材料化學(xué)(第2版)作者曾兆華、楊建文編著第一章課件

材料化學(xué)Chapter1IntroductionMaterialsChemistry1Chapter1IntroductionChapter1

Introduction

緒論21.1 材料與化學(xué)1.2 材料的分類1.3 材料化學(xué)的特點(diǎn)1.4 材料化學(xué)的在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用1.5 材料化學(xué)的主要內(nèi)容Chapter1Introduction本章內(nèi)容3生活中的材料鯊魚皮泳衣鯊魚的皮膚上有一層極為細(xì)小的突起狀，相當(dāng)于小型的水囊，能在流動(dòng)時(shí)有序地引導(dǎo)周圍的水向同一方向流動(dòng)，使鯊魚更舒暢、省力地在水中游弋。鯊魚皮泳衣是對采用仿生學(xué)原理制造出的競技用游泳衣的形象稱呼。它根據(jù)鯊魚皮的特性制作出來的，主要是性能是減小有用過程中水的阻力。鯊魚皮泳衣的發(fā)展歷史第一代鯊魚皮（2000年）采用纖維模仿鯊魚皮膚結(jié)構(gòu)，能引導(dǎo)周圍的水流，減少水阻力并提高游進(jìn)速度3%～7.5%。作為鯊魚皮的代表，這款泳裝在悉尼奧運(yùn)會(huì)上風(fēng)靡全球，有83%的參賽選手選擇身穿鯊魚皮參加比賽。第二代鯊魚皮（2004年）在第1代的基礎(chǔ)上，在面料的表面加上顆粒狀的小點(diǎn)，目的是減少30%的水阻整體功能比第1代提升7.5%。2004年的雅典奧運(yùn)會(huì)獲得獎(jiǎng)牌的運(yùn)動(dòng)員中有47人就是穿著這款泳衣登上領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)的。二代第三代鯊魚皮（2007年）由防氧彈性紗和特細(xì)尼龍紗組成。它的彈性比同類產(chǎn)品高15%，可以減少肌肉振動(dòng)和能量損耗。在2007年1年時(shí)間里，協(xié)助世界各國運(yùn)動(dòng)員先后21次打破世界紀(jì)錄。第四代鯊魚皮（2008年）第4代由極輕、低阻、防水和快干性能LZRPulse面料組成，是全球首套以高科技熔接生產(chǎn)的無皺褶比賽泳裝。在近1個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生的16項(xiàng)新的世界紀(jì)錄中，有14項(xiàng)是由選手穿著這款泳衣創(chuàng)造的。美國海軍用0.5馬力陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)廣州新電視塔摩天輪的16個(gè)“水晶”觀光球艙，殼體采用新型高分子材料，晶瑩剔透，能保證艙內(nèi)游客對塔外景色一覽無余。美國最新型隱身戰(zhàn)斗機(jī)F-22使用吸波材料和吸波涂層Materials：Substanceshavingpropertieswhichmakethemusefulinmachinery,structures,devicesandproducts.Chapter1Introduction1.1材料與化學(xué)

MaterialsandChemistry——connectedwithfunctionand,throughthatfunction,utilities.11Distinguishbetween

ChemicalsandMaterialsChemicals：theutilityliesprimarilyintheirconsumption.Materials:canbeusedrepeatedlyorcontinuouslyforanapplicationthatdoesnotirreversiblyconvertthemtosomethingelse.Chapter1Introduction12MaterialsScience&Chemistry MaterialsScienceandChemistry

Atomic-molecularlevelinteractionMaterialsChemistry:Chemistryrelatedtostructure,properties,preparationandapplicationsofmaterials.

MacroscopicperspectiveChapter1Introduction13材料的發(fā)展化學(xué)與材料親密接觸的歷史人類第一個(gè)化學(xué)上的發(fā)現(xiàn)是火，這是公元前50萬年左右的事情。而人類第一次真正有意識(shí)地創(chuàng)造發(fā)明的自然界并不存在的“新材料”陶器就是在火的幫助下制造出來的。在燒制陶器的過程中人類又還原出了金屬銅和錫，發(fā)明了煉銅技術(shù)，從而把歷史推進(jìn)了青銅器時(shí)代。我國的四大發(fā)明中至少有兩項(xiàng)是化學(xué)和材料的結(jié)合體通過蒸煮草木灰把植物中的纖維物質(zhì)提煉出來制成了紙漿；一硝二磺三木炭的組合則生成了火藥。2KNO3+3C+S=N2↑+3CO2↑+K2S+169千卡“一硝二磺三木炭”的原理在抗日戰(zhàn)爭事情也發(fā)揮了巨大的作用。18世紀(jì)末分析化學(xué)的發(fā)展使得人們第一次認(rèn)識(shí)到鋼中存在有碳原子，而且碳原子在決定鋼的性質(zhì)方面起著十分關(guān)鍵的作用，從而促使人們開始從材料的組成角度來研究材料。20世紀(jì)初開始出現(xiàn)的合成材料就是在有機(jī)化學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上誕生的。元素周期表的發(fā)現(xiàn)及其對材料科學(xué)的影響進(jìn)入到近代后，化學(xué)開始有意識(shí)地向材料靠攏，并且逐漸地在理解材料的結(jié)構(gòu)和性能方面發(fā)揮著越來越重要的作用?，F(xiàn)代的材料科學(xué)就是一種“煉金術(shù)”，它能變魔術(shù)般地以90多種元素為原料，從理論研究、應(yīng)用，到制造成雖然不是金子但是卻有可能比金子更為人類所需、更有價(jià)值、更加珍貴的新物質(zhì)?；瘜W(xué)家們經(jīng)過幾百年的努力，開發(fā)出了許多存在于自然界的天然化合物，同時(shí)也制備出了大量自然界所不存在的合成化合物，兩者的總和超過了2000萬種，其中的一部分已經(jīng)成為了各種各樣的材料，構(gòu)成了現(xiàn)代文明社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前全世界的化學(xué)家們平均每天研究出7000多種新化合物，為材料的選擇提供了豐富的來源。Developmentofmaterials材料的發(fā)展的幾個(gè)階段材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用是人類文明的標(biāo)志。

材料的品種、質(zhì)量和產(chǎn)量，是直接衡量一個(gè)國家的科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。Chapter1Introduction19①陶器制作：粘土及其它添加物，加熱燒結(jié)成較硬實(shí)體；人類社會(huì)結(jié)構(gòu)﹑生活形態(tài)的改變。②青銅器：金屬產(chǎn)物的工具﹑武器﹑農(nóng)具﹑禮器﹑祭器等取代泥制陶器；③金屬使用：常溫的剛強(qiáng)度，紅熱時(shí)可鍛煉成形性，熔融后的鑄造性。早期：三個(gè)時(shí)代Chapter1Introduction20Pottery→→Pottery新石器時(shí)期半山式菱形點(diǎn)紋壺新石器時(shí)期馬家窯式水紋彩陶缽Chapter1Introduction21ChinaChina康熙黃釉蓋罐

乾隆茶葉末六連瓶

Chapter1Introduction22唐三彩鴛鴦壺

一種低溫鉛釉的陶器，采用黃、綠、褐等色釉在器皿構(gòu)成花朵、斑點(diǎn)或不規(guī)則的幾何紋等，色彩斑斕的色釉裝飾。雖稱為三彩，實(shí)際上并不限于三種色彩，往往采用二次燒成法，第一次素?zé)?，溫度約在攝氏一千度左右，燒成坯胎；第二次在素胎上施釉，另行釉燒而溫度八百度。Chapter1Introduction23明掐絲琺瑯葫蘆式扁瓶

橘皮釉

Chapter1Introduction24→→Glass現(xiàn)代的水晶玻璃WarringStatesGlassEyeBeadsGlassChapter1Introduction25FigureofmaterialsdevelopmentChapter1Introduction26StoneAgeStoneageChapter1Introduction27MaterialsWoodStoneBonePotterythePaleolithicPeriodtheNeolithicAgeTable1-1DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAge

DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAgeChapter1Introduction28BronzeAgeBronzeageChapter1Introduction29含錫量1/6——韌性好——制造鐘鼎含錫量2/5——硬度高——制造刀斧CuSnPbZn第一個(gè)合金材料：銅錫合金（青銅）

結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系A(chǔ)lloyChapter1Introduction30中國古銅鏡CoppermirrorsChapter1Introduction31Coppermusicalinstrument戰(zhàn)國青銅編鐘

Chapter1Introduction32IronAgeIronAgeChapter1Introduction33Equations

煉鐵過程的化學(xué)Chapter1Introduction34鑄鐵鍛鐵鋼鐵依含碳量和雜質(zhì)多少鐵和碳的合金Alloysofiron&carbonChapter1Introduction35第八世紀(jì)的"Carolingian"劍東方曲劍"Persian"土耳其的"Damascus"劍日本劍的鋒口部份SwordsChapter1Introduction36早期：純粹憑經(jīng)驗(yàn)工藝。近現(xiàn)代：

基本化學(xué)原理

物質(zhì)微結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良而價(jià)值更高的材料高性能碳鋼和合金鋼鋼制品精煉工藝技術(shù)Chapter1Introduction37鋼硅塑料合成材料半導(dǎo)體精密陶瓷復(fù)合材料納米材料……我們現(xiàn)在所處的時(shí)代應(yīng)該稱為什么時(shí)代？Chapter1IntroductionMetallicMaterialsInorganicMaterialsPolymersComposites按組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分1.2材料的分類

ClassificationofMaterials39StructuralMaterials——主要利用材料的力學(xué)性能FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化學(xué)性能按使用性能分按用途分Classificationofmaterials導(dǎo)電材料、絕緣材料、生物醫(yī)用材料、航空航天材料、能源材料、電子信息材料、感光材料等等Chapter1Introduction40金屬材料（MetallicMaterials）金屬材料通常由一種或多種金屬元素組成，其特征是存在大量的離域電子，也就是說，這些電子并不鍵合在特定原子上。通常具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、拋光表面的反光性、金屬光澤、延展性、塑性等。鋼材：在建筑、橋梁、設(shè)備等廣泛用作結(jié)構(gòu)材料。銅材：常常作為導(dǎo)電材料使用。新型金屬材料：如超塑性合金、形狀記憶合金、儲(chǔ)氫合金等。Chapter1Introduction41ExamplesChapter1Introduction42無機(jī)非金屬材料（InorganicMaterials）無機(jī)化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。單質(zhì)材料：單晶硅、金剛石、石墨等。以陶瓷為主。可用作結(jié)構(gòu)材料、光學(xué)材料、電子材料等。半導(dǎo)體材料：單晶硅、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等。用于制造集成電路、固態(tài)激光器、發(fā)光二極管、晶體管等。Chapter1Introduction43ArchitecturematerialsChapter1Introduction44高分子材料（Polymers）高分子是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機(jī)化合物。天然高分子材料：木材、天然橡膠、棉花、動(dòng)物皮毛等。合成高分子材料：塑料、合成橡膠和合成纖維。功能高分子材料：工程塑料、導(dǎo)電高分子、高分子半導(dǎo)體、光導(dǎo)電高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物醫(yī)用高分子材料、反應(yīng)性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、高分子催化劑及高分子試劑等。Chapter1Introduction45(3)ShoesChapter1Introduction46復(fù)合材料（Composites）復(fù)合材料：由兩種或多種不同材料組合而成的材料。既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所無法獲得的或更優(yōu)異的特性。金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料相互之間或同種材料之間均可復(fù)合形成復(fù)合材料。自然界的復(fù)合材料：例如樹木和竹子為纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；動(dòng)物骨骼則是由無機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。古老的復(fù)合材料：稻草增強(qiáng)粘土以及漆器（麻纖維和土漆復(fù)合而成）。傳統(tǒng)的復(fù)合材料：鋼筋混凝土，玻璃鋼。Chapter1Introduction47(6)Spaceflightmaterials首架復(fù)合材料飛機(jī)Chapter1Introduction48航空材料的主要要求是耐高溫、高比強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低成本。

多功能化、復(fù)合化、精細(xì)化、智能化Chapter1Introduction49Examples波音公司開發(fā)之機(jī)體與復(fù)合材料

JChapter1Introduction501.3材料化學(xué)的特點(diǎn)

CharacteristicsofMaterialsChemistry跨學(xué)科性：既是化學(xué)學(xué)科的一個(gè)次級學(xué)科，又是材料科學(xué)的一個(gè)分支。新材料的發(fā)展，往往源于其它科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的需求，這導(dǎo)致材料化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)等眾多學(xué)科緊密相連。材料合成與加工技術(shù)的發(fā)展不斷地對諸如生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)等新興技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。通過分子設(shè)計(jì)和特定的工藝，可以使材料具備各種特殊性質(zhì)或功能，如高強(qiáng)度、特殊的光性能和電性能等，這些材料在現(xiàn)代技術(shù)中起著關(guān)鍵作用。Chapter1Introduction51材料化學(xué)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，這是它與固體化學(xué)的主要區(qū)別所在。材料通過實(shí)驗(yàn)室的研究工作而得到深入的了解，從而指導(dǎo)材料的發(fā)展和合理使用。高性能、高質(zhì)量及低成本的材料只有通過工藝的不斷改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)。材料變?yōu)槠骷虍a(chǎn)品要解決一系列工程技術(shù)問題，這都需要理論和實(shí)踐的結(jié)合，一方面用理論指導(dǎo)實(shí)踐，另一方面通過大量實(shí)踐使理論得到進(jìn)一步發(fā)展。Chapter1Introduction52實(shí)踐性：生物醫(yī)藥領(lǐng)域生物相容性材料：例如設(shè)計(jì)特殊的金屬合金和聚合物涂層，以保護(hù)人體組織不與人工骨頭置換體或其他植入物相排斥;人造腎臟、血液氧合器、靜脈過濾器以及診斷化驗(yàn)等;藥物、蛋白質(zhì)及基因的控制釋放。Chapter1Introduction1.4材料化學(xué)的在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用53芯片制造：光致抗蝕劑、化學(xué)氣相沉積法、等離子體刻蝕;信息存儲(chǔ)材料;光電子材料;光子晶體。Chapter1Introduction54電子信息領(lǐng)域

環(huán)境和能源領(lǐng)域清潔能源：光伏電池、太陽能電池、燃料電池等；可回收和可生物降解材料；環(huán)境友好材料結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域汽車和飛機(jī)：比以前更安全、輕便和省油；特種涂料：具有防腐、保護(hù)、美化或其它用途，可在結(jié)構(gòu)材料上使用；智能化的結(jié)構(gòu)材料：由各種具有不同功能或性能的材料組合而成Chapter1Introduction55新材料在高技術(shù)中的應(yīng)用幾個(gè)實(shí)例1982年日本首次研制出了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)小汽車。它的出現(xiàn)使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕，提高燃燒度和節(jié)約燃料的愿望成為現(xiàn)實(shí)。1988年前蘇聯(lián)一架以液氫為燃料的中型運(yùn)輸機(jī)首次試飛成功。液氫的沸點(diǎn)為253C，攜儲(chǔ)液氫需要高效率的絕熱材料。液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，則意味著低溫極限技術(shù)已達(dá)到實(shí)用化程度。1989年日本一艘潛水調(diào)查船下潛到6500米的深海區(qū)，打破了美國、前蘇聯(lián)和德國的下潛紀(jì)錄。這艘潛水艇耐水艙使用的是一種高強(qiáng)度鈦合金，觀察窗使用的是一種新型的有機(jī)玻璃。美國在海灣戰(zhàn)爭中使用的隱身戰(zhàn)斗機(jī)所以能隱身，就是使用了一種吸波材料和吸波涂層。所謂隱形是指不易被雷達(dá)或紅外線、可見光、聲探測等傳感器發(fā)現(xiàn)。隱形飛機(jī)之所以能夠隱形，主要是綜合采用了隱身外形技術(shù)、隱身材料技術(shù)、紅外線抑制和干擾技術(shù)、聲波隱身技術(shù)以及微電子技術(shù)等，具有降低其在雷達(dá)屏幕上的特征、壓制噪聲、減弱飛機(jī)紅外圖像特征、抑制無線電信號(hào)傳輸?shù)刃阅?。隱形飛機(jī)與材料

隱形武器由于其科技含量高，對材料要求苛刻，研制費(fèi)用異常高。美國的F-117A隱形飛機(jī)單價(jià)為1.1億美元，B-2隱形轟炸機(jī)單價(jià)更高達(dá)5.3億美元，比與機(jī)體等重量的黃金價(jià)值還要高。最近，美國又以4000億美元的天價(jià)，開始研制一種集“隱形、敏捷、高速”為一體的F-35新型隱形戰(zhàn)機(jī)。F-117A戰(zhàn)斗機(jī)周身幾乎全由直線構(gòu)成，機(jī)體表面使用了6種不同的雷達(dá)吸波涂層材料，大大降低了雷達(dá)探測度。經(jīng)科學(xué)家測試，雷達(dá)在距離F-117A飛機(jī)600米時(shí)，就已完全接收不到它發(fā)出的信號(hào)。在美國的航天史上發(fā)生過三起巨大災(zāi)難1967年1月27日：阿波羅號(hào)飛船升空時(shí)爆炸，三名宇航員遇難1986年1月28日：挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)升空時(shí)爆炸，包括一名女教師在內(nèi)的宇航員全部遇難2003年2月1日：“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)在完成16天的太空研究任務(wù)后，在返回大氣層時(shí)突然發(fā)生解體，機(jī)上7名宇航員全部遇難“哥倫比亞號(hào)”是航天飛機(jī)第一次在即將著陸時(shí)發(fā)生的災(zāi)難?？针y發(fā)生后，由美國宇航局（NASA）組成了由材料和工藝工程師及科學(xué)家組成的調(diào)查組對飛機(jī)殘骸進(jìn)行了重組、殘骸材料的冶金分析以及模擬試驗(yàn)，分析了航天飛機(jī)爆炸的原因?！案鐐惐葋喬?hào)”航天飛機(jī)的爆炸，震驚了世人，同時(shí)也引起了人們對材料的關(guān)注，材料分析揭開了哥倫比亞空難之謎。哥倫比亞空難與材料

這張照片是在哥倫比亞號(hào)返回地球的11天前拍攝并傳回的，通過哥倫比亞號(hào)上隨機(jī)安裝的一架照相機(jī)拍攝。升空時(shí)，從燃料箱腳架處掉下的一塊隔熱泡沫砸到左翼碳／碳復(fù)合材料面板下半部附近造成裂縫。而后高溫?zé)犭x子流穿過此處，使機(jī)翼鋁合金、鐵基合金、鈉基合金結(jié)構(gòu)熔化，導(dǎo)致航天飛機(jī)失控、機(jī)翼破壞和機(jī)體解體。Chapter1Introduction結(jié)構(gòu)

材料的結(jié)構(gòu)是指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)，相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括納米以下、納米、微米、毫米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次。所有這些層次都影響產(chǎn)品的最終行為。單個(gè)原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列相態(tài)結(jié)構(gòu)材料化學(xué)是關(guān)于材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備和應(yīng)用的化學(xué)1.5材料化學(xué)的主要內(nèi)容64性能

性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應(yīng)的定量表述。力學(xué)性能：材料的強(qiáng)度、延性和剛度。物理性能：電、磁、光、熱等。Chapter1Introduction制備

材料的合成與制備就是將原子、分子聚合起來并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)過程。合成與制備是提高材料質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵，也是開發(fā)新材料、新器件的中心環(huán)節(jié)。65教學(xué)用書：曾兆華，楊建文編著.材料化學(xué).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2008主要參考書目：楊興鈺.材料化學(xué)導(dǎo)論.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2003劉光華編著.現(xiàn)代材料化學(xué).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000周達(dá)飛主編.材料概論.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001BrianS.Mitchell.AnIntroductiontoMaterialsEngineeringandScience.USA,JohnWiley&Sons,2004.WilliamD,CallisterJ.Materialsscienceandengineering:Anintroduction.5thEd.,USA,JohnWiley&Sons,1999SmithWF.Foundationsofmaterialsscienceandengineering.NewYork,McGraw-HillBookCo.,1992BradleyD.Fahlman.MaterialsChemistry.German,Springer,2007Chapter1Introduction66思考題什么是材料化學(xué)？其主要特點(diǎn)是什么？新石器時(shí)代的標(biāo)志是什么？材料與試劑的主要區(qū)別是什么？觀察一只燈泡，列舉出制造燈泡所需要的材料。材料按其組成和結(jié)構(gòu)可以分為哪幾類？簡述材料化學(xué)的主要內(nèi)容。Chapter1Introduction67第一章緒論第二章材料的結(jié)構(gòu)第三章材料的性能第四章材料化學(xué)熱力學(xué)第五章材料的制備第六章金屬材料第七章無機(jī)非金屬材料第八章高分子材料第九章復(fù)合材料第十章納米材料基礎(chǔ)部分應(yīng)用部分本課程的結(jié)構(gòu)Chapter1Introduction68材料化學(xué)（再版目錄）第一章緒論1.1材料與化學(xué) 11.2材料的分類 31.3材料化學(xué)的特點(diǎn) 41.4材料化學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用 51.5材料化學(xué)的主要內(nèi)容 6第二章材料的結(jié)構(gòu)2.1元素和化學(xué)鍵 92.2晶體學(xué)基本概念 162.3晶體缺陷 222.4金屬材料的結(jié)構(gòu) 312.5無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu) 382.6高分子材料的結(jié)構(gòu) 54Chapter1Introduction69第三章材料的性能3.1化學(xué)性能 633.2力學(xué)性能

673.3熱性能 723.4電性能 763.5磁性 803.6光學(xué)性能 83第四章材料化學(xué)