材料化學(xué)導(dǎo)論第1章_緒論

1、1材料化學(xué)導(dǎo)論材料化學(xué)導(dǎo)論 生化學(xué)院生化學(xué)院 郭為民郭為民 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：2 材料是社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展賴以存在物質(zhì)基礎(chǔ)，而材料是社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展賴以存在物質(zhì)基礎(chǔ)，而化學(xué)由于其是研究物質(zhì)和創(chuàng)造新物質(zhì)的科學(xué)，因之與化學(xué)由于其是研究物質(zhì)和創(chuàng)造新物質(zhì)的科學(xué)，因之與材料科學(xué)有著密不可分的關(guān)聯(lián)，于是就形成了材料化材料科學(xué)有著密不可分的關(guān)聯(lián)，于是就形成了材料化學(xué)科學(xué)。材料化學(xué)是研究材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)和學(xué)科學(xué)。材料化學(xué)是研究材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)和性能及其應(yīng)用的一門學(xué)科。本課程是化學(xué)工程與工藝、性能及其應(yīng)用的一門學(xué)科。本課程是化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)、生物化工、工業(yè)催化等專業(yè)

2、研究生的學(xué)位應(yīng)用化學(xué)、生物化工、工業(yè)催化等專業(yè)研究生的學(xué)位課、專業(yè)課。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，掌握材料的微觀結(jié)課、專業(yè)課。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，掌握材料的微觀結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變的規(guī)律以及它們與材料的各種物理、化學(xué)性構(gòu)和轉(zhuǎn)變的規(guī)律以及它們與材料的各種物理、化學(xué)性能之間的關(guān)系，并運(yùn)用這些規(guī)律改進(jìn)材料性能、研制能之間的關(guān)系，并運(yùn)用這些規(guī)律改進(jìn)材料性能、研制新型材料的基礎(chǔ)理論；培養(yǎng)從基本理論出發(fā)進(jìn)行材料新型材料的基礎(chǔ)理論；培養(yǎng)從基本理論出發(fā)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)、運(yùn)用化學(xué)新概念進(jìn)行材料制備及改性創(chuàng)新的能設(shè)計(jì)、運(yùn)用化學(xué)新概念進(jìn)行材料制備及改性創(chuàng)新的能力。力。課程簡(jiǎn)介：課程簡(jiǎn)介：31 1唐小真主編唐小真主編材料化學(xué)導(dǎo)論材料化學(xué)導(dǎo)論高

3、教出版社，高教出版社，199719972 2蘇勉曾蘇勉曾固體化學(xué)導(dǎo)論固體化學(xué)導(dǎo)論北京大學(xué)出版社，北京大學(xué)出版社，1996 1996 3 3申泮文等譯，申泮文等譯，WestWest著著固體化學(xué)及其應(yīng)用固體化學(xué)及其應(yīng)用高等教育出版高等教育出版 社，社，198919894 4丁馬太丁馬太材料化學(xué)導(dǎo)論材料化學(xué)導(dǎo)論廈門大學(xué)出版社，廈門大學(xué)出版社，1993 1993 5. 5. 張逢星張逢星 李李珺珺均均材料化學(xué)導(dǎo)論材料化學(xué)導(dǎo)論西北大學(xué)本科講義，西北大學(xué)本科講義，20012001主要參考書主要參考書4第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 材料化學(xué)理論基礎(chǔ)材料化學(xué)理論基礎(chǔ)第三章第三章 材料結(jié)構(gòu)的表征材料結(jié)構(gòu)的

4、表征第四章第四章 材料制備化學(xué)材料制備化學(xué)第五章第五章 材料的結(jié)構(gòu)與物理性能材料的結(jié)構(gòu)與物理性能第六章第六章 新型結(jié)構(gòu)材料新型結(jié)構(gòu)材料第七章第七章 新型功能材料新型功能材料第八章第八章 功能轉(zhuǎn)換材料功能轉(zhuǎn)換材料目 錄5材料化學(xué)導(dǎo)論授課安排材料化學(xué)導(dǎo)論授課安排理論課：理論課：4848學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)6第一章第一章 緒論緒論7一、材料的定義一、材料的定義1.1.材料：材料：是具有一定性能，可以用來(lái)制作器件、構(gòu)是具有一定性能，可以用來(lái)制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)件、工具、裝置等物品的物質(zhì) 。2.2.原料與材料：原料與材料：人們把自然界經(jīng)過(guò)開(kāi)采而獲得的勞人們把自然界經(jīng)過(guò)開(kāi)采而獲得的勞動(dòng)對(duì)象稱為原料，

5、動(dòng)對(duì)象稱為原料，原料一般不是為獲得產(chǎn)品，而是原料一般不是為獲得產(chǎn)品，而是生產(chǎn)材料，往往伴隨化學(xué)變化。材料的特點(diǎn)往往是生產(chǎn)材料，往往伴隨化學(xué)變化。材料的特點(diǎn)往往是為獲得產(chǎn)品，一般從材料到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過(guò)程不發(fā)生為獲得產(chǎn)品，一般從材料到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過(guò)程不發(fā)生化學(xué)變化?；瘜W(xué)變化。材料和原料合稱為材料和原料合稱為原材料原材料。3.3.材料與物質(zhì)：材料與物質(zhì)：材料可由一種或多種物質(zhì)組成。同材料可由一種或多種物質(zhì)組成。同一物質(zhì)由于制備方法或加工方法不同可以得到用途一物質(zhì)由于制備方法或加工方法不同可以得到用途各異、類型不同的材料。各異、類型不同的材料。4.4.新材料：新材料：主要是指最近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具主要

6、是指最近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具有比傳統(tǒng)材料性能更為優(yōu)異的一類材料。有比傳統(tǒng)材料性能更為優(yōu)異的一類材料。8二、材料在人類歷史進(jìn)程中的巨大作用二、材料在人類歷史進(jìn)程中的巨大作用我們從以下幾個(gè)方面來(lái)理解材料的重要作用：我們從以下幾個(gè)方面來(lái)理解材料的重要作用：1.1.材料材料是人類賴以生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)是人類賴以生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ) 人類的衣、食、住、行都離不開(kāi)材料。人類社會(huì)人類的衣、食、住、行都離不開(kāi)材料。人類社會(huì)發(fā)展的歷史證明，材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)；發(fā)展的歷史證明，材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)；它是賴以生存和發(fā)展、征服自然和改造自然的物質(zhì)基它是賴以生存和發(fā)展、征服自然和改造自然的物質(zhì)

7、基礎(chǔ)；是人類進(jìn)步的里程碑。礎(chǔ)；是人類進(jìn)步的里程碑。近代兩次工業(yè)革命都是以近代兩次工業(yè)革命都是以新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用為先導(dǎo)的。新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用為先導(dǎo)的。 例如，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，為例如，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，為1818世紀(jì)以蒸汽機(jī)的發(fā)世紀(jì)以蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用為代表的第一次工業(yè)革命奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。明和應(yīng)用為代表的第一次工業(yè)革命奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。 本世紀(jì)中葉以來(lái)，以電子技術(shù)，特別是微電子技本世紀(jì)中葉以來(lái)，以電子技術(shù)，特別是微電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用為代表的第二次工業(yè)革命，硅單晶材術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用為代表的第二次工業(yè)革命，硅單晶材料則起著先導(dǎo)和核心作用料則起著先導(dǎo)和核心作用 92.2.材料是生產(chǎn)力發(fā)展的重要支柱材料是生

8、產(chǎn)力發(fā)展的重要支柱 縱觀人類利用材料的歷史，可以清楚地看到，每縱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(yīng)用，都把人類支配自然一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個(gè)新的水平。材料科學(xué)技術(shù)的每一次的能力提高到一個(gè)新的水平。材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破都會(huì)引起生產(chǎn)技術(shù)的革命，大大加速社會(huì)發(fā)重大突破都會(huì)引起生產(chǎn)技術(shù)的革命，大大加速社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程，給社會(huì)生產(chǎn)和人們生活帶來(lái)巨大的變化，展的進(jìn)程，給社會(huì)生產(chǎn)和人們生活帶來(lái)巨大的變化，把人類物質(zhì)文明推向前進(jìn)。把人類物質(zhì)文明推向前進(jìn)。 例如，沒(méi)有半導(dǎo)體材料就沒(méi)有計(jì)算機(jī)技術(shù)；沒(méi)有例如，沒(méi)有半導(dǎo)體材料就沒(méi)有計(jì)算機(jī)技術(shù)

9、；沒(méi)有耐高溫、高強(qiáng)度的特殊材料就沒(méi)有航天技術(shù)；沒(méi)有光耐高溫、高強(qiáng)度的特殊材料就沒(méi)有航天技術(shù)；沒(méi)有光導(dǎo)纖維就不會(huì)有現(xiàn)代通訊；沒(méi)有合成材料，今天的生導(dǎo)纖維就不會(huì)有現(xiàn)代通訊；沒(méi)有合成材料，今天的生活還會(huì)這么豐富多彩嗎？活還會(huì)這么豐富多彩嗎？103.3.材料的使用程度是人類社會(huì)發(fā)展的里程碑材料的使用程度是人類社會(huì)發(fā)展的里程碑石器時(shí)代石器時(shí)代陶器時(shí)代陶器時(shí)代銅器時(shí)代銅器時(shí)代鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代復(fù)合材料復(fù)合材料 從人類社會(huì)發(fā)展來(lái)看，使用材料經(jīng)歷了五大里程碑：從人類社會(huì)發(fā)展來(lái)看，使用材料經(jīng)歷了五大里程碑：11（1 1）石器時(shí)代）石器時(shí)代 石頭是人類使用的第一種材料，因此人類歷史的最石頭是人類使用的第一種材料，因

10、此人類歷史的最早時(shí)期被命名為早時(shí)期被命名為“石器時(shí)代石器時(shí)代”。這個(gè)時(shí)代又進(jìn)一步劃分為。這個(gè)時(shí)代又進(jìn)一步劃分為舊石器時(shí)代舊石器時(shí)代( (公元前公元前2-32-3百萬(wàn)年至約百萬(wàn)年至約1 1萬(wàn)年萬(wàn)年) )，從原始部落，從原始部落到母系社會(huì)；中石器時(shí)代到母系社會(huì)；中石器時(shí)代( (公元前約公元前約1 1萬(wàn)年至萬(wàn)年至7-87-8千年千年) )新新石器時(shí)代石器時(shí)代( (公元前公元前7-87-8千年至千年至6 6千年千年) )三個(gè)不同的歷史時(shí)期。三個(gè)不同的歷史時(shí)期。1213（2 2）陶器時(shí)代）陶器時(shí)代 陶陶是人類制備的是人類制備的第一種人造材料第一種人造材料。 中國(guó)約在公元前中國(guó)約在公元前800080006

11、0006000年的新石器時(shí)代早期，年的新石器時(shí)代早期，開(kāi)始制作陶器。開(kāi)始制作陶器。新石器時(shí)期新石器時(shí)期馬家窯式水紋彩陶體。馬家窯式水紋彩陶體。新石器時(shí)期新石器時(shí)期半山式菱形點(diǎn)紋壺。半山式菱形點(diǎn)紋壺。 恩格斯對(duì)此給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為陶器的出現(xiàn)是人恩格斯對(duì)此給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為陶器的出現(xiàn)是人類從蒙味轉(zhuǎn)變?yōu)橐靶U時(shí)代的標(biāo)志。類從蒙味轉(zhuǎn)變?yōu)橐靶U時(shí)代的標(biāo)志。14（3 3）青銅時(shí)代）青銅時(shí)代 青銅青銅是人類制造出來(lái)的是人類制造出來(lái)的第二種人造材料第二種人造材料。也是。也是第第一種合金材料一種合金材料。青銅時(shí)代大約起始于公元前。青銅時(shí)代大約起始于公元前50005000年。年。即原始社會(huì)到奴隸社會(huì)初期；即原始社會(huì)到

12、奴隸社會(huì)初期；“青銅青銅”時(shí)代約在我國(guó)商時(shí)代約在我國(guó)商周時(shí)代和私有制建立的前夜。周時(shí)代和私有制建立的前夜。青銅青銅銅錫合金銅錫合金含錫含錫1/6 1/6 韌性好韌性好制造鐘鼎制造鐘鼎含錫含錫2/5 2/5 硬度高硬度高制造刀斧制造刀斧1516湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍 我國(guó)的商、周時(shí)期，是使用青銅器的鼎盛時(shí)代，我國(guó)的商、周時(shí)期，是使用青銅器的鼎盛時(shí)代，春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的青銅兵器，留傳著許多動(dòng)人的故事。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的青銅兵器，留傳著許多動(dòng)人的故事。越王勾踐和吳王夫差的寶劍，越王勾踐和吳王夫差的寶劍，雖在地下塵封千年雖在地下塵封千年, ,出土?xí)r依然鋒利無(wú)比出土?xí)r依然鋒利無(wú)

13、比 ，我國(guó)古代名劍大多出自吳越。，我國(guó)古代名劍大多出自吳越。17中國(guó)古銅鏡中國(guó)古銅鏡18戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘19 巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安陽(yáng)晚商遺址）（河南安陽(yáng)晚商遺址）20（4 4）鐵器時(shí)代）鐵器時(shí)代 鑄鐵鑄鐵人類制造和使用第人類制造和使用第3 3種人造材料，我國(guó)的鐵器種人造材料，我國(guó)的鐵器時(shí)代由何時(shí)開(kāi)始，至今尚難斷言。至遲始于春秋，距時(shí)代由何時(shí)開(kāi)始，至今尚難斷言。至遲始于春秋，距今今2700270022002200年前我國(guó)已經(jīng)掌握了煉鐵技術(shù)，比歐洲年前我國(guó)已經(jīng)掌握了煉鐵技術(shù)，比歐洲早早18001800年左右。年左右。2122湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤2

14、3（5 5）高分子時(shí)代）高分子時(shí)代 隨著有機(jī)化學(xué)的發(fā)展，在隨著有機(jī)化學(xué)的發(fā)展，在2020世紀(jì)初出現(xiàn)世紀(jì)初出現(xiàn)合成塑料合成塑料、合成纖維合成纖維、合成橡膠合成橡膠等高分子材料，并被廣泛的用于等高分子材料，并被廣泛的用于生產(chǎn)和生活中。生產(chǎn)和生活中。24254.4.材料直接關(guān)系到國(guó)家的命脈材料直接關(guān)系到國(guó)家的命脈 在二次大戰(zhàn)中，前蘇聯(lián)在血與火的洗禮中切身體在二次大戰(zhàn)中，前蘇聯(lián)在血與火的洗禮中切身體會(huì)到材料對(duì)于國(guó)家存亡的至關(guān)重要性。會(huì)到材料對(duì)于國(guó)家存亡的至關(guān)重要性。19571957年世界上年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星第一顆人造地球衛(wèi)星SputnikSputnik上天，震撼了整個(gè)世上天，震撼了整個(gè)世界，尤

15、其是美國(guó)。徹底改變了人們對(duì)材料重要性的認(rèn)界，尤其是美國(guó)。徹底改變了人們對(duì)材料重要性的認(rèn)識(shí)和對(duì)材料研究的態(tài)度。美國(guó)有識(shí)和對(duì)材料研究的態(tài)度。美國(guó)有2525的科技工作者致的科技工作者致力于材料研究，另有力于材料研究，另有2525的科技工作者從事與某些材的科技工作者從事與某些材料有關(guān)的研究工作。各先進(jìn)國(guó)家投入巨大財(cái)力、人力料有關(guān)的研究工作。各先進(jìn)國(guó)家投入巨大財(cái)力、人力和物力致力于材料研究，目的就是要發(fā)展國(guó)家實(shí)力。和物力致力于材料研究，目的就是要發(fā)展國(guó)家實(shí)力。26三、材料的發(fā)展過(guò)程三、材料的發(fā)展過(guò)程第一代為天然材料第一代為天然材料 在原始社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)水平低下，在原始社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)水平低下，人類使用的材料只

16、能是自然界的動(dòng)物、植物和礦物，人類使用的材料只能是自然界的動(dòng)物、植物和礦物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。第二代為燒煉材料第二代為燒煉材料 燒煉材料是燒結(jié)材料和冶煉材燒煉材料是燒結(jié)材料和冶煉材料的總稱。人類用天然的礦土燒結(jié)磚瓦和陶瓷，制料的總稱。人類用天然的礦土燒結(jié)磚瓦和陶瓷，制出了出了玻璃和水泥玻璃和水泥，這些都屬于，這些都屬于燒結(jié)材料燒結(jié)材料；從各種天；從各種天然的礦石中提煉然的礦石中提煉銅、鐵銅、鐵等金屬，則屬于等金屬，則屬于冶煉材料冶煉材料；第三代材料為合成材料第三代材料為合成材料 在在2020世紀(jì)初期出現(xiàn)了化工世紀(jì)初期出現(xiàn)了化工合成產(chǎn)

17、品，其中合成塑料、合成橡膠和合成纖維已合成產(chǎn)品，其中合成塑料、合成橡膠和合成纖維已廣泛地是用于生產(chǎn)和生活中。從廣泛地是用于生產(chǎn)和生活中。從19071907年第一個(gè)小型年第一個(gè)小型酚醛樹(shù)脂廠建立，到酚醛樹(shù)脂廠建立，到19271927年第一個(gè)熱塑性聚氯乙烯年第一個(gè)熱塑性聚氯乙烯27塑料的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)商品化，塑料的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)商品化，19301930年建立了聚合物概念年建立了聚合物概念后，聚合物工業(yè)迅猛發(fā)展起來(lái)，這一領(lǐng)域的進(jìn)展經(jīng)后，聚合物工業(yè)迅猛發(fā)展起來(lái)，這一領(lǐng)域的進(jìn)展經(jīng)歷了新型塑料和合成纖維的深入研究歷了新型塑料和合成纖維的深入研究(1950-1970(1950-1970年年) )、工程塑料、聚合物合金、

18、功能聚合物材料的工業(yè)化工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工業(yè)化(1970-1980(1970-1980年年) )、分子設(shè)計(jì)、高性能、高功能聚合、分子設(shè)計(jì)、高性能、高功能聚合物的合成（物的合成（19901990年）等幾個(gè)發(fā)展進(jìn)程；年）等幾個(gè)發(fā)展進(jìn)程；第四代為可設(shè)計(jì)的材料第四代為可設(shè)計(jì)的材料 近代出現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際需要近代出現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際需要去設(shè)計(jì)特殊性能的材料，去設(shè)計(jì)特殊性能的材料，金屬陶瓷金屬陶瓷、鋁塑薄膜鋁塑薄膜等復(fù)等復(fù)合材料屬于這一類。合材料屬于這一類。第五代為智能材料第五代為智能材料 智能材料是近三四十年來(lái)研制智能材料是近三四十年來(lái)研制的一類新型功能材料，它們隨時(shí)間、環(huán)境的變化改的一類新型

19、功能材料，它們隨時(shí)間、環(huán)境的變化改變自己的性能或形狀，好像具有智能。例如變自己的性能或形狀，好像具有智能。例如形狀記形狀記憶合金憶合金就屬于這一類。就屬于這一類。28 新材料的每次使用都引起人類社會(huì)的巨大變革和新材料的每次使用都引起人類社會(huì)的巨大變革和生產(chǎn)力革命。生產(chǎn)力革命。1818世紀(jì)以來(lái)世界范圍內(nèi)的生產(chǎn)力變革和世紀(jì)以來(lái)世界范圍內(nèi)的生產(chǎn)力變革和技術(shù)革命都以新材料使用為龍頭：技術(shù)革命都以新材料使用為龍頭： 第一次技術(shù)革命第一次技術(shù)革命產(chǎn)業(yè)革命：產(chǎn)業(yè)革命：始于始于1818世紀(jì)的英世紀(jì)的英國(guó)產(chǎn)業(yè)革命，使得以手工技術(shù)為基礎(chǔ)的資本主義工場(chǎng)國(guó)產(chǎn)業(yè)革命，使得以手工技術(shù)為基礎(chǔ)的資本主義工場(chǎng)手工業(yè)過(guò)渡到采用機(jī)

20、器大生產(chǎn)的資本主義工廠制度。手工業(yè)過(guò)渡到采用機(jī)器大生產(chǎn)的資本主義工廠制度。這場(chǎng)工業(yè)革命的物質(zhì)基礎(chǔ)是鋼鐵材料，而伴隨的新技這場(chǎng)工業(yè)革命的物質(zhì)基礎(chǔ)是鋼鐵材料，而伴隨的新技術(shù)則是蒸汽機(jī)的發(fā)明；術(shù)則是蒸汽機(jī)的發(fā)明； 第二次技術(shù)革命第二次技術(shù)革命電氣革命：電氣革命：18791879年愛(ài)迪生發(fā)明年愛(ài)迪生發(fā)明了電燈，把電力革命的曙光帶給了人類，一系列電氣了電燈，把電力革命的曙光帶給了人類，一系列電氣材料相繼誕生與廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的生產(chǎn)力變革；材料相繼誕生與廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的生產(chǎn)力變革；四、材料與新技術(shù)革命四、材料與新技術(shù)革命29第三次技術(shù)革命第三次技術(shù)革命電子革命：電子革命：2020世紀(jì)中葉，新導(dǎo)世

21、紀(jì)中葉，新導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料和半導(dǎo)體材料的發(fā)明和應(yīng)用，使大規(guī)電、導(dǎo)磁材料和半導(dǎo)體材料的發(fā)明和應(yīng)用，使大規(guī)模集成塊問(wèn)世，帶來(lái)了計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，以及原模集成塊問(wèn)世，帶來(lái)了計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，以及原子能的利用，大大發(fā)展了生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)；子能的利用，大大發(fā)展了生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)；第四次技術(shù)革命第四次技術(shù)革命有人說(shuō)目前正處在第四次技術(shù)有人說(shuō)目前正處在第四次技術(shù)革命的前夜。這次技術(shù)革命以信息技術(shù)、新材料技革命的前夜。這次技術(shù)革命以信息技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)和生物工程技術(shù)為基礎(chǔ)。亦有人把術(shù)、新能源技術(shù)和生物工程技術(shù)為基礎(chǔ)。亦有人把材料、能源和信息科學(xué)看作是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大材料、能源和信息科學(xué)看作是現(xiàn)代科

22、學(xué)技術(shù)的三大支柱，而材料科學(xué)技術(shù)成為三大科學(xué)技術(shù)支柱之首支柱，而材料科學(xué)技術(shù)成為三大科學(xué)技術(shù)支柱之首。30五、材料的分類五、材料的分類1.1.按組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分按組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分金屬材料金屬材料由金屬及合金構(gòu)成的材料。由金屬及合金構(gòu)成的材料。黑色金屬黑色金屬：如鋼鐵、錳、鉻及其合金；：如鋼鐵、錳、鉻及其合金；有色金屬有色金屬：黑色金屬以外的各種金屬及其合金。：黑色金屬以外的各種金屬及其合金。無(wú)機(jī)非金屬材無(wú)機(jī)非金屬材由非金屬單質(zhì)或金屬與非金屬組由非金屬單質(zhì)或金屬與非金屬組成化合物所構(gòu)成的材料。成化合物所構(gòu)成的材料。傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料：傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料：水泥、玻璃、陶瓷等水泥、玻璃、陶瓷等 新型

23、無(wú)機(jī)非金屬材料：新型無(wú)機(jī)非金屬材料：高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、光導(dǎo)纖維等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、光導(dǎo)纖維等如水晶如水晶(SiO(SiO2 2) )、金剛石、金剛石(C)(C)、剛玉、剛玉(Al(Al2 2O O3 3) )、新型陶、新型陶瓷材料或精細(xì)陶瓷，我國(guó)材料界習(xí)慣上稱之為新型瓷材料或精細(xì)陶瓷，我國(guó)材料界習(xí)慣上稱之為新型無(wú)機(jī)材料。無(wú)機(jī)材料。金屬材料金屬材料 金屬材料是由金屬材料是由金屬元素金屬元素組成組成的材料?？煞譃橛傻牟牧??？煞譃橛梢环N一種金屬元素金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)（構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬純金屬）；由）；由兩種兩種或兩種以上或兩種以上的金屬元素或金屬與的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的非金屬元素構(gòu)成的合金合金。

24、合金又。合金又可分為可分為固溶體固溶體和和金屬間化合物金屬間化合物。無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料 無(wú)機(jī)非金屬材料是由無(wú)機(jī)非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽鹽、鍺酸鹽等原料和（或）等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總稱。無(wú)機(jī)非金屬材料種類繁多，用途各異，目前還沒(méi)有總稱。無(wú)機(jī)非金屬材料種類繁多，用途各異，目前還沒(méi)有統(tǒng)一完善的

25、分類方法。一般將其分為統(tǒng)一完善的分類方法。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）新型的（先進(jìn)的）無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類。無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類。 傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料主無(wú)機(jī)非金屬材料主要是指由要是指由SiO2及其硅酸鹽及其硅酸鹽化合物化合物為主要成分制成的材料，包括為主要成分制成的材料，包括陶陶瓷、玻璃、水泥瓷、玻璃、水泥和和耐火材料耐火材料等。等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、金屬礦（石棉、云母、大理石大理石等）等）也屬于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料。也屬于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金

26、屬材料。先進(jìn)（或新型）先進(jìn)（或新型）無(wú)機(jī)非金屬材料是用無(wú)機(jī)非金屬材料是用氧化物、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各以及各種無(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制成的材料。種無(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制成的材料。陶瓷按其概念和用途不同，陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類，即可分為兩大類，即普通陶瓷普通陶瓷和和特特種陶瓷種陶瓷。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之一：陶瓷之一：陶瓷n普通陶瓷普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土粘土為主要原料與其它為主要原料與其它天然礦物天然礦物原料經(jīng)過(guò)粉碎混練、成型、煅燒等過(guò)程而制原料

27、經(jīng)過(guò)粉碎混練、成型、煅燒等過(guò)程而制成的各種制品。成的各種制品。n特種陶瓷特種陶瓷是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷制品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷的陶瓷制品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于主要用于耐磨損、高強(qiáng)度、耐高溫耐磨損、高強(qiáng)度、耐高溫等場(chǎng)所。功能陶等場(chǎng)所。功能陶瓷主要包括瓷主要包括電磁功能、光學(xué)功能電磁功能、光學(xué)功能及其它功能的陶瓷及其它功能的陶瓷材料。材料。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之二：玻璃之二：玻璃玻璃是由熔體過(guò)冷所制得的玻璃是由熔體過(guò)冷所制得的非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成。根據(jù)其形成網(wǎng)絡(luò)的組分不同可分

28、為網(wǎng)絡(luò)的組分不同可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃璃等，其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為等，其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為SiO2、B2O3和和P2O5。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之三：水泥之三：水泥水泥是指加入適量水后水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并中硬化又能在水中硬化，并能夠?qū)⑸啊⑹炔牧侠喂痰啬軌驅(qū)⑸?、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的細(xì)粉狀水硬性膠結(jié)在一起的細(xì)粉狀水硬性材料。材料。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之四：耐火材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度耐火材料是指耐火度不低于不低于1580的無(wú)機(jī)

29、非金屬材料。的無(wú)機(jī)非金屬材料。它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料。耐火材料是用作高溫窯爐它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料。耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)械作用。料，并能承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)械作用。大部分耐火材料是大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等）菱鎂礦、白云母等）為原料制造的。為原料制造的。 41高分子材料高分子材料以脂肪族或芳香族的以脂肪族或芳香族的C-C C-C 共價(jià)鍵為基礎(chǔ)共價(jià)鍵為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大分子組成。結(jié)

30、構(gòu)的大分子組成。天然高分子材料：天然高分子材料：木材木材, ,天然橡膠天然橡膠, ,棉花棉花, ,動(dòng)物皮毛等動(dòng)物皮毛等。合成高分子材料：合成高分子材料：塑料塑料, ,合成橡膠合成橡膠, ,合成纖維和粘合劑等合成纖維和粘合劑等。復(fù)合材料復(fù)合材料金屬、無(wú)機(jī)非金屬和有機(jī)高分子材料有機(jī)金屬、無(wú)機(jī)非金屬和有機(jī)高分子材料有機(jī)結(jié)合，可以在性能上起到協(xié)同作用，從而獲得全新性結(jié)合，可以在性能上起到協(xié)同作用，從而獲得全新性能的一類材料。如碳纖維、超細(xì)銀粉、銅粉在涂料中能的一類材料。如碳纖維、超細(xì)銀粉、銅粉在涂料中制成導(dǎo)電涂料等。制成導(dǎo)電涂料等。有機(jī)高分子材料（高聚物） 高聚物是由一種或幾種簡(jiǎn)單高聚物是由一種或幾種

31、簡(jiǎn)單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的方類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料法多種多樣。按高分子材料來(lái)源來(lái)源分為分為天然天然高分子材料和高分子材料和合成合成高分高分子材料；按材料的子材料；按材料的性能和用途性能和用途可可將高聚物分為將高聚物分為橡膠、纖維、塑料橡膠、纖維、塑料和膠粘劑和膠粘劑等。等。 n橡膠橡膠的特點(diǎn)是室溫的特點(diǎn)是室溫彈性高彈性高，即使在，即使在很小很小的的外力外力作用下，也能產(chǎn)生作用下，也能產(chǎn)生很大的形變很大的形變（可達(dá)（可達(dá)1000%），），外力去除外力去

32、除后，能迅速后，能迅速恢復(fù)原狀恢復(fù)原狀。常用的橡膠有。常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡膠、順丁橡膠天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和和硅橡膠硅橡膠等。等。n纖維受力時(shí)，形變不超過(guò)百分之二十纖維受力時(shí)，形變不超過(guò)百分之二十。纖維大分。纖維大分子子沿軸向作規(guī)則排列沿軸向作規(guī)則排列，其長(zhǎng)徑比較大，在較廣的，其長(zhǎng)徑比較大，在較廣的溫度范圍（溫度范圍（-50150）內(nèi)，機(jī)械性能變化不大。）內(nèi)，機(jī)械性能變化不大。常用的合成纖維有常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸尼龍、滌綸、晴綸和和維尼綸維尼綸等。等。 n塑料塑料的彈性介于橡膠和纖維之間。的彈性介于

33、橡膠和纖維之間。溫度稍高些，受力形溫度稍高些，受力形變可達(dá)百分之幾至幾百變可達(dá)百分之幾至幾百。有些塑料的形變是可逆的，有。有些塑料的形變是可逆的，有些塑料的形變是永久的。些塑料的形變是永久的。根據(jù)塑料受熱時(shí)行為的不同，分為根據(jù)塑料受熱時(shí)行為的不同，分為熱塑性熱塑性和和熱固性熱固性塑料塑料兩類。前者兩類。前者受熱時(shí)可以塑化和軟化，冷卻時(shí)則凝固成形，受熱時(shí)可以塑化和軟化，冷卻時(shí)則凝固成形，再加熱又可塑化軟化再加熱又可塑化軟化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等等都屬于此類；后者在都屬于此類；后者在受熱時(shí)可塑化和軟化，并通過(guò)化學(xué)受熱時(shí)可塑化和軟化，并通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，使之固定成型，但

34、冷卻后不能再加熱軟化反應(yīng)，使之固定成型，但冷卻后不能再加熱軟化，酚醛酚醛塑料和脲醛塑料塑料和脲醛塑料就屬此類。就屬此類。 n膠粘劑膠粘劑是指在常溫下處于粘流態(tài)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，是指在常溫下處于粘流態(tài)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生永久變形，外力撤去后又不能恢復(fù)原狀的高聚會(huì)產(chǎn)生永久變形，外力撤去后又不能恢復(fù)原狀的高聚物。物。復(fù)合材料復(fù)合材料 復(fù)合材料是由復(fù)合材料是由兩種或兩種以上兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。同的材料組合而成。復(fù)合材料是多相材料，主要包括基本相復(fù)合材料是多相材料，主要包括基本相和增強(qiáng)相。和增強(qiáng)相?；w相是一種基體相是一種連續(xù)相連續(xù)相材料，它把

35、改善性能的增強(qiáng)材料，它把改善性能的增強(qiáng)相材料相材料固結(jié)固結(jié)成一體的作用；增強(qiáng)相起成一體的作用；增強(qiáng)相起承受應(yīng)力承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和料）和顯示功能顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既能保（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能持原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。 復(fù)合材料的種類繁多，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的分類方法，復(fù)合材料的種類繁多，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的分類方法，下面根據(jù)復(fù)合材料的三要素來(lái)分類。按下面根據(jù)復(fù)合材料的三要素來(lái)分類。按基體

36、材料基體材料分類，有分類，有金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，混凝土基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，混凝土基復(fù)合材料，塑料基復(fù)合材料，橡膠基復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料，橡膠基復(fù)合材料等；按等；按增強(qiáng)劑形狀增強(qiáng)劑形狀可分可分為為粒子、纖維粒子、纖維及及層狀復(fù)合材料層狀復(fù)合材料；依據(jù)復(fù)合材料的；依據(jù)復(fù)合材料的性能性能可分可分為為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和和功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料。502.2.按使用性能分按使用性能分 任何材料在使用過(guò)程中都能提供可資利用的某種任何材料在使用過(guò)程中都能提供可資利用的某種或某些功能。根據(jù)這些性能可以將材料分為兩大類：或某些功能。根據(jù)這些性能可以將材料分為兩大類：

37、結(jié)構(gòu)材料：結(jié)構(gòu)材料：主要利用材料的力學(xué)性能主要利用材料的力學(xué)性能。如受力形變、。如受力形變、脆性斷裂和強(qiáng)度等作為應(yīng)用性能，如制造工具、機(jī)器、脆性斷裂和強(qiáng)度等作為應(yīng)用性能，如制造工具、機(jī)器、車輛用的鋼鐵材料，建筑房屋、橋梁和鐵路用的混凝車輛用的鋼鐵材料，建筑房屋、橋梁和鐵路用的混凝土材料。這些材料都具有抵抗外力作用而保持自己的土材料。這些材料都具有抵抗外力作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能。形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能。功能材料：功能材料：主要利用材料的物理和化學(xué)性能主要利用材料的物理和化學(xué)性能。其定義。其定義是，具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力是，具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)

38、、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及相互轉(zhuǎn)化的性能，被用于非學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及相互轉(zhuǎn)化的性能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。例如：結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。例如：51熱學(xué)性能熱學(xué)性能熱容、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定；熱容、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定；光學(xué)性能光學(xué)性能與光的作用、吸光、發(fā)光和透光性；與光的作用、吸光、發(fā)光和透光性；電學(xué)性能電學(xué)性能導(dǎo)電、介電和壓電性等；導(dǎo)電、介電和壓電性等；磁學(xué)性能磁學(xué)性能永磁、硬磁、軟磁等；永磁、硬磁、軟磁等；化學(xué)性能化學(xué)性能反應(yīng)性、催化等；反應(yīng)性、催化等；生物功能生物功能人造器官、骨骼和牙齒等。人造器官、骨骼和牙齒等。524.4.按材料的用途分按材料的用途分 建筑材料、電工材料、電

39、子材料、航空航天材料、建筑材料、電工材料、電子材料、航空航天材料、通訊材料、包裝材料、光學(xué)材料、感光材料、防火材料、通訊材料、包裝材料、光學(xué)材料、感光材料、防火材料、防水材料、耐火材料、耐酸材料、醫(yī)用材料等等。防水材料、耐火材料、耐酸材料、醫(yī)用材料等等。3.3.按聚集狀態(tài)分按聚集狀態(tài)分 單晶材料、多晶材料、微晶材料、非晶材料和單晶材料、多晶材料、微晶材料、非晶材料和液晶材料等。液晶材料等。53六、材料科學(xué)與材料化學(xué)六、材料科學(xué)與材料化學(xué) 材料，包括結(jié)構(gòu)材料和功能材料，絕大多數(shù)屬材料，包括結(jié)構(gòu)材料和功能材料，絕大多數(shù)屬于固體狀態(tài)，因而材料科學(xué)也就是固體科學(xué)。它是于固體狀態(tài)，因而材料科學(xué)也就是固體

40、科學(xué)。它是研究材料的成分、結(jié)構(gòu)、加工成型和性能及其相互研究材料的成分、結(jié)構(gòu)、加工成型和性能及其相互影響和轉(zhuǎn)化關(guān)系的一門科學(xué)。材料的推出過(guò)程如下：影響和轉(zhuǎn)化關(guān)系的一門科學(xué)。材料的推出過(guò)程如下： 從材料的推出過(guò)程可以看到，新材料的研制和從材料的推出過(guò)程可以看到，新材料的研制和商品化涉及到許多科學(xué)門類，其中最基礎(chǔ)的學(xué)科有商品化涉及到許多科學(xué)門類，其中最基礎(chǔ)的學(xué)科有3 3個(gè)：個(gè)：54固體物理學(xué)：固體物理學(xué)：研究構(gòu)成材料的固體的原子、離子及研究構(gòu)成材料的固體的原子、離子及電子運(yùn)動(dòng)和相互作用的一般共性規(guī)律，提出各種模電子運(yùn)動(dòng)和相互作用的一般共性規(guī)律，提出各種模型和理論，以型和理論，以闡明固體的結(jié)構(gòu)和性能之

41、間的關(guān)系闡明固體的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系；固體化學(xué)：固體化學(xué)：研究固體材料中具體的各類研究固體材料中具體的各類固體物質(zhì)的固體物質(zhì)的合成方法、結(jié)構(gòu)和表征、性質(zhì)測(cè)定合成方法、結(jié)構(gòu)和表征、性質(zhì)測(cè)定和應(yīng)用及其相互和應(yīng)用及其相互關(guān)聯(lián)；關(guān)聯(lián)；材料工程學(xué)：材料工程學(xué)：解決如何將固體物質(zhì)制成可以使用的解決如何將固體物質(zhì)制成可以使用的結(jié)構(gòu)材料和器件，使之具有指定的形態(tài)（如纖維、結(jié)構(gòu)材料和器件，使之具有指定的形態(tài)（如纖維、薄膜、陶瓷體、集成塊等）和薄膜、陶瓷體、集成塊等）和規(guī)定各種結(jié)構(gòu)和性能，規(guī)定各種結(jié)構(gòu)和性能，如具有特定的熱、力、光、電、聲、磁、化（學(xué)）如具有特定的熱、力、光、電、聲、磁、化（學(xué)）和生（物）功能和生（物）功能。55 從新材料研制過(guò)程涉及的從新材料研制過(guò)程涉及的3 3門科學(xué)的研究對(duì)象可門科學(xué)的研究對(duì)象可以看出，以看出，固體化學(xué)或材料化學(xué)是新材料誕生的搖籃，固體化學(xué)或材料化學(xué)是新材料