材料化學(xué)：緒論

1、材 料 化 學(xué)Chemistry of Materials什么是材料？材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。 師昌緒主編：材料大辭典材料是“具有一定性能的物質(zhì), 可以用來制成一些機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品” 。 美國科學(xué)院、美國工程院聯(lián)合編寫 材料：人類的需求/xwzx/mtjj/201503/t20150301_4315895.html綜上所述，材料的科學(xué)定義應(yīng)包含三大要素（1）物質(zhì)性：一切存在物都是物質(zhì)的多種表現(xiàn)。（2）功能性：材料是具有結(jié)構(gòu)、光、電、磁等用途的物質(zhì)。（3）加工性：材料是能為人類社會經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)。材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。材 料 =

2、物 質(zhì)材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以成為材料，如化學(xué)原料、食物、藥物都不算材料。材料可由同一種物質(zhì)或若干種物質(zhì)構(gòu)成，同一種物質(zhì)由于制備方法或加工方法不同，可成為用途迥異的材料。材 料 = 原 料材料表示用什么制的(make of)。材料的功能屬物理，在使用中保持原狀。材料在制品中殘留其形態(tài)。原料表示由什么制成的(make from)。原料其功能屬于化學(xué)，在使用過程中自身消失。原料在制品中不殘留其形態(tài)。例如：鋼鐵、金屬、陶瓷、木材等。如燒堿、中和反應(yīng)所用的鹽酸等化工原料。材 料 = 試 劑材料：具有一定功能和性能，能為人們重復(fù)、可持續(xù)使用。試劑：消耗品，在使用過程中轉(zhuǎn)換成其它物質(zhì)。 舊石器時代

3、材料在人類發(fā)展歷史中占有重要地位，早期人類文明劃分正是以各時期所使用的有代表性的材料為標(biāo)志。新石器時代 青銅器時代銅錫合金（青銅）熔點低，硬度高含錫10%的青銅，硬度是紅銅的4.7倍含錫量1/6 韌性好 制造鐘鼎含錫量2/5 硬度高 制造刀斧第一個合金材料：銅錫合金（青銅）Alloy9青銅器時代：材料和化學(xué)結(jié)合的開始成分、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 鐵器時代含碳量2%以上生鐵含碳量在0.04%以下熟鐵含碳量在0.04-2%鋼依含碳量多少生鐵含碳量高，硬而脆，幾乎沒有塑性熟鐵含碳量少，質(zhì)軟，塑性好，但強(qiáng)度和硬度較低。鋼塑性好、韌性好、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、易加工，應(yīng)用范圍廣。煉鐵過程的化學(xué)材料無所不在自

4、人類學(xué)會使用石器作為工具的那一天始，材料對人類生活的影響無所不在。人類已發(fā)現(xiàn)的材料據(jù)稱已達(dá)千萬余種，什么樣的材料值得我們關(guān)注？并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關(guān)注。隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及自然資源和能源的逐漸減少，人們所關(guān)注的、所使用的材料種類不斷在發(fā)生著變化材料能否在一個時代引起人們關(guān)注、得到廣泛使用應(yīng)該從以下幾方面加以分析： 資 源 能 源 環(huán) 保 經(jīng) 濟(jì) 質(zhì) 量鋁是一種輕金屬，密度 2.7 g/cm3，大約是鐵的 1/3。純鋁的拉伸強(qiáng)度只有 48 MPa，只有鋼的1/10 左右。因此在早期并未得到重視。Al 在地殼中含量豐富，占 1/12，但主要以 Al2O3的狀態(tài)存在。18

5、 世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了 Al 元素的存在，1825 年丹麥物理學(xué)家 Hans Oersted 第一次成功地提煉出金屬鋁，但是提煉方法比較復(fù)雜，產(chǎn)量很低，使得其價格極為昂貴。材料發(fā)展的第一個實例：鋁鋁曾經(jīng)比金銀還要珍貴100多年前，為了表彰門捷列夫?qū)瘜W(xué)的杰出貢獻(xiàn)，英國皇家學(xué)會不惜重金制作了一個比黃金還要貴重的獎杯鋁杯，贈送給門捷列夫。 法國皇帝拿破侖三世為了顯示自己的尊貴，用鋁作了一頂頭盔，成為轟動一時的新聞。每逢盛大國宴，別人都用銀制餐具，而他獨自使用一套鋁制餐具。 技術(shù)的進(jìn)步讓鋁走出了首飾店1886 年， 22 歲的美國人 Hall 發(fā)明了熔鹽電解法制取金屬鋁，此法投產(chǎn)后，金屬鋁的產(chǎn)量迅速增長，價格

6、則大幅度下降 ，從而把鋁的大規(guī)模生產(chǎn)變成了現(xiàn)實。這個年輕人組成了一個大公司，這就是今天美國美鋁公司 (Alcoa) 的前身。將氧化鋁 (A12O3) 溶解在熔融的冰晶石 (Na3AlF6) 中進(jìn)行電解(電解液溫度接近 1000) 美鋁的生意是從一把鋁壺開始的從鋁壺做起，慢慢延伸到了烹調(diào)器具、錫箔紙、電線和電纜?，F(xiàn)在，美鋁公司成為了公認(rèn)的世界上最大的原鋁、鋁加工產(chǎn)品和氧化鋁生產(chǎn)商。美鋁的產(chǎn)品廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車、包裝、建筑、商業(yè)運輸以及工業(yè)市場。為了進(jìn)一步提高鋁的比強(qiáng)度 合金強(qiáng)化 時效硬化在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成所謂的鋁合金以提高 Al 的強(qiáng)度。把

7、合金強(qiáng)化處理后形成的鋁合金加熱到一定溫度以上進(jìn)行“熔解處理”，使合金處于均勻的單相狀態(tài)，然后快速淬火，使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的強(qiáng)度。高比強(qiáng)鋁合金給 20 世紀(jì)的“新”材料帶來第一個突破比強(qiáng)：比強(qiáng)度，也就是材料的強(qiáng)度與密度之比。具有高強(qiáng)度、低密度的材料無疑具有應(yīng)用優(yōu)勢。鋼的比強(qiáng)度為： 0.64 106 cm鋁合金的比強(qiáng)度為：2.64 106 cm后者是前者的 4 倍，這對于結(jié)構(gòu)材料來說是幾千年來的一個飛躍。鋁合金的出現(xiàn)，大大拓寬了鋁的用途航天飛機(jī)、大型客機(jī)鋁門窗、鋁活動建筑鋁細(xì)粉是一種火箭固體燃料鋁 箔鋁電纜易拉罐輕、薄、耐腐蝕的易拉扣，的確是一項高技術(shù)，代表了鋁材和鋁加工的現(xiàn)代成就

8、。美國紐約的世界貿(mào)易大廈是一個大量使用鋁合金貼面的雄偉建筑?？上б呀?jīng)灰飛煙滅了。石棉是含有鐵、鎂、鎳、鈣、鋁等元素的硅酸鹽，由于具有結(jié)實、抗彎、絕緣、隔熱、保溫、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點，所以被廣泛用于建筑、造船、航天和交通機(jī)械中隔熱、保溫、防火等領(lǐng)域。日常生活中常見的石棉制品包括石棉瓦、石棉水泥板、石棉隔熱手套、滅火毯、剎車帶等。 材料發(fā)展的第二個實例：“夕陽”材料石棉石棉之所以叫這么個名稱，是因為它的纖維又長又柔，像棉花一樣可以用來織布。但是和棉花不同的是，石棉因為是“石頭”，所以耐火。人類很早以前就開采石棉，用它來制造不怕火燒的衣服，它們臟了，用火一燒，就又潔白如故，所以中國古代稱之為用火來洗的

9、布“火浣布”。古羅馬的餐館喜歡用石棉做的桌布，上一撥顧客走了，把桌布往火里一扔，燒掉了油脂、食物殘渣，就又可以鋪桌迎接下一撥顧客。 近年來的研究表明石棉是一種致癌物質(zhì)，歐美國家許多癌癥的病因，都曾與石棉污染有關(guān)。目前這種狀況正在向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移。鋼鐵工業(yè)在發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入衰退階段，原因是有許多新材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產(chǎn)污染環(huán)境，他們往往把這些企業(yè)放在第三世界國家。第三個實例：“夕陽”材料鋼鐵在“911”事件中變成廢墟的紐約世貿(mào)大廈的數(shù)十萬噸廢鋼鐵被運往中國和印度，將在那里回爐后重新使用。從這兩座 100 多層的雙子大廈廢墟中回收的鋼材數(shù)量相當(dāng)可觀，估計多達(dá) 40 萬噸。第四個實例：材料中的“

10、常青樹”陶瓷1982 年日本京瓷首次研制出了陶瓷發(fā)動機(jī)小汽車。它的出現(xiàn)使發(fā)動機(jī)重量減輕，提高燃燒度和節(jié)約燃料的愿望成為現(xiàn)實。陶瓷發(fā)動機(jī)中國的陶瓷發(fā)動機(jī)汽車從上海到北京試開了一個來回，試用情況表明，這種發(fā)動機(jī)不必水冷并能大量節(jié)約汽油。由于高溫結(jié)構(gòu)氮化硅陶瓷耐高溫程度超過耐熱合金，而且重量輕，所以用耐高溫結(jié)構(gòu)陶瓷制作發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的部件在同體積下，其重量只有金屬的30%，可使汽車發(fā)動機(jī)的重量減輕10，節(jié)省燃料8.5%左右。其工作溫度可從700-1000提高至12001400，熱效率提高3035。而且沒有熱量浪費，可采用各種不同的燃料。陶瓷發(fā)動機(jī)的優(yōu)越性： 新陳代謝這一生命規(guī)律在材料中也是同樣存在

11、的。事實上，每種材料都有其生命曲線出現(xiàn)發(fā)展成熟衰退衰退主要是由于社會發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致的。一個新材料的誕生，從實驗室研制出樣品到工業(yè)上的大規(guī)模實際使用，大概需要 15 20 年時間。 所謂的“材料科學(xué)”的主要研究對象是新材料，或者是想方設(shè)法使傳統(tǒng)材料獲得新生。出現(xiàn)發(fā)展成熟衰退新材料傳統(tǒng)材料什么是材料科學(xué)？ 20 世紀(jì)對于材料的發(fā)展歷史來說是一個值得大書特書的時期。20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等領(lǐng)域的巨大變化，而這些巨大變化則有力地促進(jìn)了材料的發(fā)展，使得材料在 20 世紀(jì)中葉發(fā)生了一次“革命性”的飛躍，這個飛躍的標(biāo)志就是“材料科學(xué)”的形成

12、。 20 世紀(jì)中葉是蘇美兩個超級大國在各個領(lǐng)域進(jìn)行全面競爭的時代。材料的競爭是其中的主要內(nèi)容之一。1957 年蘇聯(lián)率先將人造地球衛(wèi)星送上了天，從而引發(fā)了全球性的材料科學(xué)研究。美國從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學(xué)作為一個學(xué)科對待。材料科學(xué)研究的內(nèi)容合成與制備結(jié)構(gòu)/成分性 能使用表現(xiàn)簡而言之，材料科學(xué)就是研究各種材料的成分與結(jié)構(gòu)、合成與制備加工工藝、性能以及材料在服役過程中的表現(xiàn)這四個方面之間相互關(guān)系的科學(xué)。 新方法、新結(jié)構(gòu)、新性能、新應(yīng)用是發(fā)展新材料以及材料科學(xué)研究的永恒主題。 材料化學(xué)？材料科學(xué)在不同的場合就被劃分成了材料物理、材料化學(xué)、材料力學(xué)、材料工程學(xué)等諸多分支。本課程所涉

13、及的內(nèi)容就屬于材料化學(xué)這一分支。材料化學(xué)就是研究材料科學(xué)中的化學(xué)問題的科學(xué)，這門科學(xué)涉及到材料制備、性能、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方面的所有與化學(xué)相關(guān)的問題。 我國四大發(fā)明中有兩項是化學(xué)和材料的結(jié)合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材料化學(xué)的發(fā)展18 世紀(jì)末分析化學(xué)的發(fā)展使得人們第一次認(rèn)識到鋼中存在碳原子，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。材料化學(xué)的發(fā)展三本專門致力于材料化學(xué)研究的期刊的出現(xiàn)（19881990期間） Advanced mat

14、erials Germany Chemistry of MaterialsAmerican Chemical SocietyJournal of Materials ChemistryChemical Society of Great Britain.材料化學(xué)的發(fā)展Advanced Materials is the top journal in the materials sciences, with the highest independently assessed Impact Factor (2011 Impact Factor,10.857) of any professional,

15、 peer-reviewed primary materials science journal. It contains carefully selected, top-quality reviews, communications, and research news at the cutting edge of the chemistry and physics of functional materials as well as book reviews, product information, interviews, and a conference calendar. In Ge

16、rmanyThe Journal of Materials Chemistry (2011 impact factor 5.099) is an interdisciplinary Journal covering all aspects of Materials Chemistry.Papers cover: （1）the fabrication, （2）properties and applications of materials： synthesis, structural characterisation and modelling. Published by the Chemica

17、l Sociedty of Great BritainChemistry of Materials provides an indispensable molecular-level perspective at the interface of chemistry, chemical engineering, and materials science.This fundamental research journal focuses on the chemistry involved in the preparation, processing, and analysis of all t

18、ypes of materials, including inorganic and organic solids and thin films, polymers, liquid crystals, hybrid materials, biomaterials, and composites. Chemistry of Materials is of special interest to chemists, chemical engineers, and materials scientists and technologists concerned with the preparatio

19、n, characterization, and processing technology of new materials.Published by the American Chemical Society2011impact factor 6.397材料化學(xué)的特點跨學(xué)科性：既是化學(xué)學(xué)科的一個次級學(xué)科，又是材料科學(xué)的一個分支。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。Bio(and biomimetic) materialsMetalsCatalytic materials MicrostructureChemical Vap

20、or DepositionMolecular crystals(organic, metal-organic,etc.)Clusters and colloidsOptical(including NLO) materialsCoatingsNanophase materialsCompositesPhase transitionsCorrosionPolymeric materialsDefectsPrecursor routes to materialsElectronic materialsSelf-assembled materialsFluids and liquid crystal

21、Semiconductors sensorsGlassesSol-gel chemistry/processing Inorganic and organic networksSurface and interfacial phenominaInorganic solids/ceramicsSuperconductorsLayered materials (including intercalation compounds)Structural materialsMagnetic materialsTheoryThin film and monolayersCategories of Pape

22、rs in Chemistry of Materials 說明多學(xué)科或交叉學(xué)科性質(zhì)材料化學(xué)是理論與實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，這是它與固體化學(xué)的主要區(qū)別所在。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，這都需要理論和實踐的結(jié)合，一方面用理論指導(dǎo)實踐，另一方面通過大量實踐使理論得到進(jìn)一步發(fā)展。實踐性：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

23、。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) 材料化學(xué)的主要內(nèi)容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。材料的制備就是將原子、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)。材料化學(xué)研究的內(nèi)容合成與制備結(jié)構(gòu)/成分性 能使用表現(xiàn)什么是材料的結(jié)構(gòu)？以TiO2為例銳鈦礦相中晶胞為共頂結(jié)構(gòu)金紅石相中晶胞為共棱結(jié)構(gòu)TiO2有兩種比較典型的晶相：金紅石相及銳鈦礦相材料的晶體結(jié)構(gòu)不同晶相的TiO2有著不同的能帶結(jié)構(gòu)，對應(yīng)不同性能。材料

24、的能帶結(jié)構(gòu)非化學(xué)計量化合物TiO2-x的缺陷反應(yīng)式： 53 當(dāng)環(huán)境中氧氣氛壓力減小或者在還原性氣氛中，晶體中氧就會逸出而在晶格中產(chǎn)生氧空位。在形成氧空位的同時有準(zhǔn)自由電子產(chǎn)生以保持整個晶體的電中性，這就要求正離子接納電子而發(fā)生變價，使正離子價數(shù)降低。材料的缺陷結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷也會顯著影響材料的性能。通過改變制備工藝條件，TiO2可以做出很多種形貌，也會對性能產(chǎn)生影響。材料的形貌結(jié)構(gòu)什么是材料的制備？以TiO2為例溶膠-凝膠法水熱法化學(xué)氣相沉積法模板法靜電紡絲法高溫固相法陽極氧化法不同的方法得到的晶體結(jié)構(gòu)、形貌結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等均有可能不同。什么是材料的性能？以TiO2為例光催化性能TiO2半導(dǎo)體顆粒

25、 HO自由基，其氧化電位為2.80 V，比臭氧(2.07 V)高35，氧化能力僅次于氟，在氧化有機(jī)污染物時無選擇性，可直接將有機(jī)污染物氧化為二氧化碳、水或礦物鹽，不會造成二次污染。光生電子則可與氧氣或水分子結(jié)合產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)極為活潑的超氧自由基，并經(jīng)一系列反應(yīng)最終生成羥基自由基，同樣可以氧化降解有機(jī)污染物。光催化方面的應(yīng)用污水處理空氣凈化器防霧及自清潔涂層抗菌材料光催化分解水什么是材料的應(yīng)用？以TiO2為例1. 污水處理由于OH具有極高的反應(yīng)能，高于有機(jī)物中各類化學(xué)鍵(如C-C， C-H，CN，CO，H一O，NH)，的鍵能，因而OH對反應(yīng)物幾乎無選擇性，能完全分解各類有機(jī)物，最終生成CO2和H2

26、O。光催化產(chǎn)生的高活性電子具有很強(qiáng)的還原能力，重金屬離子如Cu2+等如能直接接受光生電子，則會被還原沉積，從而達(dá)到清除重金屬離子的目的。重金屬離子：Cr(VI)等有機(jī)污染物：苯酚、亞甲藍(lán)等光催化空氣凈化器基本凈化流程2. 空氣凈化器3.防霧和自清潔涂層TiO2薄膜有機(jī)污垢無機(jī)污垢CO2 H2O在窗玻璃、建筑物外墻磚、高速公路護(hù)欄、路燈等表面涂覆氧化鈦薄膜，利用氧化鈦薄膜在太陽光照射下產(chǎn)生的強(qiáng)氧化能力和超親水性（水在氧化鈦薄膜上完全浸潤），可以實現(xiàn)表面自清潔。汽車玻璃及后視鏡等表面涂覆氧化鈦薄膜可起到防結(jié)霧的作用。4. 抗菌光生電子和空穴與水或水中的溶解氧反應(yīng)，形成 HO自由基等活性基團(tuán)。這些活性基團(tuán)通過氧化細(xì)菌體內(nèi)的輔酶 A, 破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁 (膜)的滲透性和DNA的結(jié)構(gòu),使電子傳輸中斷等來發(fā)揮光催化抗菌作用銀、鋅等金屬離子擔(dān)載的無機(jī)殺菌劑能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出有毒的組分如內(nèi)毒素。內(nèi)毒素是致命物質(zhì)，可引起傷寒、霍亂等疾病。這些常用殺菌劑只有殺死細(xì)菌的作用，不能分解細(xì)菌內(nèi)毒素，可能會帶來二次污染。光催化劑不僅能消滅細(xì)菌，而且能降解由細(xì)菌釋放出