材料化学选论第一章绪论
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• 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
12
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。
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。
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 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%
●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。
●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。
Journal of Materials Chemistry 英国皇家化学会（RSC）
1991年创刊，2013年分A，B，C
21
❖ 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
19
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
13
➢ 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。
24
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
25
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
26
• 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
18
➢ 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。
4
5
6
(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
7
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。
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@
1
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
2
材料的定义： • ①《Longman Dictionary》： • anything from which something is or may be made。 • ②《Oxford Advanced Learner’English-Chinese
材料科学与化学
Chemistry of Materials: Chemistry related to preparation, processing and analysis of materials.
11
(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。
14
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。
15
➢ 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
• 结构材料与功能材料的划分并不严格 – 生物医学材料？
27
• 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
28
• 晶态材料 • 非晶态材料 • 液态材料
29
8
• 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
9
• Chemicals： the utility lies primarily in their consumption. 其效用基于其自身耗用量。
32
33
（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。
35
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
• 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。
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
36
❖ 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。
17
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。
16
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
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。
• 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。
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。
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 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%
●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。
●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。
Journal of Materials Chemistry 英国皇家化学会（RSC）
1991年创刊，2013年分A，B，C
21
❖ 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
19
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
13
➢ 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。
24
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
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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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(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
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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。
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@
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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
2
材料的定义： • ①《Longman Dictionary》： • anything from which something is or may be made。 • ②《Oxford Advanced Learner’English-Chinese
材料科学与化学
Chemistry of Materials: Chemistry related to preparation, processing and analysis of materials.
11
(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。
14
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
• 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——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。
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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
• 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。
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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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
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。