材料化学绪论.ppt

1、材料化学Chemistry of Materials,宁夏大学化学化工学院 主讲教师 杨庆凤 Office:Room 209 Tel:15109577297 Email:,(51学时,3学分),课程内容设置,1.材料化学绪论（2学时）2.晶体结构和空间点阵（4学时）3.化学键和晶体结构(6学时)4.晶体缺陷化学（6学时,包括习题课）5.材料的结构表征方法(2学时)6.材料结构和性能关系(6学时)7.材料制备化学(10学时)8.新型结构材料(高温结构陶瓷)(4学时)9.新型功能材料(压电材料,热敏材料)(4学时),教材和主要参考书籍,材料化学曾兆华 杨建文 化学工业出版社材料化学导论唐小真主编，

2、高等教育出版社无机合成与制备化学 徐如人 高等教育出版社 材料导论 中英文版本 The Coming of Materials Science Rorbert W.Cahn Pergamon Press,Grade calculation,20%平时成绩 出勤,课堂表现40%作业(homework and report)40%Final exam,第一章 绪 论,材料科学与基础科学的关系,材料成为了一个新的独立的科学门类。这个新学科与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，但是具有其独特的鲜明的个性。也正是因为与各个传统科学门类水乳交融，材料学科在不同的场合就被划分成了材料物

3、理、材料化学、材料力学、材料工程学等诸多分支。,本课程所涉及的内容就属于材料化学这一分支。而作为本课程的绪论，这里我们将首先来讨论几个相关的名词：,材料,光电子材料,1.1 材料的定义,一、材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。师昌绪主编：材料大辞典p58二、材料是“具有一定性能的物质,可以用来制成一些机器、器件、结构和产品”。美国科学院、美国工程院联合编写 材料：人类的需求,材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质,材 料=物 质,Materials=Matter,食物是材料？火药，固体火箭推进剂是材料？,几乎所有的物质都可以称为是材料,什么样的材料值得我们关注

4、？,并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注,那么下一个问题就是,先来看看材料的发展历史,旧石器时代 新石器时代 青铜器时代 铁器时代,历史学家把某一类材料的特征及其广泛应用作为人类文明史各个阶段的一种标志,钢硅塑料合成材料半导体精密陶瓷复合材料纳米材料,我们现在所处的时代应该称为什么时代？,合成高分子（二十世纪初）纳米材料（二十世纪80年代）,旧石器时代,群居洞穴的猿人通过简单加工获得石器以狩猎、护身和生存；,新石器时代,随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织,青铜器时代,青铜时代大约源于4000 5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，

5、比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。,铁器时代,铁器时代被认为是始于2000多年前，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展,钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。,二战结束的时候，钢铁仍然是整个世界经济的支柱。意识到必须具有高质量和低成本的钢铁，日本开始大力发展钢铁工业,这一技术政策推动了日本的汽车工业和其他一些主要用钢材的产品，使得日本经济得到了很大的发展。,1970 年以后，日本认识到当今世界已经处于硅时代，因

6、此在保持钢的生产优势的同时，日本瞄准了硅材料，开始大力发展半导体工业，使得家用电器的生产在世界市场中占据了绝对优势。英国此时却忽略了硅时代的到来，由于没有相应的技术政策和战略眼光，其结果是英国有2000 名研究硅材料的科学家流入美国硅谷。1988 年仅在信息技术产品这一项上，英国对日本的贸易赤字就高达 2.2 亿英镑，这还不包括由硅片控制的自动聚焦的照相机之类的产品。,一般说来，一种材料能否在一个时代引起人们关注、得到广泛使用应该从以下几方面加以分析,资 源 能 源 环 保 经 济 质 量,因此材料的定义可以发展为：,人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质,新陈代谢这一生命规律在材料中也

7、是同样存在的。事实上，每种材料都有其生命曲线,衰退主要是由于社会发展和科学技术进步导致的。,一个新材料的诞生，从实验室研制出样品到工业上的大规模实际使用，大概需要 15 20 年时间。,按材料的生命周期来分类,石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸盐，分为温石棉和青石棉两种，由于具有结实、抗弯、绝缘、隔热、保温、耐酸碱腐蚀等优点，所以被广泛用于建筑、造船、航天和交通机械中隔热、保温、防火等领域。石棉经过加工后制成的纺织、石棉水泥制品，具有耐磨、绝缘等特点，还可制成防火材料、滤料、填料等。据统计，石棉的各种用途已逾千种。,“夕阳”材料：石棉,近年来的研究表明石棉是一种致癌物质，欧美国家许多癌症

8、的病因，都曾与石棉污染有关。目前这种状况正在向发展中国家转移。据保守估计，今后30年中死于石棉污染者将达到100万，其中大多数是制造含石棉的地板、天花板、屋顶材料、接合剂和自动闸的工人。若进行大规模楼层定向爆破、拆除等工作时，现场附近人员不采取防护措施，也极可能被伤害。,“夕阳”材料：石棉,钢铁工业在发达国家已进入衰退阶段，原因是有许多新材料来代替钢铁，并且钢铁生产污染环境，他们往往把这些企业放在第三世界国家。钢铁在我国还在成熟阶段，钢铁的需求量很大，不但每年产量有所增加,每年还需进口2000万吨。据估计,我国的钢产量达到12000万15000万吨，才能满足国内市场需要。,“夕阳”材料工业：钢

9、铁,在“911”事件中变成废墟的纽约世贸大厦的数十万吨废钢铁被运往中国和印度，将在那里回炉后重新使用。从这两座 100 多层的双子大厦废墟中回收的钢材数量相当可观，估计多达 40 万吨。,材料中的“常青树”：陶瓷,1.2 材料的分类,按材料的组成分类,金属材料(Metal)钢铁材料、有色金属、合金铝、钛、铜、镍、东方钽业(钽、铌、铍)有机高分子材料(Polymer)天然的、合成的塑料,橡胶,合成纤维等.聚氯乙烯(英力特)无机非金属材料(Ceramics)陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型结构和功能陶瓷(SiC)复合材料(Composites)陶瓷基、金属基、高分子基复合材料,按材料的用途分

10、类,结构材料(以力学性能为基础，制造受力构件所用材料)支撑件、连接件、传动件、紧固件等 功能材料(利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料)磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料等 结构材料与功能材料的划分并不严格 生物医学材料？,按材料内部原子排列情况分类,固体材料 晶态材料 非晶态材料 液态材料 气态材料,材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质,从材料尺度角度分类,三维材料 块体材料二维材料 薄膜、涂层等(金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)一维材料 纤维、晶须等(光导纤维、高强纤维)零维材料 粉 体,1.3 材料科学,20 世纪

11、对于材料的发展历史来说是一个值得大书特书的时期。20 世纪科学技术领域一系列惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有力地促进了材料的发展，使得材料在 20 世纪中叶发生了一次“革命性”的飞跃，这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。,超音速飞机(镍基超级合金)计 算 机(晶体管、半导体)航天飞机(高温结构陶瓷),20 世纪中叶的几项成果,20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其中的主要内容之一。1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了全球性的材料科学研究。美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将

12、材料科学作为一个学科对待。,20 世纪 80 年代出现的新技术革命把新材料、信息技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。,美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项以材料为主。同年，美国白宫发布美国国家关键技术项目共6领域22项关键，材料为6领域之一。材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金5项为关键。从1995年至2001年每两年更新一次的美国国家关键技术报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。,2001年日本文部省发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟第六框

13、架计划和韩国的国家计划等把功能材料技术列为关键技术之一加以重点支持。我国863高技术发展计划，材料是7个重点之一，重大基础研究攀登计划的30个重大课题中有7个与材料直接有关。,材料涉及的领域极为广泛，举凡国家的工农业建设和国防建设，人民生活水平的提高，无不与材料密切相关。所以材料的科学研究、新产品的开发、工业大生产与合理应用都关系到社会进步、国家安全，因此人们把材料誉为现代文明的三大支柱之一。摘自：师昌绪主编材料大辞典前言,新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。不妨看几个简单的数据,以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比作1，那么小轿车为5，家电为30，飞机为200，计算机为1000，

14、集成电路芯片则为10000。产品中的技术含量越高，收益就越高。2000 年，世界新材料市场销售额达到 4000 亿美元，美国占市场份额 40%，日本占市场份额 20%(预计数据)。据 1982 年统计，美国每年因材料腐蚀造成的直接经济损失为 1260 亿美元。材料断裂和磨损造成的损失分别为 1190 亿和 1000 亿美元。,新材料在高技术中的应用,几个实例,1982 年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车。它的出现使发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。工作温度提高到1300无需水冷装置发动机效率提高30%左右 节省能源,减少了环境污染 阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和

15、由此导致的低可靠性,贝壳和陶瓷发动机,英国帝国化学工业公司的威廉克莱格博士将碳化硅表面涂覆石墨,再把涂上石墨层的碳化硅陶瓷一层层叠起来加热挤压，使坚硬的碳化硅陶瓷粘在石墨层上，就像“千层饼”似的。断裂韧性比普通SiC陶瓷增加100倍.,美国在海湾战争中使用的隐身战斗机所以能隐身，就是使用了一种吸波材料和吸波涂层。,所谓隐形是指不易被雷达或红外线、可见光、声探测等传感器发现。隐形飞机之所以能够隐形，主要是综合采用了隐身外形技术、隐身材料技术、红外线抑制和干扰技术、声波隐身技术以及微电子技术等，具有降低其在雷达屏幕上的特征、压制噪声、减弱飞机红外图像特征、抑制无线电信号传输等性能。,隐形飞机与材料

16、,隐形武器由于其科技含量高，对材料要求苛刻，研制费用异常高。美国的 F-117A 隐形飞机单价 为 1.1 亿美元，B-2隐形轰炸机单价更高达 5.3 亿美元，比与机体等重量的黄金价值还要高。最近，美国又以 4000 亿美元的天价，开始研制一种集“隐形、敏捷、高速”为一体的 F-35 新型隐形战机。,F-117A 战斗机周身几乎全由直线构成，机体表面使用了 6 种不同的雷达吸波涂层材料，大大降低了雷达探测度。经科学家测试，雷达在距离 F-117A 飞机 600 米时，就已完全接收不到它发出的信号。,在美国的航天史上发生过三起巨大灾难,1967 年 1 月 27 日：阿波罗号飞船升空时爆炸，三名

17、宇航员遇难1986 年 1 月 28 日：挑战者号航天飞机升空时爆炸，包括一名女教师在内的宇航员全部遇难2003 年 2 月 1 日：“哥伦比亚号”航天飞机在完成 16 天的太空研究任务后，在返回大气层时突然发生解体，机上 7 名宇航员全部遇难,“哥伦比亚号”是航天飞机第一次在即将着陆时发生的灾难。空难发生后，由美国宇航局（NASA）组成了由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组对飞机残骸进行了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验，分析了航天飞机爆炸的原因。“哥伦比亚号”航天飞机的爆炸，震惊了世人，同时也引起了人们对材料的关注，材料分析揭开了哥伦比亚空难之谜。,哥伦比亚空难与材料,这张照片是在哥

18、伦比亚号返回地球的11天前拍摄并传回的，通过哥伦比亚号上随机安装的一架照相机拍摄。,升空时，从燃料箱脚架处掉下的一块隔热泡沫砸到左翼碳碳复合材料面板下半部附近造成裂缝。而后高温热离子流穿过此处，使机翼铝合金、铁基合金、钠基合金结构熔化，导致航天飞机失控、机翼破坏和机体解体。,材料科学研究的内容,合成与制备Synthesis and Fabrication,成分与结构Structures,性 能Properties,效能与功能Performance,简而言之，材料科学就是研究各种材料的成分与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现这四个方面之间相互关系的科学。成分与结构、合成与制

19、备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现是材料科学的四个基本要素。材料科学研究的目的则是在这四个基本要素方面进行不懈地努力，以期使材料的发展更好地为人类社会的进步服务。新方法、新结构、新性能、新应用是发展新材料以及材料科学研究的永恒主题。,在 3 到 13 世纪，中国保持着一个让西方人望尘莫及的科学知识水平。英国科学家 李约瑟,china越王勾践的宝剑青铜编钟,我国的材料研究,这套编钟是在洛庄汉墓主墓室北面的14号陪葬坑内出土的。编钟出土时排列整齐，可看出当时是挂在架子上埋进去的。难能可贵的是，这套编钟在地下保存得非常完好，出土之后，轻轻擦拭便锃亮如新。,我国的四大发明中至少有两项是化学和材

20、料的结合体,通过蒸煮草木灰把植物中的纤维物质提炼出来制成了纸浆；一硝二磺三木炭的组合则生成了火药。,2KNO3+3C+S=N2+3CO2+K2S+169千卡,“一硝二磺三木炭”的原理在抗日战争中也发挥了巨大的作用。,形成了一支 40 万人的研究与生产队伍，其中科研人员近 10 万人。研究单位有 300 多个，新材料生产工厂 1000 多个。各类大学有 150 多个与材料有关的专业，毕业生的数量与美国相近。,我国的新材料研究,在光学晶体、有机分离膜、稀土永磁材料、高温超导体、准晶态研究等方面已取得举世瞩目的成绩，但与发达国家相比在总体水平上估计落后 10 年左右。钢材和化工有机合成材料要靠进口，

21、高技术所需的新材料以及引进生产线所用原材料大量依靠国外。,我国的新材料研究,1986 年 4 月，Mueller 和 Bednorz 报道临界温度 35 K；12 月，东京大学重复出了上述结果；同时，美国休斯顿大学朱经武等人获得了转变温度为 52 K 的 超导材料。1987 年 2 月，日本东京大学，85 K1987 年 2 月 15 日，朱经武等人，98 K 1987 年 2 月 19 日，中科院物理所 100 K；1987 年 3 月 4 日，日本金属材料研究所，123 K1987 年 3 月 4 日，北京大学 123 K1987 年 3 月，联邦德国 125 K,来看看那段特殊历史时期的

22、一次特殊竞赛,不少研究起步不晚成果不错，但形不成商品及产业。“成果一大片，材料看不见”。国家在新材料研究开发上的总投资估计超过 50 亿元，但形成的新材料生产的产值不大，大大影响了我国工业特别是高技术产业的发展。,我国的新材料研究,国内材料研究现状,中国科学院沈阳金属研究所(金属材料)中国科学院上海硅酸盐研究所(陶瓷材料)中国科学院上海有机所(有机化学和高分子材料)清华大学材料与工程学院,新材料的发展方向,结构功能的复合化 功能材料的智能化(smart)材料与器件的集成化 制备和使用工程的绿色化,材料的复合化-复合材料,古代近代先进复合材料天然复合材料树木和竹子：纤维素和木质素的复合体 贝壳、

23、动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 古代：使用、效仿 半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今漆器土漆和麻布复合而成，至今已四千多年蒙古弓由牛角和木材复合而成,韧性好,张力大,现代复合弓,人类第一架全复合材料飞机,材料的智能化,月面天线略图,（1）在军事和航天工业方面的应用,74,（2）在工程方面的应用,形状记忆合金管接口,Chapter6 Metallic Materials,75,Examples,TiNi 记忆合金眼镜架,超弹性耐腐蚀性重量轻,Chapter6 Metallic Materials,材料的集成化,生物传感器-酶电极,Advanced Materials is the top

24、journal in the materials sciences,with the highest independently assessed Impact Factor(2010 Impact Factor,10.857)of any professional,peer-reviewed primary materials science journal.It contains carefully selected,top-quality reviews,communications,and research news at the cutting edge of the chemist

25、ry and physics of functional materials as well as book reviews,product information,interviews,and a conference calendar.,In Germany,The Journal of Materials Chemistry(2008 impact factor 5.099)is an interdisciplinary Journal covering all aspects of Materials Chemistry.Papers cover:（1）the fabrication,

26、（2）properties and applications of materials：synthesis,structural characterisation and modelling.,Published by the Royal Sociedty of chemistry,Chemistry of Materials provides an indispensable molecular-level perspective at the interface of chemistry,chemical engineering,and materials science.This fun

27、damental research journal focuses on the chemistry involved in the preparation,processing,and analysis of all types 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 t

28、o chemists,chemical engineers,and materials scientists and technologists concerned with the preparation,characterization,and processing technology of new materials.,Published by the American Chemical Society2010 impact factor 6.397,Published by the American Ceramics Society,2010 impact factor 2.167,

29、The Journal of the American Ceramic Society contains records of original research that provide or lead to fundamental principles in the science of ceramics and ceramic-based composites.These papers include reports of the discovery of new phases,phase relationships,processing approaches and microstru

30、ctures that relate to ceramic materials and processes.,Powder preparation and colloidal science Processing science Nanotechnology science Catalysis Glass science Structure characterization(atomic level to nano-and microstructural scales)Crystal chemistry Defects,diffusion,phase transformation,phase

31、equilibria,thermodynamics,kinetics,chemical and thermal stability Microscopy and microstructure Mechanical,electrical,optical,magnetic or thermal properties of ceramics and glasses Ionic conductivity Bioceramics Cements Composites Clay and clay products Nuclear ceramics,思考题,什么是材料化学？其主要特点是什么？材料与试剂的主要区别是什么？观察一只灯泡，列举出制造灯泡所需要的材料。材料按其组成和结构可以分为哪几类？简述材料化学的主要内容。,