相关课程材料化学一章绪言

材料化学江国顺

,63600415主要内容第一章绪言第二章固体中缺陷第三章表面与界面第四章固体中扩散第五章固态相变第六章反应动力学第一章绪言材料的定义及其发展的重要性材料化学在材料科学中的地位材料化学的内容（本课）材料前沿一.材料的定义及其发展的重要性

1.材料的定义MaterialsSubstanceshavingpropertieswhichmakethemusefulinmachinery,structures,devicesandproducts.——connectedwithfunctionand,throughthatfunction,utilities.

2.“化学物质”和“材料”的区别DistinguishbetweenChemicalsandMaterialsChemicals：theutilityliesprimarilyintheirconsumption.其效用基于其自身耗用量。Materials：canbeusedrepeatedlyorcontinuouslyforanapplicationthatdoesnotirreversiblyconvertthemtosomethingelse.可重复或者连续使用，而自身并不发生变化。3.材料发展的重要性（1）品种、数量越来越多，规模越来越大MetallicMaterialsInorganicNonmetallicMaterialsPolymersComposites金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料3.材料发展的重要性（2）材料发展与人类社会和文明息息相关人类社会的发展史是以材料的使用作为其发展阶段的标志,如石器时代、陶器时代、青铜器时代、现代的钢铁、高分子、信息时代等。人类社会的发展和进步与材料的发展密不可分。3.材料发展的重要性（3）材料中技术含量越来越高（4）材料发展潜力巨大各种材料复合技术交叉学科渗透----材料科学是材料发展的必然产物材料的发展与人类文明息息相关

科技水平越来越高建筑材料发展工具：从石器，到铜器、钢铁无机材料高分子材料复合材料信息时代-半导体材料生物材料智能材料用树枝、泥巴盖起来的房子用石头建造的古罗马斗兽场用砖、石头等建的古代城墙用砖盖起来的城堡水泥混凝土建筑巴黎埃菲尔铁塔石器时代青铜器时代用多种高科技材料制造的波音777飞机非晶态金属：又称为“金属玻璃”

，由沸腾的钢液经每秒100万度的速度冷却而成,其内在结构发生了质变，原子从有序排列变成了无序排列,具有极优异的物理磁性能、化学耐腐蚀性能和力学耐磨性能,传统的车钳铣刨和强酸溶液对它们无可奈何,可以在通信、交通、电子、家电、防盗等很多领域大显身手。

外表轻薄如纸、优雅华丽、用手可轻易撕断的带形金属玻璃“终结者”的材料变现实

新型金属材料合金材料：新型合金材料包括许多种类，它们性能各异，用途各不相同，铝合金、镁合金、钛合金、铁镍铬及高温合金、稀贵金属合金等等形状记忆合金：能够使温度值变化时人为造成的形状变化，在温度恢复到特定值时，形状也自动丝毫不差地恢复到原来的状态，坚韧性极强，可反复变形和复原500万次而不产生疲劳断裂，其广泛应用于卫星、飞船和空间站的大型天线、飞机部件接头以及骨科整形等方面。其他新型金属功能材料如贮氢合金等歼-11机体制造中使用大量钛合金材料

镍钛记忆合金“花瓣”在相应的温度下慢慢绽放形状记忆合金在太空自然恢复原状新型金属材料陶瓷材料：新型陶瓷的强度、硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能都比传统陶瓷有很大提高，特别是在克服传统陶瓷的致命弱点脆性问题上取得重大突破。新型结构陶瓷：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、砷化物陶瓷等新型功能陶瓷：电容器陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶瓷、光学陶瓷和敏感陶瓷等。

新型陶瓷制成的人造骨等陶瓷零件新型无机非金属材料腈纶毛织品各种合成橡胶制品工程塑料制品005飞机上用的复合材料增韧石墨石墨混杂复合材料玻璃纤维信息材料及其技术硅单晶及衬底钢铁材料半导体材料现代文明社会的先导

材料科学作为不同学科相互交叉和渗透的产物——随着相关科学如物理学和化学等本身不断发展，新的学科分支应运而生。20世纪80年代提出了“材料物理”和“材料化学”的概念。

“材料化学”的研究内容，最初由美国的AnthonyR.West在《固体化学及其应用》中对无机固体、有机固体及晶体结构、晶体缺陷、制备方法、固相转变及相图和固体测试鉴定进行了讨论，广泛涉及了材料学科，但书中并没有明确提出材料化学的概念。二.材料化学在材料科学中的地位二.材料化学在材料科学中的地位

材料科学包括以下学科

材料化学材料物理材料理论工程学

二.材料化学在材料科学中的地位

材料化学是一门以材料为研究对象，研究材料的化学组成、结构（电子结构、晶体结构、显微结构）与材料性能和效能之间的关系及其合成（制备）方法、检测表征、材料与环境协调等问题的科学。材料科学研究方法固有特性合成/制备结构/组成性质使用效能材料化学处于核心地位二.材料化学在材料科学中的地位

材料化学的课程包括材料合成化学

材料热力学与动力学缺陷化学结晶化学结构分析化学等

三.材料化学的主要内容

以热力学与动力学为基础：（1）分析化学过程的变化方向、进行程度，指导材料的合成与设计；（2）用宏观Fick‘s定律求解传导过程，进而揭示材料中微观扩散的机制；（3）缺陷的热力学和动力学性质：点缺陷的平衡与非平衡热力学；电传导和质量输运。（4）固态相转变、固相反应；主要内容第一章绪言第二章固体中缺陷第三章表面与界面第四章固体中扩散第五章固态相变第六章反应动力学第七章高分子材料合成及性能参考书课本：Thermodynamicsandkineticsofmaterials,D.V.Ragone参考书:

材料科学导论清华大学潘金生材料物理化学华中工业大学无机固体化学长春应化所洪广言无机材料化学厦大曾人杰材料科学导论冯端、师昌绪四.材料前沿燃料电池（SOFC）陶瓷发动机高温超导体混合离子电子导体---氧分离材料晶体生长燃料电池燃料电池发电装置发电的过程如何材料形状的设计材料中电化学过程材料结构对电性能的影响SWPC准备在2006年将这种发电效率为45-50%常压CHP产品商品化

250kW2002年:与加拿大多伦多的KinectricsFacility公司合作开发，目前该系统正在运行。SOFC电堆:2292根单管在结构上是EDB/ELSAM-100kW系统的放大2004年:1.德国的StadwerkeHannover2.美国阿拉斯加的BP美国公司热电联供系统（CHPsystem）阳极支撑的TSOFC

可以快速启动可以使用不同烃类燃料SOFC形态分类平板型管型扁管型瓦楞型阳极支撑的TSOFC-----美国Acumentrics公司5kW和10kW，目标100kW，低成本$400/kW。2003年与日本住友公司合资，共同开发日本市场。SOFC工作原理图萤石型结构材料化学的研究内容材料合成制备结构---缺陷化学物质输运：微观机制、离子输运等--动力学电化学化学反应---热力学新材料探索用高温结构陶瓷做的发动机叶片1、陶瓷的耐热性好，可以提高发动机的工作温度，从而提高发动机效率，可比目前作为其制造材料的镍基耐热合金的发动机效率提高三成左右。2、工作温度高，使燃料充分燃烧，不仅排出废气中的污染成分大大减少，减少了环境污染，而且降低了能源消耗。3、陶瓷的热传导性比金属低，使发动机的热量不易散发，可节省能源。4、陶瓷具有较高的高温强度和热稳定性，可延长发动机的使用寿命陶瓷发动机的优点SiC晶体的多型性

六方紧密堆积ABABA123456配位数12123456ABCAABC

配位数12

面心立方紧密堆积陶瓷发动机存在的问题陶瓷脆易开裂与金属结合使用寿命生产重复性材料研究方面可以做的工作：合成与制备结构与性能（改进性能）界面结合新材料的合成混合导体致密膜氧渗透原理图

同时具有氧离子和电子传导能力

InterfacialzoneInterfacialzoneBulk混合导体致密膜氧渗透原理图高氧分压侧气相氧吸附后解离成氧离子。氧离子通过体相输运到低氧分压侧，同时伴随电子反向迁移。低氧分压侧氧离子释放电子形成氧分子脱附。YBa2Cu3O6+

相结构

Cu-O2Cu-O2电子传导层Cu-O2Cu-OCu-O离子传导层Cu(1)-O混合导体透氧膜的结构模型单相单通道结构离子电流和电子电流在同一个通道内传输双相混合结构离子电流和电子电流分别在两个