材料化学绪论曾兆华版

Chapter1 Introduction
35
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
Chapter1 Introduction
36
航空材料的主要要求是 耐高温、高比强、抗疲劳、
耐腐蚀、长寿命和低成本。
多功能化、复合化、精细化、智能化
Chapter1 Introduction 39
实践性：
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。
材料化学
Materials Chemistry
Chapter1 Introduction
1
Chapter 1 Introduction
绪论
Chapter1 Introduction 2
本章内容
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 材料与化学 材料的分类 材料化学的特点 材料化学的在各个领域的应用 材料化学的主要内容
Chapter1 Introduction 6
材料的发展
材料的发现、发展和应用是人类文 明的标志。
Developme nt of materials
材料的品种、质量和产量，是直接
衡量一个国家的科技和经济发展水 平的重要标志之一。
Chapter1 Introduction
7
早期：三个时代
① 陶器制作：粘土及其它添加物， 加热烧结成较硬实体；人类社会结构﹑ 生活形态的改变。 ② 青铜器：金属产物的工具﹑武器﹑ 农具﹑礼器﹑祭器等取代泥制陶器； ③ 金属使用：常温的刚强度，红热时 可锻炼成形性，熔融后的铸造性。
Copper mirrors
中国古铜镜
Chapter1 Introduction
19
Copper musical instrument
战国青铜编钟
Chapter1 Introduction
20
Iron Age
Iron Age
Chapter1 Introduction
21
炼铁过程的化学
3Fe2O3 11C 2Fe3C 9CO
Chapter1 Introduction 25
化学的发展往往导致材料技术的实质性进步。 在新材料的研发和材料工艺的发展中，化学一 直担当着关键的角色。
合成高分子（二十世纪初） 纳米材料（二十世纪80年代）
Chapter1 Introduction
26
1.2 材料的分类 Classification of Materials
按组成、结构特点分
Metallic Materials Inorganic Materials
Polymers
Composites
Chapter1 Introduction
27
按使用性能分
Structural Materials ——主要利用材料的力学性能 Functional Materials ——主要利用材料的物理和化学性能
Chapter1 Introduction
40
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; 人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊 断化验等; 药物、蛋白质及基因的控制释放。
Chapter1 Introduction
Glass
现代的水晶玻璃
Chapter1 Introduction
13
Figure of materials development
Chapter1 Introduction
14
Stone Age
Stone age
Chapter1 Introduction
15
Table 1-1 Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age
Chapter1 Introduction
32
高分子材料（Polymers）
• 高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量 足够高的有机化合物。 • 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、光导电高分子、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。
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
Chapter1 Introduction 43
41
电子信息领域
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。
Chapter1 Introduction
42
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
虽称为三彩，实际上并不限于三种色彩，往往 采用二次烧成法，第一次素烧，温度约在摄氏 一千度左右，烧成坯胎；第二次在素胎上施釉， 另行釉烧而温度八百度。
Chapter1 Introduction
11
明 掐丝珐琅 葫芦式扁瓶
橘皮釉
Chapter1 Introduction
12
→→Glass
Warring States Glass Eye Beads
Chapter1 Introduction
37
Exa mple s
波音公司开发之机体与复合材料
Chapter1 Introduction
J
38
1.3 材料化学的特点
跨学科性：
Characteristics of Materials Chemistry
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。
第八世纪的 "Carolingian"剑
东方曲剑" Persian "
Swo rds
土耳其的 "Damascus" 剑
日本剑的锋口部份
Chapter1 Introduction 24
早期：纯粹凭经验工艺。 近现代： 基本化学原理 物质微结构
性能优良而价值更高的材料
钢制品精炼工艺技术
高性能碳钢和合金钢
Chapter1 Introduction
8
→→Pottery
新石器时期 马家窑式水纹彩陶钵
Pottery
新石器时期 半山式菱形点纹壶
Chapter1 Introduction
9
China
China
康熙 黄釉盖罐
乾隆 茶叶末六连瓶
Chapter1 Introduction
10
唐 三彩鸳鸯壶
一种低温铅釉的陶器，采 用黄、绿、褐等色釉在器 皿构成花朵、斑点或不规 则的几何纹等，色彩斑斓 的色釉装饰。
• 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。
Chapter1 Introduction
29
Examples
Chapter1 Introduction
30
无机非金属材料（Inorganic Materials）
Chapter1 Introduction
5
Materials Science and Chemistry
Materials Science & Chemistry
Materials Chemistry:
Chemistry related to structure, properties, preparation and applications of materials.
—— connected with function and, through that function, utilities.
Chapter1 Introduction
4
Distinguish between Chemicals and Materials
• Chemicals：the utility lies primarily in their consumption. • Materials: can be used repeatedly or continuously for an application that does not irreversibly convert them to something else.
16
Bronze Age
Bronze age
Chapter1 Introduction
17
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
Chapter1 Introduction 18
按用途分
航空航天材料、能源材料、
Classification of materials
导电材料、绝缘材料、生物医用材料、
电子信息材料、感光材料等等
Chapter1 Introduction
28
金属材料（Metallic Materials）
• 金属材料通常由一种或多种金属元素组成，其特征是 存在大量的离域电子，也就是说，这些电子并不键合 在特定原子上。 • 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。
• 无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。 • 单质材料：单晶硅、金刚石、石墨等。 • 以陶瓷为主。可用作结构材料、光学材料、电子材料 等。 • 半导体材料：单晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓等。 用于制造集成电路、固态激光器、发光二极管、晶体 管等。
Chapter1 Introduction
31
Architec ture material s
Materials
the Paleolithic Period the Neolithic Age
Wood

Stone

Bone

Pottery
Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age
Βιβλιοθήκη Baidu




Chapter1 Introduction
Fe2O3 3C 2Fe 3CO
Equations
Fe3C FeO 4Fe CO
Chapter1 Introduction
22
铸铁
依含碳量 和杂质多少
Alloys of iron & carbon
锻铁 钢铁
铁和碳的合金
Chapter1 Introduction
23
Chapter1 Introduction
33
(3) Shoes
Chapter1 Introduction
34
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。 • 自然界的复合材料：例如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：稻草增强粘土以及漆器（麻纤维和 土漆复合而成）。 • 传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。
Chapter1 Introduction
3
1.1 材料与化学 Materials and Chemistry
• Materials：
– Substances having properties which make them useful in machinery, structures, devices and products.