材料化学选论第一章绪论

●纳米材料，由数百个乃至上千个原子组成的至少在一 维方向的尺度在0～20nm。因此它属于微观和宏观之间 的介观范畴，具有不同于宏观材料的诸多特殊性质！
纳米技术采用“自下而上”（bottom up）的思路， 以超分子化学（组装技术）和分子电子学（功能分子） 为基础正在发展分子器件，而我国科学家的研究走在国 际的前端。
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➢ 性能 性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量 表述。
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。合成与制备是提 高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键， 也是开发新材料、新器件的中心环节。
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（3）混合分类法 先以属性分类，再依功能划分
功能材料
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 相互转化功能， 用于非结构目的 的高技术材料。
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形状记忆材料 热
热电材料
热
热释电材料
热
压电材料
力
电致伸缩材料 电
磁致伸缩材料 磁
磁光材料
磁
声光材料
声
光电材料
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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;
➢ 人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验 ➢ 药物、蛋白质及基因的控制释放。
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➢ 芯片制造：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等 离子体刻蚀;
➢ 信息存储材料; ➢ 光电子材料; ➢ 光子晶体
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材料化学是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学
➢ 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，相结构、晶粒结构、表面与晶 界结构、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。所有这些层次 都影响产品的最终行为。
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Chemistry of Materials 美国化学会（ACS）
1989年创刊
A:Materials for energy and sustainability
B:Materials for biology and medicine C:Materials for optical and electronic devices
• 结构材料与功能材料的划分并不严格 – 生物医学材料？
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• 三维材料 ▲块体材料
• 二维材料 ▲薄膜、涂层等 (金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体 薄膜、耐磨涂层、石墨烯)
• 一维材料 ▲纤维、晶须等 (光导纤维、高强纤维)
• 零维材料 ▲粉 体
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• 晶态材料 • 非晶态材料 • 液态材料
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材料首先是一种物质，这种物质具有一定的性能 （performance）、或功能（function），从而为人们所 使用； 材料则一般可重复、持续使用，除了正常损耗，材料不 会不可逆的转化成别的物质。
材料不同于化学试剂（chemicals），它和试剂是有区别的， 试剂在使用过程中通常被消耗掉并转化成别的物质。
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环境和能源领域
➢ 清洁能源：光伏电池、太阳能电池、燃料电池等； ➢ 可回收和可生物降解材料； ➢ 环境友好材料
结构材料领域
➢ 汽车和飞机：比以前更安全、轻便和省油； ➢ 特种涂料：具有防腐、保护、美化或其它用途，可在
结构材料上使用； ➢ 智能化的结构材料：由各种具有不同功能或性能的材
料组合而成
●杂化材料 与复合材料存在多相组成不同，有机-无机组分间是 在原子分子水平上的复合，结合方式自然是强化学键和弱化学键， 已构成了功能杂化材料领域。从80年代开始，日本理部化学研究 所山田瑛、雀部博之等人，应用化学中“杂化”（hydrid）概念 而提出。指两种以上不同种类的有机、无机、金属材料在原子、 分子水平上杂化，从而产生具有新型原子、分子集合结构的物质。 这种材料具有许多新性能和用途。
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➢ 材料化学是理论与实践相结合的产物，这是它与固体化学的主 要区别所在。
➢ 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。
➢ 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。
➢ 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。
Dictionary》：
• that of which something is can be made or which something is done。
材料（Materials）是可以用来制造有用的构件、器件或 物品的物质（Matter）；具有使其能够用于机械、结构、 设备和产品的性质的物质，是组成生产工具的物质基础。
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(2) 材料科学
研究材料的结构，制备与加工工艺和性 能之间关系的科学。
合成与制备 Synthesis and Fabrication
性能 Properties
结构 Structures
效能与功能 Performance
7ຫໍສະໝຸດ Baidu
简而言之，材料科学就是研究各种材料的成分与结构、合成 与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现这四个方 面之间相互关系的科学。 成分与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过 程中的表现是材料科学的四个基本要素。材料科学研究的目的 则是在这四个基本要素方面进行不懈地努力，以期使材料的发 展更好地为人类社会的进步服务。 新方法、新结构、新性能、新应用是发展新材料以及材料科 学研究的永恒主题。
Journal of Materials Chemistry 英国皇家化学会（RSC）
1991年创刊，2013年分A，B，C
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❖ 材料化学基础知识 ❖ 材料制备化学 ❖ 新型功能材料研究进展
目的：掌握材料化学基本理论，了解材料科学研 究前沿，扩展视野，培养创新思维与能力
学习方式：线上网络课程+线下讨论答疑
光
电光材料
电
力 力热效应 电 热电效应 电 热释电效应 电 压电效应 力 负压电效应 力 磁致伸缩效应 光 磁光效应 光 声光效应 电 光电效应 光 电光效应
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❖ 结构功能的复合化 ❖ 智能化 ❖ 材料与器件的集成化 ❖ 制备和使用工程的绿色化
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。 举例： ①弹性材料——应用力学性能——用于非结构目的——属于功能材料； ②结构陶瓷——应用力学性能——用于结构目的 ——属于结构材料； ③普通玻璃——应用光学性能——用于结构目的 ——属于结构材料； ④耐 火 砖——应用热学性能——用于结构目的 ——属于结构材料。
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• 材料——人类利用化合物的某些功能来制作物件 时用的化学物质。
• 何谓化学——在原子、分子水平上研究物质的组 成、结构、性能变化以及应用的科学。
• 化学是材料发展的源泉
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• Chemicals： the utility lies primarily in their consumption. 其效用基于其自身耗用量。
材料化学选论
Introduction to Materials Chemistry 彭志平 副教授
材料科学与工程学院A323 zzpeng@ncu.edu.cn
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第一章 绪论
一．材料的定义及其发展的重要性 二．材料化学在材料科学中的地位 三．材料化学的内容
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材料的定义： • ①《Longman Dictionary》： • anything from which something is or may be made。 • ②《Oxford Advanced Learner’English-Chinese
1、绪论
课时安排
2、材料化学的理论基础
3、材料制备化学
4、新型结构材料
5、新型功能材料
6、功能转换材料
合计
2课时 8课时 6课时 6课时 6课时 4课时 32课时
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课程的主导思想：拓宽基础、结合前沿、开阔视野、 突出学科交叉 考核方式：
1、平时成绩（网络教学平台统计数据，含作业、讨论） 30% 2、课程论文，40% 3、英文文献翻译，30%
• 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 • 环境对材料的影响
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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。 ➢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。
材料科学与化学
Chemistry of Materials: Chemistry related to preparation, processing and analysis of materials.
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(3) 材料化学
材料化学，顾名思义，应该是与材料相关的化学学科的一 个分支，是材料科学的一个重要组成部分，在化学学科中通常 也称为“固体化学”。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。
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杨秋华主编 高等教育出版社 2019年第二版
彭正合主编 科学出版社 2017年第四版
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材料的分类
• 金属材料 • 无机非金属材料 • 高分子材料 • 复合材料
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• 结构材料（以力学性能为主） – 支撑件、连接件、传动件、紧固件等
• 功能材料（以物理化学性能为主） – 磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材 料、敏感材料、能源材料、生物医学材料等
• Materials： can be used repeatedly or continuously for an application that does not irreversibly convert them to something else.可 重复或者连续使用，而自身并不发生变化。