无机材料化学(第1讲)

化学参与材料科学的优势：
材料制备是材料表征及性能和应用研究的基础，
科学体系。
将不同学科的知识融为一体，形成一个新的材料学科 体系的其它原因： • 各类材料的研究理论和方法可以互相借鉴、参考。 • 各类材料的研究手段很相近，特别是性能测试
与结构表征设备往往是通用的。
• 对不同类型材料的全面了解，有助于材料的相互代 用及最佳选材；有利于开发复合材料。 • 拓宽专业知识面，有利于人才培养。
引起了一场信息革命；
新型超导材料的研制和开发，将推动无损耗输 电、磁流发电以及受控热核反应堆等现代能
源的发展。
综上所述可以看出： • 材料是先进技术的物质基础。
• 材料、信息和能源称为现代科技的三大支柱，
其中材料又是能源和信息的物质基础。
衡量国家现代化程度的直接标志：
拥有的材料品种、质量和产量
衡量国家科技和生产力发展水平的重要标志： 新材料的研究和开发能力
现代物质文明的发展；
高纯半导体材料（50年代）的问世，导致了以计算 机为主体的微电子工业的迅速发展，促进了现 代信息技术的建立； 能源材料（放射性镭、钋）的发现，使核能的开发 利用成为现实；
20世纪以来：
先进复合材料、超合金材料和各种耐高温材料、 烧蚀材料等的开发，为空间技术的发展奠定了 物质基础； 光导纤维的出现，使通信产业发生了质的变化，
了对物理、化学及其他学科的认识和发展。
产生和带动一系列高新技术产业
如：传感器材料、半导体材料、磁性材料及纳米材料。
人类使用的材料若按其发展水平归纳，大致可分为五代：
第一代 天然材料 取自于自然界的动物、植物和矿物。
第二代 烧炼材料
第三代 合成材料 第四代 可设计材料
包括烧结材料和冶炼材料。
包括合成塑料、合成纤维、合成橡胶。 根据实际需要去设计特殊性能的材料。 如：玻璃钢复合材料
增强剂为：无机纤维，如玻璃（碳、SiC、Al2O3）纤维，称为纤维增强。
功能复合材料 指除机械力学性能以外提供其它物理性能 （导电、超导、半导、磁性、压电和催化等）的复合材料。 功能复合材料主要由基体和功能体组成，或由两种及以 上功能体组成。 多元功能体的复合材料可以具有多种功能，
同时还有可能由于复合效应而产生新的功能。
60年代，美国学者首先提出 “材料科学” 名词。 材料科学体系也随之开始建立 。
材料科学的研究内容
主要研究材料的组成、 结构、加工制备工艺、 性能和使用效能之间 的相互关系和变化规 律，为材料设计、制 造和合理使用提供科 学依据。 材料 科学
使用效能
合成制 备工艺
性 能
组成与结构
四个顶角的研究内容共同 构成材料科学的研究体系
有机高分子材料
金属材料 以金属元素为主要成份的材料。包括：
黑色金属：钢、铁、锰、铬及它们的合金。 有色金属：黑色金属以外的其它各种金属及其合金。 特点：具有优良的力学性能（高强度和高塑性的配合、
优良的可加工性）及优异的物理特性。
其性能与成分、显微组织结构和制造工艺密切相关。
应用：在近代的物质文明中，金属材料起了关键的作用，
4.按聚集状态，材料可分为：
单晶材料、多晶材料、非晶材料及微晶材料
5. 按使用领域或用途 材料可分为：
建筑材料、耐火材料、耐蚀材料
能源材料、电子材料、医用材料
生物材料、光学材料、航空材料 催化材料、激光材料、超导材料 等等。
1.3 材料科学及其研究内容
材料科学的提出
20世纪60年代以前，材料学科（专业）的有关内容 分设在冶金、陶瓷和有机化学专业中: 金属材料→冶金学 陶瓷材料→陶瓷学 高分子材料→有机化学 上述三类材料各有特点，学科基础各不相同。 在发展初期放在一起研究，会缺乏共同语言。
材料科学的学科定位及与相关学科的关系
介于基础科学与应用科学之间的一门应用基础学科，
它与物理、化学、电子、冶金等学科相互交叉、渗透。
以热力学、动力学、固体物理、固体化学及物理化学等 学科为理论基础，结合化工、机械、陶瓷等学科，来研
究、探讨材料的内在规律和应用，并为材料工程等应用
学科提供和发展新材料、新工艺和新技术。 材料工程学：解决如何将固体物质制成可以使用的材料 和器件，使之具有指定的形态（如纤维、薄膜、陶瓷体、集成块
有用器件、构件、工具或装置的物质。 • 性能包括：光、电、磁、热及力学等及相互转换。 • 材料在进一步的加工过程中仍然保持原来的性质。 • 材料与一般物质、材料与原料的区别。 • 材料与器件（或构件、装置）紧密相关。
材料离开器件就会失去意义 器件离开材料也不可能实现其功能
材料的作用：
材料是人类生活和生产活动必需的物质基础。
和化学等学科，人类关于材料方面的知识和成果迅速增 加，促进了材料的发展，也使材料在人类文明进步、社 会经济和科技发展中所产生的作用更加明显。
17－18世纪：钢铁材料的出现，孕育了产业革命。
19世纪末－20世纪初：电业材料的诞生和使用，促进 了电力工业的发展，使电磁理论转换为生产力。
20世纪以来：
高分子材料（30年代）的出现，满足了生产、生活 及相关领域发展对材料的需求，极大地促进了
多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。
3. 根据材料的使用特性或功能，材料可分为：
结构材料：利用材料的机械力学性能。以强度、刚度、 韧性、耐磨性、硬度和形变等性能为特征。 功能材料：利用材料的物理化学性质和物理化学效应。 包括光、电、声、磁、热及相互转换。
例如：超导、光导、热电、压电、光电、热释电 及磁光、电光、声光、激光和催化等。 功能材料定义：具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、 力学、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目 的的高技术材料。
第五代 智能材料
能随环境、时间的变化改变自己的性能或 形状，具有感知、自我调节和反馈能力。 如：形状记忆合金（Ti-Ni 1:1） 变色玻璃
1.2
材料的分类
材料可根据其化学属性、聚集状态、物理性能、
用途及使用特性（功能）进行分类。
1. 根据化学属性（化学组成）材料可分为：
金属材料
无机非金属材料（无机材料）
至今这类材料仍然用途最广、用量最大。
高分子材料 由脂肪族或芳香族的碳-碳共价键为
基本结构的大分子所构成。 组成特点：一般是由一种或几种简单化学组成的结构单元多次重
复连接而成。化学组成简单、结构有规律。可分为：
天然高分子材料：木材、皮革、天然橡胶、棉、麻、丝、生漆等。
合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维、涂料及粘合剂等。
课程主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 绪 论
无机材料的晶体结构与缺陷 无机材料的物理性质 无机材料的合成与制备 纳米材料简介
第一章
1.1
1.2
绪
论
材料的发展及作用
材料的分类
1.3
1.4
材料科学及其研究内容
材料化学及其研究内容
1.5
无机材料化学
1.1 材料的发展及作用
材料是具有一定性能和功能，可用于制作或加工成
金刚石，硬度最大、绝热绝缘。用作耐磨和切削材料。
C60，原子簇化合物，由60个碳原子构成的球形32面体。
富勒烯（C60，C70）
碳纳米管
碳纳米管，含有多个不饱和键的高度共轭体系。在导电、
超导、磁性及催化等方面表现出独特性能。
石墨烯，由单层sp2 杂化碳原子排 列形成的蜂窝状六角平面晶体。
石墨烯具有独特结构和优良的电学、光学、热学
可根据对材料性能的需要进行分子设计，由化学合成获得。 特点：质量轻、比强度大、绝缘性和耐腐蚀性好，且易加工成形。 应用：用途广泛：日常生活及信息、能源、航空航天、国防等领域。
无机材料 由非金属单质及金属与非金属元素组成的
化合物所构成的材料。可分为： 传统无机材料： 以硅酸盐化合物为主要成分，也称硅酸盐材料。
特点：无机材料多是兼有离子键和共价键的结晶构成。 质地脆、硬度大、强度高、抗化学腐蚀性强，
对热和电的绝缘性良好。
新型无机材料具有优良的 介电、压电、热电、 光学、磁学及其功能转换特性。 应用：新型无机材料的特殊性能和功能在现代高新 技术及国民经济的许多领域得到重要应用。
无机材料种类繁多，其原因有：
和机械性能（结构稳定，强度是钢的100多倍、
导热性能优良、零带隙、电子/空穴迁移率高）。 在纳米电子器件、生物传感器、信息存储等领域
石墨烯
有潜在的应用价值。
近20年来, 碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域： 1985年发现富勒烯；1991年发现碳纳米管；
2004年发现了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构
材料的使用和发展同人类文明、科技进步和
社会的发展密切相关。 新材料的出现和使用伴随着生产力的新飞越，
从而推动科技的进步和社会的发展。
按使用材料水平划分的人类社会发展历史时期： 石器时代→青铜器时代→铁器时代→钢铁时代 （工业革命） 早期人类材料知识的积累主要靠经验，增加非常缓慢。
工业革命以后，人类社会进入科学时代，建立了物理学
等）和规定的各种结构和性能（如具有特定的热、力、光、电、
声、磁、化（学）和生（物）功能）。
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1.4 材料化学及其研究内容
材料化学是材料科学与化学相互交叉结合形成的边缘性 分支学科。 它既是材料科学的重要分支，又是化学学科的组成部分，
是沟通化学和材料科学的桥梁。
材料化学所论述的主题是材料科学中的化学问题。 材料化学主要从材料科学的角度看问题，运用化学原理研究 新材料的制备、组成、结构、性质和应用。实现在原子和分 子水准上有目的地设计、合成、制备及修饰新材料。
• 化学组成千变万化。 • 组成相同，但晶体结构或形态不同，也可构成 迥然不同的材料。
氧化铝：单晶态，用作宝石、激光材料。
多晶烧结体，用作电路基板、高温炉管、 切削工具材料。 纤维状多晶体，高强优质绝热材料。 多孔多晶体，催化剂载体或传感材料。
碳： 包括石墨、金刚石、富勒烯、石墨烯和碳纳米管等同素异形体。 石 墨， 导电、导热、耐高温、耐磨、润滑及高温发热体材料。
促使材料科学形成的另一原因： 1957年前苏联第一颗人造卫星首先上天对美国的震惊。
50年代末，美国政府制订 “国家材料规划”
60年开始，美国建立 “材料研究中心”，并在大学设立 “材料科学系”或“材料科学与工程系”。
材料研究中心的成立标志着把各类材料开始统一考虑； 材料科学系的建立则是把材料的整体视为自然科学的一个分支。
新材料发现、研究和使用的其它作用：
影响和改变社会及人们的行为和生活方式
例如：高分子材料已成为社会生活和生产活动不可缺少的基础材料， 它的广泛使用影响和改变着社会及人们的某些观念和生活方式。
半导体及磁性材料的应用，影响着人们的工作和生活，
正在改变人们的思维和社会行为。
促进相关科学领域的发展
如：纳米材料的研究和发展拓展了人类对自然界认识的深度，也促进
金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料 复合材料：将两种或两种以上的材料有机地结合在一起， 使之性能上协同作用、互相取长补短，所得 到的全新性能的新型材料。可分为： 结构复合材料和功能复合材料。 结构复合材料由基体和增强剂（补强剂）组成
基体可为：聚合物、金属及陶瓷。 对应材料分别称为聚合物（金属、陶瓷）基复合材料。 无机粉体，如：ZnO、SiO2 、TiO2，称为颗粒弥散增强。 如以聚合物为基体的复合材料。
随着科技发展和对材料研究的深入
• 材料的种类及领域在不断扩大，表现在：
除了金属、陶瓷和高分子材料，又出现了复合材料； 属于同一功能的材料的范围也在扩大（如半导体材料）。
• 对材料内在规律也有了进一步的了解：
不同种类材料中的界面与表面、晶体结构与微观缺陷 以及材料中的扩散与相变等方面确有共同之处。
鉴于此，有必要将相关材料的研究内容统一形成材料
包括：玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等。 也称为“陶瓷”或“陶瓷制品” 。
新型无机材料 ： 包括 氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、 含氧酸盐及其它盐类和非金属单质等。
若以烧结体形式称为 “精细陶瓷” （Fine Ceramics）、 “工程陶瓷” （Engineering Ceramics）等。 也可以是粉体、纤维或薄膜等形式。
成的新型二维原子晶体-石墨烯。 石墨烯的发现, 充实了碳材料家族, 形成了从零维的 富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金 刚石和石墨的完整体系。
2D石墨烯既可以堆积成为3D 石墨，也可以卷曲成为1D 碳纳 米管，甚至可以包裹成0D 富勒烯。被称之为石墨家族之母。
石墨烯
富勒烯
碳纳米管
石墨
2.根据组成和结构特点，材料可分为：