1、第第1 1章章 绪绪 论论课程名称：材料化学课程名称：材料化学专业班级：应化专业班级：应化10-1授课教师：宿辉授课教师：宿辉本章教学要点知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关知识相关知识材料的分类掌握材料的分类方法，了解掌握材料的分类方法，了解金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料材料化学的特点、应用及作用及作用掌握材料化学的特点，了解材料化掌握材料化学的特点，了解材料化学在各领域的应用及作用学在各领域的应用及作用跨学科性、实践性、生物医、实践性、生物医药领域、电子信息领域、药领域、电子信息领域、环境和能源等领域环境和能源等领域v材料是人类
2、社会赖以生存和发展的物质基础，是人类社会现代文明的重要支柱。纵观人类利用材料的历史可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。v 材料科学技术的每一次重大突破，都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，并给社会生产和人们生活带来巨大的变化。因此，材料也成为人类历史发展过程的重要标志。v在遥远的古代，人类的祖先以石器为主要工具，开创了冶金技术，公元前5000年进入青铜器时代，公元前1900年进入铁器时代，炼钢工业的迅速发展，成为产业革命的重要内容。20世纪末，人们把材料、信息和能源作为现代社会进步的三大支柱，而材料又是发展能源和信息技术的物质基
3、础。从近代科技史来看，新材料的使用对社会经济和科技的发展起着巨大的推动作用。v例如，钢铁材料的出现，孕育了产业革命；高纯半导体材料的制造，促进了现代信息技术的建立和发展；先进复合材料和新型超合金材料的开发，为空间技术的发展奠定了物质基础；新型超导材料的研制，大大推动了无损耗发电、磁流发电及受控热核反应堆等现代能源的发展；纳米材料的发展和利用，促进了多学科的发展，并将人类带入了一个奇迹层出不穷的时代。材料的品种繁多，迄今已达几十万种，每年还以5%左右的速度继续增长。v化学是材料科学发展的基础科学，材料化学是一门以现代材料为主要对象，研究材料的化学组成、结构与性能关系、合成制备方法、性能表征及其与
4、环境协调等问题的科学。在材料科学的发展中起着无可替代的重要作用。1.1 材料的分类v材料的分类方法有多种，按其组成和结构特点，可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类v 按其使用性能可分为结构材料与功能材料，结构材料的使用性能主要是强度、韧性、抗疲劳等力学性能，可用作产品、设备、工程等的结构部件；功能材料的使用性能主要是光、电、磁、热、声等功能性能，用于制作具有特定功能的产品、设备、器件等。v 根据材料的用途不同，可分为建筑材料、信息材料、能源材料、航空航天材料等。本章将按照第一种分类对四类材料分别加以介绍。1.金属材料v金属材料(metallic materials)是以金
5、属元素为基础的材料，分为黑色金属材料和有色金属材料。v 黑色金属材料通常包括铁、锰、铬以及它们的合金；除黑色金属以外其他各种金属及其合金都称为有色金属如，铝合金、钛合金、铜合金、镍合金等。黑色金属是目前用量最大、使用最广的材料。在农业机械、化工设备、电力机械、纺织机械中，黑色金属材料约占90%，有色金属约占5%。根据物理性质的不同，金属又可分为轻金属、重金属、高熔点金属、稀有金属等。v 纯金属的强度较低，很少直接应用，金属材料绝大多数是以合金的形式出现。v 合金是由一种金属与一种或几种其它金属、非金属熔合在一起生成的具有金属特性的物质，如由铜和锡组成的青铜，铝、铜和镁组成的硬铝等都是合金。金属
6、材料一般具有优良的力学性能、可加工性及优异的物理特性。金属材料的性质主要取决于其成分、显微组织和制造工艺，人们可以通过调整和控制成分、组织结构和工艺，制造出具有不同性能的金属材料。2.非金属材料v无机非金属材料(inorganic non-metallic materials)又称陶瓷材料，指由各种金属元素与非金属元素形成的无机化合物和非金属单质材料。其有悠久的历史，近几十年来，得到飞速发展，主要包括传统无机非金属材料(又称传统陶瓷)和新型无机非金属材料(又称精细陶瓷材料)。前者指以硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，主要是烧结体，如玻璃、水泥、耐火材料、建筑材料和搪瓷等；v后者的成分有氧化物、
7、氮化物、碳化物、硅化物等，可以是烧结体，还可以做成单晶、纤维、薄膜和粉末，具有强度高、耐高温、耐腐蚀，并有声、电、光、热、磁等多方面的特殊功能，是新一代的特种陶瓷，可制备半导体、光纤、电子陶瓷、敏感元件、磁性材料、超导材料等功能材料，用途极为广泛，遍及现代科技的各个领域。例如航天飞机在进入太空和返回大气层时，要经受剧烈的温度变化，在几分钟内温度由室温改变到1260，用陶瓷作为热绝缘材料，可以保护机体不受损伤。3.高分子材料v高分子材料(polymer materials)一般是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的相对分子质量足够高的有机化合物。v 常用高分子材料的相对分子质量在几千到几百万之间
8、，一般为长链结构，以碳链居多。高分子化合物具有较高较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等，其发展速度快，已超过了铜铁、水泥和木材等传统材料。v 高分子材料包括天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子直接来自动、植物体内，如木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛等；合成高分子则分成塑料、橡胶和合成纤维三大类。涂料和胶黏剂也属于高分子材料。高分子材料正朝着高性能化、功能化的方向发展，从而衍生出各种各样具有特殊性能或功能的材料，如工程塑料、导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、磁性高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物医用高分子材料、离子交换树脂等。对高分子材料进行改性研究，是高分子科学和材料领域的
9、一个重要方向。合成高分子化合物的品种最多、应用也最广。4.复合材料v复合材料(composites)由两种或两种以上的不同材料组合而成的一种多相固体材料。通常一种材料为连续相，作为基体，其他材料为分散相，作为增强体。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料既保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同种材料之间均可复合形成复合材料，一般按照基体材料的种类分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。也可按其结构特点分为纤维复合材料、夹层复合材料、细粒复合材料和混杂复合材料。v 复合材料在自然界中普遍存
10、在，例如树木和竹子为纤维素和木质素的复合体；动物骨铬为无机磷酸盐和蛋白质胶原的复合体。复合材料使用的历史可以追溯到古代，例如稻草增强黏土以及漆器(麻纤维和土漆复合而成)。而建筑上广泛使用的钢筋混凝土也有上百年历史。复合材料这一名词源于20世纪40年代发展起来的玻璃纤维增强塑料(即玻璃钢)。现在，复合材料以广泛应用在航空航天领域、汽车工业、化工、纺织和机械制造领域、医学领域和建筑工程领域等。1.2材料化学的特点v1.跨学科性 v 材料化学是多学科交叉的产物。化学工作者利用化学理论从分子水平构筑材料，自主调节材料的功能，利用化学反应合成各种材料，使化学与材料科学的界限越来越模糊，形成材料化学这一新
11、学科。材料化学既是化学学科的一个分支，又是材料科学的重要组成部分。材料化学的内容涉及化学的所有次级学科，如无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等，是这些学科在材料研究中的具体运用。v 材料化学天生是跨学科的。材料化学与其他学科的结合，在20世纪获得了各式各样的合成材料。新材料的发展，往往源于其它科学技术领域的需求，这促进了材料化学与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密相连。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。v
12、 例如，高速计算机芯片和固态激光器是一种复杂的三维复合材料，是通过运用各种合成手段、以纳微米尺度把不同性能的材料组合起来而得到的。随着材料的不断发展，对化学分辨率的要求将越来越高，人们必须在纳米尺度下对材料进行化学合成、加工和操控。这对于新材料以及现有材料，都提出了更精准的制备要求，同时还要考虑成本的控制和对环境的影响。特别是对于纳米技术领域，需要发展出一些新的合成技术，例如气相、液相和固相催化反应。此外，新型自组装方法的出现使由分子组元自下而上(botlom up)合成纳米结构或其他特殊结构的材料成为可能。v2.实践性 v 材料化学是理论与实践相结合的产物，这有别于固体化学。需要通过实验室的
13、研究工作深入了解材料的性能，从而指导材料的发展和合理使用；通过不断改进工艺提高材料的性能、质量，并降低成本，以及材料变为器件或产品要解决一系列工程技术问题，都需要理论和实践的结合，一方面理论指导实践，另一方面实践又促进理论进一步发展。1.3材料化学在领域的应用v 材料化学已渗透到现代科学技术的众多领域，如电子信息、生物医药、环境能源，这些领域发展与其密切相关。1.生物医药领域 v 材料化学和医药学的合作已取得了巨大的进步。材料可植入人体作为器官或组织的修补或替代品，但材料进入体内，有可能涉及生物过程和反应，引起不良反应。为此，必须从结构和组成上对材料进行改性，使其具备良好的生物相容性。通过材料
14、化学与生物学的研究，开发出特殊用途的金属合金和聚合物涂层，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。现在，己经有很多生物医用材料可以植入人体内并保持多年无不良影响。v 此外，材料化学对于生物应用中的分离技术也产生了显著影响，如人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等。生物相容高分子材料已在药物、蛋白质及基因的控制释放方面获得应用。目前人们正进行大量的研究，以开发用于医学诊断的新材料。将来，材料化学的研究可能会涉及原位药物生成、类细胞系统等。得益于材料化学最新进展的新型传感器将会给人类健康带来极大的帮助。2.电子信息领域 v 先进的计算机、信息和通信技术离不开材料和成型工艺的支撑
15、，而化学在其中起了巨大的作用。现代芯片制造设施通过化学过程，如光致抗蚀、化学气相沉积、等离子体刻蚀等，使简单的分子物质转化成具有特定电子功能的复杂三维复合材料。电子及光学有机材料的相互渗透，通过光子晶格对光进行模拟操控是末来发展的方向。同时材料化学还促进光子电路和光计算等新领域的发展。3.环境和能源领域 v 随着世界人口的持续增长和生活水平的提高，发展中国家对环境保护的重视不断增加。为了减少对现有资源的使用，必须开发新技术，发展低消耗的清洁能源。在发展光伏电池、太阳能电池、燃料电池的过程中，材料化学起了关键的作用。日常生活中，塑料包装或容器被广泛使用，其大量弃置对环境造成严重破坏。v 随着对环
16、境的关注，开发可回收和可生物降解材料，将成为材料化学的一个重要任务。食品包装材料要求安全无毒，利用材料化学技术，可以开发新的包装材料，例如添加感应材料以显示食物质量或储存条件，这将为食品安全提供有效的保障。4.结构材料领域 v 结构材料是材料化学涉及最多的领域。材料合成与加工技术的发展使现代汽车和飞机更加安全、轻便和节油。基于材料化学所发展出来的特种涂料，具有防腐、保护、美化等功能，可在结构材料上使用。材料设计制造过程中，需要把材料的化学成分结构与合适的工艺条件有机地结合起来。通过材料化学与相关学科的协同努力，未来会制备出集感觉、反馈、自愈功能于一体的智能化结构材料。1.4材料化学的作用v材料
17、的功能和用途取决于物体的状态和结构，但其原始基础在于构成物体的功能分子的种类及其结构。材料化学在研究开发新材料中，采用化学理论和方法来研究功能分子以及由功能分子所组成材料的结构与功能，使人们能够自主的设计新型材料。20世纪材料化学所取得的巨大进展，可以证明化学是新型材料的源泉，也是材料科学发展的推动力。v 从硝酸纤维到尼龙、涤纶，再到现在的各种各样的合成纤维，从硅、锗到砷化嫁、磷化铜每一个进步都有相同的过程：针对已有的问题进行改进，总结已知材料的结构，设计新的结构，研究新的化学反应，经过不同原料的选择，找出可行的工艺。v 在21世纪，人类对各种特殊功能的先进材料的需求会越来越大，尽管利用的是材
18、料的物理性质，但这些物理性质都是由材料的化学组成和结构决定的，所以，材料化学在指导新材料的研究与开发工作中将发挥不可替代的重要作用。v 材料化学是研究材料制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。其既是材料科学的一个重要分支，也是材料科学的核心内容，又是化学学科的一个组成部分，因此材料化学具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。材料化学的主要内容包括材料的化学组成及结构、相关的化学理论、材料的制备、材料的性能及金属材料、非金属材料、高分子材料、复合材料等。v 材料化学是化学类、材料类学专业学生的一门重要的专业基础课程，对于从事材料、化学研究与制备，从化学角度提出问题、分析问题、解决问题具有重要的意义。
