材料科學(xué)與工程專業(yè)概論-資料下載頁
2025-01-06 03:08本頁面
【正文】 1） 定義 無機(jī)非 金屬材料 是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料。是除 有機(jī)高分子材料 和金屬材料以外 的所有材料的統(tǒng)稱。無機(jī)非金屬材料的提法是 20世紀(jì) 40年代以后，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來的。無機(jī)非金屬材料是與 有機(jī)高分子材料 和金屬材料并列的三大材料之一。 2） 成分結(jié)構(gòu) 陶瓷結(jié)構(gòu)一般具有多晶多相的特征（含有玻璃相和氣相）。絕大多數(shù)陶瓷是一種或幾種金屬元素與非金屬元素組成的化合物。按照性能和用途，陶瓷可分 為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷，后者隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，又更準(zhǔn)確地給予了其他更多的命名。特種陶瓷是以人工合成化合物 (氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等 )為主要原料制成，用于技術(shù)和工程領(lǐng)域的應(yīng)用，如信息、能源、機(jī)械、化工、動(dòng)力、生物、航天航空及其它高新技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)陶瓷多以天然硅酸鹽礦物為主要原料，經(jīng)粉碎、成型和燒結(jié)制成，主要用作日用陶瓷、建筑陶瓷和衛(wèi)生陶瓷。要求燒結(jié)后不變形、外觀美，但對(duì)強(qiáng)度要求不高。 在晶體結(jié)構(gòu)上 ,無機(jī)非金屬的構(gòu)遠(yuǎn)比金屬復(fù)雜，并且沒有自由的電子。具有比 金鍵 和純共價(jià)鍵更強(qiáng)的離子鍵和混合鍵。這種化學(xué)鍵所特有的高鍵能、高鍵強(qiáng)賦予這一大類 無機(jī)非金屬材料 材料以高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度和良好的抗氧化性等基本屬性 ,以及寬廣的導(dǎo)電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。 3） 材料性能： 普通無機(jī)非 金屬材料 的特點(diǎn)是：耐壓強(qiáng)度高、硬 度大、耐高溫、抗腐蝕。此外，水泥在膠凝性能上，玻璃在光學(xué)性能上，陶瓷在耐蝕、 介電性能 上，耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優(yōu)異的特性，為金屬材料和高分子材料所不及。但與金屬材料相比，它抗斷強(qiáng)度低、缺少 延展性 ，屬于脆性材料。與高分子材料相比，密度較大，制造工藝較復(fù)雜。特種無機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)是：①各具特色。例如：高溫氧化物等的高溫抗氧化特性；氧化鋁、 氧化鈹陶瓷 的高頻絕緣特性；鐵氧體的磁學(xué)性質(zhì)；光導(dǎo)纖維的光傳輸性質(zhì)； 金剛石 、立方氮化硼的超硬性質(zhì)；導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性質(zhì)；快硬早強(qiáng)水泥的快凝、快硬性質(zhì)等。②各種物理效應(yīng)和微觀現(xiàn)象。例如：光敏材料的光 電、熱敏材料的熱－電、壓電材料的力－電、氣敏材料的氣體 電、濕敏材料的濕度 電等材料對(duì)物理和化學(xué)參數(shù)間的功能轉(zhuǎn)換特性。③不同性質(zhì)的材料經(jīng)復(fù)合而構(gòu)成復(fù)合材料。例如：金屬陶瓷、高溫?zé)o機(jī)涂層，以及用無機(jī)纖維、 晶須 等增強(qiáng)的材料。 八、當(dāng)前新材料的發(fā)展方向 1．高性能化、高功能化、高智能化 被或正在被人們揭示和掌握，并通過新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備，在日益成熟的 現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下，創(chuàng)造出各種性能更好的新型材料。結(jié)構(gòu)材料在向 強(qiáng)度、剛度、韌性、耐高溫、耐腐蝕、高彈、高阻尼大幅度提高的方向 發(fā)展。高 性能結(jié)構(gòu)材料不斷出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，促進(jìn)新產(chǎn)品向體積小、重量輕、資源省、 能耗低、成本低、利潤高的方向發(fā)展。功能材料也在由單一功能向多種功能開 發(fā)方向發(fā)展，并把功能材料與元器件結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)一體化，即材料本身就具 有元器件的功能，這樣就促進(jìn)了元器件的小型化和多功能化。智能材料是近年來 與信息科學(xué)緊密結(jié)合而產(chǎn)生的，它同時(shí)具有感知和激勵(lì)雙重功能。如形狀記憶 合金，壓電陶瓷，光導(dǎo)纖維，磁致伸縮材料等。智能材料是一種超功能材料， 這些功能往往能夠解決傳統(tǒng)材料難以解決的技術(shù)難題。在重要工程和尖端技術(shù) 領(lǐng)域具有重 大的應(yīng)用前景。例如，美國空軍采用智能材料制造飛機(jī)機(jī)翼，可隨工 作狀態(tài)的不同自動(dòng)調(diào)節(jié)形狀，改變升力和阻力，以適應(yīng)飛機(jī)的起降，使飛機(jī)更 加安全，降低油耗。將微型分子傳感器植入材料和分子結(jié)構(gòu)中，用這些建造的 構(gòu)件和建筑物可進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，如果超負(fù)荷或者老化可發(fā)出警報(bào)。 的優(yōu)缺點(diǎn)，難以滿足當(dāng)代高技術(shù)中綜合性能的要求，因此現(xiàn)代材料科學(xué)正朝著 復(fù)合材料方向發(fā)展。把不同種類和不同性能的材料通過一定的途徑和技術(shù)復(fù)合 為一體，揚(yáng)長避短，取長 補(bǔ)短，可獲得比單一材料性能更好或具有某種特殊性能 的復(fù)合體材料。例如，由碳纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料，其抗沖擊強(qiáng)度比普通陶 瓷高 40倍，能經(jīng)受數(shù)千度高溫，已成為航空工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。材料的復(fù)合 化是改進(jìn)和提高材料性能的一條很好途徑，是當(dāng)前新材料研究的重要發(fā)展方向。 而使材料的性能產(chǎn)生根本性的飛躍。例如，在超高溫、超高壓條件下用石墨可合成 金剛石，在超高真空中、制備新型的半導(dǎo)體器件和高度集成的芯片。利用宇宙 空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi) 的微重力、高真空、超低溫、無菌等特殊環(huán)境制備在地面無法制 備的具有特殊性能的新材料，如合成新醫(yī)藥制品、冶煉高純金屬等。 料的思路和途徑，并在某些材料的設(shè)計(jì)和制造中加以模仿。用現(xiàn)有簡單而豐富 的原料，通過錯(cuò)綜復(fù)雜的生物過程制得高強(qiáng)度和多功能的新材料。例如，人們 對(duì)蜘蛛絲的研究發(fā)現(xiàn)，蛛絲比鋼絲更硬更富有彈性，具有很強(qiáng)緩沖外力沖擊能 力，而且低溫性能良好，是制造防彈服裝和降落傘的理想材料，于是人們得到啟 示，通過把水溶性的蛋 白質(zhì)分子紡織成既堅(jiān)韌又不溶解的人造蛛絲，用來制作 軍用品。生物醫(yī)用材料也是一種仿生材料，與人體組織有很好的相容性能，可 對(duì)人體組織和器官進(jìn)行矯形、修補(bǔ)，再造，以維持原有性能，保障人體健康。 某些仿生材料以生物體合成的蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)，用它取代以礦石為原料的金屬材 料和以石油為原料的工程塑料高分子材料，既能解決資源能源枯竭問題，又 對(duì)環(huán)境沒有任何危害，從而開創(chuàng)材料科學(xué)技術(shù)的新紀(jì)元。 展，材料科學(xué)家提出了綠色材料或環(huán) 境友好材料的概念。它是一種資源和能源 消耗少、再生循環(huán)利用率高，或可降解使用的具有優(yōu)異適用性能的新型材料。 與傳統(tǒng)材料相比，環(huán)境友好材料充分注意到人類發(fā)展的長遠(yuǎn)利益，以滿足人類 社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。例如，廢棄的普通塑料越來越多，并因其耐久性而長久 存留自然界已經(jīng)成為公害。目前研制出的可降解塑料，如生物降解塑料、化學(xué) 降解塑料、光降解塑料，就是利用微生物、化學(xué)或光照的作用把塑料降解掉， 變成無害物質(zhì)回歸自然。
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