材料化学导论第1章绪论.ppt

材料化学导论 化学专业指定选修课程 张逢星主讲 联系电话 8302805E mail zhangfx 西北大学化学系 张逢星 1954年9月20日出生 男山西临猗人 教授 博士生导师 现任化学系副主任 主管教学 兼任陕西省化学会常务理事 无机化学专业委员会主任 中科院 盐湖研究 编委 主讲本科生 材料化学导论 综合化学实验 和研究生 物理化学分析 等课 指导硕士研究生和博士研究生 作为主要完成人合作出版 中级无机化学 综合化学实验 等教材 主要研究方向为物理无机化学和功能分子与材料化学 参加和主持国家自然科学基金项目 省自然科学基金项目 省教育厅科研基金以及省和学校面向21世纪教改项目和教育部创名牌课程项目近10项 发表学术论文100余篇 作为主持人和主要参加人获陕西省人民政府一等奖1项 2003 二等奖2项 2001 1995 中国科学院科学奖二等奖1项 1992 陕西省高校科学技术进步奖一等奖1项 2004 二等奖一项 1995 陕西省优秀自然科学论文三等奖一项 2001 主讲教师简介 课程简介 材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱 材料科学与化学科学亦日益融合形成了新的化学分支科学 材料化学 因之 化学学科本科生应当学习材料科学的知识 为此 为化学专业开设 材料化学导论 课程 旨在从结构和性能的关联角度介绍无机材料的基本概念 深化固体化学知识 该课程在化学系人才培养方案中作为专业指定选修课程设立 学时40 学分2 课程以课堂讲授为主 辅以习题解答 同时也可通过查阅文献完成小论文 借以了解材料化学领域某一方向的最新动态 该课程平时成绩以课堂听讲和完成作业情况为主 占20 30 课程结束考试采用笔试方式 占80 70 目录第1章绪论第2章完美晶体的结构 复习 第3章晶体缺陷化学第4章固体的电性质与电功能材料第5章固体的光性质与光功能材料第6章固体的磁性与磁性材料第7章材料的合成与制备第8章沸石 层状和纳米材料 材料化学导论 1材料的定义 分类和作用1 1材料的定义 国内外3部大型辞书对材料的定义 LongmanDictionary anythingfromwhichsomethingisormaybemade OxfordAdvancedLearner English ChineseDictionary thatofwhichsomethingiscanbemadeorwhichsomethingisdone 辞海 人们把自然界经过开采而获得的劳动对象称为原料 自然界自然存在而未经过人类任何劳动输入的就不能称为原料 例如 开采出来的矿物是冶金的原料 种植出来的小麦是制造面粉的原料 单采掘工业中就没有原料 在加工工业中 一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为原料 把经过工业加工的原料 如钢铁 水泥 称为材料 材料和原料合成为原材料 辞海 定义可以总结为 经过人类劳动而取得的劳动对象称为原料 经过二次加工的原料称为材料 第1章材料化学绪论 上述定义的欠缺及使用不便共性3个定义都指出了 材料是用来制作某种物件或完成事情 差异两种英文定义均未能指出材料使用过程中本质方面的变化 辞海的定义虽然阐明了原料和材料之间的联系和区别 但也没有指出材料在使用中本质的变化 使用这些定义在实际中带来不便 化工品烧碱 NaOH 按定义应是材料 但类似不胜枚举的化工产品都是原料 来自采掘工业的沙石 木材等等 按定义似乎应是原料 习惯上将其归入建筑材料 思考 食盐在加工中失去了其原质 烧碱在应用于其它化工加工过程时 也要失去原质 所以 食盐和烧碱一般都看作是化工原料 原料在加工中一般均失去了原质 怎样定义材料 借助两个英语词组来说明材料的含义 在英语中 有2个短语来表示制造 制成 但其有明显的区分 madeof 指构成或制成物品后 其物质的原质没有发生变化 madefrom 指构成或制成物品后 其物质的原质已经发生变化 即失去了原质 可以如此来定义材料 经过人类劳动获得的 在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对象称为材料 例子 钢铁 1 2材料的分类 按照材料的化学属性可以分为4类 无机非金属材料 有机高分子材料 黑金属 有色金属 金属材料 单晶形态 多晶形态 烧结成型 制陶工艺 新型陶瓷材料 NewCeramics 或精细陶瓷 FineCeramics 以脂肪族或芳香族的C C共价键为基础结构的大分子组成 一般又分为塑料 橡胶和纤维 复合材料 金属 无机非金属和有机高分子材料有机结合 杂化材料 从80年代开始 日本理部化学研究所山田瑛 雀部博之等人 应用化学中 杂化 hydrid 概念而提出 指两种以上不同种类的有机 无机 金属材料在原子 分子水平上杂化 从而产生具有新型原子 分子集合结构的物质 这种材料具有许多新性能和用途 0维 超微粒子无机材料高分子络合物一维 超取向化各向异性高分子材料杂化高分子构成二维 超薄膜化金属材料高分子复体三维 叠层化多维 多孔化构造机制 离子界面消失 完全结晶化 按材料的性能分类任何材料在使用过程中都能提供可资利用的某种或某些功能 根据这些性能可以将材料分为2大类 结构材料 Structuralmaterial 以力学性能 如受力形变 脆性断裂和强度等作为应用性能 如制造工具 机器 车辆用的钢铁材料 建筑房屋 桥梁和铁路用的混凝土材料 这些材料都具有抵抗外力作用而保持自己的形状 结构不变的优良力学性能 功能材料 Functionalmaterial 此概念1965年由美国贝尔研究所的J A Morton博士提出 现已被各国材料界重视和接受 其定义是 具有优良的电学 磁学 光学 热学 声学 力学 化学和生物学功能及相互转化的性能 被用于非结构目的的高技术材料 材料的功能及其示例热学性能 热容 热传导 热稳定 光学性能 与光的作用 吸光 发光和透光性 电学性能 导电 介电和压电性等 磁学性能 永磁 硬磁 软磁等 化学性能 反应性 催化等 生物功能 人造器官 骨骼和牙齿等 举例 弹性材料 应用力学性能 用于非结构目的 属于功能材料 结构陶瓷 应用力学性能 用于结构目的 属于结构材料 普通玻璃 应用光学性能 用于结构目的 属于结构材料 耐火砖 应用热学性能 用于结构目的 属于结构材料 混合分类在一个体系中同时使用性能和化学属性进行分类 有机电池分离膜电极材料场调制元件多孔化 多D 光集成电路存贮元件叠层化 3D 超薄膜化 2D 开关元件新分子构成太阳能电池光导性液晶超取向化各向异性 1D 光电元件有机导电材料热敏材料霍尔元件超微粒化 0D 高分子催化剂磁体全息照相存贮器非线性光学元件光学元件高分子络合物高分子复合体杂化无机材料高分子材料金属材料图 杂化材料的形成与特性 表1 1混合分类法新材料系 1 3 材料在社会经济发展中的作用材料是人类社会赖以生存和发展 征服自然和改造自然的物质基础 因此 材料是社会进步的物质基础和先导 是人类社会进步的里程碑 纵观人们利用材料的历史 可以清楚地看到 每一种重要的新材料的发展和应用 都把人类支配自然的能力提高到一个新水平 材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命 大大加速社会发展的进程 给社会生产和人们生活带来巨大的变化 把人类物质文明推向前进 复合材料 铁器材料 铜器材料 石器材料 现代社会原始社会 材料的使用程度是人类社会发展的里程碑从人类社会发展来看 使用材料经历了三大里程碑 石器时代 以石头制造工具 可以划分为旧石器时代 公元前2 3百万年至约1万年 从原始部落到母系社会 中石器时代 公元前约1万年至7 8千年 新石器时代 公元前7 8千年至6千年 这期间 我们的祖先以石器为主要工具 在寻找石器的过程中认识了矿石 发明了火 制造了第1种人造材料 陶 并在烧陶过程中发展了冶铜术 开创了冶金技术 铜器时代 人类大量制造和使用第2种人造材料 红铜 和 青铜 红铜 时代约在公元前4 5前年 即原始社会到奴隶社会初期 青铜 时代约在我国商周时代和私有制建立的前夜 铁器时代 人类制造和使用第3种人造材料 铸铁 嗣后是钢铁工业的迅猛发展 成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础 人类社会发展到20世纪中叶以来 科学技术突飞猛进 日新月异 作为发明之母和产业粮食的新材料研制更是异常活跃 出现了称之为聚合物时代 半导体时代 先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法 在当前新技术革命涉及整个国际社会的浪潮冲击下 人类进入了一个材料革命的新时代 材料的发展过程第一代为天然材料在原始社会生产技术水平低下 人类使用的材料只能是自然界的动物 植物和矿物 主要的工具是棍棒 用石料加工的磨制石器 第二代为烧炼材料烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称 人类用天然的矿土烧结砖瓦和陶瓷 制出了玻璃和水泥 这些都属于烧结材料 从各种天然的矿石中提炼铜 铁等金属 则属于冶炼材料 第三代材料为合成材料在20世纪初期出现了化工合成产品 其中合成塑料 合成橡胶和合成纤维已广泛地是用于生产和生活中 从1907年第一个小型酚醛树脂厂建立 到1927年第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现商品化 1930年建立了聚合物概念后 聚合物工业迅猛发展起来 这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究 1950 1970年 工程塑料 聚合物合金 功能聚合物材料的工业化 1970 1980年 分子设计 高性能 高功能聚合物的合成 1990年 等几个发展进程 第四代为可设计的材料该技术发展并不满足于现有的材料 近代出现了根据实际需要去设计特殊性能的材料 金属陶瓷 铝塑薄膜等复合材料属于这一类 第五代为智能材料智能材料是近三四十年来研制的一类新型功能材料 它们随时间 环境的变化改变自己的性能或形状 好像具有智能 例如形状记忆合金就属于这一类 材料与新技术革命新材料的每次使用都引起人类社会的巨大变革和生产力革命 18世纪以来世界范围内的生产力变革和技术革命都以新材料使用为龙头 第一次技术革命 产业革命始于18世纪的英国产业革命 使得以手工技术为基础的资本主义工场手工业过渡到采用机器大生产的资本主义工厂制度 这场工业革命的物质基础是钢铁材料 而伴随的新技术则是蒸汽机的发明 第二次技术革命 电气革命1879年爱迪生发明了电灯 把电力革命的曙光带给了人类 一系列电气材料相继诞生与广泛应用 产生了巨大的生产力变革 第三次技术革命 电子革命20世纪中叶 新导电 导磁材料和半导体材料的发明和应用 使大规模集成块问世 带来了计算机的广泛应用 以及原子能的利用 大大发展了生产力和科学技术 第四次技术革命有人说目前正处在第四次技术革命的前夜 这次技术革命以信息技术 新材料技术 新能源技术和生物工程技术为基础 亦有人把材料 能源和信息科学看作是现代科学技术的三大支柱 而材料科学技术称为三大科学技术支柱之首 美国商业部对2000年12项新型技术的预测 先进材料包括特种陶瓷 陶瓷基和金属基复合材料 金属间化合物与轻合金 先进塑料 表面改性材料 金刚石薄膜 膜材料及生物材料等 2 1 材料科学与材料化学材料 包括结构材料和功能材料 绝大多数属于固体状态 因而材料科学也就是固体科学 它是研究材料的成分 结构 加工成性和性能及其转化之间相互关系的一门科学 材料的推出过程如下 送至送至送至材料制备品质鉴定性能测试应用为工艺控制提供数据为品质鉴定提供数据提供性能的要求 2材料科学与材料化学 从材料的推出过程可以看到 新材料的研制和商品化涉及到许多科学门类 其中最基础的学科有3个 固体物理学 研究构成材料的固体的原子 离子及电子运动和相互作用的一般共性规律 提出各种模型和理论 以阐明固体的结构和性能之间的关系 固体化学 研究固体材料中具体的各类固体物质的合成方法 结构和表征 性质测定和应用及其相互关联 材料工程学 解决如何将固体物质制成可以使用的结构材料和器件 使之具有指定的形态 如纤维 薄膜 陶瓷体 集成块等 和规定各种结构和性能 如具有特定的热 力 光 电 声 磁 化 学 和生 物 功能 从新材料研制过程涉及的3门科学的研究对象可以看出 固体化学或材料化学是新材料诞生的摇篮 是材料科学中的中间链节 化学是自然科学中唯一一门创造新物质的科学 在过去的一个世纪之中 化学家以结构 功能关系研究为主线 设计 合成了许多具有各种功能的分子和物质 随着化学的发展 较为完备的合成化学理论和方法 精确的定性和定量分析 尤其是各类结构分析仪器的发展和应用 使得材料化学科学发展到一个新的水平 对新材料的研制和推出起到重要的作用 2 2材料化学种基本化学问题在化学家参与新材料研制和推出之前 新材料的研制基本上采用各种尝试法 把各种组分依照无理论指导的配比加成 再根据性能要求来取舍 我们知道 每种材料的特定结构决定它的特定功能和用途 它们的原始基础在于构成它们的分子结构 而实际功能则还取决于由分子构成的宏观物质的状态和结构 化学在研究开发新材料中一个作用就是用化学理论和方法研究功能分子以及由功能分子构筑的材料的结构和功能关系 使人们能够设计新型材料 另外合成化学提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计结构的材料 在20世纪后期有两个动向 一是具有特定功能的先进材料变得越来越重要 一是高级材料对于特殊物理性质和材料的高级结构的依赖性增加 未来材料科学发展的化学基本问题 分子结构 分子聚集体高级结构 材料结构 理化性能 功能之间的关