材料化学：绪论

1、材 料 化 学Chemistry of Materials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：材料大辞典材料是“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” 。 美国科学院、美国工程院联合编写 材料：人类的需求/xwzx/mtjj/201503/t20150301_4315895.html综上所述，材料的科学定义应包含三大要素（1）物质性：一切存在物都是物质的多种表现。（2）功能性：材料是具有结构、光、电、磁等用途的物质。（3）加工性：材料是能为人类社会经济地制造有用器件的物质。材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。材 料 =

2、物 质材料是物质，但不是所有物质都可以成为材料，如化学原料、食物、药物都不算材料。材料可由同一种物质或若干种物质构成，同一种物质由于制备方法或加工方法不同，可成为用途迥异的材料。材 料 = 原 料材料表示用什么制的(make of)。材料的功能属物理，在使用中保持原状。材料在制品中残留其形态。原料表示由什么制成的(make from)。原料其功能属于化学，在使用过程中自身消失。原料在制品中不残留其形态。例如：钢铁、金属、陶瓷、木材等。如烧碱、中和反应所用的盐酸等化工原料。材 料 = 试 剂材料：具有一定功能和性能，能为人们重复、可持续使用。试剂：消耗品，在使用过程中转换成其它物质。 旧石器时代

3、材料在人类发展历史中占有重要地位，早期人类文明划分正是以各时期所使用的有代表性的材料为标志。新石器时代 青铜器时代铜锡合金（青铜）熔点低，硬度高含锡10%的青铜，硬度是红铜的4.7倍含锡量1/6 韧性好 制造钟鼎含锡量2/5 硬度高 制造刀斧第一个合金材料：铜锡合金（青铜）Alloy9青铜器时代：材料和化学结合的开始成分、结构与性能的关系 铁器时代含碳量2%以上生铁含碳量在0.04%以下熟铁含碳量在0.04-2%钢依含碳量多少生铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性熟铁含碳量少，质软，塑性好，但强度和硬度较低。钢塑性好、韧性好、强度高、耐高温、耐腐蚀、易加工，应用范围广。炼铁过程的化学材料无所不在自

4、人类学会使用石器作为工具的那一天始，材料对人类生活的影响无所不在。人类已发现的材料据称已达千万余种，什么样的材料值得我们关注？并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注。随着社会的发展，科学技术的进步以及自然资源和能源的逐渐减少，人们所关注的、所使用的材料种类不断在发生着变化材料能否在一个时代引起人们关注、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 量铝是一种轻金属，密度 2.7 g/cm3，大约是铁的 1/3。纯铝的拉伸强度只有 48 MPa，只有钢的1/10 左右。因此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的状态存在。18

5、 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。材料发展的第一个实例：铝铝曾经比金银还要珍贵100多年前，为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个比黄金还要贵重的奖杯铝杯，赠送给门捷列夫。 法国皇帝拿破仑三世为了显示自己的尊贵，用铝作了一顶头盔，成为轰动一时的新闻。每逢盛大国宴，别人都用银制餐具，而他独自使用一套铝制餐具。 技术的进步让铝走出了首饰店1886 年， 22 岁的美国人 Hall 发明了熔盐电解法制取金属铝，此法投产后，金属铝的产量迅速增长，价格

6、则大幅度下降 ，从而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。将氧化铝 (A12O3) 溶解在熔融的冰晶石 (Na3AlF6) 中进行电解(电解液温度接近 1000) 美铝的生意是从一把铝壶开始的从铝壶做起，慢慢延伸到了烹调器具、锡箔纸、电线和电缆。现在，美铝公司成为了公认的世界上最大的原铝、铝加工产品和氧化铝生产商。美铝的产品广泛的应用于航空航天、汽车、包装、建筑、商业运输以及工业市场。为了进一步提高铝的比强度 合金强化 时效硬化在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成所谓的铝合金以提高 Al 的强度。把

7、合金强化处理后形成的铝合金加热到一定温度以上进行“熔解处理”，使合金处于均匀的单相状态，然后快速淬火，使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的强度。高比强铝合金给 20 世纪的“新”材料带来第一个突破比强：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。铝合金的出现，大大拓宽了铝的用途航天飞机、大型客机铝门窗、铝活动建筑铝细粉是一种火箭固体燃料铝 箔铝电缆易拉罐轻、薄、耐腐蚀的易拉扣，的确是一项高技术，代表了铝材和铝加工的现代成就

8、。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。石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸盐，由于具有结实、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。日常生活中常见的石棉制品包括石棉瓦、石棉水泥板、石棉隔热手套、灭火毯、刹车带等。 材料发展的第二个实例：“夕阳”材料石棉石棉之所以叫这么个名称，是因为它的纤维又长又柔，像棉花一样可以用来织布。但是和棉花不同的是，石棉因为是“石头”，所以耐火。人类很早以前就开采石棉，用它来制造不怕火烧的衣服，它们脏了，用火一烧，就又洁白如故，所以中国古代称之为用火来洗的

9、布“火浣布”。古罗马的餐馆喜欢用石棉做的桌布，上一拨顾客走了，把桌布往火里一扔，烧掉了油脂、食物残渣，就又可以铺桌迎接下一拨顾客。 近年来的研究表明石棉是一种致癌物质，欧美国家许多癌症的病因，都曾与石棉污染有关。目前这种状况正在向发展中国家转移。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，并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。第三个实例：“夕阳”材料钢铁在“911”事件中变成废墟的纽约世贸大厦的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。第四个实例：材料中的“

10、常青树”陶瓷1982 年日本京瓷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。陶瓷发动机中国的陶瓷发动机汽车从上海到北京试开了一个来回，试用情况表明，这种发动机不必水冷并能大量节约汽油。由于高温结构氮化硅陶瓷耐高温程度超过耐热合金，而且重量轻，所以用耐高温结构陶瓷制作发动机及燃气轮机的部件在同体积下，其重量只有金属的30%，可使汽车发动机的重量减轻10，节省燃料8.5%左右。其工作温度可从700-1000提高至12001400，热效率提高3035。而且没有热量浪费，可采用各种不同的燃料。陶瓷发动机的优越性： 新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在

11、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发展和科学技术进步导致的。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。 所谓的“材料科学”的主要研究对象是新材料，或者是想方设法使传统材料获得新生。出现发展成熟衰退新材料传统材料什么是材料科学？ 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

12、。 20 世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。1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了全球性的材料科学研究。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。材料科学研究的内容合成与制备结构/成分性 能使用表现简而言之，材料科学就是研究各种材料的成分与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现这四个方面之间相互关系的科学。 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的永恒主题。 材料化学？材料科学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。本课程所涉

13、及的内容就属于材料化学这一分支。材料化学就是研究材料科学中的化学问题的科学，这门科学涉及到材料制备、性能、结构、应用方面的所有与化学相关的问题。 我国四大发明中有两项是化学和材料的结合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；一硝二磺三木炭的组合则生成了火药。 2KNO3 + 3C + S = N2+ 3CO2+ K2S材料化学的发展18 世纪末分析化学的发展使得人们第一次认识到钢中存在碳原子，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。材料化学的发展三本专门致力于材料化学研究的期刊的出现（19881990期间） Advanced mat

14、erials Germany Chemistry of MaterialsAmerican Chemical SocietyJournal of Materials ChemistryChemical Society of Great Britain.材料化学的发展Advanced Materials is the top journal in the materials sciences, with the highest independently assessed Impact Factor (2011 Impact Factor,10.857) of any professional,

15、 peer-reviewed primary materials science journal. It contains carefully selected, top-quality reviews, communications, and research news at the cutting edge of the chemistry and physics of functional materials as well as book reviews, product information, interviews, and a conference calendar. In Ge

16、rmanyThe Journal of Materials Chemistry (2011 impact factor 5.099) is an interdisciplinary Journal covering all aspects of Materials Chemistry.Papers cover: （1）the fabrication, （2）properties and applications of materials： synthesis, structural characterisation and modelling. Published by the Chemica

17、l Sociedty of Great BritainChemistry of Materials provides an indispensable molecular-level perspective at the interface of chemistry, chemical engineering, and materials science.This fundamental research journal focuses on the chemistry involved in the preparation, processing, and analysis of all t

18、ypes of materials, including inorganic and organic solids and thin films, polymers, liquid crystals, hybrid materials, biomaterials, and composites. Chemistry of Materials is of special interest to chemists, chemical engineers, and materials scientists and technologists concerned with the preparatio

19、n, characterization, and processing technology of new materials.Published by the American Chemical Society2011impact factor 6.397材料化学的特点跨学科性：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，这导致材料化学与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密相连。Bio(and biomimetic) materialsMetalsCatalytic materials MicrostructureChemical Vap

20、or DepositionMolecular crystals(organic, metal-organic,etc.)Clusters and colloidsOptical(including NLO) materialsCoatingsNanophase materialsCompositesPhase transitionsCorrosionPolymeric materialsDefectsPrecursor routes to materialsElectronic materialsSelf-assembled materialsFluids and liquid crystal

21、Semiconductors sensorsGlassesSol-gel chemistry/processing Inorganic and organic networksSurface and interfacial phenominaInorganic solids/ceramicsSuperconductorsLayered materials (including intercalation compounds)Structural materialsMagnetic materialsTheoryThin film and monolayersCategories of Pape

22、rs in Chemistry of Materials 说明多学科或交叉学科性质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。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。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，另一方面通过大量实践使理论得到进一步发展。实践性：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、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下、纳米、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

23、。材料化学是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学 材料化学的主要内容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。力学性能：材料的强度、延性和刚度。物理性能：电、磁、光、热等。材料的制备就是将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程。合成与制备是提高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键，也是开发新材料、新器件的中心环节。材料化学研究的内容合成与制备结构/成分性 能使用表现什么是材料的结构？以TiO2为例锐钛矿相中晶胞为共顶结构金红石相中晶胞为共棱结构TiO2有两种比较典型的晶相：金红石相及锐钛矿相材料的晶体结构不同晶相的TiO2有着不同的能带结构，对应不同性能。材料

24、的能带结构非化学计量化合物TiO2-x的缺陷反应式： 53 当环境中氧气氛压力减小或者在还原性气氛中，晶体中氧就会逸出而在晶格中产生氧空位。在形成氧空位的同时有准自由电子产生以保持整个晶体的电中性，这就要求正离子接纳电子而发生变价，使正离子价数降低。材料的缺陷结构内部缺陷也会显著影响材料的性能。通过改变制备工艺条件，TiO2可以做出很多种形貌，也会对性能产生影响。材料的形貌结构什么是材料的制备？以TiO2为例溶胶-凝胶法水热法化学气相沉积法模板法静电纺丝法高温固相法阳极氧化法不同的方法得到的晶体结构、形貌结构、缺陷结构等均有可能不同。什么是材料的性能？以TiO2为例光催化性能TiO2半导体颗粒

25、 HO自由基，其氧化电位为2.80 V，比臭氧(2.07 V)高35，氧化能力仅次于氟，在氧化有机污染物时无选择性，可直接将有机污染物氧化为二氧化碳、水或矿物盐，不会造成二次污染。光生电子则可与氧气或水分子结合产生化学性质极为活泼的超氧自由基，并经一系列反应最终生成羟基自由基，同样可以氧化降解有机污染物。光催化方面的应用污水处理空气净化器防雾及自清洁涂层抗菌材料光催化分解水什么是材料的应用？以TiO2为例1. 污水处理由于OH具有极高的反应能，高于有机物中各类化学键(如C-C， C-H，CN，CO，H一O，NH)，的键能，因而OH对反应物几乎无选择性，能完全分解各类有机物，最终生成CO2和H2

26、O。光催化产生的高活性电子具有很强的还原能力，重金属离子如Cu2+等如能直接接受光生电子，则会被还原沉积，从而达到清除重金属离子的目的。重金属离子：Cr(VI)等有机污染物：苯酚、亚甲蓝等光催化空气净化器基本净化流程2. 空气净化器3.防雾和自清洁涂层TiO2薄膜有机污垢无机污垢CO2 H2O在窗玻璃、建筑物外墙砖、高速公路护栏、路灯等表面涂覆氧化钛薄膜，利用氧化钛薄膜在太阳光照射下产生的强氧化能力和超亲水性（水在氧化钛薄膜上完全浸润），可以实现表面自清洁。汽车玻璃及后视镜等表面涂覆氧化钛薄膜可起到防结雾的作用。4. 抗菌光生电子和空穴与水或水中的溶解氧反应，形成 HO自由基等活性基团。这些活性基团通过氧化细菌体内的辅酶 A, 破坏细菌的细胞壁 (膜)的渗透性和DNA的结构,使电子传输中断等来发挥光催化抗菌作用银、锌等金属离子担载的无机杀菌剂能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱等疾病。这些常用杀菌剂只有杀死细菌的作用，不能分解细菌内毒素，可能会带来二次污染。光催化剂不仅能消灭细菌，而且能降解由细菌释放出