化学与新材料ppt课件
第9章 化学与社会可持续发展第3节 新型材料的研制(课件)2024-2025九下化学沪教
塑料
组成元素
能否包装食品
燃烧现象
燃烧情况
是否产生烟
是否有气味
聚乙烯
C、
能
易燃，离火持续燃烧
不产生烟
无刺激性气味
塑料
组成元素
能否包装食品
燃烧现象
燃烧情况
是否产生烟
是否有气味
聚氯乙烯
C、、
不能
不易燃，离火即灭
产生大量烟
有刺激性气味（聚乙烯和聚氯乙烯的鉴别方法：灼烧，闻气味）
1.复合材料的概念复合材料是将两种或两种以上的材料复合成一体而形成的材料。2.复合材料的优点复合材料集中了组成材料的优点，具有更优异的综合性能。3.常见的复合材料（1）钢筋混凝土：钢筋和混凝土的复合材料。（2）机动车的轮胎：用合金钢与橡胶的复合材料制成。（3）玻璃纤维增强塑料：塑料和玻璃纤维的复合材料。（4）飞机的机翼、飞行器头锥：用碳纤维复合材料制成。
第9章 化学与社会可持续发展
第3节 新型材料的研制
九下化学 HJ
1.能结合实例，从物质的性质及其变化的视角，认识材料的科学利用与新材料的研发。2.能感受无机材料、有机高分子材料、复合材料等在社会生活中的广泛应用。
1.金属材料的发展历程
无机材料包括金属材料和无机非金属材料两大类。
2.无机非金属材料
示例
用氧化铝 等为原料生产的耐高温、高强度的陶瓷，可用来制造发动机零件；用羟基磷酸钙 为原料生产的陶瓷甚至能够制造人工骨、人工关节及人造假牙等。
典例1 下列实验室中常见的化学仪器所用的主要材料，属于无机非金属材料的是( )
C
A.木制试管夹
B.铁架台
C.玻璃烧杯
D.燃烧匙
化学与新材料开发的关系与应用
化学与新材料开发的关系与应用随着社会的发展和科学技术的进步，化学作为一门重要的基础科学，在新材料开发中起着至关重要的作用。
本文将探讨化学与新材料开发之间的关系以及在实际应用中的具体应用。
一、化学与新材料开发的关系化学作为一门研究物质组成、性质和变化的学科，为新材料的开发提供了基础。
化学的理论和技术成果为新材料的合成、制备和改性提供了关键的支撑。
例如，有机合成化学为研发新型的有机高分子材料提供了基础，无机化学为合成新型的无机材料提供了技术支持。
此外，化学的理论研究以及化学分析方法的不断发展，也为新材料的研究提供了重要的参考依据。
二、化学在新材料开发中的应用1. 合成新材料通过化学合成，可以制备出各种新型的材料，如高分子材料、纳米材料等。
比如，利用聚合物反应原理和有机合成化学的方法可以合成出具有特定性能的高分子材料，这些高分子材料可以用于制备塑料、橡胶、纤维等各种日常用品。
而纳米材料的研究则是通过化学方法控制材料的微观结构和性能，例如，通过溶胶-凝胶法合成二氧化硅纳米颗粒，使其具备更好的电化学性能，应用于锂电池等领域。
2. 改性现有材料化学还可以通过对现有材料的改性，使其具备更好的性能和应用价值。
例如，通过对聚合物材料进行交联改性，可以提高其力学性能和耐热性，使其可以应用于高温环境下的工业领域；通过表面处理改性可以使材料具备抗菌、防水、抗紫外线等功能，扩大材料的应用范围。
3. 材料分析与表征化学的分析方法为新材料的研究提供了重要的手段。
通过化学分析方法，可以对材料的组成、结构和性能进行全面的分析与表征，为新材料的研究提供准确可靠的数据。
例如，利用质谱、红外光谱等分析方法可以对材料的组成和结构进行表征，通过热分析和光谱分析则可以研究材料的热性能和光学性能。
三、化学与新材料开发的应用案例1. 高分子材料在塑料工业中的应用高分子材料是一类重要的新材料，由于其良好的可塑性和可加工性，在塑料工业中得到广泛应用。
应用无机化学：第一章 新型无机材料概述
✓ 粉体原料的粒度是纳米量级的，显微结构中的晶粒、晶界、气孔、缺陷分布均在纳米尺度。 ✓ 纳米陶瓷表面和界面非常大，晶界对材料性能其主导影响作用 ✓ 纳米陶瓷是当前陶瓷研究的一个重要趋向，将促使陶瓷从性能到应用都提高到崭新的阶段 9
现代社会的合成材料
钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透 明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维 等
金 属
高温结构陶瓷
高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等 难熔化合物
材
超硬材料
碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等
料
人工晶体
铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等
生物陶瓷
长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的
载体等
21
无机复合材料
陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料
对人体有较好的适应性
心瓣膜、人造关节等
23
硬度大、耐磨损
高温炉管
透明、耐高压 氧化铝陶瓷制品
高
压
钠
灯
熔点高
24
氧化铝陶瓷球磨罐
星式氧化铝陶瓷球磨机
25
高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色 金白，在它的灯光下看物清晰，不刺眼。平均 寿命长达1万小时～2万小时，比高压汞灯寿命 长2倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命 最长的灯。早在20世纪30年代初，人们就已经 知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源， 但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经 不断发展改进，才得以实际应用。
2014级本科生选修课程
应用无机化学
课程内容
第一章 新型无机材料概述
• 新型无机材料发展概况 • 新型无机材料特点 、分类 • 新型无机材料应用领域
有机化学中的新反应与新材料
有机化学中的新反应与新材料有机化学是从19世纪末开始发展起来的一门化学学科，它在生产、应用和科学研究中扮演着不可替代的角色。
现在，在有机化学领域中，不断涌现出新反应和新材料，这些进展不仅有助于解决日常生活中的问题，而且有望为未来的科学发展做出贡献。
在本文中，我将讨论有机化学中的新反应和新材料。
新反应有机化学中，新反应的发现对于合成有价值的化合物至关重要。
相比于传统的反应方法，新反应通常具有更高的效率、更广泛的适用性和更好的选择性。
以下为几种在有机化学中最近开发的新反应：1. 铜催化下的苯基化反应该反应是一种将苯基化合物合成到吲哚或咔唑生物碱中的方法。
这种新反应可以在较温和的条件下完成，反应的过程中产生的中间物也可以很方便地与其他反应物进行反应。
此外，这种反应的产物具有多种化学性质，有望应用于制药和其他领域中。
2. 光催化解氧环加成反应该反应是一种用于制备有机分子的方法，对于合成稠环化合物、天然产物和复杂分子具有广泛的适用性。
此反应具有较高的效率和选择性，而且无需任何其他试剂，符合绿色化学方法的要求。
3. 可控激发光催化甲硼烷与芳基硼酸酯间的偶联反应该反应是一种在可控条件下催化两种有机化合物反应的新方法。
该反应的主要优点是可以高效地形成C-C键，具有广泛的适用性。
还可以颇具前景地将这种方法应用于Suzuki偶联反应的改进中。
新材料有机材料是指由含碳化合物组成的材料，它们可以应用于传感、发光、能量转换和电子器件等领域。
以下为几种在有机材料领域内最近开发的新材料：1. 有机/inorganic杂化球形纳米颗粒这种由有机和无机材料构成的纳米颗粒可以在制备过程中控制其大小和形状。
这种新材料具有许多有用的性质，如热稳定性、磁性、荧光性和光电性等，有望应用于生物和材料科学中。
2. 有机基电解质这种电解质是一种基于有机化合物的新型电解质，它可以用于锂电池等器件中。
该电解质具有较高的离子传导性和较低的极性，可用于提高电池的性能。
有机化学中的新材料与应用
有机化学中的新材料与应用有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学科学，广泛应用于许多领域，为我们的生活带来了许多新材料和应用。
本文将探讨有机化学中的一些新材料以及它们的应用。
一、生物降解塑料生物降解塑料是一种环境友好型的塑料，它可以在正常的环境条件下被微生物代谢和降解，降解产物对环境没有污染。
这种塑料主要由可再生资源制成，如玉米淀粉和纤维素。
它在塑料包装、食品容器和农业薄膜等领域得到广泛应用，有效减少了对环境的影响。
二、光致变色材料光致变色材料是一种能够在光照射下改变颜色的材料。
它们的分子结构可以通过紫外光、可见光或红外光的照射而发生可逆的结构变化，从而改变材料的颜色。
这种材料在信息显示、可见光通信和光子学等领域具有潜在的应用前景。
三、有机光电材料有机光电材料是一种能够将光能转化为电能或者将电能转化为光能的材料。
这些材料通常由有机分子构成，其分子结构可以通过吸收光子而发生电荷分离或电荷重组，从而实现光电转换。
有机太阳能电池、有机发光二极管和有机光电传感器等就是利用有机光电材料的典型应用。
四、荧光探针荧光探针是一种可用于检测、定量和监测特定物质的有机化合物。
通过引入特定的分子结构，荧光探针可以与目标物质发生特定的相互作用并发生荧光变化。
这种材料在生物医学和环境监测等领域的应用非常广泛，可以用于检测重金属离子、有毒气体和生物分子等。
五、有机电子材料有机电子材料是一种能够在电子设备中实现电荷输运和电子传导的有机化合物。
这些材料通常具有良好的分子自组装性质和光电特性，可以用于制备柔性显示器、有机场效应晶体管和有机电子器件等。
有机电子材料的研究和应用为电子学领域带来了许多新的可能性。
结语有机化学中的新材料与应用给许多领域带来了革命性的变化。
生物降解塑料解决了塑料污染的问题；光致变色材料实现了信息显示的创新；有机光电材料实现了光电转换的突破；荧光探针帮助我们监测和检测特定物质；有机电子材料掀起了柔性电子的新浪潮。
化学发展的新技术与新材料
化学发展的新技术与新材料化学是自然科学的一个重要分支，它研究的是物质的组成、性质和变化规律。
近年来，随着科技的不断发展，化学发展的速度也日新月异。
特别是新技术和新材料的出现，为化学的研究和应用提供了新的思路和方法。
本文将从化学发展的新技术和新材料两个方面进行探讨。
一、化学发展的新技术1. 3D打印技术3D打印技术是一种快速制造技术，它利用计算机辅助设计软件，将数字化的模型分层，通过打印机逐层堆叠打印出实体。
在化学领域，3D打印技术被广泛应用于生物医学、材料科学以及化学教育等领域。
例如，研究人员可以通过3D打印技术制造出各种形态的分离膜，用于在制药、化妆品、食品等领域的分离和纯化过程中，较为有效地去除污染物。
此外，3D打印技术还可以制造出高效的催化剂和光催化剂，用于化学反应中的催化作用，从而提高反应的效率和选择性。
2. 溶液电喷雾技术溶液电喷雾技术是一种将带电荷的物质喷射成小颗粒状的技术。
在化学领域，溶液电喷雾技术主要应用于分析化学和生物化学领域。
例如，溶液电喷雾质谱技术可以用于生物分子和有机化合物的定性和定量分析，具有分辨率高、灵敏度高、分析速度快等优点。
3. 生物合成技术生物合成技术是一种将生物资源转化为有用化学品的技术。
在化学领域，生物合成技术主要应用于新材料的生产和化学反应的催化剂合成。
例如，利用生物合成技术生产的生物基聚酯已经成为新型环保材料，广泛用于塑料袋、缠绕膜、保鲜膜等领域。
另外，利用生物细胞和酶合成催化剂，可以开发出具有高效性和选择性的新型催化剂，用于促进化学反应的进行。
二、化学发展的新材料1. 二维材料二维材料是指厚度只有几个原子或分子的材料。
由于其具有独特的电学、光学和力学性能，在电子、光电子、能源存储等领域具有广泛的应用前景。
例如，石墨烯是最具典型代表的二维材料，具有高电导率、高导热性、高比表面积等优异性能，可以用于智能电路、柔性电子、传感器等领域。
2. 纳米材料纳米材料是指颗粒尺寸小于100纳米的材料。
基础化学与新材料的研究和应用
基础化学与新材料的研究和应用在现代社会，科学技术的发展已经成为推动人类社会变革和经济增长的核心动力。
在众多的科学领域中，化学科学作为一门重要的基础学科，一直处于科技创新的核心地位。
化学科学推动了新材料的研究和应用，为人类社会的发展做出了卓越的贡献。
一、基础化学的发展基础化学作为化学科学的核心内容，是新材料研究和应用的基础。
随着化学科学技术的发展，基础化学方面也形成了独特的理论体系和实验技术体系。
现代化学由元素周期表、原子结构、化学键、化学反应等等基础知识构成。
这些基础知识的研究和应用，将推动人类社会的发展。
二、基础化学与新材料的研究和应用新材料是科学技术进步和经济增长的重要支撑。
基础化学的发展给予新材料研究和应用以坚实的基础。
新材料的开发是基础化学研究的重要组成部分。
通过基础化学的研究，人们可以研制出具有特定性能的新材料，并应用于各个领域，推动经济的发展。
三、新材料的应用范围新材料的应用范围广泛。
在生活中，塑料袋、塑料瓶、塑料餐具、化妆品、电子产品等等，都离不开高分子材料。
在汽车工业、航空航天工业、轨道交通工业和机械制造业中，新材料的应用也得到了广泛的推广。
例如陶瓷材料、合金材料、复合材料、高温超导材料等。
此外，新材料的应用还涵盖了环境工程、能源工程、生命科学等各个领域。
四、新材料的研制方法新材料的研制方法多种多样。
化学新材料的研制方法主要包括：化学合成法、溶胶-凝胶法、溶剂热法、水热法、气相沉积法等。
这些方法主要是利用化学反应原理，通过改变反应条件、添加不同的物质、控制反应速率等方式，实现指定的材料性能。
五、新材料未来的发展趋势随着人类社会的发展，新材料的应用领域也在不断扩大，未来也必将取得更广阔的发展前景。
在新材料研发上，人们将更加注重绿色环保、高性能、低成本、可持续性等目标的实现。
例如，纳米材料、超硬材料和生物医用材料等新型材料的研发将备受关注。
而在新材料的生产加工上，人们也将更加注重节能减排、自动化生产等技术的应用，提高生产效率和经济效益。
《材料物理化学》幻灯片
按Hale Waihona Puke 途分为：电子材料、电工材料、光学材料、 感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建 筑材料、结构材料、包装材料等。
0.1.1 按化学组成〔或根本组成〕分类
1. 金属材料 2. 无机非金属材料 3. 高分子材料〔聚合物〕 4. 复合材料
材料材料与是人人类类文明文、明社会进步、科学技术开展
的物质根底和技术先导。在历史上，人们将石 器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代 的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器 时代。在近代，材料的种类及其繁多，各种新 材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时 代的特征。
第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽 机 ，但只有在开发了铁和铜等新材料以后， 蒸汽机才得以使用并逐步推广。
特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科 学技术领域的陶瓷制品。包括构造陶瓷 和功能陶瓷。构造陶瓷主要用于耐磨损、 高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高 刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷 主要包括电磁功能、光学功能、生物功 能、核功能及其它功能的陶瓷材料。
常见高温构造陶瓷包括：高熔点氧化物、碳 化物、硼化物、氮化物、硅化物。
材料是全球新技术革命的四大标志之一 （新材料技术、新能源技术、信息技术、 生物技术）。
什么是材料科学？
材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论 根底的边缘穿插根底应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精细仪器和技术，探 讨材料的组成、构造、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门根底应用学科，是研 究材料共性的一门学科。
化学与新材料的发展
化学与新材料的发展随着科学技术的发展，化学与新材料的研究变得越来越重要。
化学作为一门基础学科，广泛应用于各个领域，而新材料则是近年来兴起的研究热点。
本文将探讨化学与新材料的发展，并分析其对社会和经济的影响。
一、化学的发展化学是一门研究物质结构、性质、变化以及变化规律的学科。
化学的研究范围广泛，涵盖了有机化学、无机化学、物理化学等多个方向。
化学的发展有助于我们更深入地了解物质世界，推动了人类社会的进步。
化学的发展催生了许多重要的科学技术。
例如，基于化学原理的药物研发让我们能够治疗许多以前无法医治的疾病。
此外，化学还推动了能源领域的发展，开发了各种新能源，如太阳能、风能等。
化学在环境保护方面也发挥了重要作用，研究出许多可以净化水源、空气和土壤的技术和材料。
化学的发展不仅仅对科学技术产生了影响，也对经济发展有重要作用。
化学制药、化工和材料行业是现代化学产业的重要组成部分，为国民经济发展做出了巨大贡献。
大量的化学产品应用于医疗、交通、建筑、航空航天等领域，推动了社会的进步。
二、新材料的发展新材料是指具有新的物理、化学和力学性质，以及广泛应用前景的材料。
新材料的研究对推动科技创新和产业发展具有重要意义。
近年来，新材料的研究逐渐成为科学研究的热点。
新材料的研究范围广泛，包括有机材料、无机材料、复合材料等。
在能源领域，新型能源材料的研发具有重要意义。
例如，锂电池中使用的石墨烯材料具有高导电性和高比表面积，能够大幅提高电池的储能密度和充放电效率，推动了新能源产业的快速发展。
另外，新材料在环保方面也具有重要作用。
例如，一些具有吸附能力的新材料可以有效清除空气中的有害物质，改善空气质量。
此外，一些可降解材料也被广泛应用于环保领域，用来减少塑料污染和资源浪费。
新材料的发展对经济和社会产生了重要影响。
新材料的应用推动了许多产业的发展，如航空航天、汽车制造、电子信息等。
同时，新材料的研究也创造了就业机会，带动了社会经济的增长。
新材料科技：创新材料的研发与应用PPT
创新材料在药物 载体方面的应用， 如纳米药物载体 能够实现药物的 定向传输和精准 释放，提高治疗 效果并降低副作 用。
创新材料在医疗 诊断方面的应用， 如生物传感器、 荧光探针等用于 疾病检测和诊断 的创新材料，提 高诊断准确性和 效率。
创新材料在组织 工程和再生医学 方面的应用，如 用于构建人工组 织和器官的创新 材料，为器官移 植和损伤修复提 供新的解决方案。
航空航天领域对创新材料的需求不断增长，未来随着技术的进步和产业的发展，创新 材料在航空航天领域的应用前景将更加广阔。
电子信息领域
集成电路材料：提高芯片性能，降 低能耗
光学材料：用于制造光电子器件， 如激光器、光探测器等
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显示材料：发展新型显示技术，如 柔性显示、透明显示等
04 创新材料的应用
航空航天领域
创新材料在航空航天领域的应用，如碳纤维复合材料、钛合金等，具有轻质高强、耐 高温等优异性能，可有效降低飞机和火箭的结构重量，提高推进效率。
创新材料在航空航天领域的研发和应用，对于推动航空航天技术的进步和提升国家综 合实力具有重要意义。
航空航天领域对材料的要求极高，需要具备高性能、高可靠性和高安全性等特点。创 新材料的研发和应用，为航空航天领域的发展提供了有力支持。
研发方法：采用合金化、复合强化、纳米技术等手段，提高金属材料的 强度、韧性、耐腐蚀性等性能。
应用领域：新型金属材料广泛应用于航空航天、汽车、能源、电子等领 域，对产业升级和科技进步具有重要意义。
发展趋势：随着科技的不断进步，新型金属材料将朝着高性能化、轻量 化、智能化等方向发展。
高分子材料
定义：由相对 分子质量较高 的化合物构成
人教版高中化学必修一PPT课件2024新版
化学与生产生活的关系
化学与能源
研究高效、清洁的能源开发和利用技术 ，如太阳能、风能等可再生能源的转化 和存储。
化学与环境
研究环境污染的治理和生态保护，如大 气、水体和土壤污染的化学原理和控制 技术。
化学与材料
研究新材料的合成、改性和应用，如高 分子材料、纳米材料等的制备和性能。
化学与生命
研究生命过程中的化学变化，如生物大 分子的合成与分解、药物设计与合成等 。
用于少量物质的反应容器，可直接加热，使用时要注意 夹持方法和加热方式。
容量瓶
用于配制准确浓度的溶液，不能用于溶解或稀释操作，也 不能用于加热。
烧杯
用于溶解、稀释、沉淀等操作，加热时应放置在石棉网 上，使受热均匀。
滴定管
用于精确滴加液体，使用前需用待装溶液润洗，并保持 垂直滴定。
分液漏斗
用于分离两种互不相溶的液体，使用前需检查是否漏液 ，并保持分液漏斗内外空气相通。
原子结构、氧化态、还原性等
氮族元素的氢化物
氨气、铵盐的性质和用途
氮族元素单质的性质
氮气、氨气的性质和用途
氮族元素的氧化物
一氧化氮、二氧化氮的性质和用途
碳族元素及其化合物
碳族元素的性质
原子结构、氧化态、还原性等
碳族元素单质的性质
金刚石、石墨的性质和用途
碳族元素的氧化物
一氧化碳、二氧化碳的性质和用途
碳酸及碳酸盐的性质
反应热
化学反应在一定条件下所放出或吸收 的热量。
原电池与电解池的工作原理
原电池
01
将化学能转变为电能的装置。
电解池
02
将电能转变为化学能的装置。
原电池与电解池的工作原理
03
化学与新材料ppt课件
23.04.2021
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9
材料科学与工程是多学科交叉
23.04.2021
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10
材料的选择( materials selection)
三个重要标准 性质
机械性能 + 物理性能
失效性
高密度
可塑性形变, 加工成各种复杂形状.
高延展性,决定了具有高冲击和断裂韧性.
23.04.2021
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14
合金的基本结构类型 (alloys)
P291~297
合金是由两种或两种以上的金属元素(或金属与非金属 元素)组成, 具有金属特征和更优异性能与使用效能的 材料. 包括三种结构类型.
▪ 提高钢铁耐热性的途径: ✓ 设法提高金属键的强度. 金属键的强度与原子中成单电子 数有关, 所以与Cr,Mo,W等形成合金可提高耐热性. ✓ 加入可形成耐高温化合物如碳化物的金属, 形成合金.
23.04.2021
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20
低熔点合金( low melting alloy)
▪ 低熔点合金是指由低熔点金属Hg, Sn, Pb和Bi形成的合金. ✓ Wood合金: 组成为: 质量分数50%Bi-25%Pb-13%Sn12%Cd, 熔点仅71℃, 应用于自动灭火设备, 锅炉安全 装置以及信号仪表等. ✓ 焊锡: 组成为质量分数37%Pb-63%Sn, 熔点183℃. ✓ 液 体 合 金 : 组 成 质 量 分 数 77.2%K-22.8%Na, 熔 点 -12.3℃, 应用于原子能反应堆的冷却剂.
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13
有机化学合成与功能新材料
有机化学合成与功能新材料有机化学合成是一个广泛的领域，涉及从小分子到大分子的所有化学反应。
在有机化学领域，合成新材料和分子是最重要的研究方向之一。
这些新材料和分子可以用于制造高性能电子元件、传感器、化学反应器等各种应用，因此有机化学合成极其重要。
在有机化学合成中，通常采用分子设计、化学反应分析、催化剂设计和反应机制等多种方法。
这些方法都是用于合成原子、分子和大分子的策略。
合成有机小分子一般采用停留合成法，合成大分子则采用聚合反应。
有机化学合成可以提高大分子的自组装能力、电子导电性能和光学性能。
有机化学合成延伸的另一个应用领域是制造机器学习系统。
比如，一些大分子可以用于生物传感和人工智能技术，在化学传感器和量子计算机引发船舶、飞机和各种地理学和天文学应用。
机器学习算法的要求是数据源的可靠性，然而，在许多化学反应中，通常很难收集到大量的数据源。
因此，在有机化学合成领域，开展大规模的化学实验研究是相当困难的，但这不是没办法解决。
一种解决该问题的方法是采用模型预测算法。
模型预测算法利用机器学习来预测一种有机小分子或大分子具有类似反应性的分子的可能性。
这种分子可以作为替代品使用，以实现有机分子的设计、合成和应用。
这样的机器学习系统的一个显著优点是，它可以将无法处理的化学反应和分子性质处理为数据源，并将其利用于试图合成特定化合物的过程。
在有机化学合成领域，设计催化剂也非常重要。
催化剂是参与化学反应的分子，通常是非常活性的。
一些在催化作用下敏锐反应的小分子可以产生有机分子，并应用于制造涂料、塑料和电子材料等。
某些催化剂可以提高化学反应的速率，降低反应的温度，从而减少反应产生的能量和废物。
有机化学合成在制造各种功能性材料中都有广泛应用，如纳米复合材料、薄膜材料和光电器件。
这些新材料在电子和光学方面表现出色，例如，它们可以将太阳光转化为电能，或增强光学传控功能。
一个例子是光致变色材料。
光致变色材料的目的是改变材料的涂层或编织物的色彩。
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基础和支柱！
➢ 化学—材料科学技术的理论基础.
06.06.2020
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1. 材料科学与工程
(materials science and engineering)
研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效 能各组元本身及四者之间的相互依赖关系的规律—材 料科学. 研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效 的方式开发并生产出材料,提高材料的使用效能, 以满足 社会的需要, 设汁与制造材料制备与表征所需的仪器、 设备—材料工程 科学与工程彼此密切结合, 构成个学科整体.
06.06.2020
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14
合金的基本结构类型 (alloys)
P291~297
合金是由两种或两种以上的金属元素(或金属与非金属 元素)组成, 具有金属特征和更优异性能与使用效能的 材料. 包括三种结构类型.
相互溶解而形成金属固熔体—强度提高, 延展性和导 电导热性能下降.
相互起化学作用而形成化合物—性能随化合物组成、 结构与性能而变化
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巨磁阻效应 (gigantic reluctance effect)
❖ 在一定磁场下材料电阻改变的现象称磁电阻. 巨磁阻是指在一 定磁场下电阻急剧减小的现象. 比一般磁性合金强10多倍.
❖ 1988年巴黎大学肯特教授首次在Fe/Cr多层膜中发现巨磁阻效 应. 随后在Fe/Cu, Fe/Al, Fe/Au, Co/Cu, Co/Ag和Co/Au等纳米结构 的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应.
06.06.2020
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轻质合金 (light alloys)
钛合金 钛与Al, V, Cr, Mo, Mn和Fe可形 成置换固熔体或金属间化合物而使其强 度提高. 具有强度高, 密度小, 抗磁性, 耐 高温, 抗腐蚀等优点, 是宇航工业的重要 结构材料. 可助人上天入海.
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经济性
价格 & 可用性
06.06.2020
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材料的性质(properties of materials)
机械性质 (应力—应变)
➢ 强度 ➢ 延展性 ➢ 断裂韧性 ➢ 抗冲击强度 ➢ 蠕变性 ➢ 疲劳性 ➢ 磨损
物理性质 ➢ 热性能 ➢ 磁性能 ➢ 光学性能 ➢ 失效性能
06.06.2020
金属材料是以金属元素为基础的材料. 金属单质一般有 良好的塑性, 但其机械性能往往很难满足工程技术等多 方面的需要, 因此, 金属材料更多以合金的形式使用.
由于价电子的高度离域性, 决定了它们具有良好的导电、 导热性能和易氧化腐蚀的性能.
高密度
可塑性形变, 加工成各种复杂形状.
高延展性,决定了具有高冲击和断裂韧性.
▪ 耐腐蚀合金: 抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料更高. ✓ 与热稳定性高的贵金属形成合金. ✓ 与易钝化金属形成合金. ✓ 在合金表面形成致密保护膜.
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磁性材料 (magnetic materials)
❖ 磁性体是由电磁作用而产生磁化的物质. 凡是能磁化到较大 磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为磁性材料.
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耐热合金 (heat resistant alloy)
▪ 一般金属材料的长期使用温度500~600 ℃, 能在高于700 ℃ 条件下工作的金属合金称为耐热合金. “耐热”是指材料 在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性.
▪ 耐热合金通常是由第ⅤB~ⅦB和Ⅷ族高熔点金属形成的合金. ✓ 广泛应用于制造涡轮发电机, 各种燃气轮机热端部件等. ✓ 包括铁基, 镍基, 钴基,铌基和钨基等合金.
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构成材料科学与工程的四组元四面体关系
使用效能 (performance)
合成与制备 (synthesis and
processing)
性能 (properties)
组成与结构 (components and structure)
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合成与制备
• 合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与 物理过程. 既包括有关寻找新合成方法的科学可题、也 包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括 新材料的合成, 也应包括已有材料的新合成方法(加溶 胶—凝被法)及其新形态(如纤维、薄膜)的合成.
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形状记忆合金 (shape memory alloy)
所谓形状记忆效应是指合金材料在一定条件下, 变形 后仍能恢复到变形前原始形状的能力. 这类合金存在 着一对可逆转变的晶体结构, 在某一转变温度发生相 转变. 1951年美国人在一次试验中首先发现Au-Cd合金 有记忆形状的特性. 现已发现有多种合金系统都存在 形状记忆效应, In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb合 金等.
✓ 材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标、而 且在很大程度上代表这一学科的发展水平.
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材料科学与工程是多学科交叉
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材料的选择( materials selection)
三个重要标准 性质
机械性能 + 物理性能
失效性
环境因素: 氧化 & 腐蚀
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材料的分类 (classification of materials)
基本分类 (按照组成)
➢ 金属材料 ➢ 无机非金属材料 ➢ 有机高分子材料 ➢ 复合材料
其他
(按照用途) ➢ 结构材料 ➢ 功能材料 ➢光 ➢ 电、磁 ➢热 ➢ 生物材料
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2. 金属材料（metals & alloys)
• 使用效能是材料以持定产品形式在使用条件下所表现的效能. 它是材料的固有性能、产品设计、工程持性、使用环境和效益 的综合表现, 通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标 衡量. 因此, 与工程设计及生产制造过程密切相关, 不仅有宏观 的工程问题, 还包括复杂的材料科学问题. 例如, 材料部件的损 毁过程和可靠性往往涉及在特定的温度、气氛、应力和疲劳环 境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理.
❖ 巨磁阻效应在高密度读出磁头, 磁存储元件等高技术领域有广 泛用途.
❖ 1994年IBM公司研制成功巨磁阻效应的读出磁头, 磁记录密度 提高17倍, 达5Gbit/in2, 现衣超过11 Gbit/in2.
❖ 巨磁阻效应还可用于制备无电源随机存储器, 微弱磁场探测器.
▪ 提高钢铁耐热性的途径: ✓ 设法提高金属键的强度. 金属键的强度与原子中成单电子 数有关, 所以与Cr,Mo,W等形成合金可提高耐热性. ✓ 加入可形成耐高温化合物如碳化物的金属, 形成合金.
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低熔点合金( low melting alloy)
▪ 低熔点合金是指由低熔点金属Hg, Sn, Pb和Bi形成的合金. ✓ Wood合金: 组成为: 质量分数50%Bi-25%Pb-13%Sn12%Cd, 熔点仅71℃, 应用于自动灭火设备, 锅炉安全 装置以及信号仪表等. ✓ 焊锡: 组成为质量分数37%Pb-63%Sn, 熔点183℃. ✓ 液 体 合 金 : 组 成 质 量 分 数 77.2%K-22.8%Na, 熔 点 -12.3℃, 应用于原子能反应堆的冷却剂.
❖ 1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁-镍合金具有吸氢特性, 1969年荷兰菲利普实验室发现钐钴（SmCo5）合金, 随后又发现镧-镍 （LaNi5）合金在常温下具有良好的可逆吸放氢性能, 从此引起了人们 极大的关注. 已经成功开发了镁系,稀土系,钛系,锗系贮氢合金, 正向多 元化发展.
❖ 贮氢合金贮运氢气, 既轻便又安全, 作为一种新型贮能材料具有极 为广泛的应用前景.
形状记忆合金具有传感和驱动双重功能, 是一种智能 材料, 可广泛应用于宇航, 自控, 医疗和生活等领域.
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贮氢合金 (hydrogen storage alloy)
❖ 某些过渡金属、合金和金属间化合物, 由于其特殊的晶体结构, 使 氢原子容易进入其晶格的间隙中并形成金属氢化物, 氢与这些金属的 结合力很弱, 但贮氢量很大, 可以贮存比其本身体积大1000 ~1300倍的 氢, 加热时氢又能从金属中释放出来.
• 结构则指组成原干、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、相结构、晶粒结构、表面与品界结构、缺陷结构等； 在尺度上则包括纳米以下、纹米、微米、色米及更宏观的 结构层次.
✓ 材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容,
它们指导材料的合成与制备, 决定材料的性能和使用效能.
✓ 经热处理提高强度的变形铝合金为硬铝合金, 其制品的强度和钢 相近, 而质量仅为钢的1／4左右, 但耐腐蚀性较差.如Al-Cu提高强度的变形铝合金称为防锈铝合金, 可耐海水 腐蚀, 可用于造船工业等. 如Al-Mn, Al-Mg等
✓ 高强高模铝锂合金: 锂是最轻金属,其密度为0.534g/cm3，是铝的 1/5, 钢的1/15. 飞机上改用铝锂合金后, 重量可减轻8％~16％. 如 B737可减重 2178kg, B747SP可减重4200kg.
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耐腐蚀合金(corrosion-resistant alloy)
▪ 耐腐蚀金属: 通常具备下述条件之一 ✓ 热力学稳定性高: 一般是贵金属Pt, Pd, Au,Ag,Cu等. ✓ 易于钝化的金属: Al, Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等. ✓ 表面能生成难溶的和保护性良好的腐蚀产物膜的金属. 通过特定腐蚀介质来实现.