材料化學(xué)緒論

材料化學(xué)Chapter1IntroductionMaterialsChemistry1Chapter1IntroductionChapter1

Introduction

緒論21.1 材料與化學(xué)1.2 材料的分類(lèi)1.3 材料化學(xué)的在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用1.4 材料化學(xué)的主要內(nèi)容1.5本課程基本結(jié)構(gòu)Chapter1Introduction本章內(nèi)容3Materials：Substanceshavingpropertieswhichmakethemusefulinmachinery,structures,devicesandproducts.Chapter1Introduction1.1材料與化學(xué)

MaterialsandChemistry——connectedwithfunctionand,throughthatfunction,utilities.4Distinguishbetween

ChemicalsandMaterialsChemicals：theutilityliesprimarilyintheirconsumption.Materials:canbeusedrepeatedlyorcontinuouslyforanapplicationthatdoesnotirreversiblyconvertthemtosomethingelse.化學(xué)物質(zhì)與材料Chapter1Introduction5Developmentofmaterials材料材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類(lèi)文明的標(biāo)志。

材料的品種、質(zhì)量和產(chǎn)量，是直接衡量一個(gè)國(guó)家的科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。Chapter1Introduction6①陶器制作：粘土及其它添加物，加熱燒結(jié)成較硬實(shí)體；人類(lèi)社會(huì)結(jié)構(gòu)﹑生活形態(tài)的改變。②青銅器：金屬產(chǎn)物的工具﹑武器﹑農(nóng)具﹑禮器﹑祭器等取代泥制陶器；③金屬使用：常溫的剛強(qiáng)度，紅熱時(shí)可鍛煉成形性，熔融后的鑄造性。早期：三個(gè)時(shí)代Chapter1Introduction7丹麥考古學(xué)家ChristianJürgensenThomsen于1836年提出的三時(shí)代系統(tǒng)（Three-ageSystem）FigureofmaterialsdevelopmentChapter1Introduction8StoneAgeStoneageChapter1Introduction9距今約250萬(wàn)年－約1萬(wàn)年前猿人和直立人階段始?xì)W洲100萬(wàn)年前能人古董？MaterialsWoodStoneBonePotterythePaleolithicPeriodtheNeolithicAgeDistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAge

DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAgeChapter1Introduction10Pottery→→Pottery新石器時(shí)期半山式菱形點(diǎn)紋壺新石器時(shí)期馬家窯式水紋彩陶缽Chapter1Introduction11前1.8萬(wàn)年-5(2)000年新石器時(shí)代3大特征：1、開(kāi)始制造和使用磨制石器；新石器時(shí)代彩陶罐2、發(fā)明了陶器；3、出現(xiàn)了原始農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和手工業(yè)。ChinaChina康熙黃釉蓋罐

乾隆茶葉末六連瓶

Chapter1Introduction12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(chēng)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。Chapter1Introduction13→→Glass現(xiàn)代的水晶玻璃WarringStatesGlassEyeBeadsGlassChapter1Introduction14BronzeAgeChapter1Introduction15你知道有幾種銅？公元前4000年含錫量1/6——韌性好——制造鐘鼎含錫量2/5——硬度高——制造刀斧CuSnPbZn第一個(gè)合金材料：銅錫合金（青銅）

結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系A(chǔ)lloyChapter1Introduction16銅黃銅白銅青銅中國(guó)古銅鏡CoppermirrorsChapter1Introduction17海獸葡萄古銅鏡唐打馬球鏡戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘

Chapter1Introduction18(約公元前433年,1978年出土)IronAgeIronAgeChapter1Introduction19西周晚期(始，軍)春秋時(shí)期(民)戰(zhàn)國(guó)時(shí)秦漢(完全)Equations

煉鐵過(guò)程的化學(xué)Chapter1Introduction20推動(dòng)了人類(lèi)文明的發(fā)展！鑄鐵鍛鐵鋼鐵依含碳量和雜質(zhì)多少鐵和碳的合金Alloysofiron&carbonChapter1Introduction21Chapter1Introduction22歐冶子鑄劍鼻祖龍泉寶劍創(chuàng)始人(約公元前514年)七星龍淵劍伍子胥誠(chéng)信高潔之劍第一把鐵劍--龍淵干將莫邪箭摯情之劍干將莫邪早期：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)Chapter1Introduction23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。無(wú)機(jī)化學(xué)（化學(xué)最古老的分支）有機(jī)化學(xué)物理化學(xué)分析化學(xué)高分子化學(xué)（二十世紀(jì)初）Chapter1Introduction24五個(gè)二級(jí)學(xué)科化學(xué)是在分子、原子層次上研究物質(zhì)性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律；創(chuàng)造新物質(zhì)的學(xué)科。MaterialsScience&Chemistry MaterialsScience+Chemistry

Atomic-molecularlevelinteractionMaterialsChemistry:Chemistryrelatedtostructure,properties,preparationandapplicationsofmaterials.

MacroscopicperspectiveChapter1Introduction25材料科學(xué)是研究材料的組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和使用效能以及它們之間的相互關(guān)系，集物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)等于一體的科學(xué)。Chapter1Introduction26材料結(jié)構(gòu)與性能材料物理材料化學(xué)無(wú)機(jī)材料功能材料材料科學(xué)材料制備與加工材料分析金屬材料高分子材料復(fù)合材料電子材料能源材料涂料……固體物理無(wú)機(jī)化學(xué)治金學(xué)高分子陶瓷學(xué)…材料化學(xué)也是化學(xué)學(xué)科的一個(gè)次級(jí)學(xué)科。材料化學(xué)的特點(diǎn)

CharacteristicsofMaterialsChemistry跨學(xué)科性：既化學(xué)學(xué)科的一個(gè)次級(jí)學(xué)科，又材料科學(xué)的一個(gè)分支。新材料的發(fā)展，往往源于其它科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的需求，這導(dǎo)致材料化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)等眾多學(xué)科緊密相連。材料合成與加工技術(shù)的發(fā)展不斷地對(duì)諸如生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)等新興技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。通過(guò)分子設(shè)計(jì)和特定的工藝，可以使材料具備各種特殊性質(zhì)或功能，如高強(qiáng)度、特殊的光性能和電性能等，這些材料在現(xiàn)代技術(shù)中起著關(guān)鍵作用。Chapter1Introduction27材料化學(xué)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，這是它與固體化學(xué)的主要區(qū)別所在。材料通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的研究工作而得到深入的了解，從而指導(dǎo)材料的發(fā)展和合理使用。高性能、高質(zhì)量及低成本的材料只有通過(guò)工藝的不斷改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)。材料變?yōu)槠骷虍a(chǎn)品要解決一系列工程技術(shù)問(wèn)題，這都需要理論和實(shí)踐的結(jié)合，一方面用理論指導(dǎo)實(shí)踐，另一方面通過(guò)大量實(shí)踐使理論得到進(jìn)一步發(fā)展。Chapter1Introduction28實(shí)踐性：Chapter1IntroductionMetallicMaterialsInorganicMaterialsPolymersComposites按組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分1.2材料的分類(lèi)

ClassificationofMaterials29StructuralMaterials——主要利用材料的力學(xué)性能FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化學(xué)性能按使用性能分按用途分Classificationofmaterials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Chapter1Introduction30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(shuō)，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。Chapter1Introduction31ExamplesChapter1Introduction32無(wú)機(jī)非金屬材料（InorganicMaterials）無(wú)機(jī)材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料。品種和名目極其繁多,沒(méi)有統(tǒng)一分類(lèi)法。無(wú)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。耐壓強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗腐蝕。但與金屬材料相比，它抗斷強(qiáng)度低、缺少延展性，屬于脆性材料。與高分子材料相比，密度較大，制造工藝較復(fù)雜。用途各異,水泥在膠凝性能上，玻璃在光學(xué)性能上，陶瓷在耐蝕、介電性能上，耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優(yōu)異的特性。Chapter1Introduction33ArchitecturematerialsChapter1Introduction34高分子材料（Polymers）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。分子量大，分子量具有多分散性。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。高分子材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和易改性、易加工特點(diǎn)。所有的生命體都可以看作是高分子的集合。在結(jié)構(gòu)與功能材料方面有廣泛應(yīng)用。功能高分子材料有工程塑料、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(shù)脂、高分子分離膜、高分子催化劑及高分子試劑等。Chapter1Introduction35(3)ShoesChapter1Introduction36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(wú)法獲得的或更優(yōu)異的特性。金屬材料、無(wú)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(shù)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(wú)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。Chapter1Introduction37(6)Spaceflightmaterials首架復(fù)合材料飛機(jī)Chapter1Introduction38航空材料的主要要求是耐高溫、高比強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命和低成本。

多功能化、復(fù)合化、精細(xì)化、智能化Chapter1Introduction39Examples波音公司開(kāi)發(fā)之機(jī)體與復(fù)合材料

JChapter1Introduction40生物相容性材料：例如設(shè)計(jì)特殊的金屬合金和聚合物涂層，以保護(hù)人體組織不與人工骨頭置換體或其他植入物相排斥;人造腎臟、血液氧合器、靜脈過(guò)濾器以及診斷化驗(yàn)等;藥物、蛋白質(zhì)及基因的控制釋放。Chapter1Introduction1.3材料化學(xué)的在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用41生物醫(yī)藥領(lǐng)域芯片制造：光致抗蝕劑、化學(xué)氣相沉積法、等離子體刻蝕;信息存儲(chǔ)材料;光電