陶瓷科学与工艺1102(绪论)

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1、Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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 学 技 术 大 学 材 料 科 学 与 工 程 系2012.02 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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

2、陶 瓷 科 学 与 工 艺 学 课 程 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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

3、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 Lab for Solid State Chem

4、istry & Inorganic Membranes,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

5、 、 高 技 术 时 代 ： 现 代 社 会 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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、

6、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 ，

7、 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 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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

8、 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

9、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 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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1940 Shottky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

10、 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 ” ： Argonne Lab（ 芝 加 哥 ） ， Lorenz Lab（ 加 州 ） ， Bell Telephone Lab. Oak- Ridge Lab， 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

11、 性 、 应 用 性定 义 ： 关 于 材 料 的 合 成 、 制 备 、 组 成 、 结 构 （ 包 括 缺 陷 ） 、 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 （ 陶 瓷 料 学 与 。 。 。 。 ） 1957 1960年 美 国 第 一 批 （ 5所 ） 高 校 组 建 了 “ 材 料 科 学 与 工 程 ” 系 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 一 个 典 型 的 例 子 是 美 国 硅 谷（ Silicon

12、 Valley） 高 技 术 开 发 区 ，Stanford University 和 UC Berkeley 与 其 密 切 结 合 ，Stanford IC Center at CMR（ Center for Materials Research） 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 Lab fo

13、r Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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（ Strategic Defense Initiative） 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

14、 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 ”

15、 ， 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 。 973 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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

16、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

17、 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 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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

18、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 2000 Mhz 而 Si 仅 可 工 作 在 250

19、 以 下 ,频 率 仅 为 300 MHz 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 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membrane

20、s,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 ） Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 新

21、 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 （ SmCo

22、5， 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 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,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

23、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

24、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 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic

25、 Membranes,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 ）800 620 36018 12 27 7 310 10 22 2 1 2701.50.20.1煤 石 油 天 然 气 燃 料 电 池CO2SO2CXHYNO X粉 尘 SOFC21世 纪 的 清 洁 能 源 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所不 同 发 电 方 式 效 率 比 较 SOFC21世 纪 的 清 洁 能 源 1020304050 60708

26、0 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW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 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所Fuel Cells Comparison PEMFC AFC PAFC MCFC ITSOFC SOFC Electrolyte Ion ExchangeMembranes(DMFC) Mobilized orImmobilized Potassium Hydroxide Imm

27、obilized Liquid Phosphoric Acid Immobilized Liquid Molten Carbonate Ceramic CeramicOperatingTemp. 80 C 65 - 220 C 205 C 650 500-800 C 800-1000 CChargeCarrier H+ OH- H+ CO3= O= O=ExternalReformer Yes Yes Yes No No NoPrime CellComponents Carbon-based Carbon-based Graphite-based Stainless-based Ceramic

28、 CeramicCatalyst Platinum Platinum Platinum Nickel Perovskite PerovskiteWaterManage Evaporative Evaporative Evaporative GaseousProduct GaseousProduct GaseousProduct HeatManage Process Gas +Independent Cooling Medium Process Gas +Electrolyte Calculation Process Gas +Independent Cooling Medium Interna

29、lReforming +Process Gas InternalReforming +Process Gas InternalReforming +Process Gas Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所洁 净 天 然 气 电 厂 系 统 造 价 ($/kW) 05001000150020002500300035001 kW 1 MW 1 GWPEFC MCFC 传 统 发 电 站 SOFC SOFC21世 纪 的 清 洁 能 源 Lab for Solid State Chemistry

30、& Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所SOFC应 用 市 场 从 传 统 高 温 SOFC到 中 温 CMFC Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 （ SOFC） 工 作 原 理阳 极氧 离 子 固 体 电 解 质 阴 极 内 重 整CH4H2O CO CO2H2 H2OO2 电 子 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 多

31、 孔 支 撑 管 空 气燃料气 Ni接 触 杆 阴 极 LSMNi-YSZ阳 极 YSZ电 解 质 膜 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 单 晶 硅 ， 多 晶 硅 ， 非 晶 硅 太 阳 电 池 材 料 ； II VI族 化 合 物 半 导体 太 阳 电 池 材 料 ： ZnSe， CdTe。 。 。 要 求 ： 研 制 出 光 电 转 换 效率 大 于

32、 18%的 低 成 本 、 大 面 积 、 可 商 业 化 的 硅 基 太 阳 能 电 池 及 其组 件 。 ） （ 类 单 晶 硅 。 。 。 ， 合 肥 大 基 地 ） IBM公 司 研 制 的 多 层 复 合 太 阳 能 电 池 ， 转 换 率 高 达 40%。 太 阳 能 的 综 合 利 用 (光 电 、 热 电 、 热 交 换 )及 其 与 风 力 发 电 的 耦合 技 术 ； 建 立 总 体 利 用 效 率 达 15%的 追 尾 聚 集 光 式 太 阳 能 光 电 、热 电 、 热 交 换 系 统 并 实 用 化 ， 建 立 太 阳 能 综 合 利 用 与 风 力 发 电 耦合 的

33、 实 用 型 分 布 式 地 面 电 站 ， 并 可 并 网 供 电 。 太 阳 能 利 用 技 术 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 以 NbTi、 Nb3Sn为 代 表 的 实 用 超 导 材 料 已 实 现 了 商 品 化 ， 在 核 磁 共 振人 体 成 像 （ NMRI） 、 超 导 磁 体 及 大 型 加 速 器 磁 体 等 多 个 领 域 获 得 了 应 用 ；SQUID作 为 超 导 体 弱 电 应 用 的 典 范 已 在 微 弱 电 磁 信 号 测 量 方 面 起 到 了

34、重要 作 用 ， 其 灵 敏 度 是 其 它 任 何 非 超 导 的 装 置 无 法 达 到 的 。 但 是 ， 由 于 常规 低 温 超 导 体 的 临 界 温 度 太 低 ， 必 须 在 昂 贵 复 杂 的 液 氦 (4.2K)系 统 中 使用 ， 因 而 严 重 地 限 制 了 低 温 超 导 应 用 的 发 展 。 高 温 氧 化 物 超 导 体 ， 把 超 导 应 用 温 度 从 液 氦 （ 4.2K） 提 高 到 液 氮（ 77K） 温 区 。 能 够 用 来 产 生 20T以 上 的 强 磁 场 ， 这 正 好 克 服 了 常 规 低 温超 导 材 料 的 不 足 之 处 。 高

35、 温 氧 化 物 超 导 体 是 非 常 复 杂 的 多 元 体 系 ， 一 些材 料 科 学 研 究 领 域 最 新 的 技 术 和 手 段 ， 如 非 晶 技 术 、 纳 米 粉 技 术 、 磁 光 技 术 、 隧 道 显 微 技 术 及 场 离 子 显 微 技 术 等 都 被 用 来 研 究 高 温 超 导 体 ， 其中 许 多 研 究 工 作 都 涉 及 了 材 料 科 学 的 前 沿 问 题 。 高 温 超 导 材 料 的 研 究 工作 已 在 单 晶 、 薄 膜 、 体 材 料 、 线 材 和 应 用 等 方 面 取 得 了 重 要 进 展 。 超 导 材 料 Lab for So

36、lid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 作 为 高 技 术 重 要 组 成 部 分 的 生 物 医 用 材 料 已 进 入 一 个 快 速 发展 的 新 阶 段 ， 其 市 场 销 售 额 正 以 每 年 16%的 速 度 递 增 ， 预 计 20年 内 ， 生 物 医 用 材 料 所 占 的 份 额 将 赶 上 药 物 市 场 ， 成 为 一 个 支柱 产 业 。 研 究 发 展 十 分 活 跃 ： 生 物 活 性 陶 瓷 已 成 为 医 用 生 物 陶 瓷 的 主 要 方 向 ； 生 物 降 解 高 分 子 材

37、料 是 医 用 高 分 子 材 料 的 重 要 方 向 ； 医 用 复 合 生 物 材 料 的 研 究 重 点 是 强 韧 化 生 物 复 合 材 料 功 能 性 生 物 复 合 材 料 ， 带 有 治 疗 功 能 的 生 物 复 合 材 料 。 生 物 医 用 材 料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 定 义 ： 指 对 能 源 和 资 源 消 耗 最 少 ， 对 生 态 环 境 影 响最 小 ， 再 生 循 环 利 用 率 最 高 ， 使 用 性 能 优 异 的 新 型 材料 。 特 点

38、 ： 性 能 先 进 性 ； 环 境 协 调 性 ； 应 用 舒 适 性 。 生 态 环 境 材 料 是 20世 纪 90年 代 在 国 际 高 技 术 新 材 料 研 究 中 形成 的 一 个 新 领 域 ， 主 要 研 究 方 向 是 ：直 接 面 临 的 与 环 境 问 题 相 关 的 材 料 技 术 ， 例 如 ， 生 物 可 降 解 材料 技 术 ， CO 2 气 体 的 固 化 技 术 ， SOx、 NOx催 化 转 化 技 术 、 废物 的 再 资 源 化 技 术 ， 环 境 污 染 修 复 技 术 ， 材 料 制 备 加 工 中 的 洁净 技 术 以 及 节 省 资 源 、 节

39、 省 能 源 的 技 术 ；开 发 能 使 经 济 可 持 续 发 展 的 环 境 协 调 性 材 料 ， 如 仿 生 材 料 、 环境 保 护 材 料 、 氟 里 昂 、 石 棉 等 有 害 物 质 的 替 代 材 料 、 绿 色 新 材料 等 ；材 料 的 环 境 协 调 性 评 价 。 生 态 环 境 材 料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 智 能 材 料 是 现 代 高 技 术 新 材 料 发 展 的 重 要 方 向 之 一 ， 将 支 撑未 来 高 技 术 的 发 展 ， 使 传

40、 统 意 义 下 的 功 能 材 料 和 结 构 材 料 之 间的 界 线 逐 渐 消 失 ， 实 现 结 构 功 能 化 、 功 能 多 样 化 。 智 能 材 料 的 研 制 和 大 规 模 应 用 将 导 致 材 料 科 学 发 展 的 重 大 革命 。 如 英 国 宇 航 公 司 在 导 线 传 感 器 ， 用 于 测 试 飞 机 蒙 皮 上 的 应变 与 温 度 情 况 ； 英 国 开 发 出 一 种 快 速 反 应 形 状 记 忆 合 金 ， 寿 命期 具 有 百 万 次 循 环 ， 且 输 出 功 率 高 ， 以 它 作 制 动 器 时 、 反 应 时间 仅 为 10分 钟 ；

41、压 电 材 料 、 磁 致 伸 缩 材 料 、 导 电 高 分 子 材 料 、电 流 变 液 和 磁 流 变 液 等 智 能 材 料 驱 动 组 件 材 料 在 航 空 上 的 应 用取 得 大 量 创 新 成 果 。 智 能 材 料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所材 料 制 备 技 术 的 概 念 与 意 义 材 料 制 备 技 术 : 材 料 科 学 与 工 程 研 究 的 宗 旨 和 归 宿 是 要 发 展 和制 造 种 种 高 性 能 新 材 料 为 人 类 服 务 ， 材 料 制

42、 备 技 术 是 实 现 这 一目 标 的 基 本 手 段 。 严 格 的 说 ， 材 料 制 备 和 加 工 技 术 是 该 领 域 知识 产 权 保 护 的 主 要 内 容 ， 直 接 关 系 到 新 材 料 的 技 术 、 经 济 利 益 ， 从 而 是 国 际 竞 争 的 核 心 。 材 料 制 备 技 术 ： 通 过 某 种 物 理 /化 学 的 方 法 合 成 、 制 备 、 加 工 具有 应 用 形 态 和 性 能 的 材 料 。 应 包 括 制 备 的 方 法 原 理 、 工 艺 、 装备 与 操 作 参 数 ， 辅 以 各 种 材 料 表 征 手 段 （ 技 术 ） 对 所

43、得 材 料 作出 评 价 。 材 料 制 备 技 术 首 先 是 能 提 供 所 需 的 先 进 材 料 ， 制 备 技 术 及 其 工艺 水 平 和 操 作 细 节 （ Now How） 决 定 着 材 料 的 结 构 （ 微 结 构 ） 、性 能 质 量 ， 重 现 性 。 在 某 些 情 况 下 和 发 展 阶 段 上 ， 还 可 以 是 材 料 研 究 手 段 和 方 法 。 例 如 ： 分 子 束 外 延 技 术 （ Molecular Beam Epitaxy-MBE), 化 学 模 板 法 等 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic M

44、embranes,USTC 固体化学与无机膜研究所材 料 制 备 技 术材 料 制 备 技 术 学 科 基 础 ： 原 材 料 的 化 学 组 成 与 性 质 、 物 理 形 态 材 料 合 成 方 法 的 物 理 化 学 原 理 材 料 性 能 的 评 价 方 法 （ 原 理 与 技 术 ） 材 料 制 备 工 艺 工 程 的 重 现 性 及 其 影 响 因 素 薄 膜 制 备 溶 液 法 气 相 法 固 相 法 复 合 法 晶 体 制 备晶 须 与 纤 维 多 孔 陶 瓷 制 备材 料 与 器 件 制 备 技 术粉 体 合 成 Lab for Solid State Chemistry &

45、 Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所软 化 学 制 备 路 线 是 现 代 材 料 科 学 与 工 程 发 展 的 新 趋 势 、 最活 跃 和 具 生 命 力 的 领 域 。 Better Ceramics Through Chemistry Advanced Materials By Chemistry 湿 化 学 （ 共 沉 淀 ， sol-gel, 溶 液 电 化 学 ） 气 相 化 学 （ CVD, 气 溶 胶 , ） 有 机 /高 分 子 化 学 辅 助 的 陶 瓷 工 艺条 件 温 和 ， 成 本 低 廉 ， 手 段 繁 多 ， 适 应 性

46、强可 对 材 料 在 其 形 成 初 期 进 行 控 制 ， 实 现 结 构 与 性 能 的 剪 裁 与 组 装可 获 得 传 统 方 法 难 以 获 得 的 新 型 材 料类别特点 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所软 化 学 合 成 路 线 -概 念 与 特 点 在 温 和 的 、 低 能 量 密 度 介 质 条 件 下 ， 通 过 适 宜 的 化 学 物 种 先 驱 物 ， 采 用 有 效 的 高 度 混 合 方 式 ， 实 施 能 量 的 高 效 馈 入 和 反 应 物 激 活 途 径

47、 特 点 是 ： 高 效 率 、 低 能 耗 、 操 作 简 便 ， 可 以 制 备新 型 介 稳 材 料 ， 新 颖 的 结 构 特 异 的 材 料 软 化 学 是 一 个 具 有 创 新 含 义 的 概 念 ！有 力 的 克 服 质 量 输 运 位 阻和 反 应 活 化 位 垒 ，合 成 在 极 端 条 件 才 能 获 得 的 、乃 至 得 不 到 的 材 料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所软 化 学 合 成 路 线 不 搞 硬 碰 硬 （ 体 扩 散 、 表 面 扩 散 ） G G

48、0 目 标 产 物催 化 剂 应 用原 子 、 分 子 混 合 接 触（ 易 于 输 运 ）新 先 驱 物气 态 、 液 态出 发 物 来 软 的 温 和 条 件 ： 溶 液 、 气 态 、 软 态 、 非 晶 态灵 活 机 动 改 变 路 径 ： 催 化 剂 使 用迂 回 战 术 改 变 原 始 出 发 物 （ precursor）借 助 外 援 有 机 /高 分 子 的 灵 活 ， 可 加 工化 整 为 零 新 颖 的 能 量 提 供 方 式 （ 如 plasma, CVD, 微 波 化 学 ）质 量 输 运 过 程 目 标 产 物 目 标 产 物由 高 能 态 向 低 能 态 转 化G

49、0 高 温 、 高 压 、高 能 量 粒 子 束等 极 端 合 成 条 件 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所软 化 学 路 线 ：水 热 合 成 微 粉 （ 120 200 ）化 学 共 沉 淀 合 成 （ 室 温 800 ）Sol-gel （ 400 700 ）Plasma CVD （ RT 1000 ） Zr(acac)4+Y(dpm)3 YSZ薄 膜 （ - 二 酮 类 ） 主 要 解 决 ： 长 距 离 扩 散 、 反 应 高 能 态 的 形 成 、 降 低 活 化 能 典 型 实

50、例 1：u ZrO2:Y (YSZ) 高 温 烧 成 与 软 化 学 合 成 高 温 烧 成 ： ZrO2+Y2O3 YSZ 陶 瓷1800oC300 500 oC Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 典 型 实 例 3：u高 温 高 压 金 刚 石 与 CVD金 刚 石 薄 膜 高 温 高 压 ： HTHP 金 刚 石 C 金 刚 石 低 压 CVD合 成 金 刚 石 薄 膜 ： CH 4 C(金 刚 石 ） +H2 2000oC60-100KatmNi-Fe 催 化 剂燃 烧 法PCVD由

51、 高 能 态 体 系 先 形 成 中 间 介 稳 相C2H2,C2H5OH, 金 刚 石 C硬 碰 硬 攀登 位 垒 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所毫 米 级 厚 金 刚 石 片 带 Si衬 底 的金 刚 石 厚 膜半 透 纯 金 刚 石 热 沉 片 1010 mm 2 10 w/(kcm) Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所金 刚 石 薄 膜 SEM表 征 Lab for Solid S

52、tate Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所金 刚 石 厚 膜 表 面 SEM照 片 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 典 型 实 例 5：u有 机 、 高 分 子 化 学 路 线 的 应 用 Polymeric precursor法 ：（ 例 如 通 过 高 聚 物 化 学 合 成 非 氧 化 物 陶 瓷 法 ）Si+C SiC （ 高 温 ） Poly (dimethysilene) SiC AlR3+NR3 R3Al-NR3

53、 AlN+R例 ：高 聚 物 辅 助 的 新 型 陶 瓷 工 艺 挤 压 成 型 法 管 状 多 孔 、 致 密 陶 瓷悬 浮 粒 子 法 厚 膜 陶 瓷Gel-casting 复 杂 形 状 陶 瓷热 解BN B NBN NH2phNH2phNH2ph (B2N2phNH2)X BN600oC 250oC Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所图 2 不 同 腐 蚀 时 间 铋 纳 米 线 阵 列 的 的 表 面 FE-SEM图 片 (a) 5分 钟 的 表 面 照 片 ， (b) 10分 钟

54、的 表 面 照 片 ， (c)15分 钟 的 表 面 照 片 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所图 3 铁 纳 米 阵 列 的 SEM图 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 材 料 制 备 与 工 程 主 要 是 介 绍 关 于 材 料 （ 无 机 陶 瓷 ） 的 制 备 、 组 成 与 结 构 、 性 能 及 制 备 条 件 对 它 们 的 影 响 ， 以 及 它 们 之 间 的 相 互 关

55、 系 等 。1.材 料 工 程 与 制 备 技 术 材 料 工 程 (工 艺 )这 一 主 题 ,常 常 构 成 材 料 科 学 与 工 程 中 一 个 颇 为 突 出 的 矛 盾 体 。 一 方 面 材 料 工 艺 被 认 为 是 材 料 科 学 赖 以 发 展 的 基 础 ； 因 为 材 料 的 性 能 对 工 艺 过 程 有 明 显 的 依 赖 性 ， 工 艺 是 确 定 材 料 能 否 推 向 预 期 市 场 的 决 定 因 素 ， 陶 瓷 材 料 尤 其 如 此 。 另 一 方 面 ， 与 工 艺 的 重 要 性 这 一 普 遍 认 识 相 反 ， 要 找材 料 制 备 与 工 程

56、Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 找 到 有 关 这 一 主 题 的 系 统 文 献 ， 或 者 说 非 常 准 确 的 工 程 参 数 ， 并不 容 易 ， 尽 管 近 些 年 来 有 所 发 展 和 改 进 。 这 主 要 是 因 为 ： 人 们 往 往 根 据 实 用 准 则 来 评 判 （ 陶 瓷 ） 材 料 工 艺 ， 一 个 产 品 的成 功 往 往 由 最 后 质 量 衡 量 ， 而 很 少 通 过 形 成 过 程 构 思 的 “ 精 巧 ”或 论 证 的 “ 严 谨 ” 来

57、体 现 。 如 果 性 能 不 好 ， 往 往 原 来 构 思 就 被 否定 ， 过 程 中 的 “ 变 化 ” 常 常 被 忽 略 。 实 际 上 在 制 备 过 程 中 ， 涉 及许 多 制 备 技 术 、 工 艺 手 段 和 “ Know How” 。 如 此 ， 阻 碍 了 工 艺 的发 展 。 专 利 制 度 ： 追 求 目 标 不 太 成 功 ， 就 可 能 像 所 述 那 样 否 定 原 来 构 思 ， 或 大 谈 自 己 的 经 验 ， 而 缺 乏 把 各 种 变 量 结 合 而 纵 观 分 析 提 升 ； 一 旦 达 到 追 求 目 标 ， 又 专 成 专 利 ， 为 了 保

58、 密 而 保 持 沉 默 。 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 工 艺 过 程 复 杂 ， 工 艺 过 程 是 多 变 量 ， 结 果 也 可 能 取 决于 局 部 因 素 ， 甚 至 非 可 控 因 素 ， 造 成 结 果 的 离 散 性 ，难 于 短 期 内 总 结 、 提 高 。 工 艺 技 能 常 常 是 由 技 术 “ 诀 窍 ” 表 示 ， 而 不 是 用 建 立成 熟 、 系 统 的 学 科 理 论 表 示 ， 也 就 是 常 说 的 “ 熟 能 生巧 ” 。总 之 ， 工 艺

59、 过 程 非 常 重 要 ， 但 由 于 种 种 原 因 ， 在 教 科 书 、文 献 中 常 常 一 笔 代 过 ， 所 有 这 些 ， 都 给 材 料 工 程 的 系 统发 展 带 来 困 难 。 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所四 、 陶 瓷 材 料 1.陶 瓷 是 材 料 的 重 要 组 成 部 分 2.陶 瓷 发 展 史 : 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 ：

60、 近 代 社 会 新 材 料 、 高 技 术 时 代 ： 现 代 社 会 第 二 石 器 时 代 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所3.定 义 :是 指 通 过 把 原 料 人 为 加 工 、 热 处 理 ， 使 之 成 为 有 所 需 结 构 、 形 状 和 功 能 物 性 的 无 机 非 金 属 材 料 。 “ Advance Ceramics”4.性

61、能 : 优 秀 的 稳 定 性 优 越 的 力 学 性 能 卓 越 的 热 性 能 独 特 的 光 性 能 良 好 的 电 学 性 能 出 色 的 磁 学 性 能 奇 妙 的 声 学 性 能 诱 人 的 生 物 相 溶 性 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所优 秀 的 稳 定 性SiC对 HF酸 以 外 的 无 机 酸 都 有 较 强 抵 抗 力 ； Al2

62、O3连 HF酸 都 奈 何 不 了 它 ；ZrO2作 发 热 元 件 ， 在 2000 2200 高 温 下 可 工 作 1000小 时优 越 的 力 学 性 能 SiC在 室 温 下 弯 曲 强 度 为 14000kg/cm2， 可 与 优 质 合 金 钢 媲 美 ；特 别 是 当 温 度 升 高 时 ， 金 属 会 软 化 ， 强 度 急 剧 下 降 ； 但 SiC不 同 ，温 度 上 升 高 达 1300 时 ， 强 度 反 而 有 所 提 高 。 高 温 不 易 变 形 ， 提 高 了 可 靠 性 ， 延 长 了 部 件 寿 命 ， 代 替 金 属 作 刀具 、 轴 承 、 发 动 机

63、 等 。 日 本 、 美 国 先 后 做 成 了 Si3N4发 动 机 ， 我 们 国 家 “七 五 ”期 间 ， 也 完 成 了 无 水 冷 陶 瓷 发 动 机 的研 制 ， 通 过 了 几 万 小 时 的 台 架 试 验 ， 发 动 机 性 能 良 好 。当 然 如 果 能 克 服 陶 瓷 的 脆 性 ， 就 会 大 大 促 进 其 实 际 应 用 。 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes

64、,USTC 固体化学与无机膜研究所卓 越 的 热 性 能热 膨 胀 系 数 小 （ SiC 、 Si 3N4 等 )，导 热 系 数 大 （ BeO、 MgO、 Al2O3等 ） ，能 经 受 温 度 骤 变 ， 上 升 到 千 度 急 冷 而 不 开 裂 、 不 损 坏 。 现 代 飞 行 器 ， 速 度 快 ， 和 大 气 摩 擦 产 生 高 温 （ 上 千 度 甚 至 上 万 度 ） ， 穿 上 现 代 陶 瓷 外 衣 才能 当 此 重 任 。 超 高 速 飞 机 的 雷 达 罩 ； 导 弹 整 流 罩 ； 导 弹 端 头 帽 等 。 金 属 和 陶 瓷 粉 混 合 ， 高温 制 成 金

65、 属 陶 瓷 ， 同 时 具 有 陶 瓷 和 金 属 的 优 点 ， 韧 、 硬 、 轻 。 独 特 的 光 性 能象 玻 璃 一 样 透 明 （ 透 明 Al2O3） 高 压 钠 灯 灯 泡作 为 光 学 材 料 ， 折 射 率 高 ； 透 光 性 随 温 度 变 化 小 ； 可 透 红 外 ， 尤 其 是 波 长 10m以 上 的 红 外 线 ， 玻 璃 甘 拜 下 风 。 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 Lab for Solid State Chemistry & Inorgani

66、c Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所良 好 的 电 学 性 能绝 缘 性 ， BeO、 Si 3N4 、 Al2O3，介 电 性 ， 半 导 体 性 ，导 电 性 ， 离 子 导 电 ， 电 子 导 电 ， 混 合 导 电 透 氢 ： BaCeO3， SrCeO3， 透 氧 ： ZrO2， 钙 钛 矿 型超 导 : BaYCuO 锂 离 子 导 体 ： LiCoO2 出 色 的 磁 学 性 能比 磁 性 金 属 好 ， 电 阻 率 比 金 属 大 1千 亿 倍 ， 在 交 变 场 中 涡 流 损 失 和 集 肤 效 应 小 ， 所 以 降 低 了 能 源 消 耗 ， 广 泛 用 于 低 、 高 、 中 频 和 超 高 频 。另 外 ， 因 为 轻 、 低 成 本 ， 可 做 的 很 小 ， 也 适 用 于 磁 疗 和 电 子 计 算 计 中 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Mem