材料化学 第一章 绪论

1、材 料 化 学Chemistry of Materials材料化学课程安排主要内容第一章 绪论 2学时第二章 材料的结构 6学时第三章 材料的性能和测试 4学时第四章 材料化学热力学 2学时第五章 材料的表面与界面化学 4学时第六章 材料的制备技术和方法 4学时第七章 无机非金属材料 2学时第八章 高性能复合材料 2学时第九章 高分子材料 2学时第十章 纳米材料 2学时基础部分应用部分考核方式和成绩评定方法考核方式：期末闭卷考试成绩评定方法：期末考试占70%；平时成绩（含考勤、提问、作业等）占30%。以材料化学命名的顶级杂志Chemistry of Materials美国化学会（ACS）198

2、9年创刊 Journal of Materials Chemistry英国皇家化学会（RSC）1991年创刊，2013年分A，B，CA:Materials for energy and sustainability B:Materials for biology and medicine C:Materials for optical and electronic devices 与材料化学相关的顶级杂志6第一章绪论Chapter 1 Introduction7Catalog1.1材料的发展过程1.2材料的分类1.3材料化学的特点1.4材料化学的在各个领域的应用1.5材料化学的主要内容81、什

3、么是材料？1.1 材料的发展过程国内外3部大型辞书对材料的定义： Longman Dictionary: anything from which something is or may be made. Oxford Advanced LearnerEnglish-Chinese Dictionary: that of which something is can be made or which something is done。 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

4、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。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

5、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。 11材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。 师昌绪主编：材料大辞典p.58材料是“具有一定性能的物质, 可以用来制成一些机器、器件、结构和产品” 。 美国科学院、美国工程院联合编写 材料：人类的需求122.材料的发展材料的发现、发展和应用是人类文明的标志。 13Figure of materials development14(1) Stone Age(1) Sto

6、ne age群居洞穴的猿人通过简单加工获得石器以狩猎、护身和生存。旧石器时代：这段文化时期，最早开始于大约750,000年以前的以狩猎和打制石器工具为主。新石器时代：属于或同始于大约公元前 10,000年中东及后来其它一些地方的文化时期相关，以农业发展和磨制石具的制作为特征 。15(2) Bronze Age(2) Bronze age16含锡量1/6 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） 结构与性能的关系Alloy17中国古铜镜Copper mirrors18Copper musical instrument战国青铜编钟 19I

7、ron AgeIron Age20Equations炼铁过程的化学21铸铁锻铁钢铁依含碳量和杂质多少铁和碳的合金Alloys of iron & carbon22早期：纯粹凭经验工艺。近现代：基本化学原理物质微结构性能优良而价值更高的材料高性能碳钢和合金钢钢制品精炼工艺技术 新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。每种材料都有其生命曲线出现发展成熟衰退衰退主要是由于社会地发展和科学技术的进步导致的。 习惯上把处于生命曲线的成熟阶段甚至衰退阶段的材料称为传统材料，而把处于出现阶段和发展阶段的材料称为新材料。目前所谓的“材料科学”的主要研究对象是新材料，或者想方设法使传统材料获得新生。一个新材

8、料的诞生，从实验室研制出样品到工业上的大规模实际使用，大概需要 15 20 年时间。 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； 复合材料铁器材料铜器材料石器材料现代社会 原始社会第二代为烧炼材料 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使用于生产和生活中。这一领域的进展经历了新型塑

9、料和合成纤维的深入研究、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工业化、分子设计、高性能、高功能聚合物的合成等几个发展进程； 第四代为可设计材料 高新技术的发展对材料提出了更高的要求，单一性能材料已不能满足需求，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。智能材料现已成为材料科学的一个重要的前沿领域。（光敏材料、气敏材科、湿敏材料、磁敏材料 ） 超音速飞机 (镍基超级合金) 计 算 机 (晶体管、半导体) 航天飞机

10、(高温结构陶瓷)20 世纪中叶的几项成果3. 新材料在高技术中的应用美国在海湾战争中使用的隐身战斗机所以能隐身，就是使用了一种吸波材料和吸波涂层。所谓隐形是指不易被雷达或红外线、可见光、声探测等传感器发现。隐形飞机之所以能够隐形，主要是综合采用了隐身外形技术、隐身材料技术、红外线抑制和干扰技术、声波隐身技术以及微电子技术等，具有降低其在雷达屏幕上的特征、压制噪声、减弱飞机红外图像特征、抑制无线电信号传输等性能。隐形飞机与材料 F-117A 战斗机周身几乎全由直线构成，机体表面使用了 6 种不同的雷达吸波涂层材料，大大降低了雷达探测度。经科学家测试，雷达在距离 F-117A 飞机 600 米时，

11、就已完全接收不到它发出的信号。材料涉及的领域极为广泛，举凡国家的工农业建设和国防建设，人民生活水平的提高，无不与材料密切相关。所以材料的科学研究、新产品的开发、工业大生产与合理应用都关系到社会进步、国家安全，因此人们把材料誉为现代文明的三大支柱之一。 摘自：师昌绪主编材料大辞典前言新材料的发展方向 结构功能的复合化 功能材料的智能化 材料与器件的集成化 制备和使用工程的绿色化形成了一支 40 万人的研究与生产队伍，其中科研人员近 10 万人。研究单位有 300 多个，新材料生产工厂 1000 多个。各类大学有 150 多个与材料有关的专业，毕业生的数量与美国相近。在光学晶体、有机分离膜、稀土永

12、磁材料、高温超导体、准晶态研究等方面已取得举世瞩目的成绩，但与发达国家相比在总体水平上估计落后 10 年左右。钢材和化工有机合成材料要靠进口，高技术所需的新材料以及引进生产线所用原材料大量依靠国外。我国的新材料研究 你们是早晨八、九点钟的太阳，希望寄托在你们身上。落后就要挨打1.2 材料的分类材料按化学组成分类根据材料的性能分类 材料按服役的领域来分类 材料按结晶状态分类材料按材料的尺寸分类 根据材料的结构和用途来分类。 按照材料的化学组成可以分为4类：无机非金属材料有机高分子材料（聚合物）金属材料复合材料金属材料（Metallic Materials）纯金属或合金（固溶体、金属间化合物）通常

13、具有良好的导电导热性、抛光表面的反光性、金属光泽、延展性、塑性等。钢材：在建筑、桥梁、设备等广泛用作结构材料。铜材：常常作为导电材料使用。新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢合金等。 38Examples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。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。通常将其分为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非金属材料两大类。 传统的无机非金属材料主要是指由Si

14、O2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，磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机非金属材料。高分子材料（Polymers）高分子是由一种或几种简单低分子有机化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛等。合成高分子材料：塑料、合成橡胶和合成纤维。功能高分子材料：工程塑料、导电高分子、高分子半导体、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物医用高分子材料、反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催化剂及高分子试剂等。42(3) Shoes复

15、合材料（Composites）复合材料：由两种或多种不同材料组合而成的材料。既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。金属材料、无机非金属材料和高分子材料相互之间或同种材料之间均可复合形成复合材料。自然界的复合材料：树木和竹子为纤维素和木质素的复合体；动物骨骼则是由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。古老的复合材料：稻草增强粘土。传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。44(6) Spaceflight materials首架复合材料飞机45航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。 多功能化、复合化、精细化、智能化 (2) 根据材料的性能分类

16、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（Structural material）：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），如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，用于结构目的的材料。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（Functional material）：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：是具有优良的电学、磁学、光

17、学、热学、声学、力学、化学和生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。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。（3）材料按应用的领域来分类 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。 信息材料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。 航空航天材料主要包括新型金属材料

18、（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。 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。新能源材料包括核能材料、储氢材料、锂电池材料、燃料电池、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）、蓄热材料等。生物

19、医用材料：一类用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。 医用金属及合金 医用高分子材料 医用生物陶瓷 医用复合材料合成与制备Synthesis and Fabrication结 构Structures性 能Properties效能与功能Performance1.3 材料化学的特点材料科学研究的内容简而言之，材料科学就是研究各种材料的成分与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现这四个方面之间相互关系的科学。 成分与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现是材料科学的四个基本要素。材料科学研究的目的则是在这四个基本要素

20、方面进行不懈地努力，以期使材料的发展更好地为人类社会的进步服务。新方法、新结构、新性能、新应用是发展新材料以及材料科学研究的永恒主题。 材料中原子、离子或分子的排列方式、不同组成间的化学反应等材料制备工艺过程中的化学问题材料的化学性质以及其他各类性质中的化学因素环境对材料的影响 (例如腐蚀)材料化学，顾名思义，应该是与材料相关的化学学科的一个分支，是材料科学的一个重要组成部分，在化学学科中通常也称为“固体化学”。材料化学介绍的是从化学角度来进行材料科学研究所需要的基本知识。 化学是关于物质的组成、结构和性质以及物质相互转变的一门科学。 很明显，材料与化学的对象都是物质，材料注重的是物质宏观方面

21、的研究，化学则是关注原子分子水平的相互作用。 把这两者结合起来，可以从分子的微观水平到宏观尺度认识结构与性能的关系，从而调节改良材料的组成、结构和合成技术及相关的分析技术，并发展出新型的具有优异性质与性能的先进材料。化学与材料的区别57材料化学的特点1.4.1 Classification of materials跨学科性：既是化学学科的一个次级学科，又是材料科学的一个分支。新材料的发展，往往源于其它科学技术领域的需求，这导致材料化学与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密相连。材料合成与加工技术的发展不断地对诸如生物技术、信息技术、纳米技术等新兴技术领域产生巨大影响。通过分子设计和特定的工艺，

22、可以使材料具备各种特殊性质或功能，如高强度、特殊的光性能和电性能等，这些材料在现代技术中起着关键作用。581.4.1 Classification of materials实践性：材料化学是理论与实践相结合的产物。材料通过实验室的研究工作而得到深入的了解，从而指导材料的发展和合理使用。高性能、高质量及低成本的材料只有通过工艺的不断改进才能实现。材料变为器件或产品要解决一系列工程技术问题，这都需要理论和实践的结合，一方面用理论指导实践，另一方面通过大量实践使理论得到进一步发展。化学与材料亲密接触的历史我国的四大发明中至少有两项是化学和材料的结合体通过蒸煮草木灰把植物中的纤维物质提炼出来制成了纸浆

23、；一磺二硝三木炭的组合则生成了火药。 S + 2KNO3 + 3C = N2+ 3CO2+ K2S + 169千卡现代的材料科学就是一种“炼金术”，它能变魔术般地以 90 多种元素为原料，从理论研究、应用，到制造成虽然不是金子但是却有可能比金子更为人类所需、更有价值、更加珍贵的新物质。18 世纪末分析化学的发展使得人们第一次认识到钢中存在有碳原子，而且碳原子在决定钢的性质方面起着十分关键的作用，从而促使人们开始从材料的组成角度来研究材料。20 世纪初开始出现的合成材料就是在有机化学发展的基础上诞生的。元素周期表的发现及其对材料科学的影响进入到近代后，化学开始有意识地向材料靠拢，并且逐渐地在理解

24、材料的结构和性能方面发挥着越来越重要的作用。材料化学的定义 材料化学是材料和化学两者结合的产物，是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学，它是从分子水平到宏观尺度认识结构与性能的关系，从而调节改良材料的组成、结构和合成技术及相关的分析技术，并发展出新型的具有优异性质与性能的先进材料。621.4 材料化学的在各个领域的应用1.4.1 Classification of materials生物医药领域生物相容性材料：例如设计特殊的金属合金和聚合物涂层，以保护人体组织不与人工骨头置换体或其他植入物相排斥;人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等;药物、蛋白质及基因的控制释放。631.4.1 Classification of materials电子信息领域芯片制造：化学气相沉积法、光致抗蚀剂、等离子体刻蚀;信息存储材料;光电子材料。641.4.1 Classification of materials环境