材料化学绪论01

绪论材料科学及其发展材料的分类新材料应用举例材料化学第一页1第二页，共33页。一、材料科学及其发展

材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。师昌绪主编：《材料大辞典》

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、工程院联合编写《材料：人类的需求》1、什么是材料？第二页2第三页，共33页。几乎所有的物质都可以称为是材料，但并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注。那么，什么样的材料值得我们关注？

——实用价值第三页3第四页，共33页。材料实用价值的五个判据资源能源环保经济质量第四页4第五页，共33页。

考虑到上述各种因素之后，有人提出材料应该定义为：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质

第五页5第六页，共33页。2、材料科学及其发展

第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥；

冶炼：铜铁第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品，塑料、橡胶、纤维等已广泛用于生活。第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需要设计特殊性能的材料。例20世纪40年代的复合材料第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例记忆合金等。第六页6第七页，共33页。材料科学的发展过程：

发现与使用自然材料↓合成与设计材料↓赋予材料生命体功能第七页7第八页，共33页。20世纪科学技术领域发生了一系列惊人的重大发现（原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域），它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：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)这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。第八页8第九页，共33页。3、材料科学形成的背景

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。第九页9第十页，共33页。美国：50年代末美国政府就制定了全国材料发展规划，70~80年代又进行了多次的补充和修正，把重点放在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本：在1980年开展了为期10年耗资4亿美元的新材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。欧洲：与前苏联也制订了类似的规划，竞争的项目也集中在这些领域。第十页10第十一页，共33页。英国人悲哀地说：英国没有硅工业了，英国从第一流的经济大国变为了第二流的经济发达国家，而日本却从第二流的经济发达国家变成了第一流的经济大国。第十一页11第十二页，共33页。二、材料的分类第十二页12第十三页，共33页。按材料的组成分类金属材料（纯金属、合金）：优良力学性能（强度、塑性）；可加工性；优异的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度小；比强度大；绝缘性好；耐腐蚀；易加工。无机非金属材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高温；抗腐蚀；高硬度；优良介电、压电、光学、磁学性能。复合材料（玻璃钢，碳纤维聚合物，陶瓷基、金属基）：两种以上；特殊方法。第十三页13第十四页，共33页。按材料的用途分类结构材料：力学性能为基础

（例支撑件、连接件、传动件、紧固件）功能材料：特殊的物理、化学性能为基础

（磁性、电子、信息、光学、敏感、能源）结构材料与功能材料的划分并不严格生物医学材料？第十四页14第十五页，共33页。按材料内部原子排列情况分类晶态材料非晶态材料液态材料气态材料第十五页15第十六页，共33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--粉体第十六页16第十七页，共33页。三、新材料应用实例第十七页17第十八页，共33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。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。第十八页18第十九页，共33页。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

第十九页19第二十页，共33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。第二十页20第二十一页，共33页。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。第二十一页21第二十二页，共33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二十二页22第二十三页，共33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（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

第二十三页23第二十四页，共33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。第二十四页24第二十五页，共33页。

2005年8月9日，美国的“发现”号航天飞机平安着陆。它对于人类今后探索太空、进一步发展载人航天事业具有重要意义。与此同时，美国航天飞机两年半来重返太空的这次首航，在美国航天界、舆论界及民众中引发了对航天飞机探测飞行前景及对载人飞行安全前所未有的关注……第二十五页25第二十六页，共33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材料与器件的集成化制备和使用工程的绿色化第二十六页26第二十七页，共33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。在光学晶体、有机分离膜、稀土永磁材料、高温超导体、准晶态研究等方面取得举世瞩目成绩。与发达国家相比，总体水平估计落后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二十七页27第二十八页，共33页。四、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。第二十八页28第二十九页，共33页。化学与材料亲密接触的历史火与陶瓷：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。四大发明：造纸—蒸煮草木灰提炼纤维火药—一硝二磺三木炭

2KNO3+3C+S=N2↑+3CO2↑+K2S+169千卡第二十九页29第三十页，共33页。“一硝二磺三木炭”的原理在抗日战争时期发挥了巨大的作用。第