苏科版《义务教育教科书物理》（2011年版） 特色与教学建议 - 凤凰教育网

1、单击此处编辑母版标题样式Introduction*Materials of Chemistry 材 料 化 学Introduction引论6/24/20221材料及材料化学的定义与内容Conception and Content of Materials 材料的发展和重要性 Significance and Development of Materials材料的分类和要素 System of Materials 材料设计 Materials Design材料的未来 Future of Materials材料的应用 Applications of Materials21 材料及材料化学的定义、概

2、念Conception Content of Materials and Chemistry of Material(1) 材料MaterialsSubstances having properties which make them useful in machinery, structures, devices and products. connected with function and, through that function, utilities.3（2）“化学物质”和“材料”的区别Distinguish between Chemicals and MaterialsChem

3、icals： the utility lies primarily in their consumption.其效用基于其自身耗用量。Materials： can be used repeatedly or continuously for an application that does not irreversibly convert them to something else.重复性及可转化为其它物质的持续应用价值。4（3）Materials Science and ChemistryChemistry related to preparation, processing and an

4、alysis of materials.Atomic-molecular level Macroscopic perspectiveinteraction Chemistry of Materials:5材料的结构层次由宏观(bulk)向介观(meso-)尺寸发展。 人们对于固态物质性质的认识，首先是从宏观现象开始，如物质的熔点、硬度、强度、电导、磁性、化学反应活性等；随着20世纪初量子力学理论的建立，人们又深入了解了原子、分子结构，用原子结构、晶体结构、化学键理论阐明了物性和结构之间的关系。 但20世纪70年代开始的纳米科技，展示了材料的性质并不直接决定于原子和分子，在物质的宏观固体和微观原

5、子分子之间还存在一个介观层次，这些层次对材料的物性起决定性作用。1nm100nmm微观microscopic团簇cluster纳米nanoscopic介观mecroscopic宏观macroscopic6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Anthony R. 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。(

6、4) What is Chemistry of Materials7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。理论基础：结构理论、化学热力学与动力学等基本原理。研究内容：用上述理论研究固体，特别是实际材料的化学反应性；各类材料的成键本质与其结构和性质的密切相关；材料组成元素的电子结构、材料的晶体结构、缺陷结构；从能量和过程的观点研究材料的组织结构；以及从热力学和动力学的观点研究实际材料的化学反应。8采用新技术和工艺方法制备新材料材料制备原理和合成方法的研究是材料化

7、学的核心内容。传统的金属材料的熔炼法、无机材料的陶瓷法、高分子材料的聚合法仍然是材料制备的重要方法；高新技术，如高温、高压、低温、高真空、失重、辐射以及其它极端条件技术也大规模采用；新的合成方法和制备工艺，如溶胶凝胶法、水热法、自蔓延高温合成、CVD法和复合技术不断发展；制备单晶、多晶和非晶材料、制备高分子液晶和纳米材料的特殊方法也不断完备。（总之，在材料科学的发展过程中，制备技术往往是新材料研究和开发的关键步骤。）(5) Content of Materials9材料性能的测试材料性能包括材料的化学性能、物理性能和力学性能。材料性能的测试是判断材料是否具有良好使用性能（效能）和多种用途以及如

8、何延长材料寿命和进行材料保护的依据。材料化学重点研究各类材料化学性能，材料化学性能的测试包括了解各类材料在环境介质中的化学稳定性和变化，如金属的腐蚀与破坏；以及利用化学原理如何防护、解决保护资源和环境、节约材料和发展新技术等问题。10材料组成和微观结构的表征现代材料的表征技术和方法、材料设计与改性的基本原则以及现代材料的实际应用和发展趋势。通过对环境材料和资源化学的初步介绍来研究和探索各类材料与环境协调方面的问题，包括材料的功能性、经济性和环境性的关系，绿色材料的研制与开发，废弃材料和物质的无害化于资源化的方法和途径，以及材料、资源、环境与可持续发展的辩证关系。112 Significance

9、 and Development of Materials材料的发展及意义材料的发明、应用和开发往往是人类社会文明发展进程的里程碑。是划分不同历史时期的重要依据。12天然材料石器时代 旧：粗糙的石器； 中：磨光石器和弓箭。烧炼材料（陶、铜、铁） 新石器时代以火制备陶，从蒙昧到野蛮； 青铜器时代：青铜CuSn合金是人造的第二种材料（进入奴隶社会）； 铁器时代（进入封建社会）。(1)Development13蒸汽时代产业革命 以钢铁材料为基础的机器大生产导致资本主义的诞生；电气时代第二次技术革命 一系列电业材料的生产和应用使自由竞争资本主义过渡到垄断资本主义；当今世界：合成材料（塑料、纤维、橡胶、

10、涂料）； 复合材料（纤维增强型、颗粒弥撒型、剃度功能型）； 智能材料；生物材料14(2) Signification of Material Science材料的重要性国民经济的三大支柱产业：能源信息材料80年代以来，全球崛起了六大技术群体： 信息、新材料、新能源、 生物、空间和海洋。其中21世纪新技术革命的主要标志：信息技术、新材料技术、生物技术。21世纪九大重点领域：先进材料、纳米技术、微电子学（信息存储、微电子材料、超导及高温电子学）、光子学、微系统工程、软件与计算机模拟、分子电子学、细胞生物技术以及信息、生产与管理工程。另外，很多领域中也包含了不少与材料直接相关的课题，如纳米技术中出现

11、的纳米材料，微电子学中的信息存储、微电子材料、超导及高温电子学等。材料是能源和信息工业技术的物质基础。153 System of Materials 材料分类及要素 材料的品种极其繁多，形式各异。迄今已注册的达几十万种，而且每年还以5左右的速度递增。(1)Classification and the Essentials of Materials根据材料的组成和结构特点材料分类Metallic MaterialsInorganic MaterialsPolymersComposites金属材料无机材料高分子材料复合材料16金属材料纯金属、合金（钢铁材料、非钢铁材料）。 特点：优良的力学性能（高

12、强度和高塑性），可加工性和物理性能。如奠定了近代的物质文明的钢铁、铝和铜及其合金）无机非金属材料（简称无机材料）包括金属材料和高分子材料以外的几乎所有材料（陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥、耐火材料、硅酸盐材料、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物。 特点：耐高温、高硬度、抗腐蚀。尤其具有优良的介电、压电、光学、电磁学等功能转换特性，为材料中用量最大的一类材料。有机高分子材料高聚物或聚合物。分为天然（纤维素、蛋白质、天然橡胶、树脂）与合成（聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、环氧树脂等）两类。这类材料多以石油、煤炭等为原料，资源丰富，发展迅速。在某些领域可以取代金属材料及无机材料。特点：密度小（仅为钢铁的1/8 1

13、/7)、比强度大、电绝缘性和耐腐蚀性好、加工容易，固可以部分取代金属和无机材料。 复合材料：由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。特点：即保持原组成材料的主要特色，还通过复合效应获得原组分所不具备的性能。17按使用性能分Structural Materials主要利用材料的力学性能Functional Materials主要利用材料的物理和化学性能按状态分(固、液、气）按用途分（医用、工程、航空）18(2) the Essentials of Materials根据材料科学与工程的特点，从材料实用出发，制成的材料必须通过实用的考验，而实用系统的设计要以材料

14、能达到的性能为依据，材料的性能依赖于材料的结构，而为了制备预定结构的材料，又必须设计出该材料的制备方法。(Chemistry)(Engineering)(Physics)美国的政策性报告90年代的材料科学与工程认为现代材料研究是由四个要素组成。194 Materials DesignPrinciple for Design of Materials材料的设计与研制的基本要求（绿色材料、环境友好材料）除了结构和功能相结合外，还应考虑到：智能无（少）污染可再生长寿命节能20现代材料（先进材料或新型材料）指新近发展起来的和正在发展中的，具有一系列优异性能和特殊功能，且对科学，尤其是高技术的发展及新兴

15、产业的形成具有决定意义的一大类材料的总称。新材料是高技术的一部分，同时又为高技术服务。具有以下特点：1.属于多学科交叉，知识、技术和资金均密集的新产业； （通讯、生命、材料）设计制备和质量性能控制测试需要先进的技术设备；同时，未来的高新技术的实现又依赖于当前新型材料的研制和应用；3.新型材料的生产规模小、品种多、更新换代快、价格昂贵、技术保密、难度很大。（如计算机的芯片技术）5 Future of Materials （Advanced Materials）未来的材料211. 光电子信息材料和超导材料美国高技术杂志对21世纪的高技术作出评价：“超导产生巨大经济效益，光电子技术变革信息社会，人体

16、科学向未来提出挑战”。可见在21世纪，光电子信息材料和超导材料的主要意义。光电子信息材料对满足国防、计算机、通讯、航天工业等方面的要求至关重要。主要是高纯玻璃材料、新型半导体材料、先进薄膜以及各种非线性光学和激光材料。目前日本在该类材料上居于领先地位。20世纪80年代，高温超导材料的研制受到世界各国的重视，中国一度处于领先地位，但由于没有重视技术向应用的转化，现在明显落后于日本和欧美。222. 新型金属材料 尽管非金属新材料发展迅速，但21世界金属材料仍将占有重要地位。如：高比强度的钛合金和镍基高温合金用于现代飞机和发动机的总质量中仍占很大比例；超高强钢、超塑合金、超耐热合金等仍是工业、交通和

17、军工的主要结构材料；永磁合金、超导合金、储氢合金等将更加普遍的应用。 许多金属及合金材料将通过新技术、新工艺来提高合金化程度或改变组织，从而大幅度提高材料的性能。如快速冷却（104105K/s）可使得合金成为非晶态或形成微晶，提高合金化程度，强化合金性能；而定向结晶和单晶生长，合金成分设计和微量元素添加（引入缺陷和量子点）均可赋予合金新的性能。233. 先进无机材料（陶瓷材料）和传统硅酸盐类陶瓷相比：对原料纯度和物理形态要求更严格。合成制备工艺苛刻：化学合成、激光、化学气相沉积、等离子、高分子先驱体转化等技术。特点：每种先进陶瓷都具有特定的精细显微结构和性能。分类：功能陶瓷利用其绝缘行和介电性

18、以及电性和其它性能（机、声、光、热等）之间的耦合和转换功能（导电陶瓷、压电陶瓷、光学陶瓷、生物陶瓷），占先进陶瓷的70%以上。 结构陶瓷高强度、耐磨损、耐腐蚀，用在机械、化工、冶金领域（氮化硅、碳化硅、氧化锆、氧化铝等）。24 这类材料强度可以达到比金属高，而且更耐腐蚀，且生产过程耗能低、易于成型加工，成本低，可根据需要在分子水平上设计。工程塑料、高分子液晶、高分子压电、导电高分子、耐热高分子涂料等） 目前，全世界高分子材料的年产量已达亿吨级，其中塑料的产量仅次于钢铁。高性能塑料、合成橡胶和合成纤维发展更为迅速。25高分子材料：塑料、橡胶、纤维、涂料这四种广泛应用的高分子材料是20世纪人类文明

19、的标志之一；21世纪的高分子材料的研究不仅会提高上述材料的性能，还将注意功能高分子（光、电、磁），医用高分子、智能高分子（性能和功能适应外场变化），通用高分子材料的产生。导电磁性材料塑料纤维涂料橡胶工程材料粘合剂医用材料液晶材料功能膜材料光功能材料高分子材料26（Advanced Composites Materials） 高性能增强体，如碳纤维、芳纶等及高性能耐热高聚物构成的复合材料，现在也包括金属、陶瓷基和碳（石墨）基以及功能复合材料。 特点高比强度和比模量，耐热性和抗疲劳性能好，热膨胀系数小。应用于国防、航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品。将多种不同性能、功能的材料用化学方法结合产生某一特殊性能且优势互补的新型材料。复合材料聚合物基复合材料无机物基复合材料金属基复合材料纤维增强材料2721世纪新材料的展望微电子材料和器件：DNA生物芯片三维空间的分子电路元件，包容密度比目前的硅芯片高100万倍；超导材料：实现室温