材料化学导论市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、材料化学导论联络电话 E-mail：西北大学本科化学专业指定选修课张逢星主讲第1页纳米热！超导热！新材料热！化学学生学点材料知识有好处！本科程从材料组成、结构、性能和应用关联角度介绍材料，化学味浓！结构味浓！本课程在专业指定选修课程设置，课时40，学分2。指定选修必修！好好听完每一节课，课后做做习题，随即点名，3次不到取消考试资格。课程结束考试采取笔试方式，占8070。开场白第2页教材下载：我电脑网上邻居化学系服务器化学课件：材料化学导论讲义，word文档材料化学导论教案，ppt课件第3页第1章 材料化学绪论第4页什么叫材料？国外2部大型辞书对材料定义： 1 材料定义

2、、分类和作用Longman Dictionary： anything from which something is or may be made。 Oxford Advanced LearnerEnglish-Chinese Dictionary：that of which something is can be made or which something is done。牛津高级英汉学习词典说：用来制作某种物件或完成某种事情东西称作材料Langman词典说：能够或能够用来制作某种物件东西称作材料第5页国内大型辞书辞海：人们把自然界经过开采而取得劳动对象称为原料。自然界自然存在而未经过人

3、类任何劳动输入就不能称为原料。比如，开采出来矿物是冶金原料，种植出来小麦是制造面粉原料，单采掘工业中就没有原料。在加工工业中，普通把来自采掘工业和农业劳动对象称为原料，把经过工业加工原料（如钢铁、水泥）称为材料。材料和原料合成为原材料。 辞海定义能够总结为：经过人类劳动而取得劳动对象称为原料，经过二次加工原料称为材料。第6页上述定义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指出材料使用过程中本质方面改变。 辞海定义即使说明了原料和材料之间联络和区分，但也没有指出材料在使用中本质改变。 使用这些定义在实际中带来不便： 化工品烧碱(NaOH)？

4、 按定义应是材料，但类似不胜枚举化工产品都是原料。 来自采掘工业沙石、木材等等？ 按定义似乎应是原料，习惯上将其归入建筑材料。 思索？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，食盐和烧碱普通都看作是化工原料。原料在加工中普通均失去了原质。 第7页怎样定义材料？借助两个英语词组来说明材料含义：“ made of ” 指组成或制成物品后，其物质原质没有发生改变； “ made from ” 指组成或制成物品后，其物质原质已经发生改变，即失去了原质。定义材料：经过人类劳动取得、在深入加工过程中依然保持原质劳动对象称为材料。 第8页1.2材料分类按照材料化学属性能

5、够分为4类：无机非金属材料有机高分子材料黑金属，有色金属，合金，钢铁，轻质合金金属材料单晶形态，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C-C共价键为基础结构大分子组成。普通又分为塑料、橡胶和纤维。复合材料金属、无机非金属和有机高分子材料有机结合，分子态材料，杂化材料第9页 结构材料（Structural material）：以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，如制造工具、机器、车辆用钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用混凝土材料。这些材料都含有抵抗外力作用而保持自己形状、结构不变优良力学性能

6、。 功效材料（Functional material）：此概念1965年由美国贝尔研究所J.A.Morton博士提出，现已被各国材料界重视和接收。其定义是：含有优良电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功效及相互转化性能，被用于非结构目标高技术材料。 对于功效材料，在我国材料界，也有一个普遍使用名词，就是新技术材料。功效材料大都是新材料，又都是应用在新科技领域，所以冠以新技术材料头衔，也是当之无愧和众望所归。按材料性能分类第10页材料功效及其示例热学性能热容、热传导、热稳定；光学性能与光作用、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

7、、催化等；生物功效人造器官、骨骼和牙齿等。举例：弹性材料应用力学性能用于非结构目标属于功效材料；结构陶瓷应用力学性能用于结构目标 属于结构材料；普通玻璃应用光学性能用于结构目标 属于结构材料；耐 火 砖应用热学性能用于结构目标 属于结构材料。第11页固体材料宏观和微观形态固体材料普通说存在单相材料，所谓相就是组成和结构完全均匀部分，相与相之间存在相界。相能够分为化合物（包含单质）相，属于单组分；对于多组分单相材料，固熔体是最基本相。所以，单相单组分材料也不完全等同于化学上化合物！多相材料 非金属陶瓷材料由不一样相组成。有机-无机复合材料，增韧高分子材料等。第12页无机非金属材料陶瓷材料 多相材

8、料氮化硅轴承压电陶瓷氧化铝陶瓷矿物玛瑙饰品第13页纳米材料，由数百个乃至上千个原子组成最少在一维方向尺度在020nm。所以它属于微观和宏观之间介观范围，含有不一样于宏观材料很多特殊性质！ 纳米技术采取“自下而上”（bottom up）思绪，以超分子化学（组装技术）和分子电子学（功效分子）为基础正在发展分子器件，而我国科学家研究走在国际前端。第14页分子马达Molecular motor分子导线Molecular wires分子开关Molecular switches分子整流器Molecular rectifirs分子晶体管Molecular transistors分子二极管Molecular

9、diodes分子存放器Molecular memorizer分子电路Molecular circuit纳米计算机纳米机器纳米线体系 碳纳米管体系 有机分子体系第15页杂化材料 与复合材料存在多相组成不一样，有机-无机组分间是在原子分子水平上复合，结合方式自然是强化学键和弱化学键，已组成了功效杂化材料领域。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。指两种以上不一样种类有机、无机、金属材料在原子、分子水平上杂化，从而产生含有新型原子、分子集合结构物质。这种材料含有许多新性能和用途。 无机材料高分子络合物高分子材料金属材料0维：超微粒子二维

10、：超薄膜化三维：叠层化多维、多孔化一维：朝取向化 各向异性结构机制：离子界面消失，完全结晶化高分子复体杂化高分子组成第16页超微粒化（0D）超薄膜化（2D）多孔化（多D）叠层化（3D）超取向化各向异性 （1D）无机材料 高分子材料 金属材料杂化高分子复合体高分子 络合物场调制元件存贮元件新分子组成太阳能电池开关元件光电元件光集成电路导电材料磁体液晶非线性光学元件热敏材料高分子催化剂全息摄影存贮器有机电池 电极材料 分离膜第17页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塑料橡胶纤维涂料粘合剂工程高分子功效高分子液晶材料纤维争强材料聚合物基复合材料金属基复合

11、材料无机基复合材料分子杂化材料超耐热合金非晶合金轻质合金导电金属形状记忆合金贮氢合金超导合金电气陶瓷工程陶瓷超硬陶瓷敏感元件陶瓷快离子导体纳米陶瓷磁性陶瓷优异机械性能 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统计材料人工单晶材料（3）混合分类法 先以属性分类，再依功效划分第18页复合材料铁器材料铜器材料石器材料现代社会 原始社会1.3.材料在社会经济发展中作用 材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然物质基础。所以，材料是社会进步物质基础和先导，是人类社会进步里程碑。纵观人们利用材料历史，能够清楚地看到，每一个主要新材料发展和应用，都把人类支配自然能力提升到一个新水

12、平。材料科学技术每一次重大突破都会引发生产技术革命，大大加速社会发展进程，给社会生产和人们生活带来巨大改变，把人类物质文明推向前进。第19页 以石头制造工具。能够划分为旧石器时代（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，我们祖先以石器为主要工具，在寻找石器过程中认识了矿石，创造了火，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。 材料使用程度是人类社会发展里程碑 石器时代第20页人类制造和使用第3种人造材料铸铁，嗣后是钢铁工业迅猛发展,成为18世纪产业革命主要内容和物质基础。

13、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，作为创造之母和产业粮食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。在当前新技术革命包括整个国际社会浪潮冲击下，人类进入了一个材料革命新时代。铜器时代人类大量制造和使用第2种人造材料“红铜”和“青铜”。 “红铜”时代约在公元前45前年，即原始社会到奴隶社会早期；“青铜”时代约在我国商周时代和私有制建立前夜。铁器时代第21页 第一代为天然材料 在原始社会生产技术水平低下，人类使用材料只能是自然界动物、植物和矿物，主要工具是棍棒，用石料加工磨制石器； 第二代为烧炼材料 烧炼材料是烧结材料

14、和冶炼材料总称。人类用天然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；从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料； 材料发展过程第22页 第三代材料为合成材料 在20世纪早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19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，这一领域进展经历了新型塑料和合成纤维深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功效聚合物材料工业化（1970-1980年）、分子设计、高性能、高功效聚合物合成（1990年）等

15、几个发展进程；第23页 第四代为可设计材料 该技术发展并不满足于现有材料，近代出现了依据实际需要去设计特殊性能材料，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一类新型功效材料，它们随时间、环境改变改变自己性能或形状，好像含有智能。比如形状记忆合金就属于这一类。 新一代未来材料 从尺度上由宏观进入到微观、介观单分子、纳米材料，从功效上由普通理化功效进入到智能化，从材料属性由合成化合物进入到天然和合成生物物质。第24页 新材料每次使用都引发人类社会巨大变革和生产力革命。18世纪以来世界范围内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

16、命 始于18世纪英国产业革命，使得以手工技术为基础资本主义工场手工业过渡到采取机器大生产资本主义工厂制度。这场工业革命物质基础是钢铁材料，而伴随新技术则是蒸汽机创造；材料与新技术革命第25页 第二次技术革命电气革命 1879年爱迪生创造了电灯，把电力革命曙光带给了人类，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创造和应用，使大规模集成块问世，带来了计算机广泛应用，以及原子能利用，大大发展了生产力和科学技术； 第四次技术革命 有些人说当前正处于第四次技术革命前夜。这次技术革命以信息技术、新材料技术、新能源技术和生物

17、工程技术为基础。亦有些人把材料、能源和信息科学看作是当代科学技术三大支柱，而材料科学技术称为三大科学技术支柱之首。第26页美国商业部对12项新型技术预测项目产值/亿美元所占百分比/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放器高功效计算机光电子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疗装置150804.22.3新型生命科学技术累计3560100先进材料包含特种陶瓷，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，

18、表面改性材料，金刚石薄膜，膜材料及生物材料等。第27页 材料，包含结构材料和功效材料，绝大多数属于固体状态，因而材料科学也就是固体科学。它是研究材料成份、结构、加工成性和性能及其转化之间相互关系一门科学。材料推出过程以下： 送至 送至 送至材料制备 品质判定 性能测试 应用 为工艺控制提供数据 为品质判定提供数据 提供性能要求2 材料科学与材料化学材料科学与材料化学第28页 材料科学门类 固体物理学：研究组成材料固体原子、离子及电子运动和相互作用普通共性规律，提出各种模型和理论，以说明固体结构和性能之间关系； 固体化学：研究固体材料中详细各类固体物质合成方法、结构和表征、性质测定和应用及其相互

19、关联； 材料工程学：处理怎样将固体物质制成能够使用结构材料和器件，使之含有指定形态(如纤维、薄膜、陶瓷体、集成块等)和要求各种结构和性能，如含有特定热、力、光、电、声、磁、化(学)和生(物)功效。第29页 固体化学或材料化学是新材料诞生摇篮，是材料科学中中间链节。化学是自然科学中唯一一门创造新物质科学。在过去一个世纪之中，化学家以结构功效关系研究为根本，设计、合成了许多含有各种功效分子和物质。伴随化学发展，较为完备合成化学理论和方法、准确定性和定量分析，尤其是各类结构分析仪器发展和应用，使得材料化学科学发展到一个新水平，对新材料研制和推出起到主要作用。 第30页用化学理论和方法研究功效分子以及

20、由功效分子构筑材料结构和功效关系，使人们能够设计新型材料。合成化学提供各种化学合成反应和方法使人们能够取得含有所设计结构材料。在20世纪后期有两个动向：一是含有特定功效先进材料变得越来越主要；一是高级材料对于特殊物理性质和材料高级结构依赖性增加。材料化学中基本内容第31页 分子结构分子聚集体高级结构材料结构理化性能功效之间关系 掌握这些关系便能够降低盲目性，增加命中率。还需要建立测定高级结构方法，研究理化性能和功效与高级结构关系。 合成功效分子与构筑高级结构理论与方法研究 怎样构筑有序高级结构是一个新合成化学问题。或是在合成结构单元时候怎样时期能够自组装成为所需高级结构；或是在取得功效分子之后

21、，再组装为材料。材料科学发展化学基本问题第32页本课程讲授特点一直把握材料组成（结构）-性能-制备-应用四面体关联。材料结构性能应用制备结构从理想晶体结构出发，突出材料缺点化学。材料性能侧重电性能、光性能和磁性能，重视性能与结构关联。了解分子材料、杂化材料和纳米材料发展现实状况。第33页材料化学研究最新进展结果展模拟光合作用产生石油替换能源美国麻省理工大学科学家日前在试验室内再现了光合作用过程，在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧，并产生了可供燃烧氢气和氧气。该试验意义在于光合作用产生能量能够被人类利用，这种技术将引发一场太阳能使用革命，并赔偿煤炭，石油等不可再生资源损耗。这两名科学家名叫诺塞

22、拉（Daniel Nocera）和卡南（Matthew Kanan），他们找到了一个简单实惠方法将水分解成氢气和氧气，这种方法原理和光合作用差不多，只是将太阳能转化了可燃烧氢气和氧气。 第34页材料化学研究最新进展结果展研发出具超级伸展性可导电物质 日本研究人员Tsuyoshi Sekitani及其同事设计出了一个含有超级伸展性橡胶样物质，一个碳纳米管-弹性体复合材料，它还有极佳导电性质，所以它可用来制造能够安装在任何地方电子装置，包含在弯曲表面或是可移动部位，如机器人手臂关节处。第35页材料化学研究最新进展结果展类似碳纳米管风车纳米马达 左上图中a为纳米马达，b为纳米风车，红色内部碳纳米管基

23、于电子风旋转。纳米马达与金电极接触，饰演电子存放器作用，与此同时纳米风车一端与汞电极接触。 英国兰卡斯特大学理论物理学家史蒂芬贝利等设计出一款纳米马达，以一个新奇机制电子风来运行。这个以电子风为动力纳米马达将有广泛用途。比如，经过使用一个电压脉冲使内管以某一特定角度旋转，就能把该纳米马达看成一个开关或纳米尺度磁性内存器件中记忆元件来使用；或者让碳纳米管与一个原子或分子存放器连接，该纳米马达就能成为一个纳米流体泵。 第36页材料化学研究最新进展结果展一个新型储氢材料C60+Ca 中科院物理所博士生杨身园等人，利用第一性原理计算研究了轻碱土金属覆盖富勒烯储氢性质。他们将钙和锶在C60上均匀地覆盖，

24、形成M32C60。在Ca32C60上可吸附最少92个氢分子，因为钙质量较轻，最终储氢质量百分比到达8.04 wt%。第37页材料化学研究最新进展结果展硅纳米管储氢率或高于碳纳米管 美国能源部（DOE）关于氢能汽车技术成为现实储氢材料系统应该在室温下提供6%储氢质量密度。世界各国研究小组都在寻找和试验能可逆吸放高容量氢气材料。其中，一个有效储氢介质就是单壁碳纳米管。然而，碳纳米管当前还不能满足DOE储氢目标。DOE作出放弃不掺杂金属原子单壁碳纳米管在未来储氢车辆上应用研究一项决定。中国科学家北京化工大学分子与材料模拟研究室责任人曹达鹏理论研究表明，硅纳米管能够比同结构碳纳米管含有更高效储氢率。这将极可能让硅在引发微电子革命后，又成为氢能源领域关键材料。 第38页材料化学研究最新进展结果展染料敏化太阳电池研究主要进展中科院长春应化所王鹏研究员领导“染料敏化太阳电池”研究组，首次将二并噻吩单元与连吡啶共轭偶连，并以该配体为基础制备出光电子级纯度高摩尔消光系数混配染料C104(C是中国英文首字母)。C104带