材料化学(第2版)作者曾兆华、杨建文编著第一章课件

材料化学Chapter1IntroductionMaterialsChemistry1Chapter1IntroductionChapter1

Introduction

绪论21.1 材料与化学1.2 材料的分类1.3 材料化学的特点1.4 材料化学的在各个领域的应用1.5 材料化学的主要内容Chapter1Introduction本章内容3生活中的材料鲨鱼皮泳衣鲨鱼的皮肤上有一层极为细小的突起状，相当于小型的水囊，能在流动时有序地引导周围的水向同一方向流动，使鲨鱼更舒畅、省力地在水中游弋。鲨鱼皮泳衣是对采用仿生学原理制造出的竞技用游泳衣的形象称呼。它根据鲨鱼皮的特性制作出来的，主要是性能是减小有用过程中水的阻力。鲨鱼皮泳衣的发展历史第一代鲨鱼皮（2000年）采用纤维模仿鲨鱼皮肤结构，能引导周围的水流，减少水阻力并提高游进速度3%～7.5%。作为鲨鱼皮的代表，这款泳装在悉尼奥运会上风靡全球，有83%的参赛选手选择身穿鲨鱼皮参加比赛。第二代鲨鱼皮（2004年）在第1代的基础上，在面料的表面加上颗粒状的小点，目的是减少30%的水阻整体功能比第1代提升7.5%。2004年的雅典奥运会获得奖牌的运动员中有47人就是穿着这款泳衣登上领奖台的。二代第三代鲨鱼皮（2007年）由防氧弹性纱和特细尼龙纱组成。它的弹性比同类产品高15%，可以减少肌肉振动和能量损耗。在2007年1年时间里，协助世界各国运动员先后21次打破世界纪录。第四代鲨鱼皮（2008年）第4代由极轻、低阻、防水和快干性能LZRPulse面料组成，是全球首套以高科技熔接生产的无皱褶比赛泳装。在近1个月内产生的16项新的世界纪录中，有14项是由选手穿着这款泳衣创造的。美国海军用0.5马力陶瓷发动机广州新电视塔摩天轮的16个“水晶”观光球舱，壳体采用新型高分子材料，晶莹剔透，能保证舱内游客对塔外景色一览无余。美国最新型隐身战斗机F-22使用吸波材料和吸波涂层Materials：Substanceshavingpropertieswhichmakethemusefulinmachinery,structures,devicesandproducts.Chapter1Introduction1.1材料与化学

MaterialsandChemistry——connectedwithfunctionand,throughthatfunction,utilities.11Distinguishbetween

ChemicalsandMaterialsChemicals：theutilityliesprimarilyintheirconsumption.Materials:canbeusedrepeatedlyorcontinuouslyforanapplicationthatdoesnotirreversiblyconvertthemtosomethingelse.Chapter1Introduction12MaterialsScience&Chemistry MaterialsScienceandChemistry

Atomic-molecularlevelinteractionMaterialsChemistry:Chemistryrelatedtostructure,properties,preparationandapplicationsofmaterials.

MacroscopicperspectiveChapter1Introduction13材料的发展化学与材料亲密接触的历史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的“新材料”陶器就是在火的帮助下制造出来的。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和材料的结合体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+169千卡“一硝二磺三木炭”的原理在抗日战争事情也发挥了巨大的作用。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。20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。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。现代的材料科学就是一种“炼金术”，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。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。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。Developmentofmaterials材料的发展的几个阶段材料的发现、发展和应用是人类文明的标志。

材料的品种、质量和产量，是直接衡量一个国家的科技和经济发展水平的重要标志之一。Chapter1Introduction19①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﹑生活形态的改变。②青铜器：金属产物的工具﹑武器﹑农具﹑礼器﹑祭器等取代泥制陶器；③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。早期：三个时代Chapter1Introduction20Pottery→→Pottery新石器时期半山式菱形点纹壶新石器时期马家窑式水纹彩陶钵Chapter1Introduction21ChinaChina康熙黄釉盖罐

乾隆茶叶末六连瓶

Chapter1Introduction22唐三彩鸳鸯壶

一种低温铅釉的陶器，采用黄、绿、褐等色釉在器皿构成花朵、斑点或不规则的几何纹等，色彩斑斓的色釉装饰。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。Chapter1Introduction23明掐丝珐琅葫芦式扁瓶

橘皮釉

Chapter1Introduction24→→Glass现代的水晶玻璃WarringStatesGlassEyeBeadsGlassChapter1Introduction25FigureofmaterialsdevelopmentChapter1Introduction26StoneAgeStoneageChapter1Introduction27MaterialsWoodStoneBonePotterythePaleolithicPeriodtheNeolithicAgeTable1-1DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAge

DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAgeChapter1Introduction28BronzeAgeBronzeageChapter1Introduction29含锡量1/6——韧性好——制造钟鼎含锡量2/5——硬度高——制造刀斧CuSnPbZn第一个合金材料：铜锡合金（青铜）

结构与性能的关系AlloyChapter1Introduction30中国古铜镜CoppermirrorsChapter1Introduction31Coppermusicalinstrument战国青铜编钟

Chapter1Introduction32IronAgeIronAgeChapter1Introduction33Equations

炼铁过程的化学Chapter1Introduction34铸铁锻铁钢铁依含碳量和杂质多少铁和碳的合金Alloysofiron&carbonChapter1Introduction35第八世纪的"Carolingian"剑东方曲剑"Persian"土耳其的"Damascus"剑日本剑的锋口部份SwordsChapter1Introduction36早期：纯粹凭经验工艺。近现代：

基本化学原理

物质微结构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Chapter1Introduction37钢硅塑料合成材料半导体精密陶瓷复合材料纳米材料……我们现在所处的时代应该称为什么时代？Chapter1IntroductionMetallicMaterialsInorganicMaterialsPolymersComposites按组成、结构特点分1.2材料的分类

ClassificationofMaterials39StructuralMaterials——主要利用材料的力学性能FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化学性能按使用性能分按用途分Classificationofmaterials导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、电子信息材料、感光材料等等Chapter1Introduction40金属材料（MetallicMaterials）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，这些电子并不键合在特定原子上。通常具有良好的导电导热性、抛光表面的反光性、金属光泽、延展性、塑性等。钢材：在建筑、桥梁、设备等广泛用作结构材料。铜材：常常作为导电材料使用。新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢合金等。Chapter1Introduction41ExamplesChapter1Introduction42无机非金属材料（InorganicMaterials）无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。单质材料：单晶硅、金刚石、石墨等。以陶瓷为主。可用作结构材料、光学材料、电子材料等。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、晶体管等。Chapter1Introduction43ArchitecturematerialsChapter1Introduction44高分子材料（Polymers）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。天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛等。合成高分子材料：塑料、合成橡胶和合成纤维。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、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、高分子催化剂及高分子试剂等。Chapter1Introduction45(3)ShoesChapter1Introduction46复合材料（Composites）复合材料：由两种或多种不同材料组合而成的材料。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。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。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原复合而成。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）。传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。Chapter1Introduction47(6)Spaceflightmaterials首架复合材料飞机Chapter1Introduction48航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。

多功能化、复合化、精细化、智能化Chapter1Introduction49Examples波音公司开发之机体与复合材料

JChapter1Introduction501.3材料化学的特点

CharacteristicsofMaterialsChemistry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。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。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，这些材料在现代技术中起着关键作用。Chapter1Introduction51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。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。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。Chapter1Introduction52实践性：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合物涂层，以保护人体组织不与人工骨头置换体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验等;药物、蛋白质及基因的控制释放。Chapter1Introduction1.4材料化学的在各个领域的应用53芯片制造：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等离子体刻蚀;信息存储材料;光电子材料;光子晶体。Chapter1Introduction54电子信息领域

环境和能源领域清洁能源：光伏电池、太阳能电池、燃料电池等；可回收和可生物降解材料；环境友好材料结构材料领域汽车和飞机：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料组合而成Chapter1Introduction55新材料在高技术中的应用几个实例1982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。1988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。1989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。美国在海湾战争中使用的隐身战斗机所以能隐身，就是使用了一种吸波材料和吸波涂层。所谓隐形是指不易被雷达或红外线、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。隐形飞机与材料

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。美国的F-117A隐形飞机单价为1.1亿美元，B-2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。最近，美国又以4000亿美元的天价，开始研制一种集“隐形、敏捷、高速”为一体的F-35新型隐形战机。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。在美国的航天史上发生过三起巨大灾难1967年1月27日：阿波罗号飞船升空时爆炸，三名宇航员遇难1986年1月28日：挑战者号航天飞机升空时爆炸，包括一名女教师在内的宇航员全部遇难2003年2月1日：“哥伦比亚号”航天飞机在完成16天的太空研究任务后，在返回大气层时突然发生解体，机上7名宇航员全部遇难“哥伦比亚号”是航天飞机第一次在即将着陆时发生的灾难。空难发生后，由美国宇航局（NASA）组成了由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组对飞机残骸进行了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验，分析了航天飞机爆炸的原因。“哥伦比亚号”航天飞机的爆炸，震惊了世人，同时也引起了人们对材料的关注，材料分析揭开了哥伦比亚空难之谜。哥伦比亚空难与材料

这张照片是在哥伦比亚号返回地球的11天前拍摄并传回的，通过哥伦比亚号上随机安装的一架照相机拍摄。升空时，从燃料箱脚架处掉下的一块隔热泡沫砸到左翼碳／碳复合材料面板下半部附近造成裂缝。而后高温热离子流穿过此处，使机翼铝合金、铁基合金、钠基合金结构熔化，导致航天飞机失控、机翼破坏和机体解体。Chapter1Introduction结构

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。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结构、性能、制备和应用的化学1.5材料化学的主要内容64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。Chapter1Introduction制备

材料的合成与制备就是将原子、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。65教学用书：曾兆华，杨建文编著.材料化学.北京：化学工业出版社.2008主要参考书目：杨兴钰.材料化学导论.武汉：湖北科学技术出版社，2003刘光华编著.现代材料化学.上海：上海科学技术出版社，2000周达飞主编.材料概论.北京：化学工业出版社，2001BrianS.Mitchell.AnIntroductiontoMaterialsEngineeringandScience.USA,JohnWiley&Sons,2004.WilliamD,CallisterJ.Materialsscienceandengineering:Anintroduction.5thEd.,USA,JohnWiley&Sons,1999SmithWF.Foundationsofmaterialsscienceandengineering.NewYork,McGraw-HillBookCo.,1992BradleyD.Fahlman.MaterialsChemistry.German,Springer,2007Chapter1Introduction66思考题什么是材料化学？其主要特点是什么？新石器时代的标志是什么？材料与试剂的主要区别是什么？观察一只灯泡，列举出制造灯泡所需要的材料。材料按其组成和结构可以分为哪几类？简述材料化学的主要内容。Chapter1Introduction67第一章绪论第二章材料的结构第三章材料的性能第四章材料化学热力学第五章材料的制备第六章金属材料第七章无机非金属材料第八章高分子材料第九章复合材料第十章纳米材料基础部分应用部分本课程的结构Chapter1Introduction68材料化学（再版目录）第一章绪论1.1材料与化学 11.2材料的分类 31.3材料化学的特点 41.4材料化学在各个领域的应用 51.5材料化学的主要内容 6第二章材料的结构2.1元素和化学键 92.2晶体学基本概念 162.3晶体缺陷 222.4金属材料的结构 312.5无机非金属材料的结构 382.6高分子材料的结构 54Chapter1Introduction69第三章材料的性能3.1化学性能 633.2力学性能

673.3热性能 723.4电性能 763.5磁性 803.6光学性能 83第四章材料化学