材料化学课程的内容设置及其与材料科学的关系_朱光明

第19卷　第6期大学化学2004年12月
材料化学课程的内容设置及其与材料科学的关系
朱光明
(西北工业大学应用化学系　西安710072)
摘要　探讨材料化学课程的内容设置及其与材料科学的关系,认为在分子结构层次上研究材
料的合成、制备、理论、性能的科学属于材料化学的研究范畴,材料化学是材料科学的核心内容。

近年来,许多院校为材料相关专业的本、专科高年级学生或研究生开设了材料化学课程,但有关材料化学的定义及内容的设置歧异很大,其间有许多是不规范的,也不符合科学的规律。

为了促进材料化学的教学工作,在这里谈一些自己在教学和科研工作中所积累的体会和认识。

1　材料化学的定义与内容设置
1.1　材料化学的定义
物质世界的不同领域和不同层次都有其客观存在的固有运动规律或存在方式,也各有自己的理论体系和研究方法,因此,在科学技术的发展过程中,各门学科都有自己的研究对象或内容,材料化学也不例外。

材料化学是一门研究材料的制备、组成、结构、性质、应用及其相互关系的科学。

它既是材料科学的一个重要分支,也是材料科学的核心内容,同时又是化学学科的一个组成部分,因此材料化学具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。

1.2　材料化学的内容[1～4]
材料化学的主要内容包括材料的化学组成及结构方面的基础知识、材料相变的化学热力学理论以及金属材料、非金属材料、高分子材料、复合材料的制备过程、结构特性与使用性能之间的相互关系。

基于对材料化学的上述认识,作者认为材料化学的内容主要应由两部分内容组成,第一部分主要讨论材料的制备、结构、性能方面所涉及的基础化学理论和方法,包括原子结构与化学键的本质、固体化学或晶体化学方面的知识、相图理论等内容。

化学键的本质及原子结构和分子结构的知识是理解材料的组成、制备及性能与结构之间关系的基础,所以应构成材料化学基础知识的重要部分;晶体化学的知识是理解材料(特别是金属材料与无机非金属材料)的性能与聚集态结构之间关系的基础,这部分内容可能和材料物理的内容重复,但为了保证材料化学内容的完整性,这些基础知识还是必要的,在教学过程中,可以根据课程设置的情况适当进行取舍。

相图理论是理解材料的制备过程(特别是合金与陶瓷材料制备)以及材料组成与性能之间关系、组成与结构之间关系、结构与性能之间关系的重要基础知识,是材料化学基础理论的重要组成部分,这部分内容和物理化学的内容虽有重复,但作为材料化学中指导材料制备和结构研究的基础知识是不可或缺的。

当然,这不应是物理化学中相图知识的简单重16
复,而应从材料的角度出发,对有关的内容进行新的编排和论述。

此外,近年来有关纳米材料的研究成为材料科学研究领域的一个热点,实际上,纳米材料的制备、性能及结构方面的知识大都和材料化学相关,为了反映科学的发展,可以在介绍表面现象与胶体的性质、制备知识的基础上,适当介绍有关纳米材料的性质及制备和应用等方面的发展概况。

第二部分,主要讨论金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料、新型功能材料的合成、制备、使用过程中所涉及的化学问题,并对分子结构、聚集态结构以及结构和性能之间的关系进行适当的分析和介绍。

在讨论各类材料的制备、性能、结构方面的共性的基础上,也要对一些重要的具体材料进行介绍。

作者在对研究生进行授课的过程中,发现大多数材料相关专业的学生竟不知道钢铁的冶炼过程,这反映出教育与实践的脱节。

要研究和开发新的材料,也应了解现有的重要材料。

无论如何,钢铁仍然是目前生产和使用量最大也是最重要的材料,材料相关专业的学生应该知道钢铁的生产过程、冶炼原理以及结构与性能之间的关系。

只有了解了现有材料的特点和不足,才能更好地把握新材料的开发方向。

在无机非金属材料这一章应重点介绍陶瓷、水泥、硅酸盐等材料的结构、制备、性能等方面的知识,适当介绍新型陶瓷材料的知识。

高分子材料的结构具有特殊性,在相应章节里应对高分子材料的结构与性能之间的关系进行介绍,此外,对常见高分子材料如塑料、橡胶、纤维、涂料、黏合剂等的合成、性能、应用进行择要介绍。

复合材料这一章的内容应重点介绍树脂基复合材料的制备、结构、性能方面的一般知识,包括树脂基体、增强材料、界面等方面的化学问题,适当介绍有关金属基复合材料、陶瓷基复合材料及碳碳复合材料所涉及的化学问题。

新型功能材料单独列为一章似乎和前面的分类讨论有混淆不清的现象,因为功能材料既可以是金属材料,也可以是非金属材料和高分子材料;但把功能材料单独列为一章是必要的,因为功能材料的研究范围很广,涉及面宽,种类也非常多,而且功能材料的研究也十分活跃,所以需要单列一章进行讨论,应有选择地介绍一些重要的功能材料,如磁性材料、超导材料、记忆材料、光电材料、压电材料、储氢材料、生物医用材料等。

1.3　内容的编排
作为教材使用的材料化学的内容编排应符合科学发展的规律,也要照顾到知识层次循序渐进的要求。

首先要对所研究的知识领域进行科学、系统的分类,在分类的基础上按上述原则进行编排。

其中第一部分的内容可以按化学键与分子结构※晶体化学※相图理论的次序进行编排。

分子结构是材料结构的第一个层次,也是整个材料化学知识的基础;晶体结构属于材料的聚集态结构,是材料结构的更高层次,因此应放在化学结构内容之后;相图理论主要用来理解合金和陶瓷材料的结构和制备过程,属于更复杂层次的材料结构,因此可放在后面。

有关胶体及纳米材料的知识可以放在这些基础理论之后,单独成章进行讨论。

第二部分内容应按材料的化学组成进行的分类进行编排,既符合科学的规律,也照顾到习惯。

基本顺序为金属材料※无机非金属材料※高分子材料※复合材料※新型功能材料。

2　材料化学与材料科学的关系
材料是人类赖以生存的重要物质基础之一,材料的有效性从总体上来说,取决于3个层次的结构因素[5,6]:
(1)分子结构:属于原始基础结构,决定材料所具有的潜在功能;
(2)分子聚集态结构:决定材料所具有的可表现的实际功能;
(3)构筑成的材料的外形结构:决定材料具有某种特定的有效的功能。

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例如,贝壳的基本性质由构成它的碳酸钙和多糖基质的结构决定,但是二者通过有序组装构成的复合材料决定了它的基本材料性质。

而且只有当这种材料构成一定形状的壳状结构时,它才能起贝壳的作用。

同样是碳酸钙和多糖基质构成的蛋壳就因为有不同的组装方式和不同外形而有不同的功能。

在分子结构层次上研究材料的合成、制备、理论以及分子结构和聚集态结构、材料性能之间关系的科学属于材料化学的研究范畴。

在分子聚集态结构的基础上研究分子的聚集态结构和材料工艺、材料性能之间关系的规律性,以及材料宏观性能的结构物理学基础的科学属于材料物理的研究范畴。

研究材料的外形结构和使用性能之间的关系属于材料工程的研究范畴。

这3个层次综合起来都属于材料科学的研究领域,并构成材料学的核心内容。

材料科学本身就是在物理、化学、数学、工程等学科的基础上发展和成长起来的一门交叉学科。

材料化学是材料科学的重要组成部分,因而也具有边缘交叉学科的特征。

3　材料化学的重要性[6,7]
材料是人类赖以生存的物质基础,每种材料的实际功能和用途取决于由分子构成的宏观物体的状态和结构,但其原始基础在于构成它们的功能分子的种类及其结构。

材料化学在研究开发新材料中的作用就是用化学理论和方法研究功能分子以及由功能分子构筑的材料结构与功能之间的关系,使人们能够设计新型材料。

另外,合成化学提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计结构的材料。

总结20世纪材料化学所取得的巨大进展,可以证明化学是新型材料的源泉,也是材料科学发展的推动力。

从硝酸纤维到尼龙、涤纶,直到各种各样的合成纤维,从硅、锗到砷化镓、磷化铟,……,每一步进步都有相似的过程:先是针对已有的问题,总结已知材料的结构,设计新的结构,研究新的化学反应,又经过不同原料的选择,找出可行的工艺。

在21世纪,人类对各种特殊功能的先进材料的需求会越来越大,尽管利用的是材料的物理性质,但性质都是由材料的化学组成和结构决定的,不仅功能分子要用化学方法合成,高级结构也必须通过化学过程来构筑。

分子结构-分子聚集体高级结构-材料结构-理化性质-功能之间的关系,合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法,生物材料形成过程及结构的模拟仍是材料化学所面临的极大挑战。

在新世纪里,材料化学在指导新材料的研究与开发工作中仍将发挥不可替代的重要作用。

参　考　文　献
1　唐小真.材料化学导论.北京:高等教育出版社,1997
2　邓启刚,席慧智.材料化学导论.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999
3　Gersten J I,Smith F W.The Physics and C hemistry of M aterials.New York:W iley-In terscience,2001
4　朱光明,秦华宇.材料化学.北京:机械工业出版社,2003
5　严东生.化学通报,1984(10):1
6　王佛松,王夔.展望21世纪的化学.北京:化学工业出版社,2000
7　苏勉曾.大学化学,1995,10(3):6
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