材料化学导论

材料化学导论联系电话-mail：zhangfx@西北大学本科化学专业指定选修课张逢星主讲●纳米热！超导热！新材料热！化学学生学点材料知识有好处！●本科程从材料的组成、结构、性能和应用的关联角度介绍材料，化学味浓！结构味浓！●本课程在专业指定选修课程设立，学时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。课程结束考试采用笔试方式，占80～70％。开场白教材下载：我的电脑→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1章材料化学绪论什么叫材料？●国外2部大型辞书对材料的定义：

§1材料的定义、分类和作用①《LongmanDictionary》：anythingfromwhichsomethingisormaybemade。

②《OxfordAdvancedLearner’English-ChineseDictionary》：thatofwhichsomethingiscanbemadeorwhichsomethingisdone。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的东西称作材料Langman词典说：能够或可以用来制作某种物件东西称作材料国内大型辞书《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，经过二次加工的原料称为材料。●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，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：①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。②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：“madeof”指构成或制成物品后，其物质的原质没有发生变化；“madefrom”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。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。

1.2材料的分类⑴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，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（NewCeramics）或精细陶瓷（FineCeramics）。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分子材料有机结合，分子态材料，杂化材料

结构材料（Structuralmaterial）：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（Functionalmaterial）：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互转化的性能，被用于非结构目的的高技术材料。对于功能材料，在我国材料界，也有一个普遍使用的名词，就是新技术材料。功能材料大都是新材料，又都是应用在新的科技领域，因此冠以新技术材料的头衔，也是当之无愧和众望所归的。⑵按材料的性能分类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：①弹性材料——应用力学性能——用于非结构目的——属于功能材料；②结构陶瓷——应用力学性能——用于结构目的——属于结构材料；③普通玻璃——应用光学性能——用于结构目的——属于结构材料；④耐火砖——应用热学性能——用于结构目的——属于结构材料。固体材料的宏观和微观形态●固体材料一般说存在单相材料，所谓相就是组成和结构完全均匀的部分，相与相之间存在相界。相可以分为化合物（包括单质）相，属于单组分；对于多组分单相材料，固熔体是最基本的相。所以，单相单组分材料也不完全等同于化学上的化合物！●多相材料非金属陶瓷材料由不同的相组成。有机-无机复合材料，增韧高分子材料等。无机非金属材料——陶瓷材料多相材料氮化硅轴承压电陶瓷氧化铝陶瓷矿物玛瑙饰品●纳米材料，由数百个乃至上千个原子组成的至少在一维方向的尺度在0～20nm。因此它属于微观和宏观之间的介观范畴，具有不同于宏观材料的诸多特殊性质！

纳米技术采用“自下而上”（bottomup）的思路，以超分子化学（组装技术）和分子电子学（功能分子）为基础正在发展分子器件，而我国科学家的研究走在国际的前端。分子马达Molecularmotor分子导线Molecularwires分子开关Molecularswitches分子整流器Molecularrectifirs分子晶体管Moleculartransistors分子二极管Moleculardiodes分子存储器Molecularmemorizer分子电路Molecularcircuit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●杂化材料与复合材料存在多相组成不同，有机-无机组分间是在原子分子水平上的复合，结合方式自然是强化学键和弱化学键，已构成了功能杂化材料领域。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。

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：超薄膜化三维：叠层化多维、多孔化一维：朝取向化各向异性构造机制：离子界面消失，完全结晶化高分子复体杂化高分子构成超微粒化（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构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照相存贮器有机电池电极材料分离膜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能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记录材料人工单晶材料（3）混合分类法先以属性分类，再依功能划分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。以石头制造工具。可以划分为旧石器时代（公元前2~3百万年至约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7~8千年）；新石器时代（公元前7~8千年至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。⑴材料的使用程度是人类社会发展的里程碑石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。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4~5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

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，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；

⑵材料的发展过程

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（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。

新一代未来材料从尺度上由宏观进入到微观、介观的单分子、纳米材料，从功能上由一般理化功能进入到智能化，从材料属性由合成化合物进入到天然和合成的生物物质。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；⑶材料与新技术革命

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2000年12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750401505004014.01.1新型电子与信息技术人工智能柔性集成加工传感技术5020050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，金刚石薄膜，膜材料及生物材料等。

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材料科学与材料化学

材料科学门类

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、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。

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。●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。●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：一是具有特定功能的先进材料变得越来越重要；一是高级材料对于特殊物理性质和材料的高级结构的依赖性增加。材料化学中的基本内容

分子结构—分子聚集体高级结构—材料结构—理化性能—功能之间的关系掌握这些关系便可以减少盲目性，增加命中率。还需要建立测定高级结构的方法，研究理化性能和功能与高级结构的关系。

合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法的研究如何构筑有序的高级结构是一个新的合成化学问题。或是在合成结构单元的时候如何时期能够自组装成为所需的高级结构；或是在获得功能分子之后，再组装为材料。材料科学发展的化学基本问题本课程的讲授特点●始终把握材料的组成（结构）-性能-制备-应用的四面体关联。材料结构性能应用制备●结构从理想晶体结构出发，突出材料缺陷化学。●材料的性能侧重电性能、光性能和磁性能，注重性能与结构的关联。●了解分子材料、杂化材料和纳米材料的发展现状。2008年材料化学研究最新进展成果展模拟光合作用产生石油替代能源美国麻省理工大学的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程，在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧，并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的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，并补偿煤炭，石油等不可再生资源的损耗。这两名科学家名叫诺塞拉（DanielNocera）和卡南（MatthewKanan），他们找到了一种简单实惠的方法将水分解成氢气和氧气，这种方法的原理和光合作用差不多，只是将太阳能转化了可燃烧的氢气和氧气。2008年材料化学研究最新进展成果展研发出具超级伸展性可导电物质日本的研究人员TsuyoshiSekitani及其同事设计出了一种具有超级伸展性的橡胶样物质，一种碳纳米管-弹性体复合材料，它还有极佳的导电性质，因此它可用来制造可以安装在任何地方的电子装置，包括在弯曲的表面或是可移动的部位，如机器人手臂的关节处。2008年材料化学研究最新进展成果展类似碳纳米管风车的纳米马达左上图中a为纳米马达，b为纳米风车，红色的内部碳纳米管基于电子风旋转。纳米马达与金电极接触，扮演电子存储器的作用，与此同时纳米风车一端与汞电极接触。英国兰卡斯特大学的理论物理学家史蒂芬·贝利等设计出一款纳米马达，以一种新奇的机制——电子风来运行。这个以电子风为动力的纳米马达将有广泛的用途。例如，通过使用一种电压脉冲使内管以某一特定角度旋转，就能把该纳米马达当作一种开关或纳米尺度磁性内存器件中的记忆元件来使用；或者让碳纳米管与一个原子或分子存储器连接，该纳米马达就能成为一种纳米流体泵。2008年材料化学研究最新进展成果展一种新型储氢材料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的富勒烯的储氢性质。他们将钙和锶在C60上均匀地覆盖，形成M32C60。在Ca32C60上可吸附至少92个氢分子，由于钙质量较轻，最后的储氢质量百分比达到8.04wt%。2008年材料化学研究最新进展成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的储氢材料系统应该在室温下提供6%的储氢质量密度。世界各国的研究小组都在寻找和试验能可逆吸放高容量的氢气的材料。其中，一种有效的储氢介质就是单壁碳纳米管。然而，碳纳米管目前还不能满足DOE的储氢目标。DOE作出放弃不掺杂金属原子的单壁碳纳米管在未来储氢车辆上的应用研究的一项决定。中国科学家北京化工大学分子与材料模拟研究室负责人曹达鹏的理论研究表明，硅纳米管能够比同结构的碳纳米管具有更高效的储氢率。这将极可能让硅在引发微电子革命后，又成为氢能源领域的关键材料。2008年材料化学研究最新进展成果展染料敏化太阳电池研究重要进展中科院长春应化所王鹏研究员领导的“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的高摩尔消光系数混配染料C104(C是中国英文的首字母)。C104的带隙大约