第一章 材料合成与制备 绪论

1、材料合成化学材料合成化学 专业：材料化学专业：材料化学主讲教师：许祖勋主讲教师：许祖勋2008.08教材及教学要求教材及教学要求&教材：材料合成化学教材：材料合成化学 （徐甲强等编，哈尔滨工业大学出版社）（徐甲强等编，哈尔滨工业大学出版社）&学时：学时：62&参考书目：参考书目： !无机合成化学（张克立等编，武汉大学出版社）无机合成化学（张克立等编，武汉大学出版社）!合成化学（湖北大学化材学院编）合成化学（湖北大学化材学院编）!功能材料学（马如璋等编，冶金工业出版社）功能材料学（马如璋等编，冶金工业出版社）&教学要求：（期末教学要求：（期末60，期中，期中20，平时，平时20）2008.08第

2、一章第一章 绪论绪论 材料合成化学的进展与研究热点材料合成化学的进展与研究热点:教学目的 了解无机、有机、高分子材料合成的发展及趋势。 初步了解无机、有机、高分子材料合成的研究热点。 :教学课时：4学时2008.081.1 材料的重要地位1.2 材料的分类1.3 无机材料合成1.4 有机材料合成1.5 高分子材料合成1.6 材料的发展趋势1.7 材料合成化学的内涵2008.08:合成反应：在一定条件下使一种物质转变为另一种或几种物质，或者是两种或多种物质在一定条件下转变成一种或其他多种物质。 合成反应与分离、提纯 合成反应与热力学、动力学:内容：材料合成的理论基础、材料合成的条件与优化、材料合

3、成的方法与设计以及材料合成实例。引言引言2008.081.1 材料的重要地位 什么是材料(materials)? 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。 2008.08 从古至今，人类使用过的材料千千万万、形形色色，若按材料的发展水平进行归纳，材料的发展可分为五代：第一代 天然材料第二代 烧炼材料第三代 合成材料第四代 设计型材料第五代 智能材料 2008.08第一代 天然材料 石头是人类采用的第一种材料，人类历史的最早时期因此而被命名为“石器时代”。公元前10万年前左右，原始人采用天然的石、竹、木、骨等

4、材料作为渔猎工具。由于生产技术水平很低，人类使用的材料只能是石头、树木、 草、竹、 甲骨、羽毛、兽皮、泥土等天然材料。2008.08第二代 烧炼材料 公元前6000年，人类发现了火。有了火，不仅可以熟食、取暖、照明和驱兽，而且还能够用火将天然粘土烧制砖瓦和陶器。在制造陶器的基础上进而又烧制出瓷器。以后，人类又制出了玻璃和水泥，这些都属于烧结材料。在大量地烧制陶瓷的实践中，人类熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术从各种天然矿石中提炼出铜及其合金、青铜和铁等冶炼材料。 2008.08第三代 合成材料 第二次世界大战后，各国致力于恢复经济、发展工农业生产，对材料提出质量轻、强度高、价格低等一系列新

5、的要求。因此，具有优异性能的工程塑料、合成纤维、合成橡胶应运而生，涂料和胶粘剂等合成材料都得到相应的发展和应用。合成高分子材料的工艺发展是从1907年第一个小型酚醛树脂厂建立开始的，到1927年左右第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现了商品化。合成高分子材料的生产和应用，是材料发展中的重大突破。从此，以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。 2008.08第四代 设计型材料 进入20世纪80年代以后， 在世界范围内高技术迅猛发展，国际上展开了激烈竞争，各国都想在生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术等领域占有一席之地，而发展高技术的关键往往与材

6、料有关。因此，新材料的开发本身就成为一种高技术，可称为新材料技术，其标志是材料设计或分子设计。所谓设计型材料，即化学家和材料科学家采用新的物理、化学方法，根据实际需要设计出具有特殊性能的材料。例如近代出现的金属陶瓷、铝塑薄膜等高强度、高模量、耐高温、低密度的先进复合材料。通过材料设计或分子设计得到的先进复合材料促进了航空、航天等高技术的发展，被公认为是当代科学技术中的重大关键技术。2008.08第五代 智能材料 近几十年来研究出的智能材料，其性能随着时间和空间条件的变化而变化。它能适应环境，接受外界环境的调节，而且不需要通过计算机和电子技术，仅依靠材料自身的性质来实现自我调节、自我诊断、自我复

7、原。这显然是按照崭新概念制造出来的材料，例如变色镜、PTC（正温度系数）热敏陶瓷、加热电阻和形状记忆合金等都属于智能材料。 在材料发展过程中，上述“五代材料”，并非新旧交替的，而是长期并存的，它们共同在生产、生活、科研的各个领域发挥着各自的作用，并不断发展。2008.081 1、1 1、1 1 材料的发展史，就是人类社会的发展史材料的发展史，就是人类社会的发展史 人类物质文明的发展史是利用和挖掘材料资源的历史： 人类早期历史按石器、陶器、青铜器、铁器时代来划分，材料代表着当时的生产能力和生活水平。 中国人类社会的发展及其代表性材料与器件：2008.08石器时代（Stone Age）石斧、凿、刀

8、、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗址）：石斧2008.08青铜器时代（Bronze Age）河南偃师二里头出土的目前中国发现的最早期的青铜酒器之一：铜爵（夏代）2008.08 河南省安阳殷墟出土的司母戊鼎是迄今出土的所有鼎中最大最重的，因其腹内壁上有铭文“司母戊”三字而得名，是商王祭祀其母（名戊）的纪念器物：2008.08 湖南宁乡出土的四羊方尊重 达 34 公斤 ，是我国现存商代青铜方尊中最大的一件。其造型动静结合，寓雄奇于秀美之间，可谓巧夺天工。2008.08 湖北江陵楚墓出土的越王勾践剑，锋芒犀利，寒光闪闪，出土时插于漆木鞘里，保存如新，至今犹能断发。经分析测定，剑脊含锡低（10%），韧

9、性好而不易折断；刃部含锡高（20%），刚而锋利。这种复合金属制造技术其他国家直到近代才掌握。2008.08 湖北随州擂鼓墩出土的曾侯乙编钟（战国）：2008.08 陕西临潼秦始皇陵西侧出土的铜车马（战国秦）：2008.08 河北满城中山靖王墓出土的长信宫灯（西汉）：灯的结构非常精巧，灯座、灯盘和灯罩都可以拆卸，圆形灯盘可以转动，两块瓦状的罩板能够开合，因而能任意调节灯光照射的方向和亮度的强弱大小。点灯后，虹吸装置使蜡烛燃烧时的烟烬通过宫女的手臂纳入体中，从而保持室内空气的清洁。灯座可以盛水，这便能使吸入宫女体内的烟烬溶于水中。 这件铜灯把实用功能、净化空气的科学原理和优美的造型有机结合成一体，

10、也反映了高度的合金冶炼技术。2008.08甘肃武威雷台汉墓出土的铜奔马（马踏飞燕）（东汉）：2008.08铁器时代（Iron Age） 湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄：2008.08后周（953年）沧州铁狮，是中国现存最早的大型铸铁艺术品：2008.08 湖北当阳宋代铁塔，此塔是中国现存铁塔中保存得极为完整的一个。这座塔不用砖石木料，完全用生铁铸成，重五十三吨，整座塔身逐层迭加，不加焊接，形体瘦削挺拔，稳健玲珑。2008.08现代的核和信息时代是以核裂变材料U和半导体单晶Si材料为代表。核裂变材料U：核电站，核动力潜艇、航空母舰，核裂变武器；半导体单晶Si材料：特大规模集成电路电子计算机2008.

11、08未来的时代 预计是以纳米材料或纳米改性材料，或以C元素为基础的材料即分子材料为代表。 纳米器件与机器； 分子器件与机器 引领人类社会的发展2008.081、1、2 材料是工业革命的基础人类通过使用新的材料去改进生产工具、生活用具以及武器，并伴随着科技革命的不断发展：第一次工业革命以Fe基材料为基础，蒸汽机的发明与应用，使机器生产逐步取代手工劳动，极大提高了生产力；第二次工业革命以Fe、Cu、Al等金属基材料为基础,电动机的发明与应用，使社会进入电气时代；第三次工业革命以Si基材料为基础，特大规模集成电路和计算机的发明与应用，使社会进入信息时代；第四次工业革命预计以纳米材料和分子材料为基础。

12、2008.081、1、3 现代科学技术的三大支柱能源、材料、信 息，其中材料是基础；1、1、4 材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科 学技术与工业水平，关系着国家的综合国力与安全；1、1、5 世界各国把材料放在重要地位来发展。我国在1978年的科学大会上将材料科学技术列为8大科技领域之一，此后各个五年计划，一直作为重点发展的领域。 2008.081.2 材料的分类按化学组成分：金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料2008.081.金属材料 金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合

13、金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。2008.08 在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。 合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。2008.08 当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固溶

14、体。 金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物。 2008.08 根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。 在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上；在间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的，即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。 2008.08此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因此，只能

15、在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列情况示于图1。2008.08图1 不同类型固溶体中原子排列示意图 （a）随机置换固溶体随机置换固溶体（b）有序置换固溶体有序置换固溶体（c）随机间隙固溶体随机间隙固溶体（d）固溶体中的溶质丛聚固溶体中的溶质丛聚2008.08 金属间化合物可分为三类，即由负电性决定的原子价化合物（简称价化合物）、由电子浓度决定的电子化合物（亦称为电子相）以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物。除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外，还有许多金属间化合物，其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂化合物。

16、2008.082. 无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。 2008.08 传统的无机非金属材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、

17、云母、大理石等）也属于传统的无机非金属材料。2008.08先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。2008.08陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。 传统的无机非金属材料之一：陶瓷2008.08 普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它

18、工业用陶瓷。见表1。2008.08表1 普通陶瓷的分类方法 类 别 主 要 种 类 用 途 中 餐 具 （ 盘 、 碗 、 碟 、 羹 、 壶 、 杯 等 ） 餐 具 西 餐 具 （ 碗 、 盘 、 碟 、 糖 缸 、 奶 盅 、 壶 、 杯 等 ） 茶 具 、 咖 啡 具 茶 盘 、 水 果 盘 、 点 心 盘 、 杯 、 壶 、 碟 等 酒 具 酒 壶 、 酒 杯 、 杯 托 、 托 盘 文 具 笔 筒 、 笔 洗 、 水 盂 、 E P 色 盒 、 笔 架 日 用 陶 瓷 陈 设 瓷 （ 美 术 瓷 ） 花 瓶 、 灯 具 、 雕 塑 瓶 、 薄 胎 碗 等 建 筑 陶 瓷 玻 化 砖

19、（ 渗 花 或 非 渗 花 ） 、 彩 釉 砖 、 锦 砖 （ 马 赛 克 ） 、 内 墙 砖 、外 墙 砖 、 腰 线 砖 、 广 场 砖 、 劈 裂 砖 、 园 林 陶 瓷 等 建 筑 卫 生 陶 瓷 卫 生 瓷 砖 洗 面 器 、 大 便 器 、 小 便 器 、 洗 涤 器 、 水 箱 、 水 槽 、 存 水 弯 、肥 皂 盒 、 手 纸 盒 、 淋 浴 盒 低 压 电 瓷 用 于1 k V 以 下 的 电 瓷 高 压 电 瓷 用 于1 k V 以 上 的 电 瓷 、 如 普 通 高 压 瓷 、 铝 质 高 强 度 瓷 电 瓷 超 高 压 电 瓷 用 于5 0 0 k V 以 上 的 电

20、 瓷 耐 酸 砖 耐 酸 砖 、 耐 酸 耐 温 砖 耐 酸 容 器 储 酸 缸 、 酸 洗 槽 、 电 解 槽 、 耐 酸 塔 等 耐 酸 机 械 （ 部 件 ） 耐 酸 离 心 泵 、 风 机 、 球 磨 机 等 化 工 瓷 化 学 瓷 瓷 坩 埚 、 蒸 发 皿 、 研 钵 、 漏 斗 、 过 滤 板 、 燃 烧 舟 等 2008.08 特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。2008.08常

21、见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。2008.08根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器，见表2 。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。 2008.08吸水率（%）特征陶器粗陶器15不时施釉，制作粗糙普通

22、陶器12断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细细陶器15断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施釉，制作不够精细瓷器炻瓷器3透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口呈石状，制作精细普通瓷器1有一定透光性，断而呈石状或贝壳状，制作精细细瓷器0.5透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细性质及特征类别表2 中国日用瓷分类标准2008.08传统的无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的

23、玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。 2008.08特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。2008.08传统的无机非金属材料之三：水泥水泥是指加入适量

24、水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。2008.08水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。2008.08n通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。n专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。n特性水泥则是某种性能比较突出的

25、一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。 2008.08传统的无机非金属材料 之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。 2008.08按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料；按制

26、造方法分为天然矿石和人造制品；按形状分为块状制品和不定形耐火材料；按热处理方式分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品；2008.08按耐火度分为普通、高级及特级耐火制品；按化学性质分为酸性、中性及碱性耐火材料；按密度分为轻质及重质耐火材料。按制品的形状和尺寸可分为标准砖、异型砖、特异型砖、管和耐火器皿等。按应用分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑用耐火材料等等。2008.083. 有机高分子材料高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡

27、胶、纤维、塑料和胶粘剂等2008.08n橡胶的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能产生很大的形变（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状。其弹性模量小，约105104Pa。常用的橡胶有天然橡胶（异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡胶和硅橡胶等。2008.08n纤维的弹性模量较大，约1091010Pa。受力时，形变不超过百分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较广的温度范围（-50150）内，机械性能变化不大。常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。 2008.08n塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa。温度稍高些，受力形变可达百

28、分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性和热固性塑料两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后者在受热时可塑化和软化，并通过化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚醛塑料和脲醛塑料就属此类。 2008.08n胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。2008.084. 复合材料 复

29、合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。 2008.08复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，下面根据复合材料的三要素来分类。按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合

30、材料；依据复合材料的性能可分为结构复合材料和功能复合材料。2008.08根据材料的性能分类： 根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为结构材料和功能材料。2008.08n结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。 2008.08n功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生

31、物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。2008.08按物理性质分：高强度材料 高温材料超硬材料 导电材料绝缘材料 半导体材料磁性材料 透光材料2008.08按发生的物理效应分：压电材料 热电材料铁电材料 光电材料电光材料 激光材料磁光材料 声光材料2008.08按功能分：超导材料 储氢材料敏感材料 分离材料记录材料 形状记忆材料2008.08按用途分：结构材料 光学材料建筑材料 耐磨材料耐火材料 耐热材料包装材料 耐蚀材料电工、电子材料2008.08按材料服役的领域来分类：根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。2008.08n信息材料

32、是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。 2008.08n航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。 2008.08n能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括

33、增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达137W.h/Kg，而铅蓄电池的比能量只有30W.h/Kg。 2008.08n 生物医用材料是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。 医用金属及合金 医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组

34、织及器官的修复和制造。 医用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。 医用复合材料:表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等。2008.08按结晶状态分类：n单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；n多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。n非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。 2008.08n准晶材料是指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准晶材料中

35、存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。 准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。 2008.08按材料的尺寸分类：零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。 2008.08n零维材料即纳米粒子，通过Sol-gel法、多相沉积或激光等方法，可以制备出大小0.1100nm的陶瓷或金属粉末，粉末的比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。 2008.08n一维材料，如光导纤维由于其信息传输量远比铜

36、、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶须。 2008.08n二维材料（薄膜），如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。n三维材料即块状材料。 2008.081.3无机合成化学无机合成化学1.

37、无机合成化学的地位与作用无机合成化学的地位与作用8无机合成化学是无机化学学科的一个重要分支，是20世纪50年代之后无机化学复兴时代活跃的前沿阵地，是开发利用自然资源，改善人类生活条件、环境、质量，推动科技和社会进步的有力手段。无机合成化学的最重要的目的是合成不同用途的无机材料，而无机材料的使用则是人类文明的进步和时代划分的标志。8 近30年来，各种合成产物大量问世，既有自然界存在的金刚石、水晶、宝石，也有自然界没有的各种功能陶瓷材料和高性能结构陶瓷材料。目前无机合成化学已成为推动无机化学及有关学科发展的重要基础，成为发展新型无机材料及现代高新技术的重要基础之一。 2008.082.无机合成化学

38、的发展趋势无机合成化学的发展趋势I设计和合成系列化合物，研究它们特定的物性，筛选出具有最佳性能的物种。I制备具有非正常价态离子和非正常键合方式的新化合物，探索其结构和性质。 I制备已知化合物的指定形态或指定结构的产物，以备作为材料或制成功能器件。 2008.083.无机材料合成化学的前沿课题无机材料合成化学的前沿课题I 低温固相合成化学I 溶胶-凝胶合成法I 无机合成材料的颗粒尺寸及形貌控制2008.08低温固相合成化学低温固相合成化学 相对于传统的高温固相反应而言，低温固相反应可以合成一些热力学不稳定产物或动力学控制的化合物，这对人们了解固相反应机理，尽早实现利用固相化学反应进行定向合成和分

39、子装配大有益处。此外，从能量学和环境学的角度考虑，低温固相反应可大大节约能耗，减少三废排放，是绿色化工发展的一个主要趋势。2008.088利用液相不易得到的新型簇合物，如鸟巢状结构的MoOS3Cu3(py)SX(x=Br，I)，双鸟巢状结构的（Et4N）2M02Cu6S602Br2 I 4及半开口的类立方烷结构的(Et4N)3MoOS3Cu3Br3(Br)2 .2H2O 等.这些材料可望在催化剂、生物活性材料及非线性光学方面取得应用。8利 用 低 温 固 相 反 应 合 成 的 新 的 多 酸 化 合 物 ， 如 ( n -Bu4N)2M0202(OH)2Cl4(C2O4)及(n-Bu4N)6

40、(H3O)2MOl3O40等，因具有抗病毒、抗癌和抗艾滋病等生物活性作用和催化性能而受到人们的关注。8利 用 低 温 固 相 反 应 方 法 可 以 方 便 地 合 成 单 核 和 多 核 配 合 物 ， 如C5HN(C16H33)4Cu4Br8，Cu(HOC6H4CHNNHCSNH2)(PPh3)2X(X=Br，I)等；还可以合成高温固相反应及液相反应无法合成的固配化合物，如Cu(HQ)Cl2(HQ为8-羟基喹啉)等。8利用低温固相反应可以合成各种功能材料，如非线性光学材料Mo(W，V)-Cu(Ag)-S(Se)等，气敏材料ZnS、CdS、Sn02、LaFeO3、ZnSnO3 等，还有化学防

41、伪材料，生物活性材料，铁电材料，无机抗菌剂及荧光材料等。 低温固相合成化学低温固相合成化学2008.08溶胶溶胶- -凝胶合成法凝胶合成法8溶胶-凝胶合成法：制备材料的湿化学方法中的一种崭新的方法，由于其具有工艺过程温度低，制品纯度高，均匀性好等优点，所以在新材料的合成上备受人们关注。但由于该法所用的原料多为金属有机化合物，而使其成本变高。8目前研究的热点：用廉价的无机盐取代金属有机化合物降低成本，及通过溶胶-凝胶过程的控制，合成结构均匀的纳米材料、无裂纹的膜材料及复合材料等。 2008.088利用溶胶-凝胶法合成的Pb(ZrO0.5Ti0.5) 03(PZT铁电陶瓷与薄膜，可降低预烧温度20

42、00C，使制得的陶瓷致密，晶粒均匀，具有较好的介电性能。8利用该工艺在SiC晶须上涂覆Al203后而制得的增韧陶瓷复合材料的力学性能得到了明显的提高。8利用该工艺合成的各种纳米材料颗粒小，纯度高，是结构陶瓷及功能陶瓷材料研究的热点课题。溶胶溶胶- -凝胶合成法凝胶合成法2008.084.无机合成材料的颗粒尺寸无机合成材料的颗粒尺寸及形貌控制及形貌控制8无机材料尤其是功能材料的性能在很大程度上取决于材料的颗粒大小和形貌。例如，无机材料的粒子尺寸进入纳米级后，本身就具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，因而会展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方

43、面有广阔的应用前景。8纳米微粒一般采用化学方法。颗粒尺寸的控制可通过选择合适的制备方法(一般情况下用气相法制备的颗粒尺寸小于液相法，而用液相法制备的小于固相法和热处理工艺、后处理工艺）。但纳米微粒属热力学不稳定体系，久放及加热容易团聚和生长。要克服这些问题可采用水热生长法、气相沉积法制备纳米粉，也可用表面活性剂及助剂包裹法抑制品粒团聚和生长。 8无机材料的外形可采用工艺条件控制，如晶种诱导，添加剂诱导及乳液调节等方法实现。不同均匀性及外形的材料应用性能不同。除了用化学方法控制产物外形、均匀性外，物理场的应用，如微波、超声波、激光、辐射、等离子体等，也会对产物外形、均匀性产生一定的影响。2008

44、.081.4有机合成化学有机合成化学8有机合成化学是利用现有的已知物质(单质或化合物)，采用合成手段或技术根据一定的反应原理，合成出人们所期望的目标分子。 8有机合成化学家在合成复杂天然化合物的过程中所运用的方法与理论往往会给后人留下一种宝贵的经验，从而出现了有机合成方法学。例如，罗宾逊(Robert Robinson)在合成环状化合物过程中，对于化学结构和反应性以及反应过程之间关系的深刻思考，对于将机理分析应用于有机合成等都产生了深远的影响，也使有机合成化学第一次成为一门课程。8有机合成是改造物质世界的有机合成，正如美国有机化学家伍德沃德(RBWoodward)所说的那样，“有机合成在现有的

45、自然界旁边建立了一个新的自然界”，从而给人类繁复的大千世界增添了更加丰富多彩的内容。2008.081.复杂天然产物合成进展复杂天然产物合成进展8喹宁、胆甾醇、羊毛甾醇、马钱子碱、利血平、四环素、维生素B12、红霉素 8具有多个手性中心的莫能霉素、博来霉素、银杏内酯等 2008.082.具有结构兴趣的具有结构兴趣的非天然产物的合成进展非天然产物的合成进展8l，2，7，8-二苯饼2，2对环蕃8十四字烯，窗烯,类似窗烷结构的二萜类化合物8具有(CH)x通式的化合物x=4，8，12。 8足球烯即C60 , C180 2008.083.有机合成方法学研究进展有机合成方法学研究进展 :在发展一个有用的合成

46、方法时，需要考虑如下几个问题8 产率8 反应条件8 反应选择性(包括化学、区域及立体选择性)8 反应起始原料来源8 使化学计量反应尽可能向催化循环发展8 环境污染: 温和的反应条件、优异的选择性及催化性反应往往是当前有机合成化学家关注的焦点。因为这些问题的解决就意味着高产率与低污染。2008.08化学选择性化学选择性:化学选择性：指试剂对不同官能团的选择性反应，在有机合成中，往往要进行各种官能团的转换、引入或脱除，因而化学选择性在多步合成或对多官能团化合物的反应中显得十分重要。:化学选择性包括，选择性还原反应、选择性氧化与高度选择性的保护基团。:选择性氧化反应的研究初获成功的这类试剂有 8 二

47、氯化钙一三苯氧膦一苯8 次氯酸钠一四甲基六氢吡啶一N-氧化物8 -氢4g-茂锆催化的Oppenaner氧化:高度选择性的保护基团，在有机合成，尤其在复杂的多官能团化合物的合成中显得十分重要。 2008.088 不饱和酮体系的选择性进攻8 一烯丙基体系的区域选择性进攻8 环氧醇的区域选择性开环8 远程区域控制反应区域选择性区域选择性区域选择性：指试剂对于一个反应体系的不同部位的进攻，也可以是对两个处于不同位置的两个完全相同官能团的选择性进攻。2008.08: 顺反异构选择性8在形成双键的反应(如炔烃还原，羰基化合物的wittig反应以及其它多重键的进攻或加成等反应)中，只要形成的双键碳上所带的基

48、团不同，必然涉及产物的Z式或E式结构 : 对映面选择性8如不对称氧化的LDopa的手性合成，不对称氢转移反应的、薄荷醇的大规模生产，特别是新、特医药的工业合成等。可以预测，对映面选择性仍然是今后有机合成的发展方向之一，因为人体本身就是一个不对称物质的综合体，如人体中葡萄糖均为D型，人体中的乳酸均为左旋，许多治疗人体疾病的药物也都具有手性等等。立体选择性立体选择性2008.08反应条件力求温和反应条件力求温和 温度最好是室温，介质最好是中性水介质，压力最好是常压，也就是说尽可能与生化过程相贴近。当然，有时为了其它条件，也必须在这方面作些让步。例如，过去利用钴催化剂的氢甲酰化剂方法，因正异比不理想

49、，继之出现了在过量膦存在下的铑催化方法，但铑的回收是必须解决的。2008.08由化学计量向催化循环反应转换 在大化工产品的生产中，必须实现催化循环，否则催化反应将失去工业意义。钯催化的乙烯氧化制乙醛，若没有实现铜促进的循环反应，是不可能成为Wacker流程的。对精细化工产(Fine Chemicals或Peeialify Chemicals)要力求实现催化循环反应，这对于降低成本或减少污染是必不可少的。当然，在精细有机合成中，化学计量反应很多，人们的努力方向则要力求实现催化循环反应。2008.084.有机合成化学今后的研究热点: 借助于物理手段进行有机合成反应: 借助催化循环实现有机合成工业化

50、: 借助生物酶实现有机合成: 选择生命科学中重要的物质作为合成对象: 催化性抗体酶: 与有机导体有关的新材料有机合成: 与微电子技术有关的有机合成: 利用超临界CO2技术进行有机合成: 有机合成化学将更加紧密与物理有机化学相结合2008.08借助于物理手段进行有机合成反应借助于物理手段进行有机合成反应:这里的物理方法主要指光、电、声、热和微波等对有机合成反应所起的特殊作用。:近几十年来，利用物理方法进行有机合成的研究十分活跃，特别值得一提的是，随着微波加热技术的广泛应用，20世纪80年代开始，人们开始利用微波炉进行有机合成反应，获得越来越引人注目的成果，从而出现了微波化学。 2008.08借助

51、催化循环实现有机合成工业化借助催化循环实现有机合成工业化8在催化反应中，特别是金属催化反应中，实现催化循环是降低成本的主要途径。因为过渡金属(尤其稀有过渡金属)催化剂，往往制备困难，成本较高，若能实现催化循环(如钯催化乙烯氧化制乙醛工艺中的Wacker流程)，则催化剂仅需要催化量，就能使反应顺利进行。8有关催化循环的实例很多，随自然界的进化与人类对大自然认识过程的不断深化，那些对人类社会有利的反应，对它们实现催化循环，仍然是摆在广大有机合成工作者面前的热点问题。2008.08借助生物酶实现有机合成借助生物酶实现有机合成8酶在一些手性合成子的制备上显示出其无与伦比的重要性。在过去已有的研究中，酶

52、以其高选择性实现了用其它物理或化学方法根本无法实现的反应。例如直链淀粉链上，2-、3-与6-位羟基的定向反应正是借助酶来实现的。8一个酶体系一般仅催化一种类型的有机合成反应，在其优异的化学选择性之外，其区域、立体等选择性亦是极好的。例如酶可以只和一对外消旋体中的一个异构体(左旋体或右旋体)进行反应。酶还能以极好的对映面选择性同一个手性的化合物进行反应。2008.08选择生命科学中重要选择生命科学中重要的物质作为合成对象的物质作为合成对象 科学发展不仅使人们对生命现象的秘密有所了解，而且在实验室合成出许多具有生理活性的物质。但人们对生命现象的认识还有待进一步发展，选择生命科学中的重要物质，例如，

53、由基因芯片测DNA分子序列用的荧光标记分子等作为合成对象，对人类进一步揭示生命现象有一定的指导意义。近二十几年来，随着人类回归大自然的要求呼声增高，由自然界中最丰富的糖类物质合成人类社会的必需品亦将成为新世纪的另一个研究热点。 2008.08催化性抗体酶催化性抗体酶8 酶的位置专一性的诱变已是人的能动性的很好表现，而催化性抗体酶则是这一能动性的更好表现，催化性抗体酶实际上是酶学、免疫学与有机合成化学密切结合的产物。8合成具有预定专一性的催化剂，一直是对有机合成工作者最富挑战性的课题。因为酶与抗体酶差别在于：酶选择性地与反应过渡态相结合，而抗体酶则是与基态分子相结合。8合成催化性抗体酶显然需要很

54、好的生物技术与有机合成手段，这必将是新世纪研究的热点之一。特别是单克隆技术的发展，对抗体酶制备、筛选优化起到一定的促进作用。2008.08与有机导体有关的与有机导体有关的新材料有机合成新材料有机合成8聚乙炔类物质作为有机导体的研究受到很大重视，人们发现环辛四烯聚合后，可得到聚乙炔。#聚乙炔相对分子质量可达13700，用碘掺杂后导电率：#顺式10-5cm-1#反式0.2cm-18聚乙炔溶于苯、四氯化碳，因而便于加工。我国有机合成工作者，利用有机铬催化剂，使全氟丁炔一2聚合，在掺杂后得到稳定的，导电率达4.810-8cm-1的聚乙炔衍生物材料。2008.08与有机导体有关的新材料有机合成与有机导体

55、有关的新材料有机合成 在微电子学进入分子器件水平之后，兴起了一种称为纳米技术或纳米材料的研究。有机合成化学家通过一系列的专一性反应，合成了在纳米尺度上的分子线或分子尺以及分子马达。特别是分子马达的出现，有可能与人类延长寿命有关。2008.08利用超临界利用超临界CO2技术进行有机合成技术进行有机合成 自美国北卡大学JoeDesine在1992年利用超临界CO2技术合成了含氧聚合物后，超临界CO2技术成为近几年合成化学家关注的焦点之一。因为这一技术最大的优势就在于它使用超临界CO2作反应介质(或称为溶剂)反应后不仅产物纯净，而且没有任何污染(环境友好)。因此，进一步实现超临界CO2技术的工业化也

56、会成为新世纪有机合成的热点之一。 2008.08有机合成化学将更加紧密有机合成化学将更加紧密与物理有机化学相结合与物理有机化学相结合 有机合成化学从来就是与物理有机化学紧密相连的，在某种程度上，可以说第一流的有机合成化学家也必然是第一流物理有机化学家。过去的有机合成的许多技术如基团选择、软硬酸碱应用、反应条件、介质、极性反转等概念的出现，都与物理有机化学有关。因此，新世纪内，有机合成的发展也必将与物理有机的研究更为密切地相结合。2008.081.5高分子合成化学高分子合成化学:高分子合成化学的发展史:高分子化学的发展前景 :高分子合成化学研究前沿领域2008.081.高分子合成化学的发展史高分

57、子合成化学的发展史 高分子合成化学始于有机化学，由于对大分子化合物特殊性质的兴趣，运用有机化学的知识探讨高分子化合物的合成及合成方法，逐渐形成了一门新的学科高分子合成化学，简称高分子化学。高分子化学是研究高分子化合物的合成原理、聚合反应与聚合物的相对分子质量和相对分子质量分布，以及聚合物性质与结构之间关系的一门学科。 2008.082.高分子化学的发展前景高分子化学的发展前景8扩大通用、重要的高分子的生产规模 8 对工程塑料及特种橡胶领域进行开发使材料获得新性能8发展高强、耐热和具有功能的高分子材料8开发智能高分子复合材料8开发高分子精细化工产品8研究保护环境和防止污染的方法2008.08扩大

58、通用、重要的高分子的生产规模扩大通用、重要的高分子的生产规模 量大面广的通用高分子与国民经济的发展密切相关，通用大规模的生产品种如塑料中的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯，合成纤维中的聚酯、尼龙、聚丙烯腈、维尼纶，合成橡胶中的氯丁、丁苯、丁腈、顺丁、乙丙胶、异戊橡胶等，应扩大生产规模。8对单体的生产技术要作进一步改进、降低成本。8对聚合的方法往产工艺，也要作进一步改进，提高生产率和设备利用率，提高产品的综合性能，降低消耗定额，研究新的活性催化剂。特别是高效催化剂的使用，简化了生产过程。8对通用高分子的改性。通过共聚、接枝共聚、交联改性，利用分子设计原理，在大分子链上引入有反应性能的官能团制得

59、新的品种，改变原有品种的分子结构及组成，从而改变高聚物聚集态及综合性能。8利用物理方法共混、填充、互穿网络制得复合材料，或加工中加入不伺高分子材料或其它增强材料使通用高分子改性。 2008.08对工程塑料及特种橡胶领域进对工程塑料及特种橡胶领域进 行开发使材料获得新性能行开发使材料获得新性能8现有的工程塑料及特种橡胶，所用单体的成本高，必须改进单体的生产技术和方法，降低成本。8高分子合成有不少需进一步改善的问题，如工程塑料中聚苯醚、聚砜、聚酯、聚酰胺、含硅及含氟高分子材料的改性以及新品种的开发都是十分重要的。 8特种橡胶在航空、航天、工业、交通、电子、信息、日用电气等部门有广阔的市场，如氟橡胶、硅橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶等类产品是高新技术的重要原材料。对特种橡胶密封制品要求具有耐高温、耐寒、耐油、耐紫外线、耐辐射等性能。2008.08发展高强、耐热和具有发展高强、耐热和具有功能的高分子材料功能的高分子材料8对碳纤维、刚玉晶需要的增强材料等所要求的高强度结构材料，耐热的杂环高分子和碳化高分子材料等都进行研究。 8功能高分子：是指具有光、电、磁等优异性能以及某些生物性能的高分子材料。8利用分子设计原理，把具有不同功能的官能团引入大分子主链或侧链，使其成为具有功能的光敏高分子材料、高分子磁性材料、高分子导电材料，在大分子中引入反应型的基团，制成各种高分子试剂、高分