第一章 无机材料化学

材料科学的研究内容很丰富，大致包括材料的形成机理和制备方 法，研究材料的组织、结构、杂质、缺陷与性能的关系，探索材料在 加工、使用过程中的变化和损坏机理，材料性质和性能的测试，还有 材料的工程应用研究等等。
材料的制备：是首先研究的课题，包括材料的制备原理、方法、温 度、压力、载荷、速度、电场等各种因素对材料的影响，研究各种功能 材料的电、光、声、磁、热等性质与材料的成分、组织、结构的关系。
3. 铁器时代：社会发展到春秋战国，铁已经开始为人类服务，
铁制农具代替木制农具，使大面积的农田耕作、开垦广阔的 土地成为可能，推动了奴隶制向封建制的过渡，因此铁器的 使用是划分两个重要历史时期的标志。 4. 人工合成材料时代：十八世纪六十年代，英国工业革命导致 采矿、冶炼的迅速发展，人类进入人工合成材料时代，从简 单的人造材料如陶瓷、玻璃、金属、高分子化合物、半导体 等，进一步发展到利用优异材料巧妙地组合成和谐而有高性 能的器件和装备，如集成电路、计算机、飞机、潜艇、核反 映器、宇宙飞船、人造卫星等。
从上面分析可以看出，以材料为研究对象的材料科学技术（或叫材 料科学与工程），在新的技术革命中将扮演重要的角色。
-4 （什么是）材料化学 1-4-1 材料科学
材料科学是研究材料的组成、结构和性能之间的相互关系及变化 规律的一门科学。它的任务是解决合格材料的制备问题，以及有效地利 用现有材料并不断创造新材料。
在人类发展的历史长河中，材料具有十分重要的作用，社会的 任何一点进步，无一不是应用新材料的结果。今天，材料、能源、 信息、生物这四根支柱，在地球的空间支撑着人类赖以生存的大 厦，人类的生活和生存所依赖的衣食原料，依赖于农业的科学技 术，随着农业的工业化，材料在农业、工业中的应用将愈来愈重 要，甚至人类益寿延年的一条途径也依赖生物材料来更换器官，而 遗传工程的实施也需要材料来保证。
1. 石器时代：原始人使用石刀、石斧刮削器皿，使人从动物中 分离出来。
2. 青铜时代：处于奴隶社会的夏、商，人们已由开始使用天然 铜块，到利用铜及锡矿石进行简单的青铜炼制，继而利用青 铜制造工具、武器、食具、货币、日用品、车马装饰等。这 代表了一种新的生产力登上了历史舞台，有力的促进了生产 的发展。
的含义 ⑴对于材料 可采用“没用的东西”或“挺好的东西”这类语言加 以评价，但对于物质来说，则不能这样。 ⑵对于物质 一旦使用“可能有用”等字眼表示其意义时，总是把它 作为材料来考虑 △ 材料由其构成元素的不同，可分为三大类：金属材料 无机材料
有机（高分子）材料 金属材料是以元素周期表中金属元素为主要成分的材料 无机材料是有金属和非金属元素组成的可利用的来自百度文库合物 有机高分子材料则是以碳、氢、氮为主要成分的材料 △ 材料世界丰富多彩，人们为更好的研究材料的共性，常常将其进
1-4-2 材料科学的一个重要分支——材料化学 材料作为物质，是由分子、原子构成的，这些分子、原子相互之 间作用力及其状态无疑是结构化学的研究内容。而对于分子、原子状态 的理论分析及预测又是理论化学工作者的任务。可以设想，在某一材料 中引入一种新的化学物质，将会产生具有一新的性质的新材料，这种新 材料的性质除与原有材料有关外，还必须与新引入的“杂质”有关。那 么关系如何呢？这种材料与原材料的相互作用又如何呢？与材料性质关 系又如何呢？等等，这些也是化学工作者所要解决的问题。 对于材料的制备，例如介电材料BaTiO3陶瓷的制备，不同的化学 制备方法对材料的性能有很大的影响。 传统的方法使用BaCO3和TiO2固相反应，很难得到性能优异的 BiTiO3陶瓷材料。 现在采用BaCl2、TiCl4与草酸液相共沉淀，得到草酸钛钡复合 盐，再使其分解制备的BaTiO3材料性能大大优于固相反应法。 最近又提出Sol-Gel等化学方法。 这说明，在材料的制备过程中离不开化学反应及化学过程，而且 化学反应及其过程的改进对材料的制备具有重要的意义。可以看出，将 化学理论应用于材料科学即产生一门新的学科——材料化学。 材料科学发展到今天，科学家已经不满足于凭经验多次反复摸索 试制新材料这种模式了，而是向物质微观世界的更深层次进军，寻求原 子内部结构与物质特性之间的变化规律，将物理、化学和材料科学有机 地结合起来，寻求一定的规律，依照这个规律去预测材料的性能，并且 按照人们预定的要求，像设计机器和房屋一样，设计分子结构，工厂也 就可以按照这个设计来生产材料了。 人们已经设想或开始利用计算机进行分子设计、创造新材料。按 现有的化学知识，把它们翻译成计算机的“语言”（程序）让计算机记 住这些化学反应，作用机理以及化合物名称、立体结构和性能等。在探 索新材料的过程中，只要把化合物的性能要求“告诉” 计算机，它就 能帮助设计出新化合物分子，并提出合成这种新化合物的合理方法，判
行分类，如以存在状态、物理性质、功能性质及用途分类 状态分类:单晶、多晶、非晶、复合 物理性质分类：高强、超硬、高温、绝缘、导电、超导、透光、 磁性 功能性质分类：铁电、压电、热电、光电、 磁光、智能 用途分类；耐火、耐酸（碱）、耐磨、光学、感光、电子、电 工、贮氢、节能 燃料电池
1—1 金属材料 对于钢铁，大家都不陌生，广泛应用于工业、农业、国防等领域， 是整个工业材料的主力。钢铁的产量是一个国家工业发展水平的标 志。
可见钢铁还有很大的强度潜力。 这一理论成果指导人们去探索无缺陷、强度更高的理想材料。 b.测试技术研究主要是采用各种测试手段和仪器设备，对材料进行 分析、检验。 如对金属材料，常用的有力学性能测验、电磁性能测量、导电性膨 胀性测试和晶体结构分析测试等等。 这些测试技术运用了力学、光学、电磁学、电子热力学等基本原 理，还广泛运用了数学、物理学和化学等基础理论和方法。 例如，对材料试样进行抗伸试验和应力分析，就离不开数学力学分 析，运用热力学动力学原理，可测定材料的导热性和比热，还可测定相 转变等。 在实验仪器和设备方面，各种类型的现代化测试仪器为材料科学研 究提供了良好的物质条件，使人们对材料的研究从宏观特性进入原子电子一级的微观世界。 例如，利用扫描电子显微镜（STM），能显示出分子的空间结构， 清楚地观察晶体和空间位置，并可把空间状态拍成照片，从照片上看到 直径仅为一点几埃的原子图像。还有各种类型的万能、疲劳、蠕变、断 裂韧性、动平衡、无损探伤等实验仪器不断涌现，为材料机械性能测试 和质量检验创造了有利条件。 此外，各种尖端技术的发展，-270℃的超低温，10-13mmHg的高真 空，106atm的超高压等等，为深入了解物质和材料在极端条件下的变化 规律，进一步阐明材料的本质和探索研制新材料，提供了强有力的技术 手段。
材料中普遍存在的杂质和缺陷，对材料性质影响很大，比如半导体 材料和功能材料性能不稳定，往往是由于杂质和缺陷控制不严引起的。 因此，研究如何避免杂质和缺陷的不利影响也是一个重要问题。
材料的表面结构和性质往往与它的内部状态有很大差别，这些差别 对性能也有影响，所以还要对表面进行研究（如ESCA、表面化学）。
特种钢（磁性钢、耐磨钢、高温合金钢、低温钢、精密合金 钢、电工钢）
-2 人类与材料 材料是人类赖以生活和生产的物质基础，是人们用以作为物品的 物质。 生产技术的进步是和新材料的应用密切相关的，因为材料的好坏直 接影响着生产工具的优劣和产品的质量，所以人们总是不断地去寻找、 发现新材料，以促进生产、改善物质文化生活。 而每一种新材料的发现和应用，都会给社会生产和生活面貌带来 巨大改变，把人类物质文明推向前进。 因此，历史学家往往用制造工具的原材料作为社会发展的标志。 人类历史的发展按照使用材料进行划分分为四个阶段：
材料是人类物质文明的基础和支柱，它支撑着其他新技术的前进， 能源的开发、提炼、转化和贮运，信息的传递、贮存、利用和控制都离 不开材料，航天技术、海洋工程、生物工程和系统工程都需要结构和功 能材料。另一方面，常规材料的发展和新材料的涌现，也是其他新的科 学技术，特别是信息科学技术与系统工程前进的动力。
无机材料化学讲义 —邓安平
第1章 绪论 什么是材料 课程设置：总学时：36学时，18周 考勤方式 考试范围： 任课教师介绍： 讲课形式：讲座 科普介绍 扩展知识面，过度到较规范系统的讲解 △ 我们所了解的材料 建筑材料：水泥 玻璃等 防弹玻璃，节能，智能材料 发电机马达用导线与磁铁 钢铁板材 （华东理工大学 超细氯化铁 膨胀石墨 超细石墨） 白春礼 STM下刻字 隐形飞机 11号台风 微波（炉） 电脑笔 记本 △ 人们往往将材料和物质两个概念混淆，其实他们具有完全不同
能源的开发和利用离不开材料，在现代先进能源转换技术中， 如发电机、蒸汽轮机、燃气轮机、核反应堆、磁流体发电、煤的汽 化和液化、太阳能的转换、高密度电池、燃料电池等，为了实现能 量转换为了提高效率、安全性、经济性，都依赖于材料的改进和新 材料的发现。反过来，材料的生产的利用也需要能量，今天的社 会，材料与能源是相互依靠的。
现代的新技术革命是由一群新技术所引起的改造物质世界的革 命。这些新技术群，除了支撑人类文明大厦的四大支柱技术——材料、 能源、信息、生物——有着新的飞跃外，还有上天的航天技术和深海的 海洋技术以及系统工程。地球表面不能满足人类需要，从而在深海和近 海探索能源、材料和生物资源；在太空建立信息和能源转换站，进行材 料的加工，分别发展了海洋工程和航天技术。此外，国防的需要，也促 使人们发展这两门技术。
材料科学是一门多学科相互交叉的新兴综合性学科，是界于基础科 学与应用科学之间的一门应用基础学科，它与其他许多学科联系密切，
又相互渗透，互相促进，固体物理、量子化学、结构化学、结晶学和物 理、力学等基础学科，为材料科学提供理论基础，反过来，材料科学的 发展又给基础科学提供新的课题。另一方面，新材料不断涌现，为应用 科学和新结构、新技术的发展创造了条件，而新技术的需要又促进了材 料和材料科学的进一步发展。
自然界中总共有33种金属，分为黑色金属和有色金属两大类。 黑色金属指Fe、Mn、Cr及合金，而其余则为有色金属 ，它们虽然 只占金属消耗量的5%，但却赋予金属材料许多优异的特殊性能。 在有色金属中还包括五十余种稀有金属，如Li、Be、Mo等，它们常 被称作“冶金工业纤维素”， 钢铁几乎是黑色金属的代名词。 按其含碳量、组成元素及用途分为： 含碳量：纯铁 生铁 钢 组成元素：碳素钢 合金钢 结构钢（强度、韧性） 用途：工具钢（硬度高、耐磨）
甲醛 + 尿素 = 脲醛树脂 现在信息贮存、处理和传播的先进技术如电话、电报、收音 机、照相机、电视机、录音机、录象机、计算机等的出现、改进和 换代都以来于材料。另一方面，信息的发展又使材料的生产和利用 达到更高的水平。今天的社会，信息和材料也是相互依靠的，为了 强调这种关系，也可将信息的接收、处理、贮存和传播所需的材 料，统称为信息材料。 -3 材料与新技术革命 事物总是在运动和变化的，事物因为运动和变化所导致的进展和发 展是复杂和不平稳的，若是逐渐的变化，我们叫发展或改革，若出现了 飞跃的质变，我们叫做革命。 在不同的领域中，有着不同的革命，社会制度的飞跃叫社会革命， 人类改造物质世界的飞跃叫做技术革命。
a.在基础理论方面，由于近代物理、近代化学特别是固体物理、量 子化学等基础科学的发展，为阐明材料本质和探索新材料奠定了理论基 础，使材料科学进入了微观与宏观研究相结合的新阶段，许多从宏观上 无法认识的问题，从微观的组织结构中逐步认识和找到了规律。
例如，科学家从理论上对金属原子的结构、强度进行了分析研究， 指出金属在理论上应具有比实际高的多的强度值。铁的理论强度值可达 2000Kg/mm²,而目前超高强度钢的强度值仅达到理论强度值的20%。
此外，还要研究材料在加工、使用过程中的变化和破坏机理，材料 性能测试和测试方法研究，开发新工艺、新技术的研究，解决材料的应 用问题，不断挖掘新材料潜力，做到合理选用，提高材料的利用效率， 最后还要运用基础科学理论和材料科学本身积累的知识，不断搜索新材 料。
材料科学研究又可以分为基础理论研究和测试技术研究两大方 面。