材料化学基础知识课件.pptx

1、材料化学基础知识21.11.1基本概念基本概念1.21.2材料的发展概况材料的发展概况1.3 1.3 材料的重要性材料的重要性1.4 1.4 材料的分类材料的分类1.51.5材料化学的特点材料化学的特点1.61.6材料化学的在各个领域的应用材料化学的在各个领域的应用1.71.7材料化学的主要内容材料化学的主要内容Chapter1 Introduction材料与化学3Chapter1 Introduction“材料是人类文明的物质基础” 材料、能源、信息为当代技术的三大支柱，而材料又是能源和信息工业技术的物质基础。天然化石能源的有效利用，新能源的开发，信息工程中的信息采集、处理和执行等都是需要各

2、种功能材料。因此新材料的发明、应用和开发往往是人类社会文明发展进程的里程碑。 旧石器时代 新石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代 某一类材料的特征及其广泛应用就是人类文明史各个阶段的一种标志例如焦炭和钢铁的生产开始了资本主义的工业革命；石油的催化裂解促进了塑胶工业；而一些智能材料的发明和应用开辟了信息时代。从现代科技发展史来看，一种新的固态化合物的合成，它的功能特性的发现和实际应用，往往可以导致一个新的科技领域的产生和一种新产业的兴起。引言4Chapter1 Introduction我们现在所处的时代应该称为什么时代？钢硅塑料合成材料半导体精密陶瓷复合材料纳米材料5Chapter1 Int

3、roduction 当代，材料成为了一个新的独立的科学门类。这个新学科与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，但是具有其独特的鲜明的个性。也正是因为与各个传统科学门类水乳交融，材料学科在不同的场合就被划分成了材料物理、材料化学、材料力学、材料工程学等4个主要分支。6Chapter1 Introduction 本课程所涉及的内容就属于材料化学这一分支。而在本课程的绪论中，我们将首先明确几个相关的名词：材料材料科学材料化学 71.1 基本概念基本概念Chapter1 Introduction(1) 什么是材料？材料（Materials）是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质

4、（Matter）；具有使其能够用于机械、结构、设备和产品的性质的物质，是组成生产工具的物质基础。材料首先是一种物质，这种物质具有一定的性能（performance）、或功能（function），从而为人们所使用；材料则一般可重复、持续使用，除了正常损耗，材料不会不可逆的转化成别的物质。材料不同于化学试剂（chemicals），它和试剂是有区别的，试剂在使用过程中通常被消耗掉并转化成别的物质。水是材料？冰是材料？81.1 基本概念基本概念Chapter1 Introduction(2) 材料科学 20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得大书特书的时期。世纪对于材料的发展历史来说是一个值得大书特

5、书的时期。20 世纪科学技术领域一系列惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、世纪科学技术领域一系列惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有力地促激光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有力地促进了材料的发展，使得材料在进了材料的发展，使得材料在 20 世纪中叶发生了一次世纪中叶发生了一次“革命性革命性”的飞跃，这个飞跃的标志就是的飞跃，这个飞跃的标志就是“材料科学材料科学”的形成。的形成。 20 世纪中叶的几项成果： 超音速飞机 (镍基超级合金) 计 算 机 (晶体管、半导体) 航天飞机 (高温结构陶瓷)9一个示例：哥伦比亚空难与材料

6、 “哥伦比亚号哥伦比亚号”是航天飞机第一次在即将着陆时发生的是航天飞机第一次在即将着陆时发生的灾难。空难发生后，由美国国家航空航天局（灾难。空难发生后，由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）组成了）组成了由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组对飞机残骸进行由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组对飞机残骸进行了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验，分析了航天飞了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验，分析了航天飞机爆炸的原因。机爆炸的原因。“哥伦比亚号哥伦比亚号”航天飞机的爆炸，震惊了世航天飞机的爆炸，震惊了世人

7、，同时也引起了人们对材料的关注，人，同时也引起了人们对材料的关注，材料分析揭开了哥伦材料分析揭开了哥伦比亚空难之谜。比亚空难之谜。 Chapter1 Introduction10一个示例：哥伦比亚空难与材料 这张照片是在哥伦比亚号返回地球的11天前拍摄并传回的，通过哥伦比亚号上随机安装的一架照相机拍摄。升空时，从燃料箱脚架处掉下的一块隔热泡沫砸到左翼碳碳复合材料面板下半部附近造成裂缝。而后高温热离子流穿过此处，使机翼铝合金、铁基合金、钠基合金结构熔化，导致航天飞机失控、机翼破坏和机体解体。Chapter1 Introduction11材料科学研究的内容合成与制备Synthesis and Fa

8、brication结 构Structures性 能Properties效能与功能PerformanceChapter1 Introduction12Chapter1 Introductionn 简而言之，材料科学就是研究各种材料的成分与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现这四个方面之间相互关系的科学。 n 成分与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现是材料科学的四个基本要素。材料科学研究的目的则是在这四个基本要素方面进行不懈地努力，以期使材料的发展更好地为人类社会的进步服务。n 新方法、新结构、新性能、新应用是发展新材料以及材料科学研究的永恒主题。 131

9、.1 基本概念基本概念Chapter1 Introduction(3) 材料化学 材料化学，顾名思义，应该是与材料相关的化学学科的一个分支，是材料科学的一个重要组成部分，在化学学科中通常也称为“固体化学”。材料化学介绍的是从化学角度来进行材料科学研究所需要的基本知识。 材料中原子、离子或分子的排列方式、不同材料中原子、离子或分子的排列方式、不同组成间的化学反应等组成间的化学反应等 材料制备工艺过程中的化学问题材料制备工艺过程中的化学问题 材料的化学性质以及其他各类性质中的化学材料的化学性质以及其他各类性质中的化学因素因素 环境对材料的影响环境对材料的影响 (例如腐蚀例如腐蚀)141.1 基本概

10、念基本概念Chapter1 Introduction(4)化学与材料的区别 化学是关于物质的组成、结构和性质以及物质相互转变的一门科学。 很明显，材料与化学的对象都是物质，材料注重的是物质宏观方面的研究，化学则是关注原子分子水平的相互作用。 把这两者结合起来，可以从分子的微观水平到宏观尺度认识结构与性能的关系，从而调节改良材料的组成、结构和合成技术及相关的分析技术，并发展出新型的具有优异性质与性能的先进材料。15Chapter1 Introduction化学与材料亲密接触的历史 人类第一个化学上的发现是火，这是公元前人类第一个化学上的发现是火，这是公元前 50 万年左万年左右的事情。而人类第一

11、次真正有意识地创造发明的自右的事情。而人类第一次真正有意识地创造发明的自然界并不存在的然界并不存在的“新材料新材料” 陶器就是在火的帮助陶器就是在火的帮助下制造出来的。下制造出来的。 在烧制陶器的过程中人类又还原出了金属铜和锡，发在烧制陶器的过程中人类又还原出了金属铜和锡，发明了炼铜技术，从而把历史推进了青铜器时代。明了炼铜技术，从而把历史推进了青铜器时代。16Chapter1 Introduction化学与材料亲密接触的历史我国的四大发明中至少有两项是化学和材料的结合体通过蒸煮草木灰把植物中的纤维物质提炼出来制成了纸浆；一磺二硝三木炭的组合则生成了火药。 S + 2KNO3 + 3C = N

12、2+ 3CO2+ K2S + 169千卡17v现代的材料科学就是一种“炼金术”，它能变魔术般地以 90 多种元素为原料，从理论研究、应用，到制造成虽然不是金子但是却有可能比金子更为人类所需、更有价值、更加珍贵的新物质。18 世纪末分析化学的发展使得人们第一次认识到钢中存在有碳原子，而且碳原子在决定钢的性质方面起着十分关键的作用，从而促使人们开始从材料的组成角度来研究材料。20 世纪初开始出现的合成材料就是在有机化学发展的基础上诞生的。元素周期表的发现及其对材料科学的影响进入到近代后，化学开始有意识地向材料靠拢，并且逐渐地在理解材料的结构和性能方面发挥着越来越重要的作用。Chapter1 Int

13、roduction18Chapter1 Introduction材料化学的定义 材料化学是材料和化学两者结合的产物，是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学，它是从分子水平到宏观尺度认识结构与性能的关系，从而调节改良材料的组成、结构和合成技术及相关的分析技术，并发展出新型的具有优异性质与性能的先进材料。191.2 材料的发展概况材料的发现、发展和应用是人类文明的标志几乎所有的物质都可以称为是材料什么样的材料值得我们关注？并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注那么下一个问题就是先来看看材料的发展历史Chapter1 Introduction材料的发展历史 石器陶器青铜器铁器高分子材料复合材料20

14、1.2 材料的发展概况材料的发现、发展和应用是人类文明的标志v群居洞穴的猿人通过简单加工获得石器以狩猎、护身和生存。v旧石器时代：这段文化时期，最早开始于大约750,000年以前的以狩猎和打制石器工具为主。v新石器时代：属于或同始于大约公元前 10,000年中东及后来其它一些地方的文化时期相关，以农业发展和磨制石具的制作为特征 。Chapter1 Introduction211.2 材料的发展概况材料的发现、发展和应用是人类文明的标志n 随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织Chapter1 Introduction新石器时期马家窑式水纹彩陶钵新石器时期半山式菱形点纹壶Po

15、ttery新石器时代(公元前6000年公元前5000年)，中华民族的先人们用粘土烧制成陶器。22 China瓷器中国文化的象征 最早生产瓷器的国家。 东汉时期发明了瓷器。 于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世纪传到日本，15世纪传到欧洲。 瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。 中国瓷器畅销全球，名誉四海。瓷器 Chapter1 Introduction23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。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

16、次在素胎上施釉，另行釉烧而温度八百度。Chapter1 IntroductionChina24Chapter1 IntroductionChinaChina康熙 黄釉盖罐 乾隆 茶叶末六连瓶 251.2 材料的发展概况材料的发现、发展和应用是人类文明的标志n 青铜时代大约源于4000 5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。Chapter1 Introduction26我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化 夏朝(公元前2140年始)以前我国青铜的冶炼就开始。 殷、西周时期已发展到很高的水平。制造各种工具、食

17、器、兵器。 从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重8750 N, 长1.33 m、宽0.78 m、高1.10 m。 是迄今世界上最古老的大型青铜器。司母戊鼎兵器Chapter1 Introduction27 从湖北隋县出土的战国青铜编钟共计六十四枚，分三层悬挂。造型壮观、音频准确。铸造精美，音律齐全，音域宽广，音色和美，乐律铭文珍贵。 是我国古代文化艺术高度发达的见证。 编钟Chapter1 Introduction28 世界上最古老的青铜成分的文字记载 春秋战国时期周礼考工记：六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐(剂）；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，

18、谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴燧之齐。 我们的祖先已经认识到了青铜的成分、性能与应用之间的密切关系。Chapter1 Introduction291.2 材料的发展概况材料的发现、发展和应用是人类文明的标志（3）v铁器时代被认为是始于2000多年前，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。Chapter1 Introduction301.2 材料的发展概况材料的发现、发展和应用是人类文明的标志Chapter1 Introduction31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高性能碳钢和合

19、金钢钢制品精炼工艺技术Chapter1 Introduction32 我国铁器的生产和应用 青秋战国时期(公元前770年公元前221年)开始大量使用铁器。 从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用的铁模。 冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸造的高级阶段。 Chapter1 Introduction33 西汉时期炼铁技术提高 采用煤作为炼铁的燃料，比欧洲早1700多年。 在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20多座冶铁炉和锻炉。炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。生产规模壮观。 铁人 黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)Chapter1 Introduction34 我国古代创造了三种炼钢方法 从矿

20、石中直接炼出自然钢。用这种钢做的剑在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲； 西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢； 南北朝时期生产的灌钢。先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早1600多年。Chapter1 Introduction35 钢的热处理技术达到相当高的水平 西汉史记天官书：淬火工艺要点 “水与火合为淬” 钢铁生产工具的发展，对社会进步起了巨大的推动作用。 汉书王褒传：制剑技术 “巧冶铸干将之朴，清水淬其锋” 明代科学家宋应星天工开物: 论述钢铁的退火、淬火、渗碳工艺。Chapter1 Introduction361.2 材料的发展概况材料的发现、发展和应用是人类文明的标志v钢

21、铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。v上世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。 Chapter1 Introduction 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）37 新材料新工艺迅速发展 在当代，科学技术和生产飞跃发展。 材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。 高分子材料迅速发展 从20世纪60年代到70年代，高分子材料每年以14的速度增长。到70年代中期，全世界的高

22、分子材料和钢的体积产量已经相等； 涤纶安全带 尼龙齿轮 高分子材料用作结构材料代替钢铁外，目前正在研究和开发具有良好导电性能和耐高温的高分子材料。1.2 材料的发展概况材料的发现、发展和应用是人类文明的标志Chapter1 Introduction38 陶瓷材料引人注目 陶瓷材料已用于制造机器零件和工程结构。 陶瓷具有许多特殊性能作为重要的功能材料(例如可作光导纤维、激光晶体等)。 陶瓷脆性和抗热震性正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。 耐磨陶瓷 绝缘陶瓷Chapter1 Introduction39 复合材料前途广阔 技术和工业的发展对材料性能提出越来越高的要求。单一材料不能满足某些

23、使用要求。复合材料越来越得到人们的重视。 玻璃纤维树脂复合材料 碳纤维树脂复合材料 在航空航天工业中用于制造卫星壳体、飞机机身、螺旋桨等；玻璃钢赛车壳体 在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船艇等； 在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油容器、管道等。玻璃钢储液罐Chapter1 Introduction40 功能材料发展很快（新设有功能材料本科专业） 超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的发展。 光缆 磁浮列车（时速430公里）Chapter1 Introduction41 我国在新材料新工艺的研究和应用 方面取得重大成果 研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢贝氏体钢

24、； 研制出零电阻温度为128.7 K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体)； 镁铝合金叶轮 镁铝合金手机壳 镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。Chapter1 Introduction42 材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。 激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、凸轮轴、纺织用锭杆等零件的表面强化上得到应用。 分层实体快速成形减速机箱体原型熔融沉积快速成形叶轮原型 化学气相沉积技术制造高硬度、高耐磨性的金黄色TiN薄膜, 用于耐磨零件和装饰件的表面处理。Chapter1 Introduction43 我国汽车工业发展迅猛。 汽车材料需求迅速增加。 除金

25、属材料外，高分子材料、陶瓷材料、复合材料在汽车中得到重要应用。 新型轿车 电动汽车Chapter1 Introduction44 航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。 1966年我国成功发射人造卫星。 人造卫星 1999年我国载人航天工程试验飞船“神舟”一号飞行成功。 2003年中国第一艘载人飞船“神舟”五号飞行成功。 2005年中国第二艘载人飞船“神舟”六号飞行成功。 2011年中国第一个目标飞行器和空间实验室“天宫”一号成功发射。 2011年11月3日实现与神舟八号飞船的对接任务。2012年6月18日与神舟九号对接成功。神舟十号飞船也在2013年6月13日与天宫一号完成自动交

26、会对接。神舟”五号飞行成功 Chapter1 Introduction模拟图：神州八号与天宫一号（左）对接 45 研制成功超7隐形战斗机，2003年8月30日首飞成功。研制成功歼7E、歼10 战斗机等。加强了国防力量。超7隐形战斗机歼7E战斗机 Chapter1 Introduction歼10战斗机2003，成飞1990，沈飞1998，成飞，三代机第四代隐形战机歼-20 2011，成飞第二款隐形战机歼-312011，沈飞歼-15S舰载机2012，沈飞 空警3000预警机2013，第二代，西飞空警2000预警机2003，第一代，西飞 46 研制潜艇、导弹核潜艇，航母，加强海军力量。导弹核潜艇 1

27、983年8月加入海军服役。装有12枚两级弹道导弹。 常规动力攻击潜艇导弹核潜艇Chapter1 Introduction常规动力攻击潜艇 1999年5月首艇交付海军使用。装有潜舰导弹，是我国海军装备的最新一代国产常规动力攻击潜艇。 2012年9月25日，中国第一艘航母“辽宁号”，交付予中国人民解放军海军47 新型碳材料的研究方面取得许多新的成果，利用碳纳米管作为衬底, 制备出均匀、致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须增强复合材料，制作纳米复合材料。 碳纳米管的研究取得新成果碳纳米管碳纳米管的结构Chapter1 Introduction481.3 材料的重要性（1）水环境治理膜材料科学技术；

28、 （2）服侍、鞋袜；（3）眼镜；（4）建筑材料； （5）飞机、航天工业等。Chapter1 Introduction491.3 材料的重要性一个示例：隐形飞机与材料 v所谓隐形是指不易被雷达或红外线、可见光、声探测等传感器发现。v隐形飞机之所以能够隐形，主要是综合采用了隐身外形技术、隐身材料技术、红外线抑制和干扰技术、声波隐身技术以及微电子技术等，具有降低其在雷达屏幕上的特征、压制噪声、减弱飞机红外图像特征、抑制无线电信号传输等性能。Chapter1 Introduction501.3 材料的重要性一个示例：隐形飞机与材料 n 隐形武器由于其科技含量高，对材料要求苛刻，研制费用异常高。n 美国

29、的 F-117A 隐形飞机单价 为 1.1 亿美元，B-2隐形轰炸机单价更高达 5.3 亿美元，比与机体等重量的黄金价值还要高。n 目前，美国以 4000 亿美元的天价，已研制出了一种集“隐形、敏捷、高速”为一体的 F-35 新型隐形战机。另外还包括F-22等隐形重型战机。Chapter1 Introduction511.3 材料的重要性一个示例：隐形飞机与材料 F-117A 战斗机周身几乎全由直线构成，机体表面使用了 6 种不同的雷达吸波涂层材料，大大降低了雷达探测度。经科学家测试，雷达在距离 F-117A 飞机 600 米时，就已完全接收不到它发出的信号。Chapter1 Introduc

30、tion52Chapter1 IntroductionMetallic MaterialsInorganic MaterialsPolymersCompositesl 按组成、结构特点分类1.4 材料的分类材料的分类Classification of Materials钢铁材料、非铁材料、合金陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷天然的（丝绸）、合成的（塑料、橡胶、纤维、黏合剂、涂料等） 复合材料由前三者相互构成的53Structural Materials 主要利用材料的力学性能：支撑件、连接件、传动件、紧固件等，关注其强度、韧性、抗疲劳等力学性质。Functional Material

31、s 主要利用材料的物理和化学性能：磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料、生物医学材料等，考虑材料的光、电、磁等性能。l 按使用性能分类l 按用途分类导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、电子信息材料、感光材料等等Chapter1 Introduction54l 按按组成和结合键分类Chapter1 Introduction离子键（NaCl）共价键金属键（Ag）范氏键（Ar）半导体硅酸盐陶瓷粘土高分子55l 按尺度分类Chapter1 Introduction 三维材料块体材料二维材料薄膜、涂层等 (金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)

32、一维材料纤维、晶须等 (光导纤维、高强纤维) 零维材料粉 体56l按内部原子排列情况分类Chapter1 Introduction 晶态材料 非晶态材料 液态材料 气态材料（不存在）57金属材料（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。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。属光泽、延展性、塑性等。

33、 钢材：在建筑、桥梁、设备等广泛用作结构材料。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。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、储氢新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢合金等。合金等。 Chapter1 Introduction58ExamplesChapter1 Introduction59 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。 最简单的金属材料是纯金属。 工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，通常为金属晶体材料。 （1）黑色金属 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)； （2）有色金属

34、 黑色金属以外的所有金属及其合金。Chapter1 Introduction60无机非金属材料（无机非金属材料（Inorganic Materials） 无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。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。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、电子材料以陶瓷为主。可用作结构材料、光学材料、电子材料等。等。 半导体材料：单晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓等。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、晶体用于制造集成电路、固态激光器、发光二极管、晶体管等。管等。Ch

35、apter1 Introduction61Architecture materialsChapter1 Introduction62 陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素形成的化合物。 非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键，也存在有一定成分的共价键。 陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为硅酸盐材料、金属氧化物、金属非氧化合物。 陶瓷的硬度很高，但脆性很大。莫来石复相陶瓷63高分子材料（高分子材料（Polymers）Chapter1 Introduction 高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。 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。由大量相对分子质量特

36、别大的大分子化合物组成。大分子内的原子之间由很强的共价键结合，大分子与大分子之间的结合力为较弱的范特瓦尔斯力（范德华力）。 64高分子材料（高分子材料（Polymers） 天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛等。等。 合成高分子材料：塑料、合成橡胶和合成纤维。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、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、液晶高分

37、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。子催化剂及高分子试剂等。Chapter1 Introduction 高分子材料耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热性较差。在工程上是发展最快的一类新型结构材料。65(3) ShoesChapter1 Introduction66复合材料（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。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既保

38、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。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。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。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）。土漆复合而成）。 传统的

39、复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。Chapter1 Introduction钛基复合材料67(6) Spaceflight materials首架复合材料飞机Chapter1 Introduction68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 Introduction69Examples波音公司开发之机体与复合材料 JChapter1 Introduction701.5 材料化学的特点材料化学的特点Characteristics of Materials Chemistry跨学科性

40、：跨学科性：既是化学学科的一个次级学科，又是材料科学的一个分既是化学学科的一个次级学科，又是材料科学的一个分支。支。新材料的发展，往往源于其它科学技术领域的需求，这新材料的发展，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。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。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通过分子设计和特定的工艺，可以使材料具备各种

41、特殊性质或功能，如高强度、特殊的光性能和电性能等，这些性质或功能，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。材料在现代技术中起着关键作用。Chapter1 Introduction71 材料化学是理论与实践相结合的产物，这是它与固体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。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。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。改

42、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，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。另一方面通过大量实践使理论得到进一步发展。Chapter1 Introduction实践性：实践性：72生物医药领域生物医药领域 生物相容性材料：例如设计特殊的金属合金生物相容性材料：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头置换体或其他植入物相排斥; ; 人造肾脏、血液氧合

43、器、静脉过滤器以及诊人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等断化验等; ; 药物、蛋白质及基因的控制释放。药物、蛋白质及基因的控制释放。Chapter1 Introduction1.6 材料化学的在各个领域的应用材料化学的在各个领域的应用73 芯片制造芯片制造：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等离子体刻蚀离子体刻蚀; ; 信息存储材料信息存储材料; ; 光电子材料光电子材料; ; 光子晶体。光子晶体。Chapter1 Introduction电子信息领域电子信息领域74 环境和能源领域环境和能源领域 清洁能源清洁能源：光伏电池、太阳能电池、燃料电池光伏电池、太

44、阳能电池、燃料电池等；等； 可回收和可生物降解材料；可回收和可生物降解材料； 环境友好材料环境友好材料结构材料领域结构材料领域 汽车和飞机汽车和飞机：比以前更安全、轻便和省油比以前更安全、轻便和省油； 特种涂料：具有防腐、保护、美化或其它用途，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；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能的材料组合而成Chapter1 Introduction75Chapter1 Introduction 结构材料的结构是指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间

45、分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构，相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次。所有这些层次都影响产品的最终行为。单个原子结构原子的空间排列相态结构材料化学是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学 1.7 材料化学的主要内容材料化学的主要内容76 性能性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述。力学性能：材料的强度、延性和刚度。物理性能：电、磁、光、热等。Chapter1 Introduction 制备材料的合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程。合成与制备是提高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键，也是开发新材料、新器件的中心环节。