1、材材 料料 化化 學(xué)學(xué) 高衛(wèi)民材料與機電學(xué)院Tel:-mail: 教學(xué)方式n講解+小講座n聽講解n作業(yè)n提問考核方式n？6/15/2022 7:52 PM5Chapter 1 Introduction6/15/2022 7:52 PM6Catalog1.11.1 材料的科普材料的科普1.21.2 材料的分類材料的分類1.31.3 材料化學(xué)的特點材料化學(xué)的特點1.41.4 材料化學(xué)的在各個領(lǐng)域的應(yīng)用材料化學(xué)的在各個領(lǐng)域的應(yīng)用1.51.5 材料化學(xué)的主要內(nèi)容材料化學(xué)的主要內(nèi)容1.1.1 什么是材料？什么是材料？ 材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。師昌緒主編：

2、材料大辭典p.58 材料是一種物質(zhì)，具有一定的性能和功能，從而為人們所用.與化學(xué)試劑不同，可重復(fù)持續(xù)使用，除正常損耗，不會不可逆的轉(zhuǎn)變成其他物質(zhì)。曾兆華主編：材料化學(xué)p.16/15/2022 7:52 PM8Distinguish between Chemicals and Materials the utility lies primarily in their consumption.Chemicalscan be used repeatedly or continuously for an application that does not irreversibly convert th

3、em to something else.Materials(2) Chemicals & materials6/15/2022 7:52 PM9Materials：Substances having properties which make them useful in machinery, structures, devices and products.1.1 Concepts & terms (1) Materials connected with function and, through that function, utilities. 材料是“具有一定性能的物

4、質(zhì), 可以用來制成一些機器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品” 美國科學(xué)院、美國工程院聯(lián)合編寫 材料：人類的需求材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)材 料 = 物 質(zhì) Materials = Matter水是材料？冰是材料？幾乎所有的物質(zhì)都可以稱為是材料并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關(guān)注那么下一個問題就是什么樣的材料值得我們關(guān)注？材料的實用價值材料的實用價值v 資 源v 能 源v 環(huán) 保v 經(jīng) 濟v 質(zhì) 量考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應(yīng)該定義為人類社會所能夠接受的經(jīng)濟地制造有用器件的物質(zhì) 1.1.2 材料的分類材料的分類按材料的組成分類按材料的組成分類n金屬材料n鋼鐵材料、非鐵材料、合金

5、n有機高分子材料n天然的、合成的n無機非金屬材料n陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷n復(fù)合材料按材料的用途分類按材料的用途分類n 結(jié)構(gòu)材料n 支撐件、連接件、傳動件、緊固件等n 功能材料n 磁性材料、電子材料、信息記錄材料、光學(xué)材料、敏感材料、能源材料、生物醫(yī)學(xué)材料等n 結(jié)構(gòu)材料與功能材料的劃分并不嚴(yán)格n 生物醫(yī)學(xué)材料？按材料內(nèi)部原子排列情況分類按材料內(nèi)部原子排列情況分類n 晶態(tài)材料n 非晶態(tài)材料n 液態(tài)材料n 氣態(tài)材料材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)從材料尺度角度分類從材料尺度角度分類n 三維材料n 塊體材料n二維材料n 薄膜、涂層等 (金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體

6、薄膜、耐磨涂層)n 一維材料n 纖維、晶須等 (光導(dǎo)纖維、高強纖維)n 零維材料n 粉 體按材料的組成分類按材料的組成分類n金屬材料n鋼鐵材料、非鐵材料、合金n有機高分子材料n天然的、合成的n無機非金屬材料n陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷n復(fù)合材料金屬材料（金屬材料（Metallic Materials）n金屬材料通常由一種或多種金屬元素組成，其特征是金屬材料通常由一種或多種金屬元素組成，其特征是存在大量的離域電子，也就是說，這些電子并不鍵合存在大量的離域電子，也就是說，這些電子并不鍵合在特定原子上。在特定原子上。 n通常具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、拋光表面的反光性、金通常具有良好的導(dǎo)電

7、導(dǎo)熱性、拋光表面的反光性、金屬光澤、延展性、塑性等。屬光澤、延展性、塑性等。n鋼材：在建筑、橋梁、設(shè)備等廣泛用作結(jié)構(gòu)材料。鋼材：在建筑、橋梁、設(shè)備等廣泛用作結(jié)構(gòu)材料。n銅材：常常作為導(dǎo)電材料使用。銅材：常常作為導(dǎo)電材料使用。n新型金屬材料：如超塑性合金、形狀記憶合金、儲氫新型金屬材料：如超塑性合金、形狀記憶合金、儲氫合金等。合金等。 *21Examples無機非金屬材料（無機非金屬材料（Inorganic Materials）n無機化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。無機化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。n單質(zhì)材料：單晶硅、金剛石、石墨等。單質(zhì)材料：單晶硅、金剛石、石墨等。n以陶瓷為主。可用作結(jié)構(gòu)材

8、料、光學(xué)材料、電子材料以陶瓷為主。可用作結(jié)構(gòu)材料、光學(xué)材料、電子材料等。等。n半導(dǎo)體材料：單晶硅、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等。半導(dǎo)體材料：單晶硅、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等。用于制造集成電路、固態(tài)激光器、發(fā)光二極管、晶體用于制造集成電路、固態(tài)激光器、發(fā)光二極管、晶體管等。管等。*23(5) Architecture materials高分子材料（高分子材料（Polymers）n高分子是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的分子量高分子是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機化合物。足夠高的有機化合物。n天然高分子材料：木材、天然橡膠、棉花、動物皮毛天然高分子材料：木材、天然橡膠、棉花、動物皮

9、毛等。等。n合成高分子材料：塑料、合成橡膠和合成纖維。合成高分子材料：塑料、合成橡膠和合成纖維。n功能高分子材料：工程塑料、導(dǎo)電高分子、高分子半功能高分子材料：工程塑料、導(dǎo)電高分子、高分子半導(dǎo)體、光導(dǎo)電高分子、磁性高分子、光功能高分子、導(dǎo)體、光導(dǎo)電高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物醫(yī)用高分子材料液晶高分子、高分子信息材料、生物醫(yī)用高分子材料、反應(yīng)性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、高、反應(yīng)性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、高分子催化劑及高分子試劑等。分子催化劑及高分子試劑等。*25(3) Shoes復(fù)合材料（復(fù)合材料（Composites）n復(fù)合材料：由兩

10、種或多種不同材料組合而成的材料。復(fù)合材料：由兩種或多種不同材料組合而成的材料。n既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所無法獲得的或更優(yōu)異的特性。無法獲得的或更優(yōu)異的特性。n金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料相互之間或金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料相互之間或同種材料之間均可復(fù)合形成復(fù)合材料。同種材料之間均可復(fù)合形成復(fù)合材料。n自然界的復(fù)合材料：例如樹木和竹子為纖維素和木質(zhì)自然界的復(fù)合材料：例如樹木和竹子為纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；動物骨骼則是由無機磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠素的復(fù)合體；動物骨骼則是由無機磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。原復(fù)合而成。n古

11、老的復(fù)合材料：稻草增強粘土以及漆器（麻纖維和古老的復(fù)合材料：稻草增強粘土以及漆器（麻纖維和土漆復(fù)合而成）。土漆復(fù)合而成）。n傳統(tǒng)的復(fù)合材料：鋼筋混凝土，玻璃鋼。傳統(tǒng)的復(fù)合材料：鋼筋混凝土，玻璃鋼。*27(6) Spaceflight materials首架復(fù)合首架復(fù)合材料飛機材料飛機*28航空材料的主要要求是航空材料的主要要求是耐高溫、高比強、抗疲勞、耐高溫、高比強、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低成本。耐腐蝕、長壽命和低成本。 多功能化、復(fù)合化、精細化、智能化多功能化、復(fù)合化、精細化、智能化 *29Examples波音公司開發(fā)之機體與復(fù)合材料波音公司開發(fā)之機體與復(fù)合材料 J6/15/2022 7:

12、52 PM301.2 Development of materials1.1.3 材料的發(fā)展材料的發(fā)展材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志。人類文明的標(biāo)志。 材料的品種、質(zhì)量和產(chǎn)量，材料的品種、質(zhì)量和產(chǎn)量，是直接衡量一個國家的科技是直接衡量一個國家的科技和經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標(biāo)志和經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。之一。 6/15/2022 7:52 PM31 陶器制作：粘土及其它添加物，陶器制作：粘土及其它添加物，加熱燒結(jié)成較硬實體；人類社會結(jié)構(gòu)加熱燒結(jié)成較硬實體；人類社會結(jié)構(gòu)生活形態(tài)的改變。生活形態(tài)的改變。 青銅器：金屬產(chǎn)物的工具青銅器：金屬產(chǎn)物的工具武器武器農(nóng)具農(nóng)具禮器

13、禮器祭器等取代泥制陶器；祭器等取代泥制陶器； 金屬使用：常溫的剛強度，紅熱時金屬使用：常溫的剛強度，紅熱時可鍛煉成形性，熔融后的鑄造性。可鍛煉成形性，熔融后的鑄造性。早期：三個時代早期：三個時代 當(dāng)我們的祖先很隨意地從地下?lián)炱鹨粔K石頭砸向前方奔跑的獵物時，他們怎么也不可能想到他們這一看上去很簡單的舉動卻開創(chuàng)了一個歷史。歷史學(xué)家把這段歷史稱為舊石器時代，并且把這個時代作為了人類文明發(fā)展的起點。 材料的歷史應(yīng)該從舊石器時代開始？ 十幾萬年后的今天，隨著“材料科學(xué)”作為一門嶄新的學(xué)科出現(xiàn)，我們祖先使用過的那些石頭就開始被材料科學(xué)家們一次次地回憶一次次地頂禮膜拜。那些石頭可能大多數(shù)早已風(fēng)化了，但是幾乎

14、每一本與材料有關(guān)的教科書都會或多或少地提到那些石頭，因為它們在不經(jīng)意之間已經(jīng)成為了材料科學(xué)發(fā)展歷史起點的標(biāo)志，成為了材料科學(xué)和人類文明的發(fā)展同時揭開帷幕的見證。正是在那些天然的石頭之后，我們的祖先開始了對新材料的探索，從而一步步地推動著人類文明的進步。 歷史學(xué)家選擇了把某一類材料的特征及其廣泛應(yīng)用作為人類文明史各個階段的一種標(biāo)志*35(1) Stone Age(1) Stone age*36PotteryPottery新石器時期新石器時期半山式菱形點紋壺半山式菱形點紋壺新石器時期新石器時期馬家窯式水紋彩陶缽馬家窯式水紋彩陶缽*37ChinaChina康熙康熙 黃釉蓋罐黃釉蓋罐 乾隆乾隆 茶葉末

15、六連瓶茶葉末六連瓶 *38唐唐 三彩鴛鴦壺三彩鴛鴦壺 一種低溫鉛釉的陶器，采一種低溫鉛釉的陶器，采用黃、綠、褐等色釉在器用黃、綠、褐等色釉在器皿構(gòu)成花朵、斑點或不規(guī)皿構(gòu)成花朵、斑點或不規(guī)則的幾何紋等，色彩斑斕則的幾何紋等，色彩斑斕的色釉裝飾。的色釉裝飾。雖稱為三彩，實際上并不限于三種色彩，往往雖稱為三彩，實際上并不限于三種色彩，往往采用二次燒成法，第一次素?zé)瑴囟燃s在攝氏采用二次燒成法，第一次素?zé)瑴囟燃s在攝氏一千度左右，燒成坯胎；第二次在素胎上施釉，一千度左右，燒成坯胎；第二次在素胎上施釉，另行釉燒而溫度八百度。另行釉燒而溫度八百度。*39明明 掐絲琺瑯掐絲琺瑯 葫蘆式扁瓶葫蘆式扁瓶 橘皮釉

16、橘皮釉 *40Glass現(xiàn)代的水晶玻璃現(xiàn)代的水晶玻璃Warring StatesGlass Eye BeadsGlass*41MaterialsWood Stone BonePotterythe Paleolithic Period the Neolithic Age Table 1-1 Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age*42(2) Bronze Age(2) Bronz

17、e age*43含錫量含錫量1/6 韌性好韌性好 制造鐘鼎制造鐘鼎含錫量含錫量2/5 硬度高硬度高 制造刀制造刀斧斧Cu Sn Pb Zn第一個合金材料：銅錫合金（青銅）第一個合金材料：銅錫合金（青銅） 結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系A(chǔ)lloy*44中國古銅鏡中國古銅鏡Copper mirrors*45Copper musical instrument戰(zhàn)國青銅編鐘戰(zhàn)國青銅編鐘 *46Iron AgeIron Age*47Equations 煉鐵過程的化學(xué)煉鐵過程的化學(xué)9COC2Fe11CO3Fe332 3CO2Fe3COFe32 CO4FeFeOCFe3 *48鑄鐵鑄鐵鍛鐵鍛鐵鋼鐵鋼鐵依含碳

18、量依含碳量和雜質(zhì)多少和雜質(zhì)多少鐵和碳的合金鐵和碳的合金Alloys of iron & carbon*49第八世紀(jì)的第八世紀(jì)的 Carolingian劍劍東方曲劍東方曲劍 Persian 土耳其的土耳其的 Damascus 劍劍日本劍的鋒口部份日本劍的鋒口部份Swords*50早期：純粹憑經(jīng)驗工藝。早期：純粹憑經(jīng)驗工藝。近現(xiàn)代：近現(xiàn)代：基本化學(xué)原理基本化學(xué)原理物質(zhì)微結(jié)構(gòu)物質(zhì)微結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良而價值更高的材料性能優(yōu)良而價值更高的材料高性能碳鋼和合金鋼鋼制品精煉工藝技術(shù)*51化學(xué)的發(fā)展往往導(dǎo)致材料技術(shù)的實質(zhì)性進化學(xué)的發(fā)展往往導(dǎo)致材料技術(shù)的實質(zhì)性進步。在新材料的研發(fā)和材料工藝的發(fā)展中，步。在新材

19、料的研發(fā)和材料工藝的發(fā)展中，化學(xué)一直擔(dān)當(dāng)著關(guān)鍵的角色。化學(xué)一直擔(dān)當(dāng)著關(guān)鍵的角色。合成高分子（二十世紀(jì)初）合成高分子（二十世紀(jì)初）納米材料（二十世紀(jì)納米材料（二十世紀(jì)8080年代）年代）v鋼時代？v硅時代？v塑料時代？v合成材料時代？v半導(dǎo)體時代？v精密陶瓷時代？v復(fù)合材料時代？v納米時代 ？那么我們現(xiàn)在所處的這個時代應(yīng)該稱為什么時代呢？ 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地發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步導(dǎo)致的。石 棉鋼 鐵 習(xí)慣上把處于生命曲線的成熟階段甚至衰退階段的材料稱為傳統(tǒng)材料，而把處于出現(xiàn)階段和發(fā)展階段的材料稱為新材料。目

20、前所謂的“材料科學(xué)”的主要研究對象是新材料，或者想方設(shè)法使傳統(tǒng)材料獲得新生。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。 一個例子 高比強鋁合金給 20 世紀(jì)的“新”材料帶來了第一個突破比強：比強度，也就是材料的強度與密度之比。具有高強度、低密度的材料無疑具有應(yīng)用優(yōu)勢。鋼的比強度為：0.64 106 cm鋁合金的比強度為：2.64 106 cm 后者是前者的 4 倍，這對于結(jié)構(gòu)材料來說是幾千年來的一個飛躍。鋁的發(fā)展歷史鋁的發(fā)展歷史n鋁是一種輕金屬，密度 2.7 g/cm3, 是鐵的大約 1/3。純鋁的拉伸強度只有 48 MPa，只有鋼的1/10

21、左右。因此在早期并未得到重視。nAl 在地殼中含量豐富，占 1/12，但主要以 Al2O3的狀態(tài)存在。18 世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了 Al 元素的存在，1825 年丹麥物理學(xué)家 Hans Oersted 第一次成功地提煉出金屬鋁，但是提煉方法比較復(fù)雜，產(chǎn)量很低，使得其價格極為昂貴。n拿破侖三世看到了鋁的軍事應(yīng)用價值，親自推動了鋁的研制。丹麥 Frederic 七世用鋁和金合制成了皇帝的頭盔。可見當(dāng)時鋁的貴重。n1884 年美國建造華盛頓紀(jì)念塔，塔的頂尖采用了鋁合金制的錐體加上 8 根白金做的避雷針，重量不足 4.5 kg。這個尖頂做成之后，先在紐約第五大道最有名的珠寶店 Tiffanys 作展覽，供國人欣賞

22、，可見其珍貴。華盛頓紀(jì)念塔n1886 年，一個 22 歲的年輕人發(fā)明了熔鹽電解法制取金屬鋁，把鋁的大規(guī)模生產(chǎn)變成了現(xiàn)實。這個年輕人組成了一個大公司，這就是今天美國美鋁公司 (Alcoa) 的前身。n 在 上可以找到很多關(guān)于鋁以及鋁合金的信息n鋁在當(dāng)時很難找到大的用途。據(jù)說用來燒水的鋁壺為它的應(yīng)用打開了市場。n鋁的應(yīng)用市場的打開是從 20 世紀(jì) 30 年代開始的。為了提高鋁的比強度，當(dāng)時關(guān)于鋁的研究有兩個熱門話題：n 合金強化n 時效硬化所謂合金強化，是在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成所謂的鋁合金以提高 Al 的強度。所謂時效硬化，則是把合金強化處理后形成的鋁合

23、金加熱到一定溫度以上進行“熔解處理”，使合金處于均勻的單相狀態(tài)，然后快速淬火，保持其單相組織。此后再在稍高于室溫的溫度下加熱，使合金中慢慢析出第二相，第二相的析出可以提高合金的強度。鋁合金的出現(xiàn)，大大拓寬了鋁的用途。n 航天飛機、大型客機n 鋁門窗n 鋁活動建筑n 鋁細粉是一種火箭固體燃料n 鋁 箔n 鋁電纜n 易拉罐n 2000年，光美國就生產(chǎn)了1000億個鋁易拉罐。輕、薄、耐腐蝕。易拉罐上的易拉扣，的確是一項高技術(shù)，代表了鋁材和鋁加工的現(xiàn)代成就。美國紐約的世界貿(mào)易大廈是一個大量使用鋁合金貼面的雄偉建筑。可惜已經(jīng)灰飛煙滅了。日本二戰(zhàn)時的零式飛機在“911”事件中變成廢墟的紐約世貿(mào)大廈的數(shù)十萬

24、噸廢鋼鐵被運往中國和印度，將在那里回爐后重新使用。從這兩座 100 多層的雙子大廈廢墟中回收的鋼材數(shù)量相當(dāng)可觀，估計多達 40 萬噸。1.1.4 材料科學(xué)的意義材料科學(xué)的意義 20 世紀(jì)對于材料的發(fā)展歷史來說是一個值得大書特書的時期。20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等領(lǐng)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(jì)中葉發(fā)生了一次“革命性”的飛躍，這個飛躍的標(biāo)志就是“材料科學(xué)”的形成。 三大支柱性高新技術(shù)三大支柱性高新技術(shù)v 超音速飛機 (鎳基超級合金)v 計 算 機 (晶體管、半導(dǎo)體)v 航天飛機 (高溫結(jié)構(gòu)陶瓷)

25、20 世紀(jì)中葉的幾項成果世紀(jì)中葉的幾項成果 1947 年，在美國新墨西哥州哥西維爾地方，有一艘外星來的宇宙飛船墜毀了。科學(xué)家們紛紛云集此地，對這艘飛船進行了全方位的研究，于是地球上就誕生了半導(dǎo)體、光纖、激光器等一系列對當(dāng)代文明產(chǎn)生了顯著影響的新材料。后來美國政府將這艘飛船隱匿起來了。輕松一下？輕松一下？哈哈哈哈！天方夜譚 1999 年 1 月 9 日路透社報道：美國硅谷有一億萬富翁叫做弗爾米吉，放棄了自己公司的總裁職位，去研究不明飛行物。 (結(jié)果不祥)天方夜譚？四川在線消息：“天啊，快跑啊，天上有東西掉下來了！”。2004.9.9清晨，兩個不明金屬飛行物的殘骸幾乎同時墜落在奉節(jié)縣境內(nèi)。20 世

26、紀(jì)中葉是蘇美兩個超級大國在各個領(lǐng)域進行全面競爭的時代。材料的競爭是其中的主要內(nèi)容之一。v1957 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。v美國從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學(xué)作為一個學(xué)科對待。v50年代末美國政府就制定了全國材料發(fā)展規(guī)劃，70 80 年代又進行了多次的補充和修正，把重點放在超硬化合物、半導(dǎo)體激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。v日本在 1980 年開展了為期 10 年耗資 4 億美元的新材料發(fā)展規(guī)劃，重點領(lǐng)域為精密陶瓷、功能高分子、復(fù)合材料、生物材料等。v接著歐洲與前蘇聯(lián)也制訂了類似的規(guī)劃，競爭的項目也集中在這些領(lǐng)域。新材料在高技術(shù)中的應(yīng)用

27、新材料在高技術(shù)中的應(yīng)用n幾個實例幾個實例v1982 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。v1988年前蘇聯(lián)一架以液氫為燃料的中型運輸機首次試飛成功。液氫的沸點為 253C，攜儲液氫需要高效率的絕熱材料。液氫發(fā)動機的使用，則意味著低溫極限技術(shù)已達到實用化程度。v1989 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、前蘇聯(lián)和德國的下潛紀(jì)錄。這艘潛水艇耐水艙使用的是一種高強度鈦合金，觀察窗使用的是一種新型的有機玻璃。2012，蛟龍?zhí)?000米。v美國在海灣戰(zhàn)爭中使用的隱身戰(zhàn)斗機世人皆知。其所以能隱身，就是使用了一種吸波材料

28、和吸波涂層。 隱形飛機的所謂隱形是指不易被敵方雷達或紅外線、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(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)刃阅堋＠纾淖冿w機的一般外形結(jié)構(gòu)，使雷達波發(fā)生折射，以減少散射面積；涂抹吸波材料和非金屬結(jié)構(gòu)材料，減少雷達波的反射量；改善發(fā)動機噴射口，降低紅外線輻射等，都可以產(chǎn)生某種隱身效果。 n 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。n 美國的 F-117A 隱形飛機單價 為 1.1 億美元，B-2

29、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，F(xiàn)35隱形飛機1.35億美元，F(xiàn)22隱形飛機2億美元。F-117A 戰(zhàn)斗機周身幾乎全由直線構(gòu)成，機體表面使用了 6 種不同的雷達吸波涂層材料，大大降低了雷達探測度。經(jīng)科學(xué)家測試，雷達在距離 F-117A 飛機 600 米時，就已完全接收不到它發(fā)出的信號。 揚子晚報2001年6月12日報道：西門子公司近日發(fā)布消息說，該公司所屬的一家研究機構(gòu)開發(fā)出了利用移動電話發(fā)射站對付隱形飛機的技術(shù)。這家設(shè)在英國的研究機構(gòu) RMR 研究人員發(fā)現(xiàn)，由普通移動電話發(fā)射站、全球定位系統(tǒng)以及由計算機連接的若干信號接收器組成的系統(tǒng)，可以用來捕捉隱形飛機

30、。 RMR的科學(xué)家說，如果隱形飛機飛越某一已部署該系統(tǒng)的地區(qū)，移動電話發(fā)射站的信號接觸飛機后會向四處反射，而接收器接收的反射信號經(jīng)電腦處理后就能判斷出飛機的準(zhǔn)確位置。科學(xué)家認為，他們開發(fā)的技術(shù)將使“隱形飛機毫無用處”。材料科學(xué)家的喜訊材料科學(xué)家的喜訊? ? 戰(zhàn)后日本經(jīng)濟的迅速崛起，與其政府對材料的高度重視有關(guān)。材料科學(xué)與綜合國力材料科學(xué)與綜合國力700170027552082969025000200040006000800010000年產(chǎn)量 (萬噸)年產(chǎn)量 (萬噸)1952年1962年1972年日本英國n 二戰(zhàn)結(jié)束的時候，鋼鐵仍然是整個世界經(jīng)濟的支柱。意識到必須具有高質(zhì)量和低成本的鋼鐵，日本開

31、始大力發(fā)展鋼鐵工業(yè) 這一技術(shù)政策推動了日本的汽車工業(yè)和其他一些主要用鋼材的產(chǎn)品，使得日本經(jīng)濟得到了很大的發(fā)展。n 1970 年以后，日本認識到當(dāng)今世界已經(jīng)處于硅時代，因此在保持鋼的生產(chǎn)優(yōu)勢的同時，日本瞄準(zhǔn)了硅材料，開始大力發(fā)展半導(dǎo)體工業(yè)，使得家用電器的生產(chǎn)在世界市場中占據(jù)了絕對優(yōu)勢。n 英國此時卻忽略了硅時代的到來，由于沒有相應(yīng)的技術(shù)政策和戰(zhàn)略眼光，其結(jié)果是英國有2000 名研究硅材料的科學(xué)家流入美國硅谷。n 1988 年僅在信息技術(shù)產(chǎn)品這一項上，英國對日本的貿(mào)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(chǎn)品。 英國人悲哀地說：英國沒有硅工業(yè)了，英國從第一流的經(jīng)濟

32、大國變?yōu)榱说诙鞯慕?jīng)濟發(fā)達國家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟發(fā)達國家變成了第一流的經(jīng)濟大國，英國的態(tài)度恰似一個仍然停留在石器時代的國家，而沒有進展到青銅器時代。材料涉及的領(lǐng)域極為廣泛，舉凡國家的工農(nóng)業(yè)建設(shè)和國防建設(shè)，人民生活水平的提高，無不與材料密切相關(guān)。所以材料的科學(xué)研究、新產(chǎn)品的開發(fā)、工業(yè)大生產(chǎn)與合理應(yīng)用都關(guān)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新材料發(fā)展與應(yīng)用水平直接決定著經(jīng)濟發(fā)展的水平。不妨看幾個簡單的數(shù)據(jù) v以每公斤產(chǎn)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10

33、000。產(chǎn)品中的技術(shù)含量越高，收益就越高。 v 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% (預(yù)計數(shù)據(jù))。v據(jù) 1982 年統(tǒng)計，美國每年因材料腐蝕造成的直接經(jīng)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。 在 3 到 13 世紀(jì)，中國保持著一個讓西方人望塵莫及的科學(xué)知識水平。英國科學(xué)家 李約瑟v CHINAv 越王勾踐的寶劍v 青銅編鐘v 1.1.5 1.1.5 我國的材料研究我國的材料研究這套編鐘是在洛莊漢墓主墓室北面的14號陪葬坑內(nèi)出土的。編鐘出土?xí)r排列整齊，可看出當(dāng)時是掛在架子

34、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n2004材料行業(yè)骨干企業(yè)約7萬家，工業(yè)總產(chǎn)值達4萬億元，產(chǎn)品銷售收入3.9億萬元，占GDP總量14.6%。鋼鐵、水泥及十余種有色金屬產(chǎn)量世界第一。n能耗占63%，為發(fā)達國家的4倍，排放超過10倍。我國的材料工業(yè)我國的材料工業(yè)n形成了一支 40 萬人的研究與生產(chǎn)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(chǎn)工廠 1000 多個。各類大學(xué)有 150 多個與材料有關(guān)的專業(yè)，畢業(yè)生的數(shù)量與美國相近。n在光學(xué)晶體、有機分離膜、稀土永磁材料、高溫超導(dǎo)體、準(zhǔn)晶態(tài)研究等方面已取得舉世矚目的成績，但與發(fā)

35、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(shù)所需的新材料以及引進生產(chǎn)線所用原材料大量依靠國外。n不少研究起步不晚成果不錯，但形不成商品及產(chǎn)業(yè)。“成果一大片，材料看不見”。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(chǎn)的產(chǎn)值不大，大大影響了我國工業(yè)特別是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 我國的新材料研究我國的新材料研究 你們是早晨八、九點鐘的太陽，希望寄托在你們身上。endendn今天早上路過一服裝店，門口大幅標(biāo)語寫著：大喊釣魚島是中國的，打九折，大喊日本是中國的，打八折。n我看老板娘很漂亮，就順便問了一句：如果大喊老板娘是我的，打幾折？n老板娘

36、說：打骨折。 reviewn什么是材料？ 材料是“具有一定性能的物質(zhì), 可以用來制成一些機器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品”n文明的發(fā)展以材料發(fā)展劃分n材料的分類 金屬、無機非金屬、高分子、復(fù)合1.2 材料化學(xué)及特點材料化學(xué)及特點6/15/2022 7:52 PM93(3) Materials Science & ChemistryMaterials Science and Chemistry Atomic-molecular level interactionMaterials Chemistry: Chemistry related to structure, properties, prep

37、aration and applications of materials. Macroscopic perspective材料化學(xué)材料化學(xué)v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v材料制備工藝過程中的化學(xué)問題v材料的化學(xué)性質(zhì)以及其他各類性質(zhì)中的化學(xué)因素v環(huán)境對材料的影響 (例如腐蝕)材料化學(xué)是材料科學(xué)的一個重要組成部分，在化學(xué)學(xué)科中通常也稱為“固體化學(xué)”。材料化學(xué)介紹的是從化學(xué)角度來進行材料科學(xué)研究所需要的基本知識。化學(xué)與材料親密接觸的歷史化學(xué)與材料親密接觸的歷史v人類第一個化學(xué)上的發(fā)現(xiàn)是火，這是公元前 50 萬年左右的事情。而人類第一次真正有意識地創(chuàng)造發(fā)明的自然界并不存在

38、的“新材料” 陶器就是在火的幫助下制造出來的。v在燒制陶器的過程中人類又還原出了金屬銅和錫，發(fā)明了煉銅技術(shù)，從而把歷史推進了青銅器時代。我國的四大發(fā)明中至少有兩項是化學(xué)我國的四大發(fā)明中至少有兩項是化學(xué)和材料的結(jié)合體和材料的結(jié)合體v通過蒸煮草木灰把植物中的纖維物質(zhì)提煉出來制成了紙漿；v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 火藥的最主要成分是硝石。秦漢之際是煉丹術(shù)開始盛行之時，方士們?yōu)榱藷捴葡傻っ钏帲迅黝愃幬锉舜伺浜蠠裏挕Ｎ褰稹耸ǜ鞣N礦物藥）、三黃（硫磺、雄黃、雌黃）、汞和硝石都是煉丹的常用藥物。其中汞與三黃合煉而得

39、丹砂是煉丹家們的得意之作。但若用硝石與三黃共煉必將燃燒爆炸，因此導(dǎo)致火藥的發(fā)明。就在火藥發(fā)明之后，也曾被引入藥類，本草綱目中，說火藥能治瘡癬、殺蟲、辟濕氣、瘟疫。更重要的原因是火藥的發(fā)明來自制丹配藥的實踐中。v18 世紀(jì)末分析化學(xué)的發(fā)展使得人們第一次認識到鋼中存在有碳原子，而且碳原子在決定鋼的性質(zhì)方面起著十分關(guān)鍵的作用，從而促使人們開始從材料的組成角度來研究材料。v20 世紀(jì)初開始出現(xiàn)的合成材料就是在有機化學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上誕生的。v元素周期表的發(fā)現(xiàn)及其對材料科學(xué)的影響進入到近代后，化學(xué)開始有意識地向材料靠攏，并且逐漸地在理解材料的結(jié)構(gòu)和性能方面發(fā)揮著越來越重要的作用。v現(xiàn)代的材料科學(xué)就是一種“煉

40、金術(shù)”，它能變魔術(shù)般地以 90 多種元素為原料，從理論研究、應(yīng)用，到制造成雖然不是金子但是卻有可能比金子更為人類所需、更有價值、更加珍貴的新物質(zhì)。v化學(xué)家們經(jīng)過幾百年的努力，開發(fā)出了許多存在于自然界的天然化合物，同時也制備出了大量自然界所不存在的合成化合物，兩者的總和超過了2000 萬種，其中的一部分已經(jīng)成為了各種各樣的材料，構(gòu)成了現(xiàn)代文明社會的物質(zhì)基礎(chǔ)。v目前全世界的化學(xué)家們平均每天研究出 7000 多種新化合物，為材料的選擇提供了豐富的來源。 我們確確實實走進了這么一個時代：在這個時代，材料仍然是社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)，只是在這個時代，新材料層出不窮，各類材料在各個應(yīng)用領(lǐng)域里各顯神通，使

41、得我們已經(jīng)無法判斷哪一類材料應(yīng)該是這個時代最恰當(dāng)?shù)南笳鳌?在這個時代，材料成為了一個新的獨立的科學(xué)門類。盡管這個新學(xué)科與物理、化學(xué)、力學(xué)、機械、冶金、化工等傳統(tǒng)科學(xué)門類水乳交融，但是卻具有其獨特的鮮明的個性。也正是因為與物理、化學(xué)、力學(xué)、機械、冶金、化工等傳統(tǒng)科學(xué)門類水乳交融，這個新學(xué)科在不同的場合就被劃分成了材料物理、材料化學(xué)、材料力學(xué)、材料工程學(xué)等諸多分支。*101材料化學(xué)的特點材料化學(xué)的特點Characteristics of Materials Chemistry1.4.1 Classification of materials跨學(xué)科性：跨學(xué)科性：既是化學(xué)學(xué)科的一個次級學(xué)科，又是材料科

42、學(xué)的一個分支。既是化學(xué)學(xué)科的一個次級學(xué)科，又是材料科學(xué)的一個分支。新材料的發(fā)展，往往源于其它科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的需求，這導(dǎo)新材料的發(fā)展，往往源于其它科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的需求，這導(dǎo)致材料化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)等眾多學(xué)科緊密相致材料化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)等眾多學(xué)科緊密相連。連。材料合成與加工技術(shù)的發(fā)展不斷地對諸如生物技術(shù)、信息材料合成與加工技術(shù)的發(fā)展不斷地對諸如生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)等新興技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。技術(shù)、納米技術(shù)等新興技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。通過分子設(shè)計和特定的工藝，可以使材料具備各種特殊性通過分子設(shè)計和特定的工藝，可以使材料具備各種特殊性質(zhì)或功能，如高強度、特殊的光性能和電性能等

43、，這些材質(zhì)或功能，如高強度、特殊的光性能和電性能等，這些材料在現(xiàn)代技術(shù)中起著關(guān)鍵作用。料在現(xiàn)代技術(shù)中起著關(guān)鍵作用。*1021.4.1 Classification of materials實踐性：實踐性：材料化學(xué)是理論與實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，這是它與固體化學(xué)材料化學(xué)是理論與實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，這是它與固體化學(xué)的主要區(qū)別所在。的主要區(qū)別所在。材料通過實驗室的研究工作而得到深入的了解，從而指導(dǎo)材料通過實驗室的研究工作而得到深入的了解，從而指導(dǎo)材料的發(fā)展和合理使用。材料的發(fā)展和合理使用。高性能、高質(zhì)量及低成本的材料只有通過工藝的不斷改進高性能、高質(zhì)量及低成本的材料只有通過工藝的不斷改進才能實現(xiàn)。才能實現(xiàn)。

44、材料變?yōu)槠骷虍a(chǎn)品要解決一系列工程技術(shù)問題，這都需材料變?yōu)槠骷虍a(chǎn)品要解決一系列工程技術(shù)問題，這都需要理論和實踐的結(jié)合，一方面用理論指導(dǎo)實踐，另一方面通要理論和實踐的結(jié)合，一方面用理論指導(dǎo)實踐，另一方面通過大量實踐使理論得到進一步發(fā)展。過大量實踐使理論得到進一步發(fā)展。*1031.3 材料化學(xué)的在各個領(lǐng)域的應(yīng)用材料化學(xué)的在各個領(lǐng)域的應(yīng)用1.4.1 Classification of materials生物醫(yī)藥領(lǐng)域生物醫(yī)藥領(lǐng)域 生物相容性材料：例如設(shè)計特殊的金屬合金和聚生物相容性材料：例如設(shè)計特殊的金屬合金和聚合物涂層，以保護人體組織不與人工骨頭置換體合物涂層，以保護人體組織不與人工骨頭置換體或其

45、他植入物相排斥或其他植入物相排斥; ; 人造腎臟、血液氧合器、靜脈過濾器以及診斷化人造腎臟、血液氧合器、靜脈過濾器以及診斷化驗等驗等; ; 藥物、蛋白質(zhì)及基因的控制釋放。藥物、蛋白質(zhì)及基因的控制釋放。*1041.4.1 Classification of materials電子信息領(lǐng)域電子信息領(lǐng)域 芯片制造芯片制造：光致抗蝕劑、化學(xué)氣相沉積法、等離子體：光致抗蝕劑、化學(xué)氣相沉積法、等離子體刻蝕刻蝕; ; 信息存儲材料信息存儲材料; ; 光電子材料光電子材料; ; 光子晶體。光子晶體。*1051.4.1 Classification of materials環(huán)境和能源領(lǐng)域環(huán)境和能源領(lǐng)域 清潔能源

46、清潔能源：光伏電池、太陽能電池、燃料電池光伏電池、太陽能電池、燃料電池等；等； 可回收和可生物降解材料；可回收和可生物降解材料； 環(huán)境友好材料環(huán)境友好材料*1061.4.1 Classification of materials結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域 汽車和飛機汽車和飛機：比以前更安全、輕便和省油比以前更安全、輕便和省油； 特種涂料：具有防腐、保護、美化或其它用途，可在特種涂料：具有防腐、保護、美化或其它用途，可在結(jié)構(gòu)材料上使用；結(jié)構(gòu)材料上使用； 智能化的結(jié)構(gòu)材料：由各種具有不同功能或性能的材智能化的結(jié)構(gòu)材料：由各種具有不同功能或性能的材料組合而成料組合而成新的航天飛機外殼新的航天飛機外殼用

47、用Ni-Cr-FeNi-Cr-Fe合金制合金制造，外層的隔熱板造，外層的隔熱板由一層由一層TiAlTiAl合金與合金與一層絕熱材料組成。一層絕熱材料組成。 *1071.4 材料化學(xué)的主要內(nèi)容材料化學(xué)的主要內(nèi)容1.4.1 Classification of materials 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)是指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)材料的結(jié)構(gòu)是指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)，相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)，相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括納米以

48、下、納界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括納米以下、納米、微米、毫米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次。所有這些層次米、微米、毫米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次。所有這些層次都影響產(chǎn)品的最終行為。都影響產(chǎn)品的最終行為。單個原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列相態(tài)結(jié)構(gòu)材料化學(xué)是關(guān)于材料的材料化學(xué)是關(guān)于材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、性能性能、制備制備和和應(yīng)用應(yīng)用的化學(xué)的化學(xué) “structure” vs “internal component”structuresubatomicatomicmicroscopicmacroscopicelectrons within the individual atoms and interactions with t

49、heir nucleiorganization of atoms or moleculeslarge group of atoms agglomerated togetherstructure viewed with naked eyeStructure usually related to the arrangement of internal componentabcd*110 性能性能性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應(yīng)的定量性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應(yīng)的定量表述。表述。力學(xué)性能：材料的強度、延性和剛度。物理性能：電、磁、光、熱等。important properties

50、 of solid materialsproperties: response to external stimuli, and independent of shape and sizepropertyexternal stimulusexamplemechanicalload or forceelastic modulus, strengthelectricalelectric fieldelectrical conductivity, dielectric constantthermalthermal gradients/stress, etc thermal conductivity, heat capacitymagneticmagnetic fieldmagnetic conductiv