材料化學緒論01

緒論材料科學及其發(fā)展材料的分類新材料應用舉例材料化學第一頁1第二頁，共33頁。一、材料科學及其發(fā)展

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器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品”美國科學院、工程院聯(lián)合編寫《材料：人類的需求》1、什么是材料？第二頁2第三頁，共33頁。幾乎所有的物質(zhì)都可以稱為是材料，但并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關(guān)注。那么，什么樣的材料值得我們關(guān)注？

——實用價值第三頁3第四頁，共33頁。材料實用價值的五個判據(jù)資源能源環(huán)保經(jīng)濟質(zhì)量第四頁4第五頁，共33頁。

考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應該定義為：人類社會所能夠接受的經(jīng)濟地制造有用器件的物質(zhì)

第五頁5第六頁，共33頁。2、材料科學及其發(fā)展

第一代（天然材料）：自然界的礦物、植物以及動物第二代（燒煉材料）：燒結(jié)：磚瓦、陶瓷、玻璃、水泥；

冶煉：銅鐵第三代（合成材料）：20世紀初出現(xiàn)化工產(chǎn)品，塑料、橡膠、纖維等已廣泛用于生活。第四代（可設(shè)計材料）：前三代為單一產(chǎn)品，于是根據(jù)需要設(shè)計特殊性能的材料。例20世紀40年代的復合材料第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例記憶合金等。第六頁6第七頁，共33頁。材料科學的發(fā)展過程：

發(fā)現(xiàn)與使用自然材料↓合成與設(shè)計材料↓賦予材料生命體功能第七頁7第八頁，共33頁。20世紀科學技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航空航天、激光、信息、能源等領(lǐng)域），它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：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(jié)構(gòu)陶瓷)這個飛躍的標志就是“材料科學”的形成。第八頁8第九頁，共33頁。3、材料科學形成的背景

20世紀中葉是蘇美兩個超級大國在各個領(lǐng)域進行全面競爭的時代。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，正式將材料科學作為一個學科對待。第九頁9第十頁，共33頁。美國：50年代末美國政府就制定了全國材料發(fā)展規(guī)劃，70~80年代又進行了多次的補充和修正，把重點放在超硬化合物、半導體激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本：在1980年開展了為期10年耗資4億美元的新材料發(fā)展規(guī)劃，重點領(lǐng)域為精密陶瓷、功能高分子、復合材料、生物材料等。歐洲：與前蘇聯(lián)也制訂了類似的規(guī)劃，競爭的項目也集中在這些領(lǐng)域。第十頁10第十一頁，共33頁。英國人悲哀地說：英國沒有硅工業(yè)了，英國從第一流的經(jīng)濟大國變?yōu)榱说诙鞯慕?jīng)濟發(fā)達國家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟發(fā)達國家變成了第一流的經(jīng)濟大國。第十一頁11第十二頁，共33頁。二、材料的分類第十二頁12第十三頁，共33頁。按材料的組成分類金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力學性能（強度、塑性）；可加工性；優(yōu)異的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度?。槐葟姸却螅唤^緣性好；耐腐蝕；易加工。無機非金屬材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高溫；抗腐蝕；高硬度；優(yōu)良介電、壓電、光學、磁學性能。復合材料（玻璃鋼，碳纖維聚合物，陶瓷基、金屬基）：兩種以上；特殊方法。第十三頁13第十四頁，共33頁。按材料的用途分類結(jié)構(gòu)材料：力學性能為基礎(chǔ)

（例支撐件、連接件、傳動件、緊固件）功能材料：特殊的物理、化學性能為基礎(chǔ)

（磁性、電子、信息、光學、敏感、能源）結(jié)構(gòu)材料與功能材料的劃分并不嚴格生物醫(yī)學材料？第十四頁14第十五頁，共33頁。按材料內(nèi)部原子排列情況分類晶態(tài)材料非晶態(tài)材料液態(tài)材料氣態(tài)材料第十五頁15第十六頁，共33頁。從材料尺度角度分類三維材料--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--粉體第十六頁16第十七頁，共33頁。三、新材料應用實例第十七頁17第十八頁，共33頁。1982年日本首次研制出了陶瓷發(fā)動機小汽車。它的出現(xiàn)使發(fā)動機重量減輕，提高燃燒度和節(jié)約燃料的愿望成為現(xiàn)實。1988年前蘇聯(lián)一架以液氫為燃料的中型運輸機首次試飛成功。液氫的沸點為

253C，攜儲液氫需要高效率的絕熱材料。液氫發(fā)動機的使用，則意味著低溫極限技術(shù)已達到實用化程度。1989年日本一艘潛水調(diào)查船下潛到6500米的深海區(qū)，打破了美國、前蘇聯(lián)和德國的下潛紀錄。這艘潛水艇耐水艙使用的是一種高強度鈦合金，觀察窗使用的是一種新型的有機玻璃。第十八頁18第十九頁，共33頁。美國在海灣戰(zhàn)爭中使用的隱身戰(zhàn)斗機所以能隱身，就是使用了一種吸波材料和吸波涂層。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(shù)、隱身材料技術(shù)、紅外線抑制和干擾技術(shù)、聲波隱身技術(shù)以及微電子技術(shù)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?。隱形飛機與材料

第十九頁19第二十頁，共33頁。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。第二十頁20第二十一頁，共33頁。F-117A戰(zhàn)斗機周身幾乎全由直線構(gòu)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。第二十一頁21第二十二頁，共33頁。在美國的航天史上發(fā)生過三起巨大災難

1967年1月27日：阿波羅號飛船升空時爆炸，三名宇航員遇難；

1986年1月28日：挑戰(zhàn)者號航天飛機升空時爆炸，包括一名女教師在內(nèi)的宇航員全部遇難；

2003年2月1日：“哥倫比亞號”航天飛機在完成16天的太空研究任務(wù)后，在返回大氣層時突然發(fā)生解體，機上7名宇航員全部遇難第二十二頁22第二十三頁，共33頁?！案鐐惐葋喬枴笔呛教祜w機第一次在即將著陸時發(fā)生的災難。空難發(fā)生后，由美國宇航（NASA）組成了由材料和工藝工程師及科學家組成的調(diào)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?！案鐐惐葋喬枴焙教祜w機的爆炸，震驚了世人，同時也引起了人們對材料的關(guān)注，材料分析揭開了哥倫比亞空難之謎。哥倫比亞空難與材料

第二十三頁23第二十四頁，共33頁。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(jié)構(gòu)熔化，導致航天飛機失控、機翼破壞和機體解體。第二十四頁24第二十五頁，共33頁。

2005年8月9日，美國的“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機平安著陸。它對于人類今后探索太空、進一步發(fā)展載人航天事業(yè)具有重要意義。與此同時，美國航天飛機兩年半來重返太空的這次首航，在美國航天界、輿論界及民眾中引發(fā)了對航天飛機探測飛行前景及對載人飛行安全前所未有的關(guān)注……第二十五頁25第二十六頁，共33頁。新材料的發(fā)展方向結(jié)構(gòu)功能的復合化功能材料的智能化材料與器件的集成化制備和使用工程的綠色化第二十六頁26第二十七頁，共33頁。形成了一支40萬人的研究與生產(chǎn)隊伍，其中科研人員近10萬人。研究單位有300多個，新材料生產(chǎn)工廠1000多個。各類大學有150多個與材料有關(guān)的專業(yè)，畢業(yè)生的數(shù)量與美國相近。在光學晶體、有機分離膜、稀土永磁材料、高溫超導體、準晶態(tài)研究等方面取得舉世矚目成績。與發(fā)達國家相比，總體水平估計落后10年左右。鋼材和化工有機合成材料要靠進口，高技術(shù)所需的新材料以及引進生產(chǎn)線所用原材料大量依靠國外。我國的新材料研究第二十七頁27第二十八頁，共33頁。四、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化學性質(zhì)以及其他各類性質(zhì)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。第二十八頁28第二十九頁，共33頁。化學與材料親密接觸的歷史火與陶瓷：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。四大發(fā)明：造紙—蒸煮草木灰提煉纖維火藥—一硝二磺三木炭

2KNO3+3C+S=N2↑+3CO2↑+K2S+169千卡第二十九頁29第三十頁，共33頁?！耙幌醵侨咎俊钡脑碓诳谷諔?zhàn)爭時期發(fā)揮了巨大的作用。第