蘇科版《義務(wù)教育教科書(shū)物理》（2011年版） 特色與教學(xué)建議 - 鳳凰教育網(wǎng)

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式Introduction*Materials of Chemistry 材 料 化 學(xué)Introduction引論6/24/20221材料及材料化學(xué)的定義與內(nèi)容Conception and Content of Materials 材料的發(fā)展和重要性 Significance and Development of Materials材料的分類和要素 System of Materials 材料設(shè)計(jì) Materials Design材料的未來(lái) Future of Materials材料的應(yīng)用 Applications of Materials21 材料及材料化學(xué)的定義、概

2、念Conception Content of Materials and Chemistry of Material(1) 材料MaterialsSubstances having properties which make them useful in machinery, structures, devices and products. connected with function and, through that function, utilities.3（2）“化學(xué)物質(zhì)”和“材料”的區(qū)別Distinguish between Chemicals and MaterialsChem

3、icals： the utility lies primarily in their consumption.其效用基于其自身耗用量。Materials： can be used repeatedly or continuously for an application that does not irreversibly convert them to something else.重復(fù)性及可轉(zhuǎn)化為其它物質(zhì)的持續(xù)應(yīng)用價(jià)值。4（3）Materials Science and ChemistryChemistry related to preparation, processing and an

4、alysis of materials.Atomic-molecular level Macroscopic perspectiveinteraction Chemistry of Materials:5材料的結(jié)構(gòu)層次由宏觀(bulk)向介觀(meso-)尺寸發(fā)展。 人們對(duì)于固態(tài)物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，首先是從宏觀現(xiàn)象開(kāi)始，如物質(zhì)的熔點(diǎn)、硬度、強(qiáng)度、電導(dǎo)、磁性、化學(xué)反應(yīng)活性等；隨著20世紀(jì)初量子力學(xué)理論的建立，人們又深入了解了原子、分子結(jié)構(gòu)，用原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵理論闡明了物性和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。 但20世紀(jì)70年代開(kāi)始的納米科技，展示了材料的性質(zhì)并不直接決定于原子和分子，在物質(zhì)的宏觀固體和微觀原

5、子分子之間還存在一個(gè)介觀層次，這些層次對(duì)材料的物性起決定性作用。1nm100nmm微觀microscopic團(tuán)簇cluster納米nanoscopic介觀mecroscopic宏觀macroscopic6材料科學(xué)作為不同學(xué)科相互交叉和滲透的產(chǎn)物隨著相關(guān)科學(xué)如物理學(xué)和化學(xué)等本身不斷發(fā)展，新的學(xué)科分支應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)80年代提出了“材料物理”和“材料化學(xué)”的概念。“材料化學(xué)”的研究?jī)?nèi)容，最初由美國(guó)的Anthony R. West在固體化學(xué)及其應(yīng)用中對(duì)無(wú)機(jī)固體、有機(jī)固體及晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、制備方法、固相轉(zhuǎn)變及相圖和固體測(cè)試鑒定進(jìn)行了討論，廣泛涉及了材料學(xué)科，但書(shū)中并沒(méi)有明確提出材料化學(xué)的概念。(

6、4) What is Chemistry of Materials7材料化學(xué)是一門(mén)以材料為研究對(duì)象，研究材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)（電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)）與材料性能和效能之間的關(guān)系及其合成（制備）方法、檢測(cè)表征、材料與環(huán)境協(xié)調(diào)等問(wèn)題的科學(xué)。理論基礎(chǔ)：結(jié)構(gòu)理論、化學(xué)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)等基本原理。研究?jī)?nèi)容：用上述理論研究固體，特別是實(shí)際材料的化學(xué)反應(yīng)性；各類材料的成鍵本質(zhì)與其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的密切相關(guān)；材料組成元素的電子結(jié)構(gòu)、材料的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)；從能量和過(guò)程的觀點(diǎn)研究材料的組織結(jié)構(gòu)；以及從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)研究實(shí)際材料的化學(xué)反應(yīng)。8采用新技術(shù)和工藝方法制備新材料材料制備原理和合成方法的研究是材料化

7、學(xué)的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)的金屬材料的熔煉法、無(wú)機(jī)材料的陶瓷法、高分子材料的聚合法仍然是材料制備的重要方法；高新技術(shù)，如高溫、高壓、低溫、高真空、失重、輻射以及其它極端條件技術(shù)也大規(guī)模采用；新的合成方法和制備工藝，如溶膠凝膠法、水熱法、自蔓延高溫合成、CVD法和復(fù)合技術(shù)不斷發(fā)展；制備單晶、多晶和非晶材料、制備高分子液晶和納米材料的特殊方法也不斷完備。（總之，在材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，制備技術(shù)往往是新材料研究和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵步驟。）(5) Content of Materials9材料性能的測(cè)試材料性能包括材料的化學(xué)性能、物理性能和力學(xué)性能。材料性能的測(cè)試是判斷材料是否具有良好使用性能（效能）和多種用途以及如

8、何延長(zhǎng)材料壽命和進(jìn)行材料保護(hù)的依據(jù)。材料化學(xué)重點(diǎn)研究各類材料化學(xué)性能，材料化學(xué)性能的測(cè)試包括了解各類材料在環(huán)境介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性和變化，如金屬的腐蝕與破壞；以及利用化學(xué)原理如何防護(hù)、解決保護(hù)資源和環(huán)境、節(jié)約材料和發(fā)展新技術(shù)等問(wèn)題。10材料組成和微觀結(jié)構(gòu)的表征現(xiàn)代材料的表征技術(shù)和方法、材料設(shè)計(jì)與改性的基本原則以及現(xiàn)代材料的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)環(huán)境材料和資源化學(xué)的初步介紹來(lái)研究和探索各類材料與環(huán)境協(xié)調(diào)方面的問(wèn)題，包括材料的功能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境性的關(guān)系，綠色材料的研制與開(kāi)發(fā)，廢棄材料和物質(zhì)的無(wú)害化于資源化的方法和途徑，以及材料、資源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的辯證關(guān)系。112 Significance

9、 and Development of Materials材料的發(fā)展及意義材料的發(fā)明、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)往往是人類社會(huì)文明發(fā)展進(jìn)程的里程碑。是劃分不同歷史時(shí)期的重要依據(jù)。12天然材料石器時(shí)代 舊：粗糙的石器； 中：磨光石器和弓箭。燒煉材料（陶、銅、鐵） 新石器時(shí)代以火制備陶，從蒙昧到野蠻； 青銅器時(shí)代：青銅CuSn合金是人造的第二種材料（進(jìn)入奴隸社會(huì)）； 鐵器時(shí)代（進(jìn)入封建社會(huì)）。(1)Development13蒸汽時(shí)代產(chǎn)業(yè)革命 以鋼鐵材料為基礎(chǔ)的機(jī)器大生產(chǎn)導(dǎo)致資本主義的誕生；電氣時(shí)代第二次技術(shù)革命 一系列電業(yè)材料的生產(chǎn)和應(yīng)用使自由競(jìng)爭(zhēng)資本主義過(guò)渡到壟斷資本主義；當(dāng)今世界：合成材料（塑料、纖維、橡膠、

10、涂料）； 復(fù)合材料（纖維增強(qiáng)型、顆粒彌撒型、剃度功能型）； 智能材料；生物材料14(2) Signification of Material Science材料的重要性國(guó)民經(jīng)濟(jì)的三大支柱產(chǎn)業(yè)：能源信息材料80年代以來(lái)，全球崛起了六大技術(shù)群體： 信息、新材料、新能源、 生物、空間和海洋。其中21世紀(jì)新技術(shù)革命的主要標(biāo)志：信息技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)。21世紀(jì)九大重點(diǎn)領(lǐng)域：先進(jìn)材料、納米技術(shù)、微電子學(xué)（信息存儲(chǔ)、微電子材料、超導(dǎo)及高溫電子學(xué)）、光子學(xué)、微系統(tǒng)工程、軟件與計(jì)算機(jī)模擬、分子電子學(xué)、細(xì)胞生物技術(shù)以及信息、生產(chǎn)與管理工程。另外，很多領(lǐng)域中也包含了不少與材料直接相關(guān)的課題，如納米技術(shù)中出現(xiàn)

11、的納米材料，微電子學(xué)中的信息存儲(chǔ)、微電子材料、超導(dǎo)及高溫電子學(xué)等。材料是能源和信息工業(yè)技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。153 System of Materials 材料分類及要素 材料的品種極其繁多，形式各異。迄今已注冊(cè)的達(dá)幾十萬(wàn)種，而且每年還以5左右的速度遞增。(1)Classification and the Essentials of Materials根據(jù)材料的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)材料分類Metallic MaterialsInorganic MaterialsPolymersComposites金屬材料無(wú)機(jī)材料高分子材料復(fù)合材料16金屬材料純金屬、合金（鋼鐵材料、非鋼鐵材料）。 特點(diǎn)：優(yōu)良的力學(xué)性能（高

12、強(qiáng)度和高塑性），可加工性和物理性能。如奠定了近代的物質(zhì)文明的鋼鐵、鋁和銅及其合金）無(wú)機(jī)非金屬材料（簡(jiǎn)稱無(wú)機(jī)材料）包括金屬材料和高分子材料以外的幾乎所有材料（陶瓷、磚瓦、玻璃、水泥、耐火材料、硅酸鹽材料、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物。 特點(diǎn)：耐高溫、高硬度、抗腐蝕。尤其具有優(yōu)良的介電、壓電、光學(xué)、電磁學(xué)等功能轉(zhuǎn)換特性，為材料中用量最大的一類材料。有機(jī)高分子材料高聚物或聚合物。分為天然（纖維素、蛋白質(zhì)、天然橡膠、樹(shù)脂）與合成（聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂等）兩類。這類材料多以石油、煤炭等為原料，資源豐富，發(fā)展迅速。在某些領(lǐng)域可以取代金屬材料及無(wú)機(jī)材料。特點(diǎn)：密度小（僅為鋼鐵的1/8 1

13、/7)、比強(qiáng)度大、電絕緣性和耐腐蝕性好、加工容易，固可以部分取代金屬和無(wú)機(jī)材料。 復(fù)合材料：由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料。特點(diǎn)：即保持原組成材料的主要特色，還通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。17按使用性能分Structural Materials主要利用材料的力學(xué)性能Functional Materials主要利用材料的物理和化學(xué)性能按狀態(tài)分(固、液、氣）按用途分（醫(yī)用、工程、航空）18(2) the Essentials of Materials根據(jù)材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)，從材料實(shí)用出發(fā)，制成的材料必須通過(guò)實(shí)用的考驗(yàn)，而實(shí)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要以材料

14、能達(dá)到的性能為依據(jù)，材料的性能依賴于材料的結(jié)構(gòu)，而為了制備預(yù)定結(jié)構(gòu)的材料，又必須設(shè)計(jì)出該材料的制備方法。(Chemistry)(Engineering)(Physics)美國(guó)的政策性報(bào)告90年代的材料科學(xué)與工程認(rèn)為現(xiàn)代材料研究是由四個(gè)要素組成。194 Materials DesignPrinciple for Design of Materials材料的設(shè)計(jì)與研制的基本要求（綠色材料、環(huán)境友好材料）除了結(jié)構(gòu)和功能相結(jié)合外，還應(yīng)考慮到：智能無(wú)（少）污染可再生長(zhǎng)壽命節(jié)能20現(xiàn)代材料（先進(jìn)材料或新型材料）指新近發(fā)展起來(lái)的和正在發(fā)展中的，具有一系列優(yōu)異性能和特殊功能，且對(duì)科學(xué)，尤其是高技術(shù)的發(fā)展及新興

15、產(chǎn)業(yè)的形成具有決定意義的一大類材料的總稱。新材料是高技術(shù)的一部分，同時(shí)又為高技術(shù)服務(wù)。具有以下特點(diǎn)：1.屬于多學(xué)科交叉，知識(shí)、技術(shù)和資金均密集的新產(chǎn)業(yè)； （通訊、生命、材料）設(shè)計(jì)制備和質(zhì)量性能控制測(cè)試需要先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備；同時(shí)，未來(lái)的高新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)又依賴于當(dāng)前新型材料的研制和應(yīng)用；3.新型材料的生產(chǎn)規(guī)模小、品種多、更新?lián)Q代快、價(jià)格昂貴、技術(shù)保密、難度很大。（如計(jì)算機(jī)的芯片技術(shù)）5 Future of Materials （Advanced Materials）未來(lái)的材料211. 光電子信息材料和超導(dǎo)材料美國(guó)高技術(shù)雜志對(duì)21世紀(jì)的高技術(shù)作出評(píng)價(jià)：“超導(dǎo)產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益，光電子技術(shù)變革信息社會(huì)，人體

16、科學(xué)向未來(lái)提出挑戰(zhàn)”?？梢?jiàn)在21世紀(jì)，光電子信息材料和超導(dǎo)材料的主要意義。光電子信息材料對(duì)滿足國(guó)防、計(jì)算機(jī)、通訊、航天工業(yè)等方面的要求至關(guān)重要。主要是高純玻璃材料、新型半導(dǎo)體材料、先進(jìn)薄膜以及各種非線性光學(xué)和激光材料。目前日本在該類材料上居于領(lǐng)先地位。20世紀(jì)80年代，高溫超導(dǎo)材料的研制受到世界各國(guó)的重視，中國(guó)一度處于領(lǐng)先地位，但由于沒(méi)有重視技術(shù)向應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，現(xiàn)在明顯落后于日本和歐美。222. 新型金屬材料 盡管非金屬新材料發(fā)展迅速，但21世界金屬材料仍將占有重要地位。如：高比強(qiáng)度的鈦合金和鎳基高溫合金用于現(xiàn)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的總質(zhì)量中仍占很大比例；超高強(qiáng)鋼、超塑合金、超耐熱合金等仍是工業(yè)、交通和

17、軍工的主要結(jié)構(gòu)材料；永磁合金、超導(dǎo)合金、儲(chǔ)氫合金等將更加普遍的應(yīng)用。 許多金屬及合金材料將通過(guò)新技術(shù)、新工藝來(lái)提高合金化程度或改變組織，從而大幅度提高材料的性能。如快速冷卻（104105K/s）可使得合金成為非晶態(tài)或形成微晶，提高合金化程度，強(qiáng)化合金性能；而定向結(jié)晶和單晶生長(zhǎng)，合金成分設(shè)計(jì)和微量元素添加（引入缺陷和量子點(diǎn)）均可賦予合金新的性能。233. 先進(jìn)無(wú)機(jī)材料（陶瓷材料）和傳統(tǒng)硅酸鹽類陶瓷相比：對(duì)原料純度和物理形態(tài)要求更嚴(yán)格。合成制備工藝苛刻：化學(xué)合成、激光、化學(xué)氣相沉積、等離子、高分子先驅(qū)體轉(zhuǎn)化等技術(shù)。特點(diǎn)：每種先進(jìn)陶瓷都具有特定的精細(xì)顯微結(jié)構(gòu)和性能。分類：功能陶瓷利用其絕緣行和介電性

18、以及電性和其它性能（機(jī)、聲、光、熱等）之間的耦合和轉(zhuǎn)換功能（導(dǎo)電陶瓷、壓電陶瓷、光學(xué)陶瓷、生物陶瓷），占先進(jìn)陶瓷的70%以上。 結(jié)構(gòu)陶瓷高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕，用在機(jī)械、化工、冶金領(lǐng)域（氮化硅、碳化硅、氧化鋯、氧化鋁等）。24 這類材料強(qiáng)度可以達(dá)到比金屬高，而且更耐腐蝕，且生產(chǎn)過(guò)程耗能低、易于成型加工，成本低，可根據(jù)需要在分子水平上設(shè)計(jì)。工程塑料、高分子液晶、高分子壓電、導(dǎo)電高分子、耐熱高分子涂料等） 目前，全世界高分子材料的年產(chǎn)量已達(dá)億噸級(jí)，其中塑料的產(chǎn)量?jī)H次于鋼鐵。高性能塑料、合成橡膠和合成纖維發(fā)展更為迅速。25高分子材料：塑料、橡膠、纖維、涂料這四種廣泛應(yīng)用的高分子材料是20世紀(jì)人類文明

19、的標(biāo)志之一；21世紀(jì)的高分子材料的研究不僅會(huì)提高上述材料的性能，還將注意功能高分子（光、電、磁），醫(yī)用高分子、智能高分子（性能和功能適應(yīng)外場(chǎng)變化），通用高分子材料的產(chǎn)生。導(dǎo)電磁性材料塑料纖維涂料橡膠工程材料粘合劑醫(yī)用材料液晶材料功能膜材料光功能材料高分子材料26（Advanced Composites Materials） 高性能增強(qiáng)體，如碳纖維、芳綸等及高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復(fù)合材料，現(xiàn)在也包括金屬、陶瓷基和碳（石墨）基以及功能復(fù)合材料。 特點(diǎn)高比強(qiáng)度和比模量，耐熱性和抗疲勞性能好，熱膨脹系數(shù)小。應(yīng)用于國(guó)防、航天、精密機(jī)械、深潛器、機(jī)器人結(jié)構(gòu)件和高檔體育用品。將多種不同性能、功能的材料用化學(xué)方法結(jié)合產(chǎn)生某一特殊性能且優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的新型材料。復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料無(wú)機(jī)物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)材料2721世紀(jì)新材料的展望微電子材料和器件：DNA生物芯片三維空間的分子電路元件，包容密度比目前的硅芯片高100萬(wàn)倍；超導(dǎo)材料：實(shí)現(xiàn)室溫