相關(guān)課程材料化學(xué)一章緒言

材料化學(xué)江國順

,63600415主要內(nèi)容第一章緒言第二章固體中缺陷第三章表面與界面第四章固體中擴(kuò)散第五章固態(tài)相變第六章反應(yīng)動力學(xué)第一章緒言材料的定義及其發(fā)展的重要性材料化學(xué)在材料科學(xué)中的地位材料化學(xué)的內(nèi)容（本課）材料前沿一.材料的定義及其發(fā)展的重要性

1.材料的定義MaterialsSubstanceshavingpropertieswhichmakethemusefulinmachinery,structures,devicesandproducts.——connectedwithfunctionand,throughthatfunction,utilities.

2.“化學(xué)物質(zhì)”和“材料”的區(qū)別DistinguishbetweenChemicalsandMaterialsChemicals：theutilityliesprimarilyintheirconsumption.其效用基于其自身耗用量。Materials：canbeusedrepeatedlyorcontinuouslyforanapplicationthatdoesnotirreversiblyconvertthemtosomethingelse.可重復(fù)或者連續(xù)使用，而自身并不發(fā)生變化。3.材料發(fā)展的重要性（1）品種、數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大MetallicMaterialsInorganicNonmetallicMaterialsPolymersComposites金屬材料無機非金屬材料高分子材料復(fù)合材料3.材料發(fā)展的重要性（2）材料發(fā)展與人類社會和文明息息相關(guān)人類社會的發(fā)展史是以材料的使用作為其發(fā)展階段的標(biāo)志,如石器時代、陶器時代、青銅器時代、現(xiàn)代的鋼鐵、高分子、信息時代等。人類社會的發(fā)展和進(jìn)步與材料的發(fā)展密不可分。3.材料發(fā)展的重要性（3）材料中技術(shù)含量越來越高（4）材料發(fā)展?jié)摿薮蟾鞣N材料復(fù)合技術(shù)交叉學(xué)科滲透----材料科學(xué)是材料發(fā)展的必然產(chǎn)物材料的發(fā)展與人類文明息息相關(guān)

科技水平越來越高建筑材料發(fā)展工具：從石器，到銅器、鋼鐵無機材料高分子材料復(fù)合材料信息時代-半導(dǎo)體材料生物材料智能材料用樹枝、泥巴蓋起來的房子用石頭建造的古羅馬斗獸場用磚、石頭等建的古代城墻用磚蓋起來的城堡水泥混凝土建筑巴黎埃菲爾鐵塔石器時代青銅器時代用多種高科技材料制造的波音777飛機非晶態(tài)金屬：又稱為“金屬玻璃”

，由沸騰的鋼液經(jīng)每秒100萬度的速度冷卻而成,其內(nèi)在結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)變，原子從有序排列變成了無序排列,具有極優(yōu)異的物理磁性能、化學(xué)耐腐蝕性能和力學(xué)耐磨性能,傳統(tǒng)的車鉗銑刨和強酸溶液對它們無可奈何,可以在通信、交通、電子、家電、防盜等很多領(lǐng)域大顯身手。

外表輕薄如紙、優(yōu)雅華麗、用手可輕易撕斷的帶形金屬玻璃“終結(jié)者”的材料變現(xiàn)實

新型金屬材料合金材料：新型合金材料包括許多種類，它們性能各異，用途各不相同，鋁合金、鎂合金、鈦合金、鐵鎳鉻及高溫合金、稀貴金屬合金等等形狀記憶合金：能夠使溫度值變化時人為造成的形狀變化，在溫度恢復(fù)到特定值時，形狀也自動絲毫不差地恢復(fù)到原來的狀態(tài)，堅韌性極強，可反復(fù)變形和復(fù)原500萬次而不產(chǎn)生疲勞斷裂，其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船和空間站的大型天線、飛機部件接頭以及骨科整形等方面。其他新型金屬功能材料如貯氫合金等殲-11機體制造中使用大量鈦合金材料

鎳鈦記憶合金“花瓣”在相應(yīng)的溫度下慢慢綻放形狀記憶合金在太空自然恢復(fù)原狀新型金屬材料陶瓷材料：新型陶瓷的強度、硬度、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等性能都比傳統(tǒng)陶瓷有很大提高，特別是在克服傳統(tǒng)陶瓷的致命弱點脆性問題上取得重大突破。新型結(jié)構(gòu)陶瓷：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、砷化物陶瓷等新型功能陶瓷：電容器陶瓷、壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、熱釋電陶瓷、磁性陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、導(dǎo)電與超導(dǎo)陶瓷、光學(xué)陶瓷和敏感陶瓷等。

新型陶瓷制成的人造骨等陶瓷零件新型無機非金屬材料腈綸毛織品各種合成橡膠制品工程塑料制品005飛機上用的復(fù)合材料增韌石墨石墨混雜復(fù)合材料玻璃纖維信息材料及其技術(shù)硅單晶及襯底鋼鐵材料半導(dǎo)體材料現(xiàn)代文明社會的先導(dǎo)

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)”的研究內(nèi)容，最初由美國的AnthonyR.West在《固體化學(xué)及其應(yīng)用》中對無機固體、有機固體及晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、制備方法、固相轉(zhuǎn)變及相圖和固體測試鑒定進(jìn)行了討論，廣泛涉及了材料學(xué)科，但書中并沒有明確提出材料化學(xué)的概念。二.材料化學(xué)在材料科學(xué)中的地位二.材料化學(xué)在材料科學(xué)中的地位

材料科學(xué)包括以下學(xué)科

材料化學(xué)材料物理材料理論工程學(xué)

二.材料化學(xué)在材料科學(xué)中的地位

材料化學(xué)是一門以材料為研究對象，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、檢測表征、材料與環(huán)境協(xié)調(diào)等問題的科學(xué)。材料科學(xué)研究方法固有特性合成/制備結(jié)構(gòu)/組成性質(zhì)使用效能材料化學(xué)處于核心地位二.材料化學(xué)在材料科學(xué)中的地位

材料化學(xué)的課程包括材料合成化學(xué)

材料熱力學(xué)與動力學(xué)缺陷化學(xué)結(jié)晶化學(xué)結(jié)構(gòu)分析化學(xué)等

三.材料化學(xué)的主要內(nèi)容

以熱力學(xué)與動力學(xué)為基礎(chǔ)：（1）分析化學(xué)過程的變化方向、進(jìn)行程度，指導(dǎo)材料的合成與設(shè)計；（2）用宏觀Fick‘s定律求解傳導(dǎo)過程，進(jìn)而揭示材料中微觀擴(kuò)散的機制；（3）缺陷的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)：點缺陷的平衡與非平衡熱力學(xué)；電傳導(dǎo)和質(zhì)量輸運。（4）固態(tài)相轉(zhuǎn)變、固相反應(yīng)；主要內(nèi)容第一章緒言第二章固體中缺陷第三章表面與界面第四章固體中擴(kuò)散第五章固態(tài)相變第六章反應(yīng)動力學(xué)第七章高分子材料合成及性能參考書課本：Thermodynamicsandkineticsofmaterials,D.V.Ragone參考書:

材料科學(xué)導(dǎo)論清華大學(xué)潘金生材料物理化學(xué)華中工業(yè)大學(xué)無機固體化學(xué)長春應(yīng)化所洪廣言無機材料化學(xué)廈大曾人杰材料科學(xué)導(dǎo)論馮端、師昌緒四.材料前沿燃料電池（SOFC）陶瓷發(fā)動機高溫超導(dǎo)體混合離子電子導(dǎo)體---氧分離材料晶體生長燃料電池燃料電池發(fā)電裝置發(fā)電的過程如何材料形狀的設(shè)計材料中電化學(xué)過程材料結(jié)構(gòu)對電性能的影響SWPC準(zhǔn)備在2006年將這種發(fā)電效率為45-50%常壓CHP產(chǎn)品商品化

250kW2002年:與加拿大多倫多的KinectricsFacility公司合作開發(fā)，目前該系統(tǒng)正在運行。SOFC電堆:2292根單管在結(jié)構(gòu)上是EDB/ELSAM-100kW系統(tǒng)的放大2004年:1.德國的StadwerkeHannover2.美國阿拉斯加的BP美國公司熱電聯(lián)供系統(tǒng)（CHPsystem）陽極支撐的TSOFC

可以快速啟動可以使用不同烴類燃料SOFC形態(tài)分類平板型管型扁管型瓦楞型陽極支撐的TSOFC-----美國Acumentrics公司5kW和10kW，目標(biāo)100kW，低成本$400/kW。2003年與日本住友公司合資，共同開發(fā)日本市場。SOFC工作原理圖螢石型結(jié)構(gòu)材料化學(xué)的研究內(nèi)容材料合成制備結(jié)構(gòu)---缺陷化學(xué)物質(zhì)輸運：微觀機制、離子輸運等--動力學(xué)電化學(xué)化學(xué)反應(yīng)---熱力學(xué)新材料探索用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷做的發(fā)動機葉片1、陶瓷的耐熱性好，可以提高發(fā)動機的工作溫度，從而提高發(fā)動機效率，可比目前作為其制造材料的鎳基耐熱合金的發(fā)動機效率提高三成左右。2、工作溫度高，使燃料充分燃燒，不僅排出廢氣中的污染成分大大減少，減少了環(huán)境污染，而且降低了能源消耗。3、陶瓷的熱傳導(dǎo)性比金屬低，使發(fā)動機的熱量不易散發(fā)，可節(jié)省能源。4、陶瓷具有較高的高溫強度和熱穩(wěn)定性，可延長發(fā)動機的使用壽命陶瓷發(fā)動機的優(yōu)點SiC晶體的多型性

六方緊密堆積ABABA123456配位數(shù)12123456ABCAABC

配位數(shù)12

面心立方緊密堆積陶瓷發(fā)動機存在的問題陶瓷脆易開裂與金屬結(jié)合使用壽命生產(chǎn)重復(fù)性材料研究方面可以做的工作：合成與制備結(jié)構(gòu)與性能（改進(jìn)性能）界面結(jié)合新材料的合成混合導(dǎo)體致密膜氧滲透原理圖

同時具有氧離子和電子傳導(dǎo)能力

InterfacialzoneInterfacialzoneBulk混合導(dǎo)體致密膜氧滲透原理圖高氧分壓側(cè)氣相氧吸附后解離成氧離子。氧離子通過體相輸運到低氧分壓側(cè)，同時伴隨電子反向遷移。低氧分壓側(cè)氧離子釋放電子形成氧分子脫附。YBa2Cu3O6+

相結(jié)構(gòu)

Cu-O2Cu-O2電子傳導(dǎo)層Cu-O2Cu-OCu-O離子傳導(dǎo)層Cu(1)-O混合導(dǎo)體透氧膜的結(jié)構(gòu)模型單相單通道結(jié)構(gòu)離子電流和電子電流在同一個通道內(nèi)傳輸雙相混合結(jié)構(gòu)離子電流和電子電流分別在兩個