材料化學緒論

材料化學緒論第1頁/共159頁第一章緒論1.1材料的定義、分類和作用

一、材料的定義1.《辭?！?人們把自然界經過開采而獲得的勞動對象稱為原料。自然界自然存在而未經過人類任何勞動輸入的就不能稱為原料。例如，開采出來的礦物是冶金的原料，種植出來的小麥是制造面粉的原料，單采掘工業(yè)中就沒有原料。在加工工業(yè)中，一般把來自采掘工業(yè)和農業(yè)的勞動對象稱為原料，把經過工業(yè)加工的原料（如鋼鐵、水泥）稱為材料。材料和原料合稱為原材料。第2頁/共159頁經過人類勞動而取得的勞動對象稱為原料;經過二次加工的原料稱為材料。第3頁/共159頁2、材料是人類用于制造物品、器件、構件、機器或其他產品的那些物質。師昌緒主編：《材料大辭典》p583、材料是“具有一定性能的物質,可以用來制成一些機器、器件、結構和產品”。美國科學院、美國工程院聯(lián)合編寫

《材料：人類的需求》第4頁/共159頁材料是可以用來制造有用的構件、器件或物品的物質.材料=物質

Materials=Matter食物是材料？火藥，固體火箭推進劑是材料？第5頁/共159頁第6頁/共159頁第7頁/共159頁第8頁/共159頁第9頁/共159頁第10頁/共159頁光電子材料第11頁/共159頁材料是人類賴以生活和生產的物質基礎，是人們用以作為物品的物質。生產技術的進步是和新材料的應用密切相關的，因為材料的好壞直接影響著生產工具的優(yōu)劣和產品的質量，所以人們總是不斷地去尋找、發(fā)現(xiàn)新材料，以促進生產、改善物質文化生活。第12頁/共159頁每一種新材料的發(fā)現(xiàn)和應用，都會給社會生產和生活面貌帶來巨大改變，把人類物質文明推向前進。因此，歷史學家往往用制造工具的原材料作為社會發(fā)展的標志。第13頁/共159頁舊石器時代新石器時代青銅器時代鐵器時代人類歷史的發(fā)展按照使用材料進行劃分分為四個階段：第14頁/共159頁鋼硅塑料合成材料半導體精密陶瓷復合材料納米材料……我們現(xiàn)在所處的時代應該稱為什么時代？合成高分子（二十世紀初）納米材料（二十世紀80年代）第15頁/共159頁舊石器時代

距今約300萬年～距今約1萬年群居洞穴的猿人通過簡單加工獲得石器以狩獵、護身和生存；第16頁/共159頁新石器時代

距今1.2萬年到距今4000年隨著對石器加工制作水平的提高，出現(xiàn)了原始手工業(yè)如制陶和紡織第17頁/共159頁青銅器時代青銅時代大約源于4000~5000年前。青銅是銅錫鋁等元素組成的合金，與純銅相比，青銅熔點低，硬度高，比石器易制作且耐用。青銅器大大促進了農業(yè)和手工業(yè)的出現(xiàn)。第18頁/共159頁鐵器時代鐵器時代被認為是始于2000多年前，由鐵制作的農具、手工工具及各種兵器得以廣泛應用，大大促進了當時社會的發(fā)展第19頁/共159頁鋼鐵、水泥等材料的出現(xiàn)和廣泛應用，人類社會開始從農業(yè)和手工業(yè)社會進入了工業(yè)社會。本世紀半導體硅、高集成芯片的出現(xiàn)和廣泛應用，則把人類由工業(yè)社會推向信息和知識經濟社會。第20頁/共159頁二戰(zhàn)結束的時候，鋼鐵仍然是整個世界經濟的支柱。意識到必須具有高質量和低成本的鋼鐵，日本開始大力發(fā)展鋼鐵工業(yè)第21頁/共159頁1970年以后，世界已經處于硅時代，日本開始大力發(fā)展半導體工業(yè)，使得家用電器的生產在世界市場中占據(jù)了絕對優(yōu)勢。英國此時卻忽略了硅時代的到來，由于沒有相應的技術政策和戰(zhàn)略眼光，其結果是英國有2000名研究硅材料的科學家流入美國硅谷。1988年僅在信息技術產品這一項上，英國對日本的貿易赤字就高達2.2億英鎊，這還不包括由硅片控制的自動聚焦的照相機之類的產品。第22頁/共159頁一般說來，一種材料能否在一個時代引起人們關注、得到廣泛使用應該從以下幾方面加以分析資源能源環(huán)保經濟質量第23頁/共159頁因此材料也可以定義為：人類社會所能夠接受的經濟地制造有用器件的物質.

第24頁/共159頁新陳代謝這一生命規(guī)律在材料中也是同樣存在的。事實上，每種材料都有其生命曲線。出現(xiàn)發(fā)展成熟衰退衰退主要是由于社會發(fā)展和科學技術進步導致的。一個新材料的誕生，從實驗室研制出樣品到工業(yè)上的大規(guī)模實際使用，大概需要15~20年時間。新材料傳統(tǒng)材料按材料的生命周期來分類第25頁/共159頁石棉是含有鐵、鎂、鎳、鈣、鋁等元素的硅酸鹽，分為溫石棉和青石棉兩種，由于具有結實、抗彎、絕緣、隔熱、保溫、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點，所以被廣泛用于建筑、造船、航天和交通機械中隔熱、保溫、防火等領域。石棉經過加工后制成的紡織、石棉水泥制品，具有耐磨、絕緣等特點，還可制成防火材料、濾料、填料等。據(jù)統(tǒng)計，石棉的各種用途已逾千種?！跋﹃枴辈牧希菏薜?6頁/共159頁近年來的研究表明石棉是一種致癌物質，歐美國家許多癌癥的病因，都曾與石棉污染有關。目前這種狀況正在向發(fā)展中國家轉移。據(jù)保守估計，今后30年中死于石棉污染者將達到100萬，其中大多數(shù)是制造含石棉的地板、天花板、屋頂材料、接合劑和自動閘的工人。若進行大規(guī)模樓層定向爆破、拆除等工作時，現(xiàn)場附近人員不采取防護措施，也極可能被傷害。第27頁/共159頁鋼鐵工業(yè)在發(fā)達國家已進入衰退階段，原因是有許多新材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產污染環(huán)境，他們往往把這些企業(yè)放在第三世界國家。1996年中國粗鋼產量首次突破1億噸大關，中國粗鋼產量躍居世界第一以來，中國粗鋼產量隨后呈連年增長的趨勢，并且鋼產量一直位居世界第一。中國的不銹鋼產業(yè)則在近十年里取得了飛速增長，2001年，中國不銹鋼粗鋼產量僅為73萬噸，占全球當年產量的3.8%，隨后中國的不銹鋼產量連續(xù)10年呈現(xiàn)超過20%的年均增長率。2006年，中國不銹鋼粗鋼產量561萬噸，首次位居世界第一，至今，中國的不銹鋼粗鋼產量也已經占據(jù)世界總產量的近一半。

“夕陽”材料工業(yè)：鋼鐵第28頁/共159頁2014年2月總部設在英國的鋼鐵工業(yè)和市場分析公司(MEPS)發(fā)布全球鋼鐵產量和不銹鋼產量報告，2013年中國以7.79億噸的粗鋼產量位居世界第一，占全球粗鋼產量的48.5%，而中國2013年不銹鋼產量也達到約1800萬噸，占全球總產量的48.3%。第29頁/共159頁第30頁/共159頁在“9·11”事件中變成廢墟的紐約世貿大廈（建于1962年－1976年。占地6.5公頃，由兩座110層（另有6層地下室）高411.5米的塔式摩天樓和4幢辦公樓及一座旅館組成

）的40萬噸廢鋼鐵被運往中國和印度，回爐后重新使用。第31頁/共159頁材料中的“常青樹”：陶瓷第32頁/共159頁按材料的組成分類金屬材料(Metal)：鋼鐵材料、有色金屬、合金鋁、鈦、銅、鎳、有機高分子材料(Polymer)：天然的、合成的塑料,橡膠,合成纖維等.無機非金屬材料(Ceramics)：陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型結構和功能陶瓷(SiC)復合材料(Composites)：陶瓷基、金屬基、高分子基復合材料二、材料的分類第33頁/共159頁按材料的用途分類結構材料

(以力學性能為基礎，制造受力構件所用材料)：支撐件、連接件、傳動件、緊固件等，這些材料都具有抵抗外力作用而保持自己的形狀、結構不變的優(yōu)良力學性能。

功能材料(利用物質的獨特物理、化學性質或生物功能等而形成的一類材料

)

：具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功能及相互轉化的性能，被用于非結構目的的高技術材料。第34頁/共159頁按材料內部原子排列情況分類固體材料晶態(tài)材料非晶態(tài)材料液態(tài)材料氣態(tài)材料第35頁/共159頁從材料尺度角度分類三維材料

塊體材料二維材料薄膜、涂層等(金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半導體薄膜、耐磨涂層)

一維材料纖維、晶須等(光導纖維、高強纖維)

零維材料粉體第36頁/共159頁其他分類方法狀態(tài)分類:單晶、多晶、非晶、復合物理性質分類：高強、超硬、高溫、絕緣、導電、超導、透光、磁性功能性質分類：鐵電、壓電、熱電、光電、磁光、智能用途分類；耐火、耐酸（堿）、耐磨、光學、感光、電子、電工、貯氫、節(jié)能、燃料電池第37頁/共159頁金屬材料非金屬材料高分子材料復合材料金屬結構材料金屬功能材料新型陶瓷材料特種玻璃超耐熱合金非晶合金輕質合金等導電材料形狀記憶合金貯氫合金超導合金電氣陶瓷工程陶瓷超硬陶瓷敏感元件陶瓷快離子導體納米陶瓷優(yōu)異機械性能特種玻璃導電性能玻璃光學性能玻璃耐輻射性能玻璃集成電路材料磁記錄材料人工單晶材料塑料、橡膠、纖維涂料、粘合劑工程高分子功能高分子材料液晶材料纖維爭強材料聚合物基復合材料金屬基復合材料無機基復合材料混合分類法新材料系第38頁/共159頁三、材料科學與材料化學20世紀科學技術領域一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)導致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等領域的巨大變化，而這些巨大變化則有力地促進了材料的發(fā)展，使得材料在20世紀中葉發(fā)生了一次“革命性”的飛躍，這個飛躍的標志就是“材料科學”的形成。第39頁/共159頁超音速飛機(鎳基超級合金)

計算機(晶體管、半導體)

航天飛機(高溫結構陶瓷)20世紀中葉的幾項成果第40頁/共159頁20世紀中葉是蘇美兩個超級大國在各個領域進行全面競爭的時代。材料的競爭是其中的主要內容之一。1957年蘇聯(lián)率先將人造地球衛(wèi)星送上了天，從而引發(fā)了全球性的材料科學研究。美國從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學作為一個學科對待。第41頁/共159頁20世紀80年代出現(xiàn)的新技術革命把新材料、信息技術、生物技術并列為新技術革命的重要標志。美國國防部1991年提出20項關鍵技術，有5項以材料為主。同年，美國白宮發(fā)布美國國家關鍵技術項目共6領域22項關鍵，材料為6領域之一。材料合成與加工、電子和光子材料、陶瓷復合材料、高性能金屬與合金5項為關鍵。從1995年至2001年每兩年更新一次的《美國國家關鍵技術》報告中，特種功能材料和制品技術占了很大的比例。第42頁/共159頁2001年日本文部省發(fā)布的第七次技術預測研究報告中列出了影響未來的100項重要課題,一半以上為新材料或依賴于新材料發(fā)展的課題,而其中絕大部分均為功能材料。歐盟第六框架計劃和韓國的國家計劃等把功能材料技術列為關鍵技術之一加以重點支持。我國863高技術發(fā)展計劃，材料是7個重點之一，重大基礎研究攀登計劃的30個重大課題中有7個與材料直接有關。第43頁/共159頁 材料涉及的領域極為廣泛，舉凡國家的工農業(yè)建設和國防建設，人民生活水平的提高，無不與材料密切相關。所以材料的科學研究、新產品的開發(fā)、工業(yè)大生產與合理應用都關系到社會進步、國家安全，因此人們把材料譽為現(xiàn)代文明的三大支柱之一。

摘自：師昌緒主編《材料大辭典》前言第44頁/共159頁新材料發(fā)展與應用水平直接決定著經濟發(fā)展的水平。以每公斤產品的出廠價格計算，把原材料比作1，那么小轎車為5，家電為30，飛機為200，計算機為1000，集成電路芯片則為10000。產品中的技術含量越高，收益就越高。

2000年，世界新材料市場銷售額達到4000億美元，美國占市場份額40%，日本占市場份額20%。據(jù)1982年統(tǒng)計，美國每年因材料腐蝕造成的直接經濟損失為1260億美元。材料斷裂和磨損造成的損失分別為1190億和1000億美元。第45頁/共159頁新材料在高技術中的應用幾個實例第46頁/共159頁1982年日本首次研制出了陶瓷發(fā)動機小汽車。它的出現(xiàn)使發(fā)動機重量減輕，提高燃燒度和節(jié)約燃料的愿望成為現(xiàn)實。工作溫度提高到1300℃無需水冷裝置發(fā)動機效率提高30%左右節(jié)省能源,減少了環(huán)境污染阻礙陶瓷發(fā)動機實用化的主要障礙是陶瓷的脆性和由此導致的低可靠性

第47頁/共159頁貝殼和陶瓷發(fā)動機英國帝國化學工業(yè)公司的威廉·克萊格博士將碳化硅表面涂覆石墨,再把涂上石墨層的碳化硅陶瓷一層層疊起來加熱擠壓，使堅硬的碳化硅陶瓷粘在石墨層上，就像“千層餅”似的。斷裂韌性比普通SiC陶瓷增加100倍.第48頁/共159頁美國的隱身戰(zhàn)斗機所以能隱身，就是使用了一種吸波材料和吸波涂層。所謂隱形是指不易被雷達或紅外線、可見光、聲探測等傳感器發(fā)現(xiàn)。隱形飛機之所以能夠隱形，主要是綜合采用了隱身外形技術、隱身材料技術、紅外線抑制和干擾技術、聲波隱身技術以及微電子技術等，具有降低其在雷達屏幕上的特征、壓制噪聲、減弱飛機紅外圖像特征、抑制無線電信號傳輸?shù)刃阅?。隱形飛機與材料

第49頁/共159頁隱形武器由于其科技含量高，對材料要求苛刻，研制費用異常高。美國的F-117A隱形飛機單價為4500萬美元（公元2008年4月22日退役），B-2隱形轟炸機單價更高達5.3億美元，比與機體等重量的黃金價值還要高。最近，美國又以4000億美元的天價，開始研制一種集“隱形、敏捷、高速”為一體的F-35新型隱形戰(zhàn)機。第50頁/共159頁F117第51頁/共159頁F22猛禽第52頁/共159頁第53頁/共159頁第54頁/共159頁在美國的航天史上發(fā)生過三起巨大災難1967年1月27日：阿波羅號飛船升空時爆炸，三名宇航員遇難1986年1月28日：挑戰(zhàn)者號航天飛機升空時爆炸，包括一名女教師在內的宇航員全部遇難2003年2月1日：“哥倫比亞號”航天飛機在完成16天的太空研究任務后，在返回大氣層時突然發(fā)生解體，機上7名宇航員全部遇難第55頁/共159頁

“哥倫比亞號”是航天飛機第一次在即將著陸時發(fā)生的災難。空難發(fā)生后，由美國宇航局（NASA）組成了由材料和工藝工程師及科學家組成的調查組對飛機殘骸進行了重組、殘骸材料的冶金分析以及模擬試驗，分析了航天飛機爆炸的原因?！案鐐惐葋喬枴焙教祜w機的爆炸，震驚了世人，同時也引起了人們對材料的關注，材料分析揭開了哥倫比亞空難之謎。哥倫比亞空難與材料

第56頁/共159頁這張照片是在哥倫比亞號返回地球的11天前拍攝并傳回的，通過哥倫比亞號上隨機安裝的一架照相機拍攝。升空時，從燃料箱腳架處掉下的一塊隔熱泡沫砸到左翼碳／碳復合材料面板下半部附近造成裂縫。而后高溫熱離子流穿過此處，使機翼鋁合金、鐵基合金、鈉基合金結構熔化，導致航天飛機失控、機翼破壞和機體解體。第57頁/共159頁材料科學研究的內容合成與制備SynthesisandFabrication成分與結構Structures性能Properties效能與功能Performance第58頁/共159頁材料科學就是研究各種材料的成分與結構、合成與制備加工工藝、性能以及材料在服役過程中的表現(xiàn)這四個方面之間相互關系的科學。成分與結構、合成與制備加工工藝、性能以及材料在服役過程中的表現(xiàn)是材料科學的四個基本要素。材料科學研究的目的則是在這四個基本要素方面進行不懈地努力，以期使材料的發(fā)展更好地為人類社會的進步服務。新方法、新結構、新性能、新應用是發(fā)展新材料以及材料科學研究的永恒主題。第59頁/共159頁材料，包括結構材料和功能材料，絕大多數(shù)屬于固體狀態(tài)，因而材料科學也就是固體科學。它是研究材料的成分、結構、加工成性和性能及其轉化之間相互關系的一門科學。材料的推出過程如下：

送至送至送至

材料制備品質鑒定性能測試應用

為工藝控制提供數(shù)據(jù)

為品質鑒定提供數(shù)據(jù)

提供性能的要求第60頁/共159頁

從材料的推出過程可以看到，新材料的研制和商品化涉及到許多科學門類，其中最基礎的學科有3個：固體物理學：研究構成材料的固體的原子、離子及電子運動和相互作用的一般共性規(guī)律，提出各種模型和理論，以闡明固體的結構和性能之間的關系；固體化學：研究固體材料中具體的各類固體物質的合成方法、結構和表征、性質測定和應用及其相互關聯(lián)；

材料工程學：解決如何將固體物質制成可以使用的結構材料和器件，使之具有指定的形態(tài)(如纖維、薄膜、陶瓷體、集成塊等)和規(guī)定各種結構和性能，如具有特定的熱、力、光、電、聲、磁、化(學)和生(物)功能。第61頁/共159頁未來材料科學發(fā)展的化學基本問題：

分子結構—分子聚集體高級結構—材料結構—理化性能—功能之間的關系：掌握這些關系便可以減少盲目性，增加命中率。還需要建立測定高級結構的方法，研究理化性能和功能與高級結構的關系。合成功能分子與構筑高級結構的理論與方法的研究：如何構筑有序的高級結構是一個新的合成化學問題。或是在合成結構單元的時候如何時期能夠自組裝成為所需的高級結構；或是在獲得功能分子之后，再組裝為材料。第62頁/共159頁在3到13世紀，中國保持著一個讓西方人望塵莫及的科學知識水平。 英國科學家李約瑟<中國科學技術史>越王勾踐的寶劍青銅編鐘

……我國的材料研究第63頁/共159頁第64頁/共159頁這套編鐘是在洛莊漢墓主墓室北面的14號陪葬坑內出土的。編鐘出土時排列整齊，可看出當時是掛在架子上埋進去的。難能可貴的是，這套編鐘在地下保存得非常完好，出土之后，輕輕擦拭便锃亮如新。第65頁/共159頁我國的四大發(fā)明中至少有兩項是化學和材料的結合體通過蒸煮草木灰把植物中的纖維物質提煉出來制成了紙漿；一硝二磺三木炭的組合則生成了火藥。2KNO3+3C+S=N2↑+3CO2↑+K2S+169千卡第66頁/共159頁“一硝二磺三木炭”的原理在抗日戰(zhàn)爭中也發(fā)揮了巨大的作用。第67頁/共159頁形成了一支40萬人的研究與生產隊伍，其中科研人員近10萬人。研究單位有300多個，新材料生產工廠1000多個。各類大學有150多個與材料有關的專業(yè)，畢業(yè)生的數(shù)量與美國相近。我國的新材料研究第68頁/共159頁在光學晶體、有機分離膜、稀土永磁材料、高溫超導體、準晶態(tài)研究等方面已取得舉世矚目的成績，但與發(fā)達國家相比在總體水平上估計落后10年左右。鋼材和化工有機合成材料要靠進口，高技術所需的新材料以及引進生產線所用原材料大量依靠國外。我國的新材料研究第69頁/共159頁1986年4月，Mueller和Bednorz報道臨界溫度35K；12月，東京大學重復出了上述結果；同時，美國休斯頓大學朱經武等人獲得了轉變溫度為52K的超導材料。1987年2月，日本東京大學，85K1987年2月15日，朱經武等人，98K1987年2月19日，中科院物理所100K；1987年3月4日，日本金屬材料研究所，123K1987年3月4日，北京大學123K1987年3月，聯(lián)邦德國125K來看看那段特殊歷史時期的一次特殊競賽第70頁/共159頁不少研究起步不晚成果不錯，但形不成商品及產業(yè)?！俺晒淮笃牧峡床灰姟?。國家在新材料研究開發(fā)上的總投資估計超過50億元，但形成的新材料生產的產值不大，大大影響了我國工業(yè)特別是高技術產業(yè)的發(fā)展。我國的新材料研究第71頁/共159頁國內材料研究現(xiàn)狀中國科學院沈陽金屬研究所(金屬材料)中國科學院上海硅酸鹽研究所(陶瓷材料)中國科學院上海有機所(有機化學和高分子材料)清華大學材料與工程學院第72頁/共159頁新材料的發(fā)展方向結構功能的復合化功能材料的智能化(smart)

材料與器件的集成化制備和使用工程的綠色化第73頁/共159頁材料的復合化-復合材料古代－近代－先進復合材料天然復合材料樹木和竹子：纖維素和木質素的復合體貝殼、動物骨骼：無機磷酸鹽和蛋白質膠原復合而成古代：使用、效仿半坡人－－草梗合泥筑墻，且延用至今漆器－－土漆和麻布復合而成，至今已四千多年蒙古弓－－由牛角和木材復合而成,韌性好,張力大第74頁/共159頁現(xiàn)代復合弓第75頁/共159頁人類第一架全復合材料飛機第76頁/共159頁材料的智能化月面天線略圖（1）在軍事和航天工業(yè)方面的應用第77頁/共159頁

第78頁/共159頁79

（2）在工程方面的應用形狀記憶合金管接口Chapter6MetallicMaterials第79頁/共159頁80ExamplesTiNi記憶合金眼鏡架超彈性耐腐蝕性重量輕Chapter6MetallicMaterials第80頁/共159頁材料的集成化生物傳感器-酶電極第81頁/共159頁思考題什么是材料化學？其主要特點是什么？材料與試劑的主要區(qū)別是什么？觀察一只燈泡，列舉出制造燈泡所需要的材料。材料按其組成和結構可以分為哪幾類？簡述材料化學的主要內容。

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