材料化学-01-2

1、材材 料料 化化 学学 高卫民材料与机电学院Tel:-mail: 教学方式n讲解+小讲座n听讲解n作业n提问考核方式n？6/15/2022 7:52 PM5Chapter 1 Introduction6/15/2022 7:52 PM6Catalog1.11.1 材料的科普材料的科普1.21.2 材料的分类材料的分类1.31.3 材料化学的特点材料化学的特点1.41.4 材料化学的在各个领域的应用材料化学的在各个领域的应用1.51.5 材料化学的主要内容材料化学的主要内容1.1.1 什么是材料？什么是材料？ 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：

2、材料大辞典p.58 材料是一种物质，具有一定的性能和功能，从而为人们所用.与化学试剂不同，可重复持续使用，除正常损耗，不会不可逆的转变成其他物质。曾兆华主编：材料化学p.16/15/2022 7:52 PM8Distinguish between Chemicals and Materials the utility lies primarily in their consumption.Chemicalscan be used repeatedly or continuously for an application that does not irreversibly convert th

3、em to something else.Materials(2) Chemicals & materials6/15/2022 7:52 PM9Materials：Substances having properties which make them useful in machinery, structures, devices and products.1.1 Concepts & terms (1) Materials connected with function and, through that function, utilities. 材料是“具有一定性能的物

4、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：人类的需求材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质材 料 = 物 质 Materials = Matter水是材料？冰是材料？几乎所有的物质都可以称为是材料并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注那么下一个问题就是什么样的材料值得我们关注？材料的实用价值材料的实用价值v 资 源v 能 源v 环 保v 经 济v 质 量考虑到上述各种因素之后，有人提出材料应该定义为人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质 1.1.2 材料的分类材料的分类按材料的组成分类按材料的组成分类n金属材料n钢铁材料、非铁材料、合金

5、n有机高分子材料n天然的、合成的n无机非金属材料n陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷n复合材料按材料的用途分类按材料的用途分类n 结构材料n 支撑件、连接件、传动件、紧固件等n 功能材料n 磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料、生物医学材料等n 结构材料与功能材料的划分并不严格n 生物医学材料？按材料内部原子排列情况分类按材料内部原子排列情况分类n 晶态材料n 非晶态材料n 液态材料n 气态材料材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质从材料尺度角度分类从材料尺度角度分类n 三维材料n 块体材料n二维材料n 薄膜、涂层等 (金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体

6、薄膜、耐磨涂层)n 一维材料n 纤维、晶须等 (光导纤维、高强纤维)n 零维材料n 粉 体按材料的组成分类按材料的组成分类n金属材料n钢铁材料、非铁材料、合金n有机高分子材料n天然的、合成的n无机非金属材料n陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷n复合材料金属材料（金属材料（Metallic Materials）n金属材料通常由一种或多种金属元素组成，其特征是金属材料通常由一种或多种金属元素组成，其特征是存在大量的离域电子，也就是说，这些电子并不键合存在大量的离域电子，也就是说，这些电子并不键合在特定原子上。在特定原子上。 n通常具有良好的导电导热性、抛光表面的反光性、金通常具有良好的导电

7、导热性、抛光表面的反光性、金属光泽、延展性、塑性等。属光泽、延展性、塑性等。n钢材：在建筑、桥梁、设备等广泛用作结构材料。钢材：在建筑、桥梁、设备等广泛用作结构材料。n铜材：常常作为导电材料使用。铜材：常常作为导电材料使用。n新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢合金等。合金等。 *21Examples无机非金属材料（无机非金属材料（Inorganic Materials）n无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。n单质材料：单晶硅、金刚石、石墨等。单质材料：单晶硅、金刚石、石墨等。n以陶瓷为主。可用作结构材

8、料、光学材料、电子材料以陶瓷为主。可用作结构材料、光学材料、电子材料等。等。n半导体材料：单晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓等。半导体材料：单晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓等。用于制造集成电路、固态激光器、发光二极管、晶体用于制造集成电路、固态激光器、发光二极管、晶体管等。管等。*23(5) Architecture materials高分子材料（高分子材料（Polymers）n高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。足够高的有机化合物。n天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮

9、毛等。等。n合成高分子材料：塑料、合成橡胶和合成纤维。合成高分子材料：塑料、合成橡胶和合成纤维。n功能高分子材料：工程塑料、导电高分子、高分子半功能高分子材料：工程塑料、导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、磁性高分子、光功能高分子、导体、光导电高分子、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、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。分子催化剂及高分子试剂等。*25(3) Shoes复合材料（复合材料（Composites）n复合材料：由两

10、种或多种不同材料组合而成的材料。复合材料：由两种或多种不同材料组合而成的材料。n既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所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。无法获得的或更优异的特性。n金属材料、无机非金属材料和高分子材料相互之间或金属材料、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。同种材料之间均可复合形成复合材料。n自然界的复合材料：例如树木和竹子为纤维素和木质自然界的复合材料：例如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。原复合而成。n古

11、老的复合材料：稻草增强粘土以及漆器（麻纤维和古老的复合材料：稻草增强粘土以及漆器（麻纤维和土漆复合而成）。土漆复合而成）。n传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。*27(6) Spaceflight materials首架复合首架复合材料飞机材料飞机*28航空材料的主要要求是航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。耐腐蚀、长寿命和低成本。 多功能化、复合化、精细化、智能化多功能化、复合化、精细化、智能化 *29Examples波音公司开发之机体与复合材料波音公司开发之机体与复合材料 J6/15/2022 7:

12、52 PM301.2 Development of materials1.1.3 材料的发展材料的发展材料的发现、发展和应用是材料的发现、发展和应用是人类文明的标志。人类文明的标志。 材料的品种、质量和产量，材料的品种、质量和产量，是直接衡量一个国家的科技是直接衡量一个国家的科技和经济发展水平的重要标志和经济发展水平的重要标志之一。之一。 6/15/2022 7:52 PM31 陶器制作：粘土及其它添加物，陶器制作：粘土及其它添加物，加热烧结成较硬实体；人类社会结构加热烧结成较硬实体；人类社会结构生活形态的改变。生活形态的改变。 青铜器：金属产物的工具青铜器：金属产物的工具武器武器农具农具礼器

13、礼器祭器等取代泥制陶器；祭器等取代泥制陶器； 金属使用：常温的刚强度，红热时金属使用：常温的刚强度，红热时可锻炼成形性，熔融后的铸造性。可锻炼成形性，熔融后的铸造性。早期：三个时代早期：三个时代 当我们的祖先很随意地从地下捡起一块石头砸向前方奔跑的猎物时，他们怎么也不可能想到他们这一看上去很简单的举动却开创了一个历史。历史学家把这段历史称为旧石器时代，并且把这个时代作为了人类文明发展的起点。 材料的历史应该从旧石器时代开始？ 十几万年后的今天，随着“材料科学”作为一门崭新的学科出现，我们祖先使用过的那些石头就开始被材料科学家们一次次地回忆一次次地顶礼膜拜。那些石头可能大多数早已风化了，但是几乎

14、每一本与材料有关的教科书都会或多或少地提到那些石头，因为它们在不经意之间已经成为了材料科学发展历史起点的标志，成为了材料科学和人类文明的发展同时揭开帷幕的见证。正是在那些天然的石头之后，我们的祖先开始了对新材料的探索，从而一步步地推动着人类文明的进步。 历史学家选择了把某一类材料的特征及其广泛应用作为人类文明史各个阶段的一种标志*35(1) Stone Age(1) Stone age*36PotteryPottery新石器时期新石器时期半山式菱形点纹壶半山式菱形点纹壶新石器时期新石器时期马家窑式水纹彩陶钵马家窑式水纹彩陶钵*37ChinaChina康熙康熙 黄釉盖罐黄釉盖罐 乾隆乾隆 茶叶末

15、六连瓶茶叶末六连瓶 *38唐唐 三彩鸳鸯壶三彩鸳鸯壶 一种低温铅釉的陶器，采一种低温铅釉的陶器，采用黄、绿、褐等色釉在器用黄、绿、褐等色釉在器皿构成花朵、斑点或不规皿构成花朵、斑点或不规则的几何纹等，色彩斑斓则的几何纹等，色彩斑斓的色釉装饰。的色釉装饰。虽称为三彩，实际上并不限于三种色彩，往往虽称为三彩，实际上并不限于三种色彩，往往采用二次烧成法，第一次素烧，温度约在摄氏采用二次烧成法，第一次素烧，温度约在摄氏一千度左右，烧成坯胎；第二次在素胎上施釉，一千度左右，烧成坯胎；第二次在素胎上施釉，另行釉烧而温度八百度。另行釉烧而温度八百度。*39明明 掐丝珐琅掐丝珐琅 葫芦式扁瓶葫芦式扁瓶 橘皮釉

16、橘皮釉 *40Glass现代的水晶玻璃现代的水晶玻璃Warring StatesGlass Eye BeadsGlass*41MaterialsWood Stone BonePotterythe Paleolithic Period the Neolithic Age Table 1-1 Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age*42(2) Bronze Age(2) Bronz

17、e age*43含锡量含锡量1/6 韧性好韧性好 制造钟鼎制造钟鼎含锡量含锡量2/5 硬度高硬度高 制造刀制造刀斧斧Cu Sn Pb Zn第一个合金材料：铜锡合金（青铜）第一个合金材料：铜锡合金（青铜） 结构与性能的关系结构与性能的关系Alloy*44中国古铜镜中国古铜镜Copper mirrors*45Copper musical instrument战国青铜编钟战国青铜编钟 *46Iron AgeIron Age*47Equations 炼铁过程的化学炼铁过程的化学9COC2Fe11CO3Fe332 3CO2Fe3COFe32 CO4FeFeOCFe3 *48铸铁铸铁锻铁锻铁钢铁钢铁依含碳

18、量依含碳量和杂质多少和杂质多少铁和碳的合金铁和碳的合金Alloys of iron & carbon*49第八世纪的第八世纪的 Carolingian剑剑东方曲剑东方曲剑 Persian 土耳其的土耳其的 Damascus 剑剑日本剑的锋口部份日本剑的锋口部份Swords*50早期：纯粹凭经验工艺。早期：纯粹凭经验工艺。近现代：近现代：基本化学原理基本化学原理物质微结构物质微结构性能优良而价值更高的材料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*51化学的发展往往导致材料技术的实质性进化学的发展往往导致材料技术的实质性进步。在新材料的研发和材料工艺的发展中，步。在新材

19、料的研发和材料工艺的发展中，化学一直担当着关键的角色。化学一直担当着关键的角色。合成高分子（二十世纪初）合成高分子（二十世纪初）纳米材料（二十世纪纳米材料（二十世纪8080年代）年代）v钢时代？v硅时代？v塑料时代？v合成材料时代？v半导体时代？v精密陶瓷时代？v复合材料时代？v纳米时代 ？那么我们现在所处的这个时代应该称为什么时代呢？ 新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。事实上，每种材料都有其生命曲线出现发展成熟衰退衰退主要是由于社会地发展和科学技术的进步导致的。石 棉钢 铁 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

20、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。 一个例子 高比强铝合金給 20 世纪的“新”材料带来了第一个突破比强：比强度，也就是材料的强度与密度之比。具有高强度、低密度的材料无疑具有应用优势。钢的比强度为：0.64 106 cm铝合金的比强度为：2.64 106 cm 后者是前者的 4 倍，这对于结构材料来说是几千年来的一个飞跃。铝的发展历史铝的发展历史n铝是一种轻金属，密度 2.7 g/cm3, 是铁的大约 1/3。纯铝的拉伸强度只有 48 MPa，只有钢的1/10

21、左右。因此在早期并未得到重视。nAl 在地壳中含量丰富，占 1/12，但主要以 Al2O3的状态存在。18 世纪发现了 Al 元素的存在，1825 年丹麦物理学家 Hans Oersted 第一次成功地提炼出金属铝，但是提炼方法比较复杂，产量很低，使得其价格极为昂贵。n拿破仑三世看到了铝的军事应用价值，亲自推动了铝的研制。丹麦 Frederic 七世用铝和金合制成了皇帝的头盔。可见当时铝的贵重。n1884 年美国建造华盛顿纪念塔，塔的顶尖采用了铝合金制的锥体加上 8 根白金做的避雷针，重量不足 4.5 kg。这个尖顶做成之后，先在纽约第五大道最有名的珠宝店 Tiffanys 作展览，供国人欣赏

22、，可见其珍贵。华盛顿纪念塔n1886 年，一个 22 岁的年轻人发明了熔盐电解法制取金属铝，把铝的大规模生产变成了现实。这个年轻人组成了一个大公司，这就是今天美国美铝公司 (Alcoa) 的前身。n 在 上可以找到很多关于铝以及铝合金的信息n铝在当时很难找到大的用途。据说用来烧水的铝壶为它的应用打开了市场。n铝的应用市场的打开是从 20 世纪 30 年代开始的。为了提高铝的比强度，当时关于铝的研究有两个热门话题：n 合金强化n 时效硬化所谓合金强化，是在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成所谓的铝合金以提高 Al 的强度。所谓时效硬化，则是把合金强化处理后形成的铝合

23、金加热到一定温度以上进行“熔解处理”，使合金处于均匀的单相状态，然后快速淬火，保持其单相组织。此后再在稍高于室温的温度下加热，使合金中慢慢析出第二相，第二相的析出可以提高合金的强度。铝合金的出现，大大拓宽了铝的用途。n 航天飞机、大型客机n 铝门窗n 铝活动建筑n 铝细粉是一种火箭固体燃料n 铝 箔n 铝电缆n 易拉罐n 2000年，光美国就生产了1000亿个铝易拉罐。轻、薄、耐腐蚀。易拉罐上的易拉扣，的确是一项高技术，代表了铝材和铝加工的现代成就。美国纽约的世界贸易大厦是一个大量使用铝合金贴面的雄伟建筑。可惜已经灰飞烟灭了。日本二战时的零式飞机在“911”事件中变成废墟的纽约世贸大厦的数十万

24、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 多层的双子大厦废墟中回收的钢材数量相当可观，估计多达 40 万吨。1.1.4 材料科学的意义材料科学的意义 20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得大书特书的时期。20 世纪科学技术领域一系列惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有力地促进了材料的发展，使得材料在 20 世纪中叶发生了一次“革命性”的飞跃，这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。 三大支柱性高新技术三大支柱性高新技术v 超音速飞机 (镍基超级合金)v 计 算 机 (晶体管、半导体)v 航天飞机 (高温结构陶瓷)

25、20 世纪中叶的几项成果世纪中叶的几项成果 1947 年，在美国新墨西哥州哥西维尔地方，有一艘外星来的宇宙飞船坠毁了。科学家们纷纷云集此地，对这艘飞船进行了全方位的研究，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的新材料。后来美国政府将这艘飞船隐匿起来了。轻松一下？轻松一下？哈哈哈哈！天方夜谭 1999 年 1 月 9 日路透社报道：美国硅谷有一亿万富翁叫做弗尔米吉，放弃了自己公司的总裁职位，去研究不明飞行物。 (结果不祥)天方夜谭？四川在线消息：“天啊，快跑啊，天上有东西掉下来了！”。2004.9.9清晨，两个不明金属飞行物的残骸几乎同时坠落在奉节县境内。20 世

26、纪中叶是苏美两个超级大国在各个领域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其中的主要内容之一。v1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了全球性的材料科学研究。v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。v50年代末美国政府就制定了全国材料发展规划，70 80 年代又进行了多次的补充和修正，把重点放在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。v日本在 1980 年开展了为期 10 年耗资 4 亿美元的新材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。v接着欧洲与前苏联也制订了类似的规划，竞争的项目也集中在这些领域。新材料在高技术中的应用

27、新材料在高技术中的应用n几个实例几个实例v1982 年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车。它的出现使发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。v1988年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功。液氢的沸点为 253C，携储液氢需要高效率的绝热材料。液氢发动机的使用，则意味着低温极限技术已达到实用化程度。v1989 年日本一艘潜水调查船下潜到6500 米的深海区，打破了美国、前苏联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱使用的是一种高强度钛合金，观察窗使用的是一种新型的有机玻璃。2012，蛟龙号7000米。v美国在海湾战争中使用的隐身战斗机世人皆知。其所以能隐身，就是使用了一种吸波材料

28、和吸波涂层。 隐形飞机的所谓隐形是指不易被敌方雷达或红外线、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。例如，改变飞机的一般外形结构，使雷达波发生折射，以减少散射面积；涂抹吸波材料和非金属结构材料，减少雷达波的反射量；改善发动机喷射口，降低红外线辐射等，都可以产生某种隐身效果。 n 隐形武器由于其科技含量高，对材料要求苛刻，研制费用异常高。n 美国的 F-117A 隐形飞机单价 为 1.1 亿美元，B-2

29、隐形轰炸机单价更高达 5.3 亿美元，比与机体等重量的黄金价值还要高，F35隐形飞机1.35亿美元，F22隐形飞机2亿美元。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，就已完全接收不到它发出的信号。 扬子晚报2001年6月12日报道：西门子公司近日发布消息说，该公司所属的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的技术。这家设在英国的研究机构 RMR 研究人员发现，由普通移动电话发射站、全球定位系统以及由计算机连接的若干信号接收器组成的系统，可以用来捕捉隐形飞机

30、。 RMR的科学家说，如果隐形飞机飞越某一已部署该系统的地区，移动电话发射站的信号接触飞机后会向四处反射，而接收器接收的反射信号经电脑处理后就能判断出飞机的准确位置。科学家认为，他们开发的技术将使“隐形飞机毫无用处”。材料科学家的喜讯材料科学家的喜讯? ? 战后日本经济的迅速崛起，与其政府对材料的高度重视有关。材料科学与综合国力材料科学与综合国力700170027552082969025000200040006000800010000年产量 (万吨)年产量 (万吨)1952年1962年1972年日本英国n 二战结束的时候，钢铁仍然是整个世界经济的支柱。意识到必须具有高质量和低成本的钢铁，日本开

31、始大力发展钢铁工业 这一技术政策推动了日本的汽车工业和其他一些主要用钢材的产品，使得日本经济得到了很大的发展。n 1970 年以后，日本认识到当今世界已经处于硅时代，因此在保持钢的生产优势的同时，日本瞄准了硅材料，开始大力发展半导体工业，使得家用电器的生产在世界市场中占据了绝对优势。n 英国此时却忽略了硅时代的到来，由于没有相应的技术政策和战略眼光，其结果是英国有2000 名研究硅材料的科学家流入美国硅谷。n 1988 年仅在信息技术产品这一项上，英国对日本的贸易赤字就高达 2.2 亿英镑，这还不包括由硅片控制的自动聚焦的照相机之类的产品。 英国人悲哀地说：英国没有硅工业了，英国从第一流的经济

32、大国变为了第二流的经济发达国家，而日本却从第二流的经济发达国家变成了第一流的经济大国，英国的态度恰似一个仍然停留在石器时代的国家，而没有进展到青铜器时代。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发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。不妨看几个简单的数据 v以每公斤产品的出厂价格计算，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10

33、000。产品中的技术含量越高，收益就越高。 v 2000 年，世界新材料市场销售额达到 4000 亿美元，美国占市场份额 40%，日本占市场份额 20% (预计数据)。v据 1982 年统计，美国每年因材料腐蚀造成的直接经济损失为 1260 亿美元。材料断裂和磨损造成的损失分别为 1190 亿和 1000 亿美元。 在 3 到 13 世纪，中国保持着一个让西方人望尘莫及的科学知识水平。英国科学家 李约瑟v CHINAv 越王勾践的宝剑v 青铜编钟v 1.1.5 1.1.5 我国的材料研究我国的材料研究这套编钟是在洛庄汉墓主墓室北面的14号陪葬坑内出土的。编钟出土时排列整齐，可看出当时是挂在架子

34、上埋进去的。难能可贵的是，这套编钟在地下保存得非常完好，出土之后，轻轻擦拭便锃亮如新n2004材料行业骨干企业约7万家，工业总产值达4万亿元，产品销售收入3.9亿万元，占GDP总量14.6%。钢铁、水泥及十余种有色金属产量世界第一。n能耗占63%，为发达国家的4倍，排放超过10倍。我国的材料工业我国的材料工业n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。n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的成绩，但与发

35、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。n不少研究起步不晚成果不错，但形不成商品及产业。“成果一大片，材料看不见”。国家在新材料研究开发上的总投资估计超过 50 亿元，但形成的新材料生产的产值不大，大大影响了我国工业特别是高技术产业的发展。 我国的新材料研究我国的新材料研究 你们是早晨八、九点钟的太阳，希望寄托在你们身上。endendn今天早上路过一服装店，门口大幅标语写着：大喊钓鱼岛是中国的，打九折，大喊日本是中国的，打八折。n我看老板娘很漂亮，就顺便问了一句：如果大喊老板娘是我的，打几折？n老板娘

36、说：打骨折。 reviewn什么是材料？ 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”n文明的发展以材料发展划分n材料的分类 金属、无机非金属、高分子、复合1.2 材料化学及特点材料化学及特点6/15/2022 7:52 PM93(3) Materials Science & ChemistryMaterials Science and Chemistry Atomic-molecular level interactionMaterials Chemistry: Chemistry related to structure, properties, prep

37、aration and applications of materials. Macroscopic perspective材料化学材料化学v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v材料制备工艺过程中的化学问题v材料的化学性质以及其他各类性质中的化学因素v环境对材料的影响 (例如腐蚀)材料化学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。化学与材料亲密接触的历史化学与材料亲密接触的历史v人类第一个化学上的发现是火，这是公元前 50 万年左右的事情。而人类第一次真正有意识地创造发明的自然界并不存在

38、的“新材料” 陶器就是在火的帮助下制造出来的。v在烧制陶器的过程中人类又还原出了金属铜和锡，发明了炼铜技术，从而把历史推进了青铜器时代。我国的四大发明中至少有两项是化学我国的四大发明中至少有两项是化学和材料的结合体和材料的结合体v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；v一硝二磺三木炭的组合则生成了火药。 2KNO3 + 3C + S = N2+ 3CO2+ K2S + 169千卡 火药的最主要成分是硝石。秦汉之际是炼丹术开始盛行之时，方士们为了炼制仙丹妙药，把各类药物彼此配合烧炼。五金、八石（各种矿物药）、三黄（硫磺、雄黄、雌黄）、汞和硝石都是炼丹的常用药物。其中汞与三黄合炼而得

39、丹砂是炼丹家们的得意之作。但若用硝石与三黄共炼必将燃烧爆炸，因此导致火药的发明。就在火药发明之后，也曾被引入药类，本草纲目中，说火药能治疮癣、杀虫、辟湿气、瘟疫。更重要的原因是火药的发明来自制丹配药的实践中。v18 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。v20 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。v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，并且逐渐地在理解材料的结构和性能方面发挥着越来越重要的作用。v现代的材料科学就是一种“炼

40、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。v化学家们经过几百年的努力，开发出了许多存在于自然界的天然化合物，同时也制备出了大量自然界所不存在的合成化合物，两者的总和超过了2000 万种，其中的一部分已经成为了各种各样的材料，构成了现代文明社会的物质基础。v目前全世界的化学家们平均每天研究出 7000 多种新化合物，为材料的选择提供了丰富的来源。 我们确确实实走进了这么一个时代：在这个时代，材料仍然是社会进步的物质基础与先导，只是在这个时代，新材料层出不穷，各类材料在各个应用领域里各显神通，使

41、得我们已经无法判断哪一类材料应该是这个时代最恰当的象征。 在这个时代，材料成为了一个新的独立的科学门类。尽管这个新学科与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，但是却具有其独特的鲜明的个性。也正是因为与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，这个新学科在不同的场合就被划分成了材料物理、材料化学、材料力学、材料工程学等诸多分支。*101材料化学的特点材料化学的特点Characteristics of Materials Chemistry1.4.1 Classification of materials跨学科性：跨学科性：既是化学学科的一个次级学科，又是材料科

42、学的一个分支。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致材料化学与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密相连。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。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，可以使材料具备各种特殊性通过分子设计和特定的工艺，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

43、，这些材质或功能，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。料在现代技术中起着关键作用。*1021.4.1 Classification of materials实践性：实践性：材料化学是理论与实践相结合的产物，这是它与固体化学材料化学是理论与实践相结合的产物，这是它与固体化学的主要区别所在。的主要区别所在。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。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。才能实现。

44、材料变为器件或产品要解决一系列工程技术问题，这都需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。过大量实践使理论得到进一步发展。*1031.3 材料化学的在各个领域的应用材料化学的在各个领域的应用1.4.1 Classification of materials生物医药领域生物医药领域 生物相容性材料：例如设计特殊的金属合金和聚生物相容性材料：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合物涂层，以保护人体组织不与人工骨头置换体或其

45、他植入物相排斥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人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等验等; ; 药物、蛋白质及基因的控制释放。药物、蛋白质及基因的控制释放。*1041.4.1 Classification of materials电子信息领域电子信息领域 芯片制造芯片制造：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等离子体：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等离子体刻蚀刻蚀; ; 信息存储材料信息存储材料; ; 光电子材料光电子材料; ; 光子晶体。光子晶体。*1051.4.1 Classification of materials环境和能源领域环境和能源领域 清洁能源

46、清洁能源：光伏电池、太阳能电池、燃料电池光伏电池、太阳能电池、燃料电池等；等； 可回收和可生物降解材料；可回收和可生物降解材料； 环境友好材料环境友好材料*1061.4.1 Classification of materials结构材料领域结构材料领域 汽车和飞机汽车和飞机：比以前更安全、轻便和省油比以前更安全、轻便和省油； 特种涂料：具有防腐、保护、美化或其它用途，可在特种涂料：具有防腐、保护、美化或其它用途，可在结构材料上使用；结构材料上使用； 智能化的结构材料：由各种具有不同功能或性能的材智能化的结构材料：由各种具有不同功能或性能的材料组合而成料组合而成新的航天飞机外壳新的航天飞机外壳用

47、用Ni-Cr-FeNi-Cr-Fe合金制合金制造，外层的隔热板造，外层的隔热板由一层由一层TiAlTiAl合金与合金与一层绝热材料组成。一层绝热材料组成。 *1071.4 材料化学的主要内容材料化学的主要内容1.4.1 Classification of materials 结构结构材料的结构是指组成原子、分子在不同层次上彼此结材料的结构是指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构，相结构、晶粒结构、表面与晶分子结构、晶体结构，相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以

48、下、纳界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次。所有这些层次米、微米、毫米及更宏观的结构层次。所有这些层次都影响产品的最终行为。都影响产品的最终行为。单个原子结构原子的空间排列相态结构材料化学是关于材料的材料化学是关于材料的结构结构、性能性能、制备制备和和应用应用的化学的化学 “structure” vs “internal component”structuresubatomicatomicmicroscopicmacroscopicelectrons within the individual atoms and interactions with t

49、heir nucleiorganization of atoms or moleculeslarge group of atoms agglomerated togetherstructure viewed with naked eyeStructure usually related to the arrangement of internal componentabcd*110 性能性能性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述。表述。力学性能：材料的强度、延性和刚度。物理性能：电、磁、光、热等。important properties

50、 of solid materialsproperties: response to external stimuli, and independent of shape and sizepropertyexternal stimulusexamplemechanicalload or forceelastic modulus, strengthelectricalelectric fieldelectrical conductivity, dielectric constantthermalthermal gradients/stress, etc thermal conductivity, heat capacitymagneticmagnetic fieldmagnetic conductiv