材料化學(xué)緒論01

緒論材料科學(xué)及其發(fā)展材料的分類(lèi)新材料應(yīng)用舉例材料化學(xué)第一頁(yè)1第二頁(yè)，共33頁(yè)。一、材料科學(xué)及其發(fā)展

材料是可以用來(lái)制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。師昌緒主編：《材料大辭典》

材料是“具有一定性能的物質(zhì),可以用來(lái)制成一些機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品”美國(guó)科學(xué)院、工程院聯(lián)合編寫(xiě)《材料：人類(lèi)的需求》1、什么是材料？第二頁(yè)2第三頁(yè)，共33頁(yè)。幾乎所有的物質(zhì)都可以稱(chēng)為是材料，但并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關(guān)注。那么，什么樣的材料值得我們關(guān)注？

——實(shí)用價(jià)值第三頁(yè)3第四頁(yè)，共33頁(yè)。材料實(shí)用價(jià)值的五個(gè)判據(jù)資源能源環(huán)保經(jīng)濟(jì)質(zhì)量第四頁(yè)4第五頁(yè)，共33頁(yè)。

考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應(yīng)該定義為：人類(lèi)社會(huì)所能夠接受的經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)

第五頁(yè)5第六頁(yè)，共33頁(yè)。2、材料科學(xué)及其發(fā)展

第一代（天然材料）：自然界的礦物、植物以及動(dòng)物第二代（燒煉材料）：燒結(jié)：磚瓦、陶瓷、玻璃、水泥；

冶煉：銅鐵第三代（合成材料）：20世紀(jì)初出現(xiàn)化工產(chǎn)品，塑料、橡膠、纖維等已廣泛用于生活。第四代（可設(shè)計(jì)材料）：前三代為單一產(chǎn)品，于是根據(jù)需要設(shè)計(jì)特殊性能的材料。例20世紀(jì)40年代的復(fù)合材料第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例記憶合金等。第六頁(yè)6第七頁(yè)，共33頁(yè)。材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程：

發(fā)現(xiàn)與使用自然材料↓合成與設(shè)計(jì)材料↓賦予材料生命體功能第七頁(yè)7第八頁(yè)，共33頁(yè)。20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航空航天、激光、信息、能源等領(lǐng)域），它有力地促進(jìn)了材料的發(fā)展，使得材料在20世紀(jì)中葉，發(fā)生了一次“革命性”的飛躍：超音速飛機(jī)(鎳基超級(jí)合金)計(jì)算機(jī)(晶體管、半導(dǎo)體)航天飛機(jī)(高溫結(jié)構(gòu)陶瓷)這個(gè)飛躍的標(biāo)志就是“材料科學(xué)”的形成。第八頁(yè)8第九頁(yè)，共33頁(yè)。3、材料科學(xué)形成的背景

20世紀(jì)中葉是蘇美兩個(gè)超級(jí)大國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行全面競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。材料的競(jìng)爭(zhēng)是其中的主要內(nèi)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(xué)研究。美國(guó)從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學(xué)作為一個(gè)學(xué)科對(duì)待。第九頁(yè)9第十頁(yè)，共33頁(yè)。美國(guó)：50年代末美國(guó)政府就制定了全國(guó)材料發(fā)展規(guī)劃，70~80年代又進(jìn)行了多次的補(bǔ)充和修正，把重點(diǎn)放在超硬化合物、半導(dǎo)體激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本：在1980年開(kāi)展了為期10年耗資4億美元的新材料發(fā)展規(guī)劃，重點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)榫芴沾?、功能高分子、?fù)合材料、生物材料等。歐洲：與前蘇聯(lián)也制訂了類(lèi)似的規(guī)劃，競(jìng)爭(zhēng)的項(xiàng)目也集中在這些領(lǐng)域。第十頁(yè)10第十一頁(yè)，共33頁(yè)。英國(guó)人悲哀地說(shuō)：英國(guó)沒(méi)有硅工業(yè)了，英國(guó)從第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)變?yōu)榱说诙鞯慕?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家變成了第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)。第十一頁(yè)11第十二頁(yè)，共33頁(yè)。二、材料的分類(lèi)第十二頁(yè)12第十三頁(yè)，共33頁(yè)。按材料的組成分類(lèi)金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性）；可加工性；優(yōu)異的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度??；比強(qiáng)度大；絕緣性好；耐腐蝕；易加工。無(wú)機(jī)非金屬材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高溫；抗腐蝕；高硬度；優(yōu)良介電、壓電、光學(xué)、磁學(xué)性能。復(fù)合材料（玻璃鋼，碳纖維聚合物，陶瓷基、金屬基）：兩種以上；特殊方法。第十三頁(yè)13第十四頁(yè)，共33頁(yè)。按材料的用途分類(lèi)結(jié)構(gòu)材料：力學(xué)性能為基礎(chǔ)

（例支撐件、連接件、傳動(dòng)件、緊固件）功能材料：特殊的物理、化學(xué)性能為基礎(chǔ)

（磁性、電子、信息、光學(xué)、敏感、能源）結(jié)構(gòu)材料與功能材料的劃分并不嚴(yán)格生物醫(yī)學(xué)材料？第十四頁(yè)14第十五頁(yè)，共33頁(yè)。按材料內(nèi)部原子排列情況分類(lèi)晶態(tài)材料非晶態(tài)材料液態(tài)材料氣態(tài)材料第十五頁(yè)15第十六頁(yè)，共33頁(yè)。從材料尺度角度分類(lèi)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(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜、耐磨涂層)一維材料--纖維、晶須等

(光導(dǎo)纖維、高強(qiáng)纖維)零維材料--粉體第十六頁(yè)16第十七頁(yè)，共33頁(yè)。三、新材料應(yīng)用實(shí)例第十七頁(yè)17第十八頁(yè)，共33頁(yè)。1982年日本首次研制出了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)小汽車(chē)。它的出現(xiàn)使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕，提高燃燒度和節(jié)約燃料的愿望成為現(xiàn)實(shí)。1988年前蘇聯(lián)一架以液氫為燃料的中型運(yùn)輸機(jī)首次試飛成功。液氫的沸點(diǎn)為

253C，攜儲(chǔ)液氫需要高效率的絕熱材料。液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，則意味著低溫極限技術(shù)已達(dá)到實(shí)用化程度。1989年日本一艘潛水調(diào)查船下潛到6500米的深海區(qū)，打破了美國(guó)、前蘇聯(lián)和德國(guó)的下潛紀(jì)錄。這艘潛水艇耐水艙使用的是一種高強(qiáng)度鈦合金，觀察窗使用的是一種新型的有機(jī)玻璃。第十八頁(yè)18第十九頁(yè)，共33頁(yè)。美國(guó)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的隱身戰(zhàn)斗機(jī)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(dá)或紅外線、可見(jiàn)光、聲探測(cè)等傳感器發(fā)現(xiàn)。隱形飛機(jī)之所以能夠隱形，主要是綜合采用了隱身外形技術(shù)、隱身材料技術(shù)、紅外線抑制和干擾技術(shù)、聲波隱身技術(shù)以及微電子技術(shù)等，具有降低其在雷達(dá)屏幕上的特征、壓制噪聲、減弱飛機(jī)紅外圖像特征、抑制無(wú)線電信號(hào)傳輸?shù)刃阅?。隱形飛機(jī)與材料

第十九頁(yè)19第二十頁(yè)，共33頁(yè)。隱形武器由于其科技含量高，對(duì)材料要求苛刻，研制費(fèi)用異常高。美國(guó)的F-117A隱形飛機(jī)單價(jià)為1.1億美元，B-2隱形轟炸機(jī)單價(jià)更高達(dá)5.3億美元，比與機(jī)體等重量的黃金價(jià)值還要高。最近，美國(guó)又以4000億美元的天價(jià)，開(kāi)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(jī)。第二十頁(yè)20第二十一頁(yè)，共33頁(yè)。F-117A戰(zhàn)斗機(jī)周身幾乎全由直線構(gòu)成，機(jī)體表面使用了6種不同的雷達(dá)吸波涂層材料，大大降低了雷達(dá)探測(cè)度。經(jīng)科學(xué)家測(cè)試，雷達(dá)在距離F-117A飛機(jī)600米時(shí)，就已完全接收不到它發(fā)出的信號(hào)。第二十一頁(yè)21第二十二頁(yè)，共33頁(yè)。在美國(guó)的航天史上發(fā)生過(guò)三起巨大災(zāi)難

1967年1月27日：阿波羅號(hào)飛船升空時(shí)爆炸，三名宇航員遇難；

1986年1月28日：挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)升空時(shí)爆炸，包括一名女教師在內(nèi)的宇航員全部遇難；

2003年2月1日：“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)在完成16天的太空研究任務(wù)后，在返回大氣層時(shí)突然發(fā)生解體，機(jī)上7名宇航員全部遇難第二十二頁(yè)22第二十三頁(yè)，共33頁(yè)?！案鐐惐葋喬?hào)”是航天飛機(jī)第一次在即將著陸時(shí)發(fā)生的災(zāi)難?？针y發(fā)生后，由美國(guó)宇航（NASA）組成了由材料和工藝工程師及科學(xué)家組成的調(diào)查組對(duì)飛機(jī)殘骸進(jìn)行了重組、殘骸材料的冶金分析以及模擬試驗(yàn)，分析了航天飛機(jī)爆炸的原因。“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)的爆炸，震驚了世人，同時(shí)也引起了人們對(duì)材料的關(guān)注，材料分析揭開(kāi)了哥倫比亞空難之謎。哥倫比亞空難與材料

第二十三頁(yè)23第二十四頁(yè)，共33頁(yè)。這張照片是在哥倫比亞號(hào)返回地球的11天前拍攝并傳回的，通過(guò)哥倫比亞號(hào)上隨機(jī)安裝的一架照相機(jī)拍攝。升空時(shí)，從燃料箱腳架處掉下的一塊隔熱泡沫砸到左翼碳／碳復(fù)合材料面板下半部附近造成裂縫。而后高溫?zé)犭x子流穿過(guò)此處，使機(jī)翼鋁合金、鐵基合金、鈉基合金結(jié)構(gòu)熔化，導(dǎo)致航天飛機(jī)失控、機(jī)翼破壞和機(jī)體解體。第二十四頁(yè)24第二十五頁(yè)，共33頁(yè)。

2005年8月9日，美國(guó)的“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)平安著陸。它對(duì)于人類(lèi)今后探索太空、進(jìn)一步發(fā)展載人航天事業(yè)具有重要意義。與此同時(shí)，美國(guó)航天飛機(jī)兩年半來(lái)重返太空的這次首航，在美國(guó)航天界、輿論界及民眾中引發(fā)了對(duì)航天飛機(jī)探測(cè)飛行前景及對(duì)載人飛行安全前所未有的關(guān)注……第二十五頁(yè)25第二十六頁(yè)，共33頁(yè)。新材料的發(fā)展方向結(jié)構(gòu)功能的復(fù)合化功能材料的智能化材料與器件的集成化制備和使用工程的綠色化第二十六頁(yè)26第二十七頁(yè)，共33頁(yè)。形成了一支40萬(wàn)人的研究與生產(chǎn)隊(duì)伍，其中科研人員近10萬(wàn)人。研究單位有300多個(gè)，新材料生產(chǎn)工廠1000多個(gè)。各類(lèi)大學(xué)有150多個(gè)與材料有關(guān)的專(zhuān)業(yè)，畢業(yè)生的數(shù)量與美國(guó)相近。在光學(xué)晶體、有機(jī)分離膜、稀土永磁材料、高溫超導(dǎo)體、準(zhǔn)晶態(tài)研究等方面取得舉世矚目成績(jī)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，總體水平估計(jì)落后10年左右。鋼材和化工有機(jī)合成材料要靠進(jìn)口，高技術(shù)所需的新材料以及引進(jìn)生產(chǎn)線所用原材料大量依靠國(guó)外。我國(guó)的新材料研究第二十七頁(yè)27第二十八頁(yè)，共33頁(yè)。四、材料化學(xué)材料中原子、離子或分子的排列方式、不同組成間的化學(xué)反應(yīng)等材料制備工藝過(guò)程中的化學(xué)問(wèn)題材料化學(xué)性質(zhì)以及其他各類(lèi)性質(zhì)中的化學(xué)因素環(huán)境對(duì)材料的影響(例如腐蝕)材料化學(xué)是材料科學(xué)的一個(gè)重要組成部分，在化學(xué)學(xué)科中通常也稱(chēng)為“固體化學(xué)”。材料化學(xué)介紹的是從化學(xué)角度來(lái)進(jìn)行材料科學(xué)研究所需要的基本知識(shí)。第二十八頁(yè)28第二十九頁(yè)，共33頁(yè)?；瘜W(xué)與材料親密接觸的歷史火與陶瓷：人類(lèi)第一個(gè)化學(xué)上的發(fā)現(xiàn)是火，這是公元前50萬(wàn)年左右的事情。而人類(lèi)第一次真正有意識(shí)地創(chuàng)造發(fā)明的自然界并不存在的“新材料”

陶器就是在火的幫助下制造出來(lái)的。四大發(fā)明：造紙—蒸煮草木灰提煉纖維火藥—一硝二磺三木炭

2KNO3+3C+S=N2↑+3CO2↑+K2S+169千卡第二十九頁(yè)29第三十頁(yè)，共33頁(yè)?！耙幌醵侨咎俊钡脑碓诳谷諔?zhàn)爭(zhēng)時(shí)期發(fā)揮了巨大的作用。第