材料合成与制备绪论

高分子材料 非晶态材料 或复合材料 金属材料
无机非金属 材料
图1.2材料的分类
0.1.2.4 按材料的聚集状态分类
按材料聚集状态的不同,可将材料按 下述框图进行分类: 单晶材料
固体 晶体 非晶体 复相 液体 气体
多晶材料
非晶态材料 复合材料
材 料
液晶材料
气体激光器材料
图0.3 材料的分类
0.1.2.5 按材料工业行业分类 按国际通用分类方法.我国材料工业分类为:
铁的规模生产始于公元前 14世纪土 耳其半岛中部 Anotolia 地区 , 公元前 8 世 纪欧洲及埃及进入铁器时代,中国公元前 6 世纪末 ,5 世纪初进入铁器时代 , 并在战 国时期开始使用生铁,中国春秋末期出现 人工锻炼钢。公元 1 世纪发明搅拌炼钢。 1856 年英国 H. 贝塞麦 (Bessemer) 发明 转炉炼钢。 1856~1864 年 , 英国 K.W. 西 门子(Siemens)和法国P.E.马丁(Martin) 发明平炉炼钢。
电 功 能 高绝缘性、介电 性、高导电性、 半导体特性、热 电性、压电性、 闪电光效应、热 释电效应、光电 效应 绝缘材料、电容器 材料、导电材料、 半导体材料、热电 材料、压电材料、 热敏材料、热释电 材料、光电（转换） 材料、
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续表0.1 材料的功能分类 材料名称 序 功能 特定功能 号 类型
广西柳州大龙潭鲤鱼嘴文化陶片: 12280年; 河北徐水前头庄文化遗址陶片: 9700~10500年; 广西桂林甄皮岩文化遗址陶器: 9000~10000年; 江西万年县大源仙人洞陶器: 约10000年;
湖南澧县彭头山陶器: 河南贾河遗址 陶器: 河北邯郸 磁山文化: 河南郑州裴李岗文化: 浙江 河姆渡文化:
材料工业应用分类
黑 色 金 属 材 料 有 色 核 建 宇 船 金 材 筑 航 舶 料 材 材 材 属 料 料 料 材 料 仪 器 仪 表 材 料
耐 火 材 料
兵 器 材 料
电 子 材 料
光 学 材 料
感 光 材 料
包 装 材 料
图0.4 材料工业应用分类
0.1.2.6 按材料功能分类 这是一种从材料的功能性出 发来分类的方法 , 主要是按照材料 的力学性质、物理性质、化学性 质和生物特性等来进行分类。详 见表0.1。
材料的三大要素: (1) 物质性:材料属于物质,但不是所有的 物质都属于材料; (2) 功能性:材料在人们制造物质财富的 过程中 , 至少应具有一点持久性功能 , 而 不是消耗品; (3) 可加工性:材料应具有有经济效益的 可加工性 , 以利于人们将其加工成型为 所设计的产品。
0.1.2 材料的分类 材料的种类繁多 , 性能千差万 别。现行的分类方法很多 , 通常是 依照人们各式各样的要求 , 行业标 准 , 学科特点等对材料进行分类。 以下是现行常用的材料分类方法。
进入 20 世纪 , 逐渐发展了各种 用途的硅酸盐水泥。如铝硅酸盐水 泥(1907~1909年,法国)、白色水泥 (30 年代 , 欧洲各国 ) 、膨胀水泥 (40 年代,前苏联),此后又陆续发展了硫 铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝 酸盐水泥等。目前水泥品种已 达 100余种。
0.2.2 金属材料的发展简史 人类最早使用的金属是自然铜 和金(约9000年前的西亚地区)。约 6000~7000年前人类学会了冶炼铜 (伊朗至两流河域上游)。约5000年 前两河流域上游已出现含锡青铜。 中国于4200~4500年前进入青铜时 代。
中国是瓷器发明者,在商周晚期就 出现了原始瓷器 , 汉唐时期出现真正的 瓷器 ,宋代则形成瓷器的鼎盛时期。在 唐朝,中国的瓷器和制瓷技术由海陆 “丝绸之路”传向东亚和西亚各国。 直到 18世纪 ,欧洲各国才学会中国的制 瓷技术,但后来居上。欧洲19世纪大都 采用机器生产陶瓷 ,产量和质量都直线 上升。
这是一种具有实质性的分类方 法 , 可较好的从本质上理解这几类 材料性能上的差别。但这种分类法 存在无法将现有材料明确区分开来 的缺点。事实上 , 现存的许多材料 很难简单地按化学键类型严格的区 分为上述四类中的某一类。四类材 料的相互关系可以用图 1.2 表示 , 其 中每一类还可继续细分:
金 属 材 料:有色金属、黑色金属、金 属间化合物等; 高 分 子 材 料:合成橡胶、塑料、树 脂、合成纤维等; 无机非金属材料 : 陶瓷、玻璃、耐火 材料、水泥、胶凝材料、磨具磨料等; 复合材料 : 金属基复合材料、陶瓷基 复合材料、聚合物基复合材料等。
19 世纪冶金工业和电力工业的兴起 , 陶瓷 成为新兴工业材料,如耐火材料、绝缘子,相继 发明了硅砖、镁砖、铬砖、电工陶瓷、碳化 硅、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。 进入 20 世纪以来 , 由于电子、通讯、能 源、军事等新兴技术的发展和需要 ,除了工程 陶瓷材料外,各种磁性陶瓷、电子陶瓷、生物 陶瓷、高温超导陶瓷 (86 年 ) 得到高速发展。 到今天,新型陶瓷的发展几乎已渗透到现代科 学技术的各个领域,发挥着举足轻重的作用。
从此 , 玻璃工业及科学技术进入了 高速发展阶段。除了传统的工艺玻璃、 瓶罐玻璃、平板玻璃、光学玻璃等得 到不断发展外 , 各种新型玻璃 , 如 : 微晶 玻璃 (50 年代 ) 、生物玻璃 (69 年、 USA L. 亨奇 ) 、激光玻璃 (60 年代 ) 、金属玻 璃(60年代)、光学纤维(70年代)、半导 体玻璃(70年代)、超导玻璃(80年代)等 也得到迅速发展。
物质
材料 有机材料
属
种
类
亚类
图0.1 材料的逻辑分类
0.1.2.3 按材料物理化学特征分
按元素种类、物理化学特征和材料 中存在的化学键性质 , 可以将材料分成下 面 4类 : 金 属 材 料:主要化合键为金属键 无机非金属材料:主要化合键为离子键, 包含许多共价键材料 高 分 子 材 料:主要化合键为共价键 复 合 材 料:含多种主要化合键
0.1.2.1 按来源分 按照材料的来源可分为天然材料 (如石料,木材,天然橡胶,棉花等)和人造 材料(如钢铁,化纤,合成橡胶,水泥,玻璃, 陶瓷 , 塑料等 ) 两类 , 是简易而直观的分 类方法。 0.1.2.2 按逻辑规则分 按照逻辑上的“有无”“是非”观, 可将材料按下图分类:
无机材料
金属材料 非金属材料 复 合 材 料
表0.1 材料的功能分类
序 功能类型 特定功能 号 材料名称
1
强度,硬度,磨 力学功能 削,切削,形状 记忆
热功能
高强度材料,高硬 度材料,形状记忆 材料(合金)
2
耐热性,绝热性, 耐高温材料,保温 传(导)热性 (隔热)材料,热交 换器材料
续表0.1 材料的功能分类 材料名称 序 功能 特定功能 号 类型
材料名称
磁功能
6 声功能
铁电性,软磁性, 磁记录材料,软 磁材料,永磁材 硬磁性 料 电/磁致伸缩,压 水声功能材料, 电性,声热转换 超声功能材料, 吸声功能材料
续表0.1 材料的功能分类 序 功能 号 类型 化学 7 功能 生物 功能 特定功能 材料名称
催化作用、选择性 反应控制材料,分离 分离 、载体性 膜材料,载体材料 生体亲和性,生物相 容性,抗凝血性,生 理惰性,生体适应性, 耐生体老化性 生体亲和高分子材 料,生物陶瓷材料, 抗凝血型高分子材 料,医用有机硅材料
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无 机 非 金 属 材 料 工 业 应 用 分 类
新型陶瓷材料 胶结材料 磨具材料 耐火材料
特种耐火材料
碱性耐火材料 氧化硅质耐火材料 粘土质耐火材料 建筑卫生陶瓷 工业陶瓷 结构粘土制品 微晶玻璃 玻璃
粘土制品 玻璃
日用陶瓷
0.2 材料的发展简史
在旧石器时代,人类为了自身的生 存和发展 , 在与自然界斗争的过程中逐 渐学会了使用木材、动物毛皮、石头 等天然材料。进入新石器时代后 ,以陶 器的发明为标志 ,人类逐渐学会了制陶、 制瓷、金属冶炼、石灰、水泥、玻璃 等的烧制与加工技术 , 使人类社会踏上 了从材料的必然王国到自由王国的历 程。
17世纪 ,欧洲许多国家都建立玻璃工 厂,并开始用煤代替木柴做燃料,在玻璃配 料中开始使用工业纯碱 (Na2CO3) 。 1790 年瑞士狄南(Guinand)发明搅办法制造光 学玻璃;18世纪末,美国M.欧文斯(Owens) 发明自动吹瓶机 ;1867 年 , 德国西门子兄 弟发明以煤为燃料的连续式池炉 ;1905年, 比利时 E. 氟克 (FoulCault) 第一次成功地 从池炉中直接拉制出平板玻璃 ;1952年英 国皮尔金顿公司发明浮法平板玻璃。
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0.1.2.7 无机非金属材料的分类
上一节,我们论了材料的一般分类方 法,鉴于本课程涉及的主要内容是无机非 金属材料,因此有必要进一步讨论无机非 金属材料的分类。无机非金属材料一般 也可根据材料的组成 ( 化学键和化学组 成)、功能、应用领域等来分类。其分类 方法大体与上述分类方法相似。因此,仅 给出无机非金属材料的工业应用分类 ,见 下图。
0.2.1无机非金属材料的发展简史 陶瓷 : 现今的考古成果表明 , 人类大约在
距今 1 到 1.5 万年前发明了陶器。中国、 埃及、土耳其、美索不达米亚、伊拉克 等都是最先独立发明陶器的国家之一。 中国约在距今1~1.2万年前就制造了陶器。 此后经历了陶器、印文硬陶、原始瓷,进 而发展为瓷器几个阶段。中国陶瓷发展 的主要特征年代如下:
材料合成与制备
孙洪巍 2007.09.12 Tel. 67766013, 67766884 Mail: hwsun@
0 绪论 0.1 材料的定义与分类 0.1.1 材料的定义 三大材料 : 无机非金属材料、高分子材 料、金属材料 无机非金属材料 (inorganic nonmetallic materials): 以某些元素的氧化物、 碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物 以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐 等物质组成的材料。
水泥:石灰用作泥灰最早见于巴比伦 和仰韶时代的晚期(约4500~5000年 前)。公元前3世纪,罗马人发现用石 灰和火山灰磨细混合 ,其硬化后坚硬 防水 , 并可与碎石混合 , 从而制得水 硬性火山灰。由于这种砂浆具有抗 水性,12世纪时常将其称为水泥。
18 世纪中叶 (1759) 英国工程师 J. 斯米 顿 (Smeaton) 发现用含粘土的石灰石可 烧制成水硬性的石灰 , 其硬化后的坚固性 和耐久性如同波特兰石 ( 英国波特兰岛石 灰石),故将其命名为波特兰水泥。19世纪 初法国L.J.维卡(Vicat)利用含粘土岩石和 石灰石混合细磨后制得水硬性水泥。 1824年英国建筑工人J.阿斯普丁(Aspdin) 用二次煅烧法烧成了波特兰水泥 , 并获得 专利,从此开始了近代水泥的工业生产。
透光性、红外光 透光材料、红外探 电效应、荧光性、 测材料、发光材料、 光色效应、导光 光色材料、光学纤 性、内光电效应、 维材料、光敏材料、 磁光效应、电光 磁光材料、电光材 效应、声光效应、 料、声光材料、激 激光振荡效应 光材料、荧光材料
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光 功 能
续表0.1 材料的功能分类
序 号 5
功能类型 特定功能
材料的定义: 世界经济合作与发展组织 (OECD) 定义:材料 是供作单独地或组合式地履行相当持久性功 能的固体物质。 美国国家科学院材料科学与工程综合调查委 员会(COSMAT)定义:材料是具有可供制造机 器、结构、器件、产品等有用性质的物质。 中国《材料科学技术百科全书》定义:材料是 人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、 构件、机器和其他产品的那些物质。
8200~9100年; 7800年; 7050~7350年; 6850~7450年; 5360~6300年;
仰韶文化: 约5000年; 大汶口文化(山东宁阳堡头村): 4200~6000年; 龙山文化(山东章丘龙山镇城子崖): 3800~4300年; 原始瓷器: 商周晚期 ; 较成熟的瓷器: 东周; 瓷器的鼎盛时期: 宋。
玻璃:约在公元前2500年,埃及和美 索不达米亚出现了最早的玻璃。中 国在春秋战国时期(B.C221~770年) 首先发明了高铅钡硅酸盐玻璃。腓 泥基人 ( 地中海东岸古国 , 约今黎巴 嫩和叙利亚沿海一带 )2300 年前用 草木灰代替钠石熔制玻璃 , 并发明 了用金属管吹制玻璃的方法。
公元前1世纪,玻璃制造业中心 由腓尼基移至罗马 , 并利用玻璃的 透明性制成了窗玻璃、棱镜和放大 镜。 11 世纪到 15 世纪 , 欧洲的威尼 斯成为玻璃的制造中心。16世纪以 后 , 威尼斯的玻璃工匠逃亡国外 , 使 玻璃技术得以传播。