第七章 无机材料 § 7.1 材料科学发展概况 § 7.2 晶体的基本性质 § 7.3 晶体的对称性和晶系 § 7.4 晶体材料 § 7.5 晶体缺陷

§ 7.1 材料科学发展概况  7.1.1材料发展的历史  7.1.2化学与材料的关系  7.1.3材料的分类

7.1.1材料发展的历史  石器时代：旧石器时代——陶瓷  青铜时代：铜以及青铜  铁器时代：铁  产业革命：以钢铁为中心的金属材料  二战后：金属材料、陶瓷材料和合成高分 子材料  20世纪80年代以来：新材料技术

7.1.2化学与材料的关系  何谓材料？  指：人类利用化合物的某些功能来制作 物件时用的化学物质。  何谓化学？  指：在原子、分子水平上研究物质的组 成、结构、性能变化以及应用的科学。  结论：化学是材料发展的源泉

7.1.3材料的分类  按用途  结构材料：利用材料的力学和理、化性质  功能材料：利用材料的热、光、电、磁等性 能  按成分和特性  金属材料：黑色金属和有色金属   陶瓷材料：传统陶瓷和特种陶瓷 高分子材料 : 塑料、合成纤维和合成橡胶  复合材料：多种材料复合组成

§ 7.2 金属材料  7.2.1金属键和金属的晶体结构  7.2.2钢铁  7.2.3铝合金和铝锂合金  7.2.4新型金属材料

7.2.1金属键和金属的晶体结构  金属的特点  金属光泽、传热、导电性和延展性  内部结构  金属键 —— 自由电子  金属原子密堆积

7.2.2钢铁  地壳中的铁：氧化物、硫化物、碳酸盐 磁铁矿 赤铁矿

 铁的冶炼  高炉冶炼是把铁 矿石还原成生铁 的连续生产过程。 炉冶炼用的原料 主要由铁矿石、 燃料（焦炭）和 熔剂（石灰石） 三部分组成。

 钢铁：铁碳合金体系的总称。  生铁：灰口铁、白口铁、球墨铸铁  纯铁  钢：低碳钢、中碳钢和高碳钢

 金属间隙固溶体：  奥氏体  铁素体  渗碳体  马氏体  合金钢

7.2.3铝合金和铝锂合金  铝  自然界中含量最多的金属元素  良好的导电、导热性能、优良的延展性  主要作铝合金，用于航空、汽车以及建筑业  铝锂合金  降低密度、提高强度  例如：减轻飞机质量，降低油耗，提高性能。

 7.2.4新型金属材料 形状记忆合金  不可思议的“记忆力”：一般金属材料受到外 力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点， 就产生塑性变形，压力消除后留下永久变形。 但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适 的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现 象叫做形状记忆效应（SME）。具有形状记忆效 应的金属一般是由两种以上金属元素组成的合 金，称为形状记忆合金（SMA）。  原因：马氏体相变

 记忆合金在航空航天领域内的应用：例如人 造卫星上庞大的天线，发射卫星之前，将抛 物面天线折叠起来装进卫星体内，人造卫星 到预定轨道后只需加温，折叠的卫星天线因 具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面 形状  记忆合金在日常生活中的应用：例如记忆合 金制成的弹簧，把这种弹簧放在热水中，弹 簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立 即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控 制浴室水管的水温在热水温度过高时通过 “记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免 烫伤

 高温合金  涡轮叶片  镍基和钴基高温合金

 贮氢合金  传统存储和输送氢能源：气态或液体贮存  贮氢合金：利用金属或合金与氢形成氢化物   原理：利用四面体或者八面体空隙 · 镁系贮氢合金、稀土系、混合稀土、钛系  非晶态合金  金属玻璃

§ 7.3 无机非金 属材料  7.3.1传统陶瓷  7.3.2精细陶瓷

7.3.1传统陶瓷  传统陶瓷材料的主成分 为硅酸盐，包括天然硅酸 盐和人造硅酸盐  硅酸盐制品性质稳定、 熔点较高、难熔于水，应 用广泛  硅酸盐制品一般以黏土 （高岭土）、石英、长石 为原料

7.3.2精细陶瓷  高温结构陶瓷  陶瓷发动机汽车  氮化硅：机械强度高、硬度高、热膨胀系数 低、导热好、化学稳定性高。 1300 ℃ 3Si + 2N 2 Si 3 N 4

 透明陶瓷  原理：高纯原料、排除气孔  氧化物透明陶瓷：烧结白刚玉、氧化镁、氧化 钇  非氧化物透明陶瓷：砷化镓、硫化锌、硒化锌  制造高压钠灯、防弹汽车的车窗、轰炸机的轰 炸瞄准器等

 光导纤维   石英玻璃纤维：高纯度的二氧化硅或者石英玻 璃熔融体中，拉出直径为 100μ 的细丝 降低光损耗  可制成光缆：质量轻、体积小、结构紧凑、绝 缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、 成本低等

 生物陶瓷  器官修复和再造  氧化铝陶瓷：假牙、人工关节等  氧化锆陶瓷：牙根、骨、股关节等  羟基磷灰石：颌骨、耳听骨修复颌人工牙种植 等

 超导陶瓷  具有超导性的陶瓷材料。其主要特性是在一定 临界温度下电阻为零，即所谓零阻现象  在磁场中其磁感应强度为零，即抗磁现象或称 迈斯纳效应（Meissner effect）  分类：低温超导、高温超导

    1973年，铌锗合金，临界超导温度为23.2K

1986年，镧－钡－铜－氧临界超导温度为 35K 1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国 科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材 料上把临界超导温度提高到90K以上 超导陶瓷在诸如磁悬浮列车、无电阻损耗 的输电线路、超导电机、超导探测器、超 导天线、悬浮轴承、超导陀螺以及超导计 算机等强电和弱电方面有广泛应用前景

 纳米陶瓷  纳米陶瓷材料：在陶瓷材料的显微结构中，晶 粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平 （ 1 ～ 100nm ），使得材料的强度、韧性和超 塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足 并对材料的力、热、电、磁、光等性能产生重 要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域

 纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包 括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延 展性等。纳米级陶瓷复合材料的力学性能， 特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提 高。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温 度下烧结就能达到致密化的优越性，而且纳 米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧 问题。如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现， 可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的 在室温下就允许有大的弹性形变