材料化学绪论

1、材料化学 1 一、主要内容 材料化学基础 材料合成与制备技术、测试与表征手段 典型材料概述：无机非金属材料(如无机发光材料、陶瓷材料等)、纳米材料、手性材料、功能材料、液晶材料、功能高分子材料、复合材料、能源材料和储氢材料等 课程报告(由研究生完成，3周)章伟光老师的报告 (第18周)材料化学笔试 (第19周) 2 二、课程评价与成绩1. 课程评价方法： 期末考试 + 课程报告等综合评价2. 材料化学课程报告：对各自研究内容进行开展文献调研，归纳和总结，PPT+口头报告。课程报告是一个文献综述。要求：2010年之后+高水平的英文文献，如Chem Mater, J Mater Chem, JCA

2、, Anal Chem, ACS Nano, Angew Chem, JACS, Nature 系列子刊等)3 三、课程相关资料4 5 6 Alchemy纳米材料化学( K.J. 克莱邦德，2004年)： 纳米材料 纳米技术材料化学 (周志华等编，化工出版社，2006年) 各种新型材料(如新陶瓷、磁性材料、分子电子学材料、功能高分子材料、薄膜材料、光学材料及传感器等)的新研究进展现代材料化学(刘光华著、上海科技出版社，2000年) 对材料化学基础(固体材料的结构、材料化学中的热力学与动力学、固体材料的性能学、固体材料的制备化学)、典型材料概述。(4) 材料化学导论杨兴钰武汉：湖北科学技术出版社

3、，2003 /ChemEdu/Echemi/mat_chem/plan.htm 本课程涉及材料的合成、加工、应用等方面的化学问题。(5) 无机材料化学， 林建华，荆西平等编著材料合成与制备方法、曹茂盛，哈工大出版社，2001材料化学导论邓启刚等哈工大出版社，1999；无机材料化学、曾人杰等 .7 8 1. 基本概念 2. 材料发展概况 3. 材料的重要性 4. 材料分类5. 研究对象与内容材料化学绪论9 材料 Substances having properties which make them useful in machinery, structures, devices and pro

4、ducts, etc. 1.1 Concepts & terms (1) Materials1. 基本概念 connected with function and, through that function, utilities. 材料: 特定功能和用途10 (2) Distinguish between Chemicals and Materials the utility lies primarily in their consumption.Chemicalscan be used repeatedly or continuously for an application that d

5、oes not irreversibly convert them to something else.Materials 11 (3) Materials Science & Chemistry (3) Materials Science - Chemistry 关系 Atomic-molecular level interactionChemistry of Materials (材料化学)Chemistry related to preparation, processing and analysis of materials (在材料的制备、加工处理、分析过程中的化学问题). 材料物理

6、Macroscopic perspective12 (4) 材料化学的内涵(4) Chemistry of Materialsa 采用新技术和工艺方法制备新材料 b 材料组成和微观结构表征 c 材料性能测试Figure of materials development人类发展与材料本质的改变密切相关2. 材料发展概况13 14 智能化功能材料烧炼材料合成材料天然材料设计型材料Develpoment第一代，天然材料：原始社会，主要使用动物、植物和矿物、兽皮、甲骨、羽毛、树木、泥土、石块等天然材料。 约五十万年前的北京猿人，使用石器和骨器作为工具，工具粗糙，用途未分化。 新石器时代，人们逐渐掌握了

7、从地层里开采石料的技术，有了原料的选择和加工过程。15 第二代，烧炼材料：烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。烧制材料性能提高和应用范围扩大，如陶器、瓷器、玻璃、水泥等都属于烧结材料；从各种天然矿石中提炼出来的铜、铅、铁等则属于冶炼材料。 16 青铜的冶炼是人类发展史上的一个里程碑。青铜是铜、锡、铅等组成的合金。出现在公元前5000年。与纯铜相比，青铜熔点低、硬度高。我国在商、周时期是青铜器的鼎盛时期，其代表有司母戊、越王剑及三星堆出土的文物。 铁器时代在中国出现在春秋晚期，即大约在2700至2200年前，比欧洲早约1800年。铁的冶炼成功标志着人类对火的利用的能力有了重大突破。17 含锡量1

8、/6 韧性好 制造钟鼎含锡量2/5 硬度高 制造刀斧Cu Sn Pb Zn第一个合金材料：铜锡合金(青铜)组成、结构与性能的关系18 青铜器时代(2) Bronze age19 Equations Equations 对炼铁以及炼钢过程的化学问题进行研究20 Iron Age铁器时代第三代，合成材料：如合成塑料、合成纤维和合成橡胶等。随着20世纪初有机化学的发展而出现，已广泛应用于生产和生活中。1907年第一个小型酚醛树脂厂建立1927年第一个热塑型聚乙烯塑料生产商品化1930年聚合物概念建立19401957年合成橡胶、合成纤维开始生产19501970年新型塑料和合成纤维的深入研究197019

9、80年工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料工业化1990分子设计、高性能聚合物的合成21 第四代，可设计材料：高新技术的发展对材料提出更高的要求，单一性能的材料已不能满足使用需要。这要求研究者运用新的物理+化学方法等设计特殊性能的材料，如金属/非金属基复合材料，目标在于实现材料功能多样化。第五代，智能材料：研制一些新型功能材料，它们能随环境、时间的变化改变自己的性能和形状等，如记忆合金。功能材料智能化、 结构材料智能化 生物材料智能化 In Transportation3. 材料的重要性23 化学纤维24 化学为现代电子、信息工业提供了发展的基石：单晶硅、化合物半导体。重要手段：光刻！25 2

10、6 4. 材料的分类与要素4.1 材料的分类 金属材料，尤其指合金 无机非金属材料，如硅酸盐(水泥、陶瓷等)、氧化物、氮化物、碳化物等 有机高分子材料：塑料、橡胶和纤维 复合材料: 材料按复合工艺加工 目标：(a)保持材料的原有特色；(b) 可望得到新性能 纳米复合材料 (nanocomposites)种类: 无机物基/金属基/聚合物基/纤维基复合材料(1) 按组成、结构特点分复合材料：为满足新技术对材料性能的综合要求，采取取长补短的方法，用两种或两种以上材料进行有效复合所得到的材料。如(a) 纤维增强或补强复合材料；(b) 第二相颗粒弥散复合材料；(c) 梯度功能复合材料 (一面具有结构作用

11、的金属材料，再逐层渗入无机化合物，便另一面具有一些特殊的功能)。.27 28 Structural Materials 主要利用材料的力学性能 Functional Materials 主要利用材料的物理和化学性能(2) 按使用性能分(3)按状态分 (4) 按用途分(如建筑材料、能源材料、航空材料、电子材料等)29 (5) 按材料的结晶状态分类单晶材料：有一个比较完全的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅等多晶材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶体大小和晶界的性质有密切的关系。非晶态材料：由原子或分子排列远程无序的固体材料，如玻璃、高分子材料等。准晶态材料：不符合晶体的对称条件，但呈一定的周期

12、性有序排列的类似晶态的固体(6) 按材料尺寸分类零维材料：即粒子大小1-100nm的超微粒。一维材料：光导纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。二维材料：金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。三维材料：块状材料。(7)按物理性质分类 导电材料、半导体材料、绝缘材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等30 31 (8)按材料应用领域分类结构材料、电子材料、电工材料、光学材料感光材料、信息材料 、能源材料 、宇航材料 生物材料 、环境材料 、耐蚀材料、耐酸材料研磨材料、耐火材料、建筑材料、包装材料等32 Classification(9) 功能材料：通过光、电、磁、热、化学、生化等作

13、用后具有特定功能的材料 （i）力学性能 （ii）化学功能 （iii）物理化学功能 （iv）生物化学材料 分离功能材料 反应功能材料 生物功能材料 电学功能材料 光学功能材料 能量转换材料 医用功能材料 功能性药物 生物降解材料33 (10) 从结构层次分类 材料的研究从宏观介观尺寸发展 首先关注物质的宏观性质(如熔点、沸点、硬度、强度、化学反应活性等)，采用物质结构理论、化学键成键理论等解释性能与结构间的关系； 介观尺寸结构的物质对其结果和性能影响很大 纳米化学/纳米材料学 34 纳米金属铜的超延展性35 热学性质特殊的热学性质 熔点下降 金：常规熔点1064 10nm的金粒熔点1037 2n

14、m的金粒熔点327 银的常规熔点670 纳米银熔点100 Macroscale vs. Nanoscale Gold当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，失去了原有光泽而呈黑色；金属超微颗粒对光的反射率很低，可低于1%，大约几微米的厚度完全消光。36 光学性能 : 宽频带强吸收、蓝移现象、 纳米微粒发光、丁达尔现象和拉曼散射变化等 纳米材料的光学性能 37 38 电学性质特殊的电学性质银是优良的良导体， (1015)nm的银微粒电阻突然升高， 失去金属的特征，变成了非导体 ；典型的共价键结构的氮化硅、SiO2等， 当尺寸达到(1520) nm时电阻却大大下降， 用扫描隧道显微镜观察时不需要在其表

15、面镀 导电材料就能观察到其表面的形貌。 39 材料性质和现象 赋予材料的价 值和应用性能使用性能 是材料在使用条件下 应用性能的量度合成和加工 实现了特定的原子排列结构与成分 包括决定材料性 质和使用性能的原 子类型和排列方式材料的要素及其关系4.2 材料研究的要素材料化学结晶化学理论基础衍射学(结构表征)波谱学(结构表征)金属材料有机高分子材料无机非金属材料无机/有机复合(杂化)材料40 41 5. 材料化学的研究对象与内容材料科学： 化学、物理、生物等多学科相互渗透 1) 材料物理：利用凝聚态物质的基本概念来解释复杂和多相体系。 2) 材料化学：Anthony R. West “固体化学及其应用” 最早著作 针对无机、有机固体及晶体结构、晶体缺陷、制备方法及固体测试等进行讨论。42 3) 现代材料化学： 以现代材料为主要研究对象，研究材料的化学组成、结