无机非金属材料导论-0绪论

0绪论无机非金属材料导论0绪论第0章无机材料概论0绪论《无机非金属材料导论》课程简介相关《无机材料物理化学》、《材料性能学》、《建筑材料》《陶瓷工艺学》、《新型陶瓷》、《胶凝材料学》、《玻璃工艺学》、《耐火材料工艺学》、《新型无机非金属材料》理论基础晶体化学、缺陷化学、熔体化学、材料热力学、固体物理玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料0绪论教学内容《无机非金属材料导论》是无机材料科学与工程专业重要的学科基础课程之一，主要介绍无机非金属材料的的结构基础、结构与材料理化性能的关系；比较系统地介绍了无机非金属材料专业各大类材料的制备工艺、组织结构特征、性能特点及其应用；内容主要包括：结构基础、性能、陶瓷材料、水泥、玻璃和耐火材料等基础知识及其应用。0绪论第0章：绪论第1章：物质结构的基本理论，介绍无机材料不同聚集状态（如：晶体、非晶体、熔体、粉体、胶体、固体表面等）的微观结构、结构缺陷以及用结构的规律性来分析化学现象的本质；第2章：无机非金属材料的性能——掌握材料的基本性能，如热学性能、力学性能、导电性能、化学性能等0绪论第3章：陶瓷——重点介绍陶瓷的分类和制备工艺、陶瓷的组织结构和性能，并掌握些传统陶瓷和新型陶瓷的基础知识；第4章：玻璃——重点介绍玻璃的通性、玻璃形成过程和形成理论，了解常见玻璃的特点级生产工程；第5章：水泥——重点介绍水泥的技术性能、水泥的矿物组成和水化特点，了解一些非硅酸盐水泥的特点及用途；第6章：耐火材料——掌握耐火材料的组成、结构和性能，熟悉定型和不定形耐火材料的特点及用途；0绪论第7章：复合材料——重点介绍复合理论和常见集中复合材料的特点；第8章：功能材料——掌握材料的功能效应和材料类型之间的关系，了解常见集中功能材料的特点；0绪论学时分配、具体要求、考核方式学时：32具体要求1、按时上课2、积极参加讨论3、认真完成作业考核方式1、平时成绩占20%作业占10%考勤占10%2、考试成绩占80%0绪论Chapter1IntroductionofInorganicMaterialsWhatisMaterials?MaterialsandhumancivilizationWhatisMaterialsscience?1.1CategoryofMaterials1.2RelationshipbetweenComposition-Structure-property-technicsprocess0绪论WhatisMaterials?世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。材料存在于我们周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。0绪论Materialsandhumancivilization材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代、铁器时代。在近代，材料的种类及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。0绪论第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸汽机才得以使用并逐步推广。第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。0绪论材料是当代文明的三大支柱之一材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。材料是全球新技术革命的四大标志之一新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术0绪论WhatisMaterialsScience?材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科材料科学运用电子显微镜、X射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。0绪论1.1.1按化学组成（或基本组成）分类1.1.2按材料性能分类1.1.3按服役领域分类1.1.4按结晶状态分类1.1.5按材料尺寸及形态分类1.1CategoryofMaterials0绪论1.1.1按化学组成（或基本组成）分类1.金属材料（metallicmaterials）2.无机非金属材料（inorganicnonmetallicmaterials）3.高分子材料（聚合物）（organicpolymermaterials）4.复合材料（complexmaterials）0绪论1.MetallicMaterials金属材料：由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。金属材料可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。0绪论2.InorganicNonmetallicMaterials无机非金属材料（简称无机材料）：由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称，与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前无统一完善的分类方法，一般分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。0绪论3.OrganicPolymerMaterials高聚物：由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。0绪论4.ComplexMaterials复合材料：由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括：基本相和增强相。基体相：为连续相材料，将改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相：起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。0绪论复合材料种类繁多，目前无统一分类方法，一般可根据复合材料三要素分类。按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状增强复合材料；按性能可分为结构复合材料和功能复合材料。0绪论1.1.2按材料性能分类根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，可分为：结构材料功能材料0绪论结构材料：指具有抵抗外场作用而保持自己形状和结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等，包括机械制造材料、建筑材料，如结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。0绪论功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。0绪论1.1.3按服役领域分类根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。0绪论信息材料：指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。0绪论航空航天材料：主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。0绪论能源材料：指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达137W.h/kg，而铅蓄电池的比能量只有30W.h/kg。0绪论生物医用材料：是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。医用金属及合金医用高分子材料：包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。医用生物陶瓷：包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。医用复合材料：表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜、人造血管等。0绪论1.1.4按结晶状态分类单晶材料：由一个较完整晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料：由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。0绪论准晶材料：指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。0绪论1.1.5按材料尺寸及形态分类零维（纳米）材料一维（纤维）材料二维（薄膜）材料三维（块体）材料0绪论零维材料：即超微粒子，通过Sol-gel法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小1~100nm的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。0绪论一维材料：光导纤维，由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，且有很强保密性，所以发展很快。增强纤维：脆性块状材料变成细丝后便增加了韧性，可用来增强其它的块状。实用增强纤维有碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的为晶须。0绪论二维材料（薄膜）：如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。三维材料：即块状材料。0绪论1.2RelationshipbetweenComposition-Structure-Property-TechnicsProcess材料科学与工程的四个基本要素：合成与制备、组成与结构、性能、使用效能探索四要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容，它们之间的密切关系确定了材料科学与工程学科领域。0绪论组成-结构-性质-工艺过程之间关系示意图合成与制备使用效能性能组成与结构（化学）（工程）（物理学）0绪论合成与制备：包括传统的制粉、煅烧、冶炼、压力加工、焊接等，也包括真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。组成：指构成材料物质的原子、分子及其数量关系；结构：指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等。0绪论材料性质：指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要取决于材料的组成与结构。使用效能：材料在使用