁阻效应(giganticreluctanceeffect)v 在在一一定定磁磁场场下下材材料料电电阻阻改改变变的的现现象象称称磁磁电电阻阻.巨巨磁磁阻阻
24、是是指指在在一一定磁场下电阻急剧减小的现象定磁场下电阻急剧减小的现象.比一般磁性合金强比一般磁性合金强10多倍多倍.v 1988年年巴巴黎黎大大学学肯肯特特教教授授首首次次在在Fe/Cr多多层层膜膜中中发发现现巨巨磁磁阻阻效效应应.随随后后在在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和和Co/Au等等纳纳米米结结构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 巨巨磁磁阻阻效效应应在在高高密密度度读读出出磁磁头头,磁磁存存储储元元件件等等高高技技术术领领域域有有广广泛用途泛用途.v 1994年年IBM公公司司研研制制成成功功巨巨磁磁阻阻效效应应的的读读
25、出出磁磁头头,磁磁记记录录密密度度提高提高17倍倍,达达5Gbit/in2,现衣超过现衣超过11 Gbit/in2.v 巨磁阻效应巨磁阻效应还可用于制备无电源随机存储器还可用于制备无电源随机存储器,微弱磁场探测器微弱磁场探测器.5/9/202425.非晶态金属非晶态金属(amorphous metal)v 将将某某些些金金属属熔熔体体,以以极极快快的的速速度度急急剧剧冷冷却却,如如106K/s,无无序序的的原原子子被迅速被迅速“冻结冻结”而形成无定型的固体而形成无定型的固体,称称非晶态金属非晶态金属,亦称亦称金属玻璃金属玻璃.v 能形成非晶态的合金有两类能形成非晶态的合金有两类:金属之间的合金
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化学 新材料
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【a199****6536】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【a199****6536】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。