材料化学第讲概述

材料化学第讲概述1第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六《材料化学导论》Teacher:Ph.D.TengyunZhang(张腾云)E-mail:bgzhangty@2007－2008

学年第2学期第一讲序论IntroductiontoMaterialsChemistry2第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期六平时作业-10%平时出勤与纪律-15%读后感（JournalofMaterialsChemistry中一篇感兴趣论文)-15%期末考试-60%（某种材料的研究进展；基础测试）《材料化学导论》的考核3第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期六听课与自学相结合《材料化学导论》学习方式：本教材网上浏览请安装《超星图书浏览器》软件，在图书馆下载。参考书请参考课件后的提示，也可自己寻找合适的参考资料。4第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期六

1947年，据说，在美国新墨西哥州哥西维尔地方，坠毁了一艘外星来的宇宙飞船。科学家们纷纷云集此地，对这艘飞船进行了全方位的研究，于是地球上就诞生了半导体、光纤、激光器等一系列对当代文明产生了显著影响的新材料。后来美国政府将这艘飞船隐匿了起来……现代文明的材料传说：哈哈哈哈！天方夜谭5第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期六“材料是人类文明的物质基础”

材料、能源、信息为当代技术的三大支柱，而材料又是能源和信息工业技术的物质基础。天然化石能源的有效利用，新能源的开发，信息工程中的信息采集、处理和执行等都是需要各种功能材料。因此新材料的发明、应用和开发往往是人类社会文明发展进程的里程碑。

旧石器时代新石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代

某一类材料的特征及其广泛应用就是人类文明史各个阶段的一种标志例如焦炭和钢铁的生产开始了资本主义的工业革命；石油的催化裂解促进了塑胶工业；而一些智能材料的发明和应用开辟了信息时代。从现代科技发展史来看，一种新的固态化合物的合成，它的功能特性的发现和实际应用，往往可以导致一个新的科技领域的产生和一种新产业的兴起。6第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期六一个示例：

高比强铝合金給20世纪的“新”材料带来了第一个突破比强：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：0.64106cm铝合金的比强度为：2.64106cm

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。7第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期六铝铝是一种轻金属，密度2.7g/cm3,大约是铁的1/3。纯铝的拉伸强度只有48MPa，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世纪发现了Al元素的存在，1825年丹麦物理学家HansOersted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。8第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期六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。9第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期六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℃)在

上可以找到很多关于铝以及铝合金的信息10第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期六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，美铝了成为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。11第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六铝的应用市场的打开……铝的应用市场的打开是从20世纪30年代开始的。为了提高铝的比强度，当时关于铝的研究有两个热门话题：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，保持其单相组织。此后再在稍高于室温的温度下加热，使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的强度。12第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期六铝合金的出现，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

2000年，光美国就生产了1000亿个铝易拉罐。轻、薄、耐腐蚀。易拉罐上的易拉扣，的确是一项高技术，代表了铝材和铝加工的现代成就。13第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期六我们现在所处的时代应该称为什么时代？钢硅塑料合成材料半导体精密陶瓷复合材料纳米材料……14第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期六

当代，材料成为了一个新的独立的科学门类。这个新学科与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，但是具有其独特的鲜明的个性。也正是因为与各个传统科学门类水乳交融，材料学科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4个主要分支。15第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期六本课程所涉及的内容就属于材料化学这一分支。而在本课程的绪论中，我们将首先明确几个相关的名词：材料材料科学材料化学16第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期六第一章绪论Chapter1Introduction17第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.1

基本概念Chapter1Introduction(1)什么是材料？水是材料？冰是材料？材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质材料=物质

Materials=Matter18第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.1

基本概念Chapter1Introduction(2)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。20世纪中叶的几项成果：

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)19第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期六一个示例：哥伦比亚空难与材料

“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。20第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期六一个示例：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。21第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.1

基本概念Chapter1Introduction材料科学研究的内容合成与制备SynthesisandFabrication结构Structures性能Properties效能与功能Performance22第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.1

基本概念Chapter1Introduction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。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。23第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.1

基本概念Chapter1Introduction(3)材料化学材料中原子、离子或分子的排列方式、不同组成间的化学反应等材料制备工艺过程中的化学问题材料的化学性质以及其他各类性质中的化学因素环境对材料的影响(例如腐蚀)材料化学是材料科学的一个重要组成部分，在化学学科中通常也称为“固体化学”。材料化学介绍的是从化学角度来进行材料科学研究所需要的基本知识。24第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.1

基本概念Chapter1Introduction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。25第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.1

基本概念Chapter1Introduction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；一磺二硝三木炭的组合则生成了火药。S+2KNO3+3C=N2↑+3CO2↑+K2S+169千卡26第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.1

基本概念Chapter1Introduction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。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。27第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.2

材料的发展概况Chapter1Introduction材料的发现、发展和应用是人类文明的标志几乎所有的物质都可以称为是材料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那么下一个问题就是先来看看材料的发展历史……28第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.2

材料的发展概况Chapter1Introduction材料的发现、发展和应用是人类文明的标志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。旧石器时代：这段文化时期，最早开始于大约750,000年以前的以狩猎和打制石器工具为主。新石器时代：属于或同始于大约公元前10,000年中东及后来其它一些地方的文化时期相关，以农业发展和磨制石具的制作为特征。29第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.2

材料的发展概况Chapter1Introduction材料的发现、发展和应用是人类文明的标志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30第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.2

材料的发展概况Chapter1Introduction材料的发现、发展和应用是人类文明的标志青铜时代大约源于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。31第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.2

材料的发展概况Chapter1Introduction材料的发现、发展和应用是人类文明的标志（3）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。32第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.2

材料的发展概况Chapter1Introduction材料的发现、发展和应用是人类文明的标志33第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.2

材料的发展概况Chapter1Introduction材料的发现、发展和应用是人类文明的标志钢铁、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。34第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.3

材料的重要性Chapter1Introduction（1）水环境治理——膜材料科学技术；

（2）服侍、鞋袜；（3）眼镜；（4）建筑材料；

（5）飞机、航天工业等。35第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.3

材料的重要性Chapter1Introduction一个示例：隐形飞机与材料

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。36第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.3

材料的重要性Chapter1Introduction一个示例：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。37第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期六1.3

材料的重要性Chapter1Introduction一个示例：隐形飞机与材料

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。38第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期六Chapter1Introduction1.4

材料的分类和要素1.4.1材料的分类(1)按组成分类金属材料(Metal)钢铁材料、非铁材料、合金有机高分子材料(Polymer)天然的、合成的无机非金属材料(Ceramics)陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷复合材料(Composites)其中复合材料是由前三者相互构成的。39第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期六Chapter1Introduction(2)按用途分类

结构材料（以力学性能为主）支撑件、连接件、传动件、紧固件等功能材料（以物理化学性能为主）磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料、生物医学材料等结构材料与功能材料的划分并不严格生物医学材料？1.4

材料的分类和要素1.4.1材料的分类40第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期六Chapter1Introduction(3)按尺度分类1.4

材料的分类和要素1.4.1材料的分类

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41第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期六Chapter1Introduction(3)按尺度分类1.4

材料的分类和要素1.4.1材料的分类

三维材料▲块体材料二维材料▲薄膜、涂层等(金刚石