材料化學(xué)課件

材料化學(xué)東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院許茜2009/11/E-mail:qianxu201@Tel:83684973;83687731第一章緒論§1.1材料與化學(xué)的關(guān)系？Materials(材料)：Substanceshavingpropertieswhichmakethemusefulinmachinery,structures,devicesandproducts.Chemistry(Latinized:chem(kēme),meaning"earth")isthescienceconcernedwiththecomposition,behavior,structure,andpropertiesofmatter,aswellasthechangesitundergoesduringchemicalreactions.Itisaphysicalscienceforstudiesofvariousatoms,molecules,crystalsandotheraggregatesofmatterwhetherinisolationorcombination,whichincorporatestheconceptsofenergyandentropyinrelationtothespontaneityofchemicalprocesses.Modernchemistryevolvedoutofalchemyandbegantodevelopintoitsmodernformthroughthe10thCenturyArabworldandfollowingthechemicalrevolution(1773).anArabicalchemistwhoseexperimentalresearchlaidthefoundationsforchemistry.Jabiribn

Hayyan(Geber),MaterialsScience&Chemistry人類的歷史中“材料”的印記Developmentofmaterials材料的發(fā)展材料的發(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(guó)家的科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。Chapter1Introduction5①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Chapter1Introduction6Pottery→→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Chapter1Introduction76000多年前新石器時(shí)代的祖先留給我們的禮物----人面魚紋盆ChinaChina康熙黃釉蓋罐

乾隆茶葉末六連瓶

Chapter1Introduction9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。Chapter1Introduction10西安歷史博物館展品------西安歷史博物館展品-----西安歷史博物館展品------明掐絲琺瑯葫蘆式扁瓶

橘皮釉

Chapter1Introduction15→→Glass現(xiàn)代的水晶玻璃WarringStatesGlassEyeBeadsGlassChapter1Introduction16含錫量1/6——韌性好——制造鐘鼎含錫量2/5——硬度高——制造刀斧CuSn

PbZn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)lloyChapter1Introduction17MaterialsScience&Chemistry MaterialsScienceandChemistry

Atomic-molecularlevelinteractionMaterialsChemistry:Chemistryrelatedtostructure,properties,preparationandapplicationsofmaterials.

MacroscopicperspectiveChapter1Introduction18Chapter1IntroductionMetallicMaterialsInorganicMaterialsPolymersComposites按組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分§1.2材料的分類

ClassificationofMaterials19StructuralMaterials——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Chapter1Introduction20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。Chapter1Introduction21ExamplesChapter1Introduction22TitaniumNickelSteelAluminiumCompositesMaterialsusedinagas-turbineaeroengine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：?jiǎn)尉Ч琛⒔饎偸?、石墨等。以陶瓷為主?？捎米鹘Y(jié)構(gòu)材料、光學(xué)材料、電子材料等。半導(dǎo)體材料：?jiǎn)尉Ч琛⑸榛?、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。Chapter1Introduction24ArchitecturematerialsChapter1Introduction25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。Chapter1Introduction26(3)ShoesChapter1Introduction27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。Chapter1Introduction28(6)Spaceflightmaterials首架復(fù)合材料飛機(jī)Chapter1Introduction29航空材料的主要要求是耐高溫、高比強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命和低成本。

多功能化、復(fù)合化、精細(xì)化、智能化Chapter1Introduction30Examples波音公司開發(fā)之機(jī)體與復(fù)合材料

JChapter1Introduction31Wehavecoveredonlythetipoftheicebergintheselectures1.3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(jí)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(duì)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。Chapter1Introduction33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。Chapter1Introduction34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35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。Chapter1Introduction36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Chapter1Introduction37Chapter1Introduction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).無機(jī)材料化學(xué)是研究無機(jī)材料的設(shè)計(jì)、制備、組成、結(jié)構(gòu)、表征、性質(zhì)和應(yīng)用的一門科學(xué)1.5材料化學(xué)的主要內(nèi)容38性能

性能是材料在一定的條件下對(duì)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)。39無機(jī)材料化學(xué)主要研究下述五個(gè)方面的問題一、無機(jī)材料的制備原理粉末、單晶和薄膜的制備，水熱法、溶膠–凝膠法、微波法等制作技術(shù)，都是常見的無機(jī)材料化學(xué)研究的內(nèi)容

。二、無機(jī)材料的成鍵本質(zhì)和結(jié)構(gòu)

無機(jī)固體材料的成鍵本質(zhì)與固體材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)密切相關(guān)。其中能帶理論占有突出的地位，它涉及許多固體物理方面的內(nèi)容。關(guān)于無機(jī)材料結(jié)構(gòu)的研究所涉及的層次，是許多學(xué)者探討過的問題。（1）晶體結(jié)構(gòu)（2）晶態(tài)固體亞微觀結(jié)構(gòu)

（3）納米尺