材料化學：緒論

1、材 料 化 學Chemistry of Materials什么是材料？材料是可以用來制造有用的構件、器件或物品的物質。 師昌緒主編：材料大辭典材料是“具有一定性能的物質, 可以用來制成一些機器、器件、結構和產品” 。 美國科學院、美國工程院聯(lián)合編寫 材料：人類的需求/xwzx/mtjj/201503/t20150301_4315895.html綜上所述，材料的科學定義應包含三大要素（1）物質性：一切存在物都是物質的多種表現(xiàn)。（2）功能性：材料是具有結構、光、電、磁等用途的物質。（3）加工性：材料是能為人類社會經濟地制造有用器件的物質。材料是可以用來制造有用的構件、器件或物品的物質。材 料 =

2、物 質材料是物質，但不是所有物質都可以成為材料，如化學原料、食物、藥物都不算材料。材料可由同一種物質或若干種物質構成，同一種物質由于制備方法或加工方法不同，可成為用途迥異的材料。材 料 = 原 料材料表示用什么制的(make of)。材料的功能屬物理，在使用中保持原狀。材料在制品中殘留其形態(tài)。原料表示由什么制成的(make from)。原料其功能屬于化學，在使用過程中自身消失。原料在制品中不殘留其形態(tài)。例如：鋼鐵、金屬、陶瓷、木材等。如燒堿、中和反應所用的鹽酸等化工原料。材 料 = 試 劑材料：具有一定功能和性能，能為人們重復、可持續(xù)使用。試劑：消耗品，在使用過程中轉換成其它物質。 舊石器時代

3、材料在人類發(fā)展歷史中占有重要地位，早期人類文明劃分正是以各時期所使用的有代表性的材料為標志。新石器時代 青銅器時代銅錫合金（青銅）熔點低，硬度高含錫10%的青銅，硬度是紅銅的4.7倍含錫量1/6 韌性好 制造鐘鼎含錫量2/5 硬度高 制造刀斧第一個合金材料：銅錫合金（青銅）Alloy9青銅器時代：材料和化學結合的開始成分、結構與性能的關系 鐵器時代含碳量2%以上生鐵含碳量在0.04%以下熟鐵含碳量在0.04-2%鋼依含碳量多少生鐵含碳量高，硬而脆，幾乎沒有塑性熟鐵含碳量少，質軟，塑性好，但強度和硬度較低。鋼塑性好、韌性好、強度高、耐高溫、耐腐蝕、易加工，應用范圍廣。煉鐵過程的化學材料無所不在自

4、人類學會使用石器作為工具的那一天始，材料對人類生活的影響無所不在。人類已發(fā)現(xiàn)的材料據稱已達千萬余種，什么樣的材料值得我們關注？并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關注。隨著社會的發(fā)展，科學技術的進步以及自然資源和能源的逐漸減少，人們所關注的、所使用的材料種類不斷在發(fā)生著變化材料能否在一個時代引起人們關注、得到廣泛使用應該從以下幾方面加以分析： 資 源 能 源 環(huán) 保 經 濟 質 量鋁是一種輕金屬，密度 2.7 g/cm3，大約是鐵的 1/3。純鋁的拉伸強度只有 48 MPa，只有鋼的1/10 左右。因此在早期并未得到重視。Al 在地殼中含量豐富，占 1/12，但主要以 Al2O3的狀態(tài)存在。18

5、 世紀發(fā)現(xiàn)了 Al 元素的存在，1825 年丹麥物理學家 Hans Oersted 第一次成功地提煉出金屬鋁，但是提煉方法比較復雜，產量很低，使得其價格極為昂貴。材料發(fā)展的第一個實例：鋁鋁曾經比金銀還要珍貴100多年前，為了表彰門捷列夫對化學的杰出貢獻，英國皇家學會不惜重金制作了一個比黃金還要貴重的獎杯鋁杯，贈送給門捷列夫。 法國皇帝拿破侖三世為了顯示自己的尊貴，用鋁作了一頂頭盔，成為轟動一時的新聞。每逢盛大國宴，別人都用銀制餐具，而他獨自使用一套鋁制餐具。 技術的進步讓鋁走出了首飾店1886 年， 22 歲的美國人 Hall 發(fā)明了熔鹽電解法制取金屬鋁，此法投產后，金屬鋁的產量迅速增長，價格

6、則大幅度下降 ，從而把鋁的大規(guī)模生產變成了現(xiàn)實。這個年輕人組成了一個大公司，這就是今天美國美鋁公司 (Alcoa) 的前身。將氧化鋁 (A12O3) 溶解在熔融的冰晶石 (Na3AlF6) 中進行電解(電解液溫度接近 1000) 美鋁的生意是從一把鋁壺開始的從鋁壺做起，慢慢延伸到了烹調器具、錫箔紙、電線和電纜。現(xiàn)在，美鋁公司成為了公認的世界上最大的原鋁、鋁加工產品和氧化鋁生產商。美鋁的產品廣泛的應用于航空航天、汽車、包裝、建筑、商業(yè)運輸以及工業(yè)市場。為了進一步提高鋁的比強度 合金強化 時效硬化在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成所謂的鋁合金以提高 Al 的強度。把

7、合金強化處理后形成的鋁合金加熱到一定溫度以上進行“熔解處理”，使合金處于均勻的單相狀態(tài)，然后快速淬火，使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的強度。高比強鋁合金給 20 世紀的“新”材料帶來第一個突破比強：比強度，也就是材料的強度與密度之比。具有高強度、低密度的材料無疑具有應用優(yōu)勢。鋼的比強度為： 0.64 106 cm鋁合金的比強度為：2.64 106 cm后者是前者的 4 倍，這對于結構材料來說是幾千年來的一個飛躍。鋁合金的出現(xiàn)，大大拓寬了鋁的用途航天飛機、大型客機鋁門窗、鋁活動建筑鋁細粉是一種火箭固體燃料鋁 箔鋁電纜易拉罐輕、薄、耐腐蝕的易拉扣，的確是一項高技術，代表了鋁材和鋁加工的現(xiàn)代成就

8、。美國紐約的世界貿易大廈是一個大量使用鋁合金貼面的雄偉建筑。可惜已經灰飛煙滅了。石棉是含有鐵、鎂、鎳、鈣、鋁等元素的硅酸鹽，由于具有結實、抗彎、絕緣、隔熱、保溫、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點，所以被廣泛用于建筑、造船、航天和交通機械中隔熱、保溫、防火等領域。日常生活中常見的石棉制品包括石棉瓦、石棉水泥板、石棉隔熱手套、滅火毯、剎車帶等。 材料發(fā)展的第二個實例：“夕陽”材料石棉石棉之所以叫這么個名稱，是因為它的纖維又長又柔，像棉花一樣可以用來織布。但是和棉花不同的是，石棉因為是“石頭”，所以耐火。人類很早以前就開采石棉，用它來制造不怕火燒的衣服，它們臟了，用火一燒，就又潔白如故，所以中國古代稱之為用火來洗的

9、布“火浣布”。古羅馬的餐館喜歡用石棉做的桌布，上一撥顧客走了，把桌布往火里一扔，燒掉了油脂、食物殘渣，就又可以鋪桌迎接下一撥顧客。 近年來的研究表明石棉是一種致癌物質，歐美國家許多癌癥的病因，都曾與石棉污染有關。目前這種狀況正在向發(fā)展中國家轉移。鋼鐵工業(yè)在發(fā)達國家已進入衰退階段，原因是有許多新材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產污染環(huán)境，他們往往把這些企業(yè)放在第三世界國家。第三個實例：“夕陽”材料鋼鐵在“911”事件中變成廢墟的紐約世貿大廈的數十萬噸廢鋼鐵被運往中國和印度，將在那里回爐后重新使用。從這兩座 100 多層的雙子大廈廢墟中回收的鋼材數量相當可觀，估計多達 40 萬噸。第四個實例：材料中的“

10、常青樹”陶瓷1982 年日本京瓷首次研制出了陶瓷發(fā)動機小汽車。它的出現(xiàn)使發(fā)動機重量減輕，提高燃燒度和節(jié)約燃料的愿望成為現(xiàn)實。陶瓷發(fā)動機中國的陶瓷發(fā)動機汽車從上海到北京試開了一個來回，試用情況表明，這種發(fā)動機不必水冷并能大量節(jié)約汽油。由于高溫結構氮化硅陶瓷耐高溫程度超過耐熱合金，而且重量輕，所以用耐高溫結構陶瓷制作發(fā)動機及燃氣輪機的部件在同體積下，其重量只有金屬的30%，可使汽車發(fā)動機的重量減輕10，節(jié)省燃料8.5%左右。其工作溫度可從700-1000提高至12001400，熱效率提高3035。而且沒有熱量浪費，可采用各種不同的燃料。陶瓷發(fā)動機的優(yōu)越性： 新陳代謝這一生命規(guī)律在材料中也是同樣存在

11、的。事實上，每種材料都有其生命曲線出現(xiàn)發(fā)展成熟衰退衰退主要是由于社會發(fā)展和科學技術進步導致的。一個新材料的誕生，從實驗室研制出樣品到工業(yè)上的大規(guī)模實際使用，大概需要 15 20 年時間。 所謂的“材料科學”的主要研究對象是新材料，或者是想方設法使傳統(tǒng)材料獲得新生。出現(xiàn)發(fā)展成熟衰退新材料傳統(tǒng)材料什么是材料科學？ 20 世紀對于材料的發(fā)展歷史來說是一個值得大書特書的時期。20 世紀科學技術領域一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)導致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等領域的巨大變化，而這些巨大變化則有力地促進了材料的發(fā)展，使得材料在 20 世紀中葉發(fā)生了一次“革命性”的飛躍，這個飛躍的標志就是“材料科學”的形成

12、。 20 世紀中葉是蘇美兩個超級大國在各個領域進行全面競爭的時代。材料的競爭是其中的主要內容之一。1957 年蘇聯(lián)率先將人造地球衛(wèi)星送上了天，從而引發(fā)了全球性的材料科學研究。美國從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學作為一個學科對待。材料科學研究的內容合成與制備結構/成分性 能使用表現(xiàn)簡而言之，材料科學就是研究各種材料的成分與結構、合成與制備加工工藝、性能以及材料在服役過程中的表現(xiàn)這四個方面之間相互關系的科學。 新方法、新結構、新性能、新應用是發(fā)展新材料以及材料科學研究的永恒主題。 材料化學？材料科學在不同的場合就被劃分成了材料物理、材料化學、材料力學、材料工程學等諸多分支。本課程所涉

13、及的內容就屬于材料化學這一分支。材料化學就是研究材料科學中的化學問題的科學，這門科學涉及到材料制備、性能、結構、應用方面的所有與化學相關的問題。 我國四大發(fā)明中有兩項是化學和材料的結合通過蒸煮草木灰把植物中的纖維物質提煉出來制成了紙漿；一硝二磺三木炭的組合則生成了火藥。 2KNO3 + 3C + S = N2+ 3CO2+ K2S材料化學的發(fā)展18 世紀末分析化學的發(fā)展使得人們第一次認識到鋼中存在碳原子，且碳原子在決定鋼的性質方面起著十分關鍵的作用，從而促使人們開始從材料的組成角度來研究材料。材料化學的發(fā)展三本專門致力于材料化學研究的期刊的出現(xiàn)（19881990期間） Advanced mat

14、erials Germany Chemistry of MaterialsAmerican Chemical SocietyJournal of Materials ChemistryChemical Society of Great Britain.材料化學的發(fā)展Advanced Materials is the top journal in the materials sciences, with the highest independently assessed Impact Factor (2011 Impact Factor,10.857) of any professional,

15、 peer-reviewed primary materials science journal. It contains carefully selected, top-quality reviews, communications, and research news at the cutting edge of the chemistry and physics of functional materials as well as book reviews, product information, interviews, and a conference calendar. In Ge

16、rmanyThe Journal of Materials Chemistry (2011 impact factor 5.099) is an interdisciplinary Journal covering all aspects of Materials Chemistry.Papers cover: （1）the fabrication, （2）properties and applications of materials： synthesis, structural characterisation and modelling. Published by the Chemica

17、l Sociedty of Great BritainChemistry of Materials provides an indispensable molecular-level perspective at the interface of chemistry, chemical engineering, and materials science.This fundamental research journal focuses on the chemistry involved in the preparation, processing, and analysis of all t

18、ypes of materials, including inorganic and organic solids and thin films, polymers, liquid crystals, hybrid materials, biomaterials, and composites. Chemistry of Materials is of special interest to chemists, chemical engineers, and materials scientists and technologists concerned with the preparatio

19、n, characterization, and processing technology of new materials.Published by the American Chemical Society2011impact factor 6.397材料化學的特點跨學科性：既是化學學科的一個次級學科，又是材料科學的一個分支。新材料的發(fā)展，往往源于其它科學技術領域的需求，這導致材料化學與物理學、生物學、藥物學等眾多學科緊密相連。Bio(and biomimetic) materialsMetalsCatalytic materials MicrostructureChemical Vap

20、or DepositionMolecular crystals(organic, metal-organic,etc.)Clusters and colloidsOptical(including NLO) materialsCoatingsNanophase materialsCompositesPhase transitionsCorrosionPolymeric materialsDefectsPrecursor routes to materialsElectronic materialsSelf-assembled materialsFluids and liquid crystal

21、Semiconductors sensorsGlassesSol-gel chemistry/processing Inorganic and organic networksSurface and interfacial phenominaInorganic solids/ceramicsSuperconductorsLayered materials (including intercalation compounds)Structural materialsMagnetic materialsTheoryThin film and monolayersCategories of Pape

22、rs in Chemistry of Materials 說明多學科或交叉學科性質材料化學是理論與實踐相結合的產物，這是它與固體化學的主要區(qū)別所在。高性能、高質量及低成本的材料只有通過工藝的不斷改進才能實現(xiàn)。材料變?yōu)槠骷虍a品要解決一系列工程技術問題，這都需要理論和實踐的結合，一方面用理論指導實踐，另一方面通過大量實踐使理論得到進一步發(fā)展。實踐性：材料的結構是指組成原子、分子在不同層次上彼此結合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結構、分子結構、晶體結構，相結構、晶粒結構、表面與晶界結構、缺陷結構等；在尺度上則包括納米以下、納米、微米、毫米及更宏觀的結構層次。所有這些層次都影響產品的最終行為

23、。材料化學是關于材料的結構、性能、制備和應用的化學 材料化學的主要內容性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應的定量表述。力學性能：材料的強度、延性和剛度。物理性能：電、磁、光、熱等。材料的制備就是將原子、分子聚合起來并最終轉變?yōu)橛杏卯a品的一系列連續(xù)過程。合成與制備是提高材料質量、降低生產成本和提高經濟效益的關鍵，也是開發(fā)新材料、新器件的中心環(huán)節(jié)。材料化學研究的內容合成與制備結構/成分性 能使用表現(xiàn)什么是材料的結構？以TiO2為例銳鈦礦相中晶胞為共頂結構金紅石相中晶胞為共棱結構TiO2有兩種比較典型的晶相：金紅石相及銳鈦礦相材料的晶體結構不同晶相的TiO2有著不同的能帶結構，對應不同性能。材料

24、的能帶結構非化學計量化合物TiO2-x的缺陷反應式： 53 當環(huán)境中氧氣氛壓力減小或者在還原性氣氛中，晶體中氧就會逸出而在晶格中產生氧空位。在形成氧空位的同時有準自由電子產生以保持整個晶體的電中性，這就要求正離子接納電子而發(fā)生變價，使正離子價數降低。材料的缺陷結構內部缺陷也會顯著影響材料的性能。通過改變制備工藝條件，TiO2可以做出很多種形貌，也會對性能產生影響。材料的形貌結構什么是材料的制備？以TiO2為例溶膠-凝膠法水熱法化學氣相沉積法模板法靜電紡絲法高溫固相法陽極氧化法不同的方法得到的晶體結構、形貌結構、缺陷結構等均有可能不同。什么是材料的性能？以TiO2為例光催化性能TiO2半導體顆粒

25、 HO自由基，其氧化電位為2.80 V，比臭氧(2.07 V)高35，氧化能力僅次于氟，在氧化有機污染物時無選擇性，可直接將有機污染物氧化為二氧化碳、水或礦物鹽，不會造成二次污染。光生電子則可與氧氣或水分子結合產生化學性質極為活潑的超氧自由基，并經一系列反應最終生成羥基自由基，同樣可以氧化降解有機污染物。光催化方面的應用污水處理空氣凈化器防霧及自清潔涂層抗菌材料光催化分解水什么是材料的應用？以TiO2為例1. 污水處理由于OH具有極高的反應能，高于有機物中各類化學鍵(如C-C， C-H，CN，CO，H一O，NH)，的鍵能，因而OH對反應物幾乎無選擇性，能完全分解各類有機物，最終生成CO2和H2

26、O。光催化產生的高活性電子具有很強的還原能力，重金屬離子如Cu2+等如能直接接受光生電子，則會被還原沉積，從而達到清除重金屬離子的目的。重金屬離子：Cr(VI)等有機污染物：苯酚、亞甲藍等光催化空氣凈化器基本凈化流程2. 空氣凈化器3.防霧和自清潔涂層TiO2薄膜有機污垢無機污垢CO2 H2O在窗玻璃、建筑物外墻磚、高速公路護欄、路燈等表面涂覆氧化鈦薄膜，利用氧化鈦薄膜在太陽光照射下產生的強氧化能力和超親水性（水在氧化鈦薄膜上完全浸潤），可以實現(xiàn)表面自清潔。汽車玻璃及后視鏡等表面涂覆氧化鈦薄膜可起到防結霧的作用。4. 抗菌光生電子和空穴與水或水中的溶解氧反應，形成 HO自由基等活性基團。這些活性基團通過氧化細菌體內的輔酶 A, 破壞細菌的細胞壁 (膜)的滲透性和DNA的結構,使電子傳輸中斷等來發(fā)揮光催化抗菌作用銀、鋅等金屬離子擔載的無機殺菌劑能使細胞失去活性，但細菌被殺死后，可釋放出有毒的組分如內毒素。內毒素是致命物質，可引起傷寒、霍亂等疾病。這些常用殺菌劑只有殺死細菌的作用，不能分解細菌內毒素，可能會帶來二次污染。光催化劑不僅能消滅細菌，而且能降解由細菌釋放出