材料化學Chapter1IntroductionMaterialsChemistry1Chapter1IntroductionChapter1

Introduction

緒論21.1 材料與化學1.2 材料的分類1.3 材料化學的特點1.4 材料化學的在各個領域的應用1.5 材料化學的主要內容Chapter1Introduction本章內容3生活中的材料鯊魚皮泳衣鯊魚的皮膚上有一層極為細小的突起狀，相當于小型的水囊，能在流動時有序地引導周圍的水向同一方向流動，使鯊魚更舒暢、省力地在水中游弋。鯊魚皮泳衣是對采用仿生學原理制造出的競技用游泳衣的形象稱呼。它根據鯊魚皮的特性制作出來的，主要是性能是減小有用過程中水的阻力。鯊魚皮泳衣的發展歷史第一代鯊魚皮（2000年）采用纖維模仿鯊魚皮膚結構，能引導周圍的水流，減少水阻力并提高游進速度3%～7.5%。作為鯊魚皮的代表，這款泳裝在悉尼奧運會上風靡全球，有83%的參賽選手選擇身穿鯊魚皮參加比賽。第二代鯊魚皮（2004年）在第1代的基礎上，在面料的表面加上顆粒狀的小點，目的是減少30%的水阻整體功能比第1代提升7.5%。2004年的雅典奧運會獲得獎牌的運動員中有47人就是穿著這款泳衣登上領獎臺的。二代第三代鯊魚皮（2007年）由防氧彈性紗和特細尼龍紗組成。它的彈性比同類產品高15%，可以減少肌肉振動和能量損耗。在2007年1年時間里，協助世界各國運動員先后21次打破世界紀錄。第四代鯊魚皮（2008年）第4代由極輕、低阻、防水和快干性能LZRPulse面料組成，是全球首套以高科技熔接生產的無皺褶比賽泳裝。在近1個月內產生的16項新的世界紀錄中，有14項是由選手穿著這款泳衣創造的。美國海軍用0.5馬力陶瓷發動機廣州新電視塔摩天輪的16個“水晶”觀光球艙，殼體采用新型高分子材料，晶瑩剔透，能保證艙內游客對塔外景色一覽無余。美國最新型隱身戰斗機F-22使用吸波材料和吸波涂層Materials：Substanceshavingpropertieswhichmakethemusefulinmachinery,structures,devicesandproducts.Chapter1Introduction1.1材料與化學

MaterialsandChemistry——connectedwithfunctionand,throughthatfunction,utilities.11Distinguishbetween

ChemicalsandMaterialsChemicals：theutilityliesprimarilyintheirconsumption.Materials:canbeusedrepeatedlyorcontinuouslyforanapplicationthatdoesnotirreversiblyconvertthemtosomethingelse.Chapter1Introduction12MaterialsScience&Chemistry MaterialsScienceandChemistry

Atomic-molecularlevelinteractionMaterialsChemistry:Chemistryrelatedtostructure,properties,preparationandapplicationsofmaterials.

MacroscopicperspectiveChapter1Introduction13材料的發展化學與材料親密接觸的歷史人類第一個化學上的發現是火，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造發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的。在燒制陶器的過程中人類又還原出了金屬銅和錫，發明了煉銅技術，從而把歷史推進了青銅器時代。我國的四大發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“一硝二磺三木炭”的原理在抗日戰爭事情也發揮了巨大的作用。18世紀末分析化學的發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方面起著十分關鍵的作用，從而促使人們開始從材料的組成角度來研究材料。20世紀初開始出現的合成材料就是在有機化學發展的基礎上誕生的。元素周期表的發現及其對材料科學的影響進入到近代后，化學開始有意識地向材料靠攏，并且逐漸地在理解材料的結構和性能方面發揮著越來越重要的作用。現代的材料科學就是一種“煉金術”，它能變魔術般地以90多種元素為原料，從理論研究、應用，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。化學家們經過幾百年的努力，開發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，其中的一部分已經成為了各種各樣的材料，構成了現代文明社會的物質基礎。目前全世界的化學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。Developmentofmaterials材料的發展的幾個階段材料的發現、發展和應用是人類文明的標志。

材料的品種、質量和產量，是直接衡量一個國家的科技和經濟發展水平的重要標志之一。Chapter1Introduction19①陶器制作：粘土及其它添加物，加熱燒結成較硬實體；人類社會結構﹑生活形態的改變。②青銅器：金屬產物的工具﹑武器﹑農具﹑禮器﹑祭器等取代泥制陶器；③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。早期：三個時代Chapter1Introduction20Pottery→→Pottery新石器時期半山式菱形點紋壺新石器時期馬家窯式水紋彩陶缽Chapter1Introduction21ChinaChina康熙黃釉蓋罐

乾隆茶葉末六連瓶

Chapter1Introduction22唐三彩鴛鴦壺

一種低溫鉛釉的陶器，采用黃、綠、褐等色釉在器皿構成花朵、斑點或不規則的幾何紋等，色彩斑斕的色釉裝飾。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，第一次素燒，溫度約在攝氏一千度左右，燒成坯胎；第二次在素胎上施釉，另行釉燒而溫度八百度。Chapter1Introduction23明掐絲琺瑯葫蘆式扁瓶

橘皮釉

Chapter1Introduction24→→Glass現代的水晶玻璃WarringStatesGlassEyeBeadsGlassChapter1Introduction25FigureofmaterialsdevelopmentChapter1Introduction26StoneAgeStoneageChapter1Introduction27MaterialsWoodStoneBonePotterythePaleolithicPeriodtheNeolithicAgeTable1-1DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAge

DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAgeChapter1Introduction28BronzeAgeBronzeageChapter1Introduction29含錫量1/6——韌性好——制造鐘鼎含錫量2/5——硬度高——制造刀斧CuSnPbZn第一個合金材料：銅錫合金（青銅）

結構與性能的關系AlloyChapter1Introduction30中國古銅鏡CoppermirrorsChapter1Introduction31Coppermusicalinstrument戰國青銅編鐘

Chapter1Introduction32IronAgeIronAgeChapter1Introduction33Equations

煉鐵過程的化學Chapter1Introduction34鑄鐵鍛鐵鋼鐵依含碳量和雜質多少鐵和碳的合金Alloysofiron&carbonChapter1Introduction35第八世紀的"Carolingian"劍東方曲劍"Persian"土耳其的"Damascus"劍日本劍的鋒口部份SwordsChapter1Introduction36早期：純粹憑經驗工藝。近現代：

基本化學原理

物質微結構性能優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Chapter1Introduction37鋼硅塑料合成材料半導體精密陶瓷復合材料納米材料……我們現在所處的時代應該稱為什么時代？Chapter1IntroductionMetallicMaterialsInorganicMaterialsPolymersComposites按組成、結構特點分1.2材料的分類

ClassificationofMaterials39StructuralMaterials——主要利用材料的力學性能FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化學性能按使用性能分按用途分Classificationofmaterials導電材料、絕緣材料、生物醫用材料、航空航天材料、能源材料、電子信息材料、感光材料等等Chapter1Introduction40金屬材料（MetallicMaterials）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，這些電子并不鍵合在特定原子上。通常具有良好的導電導熱性、拋光表面的反光性、金屬光澤、延展性、塑性等。鋼材：在建筑、橋梁、設備等廣泛用作結構材料。銅材：常常作為導電材料使用。新型金屬材料：如超塑性合金、形狀記憶合金、儲氫合金等。Chapter1Introduction41ExamplesChapter1Introduction42無機非金屬材料（InorganicMaterials）無機化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。單質材料：單晶硅、金剛石、石墨等。以陶瓷為主。可用作結構材料、光學材料、電子材料等。半導體材料：單晶硅、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等。用于制造集成電路、固態激光器、發光二極管、晶體管等。Chapter1Introduction43ArchitecturematerialsChapter1Introduction44高分子材料（Polymers）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。天然高分子材料：木材、天然橡膠、棉花、動物皮毛等。合成高分子材料：塑料、合成橡膠和合成纖維。功能高分子材料：工程塑料、導電高分子、高分子半導體、光導電高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物醫用高分子材料、反應性高分子、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。Chapter1Introduction45(3)ShoesChapter1Introduction46復合材料（Composites）復合材料：由兩種或多種不同材料組合而成的材料。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異的特性。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合形成復合材料。自然界的復合材料：例如樹木和竹子為纖維素和木質素的復合體；動物骨骼則是由無機磷酸鹽和蛋白質膠原復合而成。古老的復合材料：稻草增強粘土以及漆器（麻纖維和土漆復合而成）。傳統的復合材料：鋼筋混凝土，玻璃鋼。Chapter1Introduction47(6)Spaceflightmaterials首架復合材料飛機Chapter1Introduction48航空材料的主要要求是耐高溫、高比強、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低成本。

多功能化、復合化、精細化、智能化Chapter1Introduction49Examples波音公司開發之機體與復合材料

JChapter1Introduction501.3材料化學的特點

CharacteristicsofMaterialsChemistry跨學科性：既是化學學科的一個次級學科，又是材料科學的一個分支。新材料的發展，往往源于其它科學技術領域的需求，這導致材料化學與物理學、生物學、藥物學等眾多學科緊密相連。材料合成與加工技術的發展不斷地對諸如生物技術、信息技術、納米技術等新興技術領域產生巨大影響。通過分子設計和特定的工藝，可以使材料具備各種特殊性質或功能，如高強度、特殊的光性能和電性能等，這些材料在現代技術中起著關鍵作用。Chapter1Introduction51材料化學是理論與實踐相結合的產物，這是它與固體化學的主要區別所在。材料通過實驗室的研究工作而得到深入的了解，從而指導材料的發展和合理使用。高性能、高質量及低成本的材料只有通過工藝的不斷改進才能實現。材料變為器件或產品要解決一系列工程技術問題，這都需要理論和實踐的結合，一方面用理論指導實踐，另一方面通過大量實踐使理論得到進一步發展。Chapter1Introduction52實踐性：生物醫藥領域生物相容性材料：例如設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驗等;藥物、蛋白質及基因的控制釋放。Chapter1Introduction1.4材料化學的在各個領域的應用53芯片制造：光致抗蝕劑、化學氣相沉積法、等離子體刻蝕;信息存儲材料;光電子材料;光子晶體。Chapter1Introduction54電子信息領域

環境和能源領域清潔能源：光伏電池、太陽能電池、燃料電池等；可回收和可生物降解材料；環境友好材料結構材料領域汽車和飛機：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，可在結構材料上使用；智能化的結構材料：由各種具有不同功能或性能的材料組合而成Chapter1Introduction55新材料在高技術中的應用幾個實例1982年日本首次研制出了陶瓷發動機小汽車。它的出現使發動機重量減輕，提高燃燒度和節約燃料的愿望成為現實。1988年前蘇聯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。液氫發動機的使用，則意味著低溫極限技術已達到實用化程度。1989年日本一艘潛水調查船下潛到6500米的深海區，打破了美國、前蘇聯和德國的下潛紀錄。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。美國在海灣戰爭中使用的隱身戰斗機所以能隱身，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、聲探測等傳感器發現。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等性能。隱形飛機與材料

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1.1億美元，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新型隱形戰機。F-117A戰斗機周身幾乎全由直線構成，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。經科學家測試，雷達在距離F-117A飛機600米時，就已完全接收不到它發出的信號。在美國的航天史上發生過三起巨大災難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生解體，機上7名宇航員全部遇難“哥倫比亞號”是航天飛機第一次在即將著陸時發生的災難。空難發生后，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。“哥倫比亞號”航天飛機的爆炸，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

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。Chapter1Introduction結構

材料的結構是指組成原子、分子在不同層次上彼此結合的形式、狀態和空間分布，包括原子與電子結構、分子結構、晶體結構，相結構、晶粒結構、表面與晶界結構、缺陷結構等；在尺度上則包括納米以下、納米、微米、毫米及更宏觀的結構層次。所有這些層次都影響產品的最終行為。單個原子結構原子的空間排列相態結構材料化學是關于材料的結構、性能、制備和應用的化學1.5材料化學的主要內容64性能

性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應的定量表述。力學性能：材料的強度、延性和剛度。物理性能：電、磁、光、熱等。Chapter1Introduction制備

材料的合成與制備就是將原子、分子聚合起來并最終轉變為有用產品的一系列連續過程。合成與制備是提高材料質量、降低生產成本和提高經濟效益的關鍵，也是開發新材料、新器件的中心環節。65教學用書：曾兆華，楊建文編著.材料化學.北京：化學工業出版社.2008主要參考書目：楊興鈺.材料化學導論.武漢：湖北科學技術出版社，2003劉光華編著.現代材料化學.上海：上海科學技術出版社，2000周達飛主編.材料概論.北京：化學工業出版社，2001BrianS.Mitchell.AnIntroductiontoMaterialsEngineeringandScience.USA,JohnWiley&Sons,2004.WilliamD,CallisterJ.Materialsscienceandengineering:Anintroduction.5thEd.,USA,JohnWiley&Sons,1999SmithWF.Foundationsofmaterialsscienceandengineering.NewYork,McGraw-HillBookCo.,1992BradleyD.Fahlman.MaterialsChemistry.German,Springer,2007Chapter1Introduction66思考題什么是材料化學？其主要特點是什么？新石器時代的標志是什么？材料與試劑的主要區別是什么？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。Chapter1Introduction67第一章緒論第二章材料的結構第三章材料的性能第四章材料化學熱力學第五章材料的制備第六章金屬材料第七章無機非金屬材料第八章高分子材料第九章復合材料第十章納米材料基礎部分應用部分本課程的結構Chapter1Introduction68材料化學（再版目錄）第一章緒論1.1材料與化學 11.2材料的分類 31.3材料化學的特點 41.4材料化學在各個領域的應用 51.5材料化學的主要內容 6第二章材料的結構2.1元素和化學鍵 92.2晶體學基本概念 162.3晶體缺陷 222.4金屬材料的結構 312.5無機非金屬材料的結構 382.6高分子材料的結構 54Chapter1Introduction69第三章材料的性能3.1化學性能 633.2力學性能

673.3熱性能 723.4電性能 763.5磁性 803.6光學性能 83第四章材料化學