1、5/17/2023 9:47 PM1Chapter 1 Introduction5/17/2023 9:47 PM2Catalog1.11.1 材料与化学材料与化学1.21.2 材料的分类材料的分类1.31.3 材料化学的特点材料化学的特点1.41.4 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1.51.5 材料化学的主要内容材料化学的主要内容5/17/2023 9:47 PM3Materials：Substances having properties which make them useful in machinery,structures,devices and produc
2、ts.1.1 Concepts&terms (1)Materials1.1 材料与化学材料与化学 connected with function and,through that function,utilities.5/17/2023 9:47 PM4Distinguish between Chemicals and Materials the utility lies primarily in their consumption.Chemicalscan be used repeatedly or continuously for an application that does not
3、irreversibly convert them to something else.Materials(2)Chemicals&materials5/17/2023 9:47 PM5(3)Materials Science&ChemistryMaterials Science and Chemistry Atomic-molecular level interactionMaterials Chemistry:Chemistry related to structure,properties,preparation and applications of materials.Macrosc
4、opic perspective5/17/2023 9:47 PM61.2 Development of materials材料的发展材料的发展材料的发现、发展和应用是材料的发现、发展和应用是人类文明的标志。人类文明的标志。材料的品种、质量和产量，材料的品种、质量和产量，是直接衡量一个国家的科技是直接衡量一个国家的科技和经济发展水平的重要标志和经济发展水平的重要标志之一。之一。5/17/2023 9:47 PM7 陶器制作：粘土及其它添加物，陶器制作：粘土及其它添加物，加热烧结成较硬实体；人类社会结构加热烧结成较硬实体；人类社会结构生活形态的改变。生活形态的改变。青铜器：金属产物的工具青铜器：
5、金属产物的工具武器武器农具农具礼器礼器祭器等取代泥制陶器；祭器等取代泥制陶器；金属使用：常温的刚强度，红热时金属使用：常温的刚强度，红热时可锻炼成形性，熔融后的铸造性。可锻炼成形性，熔融后的铸造性。早期：三个时代早期：三个时代5/17/2023 9:47 PM8PotteryPottery新石器时期新石器时期半山式菱形点纹壶半山式菱形点纹壶新石器时期新石器时期马家窑式水纹彩陶钵马家窑式水纹彩陶钵5/17/2023 9:47 PM9ChinaChina康熙康熙 黄釉盖罐黄釉盖罐 乾隆乾隆 茶叶末六连瓶茶叶末六连瓶 5/17/2023 9:47 PM10唐唐 三彩鸳鸯壶三彩鸳鸯壶 一种低温铅釉的陶
6、器，采一种低温铅釉的陶器，采用黄、绿、褐等色釉在器用黄、绿、褐等色釉在器皿构成花朵、斑点或不规皿构成花朵、斑点或不规则的几何纹等，色彩斑斓则的几何纹等，色彩斑斓的色釉装饰。的色釉装饰。虽称为三彩，实际上并不限于三种色彩，往往虽称为三彩，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；第二次在素胎上施釉，一千度左右，烧成坯胎；第二次在素胎上施釉，另行釉烧而温度八百度。另行釉烧而温度八百度。5/17/2023 9:47 PM11明明 掐丝珐琅掐丝珐琅 葫芦式扁瓶葫芦式扁瓶 橘皮釉橘皮釉 5/17/2023 9:47
7、PM12Glass现代的水晶玻璃现代的水晶玻璃Warring StatesGlass Eye BeadsGlass5/17/2023 9:47 PM13Figure of materials development5/17/2023 9:47 PM14(1)Stone Age(1)Stone age5/17/2023 9:47 PM15MaterialsWoodStoneBonePotterythe Paleolithic Period the Neolithic Age Table 1-1 Distinguish between the Paleolithic Period and the
8、Neolithic Age Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age5/17/2023 9:47 PM16(2)Bronze Age(2)Bronze age5/17/2023 9:47 PM17含锡量含锡量1/6 韧性好韧性好 制造钟鼎制造钟鼎含锡量含锡量2/5 硬度高硬度高 制造刀制造刀斧斧Cu Sn Pb Zn第一个合金材料：铜锡合金（青铜）第一个合金材料：铜锡合金（青铜）结构与性能的关系结构与性能的关系Alloy5/17/2023 9:47 PM18中国古铜镜中国古铜镜Copper mirrors5
9、/17/2023 9:47 PM19Copper musical instrument战国青铜编钟战国青铜编钟 5/17/2023 9:47 PM20Iron AgeIron Age5/17/2023 9:47 PM21Equations 炼铁过程的化学炼铁过程的化学9COC2Fe11CO3Fe332 3CO2Fe3COFe32 CO4FeFeOCFe3 5/17/2023 9:47 PM22铸铁铸铁锻铁锻铁钢铁钢铁依含碳量依含碳量和杂质多少和杂质多少铁和碳的合金铁和碳的合金Alloys of iron&carbon5/17/2023 9:47 PM23第八世纪的第八世纪的 Carolingi
10、an剑剑东方曲剑东方曲剑 Persian 土耳其的土耳其的 Damascus 剑剑日本剑的锋口部份日本剑的锋口部份Swords5/17/2023 9:47 PM24早期：纯粹凭经验工艺。早期：纯粹凭经验工艺。近现代：近现代：基本化学原理基本化学原理物质微结构物质微结构性能优良而价值更高的材料性能优良而价值更高的材料高性能碳钢和合金钢钢制品精炼工艺技术5/17/2023 9:47 PM25化学的发展往往导致材料技术的实质性进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，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。化学一直担当着关键的角色。合成高分子
11、（二十世纪初）合成高分子（二十世纪初）纳米材料（二十世纪纳米材料（二十世纪8080年代）年代）5/17/2023 9:47 PM261.2 材料的分类材料的分类Classification of MaterialsMetallic MaterialsInorganic MaterialsPolymersCompositesl 按按组成、结构特点分组成、结构特点分1.4.1 Classification of materials5/17/2023 9:47 PM27Structural Materials 主要利用材料的力学性能主要利用材料的力学性能Functional Materials 主要
12、利用材料的物理和化学性能主要利用材料的物理和化学性能l 按按使用性能分使用性能分l 按按用途分用途分Classification of materials导电材料、绝缘材料、生物医用材料、导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、航空航天材料、能源材料、电子信息材料、感光材料等等电子信息材料、感光材料等等金属材料（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
13、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。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。5/17/2023 9:47 PM29Examples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、
14、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。5/17/2023 9:47 PM31(5)Architecture materials高分子材料（高分子材料（Polymers）高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。足够高的有机
15、化合物。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、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。分子催化剂及高
16、分子试剂等。5/17/2023 9:47 PM33(3)Shoes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
17、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。5/17/2023 9:47 PM35(6)Spaceflight materials首架复合首架复合材料飞机材料飞机5/17/2023 9:47 PM36航空材料的主要要求是航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。耐腐蚀、长寿命和低成本。
18、多功能化、复合化、精细化、智能化多功能化、复合化、精细化、智能化 5/17/2023 9:47 PM37Examples波音公司开发之机体与复合材料波音公司开发之机体与复合材料 J5/17/2023 9:47 PM381.3 材料化学的特点材料化学的特点Characteristics of Materials Chemistry1.4.1 Classification of materials跨学科性：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支。既是化学学科的一个次级学科，又是材料科学的一个分支。新材料的发展，往往源于其它科学技术领域的需求，这导新材料的发展，往往源于其它科学
19、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相连。致材料化学与物理学、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。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。在现代技术中起着关键作用。5/17/2023 9:47 P
20、M391.4.1 Classification of materials实践性：实践性：材料化学是理论与实践相结合的产物，这是它与固体化学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。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，从而指导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。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改进高性能、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。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，这都需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
21、合，一方面用理论指导实践，另一方面通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。过大量实践使理论得到进一步发展。5/17/2023 9:47 PM401.4 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1.4.1 Classification of materials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和聚生物相容性材料：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头置换体合物涂层，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或其他植入物相排斥;人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化人造肾脏、
22、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等验等;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。5/17/2023 9:47 PM411.4.1 Classification of materials电子信息领域电子信息领域 芯片制造芯片制造：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等离子体：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等离子体刻蚀刻蚀;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。5/17/2023 9:47 PM421.4.1 Classification of materials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、太阳能
23、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5/17/2023 9:47 PM431.4.1 Classification of materials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，可在特种涂料：具有防腐、保护、美化或其它用途，可在结构材料上使用；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能的材智能化的结构材料：由各种具有不同功能或性能的材料组合而成料组合而成新的航天飞机外壳新的航天飞机外壳用用Ni-Cr-FeNi-Cr-Fe
24、合金制合金制造，外层的隔热板造，外层的隔热板由一层由一层TiAlTiAl合金与合金与一层绝热材料组成。一层绝热材料组成。5/17/2023 9:47 PM441.5 材料化学的主要内容材料化学的主要内容1.4.1 Classification of materials 结构结构材料的结构是指组成原子、分子在不同层次上彼此结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、状态和空间分布，包括原子与电子结构、合的形式、状态和空间分布，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
25、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。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材料化学是关于材料的结构结构、性能性能、制备制备和和应用应用的化学的化学 5/17/2023 9:47 PM45 性能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。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。5/17/2023 9:47 PM46 制备制备材料的合成与制备就是将原子、
26、分子聚合起来并最终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，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。也是开发新材料、新器件的中心环节。5/17/2023 9:47 PM47第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 材料的结构材料的结构 第三章第三章 材料的性能材料的性能 第四章第四章 材料化学热力学材料化学热力学 第五章第五章 材料的制备材料的制备 第六章第六章 金属材料金属材料 第七章第七章 无机非金属材料无机非金属材
27、料 第八章第八章 高分子材料高分子材料 第九章第九章 复合材料复合材料 第十章第十章 纳米材料纳米材料基础部分基础部分应用部分应用部分本课程的结构课程考核平时成绩：平时成绩：30%期末考试成绩：期末考试成绩：70%考试方式：闭卷或半开卷考试方式：闭卷或半开卷5/17/2023 9:47 PM49参参考资料考资料1.刘光华编著刘光华编著.现代材料化学现代材料化学.上海：上海科学技术出上海：上海科学技术出版社，版社，20002.Brian S.Mitchell.An Introduction to Materials Engineering and Science.USA,John Wiley&S
28、ons,2004.3.William D,Callister J.Materials science and engineering:An introduction.5th Ed.,USA,John Wiley&Sons,19994.Smith W F.Foundations of materials science and engineering.New York,McGraw-Hill Book Co.,19925.Bradley D.Fahlman.Materials Chemistry.German,Springer,2007思考题思考题 什么是材料化学？其主要特点是什么？什么是材料化学？其主要特点是什么？新石器时代的标志是什么？新石器时代的标志是什么？材料与试剂的主要区别是什么？材料与试剂的主要区别是什么？观察一只灯泡，列举出制造灯泡所需要的材料。观察一只灯泡，列举出制造灯泡所需要的材料。材料按其组成和结构可以分为哪几类？材料按其组成和结构可以分为哪几类？简述材料化学的主要内容。简述材料化学的主要内容。
