陶瓷科学与工艺--绪论

LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所陶瓷科学与工艺刘杏芹中国科技大学材料科学与工程系2011.02LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所第一章：绪论◎材料(新材料）概念与分类*当前新材料研究热点领域*材料制备技术的概念与意义◎陶瓷定义、发展史及性能◎《陶瓷科学与工艺学》课程LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所一、材料（新材料）的概念材料是物质，但并非所有的物质都可称为材料，后者一定要具有可以应用的形态和功用♣何谓新材料？▲新发现或新研制的从前未知的全新材料（组成上，结构上，形态上，功能上）自然界未发现、靠人工合成的材料皆属此类，如高温超导氧化物材料，化合物半导体材料，光纤材料…▲对已有材料的研究改性，提高了性能，改善了质量▲发现了已有材料的新性能或新用途先进材料共同特点知识密集、技术密集是多学科和技术的结晶性能优异，为高技术起核心关键作用经济附加值高、是新经济的生长点更新换代快，必须不断研究改进和追求持续发展LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所二、新材料的地位及分类●新材料与现代社会文明一部人类文明的发展史,在某种意义上,可以说是人类占有、认识、制造、应用和革新材料的历史······★★社会文明史是以所用的材料为特征来命名:——石器时代和陶器时代：原始社会——青铜时代：奴隶制社会——铁器时代：封建社会——钢铁塑料时代：近代社会——新材料、高技术时代：现代社会★LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所从化学组成上分类：（关联材料的基础研究）材料的四大家族金属与合金材料有机高分子（聚合物）材料复合材料无机非金属材料钢铁材料，有色金属，钛合金，储氢合金Ni5La，记忆合金Ti－Ni，强磁合金SmCo5，超导合金Nb3Sn，海绵金属（Al、Mg、Ni…）氧化铝，氧化锆单晶硅，砷化镓硫化锌，碳化硅氮化硅，氮化硼碳纤维，金刚石纳米碳管钙钛矿ABO3型尖晶石AB2O4型塑料，人造橡胶合成纤维，聚乙烯，聚氯乙稀，ABS，环氧树脂，感光树脂，聚酰亚砜，尼龙，聚四氟乙烯，合成橡胶（氯丁橡胶，氟橡胶）涤纶，锦纶，及中空纤维…上述三种材料之间或同类材料之间的相互复合，如包层材料，细粒混合材料，粒子分散增强材料，纤维增强材料等，纤维增强金属（玻璃钢，硼纤维/铝），纤维增强橡胶,纤维增强塑料,氧化锆增韧氧化铝,超硬合金WC-Co,超导电缆(超导/导电),保护涂层LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所信息材料,生物材料,能源材料,建筑材料，家装材料，从材料形态上分：（关联材料制备技术开发研究）单晶材料，多晶材料，非晶（玻璃）材料，粉体，薄膜,纤维从材料物性上分:（关联材料的物理化学学科研究）高强材料,超硬材料,高温材料,导电材料，绝缘材料,激光材料,磁性材料,铁电材料，电光材料，声光材料,压电材料,热电材料结构材料,耐火材料,耐酸材料,研磨材料,光学材料,感光材料,电工材料从应用性能上分：（关联材料的应用研究）从应用领域上分:（关联材料的技术集成和应用）不同的分类形式LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所●新材料的历史性发展与“材料科学与工程”学科年代事件1940Shottky等发明了Ge半导体三极管，人类进入了半导体时代1954发现了Si材料，取之不尽、用之不竭的IC基础材料1960红宝石的问世，出现了激光技术1957-1960美国第一批（5所）高校组建了“材料科学与工程”系★多学科人才联合攻关的“国家实验室”：ArgonneLab（芝加哥），LorenzLab（加州），BellTelephoneLab.Oak-RidgeLab，★对综合性学科知识人才的需求-新学科的诞生:“材料科学与工程”学科:综合性、交叉性、边缘性、应用性定义：关于材料的合成、制备、组成、结构（包括缺欠）、性能和应用及其相互关系的学科，其基本宗旨是研发、利用新材料★1957－1960年美国第一批（5所）高校组建了“材料科学与工程”系LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所▲一个典型的例子是美国硅谷（SiliconValley）高技术开发区，StanfordUniversity和UCBerkeley与其密切结合，StanfordICCenteratCMR（CenterforMaterialsResearch）由19个企业共同赞助，主要进行IC新材料和器件技术开发。在高科技的推动下，美国实现了经济的又一轮快速增长●新材料与高新技术产业“材料科学与工程”学科的出现大大促进了新材料的发展LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所世界先进国家的高技术计划无不涉及新材料的研究开发与应用国家/地区高科技发展计划美国1983年3月美国提出战略防御计划SDI（StrategicDefenseInitiative）又称“星球大战”计划，带动了“航空、航天”“火箭、卫星”新材料的发展欧共体1985年4月欧共体创建了“欧洲研究合作机构”，即尤里卡（EURECA）计划，大力发展信息处理、计算机、通信、机器人、新材料及生物技术。日本1984年4月，日本提出了“振兴科学技术的基本政策”报告，规划了物质和材料科学技术，信息和电子学，生命科学技术，资源科学技术，空间、海洋技术五大方面，15个主题。中国1986年3月我国提出了“高技术研究发展计划”，又叫“863计划”在民口涉及5个领域11个主题，新材料方面包括光电子信息材料，先进复合材料，特种功能材料，以及材料科学与工程基础研究。LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所三、当前新材料研究热点领域：●信息技术领域与信息材料世所公认，我们当前是处于信息时代，即以信息技术为时代特征。信息技术主要是指信息的获取、传递、处理、存储、显示等技术，包括微电子技术，光电子技术，计算机技术，软件技术，通讯技术，辐射成像技术，高清晰度电视技术等，以这些技术为基础，互相交叉，形成现代信息高技术和产业。这些技术的发展的基于种种新型材料，这些材料主要包括：★半导体材料和集成电路、微电子工业★激光材料与非线性光学材料★信息传感与传感器技术材料★半导体发光材料、液晶显示材料与感光材料★信息传输材料：石英光纤，非氧化物玻璃纤维，有机聚合物光纤★信息存储材料：磁记录材料、磁光记录材料、光存储材料LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所●新型半导体材料与大规模三维集成电路★元素半导体和化合物半导体：Si，Ge，金刚石,III－V、II－VI族化合物单晶硅Si材料，直径，1970年50mm；1985年150mm；2000年225mm集成电路集成度：1987年100万晶体管/平方厘米,2000年1000万(1024K)2007年,设计线宽达到0.01微米,芯片上可集成10亿晶体管★GaAs为第二代半导体,可在300-500℃使用,运算频率可达2000Mhz而Si仅可工作在250℃以下,频率仅为300MHz★GaN为第三代化合物半导体,工作放热有可能使电路失效,发展高热导的II型金刚石是个方向★CVD法金刚石薄膜和AlN薄膜,将有效的提高了集成度★三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发★铁电-Si微集成系统,具有良好系统功能,成为当前的研制热点LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所●信息传输光纤材料多模光纤、新型色散补偿光纤与色散管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤；特别是光纤预制棒制造技术是光纤制造技术的核心，也一直是我国光纤产业发展的最薄弱环节，光导纤维（例）LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所●新型能源材料目前地球上的主要能源－化石燃料（煤、石油、天然气等）存在的主要问题是：♣利用效率低♣应用技术落后，对环境造成污染（烟尘、有害气体等）♣未开采的储量已经不多，终将消耗因而，开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题，涉及种类繁多的新材料：★核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料……）★储氢材料（SmCo5，NbTi合金……）★燃料电池材料（电解质、阴极、阳极、连接材料、密封材料……)★风力发电设备材料（高强度轻质复合材料……）★太阳电池材料（Si，a－Si，CdSe，GaAs……）★超导输电线材料★镍氢电池、锂离子电池相关材料★……LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜燃料电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放50%，不产生NOx，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但目前研究的固体氧化物燃料电池的工作温度达800～900℃，其关键部件的材料制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技术主要有：a）高性能电极材料及其制备技术；b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术；c）电池结构优化设计及其制备技术；d）电池的结构、性能与表征的研究。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。●固体氧化物燃料电池材料LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所传统发电与燃料电池发电污染率比较（kg/MWh电能）80062036018122773101022212701.50.20.1煤石油天然气燃料电池CO2SO2CXHYNOX粉尘SOFC——21世纪的清洁能源LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所不同发电方式效率比较SOFC——21世纪的清洁能源102030405060708010kW100kW1MW10MW100MW效率（%）发电量内燃机燃料电池燃料电池/涡轮机联用气体涡轮机蒸汽涡轮机LabforSolidStateChemistry&InorganicMembranes,USTC固体化学与无机膜研究所FuelCellsComparisonPEMFCAFCPAFCMCFCITSOFCSOFCElectrolyteIonExchangeMembranes(DMFC)MobilizedorImmobilizedPotassiumHydroxideImmobilizedLiquidPhosphoricAcidImmobilizedLiquidMoltenCarbonateCeramicCeramicOperatingTemp.80°C65-220°C205°C650°500-800°C800-1000°CChargeCarrierH+OH-H+CO3=O=O=ExternalReformerYesYesYesNoNoNoPrimeCellComponentsCarbon-bas