材料化学绪论

材料化学绪论第1页/共159页第一章绪论1.1材料的定义、分类和作用

一、材料的定义1.《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。材料和原料合称为原材料。第2页/共159页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。第3页/共159页2、材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。师昌绪主编：《材料大辞典》p583、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》第4页/共159页材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质.材料=物质

Materials=Matter食物是材料？火药，固体火箭推进剂是材料？第5页/共159页第6页/共159页第7页/共159页第8页/共159页第9页/共159页第10页/共159页光电子材料第11页/共159页材料是人类赖以生活和生产的物质基础，是人们用以作为物品的物质。生产技术的进步是和新材料的应用密切相关的，因为材料的好坏直接影响着生产工具的优劣和产品的质量，所以人们总是不断地去寻找、发现新材料，以促进生产、改善物质文化生活。第12页/共159页每一种新材料的发现和应用，都会给社会生产和生活面貌带来巨大改变，把人类物质文明推向前进。因此，历史学家往往用制造工具的原材料作为社会发展的标志。第13页/共159页旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器时代人类历史的发展按照使用材料进行划分分为四个阶段：第14页/共159页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？合成高分子（二十世纪初）纳米材料（二十世纪80年代）第15页/共159页旧石器时代

距今约300万年～距今约1万年群居洞穴的猿人通过简单加工获得石器以狩猎、护身和生存；第16页/共159页新石器时代

距今1.2万年到距今4000年随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织第17页/共159页青铜器时代青铜时代大约源于4000~5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。第18页/共159页铁器时代铁器时代被认为是始于2000多年前，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展第19页/共159页钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。第20页/共159页二战结束的时候，钢铁仍然是整个世界经济的支柱。意识到必须具有高质量和低成本的钢铁，日本开始大力发展钢铁工业第21页/共159页1970年以后，世界已经处于硅时代，日本开始大力发展半导体工业，使得家用电器的生产在世界市场中占据了绝对优势。英国此时却忽略了硅时代的到来，由于没有相应的技术政策和战略眼光，其结果是英国有2000名研究硅材料的科学家流入美国硅谷。1988年仅在信息技术产品这一项上，英国对日本的贸易赤字就高达2.2亿英镑，这还不包括由硅片控制的自动聚焦的照相机之类的产品。第22页/共159页一般说来，一种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第23页/共159页因此材料也可以定义为：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质.

第24页/共159页新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。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。新材料传统材料按材料的生命周期来分类第25页/共159页石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸盐，分为温石棉和青石棉两种，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。石棉经过加工后制成的纺织、石棉水泥制品，具有耐磨、绝缘等特点，还可制成防火材料、滤料、填料等。据统计，石棉的各种用途已逾千种。“夕阳”材料：石棉第26页/共159页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。据保守估计，今后30年中死于石棉污染者将达到100万，其中大多数是制造含石棉的地板、天花板、屋顶材料、接合剂和自动闸的工人。若进行大规模楼层定向爆破、拆除等工作时，现场附近人员不采取防护措施，也极可能被伤害。第27页/共159页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。1996年中国粗钢产量首次突破1亿吨大关，中国粗钢产量跃居世界第一以来，中国粗钢产量随后呈连年增长的趋势，并且钢产量一直位居世界第一。中国的不锈钢产业则在近十年里取得了飞速增长，2001年，中国不锈钢粗钢产量仅为73万吨，占全球当年产量的3.8%，随后中国的不锈钢产量连续10年呈现超过20%的年均增长率。2006年，中国不锈钢粗钢产量561万吨，首次位居世界第一，至今，中国的不锈钢粗钢产量也已经占据世界总产量的近一半。

“夕阳”材料工业：钢铁第28页/共159页2014年2月总部设在英国的钢铁工业和市场分析公司(MEPS)发布全球钢铁产量和不锈钢产量报告，2013年中国以7.79亿吨的粗钢产量位居世界第一，占全球粗钢产量的48.5%，而中国2013年不锈钢产量也达到约1800万吨，占全球总产量的48.3%。第29页/共159页第30页/共159页在“9·11”事件中变成废墟的纽约世贸大厦（建于1962年－1976年。占地6.5公顷，由两座110层（另有6层地下室）高411.5米的塔式摩天楼和4幢办公楼及一座旅馆组成

）的40万吨废钢铁被运往中国和印度，回炉后重新使用。第31页/共159页材料中的“常青树”：陶瓷第32页/共159页按材料的组成分类金属材料(Metal)：钢铁材料、有色金属、合金铝、钛、铜、镍、有机高分子材料(Polymer)：天然的、合成的塑料,橡胶,合成纤维等.无机非金属材料(Ceramics)：陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型结构和功能陶瓷(SiC)复合材料(Composites)：陶瓷基、金属基、高分子基复合材料二、材料的分类第33页/共159页按材料的用途分类结构材料

(以力学性能为基础，制造受力构件所用材料)：支撑件、连接件、传动件、紧固件等，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(利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料

)

：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。第34页/共159页按材料内部原子排列情况分类固体材料晶态材料非晶态材料液态材料气态材料第35页/共159页从材料尺度角度分类三维材料

块体材料二维材料薄膜、涂层等(金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)

一维材料纤维、晶须等(光导纤维、高强纤维)

零维材料粉体第36页/共159页其他分类方法状态分类:单晶、多晶、非晶、复合物理性质分类：高强、超硬、高温、绝缘、导电、超导、透光、磁性功能性质分类：铁电、压电、热电、光电、磁光、智能用途分类；耐火、耐酸（碱）、耐磨、光学、感光、电子、电工、贮氢、节能、燃料电池第37页/共159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超耐热合金非晶合金轻质合金等导电材料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塑料、橡胶、纤维涂料、粘合剂工程高分子功能高分子材料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混合分类法新材料系第38页/共159页三、材料科学与材料化学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。第39页/共159页超音速飞机(镍基超级合金)

计算机(晶体管、半导体)

航天飞机(高温结构陶瓷)20世纪中叶的几项成果第40页/共159页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。第41页/共159页20世纪80年代出现的新技术革命把新材料、信息技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项以材料为主。同年，美国白宫发布美国国家关键技术项目共6领域22项关键，材料为6领域之一。材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金5项为关键。从1995年至2001年每两年更新一次的《美国国家关键技术》报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。第42页/共159页2001年日本文部省发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟第六框架计划和韩国的国家计划等把功能材料技术列为关键技术之一加以重点支持。我国863高技术发展计划，材料是7个重点之一，重大基础研究攀登计划的30个重大课题中有7个与材料直接有关。第43页/共159页 材料涉及的领域极为广泛，举凡国家的工农业建设和国防建设，人民生活水平的提高，无不与材料密切相关。所以材料的科学研究、新产品的开发、工业大生产与合理应用都关系到社会进步、国家安全，因此人们把材料誉为现代文明的三大支柱之一。

摘自：师昌绪主编《材料大辞典》前言第44页/共159页新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比作1，那么小轿车为5，家电为30，飞机为200，计算机为1000，集成电路芯片则为10000。产品中的技术含量越高，收益就越高。

2000年，世界新材料市场销售额达到4000亿美元，美国占市场份额40%，日本占市场份额20%。据1982年统计，美国每年因材料腐蚀造成的直接经济损失为1260亿美元。材料断裂和磨损造成的损失分别为1190亿和1000亿美元。第45页/共159页新材料在高技术中的应用几个实例第46页/共159页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。工作温度提高到1300℃无需水冷装置发动机效率提高30%左右节省能源,减少了环境污染阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性

第47页/共159页贝壳和陶瓷发动机英国帝国化学工业公司的威廉·克莱格博士将碳化硅表面涂覆石墨,再把涂上石墨层的碳化硅陶瓷一层层叠起来加热挤压，使坚硬的碳化硅陶瓷粘在石墨层上，就像“千层饼”似的。断裂韧性比普通SiC陶瓷增加100倍.第48页/共159页美国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

第49页/共159页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4500万美元（公元2008年4月22日退役），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。第50页/共159页F117第51页/共159页F22猛禽第52页/共159页第53页/共159页第54页/共159页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名宇航员全部遇难第55页/共159页

“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

第56页/共159页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。第57页/共159页材料科学研究的内容合成与制备SynthesisandFabrication成分与结构Structures性能Properties效能与功能Performance第58页/共159页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。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是材料科学的四个基本要素。材料科学研究的目的则是在这四个基本要素方面进行不懈地努力，以期使材料的发展更好地为人类社会的进步服务。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。第59页/共159页材料，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

提供性能的要求第60页/共159页

从材料的推出过程可以看到，新材料的研制和商品化涉及到许多科学门类，其中最基础的学科有3个：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。第61页/共159页未来材料科学发展的化学基本问题：

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。第62页/共159页在3到13世纪，中国保持着一个让西方人望尘莫及的科学知识水平。 英国科学家李约瑟<中国科学技术史>越王勾践的宝剑青铜编钟

……我国的材料研究第63页/共159页第64页/共159页这套编钟是在洛庄汉墓主墓室北面的14号陪葬坑内出土的。编钟出土时排列整齐，可看出当时是挂在架子上埋进去的。难能可贵的是，这套编钟在地下保存得非常完好，出土之后，轻轻擦拭便锃亮如新。第65页/共159页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+169千卡第66页/共159页“一硝二磺三木炭”的原理在抗日战争中也发挥了巨大的作用。第67页/共159页形成了一支40万人的研究与生产队伍，其中科研人员近10万人。研究单位有300多个，新材料生产工厂1000多个。各类大学有150多个与材料有关的专业，毕业生的数量与美国相近。我国的新材料研究第68页/共159页在光学晶体、有机分离膜、稀土永磁材料、高温超导体、准晶态研究等方面已取得举世瞩目的成绩，但与发达国家相比在总体水平上估计落后10年左右。钢材和化工有机合成材料要靠进口，高技术所需的新材料以及引进生产线所用原材料大量依靠国外。我国的新材料研究第69页/共159页1986年4月，Mueller和Bednorz报道临界温度35K；12月，东京大学重复出了上述结果；同时，美国休斯顿大学朱经武等人获得了转变温度为52K的超导材料。1987年2月，日本东京大学，85K1987年2月15日，朱经武等人，98K1987年2月19日，中科院物理所100K；1987年3月4日，日本金属材料研究所，123K1987年3月4日，北京大学123K1987年3月，联邦德国125K来看看那段特殊历史时期的一次特殊竞赛第70页/共159页不少研究起步不晚成果不错，但形不成商品及产业。“成果一大片，材料看不见”。国家在新材料研究开发上的总投资估计超过50亿元，但形成的新材料生产的产值不大，大大影响了我国工业特别是高技术产业的发展。我国的新材料研究第71页/共159页国内材料研究现状中国科学院沈阳金属研究所(金属材料)中国科学院上海硅酸盐研究所(陶瓷材料)中国科学院上海有机所(有机化学和高分子材料)清华大学材料与工程学院第72页/共159页新材料的发展方向结构功能的复合化功能材料的智能化(smart)

材料与器件的集成化制备和使用工程的绿色化第73页/共159页材料的复合化-复合材料古代－近代－先进复合材料天然复合材料树木和竹子：纤维素和木质素的复合体贝壳、动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成古代：使用、效仿半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今漆器－－土漆和麻布复合而成，至今已四千多年蒙古弓－－由牛角和木材复合而成,韧性好,张力大第74页/共159页现代复合弓第75页/共159页人类第一架全复合材料飞机第76页/共159页材料的智能化月面天线略图（1）在军事和航天工业方面的应用第77页/共159页

第78页/共159页79

（2）在工程方面的应用形状记忆合金管接口Chapter6MetallicMaterials第79页/共159页80ExamplesTiNi记忆合金眼镜架超弹性耐腐蚀性重量轻Chapter6MetallicMaterials第80页/共159页材料的集成化生物传感器-酶电极第81页/共159页思考题什么是材料化学？其主要特点是什么？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。

第82页/共159页第83页/共159页第84页/共159页第85页/共159页第86页/共159页第87页/共159页第88页/共159页第89页/共159页第90页/共159页第91页/共159页第92页/共159页第93页/共159页第94页/共159页第95页/共159页第