材料化學(xué)第1講

《材料化學(xué)》MaterialsChemistryTeacher:羅春華E-mail:lch197919@163.com1《材料化學(xué)》參考書中山大學(xué)：曾兆華，楊建文編著，化學(xué)工業(yè)出版社，2008北師大：李奇，陳光巨編著，高等教育出版社，2004上海交大，19972曾兆華3上海交大，19974上海交大，199756《材料化學(xué)》由趙志鳳、畢建聰、宿輝主編，全書共分9章，主要介紹材料化學(xué)這一新興分支學(xué)科的理論基礎(chǔ)、學(xué)科內(nèi)容、材料的應(yīng)用及其研究進(jìn)展情況。內(nèi)容包括：材料的晶體學(xué)基礎(chǔ)、材料中的結(jié)構(gòu)缺陷、材料的制備方法、材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系、材料表面化學(xué)、無機(jī)非金屬材料、金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等。內(nèi)容翔實(shí)，并注意反映材料科學(xué)領(lǐng)域中的新成就、新進(jìn)展，使讀者能較系統(tǒng)地、全面地了解材料化學(xué)的全貌和發(fā)展方向?！恫牧匣瘜W(xué)》可作為材料學(xué)及化學(xué)相關(guān)專業(yè)的本科生教材，也可供從事材料研究與生產(chǎn)的工程技術(shù)人員參考。7PrefaceChapter1WHATISMATERIALSCHEMISTRY?Chapter2SOLIDSTATECHEMISTRYChapter3METALSChapter4SEMICONDUCTORSChapter5POLYMERICMATERLALSChapter6NANOMATERIALSChapter7MATERIALSCHARACTERIZAIONAPPENDIXAAPPENDIXBAPPENDIXCINDEX

本書從結(jié)構(gòu)-特性處理的角度出發(fā)，探討了無機(jī)、有機(jī)、納米材料等課題，在廣度和深度上基本涵蓋了在當(dāng)今飛速發(fā)展的材料科學(xué)領(lǐng)域。第2版自始至終為讀者繼續(xù)呈現(xiàn)突破創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用的視角。在扼要地定義材料化學(xué)和其發(fā)展史之后，全書7章逐一討論了固態(tài)化學(xué)、金屬、半導(dǎo)體材料、有機(jī)"軟"材料、納米材料和材料的性能等內(nèi)容。本版本得到了全新的升級和擴(kuò)展，例如，新增加"軟平版印刷術(shù)"模型、"點(diǎn)擊化學(xué)"聚合反應(yīng)、納米毒性、石墨烯以及許多生物材料應(yīng)用等內(nèi)容，特別是聚合物和"軟"材料部分得到了更大的補(bǔ)充。8以材料化學(xué)命名的頂級雜志ChemistryofMaterials美國化學(xué)會(huì)（ACS）1989年創(chuàng)刊

JournalofMaterialsChemistry英國皇家化學(xué)會(huì)（RSC）1991年創(chuàng)刊，2013年分A，B，CA:Materialsforenergyandsustainability

B:Materialsforbiologyandmedicine

C:Materialsforopticalandelectronicdevices

9與材料化學(xué)相關(guān)的頂級雜志10材料化學(xué)學(xué)科歸屬本科專業(yè)目錄0703化學(xué)類070301化學(xué)070302應(yīng)用化學(xué)（注：可授理學(xué)或工學(xué)學(xué)士學(xué)位）0804材料類080401材料科學(xué)與工程080402材料物理（注：可授工學(xué)或理學(xué)學(xué)士學(xué)位）080403材料化學(xué)（注：可授工學(xué)或理學(xué)學(xué)士學(xué)位）080404冶金工程080405金屬材料工程080406無機(jī)非金屬材料工程080407高分子材料與工程080408復(fù)合材料與工程0813化工與制藥類081301化學(xué)工程與工藝081302制藥工程11材料化學(xué)學(xué)科歸屬0703化學(xué)070301無機(jī)化學(xué)070302分析化學(xué)070303有機(jī)化學(xué)070304物理化學(xué)（含化學(xué)物理）070305高分子化學(xué)與物理0805材料科學(xué)與工程080501材料物理與化學(xué)080502材料學(xué)080503材料加工工程0817化學(xué)工程與技術(shù)081701化學(xué)工程081702化學(xué)工藝081703生物化工081704應(yīng)用化學(xué)081705工業(yè)催化碩博士專業(yè)目錄12《材料化學(xué)》成績考核平時(shí)成績（30%）：作業(yè)-30%（6-8次），平時(shí)出勤與紀(jì)律-25%（8-10次），課堂討論-15%，觀后感-15%，期中考試-15%期末考試成績（70%）13第一章緒論1.1 基本概念1.2 材料的發(fā)展概況1.3材料的重要性1.4材料的分類1.5 材料化學(xué)的特點(diǎn)1.6 材料化學(xué)的在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用1.7 材料化學(xué)的主要內(nèi)容Chapter1Introduction材料與化學(xué)14Chapter1Introduction“材料是人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)”

材料、能源、信息為當(dāng)代技術(shù)的三大支柱，而材料又是能源和信息工業(yè)技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。天然化石能源的有效利用，新能源的開發(fā)，信息工程中的信息采集、處理和執(zhí)行等都是需要各種功能材料。因此新材料的發(fā)明、應(yīng)用和開發(fā)往往是人類社會(huì)文明發(fā)展進(jìn)程的里程碑。

舊石器時(shí)代新石器時(shí)代陶器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代某一類材料的特征及其廣泛應(yīng)用就是人類文明史各個(gè)階段的一種標(biāo)志例如焦炭和鋼鐵的生產(chǎn)開始了資本主義的工業(yè)革命；石油的催化裂解促進(jìn)了塑膠工業(yè)；而一些智能材料的發(fā)明和應(yīng)用開辟了信息時(shí)代。從現(xiàn)代科技發(fā)展史來看，一種新的固態(tài)化合物的合成，它的功能特性的發(fā)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用，往往可以導(dǎo)致一個(gè)新的科技領(lǐng)域的產(chǎn)生和一種新產(chǎn)業(yè)的興起。引言15Chapter1Introduction我們現(xiàn)在所處的時(shí)代應(yīng)該稱為什么時(shí)代？鋼硅塑料合成材料半導(dǎo)體精密陶瓷復(fù)合材料納米材料……16Chapter1Introduction當(dāng)代，材料成為了一個(gè)新的獨(dú)立的科學(xué)門類。這個(gè)新學(xué)科與物理、化學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、冶金、化工等傳統(tǒng)科學(xué)門類水乳交融，但是具有其獨(dú)特的鮮明的個(gè)性。也正是因?yàn)榕c各個(gè)傳統(tǒng)科學(xué)門類水乳交融，材料學(xué)科在不同的場合就被劃分成了材料物理、材料化學(xué)、材料力學(xué)、材料工程學(xué)等4個(gè)主要分支。17Chapter1Introduction

本課程所涉及的內(nèi)容就屬于材料化學(xué)這一分支。而在本課程的緒論中，我們將首先明確幾個(gè)相關(guān)的名詞：材料材料科學(xué)材料化學(xué)181.1 基本概念Chapter1Introduction(1)什么是材料？材料（Materials）是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)（Matter）；具有使其能夠用于機(jī)械、結(jié)構(gòu)、設(shè)備和產(chǎn)品的性質(zhì)的物質(zhì)，是組成生產(chǎn)工具的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料首先是一種物質(zhì)，這種物質(zhì)具有一定的性能（performance）、或功能（function），從而為人們所使用；材料則一般可重復(fù)、持續(xù)使用，除了正常損耗，材料不會(huì)不可逆的轉(zhuǎn)化成別的物質(zhì)。材料不同于化學(xué)試劑（chemicals），它和試劑是有區(qū)別的，試劑在使用過程中通常被消耗掉并轉(zhuǎn)化成別的物質(zhì)。水是材料？冰是材料？191.1 基本概念Chapter1Introduction(2)材料科學(xué)

20世紀(jì)對于材料的發(fā)展歷史來說是一個(gè)值得大書特書的時(shí)期。20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等領(lǐng)域的巨大變化，而這些巨大變化則有力地促進(jìn)了材料的發(fā)展，使得材料在20世紀(jì)中葉發(fā)生了一次“革命性”的飛躍，這個(gè)飛躍的標(biāo)志就是“材料科學(xué)”的形成。

20世紀(jì)中葉的幾項(xiàng)成果：

超音速飛機(jī)(鎳基超級合金)

計(jì)算機(jī)(晶體管、半導(dǎo)體)

航天飛機(jī)(高溫結(jié)構(gòu)陶瓷)20一個(gè)示例：哥倫比亞空難與材料

“哥倫比亞號”是航天飛機(jī)第一次在即將著陸時(shí)發(fā)生的災(zāi)難?？针y發(fā)生后，由美國國家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA）組成了由材料和工藝工程師及科學(xué)家組成的調(diào)查組對飛機(jī)殘骸進(jìn)行了重組、殘骸材料的冶金分析以及模擬試驗(yàn)，分析了航天飛機(jī)爆炸的原因。“哥倫比亞號”航天飛機(jī)的爆炸，震驚了世人，同時(shí)也引起了人們對材料的關(guān)注，材料分析揭開了哥倫比亞空難之謎。Chapter1Introduction21一個(gè)示例：哥倫比亞空難與材料

這張照片是在哥倫比亞號返回地球的11天前拍攝并傳回的，通過哥倫比亞號上隨機(jī)安裝的一架照相機(jī)拍攝。升空時(shí)，從燃料箱腳架處掉下的一塊隔熱泡沫砸到左翼碳／碳復(fù)合材料面板下半部附近造成裂縫。而后高溫?zé)犭x子流穿過此處，使機(jī)翼鋁合金、鐵基合金、鈉基合金結(jié)構(gòu)熔化，導(dǎo)致航天飛機(jī)失控、機(jī)翼破壞和機(jī)體解體。Chapter1Introduction22材料科學(xué)研究的內(nèi)容合成與制備SynthesisandFabrication結(jié)構(gòu)Structures性能Properties效能與功能PerformanceChapter1Introduction23Chapter1Introduction簡而言之，材料科學(xué)就是研究各種材料的成分與結(jié)構(gòu)、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(gè)方面之間相互關(guān)系的科學(xué)。成分與結(jié)構(gòu)、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)是材料科學(xué)的四個(gè)基本要素。材料科學(xué)研究的目的則是在這四個(gè)基本要素方面進(jìn)行不懈地努力，以期使材料的發(fā)展更好地為人類社會(huì)的進(jìn)步服務(wù)。新方法、新結(jié)構(gòu)、新性能、新應(yīng)用是發(fā)展新材料以及材料科學(xué)研究的永恒主題。241.1 基本概念Chapter1Introduction(3)材料化學(xué)材料化學(xué)，顧名思義，應(yīng)該是與材料相關(guān)的化學(xué)學(xué)科的一個(gè)分支，是材料科學(xué)的一個(gè)重要組成部分，在化學(xué)學(xué)科中通常也稱為“固體化學(xué)”。材料化學(xué)介紹的是從化學(xué)角度來進(jìn)行材料科學(xué)研究所需要的基本知識。材料中原子、離子或分子的排列方式、不同組成間的化學(xué)反應(yīng)等材料制備工藝過程中的化學(xué)問題材料的化學(xué)性質(zhì)以及其他各類性質(zhì)中的化學(xué)因素環(huán)境對材料的影響(例如腐蝕)251.1 基本概念Chapter1Introduction(4)化學(xué)與材料的區(qū)別

化學(xué)是關(guān)于物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及物質(zhì)相互轉(zhuǎn)變的一門科學(xué)。很明顯，材料與化學(xué)的對象都是物質(zhì)，材料注重的是物質(zhì)宏觀方面的研究，化學(xué)則是關(guān)注原子－分子水平的相互作用。把這兩者結(jié)合起來，可以從分子的微觀水平到宏觀尺度認(rèn)識結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從而調(diào)節(jié)改良材料的組成、結(jié)構(gòu)和合成技術(shù)及相關(guān)的分析技術(shù)，并發(fā)展出新型的具有優(yōu)異性質(zhì)與性能的先進(jìn)材料。26Chapter1Introduction化學(xué)與材料親密接觸的歷史人類第一個(gè)化學(xué)上的發(fā)現(xiàn)是火，這是公元前50萬年左右的事情。而人類第一次真正有意識地創(chuàng)造發(fā)明的自然界并不存在的“新材料”陶器就是在火的幫助下制造出來的。在燒制陶器的過程中人類又還原出了金屬銅和錫，發(fā)明了煉銅技術(shù)，從而把歷史推進(jìn)了青銅器時(shí)代。27Chapter1Introduction化學(xué)與材料親密接觸的歷史我國的四大發(fā)明中至少有兩項(xiàng)是化學(xué)和材料的結(jié)合體通過蒸煮草木灰把植物中的纖維物質(zhì)提煉出來制成了紙漿；一磺二硝三木炭的組合則生成了火藥。

S+2KNO3+3C=N2↑+3CO2↑+K2S+169千卡28現(xiàn)代的材料科學(xué)就是一種“煉金術(shù)”，它能變魔術(shù)般地以90多種元素為原料，從理論研究、應(yīng)用，到制造成雖然不是金子但是卻有可能比金子更為人類所需、更有價(jià)值、更加珍貴的新物質(zhì)。18世紀(jì)末分析化學(xué)的發(fā)展使得人們第一次認(rèn)識到鋼中存在有碳原子，而且碳原子在決定鋼的性質(zhì)方面起著十分關(guān)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。20世紀(jì)初開始出現(xiàn)的合成材料就是在有機(jī)化學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上誕生的。元素周期表的發(fā)現(xiàn)及其對材料科學(xué)的影響進(jìn)入到近代后，化學(xué)開始有意識地向材料靠攏，并且逐漸地在理解材料的結(jié)構(gòu)和性能方面發(fā)揮著越來越重要的作用。Chapter1Introduction29Chapter1Introduction材料化學(xué)的定義材料化學(xué)是材料和化學(xué)兩者結(jié)合的產(chǎn)物，是關(guān)于材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備和應(yīng)用的化學(xué)，它是從分子水平到宏觀尺度認(rèn)識結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從而調(diào)節(jié)改良材料的組成、結(jié)構(gòu)和合成技術(shù)及相關(guān)的分析技術(shù)，并發(fā)展出新型的具有優(yōu)異性質(zhì)與性能的先進(jìn)材料。301.2

材料的發(fā)展概況材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志幾乎所有的物質(zhì)都可以稱為是材料什么樣的材料值得我們關(guān)注？并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關(guān)注那么下一個(gè)問題就是先來看看材料的發(fā)展歷史……Chapter1Introduction材料的發(fā)展歷史石器—陶器—青銅器—鐵器—高分子材料—復(fù)合材料311.2

材料的發(fā)展概況材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志群居洞穴的猿人通過簡單加工獲得石器以狩獵、護(hù)身和生存。舊石器時(shí)代：這段文化時(shí)期，最早開始于大約750,000年以前的以狩獵和打制石器工具為主。新石器時(shí)代：屬于或同始于大約公元前10,000年中東及后來其它一些地方的文化時(shí)期相關(guān)，以農(nóng)業(yè)發(fā)展和磨制石具的制作為特征。Chapter1Introduction321.2

材料的發(fā)展概況材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志隨著對石器加工制作水平的提高，出現(xiàn)了原始手工業(yè)如制陶和紡織Chapter1Introduction新石器時(shí)期馬家窯式水紋彩陶缽新石器時(shí)期半山式菱形點(diǎn)紋壺→→Pottery新石器時(shí)代(公元前6000年～公元前5000年)，中華民族的先人們用粘土燒制成陶器。33

China瓷器——中國文化的象征最早生產(chǎn)瓷器的國家。東漢時(shí)期發(fā)明了瓷器。于9世紀(jì)傳到非洲東部和阿拉伯國家，13世紀(jì)傳到日本，15世紀(jì)傳到歐洲。瓷器成為中國文化的象征，對世界文明產(chǎn)生了極大的影響。

中國瓷器暢銷全球，名譽(yù)四海。瓷器

Chapter1Introduction34唐三彩鴛鴦壺

一種低溫鉛釉的陶器，采用黃、綠、褐等色釉在器皿構(gòu)成花朵、斑點(diǎn)或不規(guī)則的幾何紋等，色彩斑斕的色釉裝飾。雖稱為三彩，實(shí)際上并不限于三種色彩，往往采用二次燒成法，第一次素?zé)?，溫度約在攝氏一千度左右，燒成坯胎；第二次在素胎上施釉，另行釉燒而溫度八百度。Chapter1Introduction→→China35Chapter1IntroductionChinaChina康熙黃釉蓋罐

乾隆茶葉末六連瓶

361.2

材料的發(fā)展概況材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志青銅時(shí)代大約源于4000~5000年前。青銅是銅錫鋁等元素組成的合金，與純銅相比，青銅熔點(diǎn)低，硬度高，比石器易制作且耐用。青銅器大大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)和手工業(yè)的出現(xiàn)。Chapter1Introduction37我國勞動(dòng)人民創(chuàng)造了燦爛的青銅文化

夏朝(公元前2140年始)以前我國青銅的冶煉就開始。

殷、西周時(shí)期已發(fā)展到很高的水平。制造各種工具、食器、兵器。

●從河南安陽晚商遺址出土的司母戊鼎重8750N,長1.33m、寬0.78m、高1.10m。是迄今世界上最古老的大型青銅器。司母戊鼎兵器Chapter1Introduction38

●從湖北隋縣出土的戰(zhàn)國青銅編鐘共計(jì)六十四枚，分三層懸掛。造型壯觀、音頻準(zhǔn)確。鑄造精美，音律齊全，音域?qū)拸V，音色和美，樂律銘文珍貴。是我國古代文化藝術(shù)高度發(fā)達(dá)的見證。

編鐘Chapter1Introduction39

●世界上最古老的青銅成分的文字記載春秋戰(zhàn)國時(shí)期《周禮·考工記》：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊(劑）；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒燧之齊。我們的祖先已經(jīng)認(rèn)識到了青銅的成分、性能與應(yīng)用之間的密切關(guān)系。Chapter1Introduction401.2

材料的發(fā)展概況材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志（3）鐵器時(shí)代被認(rèn)為是始于2000多年前，由鐵制作的農(nóng)具、手工工具及各種兵器得以廣泛應(yīng)用，大大促進(jìn)了當(dāng)時(shí)社會(huì)的發(fā)展。Chapter1Introduction411.2

材料的發(fā)展概況材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志Chapter1Introduction42早期：純粹憑經(jīng)驗(yàn)工藝。近現(xiàn)代：

基本化學(xué)原理

物質(zhì)微結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良而價(jià)值更高的材料高性能碳鋼和合金鋼鋼制品精煉工藝技術(shù)Chapter1Introduction43

我國鐵器的生產(chǎn)和應(yīng)用

●青秋戰(zhàn)國時(shí)期(公元前770年～公元前221年)開始大量使用鐵器。

從興隆戰(zhàn)國鐵器遺址中發(fā)掘出了澆鑄農(nóng)具用的鐵模。冶鑄技術(shù)已由泥砂造型水平進(jìn)入鐵模鑄造的高級階段。

Chapter1Introduction44

●西漢時(shí)期煉鐵技術(shù)提高采用煤作為煉鐵的燃料，比歐洲早1700多年。在河南鞏縣漢代冶鐵遺址中，發(fā)掘出20多座冶鐵爐和鍛爐。爐型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并有鼓風(fēng)裝置和鑄造坑。生產(chǎn)規(guī)模壯觀。

鐵人黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)Chapter1Introduction45

●我國古代創(chuàng)造了三種煉鋼方法

●從礦石中直接煉出自然鋼。用這種鋼做的劍在東方各國享有盛譽(yù)，東漢時(shí)傳入了歐洲；

●西漢時(shí)期的經(jīng)過“百次”冶煉鍛打的百煉鋼；

●南北朝時(shí)期生產(chǎn)的灌鋼。先煉鐵后煉鋼的兩步煉鋼技術(shù)我國要比其它國家早1600多年。Chapter1Introduction46●鋼的熱處理技術(shù)達(dá)到相當(dāng)高的水平

●西漢《史記·天官書》：淬火工藝要點(diǎn)

“水與火合為淬”鋼鐵生產(chǎn)工具的發(fā)展，對社會(huì)進(jìn)步起了巨大的推動(dòng)作用。

●《漢書·王褒傳》：制劍技術(shù)

“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒”

●明代科學(xué)家宋應(yīng)星《天工開物》:

論述鋼鐵的退火、淬火、滲碳工藝。Chapter1Introduction471.2

材料的發(fā)展概況材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志鋼鐵、水泥等材料的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，人類社會(huì)開始從農(nóng)業(yè)和手工業(yè)社會(huì)進(jìn)入了工業(yè)社會(huì)。上世紀(jì)半導(dǎo)體硅、高集成芯片的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，則把人類由工業(yè)社會(huì)推向信息和知識經(jīng)濟(jì)社會(huì)。Chapter1Introduction化學(xué)的發(fā)展往往導(dǎo)致材料技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在新材料的研發(fā)和材料工藝的發(fā)展中，化學(xué)一直擔(dān)當(dāng)著關(guān)鍵的角色。合成高分子（二十世紀(jì)初）納米材料（二十世紀(jì)80年代）48

新材料新工藝迅速發(fā)展

在當(dāng)代，科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)飛躍發(fā)展。材料、能源與信息作為現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，發(fā)展格外迅猛。

●高分子材料迅速發(fā)展從20世紀(jì)60年代到70年代，高分子材料每年以14％的速度增長。到70年代中期，全世界的高分子材料和鋼的體積產(chǎn)量已經(jīng)相等；

滌綸安全帶尼龍齒輪

高分子材料用作結(jié)構(gòu)材料代替鋼鐵外，目前正在研究和開發(fā)具有良好導(dǎo)電性能和耐高溫的高分子材料。1.2

材料的發(fā)展概況材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志Chapter1Introduction49

●陶瓷材料引人注目

陶瓷材料已用于制造機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)。陶瓷具有許多特殊性能作為重要的功能材料(例如可作光導(dǎo)纖維、激光晶體等)。陶瓷脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。耐磨陶瓷絕緣陶瓷Chapter1Introduction50

●復(fù)合材料前途廣闊

技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展對材料性能提出越來越高的要求。單一材料不能滿足某些使用要求。復(fù)合材料越來越得到人們的重視。

玻璃纖維樹脂復(fù)合材料碳纖維樹脂復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中用于制造衛(wèi)星殼體、飛機(jī)機(jī)身、螺旋槳等；玻璃鋼賽車殼體在交通運(yùn)輸工業(yè)中制造汽車車身、輕型船艇等；在石油化工工業(yè)中制造耐酸、耐堿、耐油容器、管道等。玻璃鋼儲(chǔ)液罐Chapter1Introduction51●功能材料發(fā)展很快（新設(shè)有功能材料本科專業(yè)）

超導(dǎo)材料、磁性材料、形狀記憶材料、信息材料等各種功能材料有很大的發(fā)展。

光纜磁浮列車（時(shí)速430公里）Chapter1Introduction52

我國在新材料新工藝的研究和應(yīng)用方面取得重大成果

●研制成功性能優(yōu)越、用途廣泛的新型結(jié)構(gòu)鋼—貝氏體鋼；

●研制出零電阻溫度為128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超導(dǎo)體(鉈系超導(dǎo)體)；

鎂鋁合金葉輪鎂鋁合金手機(jī)殼

●鎂鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用研究取得重大成果。Chapter1Introduction53●材料快速成型技術(shù)和材料表面處理技術(shù)在我國得到迅速發(fā)展?！窦す獗砻娲慊?、激光熔涂技術(shù)已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、凸輪軸、紡織用錠桿等零件的表面強(qiáng)化上得到應(yīng)用。

分層實(shí)體快速成形減速機(jī)箱體原型熔融沉積快速成形葉輪原型

●化學(xué)氣相沉積技術(shù)制造高硬度、高耐磨性的金黃色TiN薄膜,用于耐磨零件和裝飾件的表面處理。Chapter1Introduction54

●我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。

汽車材料需求迅速增加。除金屬材料外，高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料在汽車中得到重要應(yīng)用。新型轎車電動(dòng)汽車Chapter1Introduction55

●航空、航天事業(yè)迅速崛起，帶動(dòng)航空、航天材料的發(fā)展。

1966年我國成功發(fā)射人造衛(wèi)星。

人造衛(wèi)星

1999年我國載人航天工程試驗(yàn)飛船“神舟”一號飛行成功。

2003年中國第一艘載人飛船“神舟”五號飛行成功。

2005年中國第二艘載人飛船“神舟”六號飛行成功。2011年中國第一個(gè)目標(biāo)飛行器和空間實(shí)驗(yàn)室“天宮”一號成功發(fā)射。

2011年11月3日實(shí)現(xiàn)與神舟八號飛船的對接任務(wù)。2012年6月18日與神舟九號對接成功。神舟十號飛船也在2013年6月13日與天宮一號完成自動(dòng)交會(huì)對接。神舟”五號飛行成功

Chapter1Introduction模擬圖：神州八號與天宮一號（左）對接

56

研制成功超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)，2003年8月30日首飛成功。研制成功殲7E、殲10戰(zhàn)斗機(jī)等。加強(qiáng)了國防力量。超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)殲7E戰(zhàn)斗機(jī)

Chapter1Introduction殲10戰(zhàn)斗機(jī)2003，成飛1990，沈飛1998，成飛，三代機(jī)第四代隱形戰(zhàn)機(jī)殲-202011，成飛第二款隱形戰(zhàn)機(jī)殲-312011，沈飛殲-15S艦載機(jī)2012，沈飛

空警3000預(yù)警機(jī)2013，第二代，西飛空警2000預(yù)警機(jī)2003，第一代，西飛

57●研制潛艇、導(dǎo)彈核潛艇，航母，加強(qiáng)海軍力量。導(dǎo)彈核潛艇

1983年8月加入海軍服役。裝有12枚兩級彈道導(dǎo)彈。

常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇導(dǎo)彈核潛艇Chapter1Introduction常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇

1999年5月首艇交付海軍使用。裝有潛艦導(dǎo)彈，是我國海軍裝備的最新一代國產(chǎn)常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇。2012年9月25日，中國第一艘航母“遼寧號”，交付予中國人民解放軍海軍58新型碳材料的研究方面取得許多新的成果，利用碳納米管作為襯底,制備出均勻、致密的金剛石薄膜，并用碳納米管作為晶須增強(qiáng)復(fù)合材料，制作納米復(fù)合材料?！裉技{米管的研究取得新成果碳納米管碳納米管的結(jié)構(gòu)Chapter1Introduction591.3

材料的重要性（1）水環(huán)境治理——膜材料科學(xué)技術(shù)；（2）服侍、鞋襪；（3）眼鏡；（4）建筑材料；（5）飛機(jī)、航天工業(yè)等。Chapter1Introduction601.3

材料的重要性一個(gè)示例：隱形飛機(jī)與材料

所謂隱形是指不易被雷達(dá)或紅外線、可見光、聲探測等傳感器發(fā)現(xiàn)。隱形飛機(jī)之所以能夠隱形，主要是綜合采用了隱身外形技術(shù)、隱身材料技術(shù)、紅外線抑制和干擾技術(shù)、聲波隱身技術(shù)以及微電子技術(shù)等，具有降低其在雷達(dá)屏幕上的特征、壓制噪聲、減弱飛機(jī)紅外圖像特征、抑制無線電信號傳輸?shù)刃阅?。Chapter1Introduction611.3

材料的重要性一個(gè)示例：隱形飛機(jī)與材料

隱形武器由于其科技含量高，對材料要求苛刻，研制費(fèi)用異常高。美國的F-117A隱形飛機(jī)單價(jià)為1.1億美元，B-2隱形轟炸機(jī)單價(jià)更高達(dá)5.3億美元，比與機(jī)體等重量的黃金價(jià)值還要高。目前，美國以4000億美元的天價(jià)，已研制出了一種集“隱形、敏捷、高速”為一體的F-35新型隱形戰(zhàn)機(jī)。另外還包括F-22等隱形重型戰(zhàn)機(jī)。Chapter1Introduction621.3

材料的重要性一個(gè)示例：隱形飛機(jī)與材料

F-117A戰(zhàn)斗機(jī)周身幾乎全由直線構(gòu)成，機(jī)體表面使用了6種不同的雷達(dá)吸波涂層材料，大大降低了雷達(dá)探測度。經(jīng)科學(xué)家測試，雷達(dá)在距離F-117A飛機(jī)600米時(shí)，就已完全接收不到它發(fā)出的信號。Chapter1Introduction63Chapter1IntroductionMetallicMaterialsInorganicMaterialsPolymersComposites按組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1.4材料的分類

ClassificationofMaterials鋼鐵材料、非鐵材料、合金陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷天然的（絲綢）、合成的（塑料、橡膠、纖維、黏合劑、涂料等）復(fù)合材料由前三者相互構(gòu)成的64StructuralMaterials——主要利用材料的力學(xué)性能：支撐件、連接件、傳動(dòng)件、緊固件等，關(guān)注其強(qiáng)度、韌性、抗疲勞等力學(xué)性質(zhì)。FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化學(xué)性能：磁性材料、電子材料、信息記錄材料、光學(xué)材料、敏感材料、能源材料、生物醫(yī)學(xué)材料等，考慮材料的光、電、磁等性能。按使用性能分類按用途分類導(dǎo)電材料、絕緣材料、生物醫(yī)用材料、航空航天材料、能源材料、電子信息材料、感光材料等等Chapter1Introduction65按按組成和結(jié)合鍵分類Chapter1Introduction66按尺度分類Chapter1Introduction

三維材料▲塊體材料二維材料▲薄膜、涂層等(金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜、耐磨涂層)

一維材料▲纖維、晶須等(光導(dǎo)纖維、高強(qiáng)纖維)

零維材料▲粉體67按內(nèi)部原子排列情況分類Chapter1Introduction

晶態(tài)材料非晶態(tài)材料液態(tài)材料氣態(tài)材料（不存在）68金屬材料（MetallicMaterials）金屬材料通常由一種或多種金屬元素組成，其特征是存在大量的離域電子，也就是說，這些電子并不鍵合在特定原子上。通常具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、拋光表面的反光性、金屬光澤、延展性、塑性等。鋼材：在建筑、橋梁、設(shè)備等廣泛用作結(jié)構(gòu)材料。銅材：常常作為導(dǎo)電材料使用。新型金屬材料：如超塑性合金、形狀記憶合金、儲(chǔ)氫合金等。Chapter1Introduction69ExamplesChapter1Introduction70

金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。

最簡單的金屬材料是純金屬。工程應(yīng)用的金屬材料，原子間的結(jié)合鍵基本上為金屬鍵，通常為金屬晶體材料。

（1）黑色金屬鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)；

（2）有色金屬黑色金屬以外的所有金屬及其合金。Chapter1Introduction71無機(jī)非金屬材料（InorganicMaterials）無機(jī)化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。單質(zhì)材料：單晶硅、金剛石、石墨等。以陶瓷為主?？捎米鹘Y(jié)構(gòu)材料、光學(xué)材料、電子材料等。半導(dǎo)體材料：單晶硅、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等。用于制造集成電路、固態(tài)激光器、發(fā)光二極管、晶體管等。Chapter1Introduction72ArchitecturematerialsChapter1Introduction73

陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素形成的化合物。非金屬元素原子同金屬原子化合時(shí)形成很強(qiáng)的離子鍵，也存在有一定成分的共價(jià)鍵。

陶瓷材料屬于無機(jī)非金屬材料，主要為硅酸鹽材料、金屬氧化物、金屬非氧化合物。陶瓷的硬度很高，但脆性很大。莫來石復(fù)相陶瓷74高分子材料（Polymers）Chapter1Introduction高分子材料為有機(jī)合成材料，亦稱聚合物。高分子是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機(jī)化合物。由大量相對分子質(zhì)量特別大的大分子化合物組成。大分子內(nèi)的原子之間由很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，大分子與大分子之間的結(jié)合力為較弱的范特瓦爾斯力（范德華力）。

75高分子材料（Polymers）天然高分子材料：木材、天然橡膠、棉花、動(dòng)物皮毛等。合成高分子材料：塑料、合成橡膠和合成纖維。功能高分子材料：工程塑料、導(dǎo)電高分子、高分子半導(dǎo)體、光導(dǎo)電高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物醫(yī)用高分子材料、反應(yīng)性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、高分子催化劑及高分子試劑等。Chapter1Introduction

高分子材料耐蝕性、絕緣性好，密度小，加工成型性好，強(qiáng)度不高、硬度較低，耐熱性較差。在工程上是發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。76(3)ShoesChapter1Introduction77復(fù)合材料（Composites）復(fù)合材料：由兩種或多種不同材料組合而成的材料。既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所無法獲得的或更優(yōu)異的特性。金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料相互之間或同種材料之間均可復(fù)合形成復(fù)合材料。自然界的復(fù)合材料：例如樹木和竹子為纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；動(dòng)物骨骼則是由無機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。古老的復(fù)合材料：稻草增強(qiáng)粘土以及漆器（麻纖維和土漆復(fù)合而成）。傳統(tǒng)的復(fù)合材料：鋼筋混凝土，玻璃鋼。Chapter1Introduction鈦基復(fù)合材料78(6)Spaceflightmaterials首架復(fù)合材料飛機(jī)Chapter1Introduction79航空材料的主要要求是耐高溫、高比強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低