第一章 绪论 (材料化学)

第四代为可设计材料 高新技术的发展对材料提出了 更高的要求，单一性能材料已不能满足需求，近代出现了 根据实际需要去设计特殊性能的材料，金属陶瓷、铝塑薄 膜等复合材料属于这一类。

第五代为智能材料 智能材料是近三四十年来研制 的一类新型功能材料，它们随时间、环境的变化改变自己 的性能或形状，好像具有智能。例如形状记忆合金。智能 材料现已成为材料科学的一个重要的前沿领域。（光敏材 料、气敏材科、湿敏材料、磁敏材料 ）
化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一
定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材
料以外所有材料的总称。无机非金属材料种类繁多，
用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。通常将 其分为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非 金属材料两大类。
高分子材料（Polymers）
• 高分子是由一种或几种简单低分子有机化合物经聚 合而组成的分子量很大的化合物。 • 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、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。
高性能、高质量及低成本的材料只有通过工艺的不断改进 才能实现。
1.4.1 Classification of materials
材料变为器件或产品要解决一系列工程技术问题，这都需 要理论和实践的结合，一方面用理论指导实践，另一方面 通过大量实践使理论得到进一步发展。
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环境对材料的影响 (例如腐蚀)
材料化学的特点
跨学科性：
既是化学学科的一个次级学科，又是材料科学的一个分支。
新材料的发展，往往源于其它科学技术领域的需求，这导 致材料化学与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密相 连。 材料合成与加工技术的发展不断地对诸如生物技术、信息 技术、纳米技术等新兴技术领域产生巨大影响。
• 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：如超塑性合金、形状记忆合金 、储氢合金等。
Examples
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（2）无机非金属材料
无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、
磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳
(3) Shoes
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复合材料（Composites）
• 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。
1.2 材料的分类
• 材料按化学组成分类
• 根据材料的性能分类
1 、 按照材料的化学组成可以分为 4 类：
金属材料 无机非金属材料
有机高分子材料（聚合物）
复合材料
（1）金属材料（Metallic Materials）
• 纯金属或合金（固溶体、金属间化合物）
• 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。
新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存 在的。每种材料都有其生命曲线
出现
发展
成熟
衰退
衰退主要是由于社会地 习惯上把处于生命曲线的成熟阶段 发展和科学技术的进步 甚至衰退阶段的材料称为传统材料，而 导致的。 一个新材料的诞生，从实验 把处于出现阶段和发展阶段的材料称为 室研制出样品到工业上的大 新材料。目前所谓的“材料科学”的主 规模实际使用，大概需要 要研究对象是新材料，或者想方设法使 15 ~ 20 年时间。
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Chapter 1 Introduction
Chapter 1 Introduction
绪论
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1.1 材料的发展过程 1.2 材料的分类
Catalog
1.3 材料化学的特点
1.4 材料化学的在各个领域的应用 1.5 材料化学的主要内容
场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强
度和韧性等），如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用
性能，用于结构目的的材料。如制造工具、机器、车辆用 的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。这 些材料都具有抵抗外力作用而保持自己的形状、结构不变 的优良力学性能。
•
（2）功能材料（Functional material）：此概念 1965年由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士提出， 现已被各国材料界重视和接受。其定义是：是具有 优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化 学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结
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1.1 材料的发展过程
1、什么是材料？
材料是可以用来制造有用的构件、器件或物 品的物质。
师昌绪主编：《材料大辞典》p.58
Materials may be defined as any solid-state component or device that may be used to addree a current or future societal need 。
Copper mirrors
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（3）Iron Age
Iron Age
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炼铁过程的化学
3Fe2O3 11C 2Fe3C 9CO Fe2O3 3C 2Fe 3CO
Equations
Fe3C FeO 4Fe CO
摘自：师昌绪主编《材料大辞典》前言
4、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
5、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。 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。
Bradley D. Fahlman 《Materials Chemistry》
材料与试剂区别：具有一定性能、可重复性
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2、材料的发展
材料的发现、发展和应用是人类文明的标志。
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(1) Stone Age
(1) Stone age
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1.4 材料化学的在各个领域的应用
生物医药领域 生物相容性材料：例如设计特殊的金属合金和 聚合物涂层，以保护人体组织不与人工骨头置 换体或其他植入物相排斥;
构目的的高技术材料。
材料的功能及其示例
热学性能——热容、热传导、热稳定； 光学性能——与光的作用、吸光、发光和透光性； 电学性能——导电、介电和压电性等； 磁学性能——永磁、硬磁、软磁等； 化学性能——反应性、催化等； 生物功能——人造器官、骨骼和牙齿等。
1.3 材料化学的特点
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。（Research the relationships between the arrangement of atoms, ions, or molecules, and its overall bulk structure/phystal properties) 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 材料的化学性质以及其他各类性质中的化学因素
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(2) Bronze Age
(2) Bronze age
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Cu Sn Pb Zn
第一个合金材料：铜锡合金（青铜）
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
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• 自然界的复合材料：树木和竹子为纤维素和木质素的复合 体；动物骨骼则是由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。
• 古老的复合材料：稻草增强粘土。 • 传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。
首架复合 材料飞机
( 6) S p a c e f li g h t m a t e r i a l s
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1.4.1 Classification of materials
通过分子设计和特定的工艺，可以使材料具备各种特殊性 质或功能，如高强度、特殊的光性能和电性能等，这些材 料在现代技术中起着关键作用。
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实践性：
材料化学是理论与实践相结合的产物。 材料通过实验室的研究工作而得到深入的了解，从而指导 材料的发展和合理使用。
传统材料获得新生。
பைடு நூலகம்
3、材料的发展过程
• 第一代为天然材料 在原始社会生产技术 水平低下，人类使用的材料只能是自然界的 动物、植物和矿物，主要的工具是棍棒，用 石料加工的磨制石器；
铜 器 材 料
石 器 材 料
复 合 材 料
铁 器 材 料