材料化学第一章

1、材料化学导论赵隽2013.9 材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱，材料科学与化学科学亦日益融合形成了新的化学分支科学材料化学。开设材料化学导论课程，旨在从结构和性能的关联角度介绍无机材料的基本概念，深化固体化学知识。 课程以课堂讲授为主，辅以习题解答，同时也可通过查阅文献完成小论文，借以了解材料化学领域某一方向的最新动态。该课程平时成绩以课堂听讲和完成作业情况为主，占2030，课程结束考试采用笔试方式，占8070。1材料的定义、分类和作用1.1材料的定义国内外3部大型辞书对材料的定义： Longman Dictionary： anything from which something

2、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造面粉的原料，单采掘工出来的矿物是冶金的原料，种植出来

3、的小麦是制造面粉的原料，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经过二次加工的原料称为材料。第1章 材料化学绪论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

4、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。 怎样定义材料？借助两个英语词组来说明材料的含义： 在英语中，有2个短语来表示制造、制成，但其有明显的区分：

5、“ made of ” 指构成或制成物品后，其物质的原质没有发生变化； “ made from ” 指构成或制成物品后，其物质的原质已经发生变化，即失去了原质。 可以如此来定义材料： 经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对象称为材料。 例子：钢铁1.2材料的分类按照材料的化学属性可以分为4类：无机非金属材料有机高分子材料黑金属有色金属金属材料单晶形态多晶形态。烧结成型，制陶工艺。新型陶瓷材料（New Ceramics）或精细陶瓷（Fine Ceramics）。以脂肪族或芳香族的C-C共价键为基础结构的大分子组成。一般又分为塑料、橡胶和纤维。复合材料金属、无机非金属和有机高

6、分子材料有机结合 “杂化材料” ：从80年代开始，日本理部化学研究所山田瑛、雀部博之等人，应用化学中“杂化”（hydrid）概念而提出。指两种以上不同种类的有机、无机、金属材料在原子、分子水平上杂化，从而产生具有新型原子、分子集合结构的物质。这种材料具有许多新性能和用途: 0维：超微粒子无机材料 高分子络合物 一维：超取向化 各向异性高分子材料 杂化 高分子构成 二维：超薄膜化金属材料 高分子复体 三维：叠层化 多维、多孔化构造机制：离子界面消失，完全结晶化构造机制：离子界面消失，完全结晶化 按材料的性能分类 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

7、类： 结构材料（结构材料（Structural material）：）：以力学性能，如受力形变、脆性断以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能裂和强度等作为应用性能，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（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：具有具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及相优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、

8、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目的的高技术材料互转化的性能，被用于非结构目的的高技术材料。材料的功能及其示例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。举例：弹性材料应用力学性能用于非结构目的属于功能材料；结构陶瓷应用力学性能用于结构目的 属于结构材料；普通玻璃应用光学性能用于结构目的 属于结构材料；耐 火 砖应用热学性能用于结构目的 属于结构材料。混合分类混合分类 在一个体系中同时使用性能和化学属性进行分在一个体系中同时

9、使用性能和化学属性进行分类类 有机电池分离膜 电极材料场调制元件 多孔化（多D） 光集成电路存贮元件 叠层化（3D） 超薄膜化（2D） 开关元件新分子构成太阳能电池 光导性液晶 超取向化各向异性 （1D） 光电元件有机导电材料 热敏材料霍尔元件 超 微粒化（0D） 高分子催化剂磁体 全息照相存贮器 非线性光学元件 光学元件高分子 络合物高分子 复合体 杂 化 无机材料 高分子材料 金属材料图图. 杂化材料的形成与特性杂化材料的形成与特性金属材料非金属材料高分子材料复合材料金属结构材料金属功能材料新型陶瓷材料特种玻璃超耐热合金非晶合金轻质合金等导电材料形状记忆 合金贮氢合金超导合金电气陶瓷工程陶

10、瓷超硬陶瓷敏感元件陶瓷快离子导体纳米陶瓷优异机械性能特种玻璃导电性能玻璃光学性能玻璃耐辐射性能玻璃集成电路材料磁记录材料人工单晶材料塑料、橡胶、纤维涂料、粘合剂工程高分子功能高分子材料液晶材料纤维争强材料聚合物基复合材料金属基复合材料无机基复合材料表表1.1 混合分类法新材料系混合分类法新材料系1.3.材料在社会经济发展中的作用 材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。因此，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类社会进步的里程碑。纵观人们利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引

11、起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。复合材料铁器材料铜器材料石器材料 材料的使用程度是人类社会发展的里程碑 从人类社会发展来看，使用材料经历了三大里程碑： 石器时代：以石头制造工具。可以划分为旧石器时代（公元前23百万年至约1万年），从原始部落到母系社会；中石器时代（公元前约1万年至78千年）；新石器时代（公元前78千年至6千年）。这期间，我们的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了矿石，发明了火，制造了第1种人造材料陶，并在烧陶过程中发展了冶铜术，开创了冶金技术。 铜器时代：人类大量制造和使用第2种人造材料“红铜”和“

12、青铜”。 “红铜”时代约在公元前45前年，即原始社会到奴隶社会初期；“青铜”时代约在我国商周时代和私有制建立的前夜。 铁器时代：人类制造和使用第3种人造材料铸铁，嗣后是钢铁工业的迅猛发展,成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。人类社会发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为发明之母和产业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。在当前新技术革命涉及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个材料革命的新时代。 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，

13、主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器； 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地是用于生产和生活中。从1907年第一个小型酚醛树脂厂建立，到1927年第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工业迅猛发展起来，这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工业化

14、（1970-1980年）、分子设计、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等几个发展进程； 第四代为可设计的材料 该技术发展并不满足于现有的材料，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。例如形状记忆合金就属于这一类。 材料与新技术革命 新材料的每次使用都引起人类社会的巨大变革和生产力革命。18世纪以来世界范围内的生产力变革和技术革命都以新材料使用为龙头： 第一次技术革命产业革命 始于18世纪的英国产业革命，使得以手工技术为基础

15、的资本主义工场手工业过渡到采用机器大生产的资本主义工厂制度。这场工业革命的物质基础是钢铁材料，而伴随的新技术则是蒸汽机的发明； 第二次技术革命电气革命 1879年爱迪生发明了电灯，把电力革命的曙光带给了人类，一系列电气材料相继诞生与广泛应用，产生了巨大的生产力变革； 第三次技术革命电子革命 20世纪中叶，新导电、导磁材料和半导体材料的发明和应用，使大规模集成块问世，带来了计算机的广泛应用，以及原子能的利用，大大发展了生产力和科学技术； 第四次技术革命 有人说目前正处在第四次技术革命的前夜。这次技术革命以信息技术、新材料技术、新能源技术和生物工程技术为基础。亦有人把材料、能源和信息科学看作是现代

16、科学技术的三大支柱，而材料科学技术称为三大科学技术支柱之首。美国商业部对美国商业部对2000年年12项新型技术的预测项新型技术的预测项目产值/亿美元所占比例/分类先进材料超导材料15005042.11.4新兴材料先进半导体器件数字图象技术高密度数字存储器高功能计算机光电子750401505004021.11.14.214.01.1新型电子与信息技术人工智能柔性集成加工传感技术50200501.45.61.4新型生产系统生物技术医疗与诊断装置150804.22.3新型生命科学技术合计3560100先进材料包括特种陶瓷，陶瓷基和金属基复合材料，金属间化合物与轻合金，先进塑料，表面改性材料，金刚石薄

17、膜，膜材料及生物材料等。近代 1.1939年，尼龙的的合成及其商业发展，促进了高分子材料的发展，使高分子化学逐渐从有机化学中独立出来。2. 20世纪50年代，是高温合金发展的重要时期，掺镍合金促进了喷气发动机的发展。3. 60年代，半导体材料得到了迅速发展，制作越来越小的硅芯片，推动了计算机产业的发展。4. 80年代，研究的重点是高温超导体，高温超导的革命时代。 按美国计算，若用超导电缆输电，每年可以节约750亿千瓦电能，价值约50亿美元。5. 90年代左右至今，纳米材料的研究和制备得到了迅速发展纳米科学。 材料仍然是21世纪研究的重点领域。各国都把新材料的研究与开发作为重要的研究项目。材料科

18、学的诞生 “材料”词是早已存在的名词，但“材料科学的提出却只有30多年的历史。 20世纪60年代以前，没有单独的材料专业，材料专业分别以冶金、陶瓷和有机化学等专业分设在大学的各个不同系里。 冶金金属材料 陶瓷-无机非金属材料 有机化学-高分子材料 这些材料在发展初期, 各有特点,学科基础也各不相同, 相互之间缺乏联系. 随着科学技术的进步和发展，对材料的了解愈加深入，特别是各种功能材料的研究发展，各种材料之间的联系也就越来越密切。如下列各种半导体材料： Si, Ge属于类金属材料 GaAs属于金属化合物 SiC 属于陶瓷材料 聚乙炔、聚苯乙炔属于高分子材料 这些化合物都能用作半导体必然有共同之

19、处，如他们的表面结构，缺陷及材料中的扩散等 结果就使原来分属不同学科的知识就有可能融为一体，成为一门独立的科学。材料科学建立的导火索： 1957年，苏联第一颗人造卫星上天，对美国影响很大，为了赶上苏联，50年代末，美国制定了“国家材料规划”，大力开展材料研究，60年代开始，不少大学开始成立“材料科学系”或“材料科学与工程系”。 随着材料科学系的建立材料科学逐渐独立出来。到60年，美国人首先提出了材料科学的概念，一门新兴的科学体系也就逐渐在全世界范围内发展起来。材料科学的定义 材料科学是以多学科交叉，主要是研究材料的成分(结构)、合成(工艺流程)、性质(性能)与效能以及它们之间关系的一门科学。

20、成分(结构)、合成(工艺流程)、性质(性能)与效能（使用性能）可以用一个四面体表示注意：材料的性能和效能不仅与材料的成分和结构有关，还取决于材料的显微结构，而材料的显微结构与其合成工艺密切相关。不同烧结温度对C-B4C-SiC碳/陶瓷复合材料电阻率的影响对于样品一：烧结温度越高，气孔率越低，密度越大， C逐步变为石墨结构，电阻率越低 材料显微结构显微结构是指在光学-电子显微镜下分辨出的试样中所含相的种类及各相的数量，颗粒的形状、大小、分布取向，气孔的含量及其分布以及它们相互之间的关系。 一般显微结构包括了亚显微结构，但不含宏观结构和微观结构的内容。 显微结构与宏观结构，超微结构，微观结构之间的

21、区别。宏观结构：肉眼或借助放大镜等只能分辨大于0.1mm，即大于100um的物体，所观测到的结构称为“宏观结构”或“大结构”。显微结构：光学显微镜(包括偏光显微镜和反光显微镜)的最大分辨率可达0.2um左右，观测到的结构称为“显微结构”。超微结构：电子显微镜分辨率可提高到0.01um，即10nm，观测的结构，称为“超微结构”或“亚显微结构”。微观结构：用高分辨率透射电镜则可观察到物质的分子、原子，直接研究晶格点阵，这种结构被称为“微观结构”。2.1材料科学与材料化学 材料，包括结构材料和功能材料，绝大多数属于固体状态，因而材料科学也就是固体科学。它是研究材料的成分、结构、加工成性和性能及其转化

22、之间相互关系的一门科学。材料的推出过程如下： 送至 送至 送至 材料制备 品质鉴定 性能测试 应用 为工艺控制提供数据 为品质鉴定提供数据 提供性能的要求2 材料科学与材料化学 从材料的推出过程可以看到，新材料的研制和商品化涉及到许多科学门类，其中最基础的学科有3个： 固体物理学：研究构成材料的固体的原子、离子及电子运动和相互作用的一般共性规律，提出各种模型和理论，以阐明固体的结构和性能之间的关系； 固体化学：研究固体材料中具体的各类固体物质的合成方法、结构和表征、性质测定和应用及其相互关联； 材料工程学：解决如何将固体物质制成可以使用的结构材料和器件，使之具有指定的形态(如纤维、薄膜、陶瓷体

23、、集成块等)和规定各种结构和性能，如具有特定的热、力、光、电、声、磁、化(学)和生(物)功能。2.2 材料化学的发展 材料科学是以物理学和化学为基础，是不同学科相互交叉和渗透的产物。 但是物理学和化学之间无论是在研究对象、内容和方法等方面都有很大差别。 随着各种学科也在不断交叉和发展，新的学科也应运而生。20世纪80年代初先后有人提出“材料物理”和“材料化学的概念。材料材料科学科学物理学物理学材料材料科学科学化学化学材料物理指把凝聚态物质的基本概念试图运用于复杂和多相介质、包括材料中的问题。 材料物理理论和学科的建立比较成熟和完善，这方面的丛书和专著相对较多。 材料化学则是创立不久，其含义初学

24、科内容至今尚只是初具概念。 目前能见到的是国外与材料化学相接近的著作，由美国人编的固体化学及其应用一书。但书中没有提出材料化学的概念。 从新材料研制过程涉及的3门科学的研究对象可以看出，固体化学或材料化学是新材料诞生的摇篮，是材料科学中的中间链节。化学是自然科学中唯一一门创造新物质的科学。在过去的一个世纪之中，化学家以结构功能关系研究为主线，设计、合成了许多具有各种功能的分子和物质。随着化学的发展，较为完备的合成化学理论和方法、精确的定性和定量分析，尤其是各类结构分析仪器的发展和应用，使得材料化学科学发展到一个新的水平，对新材料的研制和推出起到重要的作用。 2.2材料化学种基本化学问题 在化学家参与新材料研制和推出之前，新材料的研制基本上采用各种尝试法把各种组分依照无理论指导的配比加成，再根据性能要求来取舍。我们知道，每种材料的特定结构决定它的特定功能和用途。它们的原始基础在于构成它们的分子结构，而实际功能则还取决于由分子构成的宏观物质的状态和结构。化学在研究开发新材料中一个作用就是用化学理论和方法研究功能分子以及由功能分子构筑的材料的结构和功能关系，使人们能够设计新型材料。另外合成化学提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计结构的材料。在20世纪后期有两个动向