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1、大理州经委工业经济基础知识讲座,材料基础知识,州经委：郑巍黎,2006年7月,1,绪 论,材料（Material）是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器和其它产品的那些物质。材料、信息和能源是现代国民经济的三大支柱勘探、采矿、选矿、冶金与材料的关系。,2,材料学知识,晶体学(空间点阵）晶体缺陷（点、线、面、体）固体材料热力学和平衡态理论（相图）固体动力学理论（扩散与相变）固体材料的结构理论（原子结构、能级、结合键等）固体电子论（分子轨道理论和能带理论）,3,主要讲述内容,一、材料发展简史,二、材料的分类,三、一些新材料技术的介绍,四、材料的展望,4,人类发展的历史证明，材料是社会
2、进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。可分为以下几个时代：,材料发展简史,石器时代,高分子时代,陶器时代,青铜时代,铁器时代,陶瓷时代,复合材料时代,5,旧石器时代早在100万年以前，人类开始以石头做工具,1.1 材料发展简史石器时代,新石器时代1万年前，人类对石头进行加工,孟津妯娌新石器时代聚落遗址,金坛三星村新石器时代遗址,6,1.2 材料发展简史陶器时代,新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固化而制成陶器，从而进入陶器时代。目前考古发现的陶器，在亚洲有中国江西省万年县大源乡仙人洞的陶器和日本最早的绳纹陶（公元前8000年左右）；在欧洲，在希腊半岛发现的陶瓷约在公元前6000至50
3、00年；在美洲大陆，已发现的陶器约在公元前6000年前左右。陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同时也成为这一时期最重要的生产工具。,彩陶 釉陶,7,烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，生产出各种青铜器物，进入了青铜时代。古希腊大约在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前，中国是夏代（公元前2000年左右），欧洲是公元前1800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属的开始，是人类文明发展的重要里程碑。,1.3 材料发展简史青铜时代,8,人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器
4、时代就到来了。世界上最早是小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右，古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。中国最早在春秋战国晋国（大致公元前700年），铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。,长沙战国凹形铁锄 湖北当阳宋代铁塔 沧州铁狮,1.4 材料发展简史铁器时代,9,高分子时代20世纪初，人工合成高分子材料问世，如1909年的酚醛树脂（胶木），1925年的聚苯乙烯，以及1941年的尼龙等，并发展十分迅速。如今，世界年产量已超过钢陶瓷时代2
5、0世纪50年代后，通过一些特殊制备方法，制造出一系列先进陶瓷，由于其资源丰富、比重小、耐高温、耐磨等优点，很有发展前途，用途在不断扩展。复合材料时代 最具有发展前途的是复合材料，因为这类材料具有每种单质材料所不具备的性能。,1.5 材料发展简史新材料时代,10,特点：1.特殊性（超强度、超塑性、超导性等）2.制备和生产和新技术、新工艺紧密相关。3.更新换代快，式样多变。4.发展和理论的关系比传统材料更密切。,1.6 新材料的特点、趋势,趋势：1.从均质材料 复合材料 2.由结构材料 功能材料,多功能材料并重 3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展.4.由被动性材料 具有主动性的智能材料 5.通
6、过仿生途径来发展新材料.,11,主要讲述内容,一、材料发展简史,二、材料的分类,三、一些新材料技术的介绍,四、材料的展望,12,材 料 的 分 类,材料的组成：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料.材料的特性和用途：结构材料、功能材料 结构材料：利用力学性能承受载荷 功能材料：利用特殊的物理性能（电、热、磁等）材料尺寸：一维、二维、三维材料内部原子排布：晶态与非晶态材料热力学状态：稳态与亚稳态,13,2.1.1 金属材料黑色金属铁,铸铁 铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，它含有比碳钢更多的硅、锰、硫、磷等杂质。根据铸铁中碳的存在形式不同：白口铸铁断口呈银白色，性能硬而脆，很难
7、进行切削加工，工业上极少用来制造机械零件。主要用作炼钢原料或用于可锻铸铁的毛坯.灰口铸铁断口呈暗灰色，灰口铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的石墨形式存在。根据石墨存在形式可分为普通灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。,14,2.1.2 金属材料黑色金属钢,钢分为碳素钢（简称碳钢）和合金钢两大类。碳钢含碳量小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金.按含碳量分：低碳钢（0.25%）、中碳钢、高碳钢（0.60%）按质量分：普通碳素钢、优质碳素钢、高级碳素钢 按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢 合金钢按用途：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。按合金元素总含量：低合金钢（5%）、中合金钢、高合金
8、钢（10%）,15,有色金属种类繁多，结合我州与周边的一些重大矿产，讲3种有色金属及其合金的基本性质与目前国内外发展趋势。（一）铜及铜合金（德钦羊拉、中甸普朗）（二）锌及锌合金（兰坪铅锌矿）（三）铂族金属（大理弥渡金宝山）,2.2 有色金属及其合金,16,铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的,2.2.1 铜及铜合金,铜具有许多可贵的物理化学特性例如其热导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接且抗蚀性、可塑性、延展性均好。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝
9、、铁等金属形成合金.,17,工业上使用的铜有电解铜（含铜99.999.95）和精铜（含铜99.099.7）两种。前者用于电器工业上，用于制造特种合金、金属丝及电线。后者用于制造其他合金、铜管、铜板、轴等。铜的冶炼仍以火法治炼为主，其产量约占世界铜总产量的85%，现代湿法冶炼的技术正在逐步推广，湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。,2.2.1.1 铜,18,在纯铜中加入某些合金元素（如锌、锡、铝、铍、锰、硅、镍、磷等），就形成了铜合金。铜合金具有较好的导电性、导热性和耐腐蚀性，同时具有较高强度和耐磨性。根据成分不同，铜合金分为黄铜、青铜和白铜我们重点介绍黄铜、青铜。,2.2.1.1 铜 合 金
10、,19,黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金:普通黄铜 普通黄铜是铜锌二元合金。由于塑性好，适于制造板材、棒材、线材、管材及深冲零件，如冷凝管、散热管及机械、电器零件等,2.2.1.1 铜 合 金黄铜,特殊黄铜 为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能在铜锌合金中加入铝、硅、锰、铅、锡等元素，就形成了特殊黄铜。如铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜等。,20,青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜合金也为青铜。主要有：锡青铜以锡为主要合金元素的铜基合金。工业中使用的锡青铜，锡含量大多在3%14%之间,2.2.1.1 铜 合 金青铜,铝青铜以铝为主要合金元素的铜基合金。铝青
11、铜的力学性能比黄铜和锡青铜高。实际应用的铝青铜的铝含量在5%12%之间，含铝为5%7%的铝青铜塑性最好。铍青铜以铍为基本元素的铜合金。铍青铜的含铍量为1.7%2.5%。,21,铜最大的使用市场是电器和电子市场，约占总数的28%,回收时限较长，尤其大型设备(30-50年)交通设备是铜的第三大市场，约占总数的13%，散热器和配线（回收1015年）工业机器和设备是另外一个主要的应用市场，回收时间一般也比较长。硬币和军火，回收较少。,2.2.1.2 铜的消费与回收年限,22,（1）供需矛盾。1.2002年世界经济全面复苏，对铜的需求增大，库存大减。2.主要生产国智利、赞比亚和扎伊尔政治局势不稳，劳资纠
12、纷严重。3.环保问题，促使国际大量铜矿停产。国内目前也出台了一系列要求重视资源、能源与环保的政策和措施，促使产量暂时性减少。（2）国际炒家的介入。国际投机基金疯狂的针对中国套利盘展开了挤空行情，铜价与现货升水纷纷创出新高，投机基金的兴风作浪已经改变了铜市场由供求本身所决定的运行规律。基金挤仓从目前还看不到完结的迹象。,2.2.1.3 铜的价格影响主要因素,23,(1)国内铜冶炼产能将过剩。目前总能力在205万吨,预计2007年产能将达到370万吨,远超全国铜精矿资源保障能力和国际可提供的精铜矿量。(2)全球经济增长趋势减弱，消费增长逐渐降低。(3)全球资源回收工作的加强。(4)国际炒家资金链问
13、题。铜价上涨越猛烈说明基金本身交易成本的不断提升，持仓成本、融资成本，越来越高，操作难度越来越大。结论：铜价近期增减幅渐平稳，价格逐步降低，间有反复，但降低趋势不变，突降几率较大。,2.2.1.4 铜的价格趋势,24,锌是一种蓝白色金属。密度为7.14克/厘米3熔点为419.5。在室温下，性较脆；100-150时，变软，超过200后，又变脆。锌的化学性质活泼。在常温下的空气中，表面生民一层薄而致密的碱式碳酸锌膜，可阻止进一步氧化。当温度达到225，锌氧化激烈。燃烧时，发出蓝绿色火焰。锌易溶于酸，也易从溶液中置换金、银、铜等。锌在自然界中，多以硫化物状态存在。主要含锌矿物是闪锌矿。也有少量氧化矿
14、，如菱锌矿和异极矿,2.2.2 锌及锌合金,闪锌矿,菱锌矿,异极矿,25,（一）镀锌工业约50%。（二）合金制造约17.5%与铝、铜等组成的合金用于压铸件；与铜、锡、铅等合金用于机械制造业（三）电池工业,锌锰干电池。(四）锌肥、医药。锌对人体蛋白质的合成、物质代谢、生长发育、免疫功能和智力健美有重要作用。(五）橡胶、油漆、颜料等工业,2.2.2.1 锌的用途,26,（1）按合金成分分：ZnA1系：含少量Cu、Mg以提高强度和改善耐蚀性；ZnCu系：是抗蠕变合金，一般还含Ti；ZnPb系：电池壳，小五金及体育运动器材等；ZnPbA1合金：镀锌。（2）按加工方式分：铸造合金，变形合金，热镀锌合金（
15、3）按性能和用途分：抗蠕变锌合金、超塑性锌合金、阻尼锌合金、模具锌合金、耐磨锌合金、防腐锌合金、结构锌合金。,2.2.2.2 锌合金分类,27,目前：（1）国际锌冶炼破产、整合、关闭。（2）世界锌消费因汽车市场扩大而增加。（3）国内外锌资源枯竭，世界储备的减少。（4）近几年来世界勘探费用的降低。趋势：（1）世界一些重大矿将正常运作。（2）世界消费能力的减弱汽车。（3）世界勘探费用的增加，原矿增产。（4)中国环保加强与产业的调控。价格趋于平缓，利润减薄，不排除“铜”现象出现拥有资源与核心能力的炼锌企业能发展壮大。,2.2.2.3 锌价格影响因素及趋势,28,铂族金属是指铂、钯、铑、铱、钌、锇 六
16、种元素 六种元素彼此之间广泛存在类质同象置换现象，所以混合在一起。铂族元素均为等轴晶系，单晶体极少见。矿物一般呈不规则粒状、葡萄状、树枝状或块状形态。颜色和条痕为银户色至钢灰色，金属光泽，不透明。,2.2.3 铂族金属,铂,钯,铑,29,世界上已发现铂族金属矿物约200种，我国有115种，其中主要工业矿物为砂钥矿和共生硫化矿，目前约98%的铂族金属来自这类资源。世界铂族金属可采储量3.67万吨，总储量为10.02万吨。主要产于南非、前苏联、美国、加拿大、哥伦比亚等国家。其中南非(阿扎尼亚)的铂金可采储量约为1.2万吨，前苏联的可采铂金储量为1866吨，两者占世界总储量的98%。每年世界铂金的年
17、产量仅85吨，远比黄金少，加上铂金熔点高，提纯熔炼铂金较黄金更为困难，耗能源更高。所以其价格较黄金更加昂贵。铂金色泽淡雅而华贵，象征着纯洁与高尚。,2.2.3.1 铂族金属储量,30,我国在甘肃、云南、新疆、内蒙古等省区先后发现一些矿床。,2.2.3.2 我国铂族金属分布,31,稀有、纯净、坚硬三大特性以及其天然白色光泽 铂金首饰的设计不断推陈出新，做工精细，从浇铸到抛光，无不精益求精。设计风格既时尚又含蓄，每一件饰品有如艺术品。,2.2.3.3 铂族应用（一）首饰,32,铂族应用：（一）首饰,日本是世界最大铂金首饰的市场。我国是世界第二大市场,33,重整是指烃类分子重新排列成新的分子结构，而
18、不改变分子大小的加工过程。利用铂做催化剂进行重整叫铂重整。近代催化重整催化剂金属组分主要是铂。1965年，我国自行开发的铂重整装置在大庆炼油厂投产。1969年，铂铼双金属催化剂用于催化重整，提高了重整反应的深度，增加了汽油、芳烃和氢气等的产率，使催化重整技术达到了一个新的水平。全世界每年约生产6000万吨硝酸，几乎都是用铂、锗、铂把触媒网催化制得，用铂重整几乎生产了全世界汽车和内燃机所需的全部高辛烷值汽油。,铂族应用：（二）铂重整,34,（三）汽车尾气净化催化剂 汽车尾气净化催化剂的构成为载体、活性物、助催化物等。活性物:已应用的有贵金属铂(Pt),钯(Pd),铑(Rh)和稀土中的铈(Ce)与
19、钄(La)等。（四）玻纤用漏板 铂由于在高温范围内的化学稳定性、不被玻璃体所润湿以及对玻璃熔化的抗蚀能力，使其成为玻璃和纤维工业中唯一能在氧化气氛下抗熔融玻璃腐蚀的高温结构材料。目前全世界玻纤工业池窑多采用铂铑合金做漏板来生产玻璃纤维。,铂族应用(三）、（四）,35,电气工业：触点(用于继电器、调压器、恒温器及控制器等）;电组测温器；热电偶；电子管阴极等高纯贵金属分析器皿：贵金属试剂系列：氯化钯、氯铂酸、二氯二氨钯等;膜微电子桨料及粉末:电阻浆料，导体浆料等 贵金属药物:顺铂、卡铂是目前最有效的两种抗癌药物。顺铂用于卵巢癌,前列腺癌,睾丸癌,肺癌,鼻咽癌,食道癌,恶性淋巴瘤,乳腺癌,头颈部鳞癌
20、,甲状腺癌等。卡铂用于卵巢癌、小细胞肺癌、宫颈癌及非小细胞肺癌等。,应用（五）铂族金属的其它产品及用途,36,铂族金属其发展前途和应用范围将不可限量。尤其是纳米材料的开发研究，使铂族金属更具有光明的前途。贵金属超微细粉和纳米晶体材料因粒径小、比表面积大，具有高表面能和巨大的表面效应，加上贵金属特有的催化活性，贵金超微细粉和纳米晶材料将首先在催化技术和传感技术中获得应用，尤其是催化应用开发将可提高生产率，减少资源消耗，保护环境，节约能源，在未来世纪可能成为催化反应的主要催化剂材料。上述的只是铂族金属部分用途及研发状况。随着材料科学的迅猛发展，将会更深人地开发贵金属材料。铂族金属及其相关的材料在国
21、民经济中将发挥更大的作用,2.2.3.4 铂族的发展前景,37,2.3 无机非金属材料,定义：指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫、硒、碲的化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。包括陶瓷、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等.无机非金属材料通常分为传统和新型两大类。前者指以硅酸盐为主的材料包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料，如碳化硅、氧化铝陶瓷等。后者主要指20世纪以来发展起来的、具有特殊性质和用途的材料，如压电、导体、半导体、磁性、超硬、高强度、超高温、生物工程材料以及无机复合材料等。结合我州重要的无机非金属矿产:（一）膨润土
22、(鹤庆）（二）高岭土(永平）；（三）硅藻土（宾川、洱源）,38,膨润土又名：膨土岩、斑脱石。俗名：观音土。由凝灰岩或其他火山岩在碱性介质下蚀变而成，膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，含量在85%90%，另含少量石英、方解石及火山玻璃，该土具有良好的粘结性、膨胀性、吸附性、可塑性、分散性、润滑性、阳离子交换性、悬浮性、脱色性等。因此它可制成各种粘结剂、悬浮剂、吸附剂、脱色剂、增塑剂、催化剂、净化剂、消毒剂、增稠剂、除垢剂、洗涤剂、填充剂、增强剂等。其化学成份相当稳定，被誉为万能石,2.3.1 膨润土,注：蒙脱石为少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物。其化学式为Nax(H2O)4(Al2xMg0.33)
23、Si4O10(OH)2。,39,膨润土在24个领域100多个部门的广泛的应用：1、铸造型砂粘结剂、快干涂料:钠基膨润土具有很强的粘结性和可塑性、透气性，广泛应用于湿模铸造。锂基膨润土由于胶质价和膨胀容相当高，故用于醇基快干涂料。2、铁矿球团粘结剂：钠基膨润土由于具有很强的粘结性和高温稳定性，在铁精矿粉中加入1-2%的钠基膨润土，造粒后干燥后成球团，大幅提高高炉生产能力，现已被各钢厂广泛采用,2.3.1.1 膨润土的应用：（N.1）,3、涂料：由于膨润土具有优良的悬浮性、粘结性、分散性。在水溶性涂料、防水涂料、乳化沥青涂料、保温涂料、防腐、防火等各类涂料中作悬浮剂。,40,4、钻井泥浆：在油、气
24、钻探中，膨润土是配制泥浆的主要原料，起有效保护井壁、上返岩屑、冷却润滑钻头等。5、食用油脱色脱脂：强吸附性，广泛用于各种动、植物油的脱色去脂，是精炼食用油的最佳脱色剂。6、石化工业：优良的脱色性、可塑性、触变性、在石油工业中被广泛用于炼油催化剂、脱色剂、废油再生剂等。7、动物饲料：含大量微量元素（铁、铜、锌、锰），且本身无毒、颗粒较细，可作为矿物饲料配于动物饲料中。8、农药：优良的悬浮性、分散性，水性农药中作悬浮剂。9、农肥：粘结性将肥料制成颗粒肥，既提高农肥效力又可改良土壤。,2.3.1.1 膨润土的应用：（N.2）,41,10、植树造林：利用膨润土制成高吸水材料用于植树造林，成本低、保水效
25、果相当优良，吸水倍数可达100-1000倍/克。11、建筑：用于大坝防渗墙体材料，建筑地基灌浆材料，地下室、停车场、地铁等防渗漏材料。12、建材：可用其它非金属材料制成各种装饰板材，泡沫绝热材料，无机隔音、隔墙板材、各类面砖、地砖、陶瓷釉料、涂料等。13、纺织、丝绸印染可代替淀粉作纺织纱浆粉、印染糊料等。14、食品工业：可用作啤酒澄清过滤剂，降低啤酒中的高分子蛋白质，延长保质期。,2.3.1.1 膨润土的应用：（N.3）,42,15、日化产品利用膨润土的吸附性、增稠、增塑性等，可用于液固体洗涤产品，可软化织物增强洗涤效果，降低生产成本。比如用于化妆品，具有去污、解毒、止庠、美容、保温等性能。1
26、6、防雷接地：在接地降阻剂中加入膨润土，能提高接地性能，减弱金属的腐蚀性，成本低、性能好。17、医药用品：利用膨润土的强吸附性对若干毒品有解毒作用，用于冶癣药物及其它药物有一定的辅助疗效。18、污水处理：利用膨润土的吸附性、分散性、悬浮性可用于各类污水处理剂，有较强的污水处理能力。,2.3.1.1 膨润土的应用：（N.4）,43,世界上膨润土资源主要分布在中国、美国和原苏联，三国探明储量约占世界总储量的45。中国储量居世界首位，占世界总量的60。中国膨润土矿以其分布广、埋藏浅、易采掘及品种齐全为特点。大型、中型矿床共计43个，占全部矿床数50，据43个矿床统计，平均蒙脱石含量为63，明显高干规
27、范所要求的平均工业品位（大于或等于50），而其保有储量则占绝大部分，表明矿床规模之大。中国膨润土矿床多位于丘陵区，埋藏较浅，覆盖层厚度一般115m，适于露天开采，少数矿可用地下开采适于露天开采，少数矿可用地下开采。,2.3.1.2 膨润土的资源分布,44,高岭土又称瓷土，主要由小于2个微米的微小片状、管状、叠片状等高岭石簇矿物组成，理想的化学式为AL2O3-2SiO2-2H2O，其主要矿物成分除高岭石和多水高岭石，还有蒙脱石、石英和长石等其它矿物（含Fe2O3、TiO2、微量的K2O、Na2O、CaO和MgO等)高岭土质软，强吸水性且易分解悬浮于水中，具有良好的可塑性和高的粘结性，优良的电绝缘
28、性，良好的抗酸溶性，强的离子吸附性和离子交换性，以及良好的烧结性和较高的耐火度等性能,2.3.2 高岭土,注：中国是世界上最早发现和利用高岭土的国家。远在3000年前的商代所出现的刻纹白陶，高岭土名来源于景德镇东郊的高岭村边的高岭山。,45,2004年，全国县以上高岭土生产企业有100多家，乡镇企业达700多家，原矿年生产能力超过600万t，选矿能力180万t。主要的生产省份有苏、闽、粤、湘、赣、浙原矿生产超过10万t的企业：福建龙岩九州高岭土公司（68万t）、江苏苏州中国高岭土公司（22万t)、茂名高岭科技有限公司（26万t）、潮州飞天燕瓷土矿（24万t）四家；超1万t的企业多达40家,多数
29、为年产量数百吨到几千吨的小型加工厂，主要以生产中、低档产品为主。新设计能力在1万吨的企业有12家，在建和扩建万吨级企业有9家。,2.3.2.1 国内生产高岭土企业情况,46,高岭土应用涉及陶瓷、造纸、橡胶、塑料、石油化工、涂料、油墨、光学玻璃、玻璃纤维、化纤、建材、化肥、农药和杀虫剂载体、胶水、耐火材料等几十个行业行业,60-70个品种。国内的煤系高岭土(管状)，比较适合开发为煅烧高岭土，主要应用于各种用途的填料方面。非含煤高岭土(片装)，主要应用于造纸涂料和陶瓷行业方面。我州目前应用较少。日本将高岭土用于代替钢铁制造切削刀具、车床钻头和内燃机外壳等方面应用。最近几年，随着现代科学技术飞速发展
30、，一些高新技术领域开始大量运用高岭土作为新材料，甚至用于原子反应堆、航天飞机和宇宙飞船的耐高温瓷器部件,2.3.2.2 高岭土的用途,47,2.3.2.3 我国高岭土资源情况（N.1),我国是世界上最早发现并在工业中利用高岭土的国家之一。我国非煤建造型高岭土，资源储量居世界第五位（2003年，对我国21个省市232处产地统计，基础储量为5.46亿吨）。而我国含煤建造沉积型高岭土资源储量占世界首位，探明远景储量及推算储量180.5亿吨 中国高岭土分布广泛，遍布全国六大区21个省(市、区)，但又相对集中，广东省是探明高岭土储量最多的省，占全国总量30.9%，其次为陕西、福建、江西、广西、湖南、江苏
31、和云南等省。,48,2.3.2.3 我国高岭土资源情况（N.2),49,2.3.2.4 我国高岭土发展趋势,近几年内，我国高岭土的生产和消费也基本趋于稳定并有可能略有增长，它的市场将很大程度受到各消费领域发展的影响。陶瓷、石化等领域的产品将会平稳并略有增长。造纸用高质量的水洗高岭土在我国内始终呈现供不应求的形势。据预测，亚洲地区从2005年2010年对高岭土需求的增长率为造纸23，陶瓷5，催化剂6，塑料8，颜料5，橡胶6，水泥4，其它4。我国对高岭土的需求增长率将略高于亚洲地区的增长率。我国高岭土将重点发展深加工，开发新产品，立足从传统的应用领域转向高科技、高效益领域，重点研制生产造纸、涂料高
32、岭土和超细煅烧高岭土等高附加值产品。,50,硅藻是最早在地球上出现的原生单细胞植物生物之一，生存在海水或者湖水中。硅藻土是硅藻的死亡后经过1至2万年左右的堆积期，形成的一种化石性的硅藻堆积土。主要化学成份是SiO2，还有少量的Al2O3、P2O3、CaO、MgO等。由于硅藻土具有细腻、松散、质轻、多孔、吸水和渗透性强、对人无毒无害等特点，并有特殊的结构构造使得它具有许多特殊的技术和物理性能，,2.3.3 硅藻土,被广泛用于轻工、化工、建材、石油、医药、卫生、等部门，近些年也被广泛应用于水处理行业。,51,2.3.3.1 硅藻土的具体用途（N.1),1、作玻璃钢、橡胶、塑料的填料。能明显增强制品
33、的钢性和硬度，提高制品的耐热、耐磨、抗老化等性能，大幅度降低成本 2、作造纸填料。能够改进纸张的不透明度和亮度，提高平滑度和印刷质量，减少纸张因湿度而引起的伸缩。3、作为涂料的消光剂。能够降低涂膜的表面光泽，增加涂膜的耐磨性和抗划痕性。4、作农药粉剂、颗粒剂的理想载体。可使制剂稳定，药效延长，毒性缓角，剂量易于掌握。5、作为高效复合肥的理载体。其本身就具有一定肥效，而且对可溶性的氮、磷、钾吸附能力强，在土壤中具有一定的缓释作用，利于作物生长。,52,2.3.3.1 硅藻土的具体用途（N.2),6、作生产茶色玻璃、微孔玻璃、微孔玻璃微珠、玻璃纤维的原料。因其熔点（1600）比石英熔点（1700）
34、低，故可节约能源，延长窖龄，降低成本。7、作水泥的填料。用以配制高硅质和波特兰水泥，能够提高混凝土的流动性和可塑性，提高产品的耐磨和耐磨腐蚀性。8、作高沥青含量的路面和防水卷材的填料。能有效地解决泛油和挤浆现象，提高防滑性、耐磨性、抗压强度、耐浸蚀能力、大幅度地提高使用寿命。9、作保温材料。具有气孔率高、容重小、保温、隔热、不燃、隔音、耐腐蚀等优良性，应用广泛。作为钻井冲洗隔离液的载体，用量30%，效果很好。,53,2.3.3.1 硅藻土矿产资源分布,世界上有20多个国家产出硅藻土矿。主要分布在中国、美国、丹麦、法国、苏联、罗马尼亚等国。我国硅藻土矿资源较丰富，硅藻土储量3.2亿吨，资源量在2
35、0亿t以上，位居世界前列。主要集中在华东及东北地区，其中规模较大，工作做得较多的有吉林、浙江、云南、山东、四川等省，其中吉林省矿床数最多(18个)，保有储量也最多，达21119万t；其次是云南省，保有储量7752万t。我国目前还没有一个较完善的硅藻土选矿加工厂，只有几个单位从事了低品位硅藻土的选矿提纯研究，基本上形成了一定生产能力。而大理州高新技术开发区大理庆中科技有限 力争建设我国最大的硅藻土精选基地。,54,主要讲述内容,一、材料发展简史,二、材料的分类,三、一些新材料技术的介绍,四、材料的展望,55,新材料（一）纳米材料（二）高温超导材料（三）新能源材料（四）生物类材料(五）隐形材料（六
36、）分子材料和器件（七）超大集成电路芯片（八）先进复合材料（九）智能材料 等十二个领域,一些新材料的介绍,56,一、纳米单位：1.光年（最长单位）1LY3108365246060=9.461015 m2.纳米（nm）:1nm10-3 m10-9 m，大约是3、4个原子的宽度 3.埃（):1 10-1 nm 10-10 m,用来描述原子半径，X光波长。,3.1 纳米材料,纳米科学与技术是20世纪80年代未、90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性崭新综合科学技术,是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术。它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显
37、微镜技术、核分析技术）结合的产物，包括量子力学、物理、化学、分子生物学、材料料学、信息科学、机械学等学科。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技术。,57,人类对客观世界的认识的两个领域：1.宏观领域：以人的肉眼可见的物体为下限，上至宇宙天体。人类能够最大尺度为1010 LY。2.微观领域：以分子、原子（约0.1nm）为最大起点，下至无限小的领域人类所研究的最小尺度为：10-15 m。在宏观领域和微观领域之间存在着近年来才引起重视的介观领域,在这个不同于宏观和微观的领域,由于三维尺寸很细小。出现了许多奇异的性能，不能用我们现有的常识来描述这个领域的规律，这些奇特性能影响着众多行业的发展，
38、而纳米材料做为介观领域代表给提出来。,3.1.1 纳米科技提出的背景,58,3.1.2 纳米科技的研究内容,纳米科技研究由尺寸在1100 nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。,纳米科技,纳米材料,纳米机械学,纳米化学,纳米生物学,纳米材料学,纳米加工技术,纳米加工学,59,机械球磨法：采用球磨方法（粉碎与研磨为主方法），控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。真空冷凝法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术
39、设备要求高。物理粉碎法：通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。物理气相沉积方法：一种常规的薄膜制备手段，包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射深度塑性形变法：材料在准静态压力的作用下发生严重塑性形变，从而将材料的晶粒细化到亚微米或纳米量级。一般要热处理。以上只是主要的物理制备方法，还有很多种方法都在探讨，而且每种细分很多。,3.1.3.1 纳米制备技术物理方法,60,气相沉积法：利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。沉淀法：把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径
40、大，适合制备氧化物。水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和族化合物的制备。微乳液法：两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，族半导体纳米粒子多用此法制备。,3.1.3.2 纳米制备技术化学方法,61,（一）在陶瓷领域的应用：如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性
41、、低温超塑性、易加工等优点。（二）在微电子学上的应用：立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破。（三）在生物工程上的应用：分子计算机，具有特异物理特性和稳定性，其中奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍。（四）在光电领域的应用：微电子和光电子的结合，将在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。比如用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍。,3.1.4 纳米科技
42、的七大应用（N.1）,62,（五）在化工领域的应用：比如将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线；利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩等。纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等。（六）在医学上的应用：了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。比如制造分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗。现在已成功利用纳米微粒进行了细胞分离；用金的纳米粒子进行定位病变治疗；利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，已用于临床动物实验。（七）在分子组装方面
43、的应用：目前纳米技术已深入到了对单原子的操纵，逐步实现组装与剪裁。另外在传统产业科技的升级方面：例如在化纤和纺织品中加入纳米TiO2、SiO2、Al2O3颗粒,可以起到除味、杀菌、防静电和保暖作用。把纳米Al2O3颗粒加入到金属或合金中大大改善力学性能；加入到玻璃中既不影响其透明度又能提高其韧性等。,3.1.4 纳米科技的七大应用（N.2）,63,（1）纳米科技将促使人类认知的革命：纳术尺度下的物质世界及其持性、是人类较为陌生的领域，它正好处于以人类活动空间为代表的宏观和以原子及其以下尺度为代表的微观世界的中间地带，也是物理学、化学、材料科学、信息学以及生命科学发展的新疆土。人类将面临对新理论
44、和新发现重新学习和理解的任务。对这以领域探索过程中形成的理论和概念在我们的生产生活个得以广泛的应用，那么人类将建立起不同于我们内眼所能观察到的物质世界的新观念将极大地丰富我们的认知世界并给人类社会带来观念上的变革。(2)纳米科技将剧烈改变以往的生产方式、大力提高生产力水平：纳米科技一旦成熟，将从根在上改变现有的生产方式，可能取代许多现存的大规模工业模式。纳米水平上的直接生产、推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。,3.1.5 纳米科技的重要意义,64,3.1.6 纳米展示（N.1）,IBM公司用Xe写的IBM,日本用Xe写的原子
45、,65,用扫描遂道显微镜观察原子的排列情况,3.1.6 纳米展示（N.2）,66,1.1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。2.1998年，清华大学范守善课题组成功地制备出直径为350纳米、长度达微米微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。3.1998年，我国科学家制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金从四氯化碳制成金刚石”。4.近年，中国科学院物理研究所解思深课题组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“毫米的世界之最”
46、，而且合成出世界上最细的碳纳米管。,3.1.7 我国纳米科技成果（N.1),67,5.1999年上半年，北京大学薛增泉研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。6.1999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。这种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可能做成燃料电池驱动汽车。7.2000年，中科院金属研究所卢柯博士率领的小组，在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，被誉为“本领域的一次突破，它第一次向人们展示了无空隙
47、纳米材料是如何变形的”纳米材料“鼻祖”、德国科学家格莱特(HGlelter)教授。,3.1.7 我国纳米科技成果（N.2),68,超导：材料在低温下失去电阻零电阻效应。1.没有热损耗，可产生超强磁场输电、大型磁体。2.导体内磁感应强度为零制造超导列车与超导船无摩擦状态运行，大大提高速度与安静性能。发展历程：（1）从1911年汞冷却到269（发现超导）到1986年（75年）只是把温度提高到250。（2）86年，243（3）87年，240 220 177（朱经武）33 迹象（美国华裔）13迹象陶瓷材料（日本）。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发
48、。,3.2 高温超导材料,69,铋系高温超导带材清华大学和西北有色金属研究院，清华大学（简称英纳公司）铋系高温超导带材的批量生产工艺日益成熟，2003年共计有十几公里线材已顺利销往韩、美、欧等国。大面积双面高温超导薄膜中科院物理所和北京有色金属研究总院的钇系超导薄膜技术都有了很大提高；中科院物理所课题组（南开大学）的铊系超导薄膜的技术指标已达到国际先进水平，而且产品稳定性较好。高温超导电缆中国科学院电工研究所和北京云电英纳电缆有限公司均已初步完成电缆的结构优化。其中，北京云电英纳电缆有限公司正在进一步优化电缆系统，计划于2003年年底完成电缆本体的制造，并于2004年上半年在云南昆明普吉变电站
49、正式挂网运行。移动通信用高温超导滤波器清华大学已研制成功适合我国的GSM1800、GSM900和CDMA移动通信系统的高温超导滤波器子系统，系统性能达到国际先进水平，并稳步向产业化推进。目前已计划进行移动通信小区基站的现场通信试验，为我国实现超导滤波器系统应用于移动通信准备了必要的条件。,3.2.1 我国高温超导研究进展,70,新能源和再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一，新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等能源等2020年我国能源总需求量是24.6632.8亿吨标准煤，是2000年的2.2倍。目前，我国优质
50、能源在一次能源消耗构成的比例不合理：石油：天然气：煤炭=2:1:7。我国要大力发展太阳能、潮汐能、水电、风电等可再生资源的开发，尤其是太阳能。太阳能照射在地面的能量相当于全球能耗1.6亿倍。目前：美国百万屋顶计划，德国十万个屋顶计划、日本屋顶电池系统、我国西部阳光计划。,3.3 新能源材料（N.1）,71,新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、Si半导体材料为代表的太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。当前的研究热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物电池材料、中温
