材料化學(xué)chapte1-材料化學(xué)緒論

1、材料化學(xué)第一章上 緒論 聯(lián)系方式： 郵件地址： 11.1 材料科學(xué)發(fā)展概況1.1.1 材料發(fā)展簡史： 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。 23 石器時(shí)代：4新石器時(shí)期 馬家窯式水紋彩陶缽新石器時(shí)期 半山式菱形點(diǎn)紋壺Pottery5Table 1-1 Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age Materials Wood Stone Bone Pottery the Paleolithic Period the Neolit

2、hic Age 6 青銅時(shí)代 7Cu Sn Pb Zn 含錫量2/5 硬度高 制造刀斧 第一個(gè)合金材料：銅錫合金（青銅） 含錫量1/6 韌性好 制造鐘鼎 結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 8中國古銅鏡 9戰(zhàn)國青銅編鐘 10Iron Age 11煉鐵過程的化學(xué) 12依含碳量 和雜質(zhì)多少鐵和碳的合金 鑄鐵 鍛鐵 鋼鐵 13 信息時(shí)代：14航天材料151.1.2 材料發(fā)展過程材料定義：是指那些在一定工作條件下滿足其使用要求的形態(tài)和物理性能的物質(zhì)。材料的發(fā)展在一定程度上帶來生產(chǎn)關(guān)系的變革16 第一代 天然材料 石頭是人類采用的第一種材料，人類歷史的最早時(shí)期因此而被命名為“石器時(shí)代”。公元前10萬年前左右，原始人采用天

3、然的石、木、竹、骨等材料作為漁獵工具。由于生產(chǎn)技術(shù)水平很低，人類使用的材料只能是石頭、樹木、竹、草、甲骨、羽毛、獸皮、泥土等天然材料。17 第二代 燒煉材料火的發(fā)現(xiàn)熟食、照明、取暖等制陶高溫加工技術(shù)：銅器、鐵器等蒸汽機(jī)產(chǎn)業(yè)革命鋼鐵為中心的金屬材料18 第三代 合成材料二戰(zhàn)后，材料的要求：質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、價(jià)格低等。具有優(yōu)異性能的工程塑料、合成纖維、合成橡膠應(yīng)運(yùn)而生，涂料和膠粘劑等合成材料都得到相應(yīng)的發(fā)展和應(yīng)用。合成高分子材料：l907年第一個(gè)小型酚醛樹脂廠建立。1927年左右第一個(gè)熱塑性聚氯乙烯塑料的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了商品化。1940年到1957年先后研究成功合成橡膠(丁苯、丁脯、氯丁橡膠等)、合成纖維

4、(尼龍66、衷丙烯臘、衷酯等)以及低壓聚乙烯、聚四氛乙烯(塑料王)等。合成高分子材料的生產(chǎn)和應(yīng)用，是材料發(fā)展中的重大突破。從此，以金屬材料、陶瓷材料和合成高分子材料為主體，建立了完整的材料體系，形成了材料科學(xué)。1970一1980年工程塑料、高分子合金、功能高分子材料大規(guī)模地生產(chǎn)和應(yīng)用，使材料科學(xué)進(jìn)一步發(fā)展。19 第四代 設(shè)計(jì)型材料所謂設(shè)計(jì)型材料，即化學(xué)家和材料科學(xué)家采用新的物理、化學(xué)方法，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)出具有特殊性能的材料例如近代出現(xiàn)的金屬陶瓷、鋁塑薄膜等高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度的先進(jìn)復(fù)合材料。通過材料設(shè)計(jì)或分子設(shè)計(jì)得到的先進(jìn)復(fù)合材料促進(jìn)了航空、航天等高技術(shù)的發(fā)展，被公認(rèn)為是當(dāng)代科學(xué)技

5、術(shù)中的重大關(guān)鍵技術(shù)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，各國在在生物技術(shù)、信息技術(shù)、空間技術(shù)、能源技術(shù)、海洋技術(shù)等領(lǐng)域展開競爭。新材料的開發(fā)本身就成為一種高技術(shù)，可稱為新材料技術(shù)，其標(biāo)志是材料設(shè)計(jì)或分子設(shè)計(jì)。20 第五代 智能材料 智能材料，其性能隨著時(shí)間和空間條件的變化而變化。它能適應(yīng)環(huán)境，接受外界環(huán)境的調(diào)節(jié)，而且不需要通過計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)，僅依靠材料自身的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)、自我診斷、自我復(fù)原。這顯然是按照嶄新概念制造出來的材料，例如變色鏡、PTC(正溫度系數(shù))熱敏陶瓷、加熱電阻和形狀記憶合金等都屬于智能材料。 在材料發(fā)展過程中，上述“五代材料”，并非新舊交替的，而是長期并存的，它們共同在生產(chǎn)、生活

6、、科研的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著各自的作用，并不斷發(fā)展。211.1.3 材料研究開發(fā)進(jìn)展 所謂新材料，主要是指最近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具有比傳統(tǒng)材料性能更優(yōu)異的一類材料。新材料的發(fā)展與一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)活力、軍事實(shí)力和科技水平都有著十分密切的。 高分子材料（結(jié)構(gòu)高分子、功能高分子） 陶瓷材料 高溫材料（如氮化硅）、電子材料（各種鐵電和鐵彈性 材料）、超導(dǎo)體（銅酸鹽）、玻璃、玻璃陶瓷。 電子材料（半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)體、電子學(xué)方面的分子材料。 催化劑和吸附劑 其他新型材料 超硬材料（金剛石）、金剛石膜、傳感器材料、新結(jié)合劑。221.2 材料的分類塑料、橡膠纖維、膠黏劑等材料按化學(xué)屬性分類按結(jié)構(gòu)分類單晶材料多晶材料

7、非晶材料復(fù)合材料金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)合成材料復(fù)合材料按功能分類結(jié)構(gòu)材料功能材料按應(yīng)用領(lǐng)域分類電子材料、耐火材料醫(yī)用材料、耐蝕材料建筑材料23 按化學(xué)屬性分類金屬材料黑色金屬 Fe、Mn及合金-用于結(jié)構(gòu)材料有色金屬 除黑色金屬以外的-用于功能材料無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬單質(zhì)（單晶硅Si、 金剛石C)金屬和非金屬元素組成的化合物（陶瓷）有機(jī)合成材料C-C鍵為基礎(chǔ)的有機(jī)高分子材料復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的材料按一定方式組合而成的，具有單一材料所不能獲得的優(yōu)良特性或功能的材料。24 功能材料的分類 （1）力學(xué)性能 （2）化學(xué)功能 （3）物理化

8、學(xué)功能 （4）生物化學(xué)材料 分離功能材料 反應(yīng)功能材料 生物功能材料 電學(xué)功能材料 光學(xué)功能材料 能量轉(zhuǎn)換材料 醫(yī)用功能材料 功能性藥物 生物降解材料25261.3 材料化學(xué)與材料科學(xué)（1）材料的物理性質(zhì)內(nèi)稟性外賦性決定于材料的組成，與晶體結(jié)構(gòu)和制備過程無關(guān)。不僅決定于材料的組成和晶體結(jié)構(gòu)，還與材料中晶體尺寸、缺陷、雜質(zhì)、合成制備和加熱過程有關(guān)。27（2）材料科學(xué)的發(fā)展材料科學(xué)的四個(gè)基本要素： a. 組成與結(jié)構(gòu) b. 合成與制備 c. 性質(zhì) d. 功能材料科學(xué)的三個(gè)重要特性： 學(xué)科交叉 密切聯(lián)系實(shí)際 正在發(fā)展中的科學(xué)28（3）材料化學(xué)的興起和內(nèi)涵材料化學(xué)的學(xué)科內(nèi)容包括： 采用新技術(shù)和工藝方法制

9、備新材料 材料組成和微觀結(jié)構(gòu)的表征 材料性能的測試材料化學(xué)是應(yīng)用化學(xué)的重要分支，也是材料學(xué)的重要分支。29（4）新材料研究特點(diǎn)和發(fā)展趨勢特點(diǎn)： 設(shè)計(jì)與合成 少污染 節(jié)能 長壽命 再生發(fā)展趨勢： 有機(jī)無機(jī)復(fù)合 結(jié)構(gòu)材料功能化目前我國在材料領(lǐng)域的成果： 人工晶體 超導(dǎo)材料 儲氫材料 稀土材料30第一章下 無機(jī)材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)用途312.1 概述2.2 晶體與非晶體2.3 晶體的結(jié)構(gòu)與性能2.4 晶體缺陷及其對性能的影響2.5 非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)與性能2.6 材料結(jié)構(gòu)的表征322.1 概述組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì)材料中具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分材料內(nèi)部的亞微觀、微觀形貌相組元組織3

10、334352.2 晶體與非晶體2.2.1 結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)-2.2.1.1晶體和非晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)晶體和非晶體結(jié)構(gòu)示意圖36（1）晶體原子或原子團(tuán)、離子或分子在空間按一定規(guī)律成周期性排列構(gòu)成長程有序長程無序短程有序（2）非晶體原子、離子或分子在空間無規(guī)則堆積在一起所形成37晶體和非晶體比較-XRD圖比較X-射線衍射圖（XRD）晶體的XRD峰較窄，非晶態(tài)的XRD峰逐漸寬化38晶體和非晶體比較-形態(tài)變化tT晶體非晶體此方法可區(qū)別晶體與非晶體392.2.1.2單晶和多晶體比較40晶界41 小角度晶界-相鄰晶粒的位向差小于10的晶界；亞晶界均屬小角度晶界，一般小于2 大角度晶界-相鄰晶粒的位向差大于10的晶界，多晶體中90以上的晶界屬于此類。42晶界的特點(diǎn) 晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在晶界能。 晶界處原子排列不規(guī)則，在常溫下晶界的存在會對位錯(cuò)的運(yùn)動起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和硬度。 晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動能，并且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質(zhì)原子和位錯(cuò)等，故晶界處原子的擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快得多。 在固態(tài)相變過程中,由于晶界能量較高且原子活動能力較大,所以新相易于在