材料合成與制備技術(shù) 第一章 緒論

1PreparationofMaterials材料制備技術(shù)第一章緒論2課程介紹

材料已成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的重要支柱，材料科學(xué)與基礎(chǔ)科學(xué)亦日益融合形成了新的邊沿科學(xué)——材料化學(xué)和材料物理。在該專業(yè)本科生大三的第二學(xué)期開設(shè)材料合成這門課，旨在將同學(xué)們?cè)诖髮W(xué)初期的知識(shí)模塊融和在一起，是專業(yè)培養(yǎng)的很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是對(duì)大學(xué)所學(xué)知識(shí)的一次匯總應(yīng)用，是理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合的一次訓(xùn)練，屬于綜合性質(zhì)很強(qiáng)的高級(jí)專業(yè)課，共32學(xué)時(shí)，講課28，實(shí)驗(yàn)4。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握幾種材料的制備技術(shù)，理解其制備原理，知道所用的主要儀器設(shè)備和基本實(shí)驗(yàn)思路、知道不同制備方法的特點(diǎn)，擴(kuò)大視野，最終學(xué)會(huì)自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，合成材料。3學(xué)習(xí)方式

課程以課堂講授為主，配有實(shí)驗(yàn)課程，同時(shí)可通過(guò)查閱文獻(xiàn)及課堂討論等形式，借以促進(jìn)學(xué)生了解并學(xué)習(xí)材料化學(xué)和材料物理領(lǐng)域內(nèi)材料合成的基本方法以及理論，同時(shí)掌握一些新的材料合成技術(shù)。4材料制備化學(xué)合成工藝技術(shù)Chapter5PreparationofMaterials課程重點(diǎn)及學(xué)習(xí)內(nèi)容

單晶制備非晶材料的制備薄膜制備技術(shù)復(fù)合材料及其制備技術(shù)（高聚物基、金屬基、陶瓷基）結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷電子陶瓷通訊器件（壓電陶瓷變壓器、揚(yáng)聲器)生產(chǎn)技術(shù)功能高分子制備技術(shù)納米合成技術(shù)5

參考資料

1、教材：曹茂盛等主編，材料合成與制備方法，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001年8月。

2、其它信息庫(kù)：－課堂－圖書館（各章所需的參考書將會(huì)在每章列出來(lái)）－網(wǎng)絡(luò)－實(shí)驗(yàn)課程中6課程考察與成績(jī)?cè)u(píng)定

總評(píng)積分公式為

100＝70＋10＋20，即總評(píng)＝考試成績(jī)＋實(shí)驗(yàn)成績(jī)＋平時(shí)成績(jī)

1、考試成績(jī)常規(guī)閉卷，滿分100，占70％

2、實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)囼?yàn)老師給出，滿分100，占10％

3、平時(shí)成績(jī)到課情況、課堂聽講、回答問(wèn)題情況為主，滿分100，占20％7

緒論1、材料的定義通俗定義：

材料是原料中取得的生產(chǎn)物質(zhì)的原料。材料是制成成品的東西。例如：高分子、金屬、陶瓷等等。8●國(guó)內(nèi)外3部大型辭書對(duì)材料的定義：

①《LongmanDictionary》《朗曼詞典》

anythingfromwhichsomethingisormaybemade。②《OxfordAdvancedLearner’English-ChineseDictionary》

thatofwhichsomethingiscanbemadeorwhichsomethingisdone。材料的專業(yè)涵義9③《辭?！罚?/p>

把自然界經(jīng)過(guò)開采而獲得的勞動(dòng)對(duì)象稱為原料。因此，自然存在的，而未經(jīng)過(guò)人類任何勞動(dòng)輸入的就不能稱為原料。例如，開采出來(lái)的礦物是冶金的原料，種植出來(lái)的小麥?zhǔn)侵圃烀娣鄣脑?，單采掘工業(yè)中就沒有原料，而自身長(zhǎng)出也未收割的小麥就不是原料。同樣，在加工工業(yè)中，一般把來(lái)自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)對(duì)象稱為原料，把經(jīng)過(guò)工業(yè)加工的原料（如鋼鐵、水泥）稱為材料，而材料和原料合稱為原材料。10

《辭?！范x可以總結(jié)為

原料材料經(jīng)過(guò)人類勞動(dòng)而取得的勞動(dòng)對(duì)象

經(jīng)過(guò)二次加工的原料11●上述定義的欠缺共性

3個(gè)定義都指出了：材料是用來(lái)制作某種物件或完成某一事情的。差異

兩種英文定義均未能指出材料使用過(guò)程中本質(zhì)方面的變化。辭海的定義雖然闡明了原料和材料之間的聯(lián)系和區(qū)別，但也沒有指出材料在使用中本質(zhì)的變化。12使用這些定義在實(shí)際中帶來(lái)不便如①化工品燒堿(NaOH)？按定義應(yīng)是材料，但類似不勝枚舉的化工產(chǎn)品都是原料。②來(lái)自采掘工業(yè)的沙石、木材等等？按定義似乎應(yīng)是原料，但習(xí)慣上將其歸入建筑材料。思考？食鹽在加工中失去了其原質(zhì)，燒堿在應(yīng)用于其它化工加工過(guò)程時(shí)，也要失去原質(zhì)，而食鹽和燒堿一般都被看作是化工原料，故原料在加工中一般均失去了原質(zhì)。13

因此，現(xiàn)代材料學(xué)可以如此來(lái)定義材料：

經(jīng)過(guò)人類勞動(dòng)獲得的、在進(jìn)一步的加工過(guò)程中仍然保持原質(zhì)的勞動(dòng)對(duì)象稱為材料（Materials）。例如：鋼鐵、金屬、陶瓷、木材等。

原料（Rawmaterials）：潛入了勞動(dòng)價(jià)值，但在以后應(yīng)用中原質(zhì)會(huì)發(fā)生變化的勞動(dòng)對(duì)象。如燒堿、中和反應(yīng)所用的鹽酸等化工原料。142、材料的分類從來(lái)源上分，材料可以分為：天然的——木材，石料合成——化學(xué)纖維，塑料，金屬，陶瓷半天然——紙張，布料15按照材料的化學(xué)屬性可以分有機(jī)高分子材料黑色金屬（鐵、錳、鉻及其合金）有色金屬金屬材料單晶形態(tài)多晶形態(tài)。新型陶瓷材料（NewCeramics）或精細(xì)陶瓷（FineCeramics）。以脂肪族或芳香族的C-C共價(jià)鍵為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大分子組成。一般又分為塑料、橡膠和纖維。復(fù)合材料金屬、無(wú)機(jī)非金屬和有機(jī)高分子材料等有機(jī)結(jié)合無(wú)機(jī)非金屬材料16

“雜化材料”從80年代開始，日本理部化學(xué)研究所山田瑛、雀部博之等人，在應(yīng)用化學(xué)學(xué)科中提出“雜化”（hybrid）的概念——兩種以上不同種類的有機(jī)、無(wú)機(jī)和金屬材料在原子、分子水平上雜化，從而產(chǎn)生具有新型原子、分子集合結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，屬于分子復(fù)合材料的范疇。構(gòu)造機(jī)制：離子界面消失，完全結(jié)晶化，因此這種材料具有許多新的性能和用途。17按材料的性能分類任何材料在使用過(guò)程中都能提供可利用的某種或某些功能。根據(jù)這些性能可以將材料分為2大類：結(jié)構(gòu)材料（Structuralmaterial）以力學(xué)性能，如受力形變、脆性斷裂和強(qiáng)度等作為應(yīng)用性能，具有抵抗外力作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的特點(diǎn)。如制造工具、機(jī)器、車輛用的鋼鐵材料，建筑房屋、橋梁和鐵路用的混凝土材料。18功能材料（Functionalmaterial）：指具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及相互轉(zhuǎn)化的性能，被用于非結(jié)構(gòu)目的高技術(shù)材料。如光致變色材料、電致變色、形狀記憶材料等。此概念1965年由美國(guó)貝爾研究所的J.A.Morton博士提出，現(xiàn)已被各國(guó)材料界重視和接受。19功能材料的功能及其示例熱學(xué)性能——熱容、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定；光學(xué)性能——與光的作用、吸光、發(fā)光和透光性；電學(xué)性能——導(dǎo)電、介電和壓電性等；磁學(xué)性能——永磁、硬磁、軟磁等；化學(xué)性能——反應(yīng)性、催化等；生物功能——適應(yīng)、生物活性、保健等。20注意：一種材料屬于結(jié)構(gòu)材料還是功能材料，由使用目的決定。舉例：①?gòu)椥圆牧蠎?yīng)用力學(xué)性能——用于非結(jié)構(gòu)目的

——屬于功能材料；②結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用力學(xué)性能——用于結(jié)構(gòu)目的

——屬于結(jié)構(gòu)材料；③普通玻璃應(yīng)用力學(xué)性能——用于結(jié)構(gòu)目的

——屬于結(jié)構(gòu)材料；④特種玻璃應(yīng)用光學(xué)性能——用于非結(jié)構(gòu)目的

——屬于功能材料。21按材料的化學(xué)組成分類材料有機(jī)材料無(wú)機(jī)材料木材石材人工晶體高性能陶瓷化學(xué)纖維塑料鋼材磚瓦紙張布料陶器22金屬材料非金屬材料高分子材料復(fù)合材料金屬結(jié)構(gòu)材料金屬功能材料新型陶瓷材料特種玻璃超耐熱合金非晶合金輕質(zhì)合金等導(dǎo)電材料形狀記憶合金貯氫合金超導(dǎo)合金電氣陶瓷工程陶瓷超硬陶瓷敏感元件陶瓷快離子導(dǎo)體納米陶瓷優(yōu)異機(jī)械性能特種玻璃導(dǎo)電性能玻璃光學(xué)性能玻璃耐輻射性能玻璃集成電路材料磁記錄材料人工單晶材料塑料、橡膠、纖維涂料、粘合劑工程高分子功能高分子材料液晶材料纖維增強(qiáng)材料聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料無(wú)機(jī)基復(fù)合材料新材料體系的混合分類法23根據(jù)性質(zhì)分類

物理性質(zhì)——高強(qiáng)、超塑性、高溫、低溫、導(dǎo)電、半導(dǎo)體、絕緣、絕熱等

其它功能性質(zhì)——結(jié)構(gòu)材料、功能材料按技術(shù)成熟程度及發(fā)展前景劃分傳統(tǒng)材料，如普通金屬、鋼鐵、有機(jī)物新型材料，如智能材料、傳感材料、光纖等243材料的發(fā)展歷程

第一代為天然材料在原始社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)水平低下，人類使用的材料只能是自然界的動(dòng)物、植物和礦物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。

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第二代為燒煉材料

燒煉材料是燒結(jié)材料和冶煉材料的總稱。人類用天然的礦土燒結(jié)磚瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，這些都屬于燒結(jié)材料；從各種天然的礦石中提煉銅、鐵等金屬，則屬于冶煉材料。26

5500BC，天然金與銅被用作工具與武器人類開始了金屬的使用275000BC，熔煉和錘擊改變了銅的性能，金屬材料開始發(fā)展

284000BC，通過(guò)金屬鑄造工藝-人們得到了他們需要的形狀。

最早的模鑄件-一個(gè)銅制杖頭

293500BC，從礦石中提煉銅-冶金業(yè)的黎明

這張埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一

303000BC，青銅的使用-制造合金

青銅：第一種合金

311450BC，鐵的發(fā)現(xiàn)

注：人類最早發(fā)現(xiàn)和使用的鐵是隕鐵（含鐵量較高的鐵、鈷、鎳等金屬的混合物）。在約公元前1500年左右，埃及和美索不達(dá)米亞開始有煉鐵業(yè)：至公元前1000年左右，鐵器才基本上從日常用具中排擠了銅器而占統(tǒng)治地位、中國(guó)商代銅鉞上就鑲鑄有鐵刃，表明中國(guó)在公元前1000多年就熟悉了鐵的鍛造性能?；瘜W(xué)符號(hào)Fe來(lái)自鐵的拉丁文名ferrum。32

1886AD，電化學(xué)方法冶煉鋁，使鋁成為一種常用金屬。

331856AD，英國(guó)發(fā)明家貝塞麥（HenryBessemer，1813～1898）發(fā)明了鋼鐵冶煉的專利——貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼法，在鑄造爐中熔化鐵時(shí)使用鼓風(fēng)設(shè)備，利用空氣即可除去鐵水中的碳，煉出熟鐵或低碳鋼。貝塞麥法的誕生使鋼鐵制品性能大大改觀而成本也降低不少，這在冶金發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義，標(biāo)志著早期工業(yè)革命“鐵時(shí)代”向“鋼時(shí)代”的演變。貝塞麥曾任英國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)主席，1879年當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員

34繼次之后，煉鐵的需要促使了鼓風(fēng)機(jī)與熔爐的發(fā)明

廉價(jià)的冶鐵業(yè)

35第三代材料為合成材料

在20世紀(jì)初期出現(xiàn)了化工合成產(chǎn)品，其中合成塑料、合成橡膠和合成纖維已廣泛地是用于生產(chǎn)和生活中。從1907年第一個(gè)小型酚醛樹脂廠建立，到1927年第一個(gè)熱塑性聚氯乙烯塑料的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工業(yè)迅猛發(fā)展起來(lái)，這一領(lǐng)域的進(jìn)展經(jīng)歷了新型塑料和合成纖維的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工業(yè)化（1970-1980年）、分子設(shè)計(jì)、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等幾個(gè)發(fā)展進(jìn)程。361939尼龍商業(yè)發(fā)展迅速發(fā)展高分子材料發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期

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第四代——可設(shè)計(jì)的材料

并不滿足于現(xiàn)有的材料，而是出現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際需要而設(shè)計(jì)的具有特殊性能的材料，如金屬陶瓷、鋁塑薄膜等復(fù)合材料屬于這一類。第五代——智能材料，現(xiàn)代功能材料是近三、四十年來(lái)研制的一類新型功能材料，它們隨時(shí)間、環(huán)境的變化改變自己的性能或形狀，好像具有智能。例如自修復(fù)材料、形狀記憶材料等就屬于這一類，后者已開展在金屬、高分子和復(fù)合材料領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用廣泛，極大地豐富和方便了現(xiàn)代航天、工業(yè)和醫(yī)療技術(shù)。3838形狀記憶合金在軍事和航天工業(yè)方面的應(yīng)用——月面天線Chapter6MetallicMaterials3939

在工程方面的應(yīng)用形狀記憶合金管接口Chapter6MetallicMaterials4040Advantages形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)勢(shì)：①夾緊力大，接觸密封可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；②適于不易焊接的接頭；③金屬與塑料等不同材料可以通過(guò)這種連接件連成一體；④安裝時(shí)不需要熟練的技術(shù)。

Chapter6MetallicMaterials4141

在醫(yī)療方面的應(yīng)用記憶型NiTi牙弓絲Chapter6MetallicMaterials脊柱矯形棒、人工關(guān)節(jié)、人造心臟、美體內(nèi)衣等。4242Examples形狀記憶合金套管連接的鋁合金假肢形狀記憶合金制成的血栓過(guò)濾器Chapter6MetallicMaterials4343

形狀記憶式熱發(fā)動(dòng)機(jī)形狀記憶用于熱發(fā)動(dòng)機(jī)的原理Chapter6MetallicMaterials4444Examples美國(guó)人發(fā)明的鎳鈦諾爾熱機(jī)JChapter6MetallicMaterials4545偏心曲柄型熱機(jī)渦輪型熱機(jī)Chapter6MetallicMaterials4646自控元件原理Chapter6MetallicMaterials47474.4SMAChapter6MetallicMaterials雙程CuZnAl記憶合金彈簧

48484.4SMA雙程CuZnAl記憶合金花Chapter6MetallicMaterials4949ExamplesTiNi

記憶合金眼鏡架Chapter6MetallicMaterials超彈性耐腐蝕性重量輕504材料與人類社會(huì)的關(guān)系

材料是人類社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類進(jìn)步的里程碑。（1）材料和人類社會(huì)發(fā)展關(guān)系密切51燧石，這種容易制成工具的石頭，開始了制陶業(yè)的發(fā)展。

從人類社會(huì)發(fā)展來(lái)看，使用材料經(jīng)歷了三大里程碑：

石器時(shí)代：以石頭制造工具?？梢詣澐譃榕f石器時(shí)代（公元前2~3百萬(wàn)年至約1萬(wàn)年,從原始部落到母系社會(huì)）、中石器時(shí)代（公元前約1萬(wàn)年至7~8千年）、新石器時(shí)代（公元前7~8千年至6千年）。這期間，我們的祖先以石器為主要工具，在尋找石器的過(guò)程中認(rèn)識(shí)了礦石，發(fā)明了火，制造了第1種人造材料——陶，并在燒陶過(guò)程中發(fā)展了冶銅術(shù)，開創(chuàng)了冶金技術(shù)。（2）材料的使用程度是人類社會(huì)發(fā)展的里程碑525500BC天然金與銅被用作工具與武器，開始了人類金屬的使用。

銅器時(shí)代：人類大量制造和使用第2種人造材料——“紅銅”和“青銅”?！凹t銅”時(shí)代約在公元前4～5千年，即原始社會(huì)到奴隸社會(huì)初期；“青銅”時(shí)代約在我國(guó)商周時(shí)代和私有制建立的前夜。533500BC從礦石中提煉銅-冶金業(yè)的黎明

埃及的古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一

541450BC鐵的發(fā)現(xiàn)

鐵器時(shí)代：人類制造和使用第3種人造材料——鑄鐵，此后是鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展,成為18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)。人類社會(huì)發(fā)展到20世紀(jì)中葉以來(lái)，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，日新月異，作為發(fā)明之母和產(chǎn)業(yè)糧食的新材料研制更是異?；钴S，出現(xiàn)了稱之為聚合物時(shí)代、半導(dǎo)體時(shí)代、先進(jìn)陶瓷時(shí)代和復(fù)合材料時(shí)代等種種提法。在當(dāng)前新技術(shù)革命涉及整個(gè)國(guó)際社會(huì)的浪潮沖擊下，人類進(jìn)入了一個(gè)材料革命的新時(shí)代。551950’S，高溫合金的發(fā)展，摻鎳合金促進(jìn)了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。56（3）生活和工業(yè)中的材料科學(xué)

材料是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展、征服自然和改造自然的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑?？v觀人們利用材料的歷史，可以清楚地看到，每一種重要的新材料的發(fā)展和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個(gè)新水平。材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破都會(huì)引起生產(chǎn)技術(shù)的革命，大大加速社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程，給社會(huì)生產(chǎn)和人們生活帶來(lái)巨大的變化，把人類物質(zhì)文明推向前進(jìn)。復(fù)合材料鐵器材料銅器材料石器材料現(xiàn)代社會(huì)原始社會(huì)57生活中的材料科學(xué)

鈦結(jié)構(gòu)自行車架的斷面結(jié)構(gòu)

鈦鋼的焊接

58生命科學(xué)材料

1832年以來(lái)美國(guó)牙科協(xié)會(huì)一直使用專用的汞合金，它通常有下列材料組成：

50%Hg汞

20%（最少）Ag銀

15%（最多）