第一章-绪论-(材料化学)

材料化学ChemistryofMaterials上课要求•课堂禁止玩手机，抓住一次，2000字手写版检讨书；•准备一个本子，作为课堂作业本；•迟到1次期末总成绩扣0.5分，旷课1次扣1分；•总评成绩=平时成绩*40%+期末成绩*60%•平时成绩=到课率+课堂表现+作业+课堂讲课10/7/20199:04PM参考教材10/7/20199:04PM31.推荐教材：《材料化学》，曾兆华化学工业出版社，（第二版）2015年月。2．参考教材《材料化学》，赵志凤，哈尔滨工业大学出版社，2012年8月；《材料化学》，宿慧，北京大学出版社，2012年8月；《材料化学》，朱光明等，机械工业出版社，2009年6月《材料化学导论》，唐小真高等教育出版社，2004年1月。10/7/20199:04PM4Chapter1Introduction绪论Chapter1Introduction10/7/20199:04PM5Catalog1.1材料的发展过程1.2材料的分类1.3材料化学的特点1.4材料化学的在各个领域的应用1.5材料化学的主要内容10/7/20199:04PM6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》p.58Materialsmaybedefinedasanysolid-statecomponentordevicethatmaybeusedtoaddreeacurrentorfuturesocietalneed。BradleyD.Fahlman《MaterialsChemistry》1、什么是材料？1.1材料的发展过程材料与试剂区别：具有一定性能、可重复性10/7/20199:04PM72、材料的发展材料的发现、发展和应用是人类文明的标志。10/7/20199:04PM8(1)StoneAge(1)Stoneage10/7/20199:04PM9(2)BronzeAge(2)Bronzeage10/7/20199:04PM10含锡量1/6——韧性好——制造钟鼎含锡量2/5——硬度高——制造刀斧CuSnPbZn第一个合金材料：铜锡合金（青铜）结构与性能的关系Alloy10/7/20199:04PM11Coppermirrors10/7/20199:04PM12IronAge（3）IronAge10/7/20199:04PM13Equations炼铁过程的化学9COC2Fe11CO3Fe3323CO2Fe3COFe32CO4FeFeOCFe310/7/20199:04PM14铸铁锻铁钢铁依含碳量和杂质多少铁和碳的合金Alloysofiron&carbon10/7/20199:04PM15早期：纯粹凭经验工艺。近现代：基本化学原理物质微结构性能优良而价值更高的材料高性能碳钢和合金钢钢制品精炼工艺技术新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。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地发展和科学技术的进步导致的。习惯上把处于生命曲线的成熟阶段甚至衰退阶段的材料称为传统材料，而把处于出现阶段和发展阶段的材料称为新材料。目前所谓的“材料科学”的主要研究对象是新材料，或者想方设法使传统材料获得新生。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。3、材料的发展过程•第一代为天然材料在原始社会生产技术水平低下，人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器；复合材料铁器材料铜器材料石器材料•第二代为烧炼材料烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。人类用天然的矿土烧结砖瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，这些都属于烧结材料；从各种天然的矿石中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料；•第三代材料为合成材料在20世纪初期出现了化工合成产品，其中合成塑料、合成橡胶和合成纤维已广泛使用于生产和生活中。这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工业化、分子设计、高性能、高功能聚合物的合成等几个发展进程；第四代为可设计材料高新技术的发展对材料提出了更高的要求，单一性能材料已不能满足需求，近代出现了根据实际需要去设计特殊性能的材料，金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料属于这一类。第五代为智能材料智能材料是近三四十年来研制的一类新型功能材料，它们随时间、环境的变化改变自己的性能或形状，好像具有智能。例如形状记忆合金。智能材料现已成为材料科学的一个重要的前沿领域。（光敏材料、气敏材科、湿敏材料、磁敏材料）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。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4、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。5、我国的新材料研究1.2材料的分类•材料按化学组成分类•根据材料的性能分类1、按照材料的化学组成可以分为4类：无机非金属材料有机高分子材料（聚合物）金属材料复合材料（1）金属材料（MetallicMaterials）•纯金属或合金（固溶体、金属间化合物）•通常具有良好的导电导热性、抛光表面的反光性、金属光泽、延展性、塑性等。•钢材：在建筑、桥梁、设备等广泛用作结构材料。•铜材：常常作为导电材料使用。•新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢合金等。10/7/20199:04PM27Examples（2）无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。通常将其分为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非金属材料两大类。高分子材料（Polymers）•高分子是由一种或几种简单低分子有机化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。•天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛等。•合成高分子材料：塑料、合成橡胶和合成纤维。•功能高分子材料：工程塑料、导电高分子、高分子半导体、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物医用高分子材料、反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催化剂及高分子试剂等。10/7/20199:04PM31(3)Shoes复合材料（Composites）•复合材料：由两种或多种不同材料组合而成的材料。•既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。•金属材料、无机非金属材料和高分子材料相互之间或同种材料之间均可复合形成复合材料。•自然界的复合材料：树木和竹子为纤维素和木质素的复合体；动物骨骼则是由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。•古老的复合材料：稻草增强粘土。•传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。10/7/20199:04PM33(6)Spaceflightmaterials首架复合材料飞机10/7/20199:04PM34航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。多功能化、复合化、精细化、智能化2、根据材料的性能分类任何材料在使用过程中都能提供可资利用的某种或某些功能。根据这些性能可以将材料分为2大类：（1）结构材料（Structuralmaterial）：是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，用于结构目的的材料。如制造工具、机器、车辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。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。•（2）功能材料（Functionalmaterial）：此概念1965年由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士提出，现已被各国材料界重视和接受。其定义是：是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。材料的功能及其示例热学性能——热容、热传导、热稳定；光学性能——与光的作用、吸光、发光和透光性；电学性能——导电、介电和压电性等；磁学性能——永磁、硬磁、软磁等；化学性能——反应性、催化等；生物功能——人造器官、骨骼和牙齿等。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。（Researchtherelationshipsbetweenthearrangementofatoms,ions,ormolecules,anditsoverallbulkstructure/phystalproperties)1.3材料化学的特点10/7/20199:04PM39材料化学的特点1.4.1Classificationofmaterials跨学科性：既是化学学科的一个次级学科，又是材料科学的一个分支。新材料的发展，往往源于其它科学技术领域的需求，这导致材料化学与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密相连。材料合成与加工技术的发展不断地对诸如生物技术、信息技术、纳米技术等新兴技术领域产生巨大影响。通过分子设计和特定的工艺，可以使材料具备各种特殊性质或功能，如高强度、特殊的光性能和电性能等，这些材料在现代技术中起着关键作用。10/7/20199:04PM401.4.1Classificationofmaterials实践性：材料化学是理论与实践相结合的产物。材料通过实验室的研究工作而得到深入的了解，从而指导材料的发展和合理使用。高性能、高质量及低成本的材料只有通过工艺的不断改进才能实现。材料变为器件或产品要解决一系列工程技术问题，这都需要理论和实践的结合，一方面用理论指导实践，另一方面通过大量实践使理论得到进一步发展。10/7/20199:04PM411.4材料化学的在各个领域的应用1.4.1Classificationofmaterials生物医药领域生物相容性材料：例如设计特殊的金属合金和聚合物涂层，以保护人体组织不与人工骨头置换体或其他植入物相排斥;人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等;药物、蛋白质及基因的控制释放。10/7/20199:04PM421.4.1Classificationofmaterials电子信息领域芯片制造：化学气相沉积法、光致抗蚀剂、等离子体刻蚀;信息存储材料;光电子材料。10/7/20199:04PM431.4.1Classificationofmaterials环境和能源领域清洁能源：光伏电池、太阳能电池、燃料电池等；可回收和可生物降解材料；环境友好材料10/7/20199:04PM441.4.1Classificationofmaterials结构材料领域特种涂料：具有防腐、保护、美化或其它用途，可在结构材料上使用；智能化的结构材料：由各种具有不同功能或性能的材料组合而成新的航天飞机外壳用Ni-Cr-Fe