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材料化学

ChemistryofMaterials龚江宏清华大学材料科学与工程系1/77旧石器时代新石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代历史学家把某一类材料特征及其广泛应用作为人类文明史各个阶段一个标志2/77钢硅塑料合成材料半导体精密陶瓷复合材料纳米材料……我们现在所处时代应该称为何时代？3/77材料成为了一个新独立科学门类。这个新学科与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，不过含有其独特鲜明个性。也正是因为与各个传统科学门类水乳交融，材料学科在不一样场所就被划分成了材料物理、材料化学、材料力学、材料工程学等很多分支。4/77本课程所包括内容就属于材料化学这一分支。而作为本课程绪论，这里我们将首先来讨论几个相关名词：材料材料科学材料化学5/77第一章绪论6/771.1什么是材料？材料是能够用来制造有用构件、器件或物品物质。

师昌绪主编：《材料大辞典》p.58材料是“含有一定性能物质,能够用来制成一些机器、器件、结构和产品”。 美国科学院、美国工程院联合编写 《材料：人类需求》7/77材料是能够用来制造有用构件、器件或物品物质材料=物质

Materials=Matter水是材料？冰是材料？8/77几乎全部物质都能够称为是材料什么样材料值得我们关注？并不是全部材料都能引发人们广泛关注那么下一个问题就是先来看看材料发展历史……9/77群居洞穴猿人经过简单加工取得石器以狩猎、护身和生存；伴随对石器加工制作水平提升，出现了原始手工业如制陶和纺织青铜时代大约源于4000~5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业出现。10/77铁器时代被认为是始于多年前，由铁制作农具、手工工具及各种兵器得以广泛应用，大大促进了当初社会发展。钢铁、水泥等材料出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。11/77首先，材料是人类生存和生活必不可缺乏部分，是人类文明物质基础和先导，是直接推进社会发展动力。另首先，伴随社会发展，科学技术进步以及自然资源和能源逐步降低，人们所关注、所使用材料种类也在发生着改变……12/77所以材料定义能够发展为：人类社会所能够接收经济地制造有用器件物质

13/77一个例子高比强铝合金給20世纪“新”材料带来了第一个突破比强：比强度，也就是材料强度与密度之比。含有高强度、低密度材料无疑含有应用优势。钢比强度为：0.64106cm铝合金比强度为：2.64106cm后者是前者4倍，这对于结构材料来说是几千年来一个飞跃。14/77铝铝是一个轻金属，密度2.7g/cm3,大约是铁1/3。纯铝拉伸强度只有48MPa，只有钢1/10左右。所以在早期并未得到重视。Al在地壳中含量丰富，占1/12，但主要以Al2O3状态存在。18世纪发觉了Al元素存在，1825年丹麦物理学家HansOersted第一次成功地提炼出金属铝，不过提炼方法比较复杂，产量很低，使得其价格极为昂贵。15/77铝曾经比金银还要宝贵……100多年前，为了表彰门捷列夫对化学出色贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个比黄金还要珍贵奖杯──铝杯，赠予给门捷列夫。法国皇帝拿破仑三世为了显示自己尊贵，用铝作了一顶头盔，成为轰动一时新闻。每逢盛大国宴，他人都用银制餐具，而他独自使用一套铝制餐具。16/77技术进步让铝走出了首饰店……1886年，22岁美国人Hall创造了熔盐电解法制取金属铝，此法投产后，金属铝产量快速增加，价格则大幅度下降，从而把铝大规模生产变成了现实。这个年轻人组成了一个大企业，这就是今天美国美铝企业(Alcoa)前身。将氧化铝(A12O3)溶解在熔融冰晶石(Na3AlF6)中进行电解(电解液温度靠近1000℃)在上能够找到很多关于铝以及铝合金信息17/77美铝生意是从一把铝壶开始……从铝壶做起，慢慢延伸到了烹调器具、锡箔纸、电线和电缆……。现在，美铝了成为公认世界上最大原铝、铝加工产品和氧化铝生产商。美铝产品广泛应用于航空航天、汽车、包装、建筑、商业运输以及工业市场。18/77铝应用市场打开……铝应用市场打开是从20世纪30年代开始。为了提升铝比强度，当初关于铝研究有两个热门话题：合金强化时效硬化在Al中加入Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn等元素，形成所谓铝合金以提升Al强度。把合金强化处理后形成铝合金加热到一定温度以上进行“熔解处理”，使合金处于均匀单相状态，然后快速淬火，保持其单相组织。今后再在稍高于室温温度下加热，使合金中慢慢析出第二相，以提升合金强度。19/77铝合金出现，大大拓宽了铝用途……航天飞机、大型客机铝门窗、铝活动建筑铝细粉是一个火箭固体燃料铝箔铝电缆易拉罐年，光美国就生产了1000亿个铝易拉罐。轻、薄、耐腐蚀。易拉罐上易拉扣，确实是一项高技术，代表了铝材和铝加工当代成就。20/77美国纽约世界贸易大厦是一个大量使用铝合金贴面雄伟建筑。可惜已经灰飞烟灭了。21/77长久以来人们一直认为铝是无毒，所以用起来很放心。不过医学家经过长久研究后发觉，人体摄入过量铝也会带来危害。因为铝制品大量使用，尤其是铝制品盛放咸、酸性或碱性食物时，其表面保护膜就会遭到破坏，氧化铝就会被溶解，使人体摄入铝量增加，日积月累，对健康会产生影响。友情提醒22/77普通说来，一个材料能否在一个时代引发人们关注、得到广泛使用应该从以下几方面加以分析资源能源环保经济质量23/77新陈代谢这一生命规律在材料中也是一样存在。实际上，每种材料都有其生命曲线出现发展成熟衰退衰退主要是因为社会发展和科学技术进步造成。一个新材料诞生，从试验室研制出样品到工业上大规模实际使用，大约需要15~20年时间。24/77所谓“材料科学”主要研究对象是新材料，或者是想方设法使传统材料取得新生。出现发展成熟衰退新材料传统材料25/77石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素硅酸盐，分为温石棉和青石棉两种，因为含有坚固、抗弯、绝缘、隔热、保温、耐酸碱腐蚀等优点，所以被广泛用于建筑、造船、航天和交通机械中隔热、保温、防火等领域。石棉经过加工后制成纺织、石棉水泥制品，含有耐磨、绝缘等特点，还可制成防火材料、滤料、填料等。据统计，石棉各种用途已逾千种。“夕阳”材料：石棉26/77近年来研究表明石棉是一个致癌物质，欧美国家许多癌症病因，都曾与石棉污染相关。当前这种情况正在向发展中国家转移。据保守预计，今后30年中死于石棉污染者将到达100万，其中大多数是制造含石棉地板、天花板、屋顶材料、接合剂和自动闸工人。若进行大规模楼层定向爆破、拆除等工作时，现场附近人员不采取防护办法，也极可能被组成伤害。“夕阳”材料：石棉27/77教授预计，全世界每年约有20万人死于与石棉相关癌症，其中约25％死于肺癌，10％死于恶性间皮瘤。在欧盟15个国家中，已经有12个禁止使用石棉，沙特阿拉伯也将它列在禁用之列，阿根廷、智利等国也随之仿效。当前美国也不再生产石棉，其石棉使用仅依靠进口。

“夕阳”材料：石棉28/77钢铁工业在发达国家已进入衰退阶段，原因是有许多新材料来代替钢铁，而且钢铁生产污染环境，他们往往把这些企业放在第三世界国家。

钢铁在我国还在成熟阶段，钢铁需求量很大，不但每年产量有所增加,每年还需进口万吨。据预计,我国钢产量到达1万～15000万吨，才能满足国内市场需要。“夕阳”材料工业：钢铁29/77在“9·11”事件中变成废墟纽约世贸大厦数十万吨废钢铁被运往中国和印度，将在那里回炉后重新使用。从这两座100多层双子大厦废墟中回收钢材数量相当可观，预计多达40万吨。30/77材料中“常青树”：陶瓷31/771.2材料分类32/77按材料组成份类金属材料(Metal)钢铁材料、非铁材料、合金有机高分子材料(Polymer)天然、合成无机非金属材料(Ceramics)陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷复合材料(Composites)33/77按材料用途分类结构材料

支撑件、连接件、传动件、紧固件等功效材料

磁性材料、电子材料、信息统计材料、光学材料、敏感材料、能源材料、生物医学材料等结构材料与功效材料划分并不严格生物医学材料？34/77按材料内部原子排列情况分类晶态材料非晶态材料液态材料气态材料材料是能够用来制造有用构件、器件或物品物质35/77从材料尺度角度分类三维材料

块体材料二维材料薄膜、涂层等(金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)一维材料纤维、晶须等(光导纤维、高强纤维)零维材料粉体36/771.3材料科学20世纪对于材料发展历史来说是一个值得大书特书时期。20世纪科学技术领域一系列惊人重大发觉造成了原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域巨大改变，而这些巨大改变则有力地促进了材料发展，使得材料在20世纪中叶发生了一次“革命性”飞跃，这个飞跃标志就是“材料科学”形成。37/77超音速飞机(镍基超级合金)计算机(晶体管、半导体)航天飞机(高温结构陶瓷)20世纪中叶几项结果38/77

1947年，在美国新墨西哥州哥西维尔地方，有一艘外星来宇宙飞船坠毁了。科学家们纷纷云集此地，对这艘飞船进行了全方位研究，于是地球上就诞生了半导体、光纤、激光器等一系列对当代文明产生了显著影响新材料。以后美国政府将这艘飞船隐匿起来了……轻松一下哈哈哈哈！天方夜谭39/7720世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领域进行全方面竞争时代。材料竞争是其中主要内容之一。1957年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了全球性材料科学研究。美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料科学作为一个学科对待。40/7720世纪80年代出现新技术革命把新材料、信息技术、生物技术并列为新技术革命主要标志。美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项以材料为主。同年，美国白宫公布美国国家关键技术项目共6领域22项关键，材料为6领域之一。材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金5项为关键。从1995年至年每两年更新一次《美国国家关键技术》汇报中，特种功效材料和制品技术占了很大百分比。41/7720世纪80年代出现新技术革命把新材料、信息技术、生物技术并列为新技术革命主要标志。年日本文部省公布第七次技术预测研究汇报中列出了影响未来100项主要课题,二分之一以上为新材料或依赖于新材料发展课题,而其中绝大部分均为功效材料。欧盟第六框架计划和韩国国家计划等把功效材料技术列为关键技术之一加以重点支持。我国863高技术发展计划，材料是7个重点之一，重大基础研究攀登计划30个重大课题中有7个与材料直接相关。42/77 材料包括领域极为广泛，举凡国家工农业建设和国防建设，人民生活水平提升，无不与材料亲密相关。所以材料科学研究、新产品开发、工业大生产与合理应用都关系到社会进步、国家安全，所以人们把材料誉为当代文明三大支柱之一。

摘自：师昌绪主编《材料大辞典》序言43/77新材料发展与应用水平直接决定着经济发展水平。不妨看几个简单数据以每千克产品出厂价格计算，把原材料比作1，那么小轿车为5，家电为30，飞机为200，计算机为1000，集成电路芯片则为10000。产品中技术含量越高，收益就越高。年，世界新材料市场销售额到达4000亿美元，美国占市场份额40%，日本占市场份额20%(预计数据)。据1982年统计，美国每年因材料腐蚀造成直接经济损失为1260亿美元。材料断裂和磨损造成损失分别为1190亿和1000亿美元。44/77战后日本经济快速崛起，与其政府对材料高度重视相关。材料科学与综合国力45/77二战结束时候，钢铁依然是整个世界经济支柱。意识到必须含有高质量和低成本钢铁，日本开始大力发展钢铁工业这一技术政策推进了日本汽车工业和其它一些主要用钢材产品，使得日本经济得到了很大发展。46/771970年以后，日本认识到当今世界已经处于硅时代，所以在保持钢生产优势同时，日本瞄准了硅材料，开始大力发展半导体工业，使得家用电器生产在世界市场中占据了绝对优势。英国此时却忽略了硅时代到来，因为没有对应技术政策和战略眼光，其结果是英国有名研究硅材料科学家流入美国硅谷。1988年仅在信息技术产品这一项上，英国对日本贸易赤字就高达2.2亿英镑，这还不包含由硅片控制自动聚焦摄影机之类产品。47/77英国人悲伤地说：英国没有硅工业了，英国从第一流经济大国变为了第二流经济发达国家，而日本却从第二流经济发达国家变成了第一流经济大国，英国态度恰似一个依然停留在石器时代国家，而没有进展到青铜器时代。48/77新材料在高技术中应用几个实例49/771982年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车。它出现使发动机重量减轻，提升燃烧度和节约燃料愿望成为现实。50/771988年前苏联一架以液氢为燃料中型运输机首次试飞成功。液氢沸点为

253C，携储液氢需要高效率绝热材料。液氢发动机使用，则意味着低温极限技术已到达实用化程度。51/771989年日本一艘潜水调查船下潜到6500米深海区，打破了美国、前苏联和德国下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱使用是一个高强度钛合金，观察窗使用是一个新型有机玻璃。52/77美国在海湾战争中使用隐身战斗机所以能隐身，就是使用了一个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、声探测等传感器发觉。隐形飞机之所以能够隐形，主要是综合采取了隐身外形技术、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，含有降低其在雷达屏幕上特征、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

53/77隐形武器因为其科技含量高，对材料要求苛刻，研制费用异常高。美国F-117A隐形飞机单价为1.1亿美元，B-2隐形轰炸机单价更高达5.3亿美元，比与机体等重量黄金价值还要高。最近，美国又以4000亿美元天价，开始研制一个集“隐形、灵敏、高速”为一体F-35新型隐形战机。54/77F-117A战斗机周身几乎全由直线组成，机体表面使用了6种不一样雷达吸波涂层材料，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，就已完全接收不到它发出信号。55/77《扬子晚报》年6月12日报道：西门子企业近日公布消息说，该企业所属一家研究机构开发出了利用移动电话发射站对付隐形飞机技术。这家设在英国研究机构RMR研究人员发觉，由普通移动电话发射站、全球定位系统以及由计算机连接若干信号接收器组成系统，能够用来捕捉隐形飞机。

RMR科学家说，假如隐形飞机飞越某一已布署该系统地域，移动电话发射站信号接触飞机后会向四处反射，而接收器接收反射信号经电脑处理后就能判断出飞机准确位置。科学家认为，他们开发技术将使“隐形飞机毫无用处”。材料科学家喜讯?56/77在美国航天史上发生过三起巨大灾难1967年1月27日：阿波罗号飞船升空时爆炸，三名宇航员遇难1986年1月28日：挑战者号航天飞机升空时爆炸，包含一名女教师在内宇航员全部遇难年2月1日：“哥伦比亚号”航天飞机在完成16天太空研究任务后，在返回大气层时突然发生解体，机上7名宇航员全部遇难57/77“哥伦比亚号”是航天飞机第一次在即将着陆时发生灾难。空难发生后，由美国宇航局（NASA）组成了由材料和工艺工程师及科学家组成调查组对飞机残骸进行了重组、残骸材料冶金分析以及模拟试验，分析了航天飞机爆炸原因。“哥伦比亚号”航天飞机爆炸，震惊了世人，同时也引发了人们对材料关注，材料分析揭开了哥伦比亚空难之谜。哥伦比亚空难与材料

58/77这张照片是在哥伦比亚号返回地球11天前拍摄并传回，经过哥伦比亚号上随机安装一架摄影机拍摄。升空时，从燃料箱脚架处掉下一块隔热泡沫砸到左翼碳／碳复合材料面板下半部附近造成裂缝。而后高温热离子流穿过此处，使机翼铝合金、铁基合金、钠基合金结构熔化，造成航天飞机失控、机翼破坏和机体解体。59/77年8月9日，美国“发觉”号航天飞机平安着陆。它对于人类今后探索太空、深入发展载人航天事业含有主要意义。与此同时，美国航天飞机两年半来重返太空这次首航，在美国航天界、舆论界及民众中引发了对航天飞机探测飞行前景及对载人飞行安全前所未有关注……60/77材料科学研究内容合成与制备SynthesisandFabrication结构Structures性能Properties效能与功效Performance61/77简而言之，材料科学就是研究各种材料成份与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中表现这四个方面之间相互关系科学。成份与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中表现是材料科学四个基本要素。材料科学研究目标则是在这四个基本要素方面进行不懈地努力，以期使材料发展更加好地为人类社会进步服务。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永恒主题。62/77材料科学研究普通流程63/77新材料发展方向结构功效复合化功效材料智能化材料与器件集成化制备和使用工程绿色化64/77在3到13世纪，中国保持着一个让西方人望尘莫及科学知识水平。 英国科学家李约瑟CHINA越王勾践宝剑青铜编钟……我国材料研究65/77这套编钟是在洛庄汉墓主墓室北面14号陪葬坑内出土。编钟出土时排列整齐，可看出当初是挂在架子上埋进去。难能可贵是，这套编钟在地下保留得非常完好，出土之后，轻轻擦拭便锃亮如新66/77形成了一支40万人研究与生产队伍，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多个与材料相关专业，毕业生数量与美国相近。我国新材料研究67/77在光学晶体、有机分离膜、稀土永磁材料、高温超导体、准晶态研究等方面已取得举世瞩目标成绩，但与发达国家相比在总体水平上预计落后10年左右。钢材和化工有机合成材料要靠进口，高技术所需新材料以及引进生产线所用原材料大量依靠国外。我国新材料研究68/77不少研究起步不晚结果不错，但形不成商品及产业。“结果一大片，材料看不见”。国家在新材料研究开发上总投资预计超出50亿元，但形成新材料生产产值不大，大大影响了我国工业尤其是高技术产业发展。我国新材料研究69/77落后就要挨打你们是早晨八、九点钟太阳，希望寄托在你们身上。70/771.4材料化学材料中原