材料化學第講概述

材料化學第講概述1第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五《材料化學導論》Teacher:Ph.D.TengyunZhang(張騰云)E-mail:bgzhangty@2007－2008

學年第2學期第一講序論IntroductiontoMaterialsChemistry2第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五平時作業(yè)-10%平時出勤與紀律-15%讀后感（JournalofMaterialsChemistry中一篇感興趣論文)-15%期末考試-60%（某種材料的研究進展；基礎測試）《材料化學導論》的考核3第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五聽課與自學相結合《材料化學導論》學習方式：本教材網(wǎng)上瀏覽請安裝《超星圖書瀏覽器》軟件，在圖書館下載。參考書請參考課件后的提示，也可自己尋找合適的參考資料。4第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五

1947年，據(jù)說，在美國新墨西哥州哥西維爾地方，墜毀了一艘外星來的宇宙飛船?？茖W家們紛紛云集此地，對這艘飛船進行了全方位的研究，于是地球上就誕生了半導體、光纖、激光器等一系列對當代文明產(chǎn)生了顯著影響的新材料。后來美國政府將這艘飛船隱匿了起來……現(xiàn)代文明的材料傳說：哈哈哈哈！天方夜譚5第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五“材料是人類文明的物質基礎”

材料、能源、信息為當代技術的三大支柱，而材料又是能源和信息工業(yè)技術的物質基礎。天然化石能源的有效利用，新能源的開發(fā)，信息工程中的信息采集、處理和執(zhí)行等都是需要各種功能材料。因此新材料的發(fā)明、應用和開發(fā)往往是人類社會文明發(fā)展進程的里程碑。

舊石器時代新石器時代陶器時代青銅器時代鐵器時代

某一類材料的特征及其廣泛應用就是人類文明史各個階段的一種標志例如焦炭和鋼鐵的生產(chǎn)開始了資本主義的工業(yè)革命；石油的催化裂解促進了塑膠工業(yè)；而一些智能材料的發(fā)明和應用開辟了信息時代。從現(xiàn)代科技發(fā)展史來看，一種新的固態(tài)化合物的合成，它的功能特性的發(fā)現(xiàn)和實際應用，往往可以導致一個新的科技領域的產(chǎn)生和一種新產(chǎn)業(yè)的興起。6第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五一個示例：

高比強鋁合金給20世紀的“新”材料帶來了第一個突破比強：比強度，也就是材料的強度與密度之比。具有高強度、低密度的材料無疑具有應用優(yōu)勢。鋼的比強度為：0.64106cm鋁合金的比強度為：2.64106cm

后者是前者的4倍，這對于結構材料來說是幾千年來的一個飛躍。7第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五鋁鋁是一種輕金屬，密度2.7g/cm3,大約是鐵的1/3。純鋁的拉伸強度只有48MPa，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世紀發(fā)現(xiàn)了Al元素的存在，1825年丹麥物理學家HansOersted第一次成功地提煉出金屬鋁，但是提煉方法比較復雜，產(chǎn)量很低，使得其價格極為昂貴。8第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五鋁曾經(jīng)比金銀還要珍貴……100多年前，為了表彰門捷列夫對化學的杰出貢獻，英國皇家學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。9第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五技術的進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)中進行電解(電解液溫度接近1000℃)在

上可以找到很多關于鋁以及鋁合金的信息10第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五美鋁的生意是從一把鋁壺開始的……從鋁壺做起，慢慢延伸到了烹調器具、錫箔紙、電線和電纜……。現(xiàn)在，美鋁了成為公認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)品廣泛的應用于航空航天、汽車、包裝、建筑、商業(yè)運輸以及工業(yè)市場。11第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五鋁的應用市場的打開……鋁的應用市場的打開是從20世紀30年代開始的。為了提高鋁的比強度，當時關于鋁的研究有兩個熱門話題：合金強化時效硬化在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的強度。把合金強化處理后形成的鋁合金加熱到一定溫度以上進行“熔解處理”，使合金處于均勻的單相狀態(tài)，然后快速淬火，保持其單相組織。此后再在稍高于室溫的溫度下加熱，使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的強度。12第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五鋁合金的出現(xiàn)，大大拓寬了鋁的用途……航天飛機、大型客機鋁門窗、鋁活動建筑鋁細粉是一種火箭固體燃料鋁箔鋁電纜易拉罐

2000年，光美國就生產(chǎn)了1000億個鋁易拉罐。輕、薄、耐腐蝕。易拉罐上的易拉扣，的確是一項高技術，代表了鋁材和鋁加工的現(xiàn)代成就。13第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五我們現(xiàn)在所處的時代應該稱為什么時代？鋼硅塑料合成材料半導體精密陶瓷復合材料納米材料……14第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五

當代，材料成為了一個新的獨立的科學門類。這個新學科與物理、化學、力學、機械、冶金、化工等傳統(tǒng)科學門類水乳交融，但是具有其獨特的鮮明的個性。也正是因為與各個傳統(tǒng)科學門類水乳交融，材料學科在不同的場合就被劃分成了材料物理、材料化學、材料力學、材料工程學等4個主要分支。15第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五本課程所涉及的內容就屬于材料化學這一分支。而在本課程的緒論中，我們將首先明確幾個相關的名詞：材料材料科學材料化學16第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五第一章緒論Chapter1Introduction17第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.1

基本概念Chapter1Introduction(1)什么是材料？水是材料？冰是材料？材料是可以用來制造有用的構件、器件或物品的物質材料=物質

Materials=Matter18第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.1

基本概念Chapter1Introduction(2)材料科學20世紀對于材料的發(fā)展歷史來說是一個值得大書特書的時期。20世紀科學技術領域一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)導致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等領域的巨大變化，而這些巨大變化則有力地促進了材料的發(fā)展，使得材料在20世紀中葉發(fā)生了一次“革命性”的飛躍，這個飛躍的標志就是“材料科學”的形成。20世紀中葉的幾項成果：

超音速飛機(鎳基超級合金)

計算機(晶體管、半導體)

航天飛機(高溫結構陶瓷)19第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五一個示例：哥倫比亞空難與材料

“哥倫比亞號”是航天飛機第一次在即將著陸時發(fā)生的災難?？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家組成的調查組對飛機殘骸進行了重組、殘骸材料的冶金分析以及模擬試驗，分析了航天飛機爆炸的原因。“哥倫比亞號”航天飛機的爆炸，震驚了世人，同時也引起了人們對材料的關注，材料分析揭開了哥倫比亞空難之謎。20第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五一個示例：哥倫比亞空難與材料

這張照片是在哥倫比亞號返回地球的11天前拍攝并傳回的，通過哥倫比亞號上隨機安裝的一架照相機拍攝。升空時，從燃料箱腳架處掉下的一塊隔熱泡沫砸到左翼碳／碳復合材料面板下半部附近造成裂縫。而后高溫熱離子流穿過此處，使機翼鋁合金、鐵基合金、鈉基合金結構熔化，導致航天飛機失控、機翼破壞和機體解體。21第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.1

基本概念Chapter1Introduction材料科學研究的內容合成與制備SynthesisandFabrication結構Structures性能Properties效能與功能Performance22第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.1

基本概念Chapter1Introduction簡而言之，材料科學就是研究各種材料的成分與結構、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系的科學。成分與結構、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)是材料科學的四個基本要素。材料科學研究的目的則是在這四個基本要素方面進行不懈地努力，以期使材料的發(fā)展更好地為人類社會的進步服務。新方法、新結構、新性能、新應用是發(fā)展新材料以及材料科學研究的永恒主題。23第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.1

基本概念Chapter1Introduction(3)材料化學材料中原子、離子或分子的排列方式、不同組成間的化學反應等材料制備工藝過程中的化學問題材料的化學性質以及其他各類性質中的化學因素環(huán)境對材料的影響(例如腐蝕)材料化學是材料科學的一個重要組成部分，在化學學科中通常也稱為“固體化學”。材料化學介紹的是從化學角度來進行材料科學研究所需要的基本知識。24第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.1

基本概念Chapter1Introduction化學與材料親密接觸的歷史人類第一個化學上的發(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，從而把歷史推進了青銅器時代。25第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.1

基本概念Chapter1Introduction我國的四大發(fā)明中至少有兩項是化學和材料的結合體通過蒸煮草木灰把植物中的纖維物質提煉出來制成了紙漿；一磺二硝三木炭的組合則生成了火藥。S+2KNO3+3C=N2↑+3CO2↑+K2S+169千卡26第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.1

基本概念Chapter1Introduction現(xiàn)代的材料科學就是一種“煉金術”，它能變魔術般地以90多種元素為原料，從理論研究、應用，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、更有價值、更加珍貴的新物質。18世紀末分析化學的發(fā)展使得人們第一次認識到鋼中存在有碳原子，而且碳原子在決定鋼的性質方面起著十分關鍵的作用，從而促使人們開始從材料的組成角度來研究材料。20世紀初開始出現(xiàn)的合成材料就是在有機化學發(fā)展的基礎上誕生的。元素周期表的發(fā)現(xiàn)及其對材料科學的影響進入到近代后，化學開始有意識地向材料靠攏，并且逐漸地在理解材料的結構和性能方面發(fā)揮著越來越重要的作用。27第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.2

材料的發(fā)展概況Chapter1Introduction材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應用是人類文明的標志幾乎所有的物質都可以稱為是材料什么樣的材料值得我們關注？并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關注那么下一個問題就是先來看看材料的發(fā)展歷史……28第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.2

材料的發(fā)展概況Chapter1Introduction材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應用是人類文明的標志群居洞穴的猿人通過簡單加工獲得石器以狩獵、護身和生存。舊石器時代：這段文化時期，最早開始于大約750,000年以前的以狩獵和打制石器工具為主。新石器時代：屬于或同始于大約公元前10,000年中東及后來其它一些地方的文化時期相關，以農(nóng)業(yè)發(fā)展和磨制石具的制作為特征。29第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.2

材料的發(fā)展概況Chapter1Introduction材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應用是人類文明的標志隨著對石器加工制作水平的提高，出現(xiàn)了原始手工業(yè)如制陶和紡織30第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.2

材料的發(fā)展概況Chapter1Introduction材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應用是人類文明的標志青銅時代大約源于4000~5000年前。青銅是銅錫鋁等元素組成的合金，與純銅相比，青銅熔點低，硬度高，比石器易制作且耐用。青銅器大大促進了農(nóng)業(yè)和手工業(yè)的出現(xiàn)。31第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.2

材料的發(fā)展概況Chapter1Introduction材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應用是人類文明的標志（3）鐵器時代被認為是始于2000多年前，由鐵制作的農(nóng)具、手工工具及各種兵器得以廣泛應用，大大促進了當時社會的發(fā)展。32第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.2

材料的發(fā)展概況Chapter1Introduction材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應用是人類文明的標志33第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.2

材料的發(fā)展概況Chapter1Introduction材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應用是人類文明的標志鋼鐵、水泥等材料的出現(xiàn)和廣泛應用，人類社會開始從農(nóng)業(yè)和手工業(yè)社會進入了工業(yè)社會。本世紀半導體硅、高集成芯片的出現(xiàn)和廣泛應用，則把人類由工業(yè)社會推向信息和知識經(jīng)濟社會。34第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.3

材料的重要性Chapter1Introduction（1）水環(huán)境治理——膜材料科學技術；

（2）服侍、鞋襪；（3）眼鏡；（4）建筑材料；

（5）飛機、航天工業(yè)等。35第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.3

材料的重要性Chapter1Introduction一個示例：隱形飛機與材料

所謂隱形是指不易被雷達或紅外線、可見光、聲探測等傳感器發(fā)現(xiàn)。隱形飛機之所以能夠隱形，主要是綜合采用了隱身外形技術、隱身材料技術、紅外線抑制和干擾技術、聲波隱身技術以及微電子技術等，具有降低其在雷達屏幕上的特征、壓制噪聲、減弱飛機紅外圖像特征、抑制無線電信號傳輸?shù)刃阅堋?6第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.3

材料的重要性Chapter1Introduction一個示例：隱形飛機與材料

隱形武器由于其科技含量高，對材料要求苛刻，研制費用異常高。美國的F-117A隱形飛機單價為1.1億美元，B-2隱形轟炸機單價更高達5.3億美元，比與機體等重量的黃金價值還要高。最近，美國又以4000億美元的天價，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。37第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五1.3

材料的重要性Chapter1Introduction一個示例：隱形飛機與材料

F-117A戰(zhàn)斗機周身幾乎全由直線構成，機體表面使用了6種不同的雷達吸波涂層材料，大大降低了雷達探測度。經(jīng)科學家測試，雷達在距離F-117A飛機600米時，就已完全接收不到它發(fā)出的信號。38第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五Chapter1Introduction1.4

材料的分類和要素1.4.1材料的分類(1)按組成分類金屬材料(Metal)鋼鐵材料、非鐵材料、合金有機高分子材料(Polymer)天然的、合成的無機非金屬材料(Ceramics)陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷復合材料(Composites)其中復合材料是由前三者相互構成的。39第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五Chapter1Introduction(2)按用途分類

結構材料（以力學性能為主）支撐件、連接件、傳動件、緊固件等功能材料（以物理化學性能為主）磁性材料、電子材料、信息記錄材料、光學材料、敏感材料、能源材料、生物醫(yī)學材料等結構材料與功能材料的劃分并不嚴格生物醫(yī)學材料？1.4

材料的分類和要素1.4.1材料的分類40第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五Chapter1Introduction(3)按尺度分類1.4

材料的分類和要素1.4.1材料的分類

三維材料▲塊體材料二維材料▲薄膜、涂層等(金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半導體薄膜、耐磨涂層)

一維材料▲纖維、晶須等(光導纖維、高強纖維)

零維材料▲粉體41第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期五Chapter1Introduction(3)按尺度分類1.4

材料的分類和要素1.4.1材料的分類

三維材料▲塊體材料二維材料▲薄膜、涂層等(金剛石薄