材料化学(第2版)作者曾兆华、杨建文编著第一章课件

Chapter1 Introduction
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Architec ture material s
Chapter1 Introduction
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高分子材料（Polymers）
• 高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量 足够高的有机化合物。 • 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、光导电高分子、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。
—— connected with function and, through that function, utilities.
Chapter1 Introduction
11
Distinguish between Chemicals and Materials
• Chemicals：the utility lies primarily in their consumption. • Materials: can be used repeatedly or continuously for an application that does not irreversibly convert them to something else.
复合材料
纳米材料
……
1.2 材料的分类 Classification of Materials
按组成、结构特点分
Metallic Materials Inorganic Materials Polymers Composites
Chapter1 Introduction
39
按使用性能分
7.5%。2004年的雅典奥运会获得奖
牌的运动员中有47人就是穿着这款 泳衣登上领奖台的。 二代
第三代鲨鱼皮（2007年） 由防氧弹性纱和特细尼龙纱组 成。它的弹性比同类产品高 15%，可以减少肌肉振动和能
量损耗。在2007年1年时间里，
协助世界各国运动员先后21次 打破世界纪录。
第四代鲨鱼皮（2008年） 第4代由极轻、低阻、防水和 快干性能LZR Pulse面料组成，
Chapter1 Introduction
3
鲨鱼皮泳衣
• 鲨鱼的皮肤上有一层极为细小的 突起状，相当于小型的水囊，能 在流动时有序地引导周围的水向 同一方向流动，使鲨鱼更舒畅、 省力地在水中游弋。 • 鲨鱼皮泳衣是对采用仿生学原理 制造出的竞技用游泳衣的形象称 呼。它根据鲨鱼皮的特性制作出 来的，主要是性能是减小有用过 程中水的阻力。
Chapter1 Introduction
12
Materials Science and Chemistry
Materials Science & Chemistry
Materials Chemistry:
Chemistry related to structure, properties,
preparation and applications of materials.
Chapter1 Introduction
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铸铁 依含碳量
和杂质多少
Alloys of iron & carbon
锻铁
钢铁
铁和碳的合金
Chapter1 Introduction
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第八世纪的 "Carolingian"剑
东方曲剑" Persian "
Swo rds
土耳其的 "Damascus" 剑
18 世纪末分析化学的发展使得人们第一次认 识到钢中存在有碳原子，而且碳原子在决定 钢的性质方面起着十分关键的作用，从而促 使人们开始从材料的组成角度来研究材料。
20 世纪初开始出现的合成材料就是在有机化 学发展的基础上诞生的。
元素周期表的发现及其对材料科学的影响
现代的材料科学就是一种“炼金术”，它能变魔 术般地以 90 多种元素为原料，从理论研究、应 用，到制造成虽然不是金子但是却有可能比金子 更为人类所需、更有价值、更加珍贵的新物质。 化学家们经过几百年的努力，开发出了许多存在 于自然界的天然化合物，同时也制备出了大量自 然界所不存在的合成化合物，两者的总和超过了 2000 万种，其中的一部分已经成为了各种各样的 材料，构成了现代文明社会的物质基础。 目前全世界的化学家们平均每天研究出 7000 多 种新化合物，为材料的选择提供了丰富的来源。
• 新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢 合金等。
Chapter1 Introduction
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Examples
Chapter1 Introduction
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无机非金属材料（Inorganic Materials）
• 无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。
• 单质材料：单晶硅、金刚石、石墨等。 • 以陶瓷为主。可用作结构材料、光学材料、电子材料 等。 • 半导体材料：单晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓等。 用于制造集成电路、固态激光器、发光二极管、晶体 管等。
鲨鱼皮泳衣的发展历史
第一代鲨鱼皮（2000年） 采用纤维模仿鲨鱼皮肤结构，能引导周围的水流， 减少水阻力并提高游进速度3%～7.5%。作为鲨鱼皮的 代表，这款泳装在悉尼奥运会上风靡全球，有83%的参 赛选手选择身穿鲨鱼皮参加比赛。
第二代鲨鱼皮（2004年）
在第1代的基础上，在面料的表面 加上颗粒状的小点，目的是减少 30%的水阻整体功能比第1代提升
材料化学
Materials Chemistry
Chapter1 Introduction
1
Chapter 1 Introduction
绪论
Chapter1 Introduction 2
本章内容
1.1 1.2 材料与化学 材料的分类
1.3
1.4
材料化学的特点
材料化学的在各个领域的应用
1.5
材料化学的主要内容
•
我国的四大发明中至少有两项是化学和材 料的结合体
通过蒸煮草木灰把植物中的纤维物质提炼出 来制成了纸浆； 一硝二磺三木炭的组合则生成了火药。
2KNO3 + 3C + S = N2↑+ 3CO2↑+ K2S + 169千卡
“一硝二磺三木炭”的原理在抗 日战争事情也发挥了巨大的作用。
• 进入到近代后，化学开始有意识地向材料 靠拢，并且逐渐地在理解材料的结构和性 能方面发挥着越来越重要的作用。
使用吸波材料和吸波涂层
1.1 材料与化学 Materials and Chemistry
• Materials：
– Substances having properties which make them useful in machinery, structures, devices and products.
Chapter1 Introduction
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→→Pottery
新石器时期 马家窑式水纹彩陶钵
Pottery
新石器时期 半山式菱形点纹壶
Chapter1 Introduction
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China
China
康熙 黄釉盖罐
乾隆 茶叶末六连瓶
Chapter1 Introduction
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唐 三彩鸳鸯壶
材料的发展的几个阶段
材料的发现、发展和应用是人类文
明的标志。
Developme nt of materials
材料的品种、质量和产量，是直接 衡量一个国家的科技和经济发展水 平的重要标志之一。
Chapter1 Introduction
19
早期：三个时代
① 陶器制作：粘土及其它添加物， 加热烧结成较硬实体；人类社会结构﹑ 生活形态的改变。 ② 青铜器：金属产物的工具﹑武器﹑ 农具﹑礼器﹑祭器等取代泥制陶器； ③ 金属使用：常温的刚强度，红热时 可锻炼成形性，熔融后的铸造性。
Chapter1 Introduction
26
Stone Age
Stone age
Chapter1 Introduction
27
Table 1-1 Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age
Materials Wood
Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age
Structural Materials ——主要利用材料的力学性能 Functional Materials ——主要利用材料的物理和化学性能
按用途分
航空航天材料、能源材料、
Classification of materials
导电材料、绝缘材料、生物医用材料、
电子信息材料、感光材料等等
Chapter1 Introduction
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明 掐丝珐琅 葫芦式扁瓶
橘皮釉
Chapter1 Introduction
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→→Glass
Warring States Glass Eye Beads
Glass
现代的水晶玻璃
Chapter1 Introduction
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Figure of materials development
Chapter1 Introduction
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金属材料（Metallic Materials）
• 金属材料通常由一种或多种金属元素组成，其特征是 存在大量的离域电子，也就是说，这些电子并不键合 在特定原子上。
• 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。
Chapter1 Introduction 13
材料的发展
化学与材料亲密接触的历史
人类第一个化学上的发现是火，这是公元前 50 万年左右的事情。而人类第一次真正有意识 地创造发明的自然界并不存在的“新材料” 陶器就是在火的帮助下制造出来的。
在烧制陶器的过程中人类又还原出了金属铜和 锡，发明了炼铜技术，从而把历史推进了青铜 器时代。
含锡量1/6 —— 韧性好 —— 制造钟鼎
Allo y
含锡量2/5 —— 硬度高 —— 制造刀斧
结构与性能的关系
Chapter1 Introduction 30
Copper mirrors
中国古铜镜
Chapter1 Introduction
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Copper musical instrument
战国青铜编钟
一种低温铅釉的陶器，采 用黄、绿、褐等色釉在器 皿构成花朵、斑点或不规 则的几何纹等，色彩斑斓 的色釉装饰。
虽称为三彩，实际上并不限于三种色彩，往往 采用二次烧成法，第一次素烧，温度约在摄氏 一千度左右，烧成坯胎uction
Stone
Bone
Pottery
the Paleolithic Period
the Neolithic Age


Chapter1 Introduction
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Bronze Age
Bronze age
Chapter1 Introduction
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Cu Sn Pb Zn
第一个合金材料：铜锡合金（青铜）
是全球首套以高科技熔接生产
的无皱褶比赛泳装。 在近1个月内产生的16项新的 世界纪录中，有14项是由选手 穿着这款泳衣创造的。
美国海军用0.5马力陶瓷发动机
广州新电视塔摩天轮的16个“水晶” 观光球舱，壳体采用新型高分子材 料，晶莹剔透，能保证舱内游客对 塔外景色一览无余。
美国最新型隐身战斗机F-22
日本剑的锋口部份
Chapter1 Introduction 36
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
钢制品精炼工艺技术
高性能碳钢和合金钢
Chapter1 Introduction 37
我们现在所处的时代应该称为什么时代？
钢
硅
塑料 合成材料 半导体 精密陶瓷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Chapter1 Introduction
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Iron Age
Iron Age
Chapter1 Introduction
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炼铁过程的化学
3Fe2O3 11C 2Fe3C 9CO Fe2O3 3C 2Fe 3CO
Equations
Fe3C FeO 4Fe CO