材料化学第1章

Copper musical instrument
战国青铜编钟
Chapter1 Introduction
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铁器时代 Iron Age
Iron Age
• 铁器时代被认为是始于2000多年前，由铁制作的农具、手 工工具及各种兵器得以广泛应用，大大促进了当时社会的 发展
Chapter1 Introduction
那么下一个问题就是
什么样的材料值得我们关注？
先来看看材料的发展历史……
历史学家把某一类材料的特征及其广泛应 用作为人类文明史各个阶段的一种标志
❖ 旧石器时代 ❖ 新石器时代 ❖ 青铜器时代 ❖ 铁器时代
Stone Age
旧石器时代
群居洞穴的猿人通过简单加工获得石器以狩猎、护身和生存；
Chapter1 Introduction
——主要利用材料的力学性能
支撑件、连接件、传动件、紧固件等
功能材料（Functional Materials）
Classification of materials
——主要利用材料的物理和化学性能
磁性材料、电子材料、光学材料、敏感材料、生物医学 材料等
结构材料与功能材料的划分并不严格
Chapter1 Introduction
Chapter1 Introduction
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我国的新材料研究
• 形成了一支 40 万人的研究与生产队伍，其中 科研人员近 10 万人。研究单位有 300 多个， 新材料生产工厂 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。
我国的新材料研究
• 在光学晶体、有机分离膜、稀土永磁材料 、高温超导体、准晶态研究等方面已取得 举世瞩目的成绩，但与发达国家相比在总 体水平上估计落后 10 年左右。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。
• 金属材料通常由一种或多种金属元素组成 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。
• 新型金属材料：超塑性合金、形状记忆合金、储氢合金等。
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。
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• 钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会 开始从农业和手工业社会进入了工业社会。
• 本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用 ，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会 。
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 ❖ 复合材料 ❖ 纳米材料 ❖ ……
单个原子结构 原子的空间排列 相态结构
Chapter1 Introduction
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➢ 性能
力学性能：材料的强度、延性和刚度。 物理性能：电、磁、光、热等。
➢ 制备
材料的合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终 转变为有用产品的一系列连续过程。
新方法、新结构、新性能、新应用是发展新材 料的永恒主题。
➢合成高分子（二十世纪初） ➢纳米材料（二十世纪80年代）
因此材料的定义可以发展为：
人类社会所能够接受的经 济地制造有用器件的物质
一般说来，一种材料能否在一个时代引起人们关注 、得到广泛使用应该从以下几方面加以分析
❖资 源 ❖能 源 ❖环 保 ❖经 济 ❖质 量
新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在 的。事实上，每种材料都有其生命曲线
• 1886 年， 22 岁的美国人 Hall 发明了熔盐电解 法制取金属铝，此法投产后，金属铝的产量迅 速增长，价格则大幅度下降 ，从而把铝的大规 模生产变成了现实。这个年轻人组成了一个大 公司，这就是今天美国美铝公司 (Alcoa) 的前 身。
• 将氧化铝 (A12O3) 溶解在熔融的冰晶石 (Na3AlF6) 中进行电 解(电解液温度接近 1000℃)
• Al 在 地 壳 中 含 量 丰 富 ， 占 1/12 ， 但 主 要 以 Al2O3的状态存在。18 世纪发现了 Al 元素的存 在，1825 年丹麦物理学家 Hans Oersted 第一次 成功地提炼出金属铝，但是提炼方法比较复杂 ，产量很低，使得其价格极为昂贵。
铝曾经比金银还要珍贵……
高比强铝合金给 20 世纪的 “新”材料带来了第一个突破
钢的比强度为： 0.64 106 cm 铝合金的比强度为：2.64 106 cm
后者是前者的 4 倍，这对于结构材 料来说是几千年来的一个飞跃。
铝
• 铝是一种轻金属，密度 2.7 g/cm3,大约是铁的 1/3。纯铝的拉伸强度只有 48 MPa，只有钢的 1/10 左右。因此在早期并未得到重视。
Chapter1 Introduction
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思考题
• 什么是材料化学？其主要特点是什么？ • 材料与试剂的主要区别是什么？ • 材料按其组成和结构可以分为哪几类？
如果按功能和用途对材料分类，请列举出 10种不同功能或用途的材料。 • 简述材料化学的主要内容。
Chapter1 Introduction
Chapter1 Introduction
3
1.1 材料与化学 Materials and Chemistry
一、材料（Materials）：
1. 材料的定义？
材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产 品的那些物质。 师昌绪主编：《材料大辞典》p58
材料是“具有一定性能的物质, 可以用来制成一些机器、 器件、结构和产品” 。 美国科学院、美国工程院联合编写 《材料：人类的需求》
性能 Properties
Chapter1 Introduction
结构 Structures
应用 Application
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➢ 结构
材料的结构是指组成原子、分子在不同层次上彼此结 合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、 分子结构、晶体结构，缺陷结构等；
在尺度上则包括纳米以下、纳米、微米、毫米及更宏 观的结构层次。
Chapter1 Introduction
26
二、材料化学
材料科学 和 化学：对象都是物质
Materials Science & Chemistry
材料化学:
关于材料的结构、性能、制备和应用的化学。
Chapter1 Introduction
27
1.2 材料的分类 Classification of Materials
本课程的结构
第一章 绪论 第二章 材料的结构 第三章 材料的性能
第四章 材料化学热力学 ×
第五章 材料的制备 第六章 电子与微电子材料 第七章 光子材料 第八章 生物医用材料 第九章 复合材料 第十章 纳米材料
基础部分 应用部分
Chapter1 Introduction
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课程考核
平时成绩：20% 期末考试成绩：80%
8
新石器时代
•随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织
Copper mirrors
青铜器时代
Bronze Age
中国古铜镜
Chapter1 Introduction
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•青铜时代大约源于4000 ~ 5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与 纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了 农业和手工业的出现。
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按用途分
导电材料、绝缘材料、生物医用材料、 航空航天材料、能源材料、 电子信息材料、感光材料等
Chapter1 Introduction
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1.3 材料化学的特点
Characteristics of Materials Chemistry
1. 跨学科性 2. 实践性：
材料化学是理论与实践结合的产物。
出现
发展
成熟 衰退
衰退主要是由于社会 发展和科学技术进步 导致的。
一个新材料的诞生，从实 验室研制出样品到工业上 的大规模实际使用，大概 需要 15 ~ 20 年时间。
出现 发展
新材料
成熟 衰退
传统材料
所谓的“材料科学”的主要研究对象是新 材料，或者是想方设法使传统材料获得新 生。
一个例子
比强：比强度，也就是 材料的强度与密度之比。 具有高强度、低密度的 材料无疑具有应用优势。
• 复合材料：由两种或多种不同材料组合而成的 材料。
• 既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分 材料所无法获得的或更优异的特性。
• 金属材料、无机非金属材料和高分子材料相互 之间或同种材料之间均可复合形成复合材料。
Chapter1 Introduction
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按使用性能分
结构材料（Structural Materials）
Chapter1 Introduction
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材料的定义: 材料是具有使其能够用于机械、结构、设备 和产品的性质的物质。
材料 是 物质 (Materials)
(Matter)
食物是材料？ 火药，固体火箭推进剂是材料？
Chapter1 Introduction
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多数物质都可以称为是材料 并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注
铝合金的出现，大大拓宽了铝的用途……
航天飞机、大型客机 铝门窗、铝活动建筑 铝细粉是一种火箭固体燃料 铝 箔 铝电缆 易拉罐
材料中的“常青树”：陶瓷
2. 材料与化学试剂的不同
• 化学试剂——消耗，并转化成别的物质 如：KMnO4, 甲烷
• 材料——正常损耗，不会不可逆的转化成别的 物质 如：玻璃，钢材
Chapter1 Introduction
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高分子材料（Polymers）
• 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、生物
医用高分子材料等。
Chapter1 Introduction
Байду номын сангаас
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复合材料（Composites）
• 100多年前，为了表彰门捷列夫对化学的杰出 贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个比 黄金还要贵重的奖杯──铝杯，赠送给门捷列 夫。
• 法国皇帝拿破仑三世为了显示自己的尊贵， 用铝作了一顶头盔，成为轰动一时的新闻。 每逢盛大国宴，别人都用银制餐具，而他独 自使用一套铝制餐具。
技术的进步让铝走出了首饰店 ……
材料化学
Materials Chemistry
Chapter1 Introduction
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Chapter 1 Introduction
绪论
Chapter1 Introduction
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主要内容
1.1 材料与化学 1.2 材料的分类 1.3 材料化学的特点 1.4 材料化学在各个领域的应用 1.5 材料化学的主要内容
Chapter1 Introduction
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1.4 材料化学在各个领域的应用
生物医药领域 电子信息领域 环境和能源领域 结构材料领域
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1.5 材料化学的主要内容
材料化学是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学
制备 Synthesis and Fabrication
新材料的发展方向
❖ 结构功能的复合化 ❖ 功能材料的智能化(smart) ❖ 材料与器件的集成化 ❖ 制备和使用工程的绿色化
国内材料研究现状
• 中国科学院沈阳金属研究所(金属材料) • 中国科学院上海硅酸盐研究所(陶瓷材料) • 中国科学院上海有机所(有机化学和高分
子材料) • 清华大学材料与工程学院
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按组成、结构特点分
金属材料（Metallic Materials） 无机非金属材料（Inorganic Materials） 高分子材料（Polymers Composites） 复合材料（Composites）
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金属材料（Metallic Materials）