材料化学绪论01

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按材料的用途分类 按材料的用途分类 用途
结构材料：力学性能为基础 结构材料
（例支撑件、连接件、传动件、紧固件）
功能材料：特殊的物理、化学性能为基础 功能材料
（磁性、电子、信息、光学、敏感、能源）
结构材料与功能材料的划分并不严格
生物医学材料？
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按材料内部原子排列情况分类 按材料内部原子排列情况分类 原子排列
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在美国的航天史上发生过三起巨大灾难
阿波罗号飞船升空时爆炸 飞船升空时爆炸， 1967 年 1 月 27 日：阿波罗号飞船升空时爆炸，三名宇航 员遇难； 员遇难； 1986 年 1 月 28 日：挑战者号航天飞机升空时爆炸，包 挑战者号航天飞机升空时爆炸 航天飞机升空时爆炸， 括一名女教师在内的宇航员全部遇难； 括一名女教师在内的宇航员全部遇难； 2003 年 2 月 1 日：“哥伦比亚号”航天飞机在完成 16 哥伦比亚号” 天的太空研究任务后，在返回大气层时突然发生解体， 天的太空研究任务后，在返回大气层时突然发生解体，机上 7 名宇航员全部遇难
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升空时， 升空时，从燃 料箱脚架处掉 下的一块隔热 泡沫砸到左翼 碳／碳复合材 料面板下半部 附近造成裂缝。 附近造成裂缝。 而后高温热离 子流穿过此处， 子流穿过此处， 使机翼铝合金、 使机翼铝合金、 铁基合金、 铁基合金、钠 基合金结构熔 化，导致航天 这张照片是在哥伦比亚号返回地球的 飞机失控、 飞机失控 11天前拍摄并传回的 天前拍摄并传回的， 11天前拍摄并传回的，通过哥伦比亚 、机 翼破坏和机体 号上随机安装的一架照相机拍摄。 号上随机安装的一架照相机拍摄。 解体。 解体。 26
材 料 化 学
(Materials chemistry)
材化专业
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课程简介
课程性质：专业基础课（考试课） 先修课程：无机化学，物理化学，等 总 学 时： 理论教学48学时 教 材：《材料华学导论》席慧智等 主编
参 考 书： 《材料华学导论》唐小真 主编 《材料化学》 潘伟 主编 《现代材料化学》刘光华 主编 基本要求：课堂学习；复习；作业；提问；笔记；课代表
晶态材料 非晶态材料 液态材料 气态材料
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从材料尺度角度分类 从材料尺度角度分类 尺度
三维材料-三维材料 块体材料 二维材料-二维材料 薄膜、涂层等 (金刚石薄膜、高温
超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)
一维材料-一维材料 纤维、晶须等 (光导纤维、高强纤维) 零维材料-- 粉 体 零维材料
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三、新材料应用实例
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哥伦比亚空难与材料
“哥伦比亚号”是航天飞机第一次在即将着陆时发 哥伦比亚号” 哥伦比亚号 生的灾难。空难发生后，由美国宇航（ 生的灾难。空难发生后，由美国宇航（NASA）组成了 ） 由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组对飞机残骸 进行了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验， 进行了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验，分析 了航天飞机爆炸的原因。 哥伦比亚号” 了航天飞机爆炸的原因。“哥伦比亚号”航天飞机的爆 炸，震惊了世人，同时也引起了人们对材料的关注，材 震惊了世人，同时也引起了人们对材料的关注， 料分析揭开了哥伦比亚空难之谜。 料分析揭开了哥伦比亚空难之谜。
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材料科学的发展过程： 材料科学的发展过程
发现与使用自然材料 ↓ 合成与设计材料 ↓ 赋予材料生命体功能
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20 世纪科学技术领域发生了一系列惊人的重大发现（原 世纪科学技术领域发生了一系列惊人的重大发现（ 子能、航空航天、激光、信息、能源等领域）， ），它 子能、航空航天、激光、信息、能源等领域），它 有力地促进了材料的发展，使得材料在20 世纪中叶， 有力地促进了材料的发展，使得材料在 世纪中叶， 发生了一次“革命性”的飞跃： 发生了一次“革命计 算 机 (晶体管、半导体) 高温结构陶瓷) 航天飞机 (高温结构陶瓷) 这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。 这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。
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F-117A 战斗机周身几乎全由直线构成，机体表面使用 战斗机周身几乎全由直线构成， 了 6 种不同的雷达吸波涂层材料，大大降低了雷达探 种不同的雷达吸波涂层材料， 测度。经科学家测试， 测度。经科学家测试，雷达在距离 F-117A 飞机 600 米 就已完全接收不到它发出的信号。 时，就已完全接收不到它发出的信号。
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2、 材料科学及其发展
第一代（天然材料）：自然界的矿物、 第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物 ）：自然界的矿物 第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥； ）：烧结 第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥； 冶炼： 冶炼：铜铁 第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品 塑料、 第三代（合成材料）： 世纪初出现化工产品，塑料、 ）： 世纪初出现化工产品， 橡胶、纤维等已广泛用于生活。 橡胶、纤维等已广泛用于生活。 第四代（可设计材料）：前三代为单一产品， ）：前三代为单一产品 第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需 要设计特殊性能的材料。 要设计特殊性能的材料。例20世 世 纪40年代的复合材料 年代的复合材料 第五代智能材料： 近三、四十年研制的新型功能材料， 第五代智能材料： 近三、四十年研制的新型功能材料， 例记忆合金等。 例记忆合金等。
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隐形武器由于其科技含量高，对材料要求苛刻， 隐形武器由于其科技含量高，对材料要求苛刻， 研制费用异常高。 研制费用异常高。 亿美元， 美国的 F-117A 隐形飞机单价 为 1.1 亿美元，B2隐形轰炸机单价更高达 5.3 亿美元，比与机体 亿美元， 隐形轰炸机单价更高达 等重量的黄金价值还要高。 等重量的黄金价值还要高。 最近， 亿美元的天价， 最近，美国又以 4000 亿美元的天价，开始研制 一种集“隐形、敏捷、高速” 一种集“隐形、敏捷、高速”为一体的 F-35 新 型隐形战机。 型隐形战机。
3、材料科学形成的背景 、 20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领 域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其中的 主要内容之一。
1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了 全球性的材料科学研究。 美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料科 学作为一个学科对待。
美国：50年代末美国政府就制定了全国材料发展规划， 70 ~ 80 年代又进行了多次的补充和修正，把重点放在 超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷 上。 日本：在 1980 年开展了为期 10 年耗资 4 亿美元的新 材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、 复合材料、生物材料等。 欧洲：与前苏联也制订了类似的规划，竞争的项目也 集中在这些领域。
英国人悲哀地说：英国没有硅工业了， 英国从第一流的经济大国变为了第二 流的经济发达国家，而日本却从第二 流的经济发达国家变成了第一流的经 济大国。
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二、材料的分类
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按材料的组成分类 按材料的组成分类 组成
金属材料（纯金属、合金）：优良力学性能（强度、塑性）； 金属材料 可加工性；优异的物理性能。 高分子材料（天然、合成）：密度小；比强度大；绝缘性好； 高分子材料 耐腐蚀；易加工。 无机非金属材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）： 无机非金属材料 耐高温；抗腐蚀；高硬度；优良 介电、压电、光学、磁学性能。 复合材料（玻璃钢，碳纤维聚合物，陶瓷基、金属基）： 复合材料 两种以上；特殊方法。
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四、材料化学
材料化学是材料科学的一个重要组成部分， 材料化学是材料科学的一个重要组成部分，在 化学学科中通常也称为“固体化学” 化学学科中通常也称为“固体化学”。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。 本知识。
材料中原子、离子或分子的排列方式、 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 材料化学性质以及其他各类性质中的化学因素 例如腐蚀) 环境对材料的影响 (例如腐蚀 例如腐蚀
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1982 年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车。它的出现使 年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车。 陶瓷发动机小汽车 发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。 发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。 1988年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功。 年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功。 年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功 液氢的沸点为 −253°C，携储液氢需要高效率的绝热材料。 ° ，携储液氢需要高效率的绝热材料。 低温极限技术已达到实用化程 液氢发动机的使用，则意味着低温极限技术 液氢发动机的使用，则意味着低温极限技术已达到实用化程 度。 1989 年日本一艘潜水调查船下潜到 年日本一艘潜水调查船下潜到 下潜到6500 米的深海区，打破 的深海区， 了美国、前苏联和德国的下潜纪录。 了美国、前苏联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱使用 的是一种高强度钛合金， 的是一种高强度钛合金，观察窗使用的是一种新型的有机玻 璃。
2005 年 8 月 9 日，美国的“发现”号航天 美国的“发现” 飞机平安着陆。它对于人类今后探索太空、 飞机平安着陆。它对于人类今后探索太空、进 一步发展载人航天事业具有重要意义。与此同 一步发展载人航天事业具有重要意义。 时，美国航天飞机两年半来重返太空的这次首 在美国航天界、 航，在美国航天界、舆论界及民众中引发了对 航天飞机探测飞行前景及对载人飞行安全前所 未有的关注…… 未有的关注
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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
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我国的新材料研究 万人的研究与生产队伍， 形成了一支 40 万人的研究与生产队伍，其中科 万人。 多个， 研人员近 10 万人。研究单位有 300 多个，新材 多个。 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。 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、 在光学晶体、有机分离膜、稀土永磁材料、高温 超导体、准晶态研究等方面取得举世瞩目成绩。 超导体、准晶态研究等方面取得举世瞩目成绩。 与发达国家相比， 年左右。 与发达国家相比，总体水平估计落后 10 年左右。 钢材和化工有机合成材料要靠进口， 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。