精品材料化學課件第1章 緒論1

第1章緒論課程名稱：材料化學專業(yè)班級：應化10-1授課教師：宿輝本章教學要點知識要點掌握程度相關知識材料的分類掌握材料的分類方法，了解金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料材料化學的特點、應用及作用掌握材料化學的特點，了解材料化學在各領域的應用及作用跨學科性、實踐性、生物醫(yī)藥領域、電子信息領域、環(huán)境和能源等領域

材料是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質基礎，是人類社會現(xiàn)代文明的重要支柱?？v觀人類利用材料的歷史可以清楚地看到，每一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)和應用，都把人類支配自然的能力提高到一個新的水平。材料科學技術的每一次重大突破，都會引起生產技術的革命，大大加速社會發(fā)展的進程，并給社會生產和人們生活帶來巨大的變化。因此，材料也成為人類歷史發(fā)展過程的重要標志。

在遙遠的古代，人類的祖先以石器為主要工具，開創(chuàng)了冶金技術，公元前5000年進入青銅器時代，公元前1900年進入鐵器時代，煉鋼工業(yè)的迅速發(fā)展，成為產業(yè)革命的重要內容。20世紀末，人們把材料、信息和能源作為現(xiàn)代社會進步的三大支柱，而材料又是發(fā)展能源和信息技術的物質基礎。從近代科技史來看，新材料的使用對社會經濟和科技的發(fā)展起著巨大的推動作用。

例如，鋼鐵材料的出現(xiàn)，孕育了產業(yè)革命；高純半導體材料的制造，促進了現(xiàn)代信息技術的建立和發(fā)展；先進復合材料和新型超合金材料的開發(fā)，為空間技術的發(fā)展奠定了物質基礎；新型超導材料的研制，大大推動了無損耗發(fā)電、磁流發(fā)電及受控熱核反應堆等現(xiàn)代能源的發(fā)展；納米材料的發(fā)展和利用，促進了多學科的發(fā)展，并將人類帶入了一個奇跡層出不窮的時代。材料的品種繁多，迄今已達幾十萬種，每年還以5%左右的速度繼續(xù)增長。

化學是材料科學發(fā)展的基礎科學，材料化學是一門以現(xiàn)代材料為主要對象，研究材料的化學組成、結構與性能關系、合成制備方法、性能表征及其與環(huán)境協(xié)調等問題的科學。在材料科學的發(fā)展中起著無可替代的重要作用。1.1材料的分類

材料的分類方法有多種，按其組成和結構特點，可分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料四大類按其使用性能可分為結構材料與功能材料，結構材料的使用性能主要是強度、韌性、抗疲勞等力學性能，可用作產品、設備、工程等的結構部件；功能材料的使用性能主要是光、電、磁、熱、聲等功能性能，用于制作具有特定功能的產品、設備、器件等。根據材料的用途不同，可分為建筑材料、信息材料、能源材料、航空航天材料等。本章將按照第一種分類對四類材料分別加以介紹。1.金屬材料

金屬材料(metallicmaterials)是以金屬元素為基礎的材料，分為黑色金屬材料和有色金屬材料。黑色金屬材料通常包括鐵、錳、鉻以及它們的合金；除黑色金屬以外其他各種金屬及其合金都稱為有色金屬如，鋁合金、鈦合金、銅合金、鎳合金等。黑色金屬是目前用量最大、使用最廣的材料。在農業(yè)機械、化工設備、電力機械、紡織機械中，黑色金屬材料約占90%，有色金屬約占5%。根據物理性質的不同，金屬又可分為輕金屬、重金屬、高熔點金屬、稀有金屬等。

純金屬的強度較低，很少直接應用，金屬材料絕大多數(shù)是以合金的形式出現(xiàn)。

合金是由一種金屬與一種或幾種其它金屬、非金屬熔合在一起生成的具有金屬特性的物質，如由銅和錫組成的青銅，鋁、銅和鎂組成的硬鋁等都是合金。金屬材料一般具有優(yōu)良的力學性能、可加工性及優(yōu)異的物理特性。金屬材料的性質主要取決于其成分、顯微組織和制造工藝，人們可以通過調整和控制成分、組織結構和工藝，制造出具有不同性能的金屬材料。2.非金屬材料

無機非金屬材料(inorganicnon-metallicmaterials)又稱陶瓷材料，指由各種金屬元素與非金屬元素形成的無機化合物和非金屬單質材料。其有悠久的歷史，近幾十年來，得到飛速發(fā)展，主要包括傳統(tǒng)無機非金屬材料(又稱傳統(tǒng)陶瓷)和新型無機非金屬材料

(又稱精細陶瓷材料)。前者指以硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，主要是燒結體，如玻璃、水泥、耐火材料、建筑材料和搪瓷等；

后者的成分有氧化物、氮化物、碳化物、硅化物等，可以是燒結體，還可以做成單晶、纖維、薄膜和粉末，具有強度高、耐高溫、耐腐蝕，并有聲、電、光、熱、磁等多方面的特殊功能，是新一代的特種陶瓷，可制備半導體、光纖、電子陶瓷、敏感元件、磁性材料、超導材料等功能材料，用途極為廣泛，遍及現(xiàn)代科技的各個領域。例如航天飛機在進入太空和返回大氣層時，要經受劇烈的溫度變化，在幾分鐘內溫度由室溫改變到1260℃，用陶瓷作為熱絕緣材料，可以保護機體不受損傷。3.高分子材料

高分子材料(polymermaterials)一般是由碳、氫、氧、氮、硅、硫等元素組成的相對分子質量足夠高的有機化合物。常用高分子材料的相對分子質量在幾千到幾百萬之間，一般為長鏈結構，以碳鏈居多。高分子化合物具有較高較高的強度、優(yōu)良的塑性、耐腐蝕、不導電等，其發(fā)展速度快，已超過了銅鐵、水泥和木材等傳統(tǒng)材料。

高分子材料包括天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子直接來自動、植物體內，如木材、天然橡膠、棉花、動物皮毛等；合成高分子則分成塑料、橡膠和合成纖維三大類。涂料和膠黏劑也屬于高分子材料。高分子材料正朝著高性能化、功能化的方向發(fā)展，從而衍生出各種各樣具有特殊性能或功能的材料，如工程塑料、導電高分子、高分子半導體、光導電高分子、磁性高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物醫(yī)用高分子材料、離子交換樹脂等。對高分子材料進行改性研究，是高分子科學和材料領域的一個重要方向。合成高分子化合物的品種最多、應用也最廣。4.復合材料

復合材料(composites)由兩種或兩種以上的不同材料組合而成的一種多相固體材料。通常一種材料為連續(xù)相，作為基體，其他材料為分散相，作為增強體。各種材料在性能上互相取長補短，產生協(xié)同效應，使復合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更優(yōu)異的特性。金屬材料、無機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合形成復合材料，一般按照基體材料的種類分為聚合物基復合材料、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料。也可按其結構特點分為纖維復合材料、夾層復合材料、細粒復合材料和混雜復合材料?！?/p>

復合材料在自然界中普遍存在，例如樹木和竹子為纖維素和木質素的復合體；動物骨鉻為無機磷酸鹽和蛋白質膠原的復合體。復合材料使用的歷史可以追溯到古代，例如稻草增強黏土以及漆器(麻纖維和土漆復合而成)。而建筑上廣泛使用的鋼筋混凝土也有上百年歷史。復合材料這一名詞源于20世紀40年代發(fā)展起來的玻璃纖維增強塑料(即玻璃鋼)。現(xiàn)在，復合材料以廣泛應用在航空航天領域、汽車工業(yè)、化工、紡織和機械制造領域、醫(yī)學領域和建筑工程領域等。1.2材料化學的特點

1.跨學科性材料化學是多學科交叉的產物?；瘜W工作者利用化學理論從分子水平構筑材料，自主調節(jié)材料的功能，利用化學反應合成各種材料，使化學與材料科學的界限越來越模糊，形成材料化學這一新學科。材料化學既是化學學科的一個分支，又是材料科學的重要組成部分。材料化學的內容涉及化學的所有次級學科，如無機化學、有機化學、物理化學、分析化學等，是這些學科在材料研究中的具體運用。

材料化學天生是跨學科的。材料化學與其他學科的結合，在20世紀獲得了各式各樣的合成材料。新材料的發(fā)展，往往源于其它科學技術領域的需求，這促進了材料化學與物理學、生物學、藥物學等眾多學科緊密相連。材料合成與加工技術的發(fā)展不斷地對諸如生物技術、信息技術、納米技術等新興技術領域產生巨大影響。通過分子設計和特定的工藝，可以使材料具備各種特殊性質或功能，如高強度、特殊的光性能和電性能等，這些材料在現(xiàn)代技術中起著關鍵作用。例如，高速計算機芯片和固態(tài)激光器是一種復雜的三維復合材料，是通過運用各種合成手段、以納微米尺度把不同性能的材料組合起來而得到的。隨著材料的不斷發(fā)展，對化學分辨率的要求將越來越高，人們必須在納米尺度下對材料進行化學合成、加工和操控。這對于新材料以及現(xiàn)有材料，都提出了更精準的制備要求，同時還要考慮成本的控制和對環(huán)境的影響。特別是對于納米技術領域，需要發(fā)展出一些新的合成技術，例如氣相、液相和固相催化反應。此外，新型自組裝方法的出現(xiàn)使由分子組元自下而上(botlomup)合成納米結構或其他特殊結構的材料成為可能。

2.實踐性材料化學是理論與實踐相結合的產物，這有別于固體化學。需要通過實驗室的研究工作深入了解材料的性能，從而指導材料的發(fā)展和合理使用；通過不斷改進工藝提高材料的性能、質量，并降低成本，以及材料變?yōu)槠骷虍a品要解決一系列工程技術問題，都需要理論和實踐的結合，一方面理論指導實踐，另一方面實踐又促進理論進一步發(fā)展。1.3材料化學在領域的應用材料化學已滲透到現(xiàn)代科學技術的眾多領域，如電子信息、生物醫(yī)藥、環(huán)境能源，這些領域發(fā)展與其密切相關。1.生物醫(yī)藥領域

材料化學和醫(yī)藥學的合作已取得了巨大的進步。材料可植入人體作為器官或組織的修補或替代品，但材料進入體內，有可能涉及生物過程和反應，引起不良反應。為此，必須從結構和組成上對材料進行改性，使其具備良好的生物相容性。通過材料化學與生物學的研究，開發(fā)出特殊用途的金屬合金和聚合物涂層，以保護人體組織不與人工骨頭置換體或其他植入物相排斥?，F(xiàn)在，己經有很多生物醫(yī)用材料可以植入人體內并保持多年無不良影響。

此外，材料化學對于生物應用中的分離技術也產生了顯著影響，如人造腎臟、血液氧合器、靜脈過濾器以及診斷化驗等。生物相容高分子材料已在藥物、蛋白質及基因的控制釋放方面獲得應用。目前人們正進行大量的研究，以開發(fā)用于醫(yī)學診斷的新材料。將來，材料化學的研究可能會涉及原位藥物生成、類細胞系統(tǒng)等。得益于材料化學最新進展的新型傳感器將會給人類健康帶來極大的幫助。2.電子信息領域

先進的計算機、信息和通信技術離不開材料和成型工藝的支撐，而化學在其中起了巨大的作用?，F(xiàn)代芯片制造設施通過化學過程，如光致抗蝕、化學氣相沉積、等離子體刻蝕等，使簡單的分子物質轉化成具有特定電子功能的復雜三維復合材料。電子及光學有機材料的相互滲透，通過光子晶格對光進行模擬操控是末來發(fā)展的方向。同時材料化學還促進光子電路和光計算等新領域的發(fā)展。3.環(huán)境和能源領域

隨著世界人口的持續(xù)增長和生活水平的提高，發(fā)展中國家對環(huán)境保護的重視不斷增加。為了減少對現(xiàn)有資源的使用，必須開發(fā)新技術，發(fā)展低消耗的清潔能源。在發(fā)展光伏電池、太陽能電池、燃料電池的過程中，材料化學起了關鍵的作用。日常生活中，塑料包裝或容器被廣泛使用，其大量棄置對環(huán)境造成嚴重破壞。

隨著對環(huán)境的關注，開發(fā)可回收和可生物降解材料，將成為材料化學的一個重要任務。

食品包裝材料要求安全無毒，利用材料化學技術，可以開發(fā)新的包裝材料，例如添加感應材料以顯示食物質量或儲存條件，這將為食品安全提供有效的保障。4.結構材料領域

結構材料是材料化學涉及最多的領域。材料合成與加工技術的發(fā)展使現(xiàn)代汽車和飛機更加安全、輕便和節(jié)油?；诓牧匣瘜W所發(fā)展出來的特種涂料，具有防腐、保護、美化等功能，可在結構材料上使用。材料設計制造過程中，需要把材料的化學成分結構與合適的工藝條件有機地結合起來。通過材料化學與相關學科的協(xié)同努力，未來會制備出集感覺、反饋、自愈功能于一體的智能化結構材料。1.4材料化學的作用

材料的功能和用途取決于物體的狀態(tài)和結構，但其原始基礎在于構成物體的功能分子的種類及其結構。材料化學在研究開發(fā)新材料中，采用化學理論和方法來研究功能分子以及由功能分子所組成材料的結構與功能，使人們能夠自主的設計新型材料。20世紀材料化學所取得的巨大進展，可以證明化學是新型材料的源泉，也是材料科學發(fā)展的推動力。從硝酸纖維到尼龍、滌綸，再到現(xiàn)在的各種各樣的合成纖維，從硅、鍺到砷化嫁、磷化銅……每一個進步都有相同的過程：針對已有的問題進行改進，總結已知材料的結構，設計新的結構，研究新的化學反應，經過不同原料的選擇，找出可行的工藝。在21世紀，人類對各種特殊功能的先進材料的需求會越來越大，盡管利用的是材料的物理性質，但這些物理性質都是由材料的化學組成和結構決定的，所以，材料化學在指導新材料的研