清华大学材料化学PPT课件

1、材料化学Chemistry of Materials，出江宏清华大学材料科学与工程系，旧石器时代新石器时代陶器时代青铜器时代，历史学家把某种材料的特征及其广泛应用作为人类文明史各阶段的一个标志，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材料成了新的独立科学部门。 这门新学科融合了物理、化学、力学、机械、冶金、化学等传统科学门类水乳，但具有独特鲜明的个性。 因为与各种传统科学门类的水乳融合，材料学科在不同的地方分为材料物理、材料化学、材料力学、材料工程学等多个分支。 关于本课程的内容是材料化学的分支。 作为本课程的绪论，这里首先讨论一些相关名词、材料科学材料化学、第一章绪论、1.1材料是

2、一种可以用于制造有用部件、器件和物品的物质。 师昌绪主编： 材料大辞典 p.58，材料是“具有一定性能的物质，能制造几种机器、器件、结构和产品。 美国科学院、美国工程院共同编制了材料：人类的需求。 材料是有用的部件、设备或能制造物品的物质，材料=物质，Materials=Matter，水是材料吗？ 冰是材料吗？大部分物质可以称为材料，应该关注什么材料？ 并不是所有的材料都引起人们的关注。 下一个问题是，来看材料的发展历史群居洞窟的猿人是通过简单的加工获得石器，狩猎、护身和生存。随着石器加工的制作水平的提高，原始的手工业，如陶艺和纺织青铜时代产生于约4000 5000年前。 青铜是由铜锡铝等元素

3、构成的合金，与纯铜相比，青铜的熔点低，硬度高，比石器更容易制作，耐用。 青铜器大大促进了农业和手工业的出现。 铁器时代被认为是从2000多年前开始的，用铁制成的农具、手工具、各种兵器被广泛应用，极大地促进了当时的社会发展。 随着钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入工业社会。 本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，将人类从工业社会向信息和知识经济社会推进。 另一方面，材料是人类生存和生活不可或缺的一部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推进社会发展的动力。 另一方面，随着社会的发展，科学技术的进步和自然资源和能源正在减少，人们关注的材料的种类也在变化因此，

4、材料的定义是人类社会可以接受的制造经济上有用的器件的物质，一个例子，高比强铝合金首次给20世纪的“新”材料带来了突破高强度、低密度的材料确实具有应用优势。 钢的比强度： 0.64cm铝合金的比强度： 2.64cm后者是前者的4倍，这对结构材料来说是几千年的飞跃。 铝、铝为轻金属，密度为2.7 g/cm3，约为铁的1/3。 纯铝的拉伸强度为48 MPa，只有钢的1/10左右。 因此，初期没有受到重视。 Al在地壳中丰富，占1/12，但主要以Al2O3的状态存在。 18世纪发现Al元素的存在，1825年丹麦物理学家汉森oersted首次成功提取金属铝，但由于提取方法复杂、产量低，所以很贵。 铝曾经

5、比金银更宝贵一百多年前，为了表彰门德雷耶夫对化学的贡献，英国皇家学会制作了比金更宝贵的奖杯铝杯赠给了门德雷耶夫。法国皇帝拿破仑三世为了表示自己的尊敬，以铝为头盔，成了一时的消息。 每次盛大的国宴，别人都用银制餐具，他一个人用铝制餐具。 在技术进步，铝离开珠宝商店的1886年，22岁的美国人Hall发明了熔盐电解法取了金属铝。 该方法生产后，金属铝产量迅速增加，价格大幅下降，铝的大规模生产成为现实。 这个年轻人组成了一家大公司。 这就是今天美国铝公司(Alcoa )的前身。 如果把氧化铝(A12O3)溶解于熔化的冰晶石(Na3AlF6 )中进行电解(电解液温度接近1000)的话，发现了很多关于铝

6、和铝合金的信息，铝的生意从铝壶开始从铝壶开始，烹调器具，铝目前，美铝已成为公认的世界最大的原铝、铝加工产品和氧化铝制造商。 用铝产品广泛应用于航空航天、汽车、包装、建筑、商业运输和工业市场。 铝的应用市场的开放铝的应用市场的开放从20世纪30年代开始。 为了提高铝的比强度，当时的关于铝的研究，有合金强化时效硬化，在Al中加入Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn等元素，形成所谓的铝合金来提高Al的强度的话题。 将合金强化处理后形成的铝合金加热到一定温度以上进行“溶解处理”，使合金成为均匀的单相状态，然后快速淬火保持单相组织。 然后，在比室温稍高的温度下加热，使第二相在合金中逐渐析出，提高合金的强度

7、。 铝合金的出现，大大扩大了铝的用途航天飞机、大型客机铝窗框、铝活动建筑铝微粉是火箭固体燃料铝箔电缆制罐，2000年，仅美国就生产了1000亿个铝制罐。 轻，薄，耐腐蚀。 拉罐子的扣子确实是很高的技术，表现了铝材和铝加工的现代成果。 美国纽约的世贸大楼是一座大量使用铝合金的宏伟建筑。 遗憾的是灰消失了。 长期以来，铝被认为是无毒的，所以可以放心使用。 但是，医学家经过长期的研究，发现人体摄取过剩的铝也会带来危害。 铝制品的大量使用，特别是在铝制品中放入咸、酸性或碱性的食物，其表面的保护膜会被破坏，氧化铝溶化，使人体摄入铝的量增加，每天都会积累，影响健康。 友谊一般被某一材料在某一时代关注，是否

8、被广泛使用，应该从以下角度分析，资源、能源的环境、经济质量、新陈代谢这一生命规则也存在于材料中。 实际上，所有材料都有生命曲线，衰退主要是由于社会发展和科学技术的进步。 从在实验室开发样品到工业上大规模的实用，新材料的诞生大约需要15 20年。 “材料科学”的主要研究对象是新材料，或者是寻找使传统材料更新的方法。 石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸盐，分为温石棉和蓝石棉两种，具有结实、耐弯曲、绝缘、隔热、保温、酸碱腐蚀等优点，是建筑、造船、宇宙和交通机械的隔热石棉加工的纺织品、石棉水泥制品，具有耐磨损性、绝缘性等特点，还可以制作防火材料、过滤器、填料等。 据统计，石棉的各种用途已经超过了

9、千种。 “夕阳”材料：石棉，近年来的研究表明，石棉是致癌物质，欧美各国多种癌症的病因与石棉污染有关。 目前，这种情况正在向发展中国家转移。 保守估计，未来30年死于石棉的污染者达到100万人，其中多是制造地板、天花板、屋顶材料、粘合剂和自动刹车的工人。进行大规模地板定向爆破、拆除等作业时，现场附近的人员不采取防护措施，很有可能造成伤害。 “夕阳”的材料：石棉、专家估计，全世界每年约有20万人死于石棉相关癌症，其中约25%死于肺癌，10%死于恶性间皮瘤。 欧盟的15个国家中，被禁止使用石棉的有12个国家，沙特阿拉伯也列为被禁止使用石棉的国家，阿根廷、智利等国家也在模仿。 现在美国也停止了石棉的生

10、产，石棉的使用依赖进口。 “夕阳”材料：石棉、钢铁工业在发达国家已进入衰退阶段。 因为有很多新材料代替钢铁，钢铁生产污染了环境，他们把很多企业放在第三世界国家。 钢铁在我国还处于成熟阶段，钢铁需求量很大，不仅每年产量增加，而且还需要每年进口2000万吨。 中国的钢产量达到12000万15000万吨，估计可以满足国内市场的需求。 夕阳材料工业：钢铁，在“911”事件中成为废墟的纽约世贸大楼数十万吨废钢铁被运到中国和印度，在那里回到炉中再利用。 从这两座100层的双塔废墟中回收的钢材数量相当多，预计将达到40万吨。 材料中的“常绿树”:陶瓷，1.2材料分类，材料组成分类，金属材料(Metal )钢

11、铁材料，有色材料，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(com 按材料用途分类的话，结构材料支撑部件、连接部件、驱动器、紧固件等功能材料磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能量材料、生物医学材料等结构材料和功能材料的区分不是严格的生物医学材料吗？ 根据材料内部原子的排列状况进行分类，结晶性材料非晶质材料液态材料气体材料，材料是有用的部件，设备和物品能制造的物质，从材料尺度的观点来分类，三维材料本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

12、纤维、晶须等(光纤、高强度纤维)零维材料粉体、1.3材料科学、20世纪是材料发展历史上值得一提的时期。 20世纪科技领域的一系列惊人重大发现引起了原子能、航空宇宙、激光、信息、能源等领域的巨大变化，这些巨大变化有力地促进了材料的发展，材料在20世纪中叶发生了“革命”的飞跃。 这个飞跃的标志是“材料科学”的形成。 超音速飞机(镍基超合金)计算机(晶体管，半导体)航天飞机(高温结构陶瓷)，20世纪中叶的一些成果，1947年，在美国新墨西哥州戈西维尔地区，从地球外来的宇宙飞船坠毁了。 科学家们陆续聚集在这里，对这艘宇宙飞船进行了全面研究，地球上产生了半导体、光纤、激光等对现代文明产生了显着影响的新材

13、料。 之后，美国政府把这艘宇宙飞船藏起来了轻松点，哈哈！ 千夜谭，20世纪中叶是苏美两个超级大国在各领域全面竞争的时代。 材料竞争是其中的主要内容之一。 1957年，苏联首先发射了人造地球卫星，开始了世界性的材料科学研究。 之后，美国陆续成立了几个材料研究中心，正式将材料科学作为一门学科来对待。 20世纪80年代出现的新技术革命把新材料、信息技术、生物技术作为新技术革命的重要标志。 美国国防部在1991年提出了20项重要技术，其中五项以材料为主。 同年，美国白宫发表了美国国家重要技术项目6个领域22个重点，资料是6个领域之一。 材料的合成和加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属和合金5

14、项很重要。在1995年至2001年每两年更新的美国国家关键技术报告书中，特殊的功能材料和产品技术占了很大比例。 20世纪80年代出现的新技术革命把新材料、信息技术、生物技术作为新技术革命的重要标志。 在2001年日本文部省发表的第七次技术预测研究报告书中列举了影响未来的100个重要课题，一半以上是依赖于新材料或新材料的发展的课题，其中大部分是功能材料。 欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等，把功能材料技术作为重要的技术之一，重点支持。 中国863项高新技术发展计划中，材料是7个重点之一，重大基础研究攀登计划的30个重大课题中，7个与材料直接相关。 材料涉及的领域极其广泛，国家的工业农业建设和国

15、防建设、人民生活水平的提高与材料没有密切关系。 因为材料的科研、新产品的开发、工业的生产和合理应用关系到社会的进步、国家的安全，人们把材料称为现代文明的三大支柱之一。 摘录：师昌绪主编材料大辞典序言，新材料的发展和应用水平决定了直接经济发展的水平。 让我们来看看几个简单的数据。 计算每公斤产品的发货价格，以原材料为1，轿车为5，家电为30，飞机为200，计算机为1000，集成电路芯片为10000。 产品中的技术含量越高，收益就越高。 2000年，世界新材料市场的销售额达到4000亿美元，美国占市场份额的40%，日本占市场份额的20% (预计数据)。 根据1982年的统计，美国每年因材料腐蚀造成

16、的直接经济损失为1260亿美元。 材料的破坏和磨损造成的损失分别为1190亿美元和1000亿美元。 战后日本经济的迅速崛起，与政府重视材料有关。 材料科学和综合国力，二战结束时，钢铁仍然是世界经济的支柱。 意识到需要高品质和低成本的钢铁，日本开始大力发展钢铁工业。 这项技术政策推动了日本汽车工业和其他主要钢材的产品，大大发展了日本经济。 1970年以后，日本认识到现在的世界到了硅时代，在保持钢的生产优势的同时，日本以硅材料为目标，大力发展半导体工业，家用电器的生产在世界市场上占了绝对优势。 英国无视硅时代的到来，没有相应的技术政策和战略视角，结果英国有2000名研究硅材料的科学家流入美国硅谷。

17、 1988年仅信息技术产品，英国对日本的贸易赤字达2亿2千万英镑，不含硅晶片控制的自动聚焦相机等产品。 英国人很伤心，英国没有硅工业，英国从一流经济大国变成了第二流经济发达国家，日本从第二流经济发达国家变成了第一流经济大国，英国的态度好像还停留在石器时代，没有进入青铜器时代。 新材料在高科技中的应用，有几个实例，1982年在日本首次开发出了陶瓷发动机轿车。 它的出现实现了减轻发动机重量、提高燃烧度、节约燃料的愿望。 到1988年，以苏联液态氢为燃料的中型运输机首次试验飞行成功。 液态氢的沸点为253C，搬运液态氢需要高效的隔热材料。 液态氢发动机的使用意味着低温极限技术已经实用化。 1989年日本潜水调查船下潜到6500米的深海，打破了美国