第一章 无机材料化学.docx

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第一章无机材料化学

无机材料化学讲义

—邓安平

第一章绪论

什么是材料

课程设置：

总学时：

36学时，18周

考勤方式

考试范围：

任课教师介绍：

讲课形式：

讲座科普介绍扩展知识面，过度到较规范系统的讲解

△我们所了解的材料

建筑材料：

水泥玻璃等

防弹玻璃，节能，智能材料发电机马达用导线与磁铁

钢铁板材（华东理工大学超细氯化铁膨胀石墨超细石墨）

白春礼STM下刻字隐形飞机11号台风微波（炉）电脑笔记本

△人们往往将材料和物质两个概念混淆，其实他们具有完全不同的含义

对于材料可采用“没用的东西”或“挺好的东西”这类语言加以评价，但对于物质来说，则不能这样。

对于物质一旦使用“可能有用”等字眼表示其意义时，总是把它作为材料来考虑

△材料由其构成元素的不同，可分为三大类：

金属材料无机材料有机（高分子）材料

金属材料是以元素周期表中金属元素为主要成分的材料

无机材料是有金属和非金属元素组成的可利用的化合物

有机高分子材料则是以碳、氢、氮为主要成分的材料

△材料世界丰富多彩，人们为更好的研究材料的共性，常常将其进行分类，如以存在状态、物理性质、功能性质及用途分类

状态分类:

单晶、多晶、非晶、复合

物理性质分类：

高强、超硬、高温、绝缘、导电、超导、透光、磁性

功能性质分类：

铁电、压电、热电、光电、

磁光、智能

用途分类；耐火、耐酸（碱）、耐磨、光学、感光、电子、电工、贮氢、节能

燃料电池

1—1金属材料

　对于钢铁，大家都不陌生，广泛应用于工业、农业、国防等领域，是整个工业材料的主力。

钢铁的产量是一个国家工业发展水平的标志。

自然界中总共有33种金属，分为黑色金属和有色金属两大类。

黑色金属指Fe、Mn、Cr及合金，而其余则为有色金属，它们虽然只占金属消耗量的5%，但却赋予金属材料许多优异的特殊性能。

在有色金属中还包括五十余种稀有金属，如Li、Be、Mo等，它们常被称作“冶金工业纤维素”，

钢铁几乎是黑色金属的代名词。

按其含碳量、组成元素及用途分为：

含碳量：

纯铁生铁钢

组成元素：

碳素钢合金钢结构钢（强度、韧性）

用途：

工具钢（硬度高、耐磨）

特种钢（磁性钢、耐磨钢、高温合金钢、低温钢、精密合金钢、电工钢）

1-2人类与材料

材料是人类赖以生活和生产的物质基础，是人们用以作为物品的物质。

生产技术的进步是和新材料的应用密切相关的，因为材料的好坏直接影响着生产工具的优劣和产品的质量，所以人们总是不断地去寻找、发现新材料，以促进生产、改善物质文化生活。

而每一种新材料的发现和应用，都会给社会生产和生活面貌带来巨大改变，把人类物质文明推向前进。

因此，历史学家往往用制造工具的原材料作为社会发展的标志。

人类历史的发展按照使用材料进行划分分为四个阶段：

1.石器时代：

原始人使用石刀、石斧刮削器皿，使人从动物中分离出来。

2.青铜时代：

处于奴隶社会的夏、商，人们已由开始使用天然铜块，到利用铜及锡矿石进行简单的青铜炼制，继而利用青铜制造工具、武器、食具、货币、日用品、车马装饰等。

这代表了一种新的生产力登上了历史舞台，有力的促进了生产的发展。

3.铁器时代：

社会发展到春秋战国，铁已经开始为人类服务，铁制农具代替木制农具，使大面积的农田耕作、开垦广阔的土地成为可能，推动了奴隶制向封建制的过渡，因此铁器的使用是划分两个重要历史时期的标志。

4.人工合成材料时代：

十八世纪六十年代，英国工业革命导致采矿、冶炼的迅速发展，人类进入人工合成材料时代，从简单的人造材料如陶瓷、玻璃、金属、高分子化合物、半导体等，进一步发展到利用优异材料巧妙地组合成和谐而有高性能的器件和装备，如集成电路、计算机、飞机、潜艇、核反映器、宇宙飞船、人造卫星等。

在人类发展的历史长河中，材料具有十分重要的作用，社会的任何一点进步，无一不是应用新材料的结果。

今天，材料、能源、信息、生物这四根支柱，在地球的空间支撑着人类赖以生存的大厦，人类的生活和生存所依赖的衣食原料，依赖于农业的科学技术，随着农业的工业化，材料在农业、工业中的应用将愈来愈重要，甚至人类益寿延年的一条途径也依赖生物材料来更换器官，而遗传工程的实施也需要材料来保证。

能源的开发和利用离不开材料，在现代先进能源转换技术中，如发电机、蒸汽轮机、燃气轮机、核反应堆、磁流体发电、煤的汽化和液化、太阳能的转换、高密度电池、燃料电池等，为了实现能量转换为了提高效率、安全性、经济性，都依赖于材料的改进和新材料的发现。

反过来，材料的生产的利用也需要能量，今天的社会，材料与能源是相互依靠的。

甲醛+尿素=脲醛树脂

现在信息贮存、处理和传播的先进技术如电话、电报、收音机、照相机、电视机、录音机、录象机、计算机等的出现、改进和换代都以来于材料。

另一方面，信息的发展又使材料的生产和利用达到更高的水平。

今天的社会，信息和材料也是相互依靠的，为了强调这种关系，也可将信息的接收、处理、贮存和传播所需的材料，统称为信息材料。

1-3材料与新技术革命

事物总是在运动和变化的，事物因为运动和变化所导致的进展和发展是复杂和不平稳的，若是逐渐的变化，我们叫发展或改革，若出现了飞跃的质变，我们叫做革命。

在不同的领域中，有着不同的革命，社会制度的飞跃叫社会革命，人类改造物质世界的飞跃叫做技术革命。

现代的新技术革命是由一群新技术所引起的改造物质世界的革命。

这些新技术群，除了支撑人类文明大厦的四大支柱技术——材料、能源、信息、生物——有着新的飞跃外，还有上天的航天技术和深海的海洋技术以及系统工程。

地球表面不能满足人类需要，从而在深海和近海探索能源、材料和生物资源；在太空建立信息和能源转换站，进行材料的加工，分别发展了海洋工程和航天技术。

此外，国防的需要，也促使人们发展这两门技术。

材料是人类物质文明的基础和支柱，它支撑着其他新技术的前进，能源的开发、提炼、转化和贮运，信息的传递、贮存、利用和控制都离不开材料，航天技术、海洋工程、生物工程和系统工程都需要结构和功能材料。

另一方面，常规材料的发展和新材料的涌现，也是其他新的科学技术，特别是信息科学技术与系统工程前进的动力。

从上面分析可以看出，以材料为研究对象的材料科学技术（或叫材料科学与工程），在新的技术革命中将扮演重要的角色。

1-4（什么是）材料化学

1-4-1材料科学

材料科学是研究材料的组成、结构和性能之间的相互关系及变化规律的一门科学。

它的任务是解决合格材料的制备问题，以及有效地利用现有材料并不断创造新材料。

材料科学的研究内容很丰富，大致包括材料的形成机理和制备方法，研究材料的组织、结构、杂质、缺陷与性能的关系，探索材料在加工、使用过程中的变化和损坏机理，材料性质和性能的测试，还有材料的工程应用研究等等。

材料的制备：

是首先研究的课题，包括材料的制备原理、方法、温度、压力、载荷、速度、电场等各种因素对材料的影响，研究各种功能材料的电、光、声、磁、热等性质与材料的成分、组织、结构的关系。

材料中普遍存在的杂质和缺陷，对材料性质影响很大，比如半导体材料和功能材料性能不稳定，往往是由于杂质和缺陷控制不严引起的。

因此，研究如何避免杂质和缺陷的不利影响也是一个重要问题。

材料的表面结构和性质往往与它的内部状态有很大差别，这些差别对性能也有影响，所以还要对表面进行研究（如ESCA、表面化学）。

此外，还要研究材料在加工、使用过程中的变化和破坏机理，材料性能测试和测试方法研究，开发新工艺、新技术的研究，解决材料的应用问题，不断挖掘新材料潜力，做到合理选用，提高材料的利用效率，最后还要运用基础科学理论和材料科学本身积累的知识，不断搜索新材料。

材料科学研究又可以分为基础理论研究和测试技术研究两大方面。

a.在基础理论方面，由于近代物理、近代化学特别是固体物理、量子化学等基础科学的发展，为阐明材料本质和探索新材料奠定了理论基础，使材料科学进入了微观与宏观研究相结合的新阶段，许多从宏观上无法认识的问题，从微观的组织结构中逐步认识和找到了规律。

例如，科学家从理论上对金属原子的结构、强度进行了分析研究，指出金属在理论上应具有比实际高的多的强度值。

铁的理论强度值可达2000Kg/mm²,而目前超高强度钢的强度值仅达到理论强度值的20%。

可见钢铁还有很大的强度潜力。

这一理论成果指导人们去探索无缺陷、强度更高的理想材料。

b.测试技术研究主要是采用各种测试手段和仪器设备，对材料进行分析、检验。

如对金属材料，常用的有力学性能测验、电磁性能测量、导电性膨胀性测试和晶体结构分析测试等等。

这些测试技术运用了力学、光学、电磁学、电子热力学等基本原理，还广泛运用了数学、物理学和化学等基础理论和方法。

例如，对材料试样进行抗伸试验和应力分析，就离不开数学力学分析，运用热力学动力学原理，可测定材料的导热性和比热，还可测定相转变等。

在实验仪器和设备方面，各种类型的现代化测试仪器为材料科学研究提供了良好的物质条件，使人们对材料的研究从宏观特性进入原子-电子一级的微观世界。

例如，利用扫描电子显微镜（STM），能显示出分子的空间结构，清楚地观察晶体和空间位置，并可把空间状态拍成照片，从照片上看到直径仅为一点几埃的原子图像。

还有各种类型的万能、疲劳、蠕变、断裂韧性、动平衡、无损探伤等实验仪器不断涌现，为材料机械性能测试和质量检验创造了有利条件。

此外，各种尖端技术的发展，-270℃的超低温，10-13mmHg的高真空，106atm的超高压等等，为深入了解物质和材料在极端条件下的变化规律，进一步阐明材料的本质和探索研制新材料，提供了强有力的技术手段。

材料科学是一门多学科相互交叉的新兴综合性学科，是界于基础科学与应用科学之间的一门应用基础学科，它与其他许多学科联系密切，又相互渗透，互相促进，固体物理、量子化学、结构化学、结晶学和物理、力学等基础学科，为材料科学提供理论基础，反过来，材料科学的发展又给基础科学提供新的课题。

另一方面，新材料不断涌现，为应用科学和新结构、新技术的发展创造了条件，而新技术的需要又促进了材料和材料科学的进一步发展。

1-4-2材料科学的一个重要分支——材料化学

材料作为物质，是由分子、原子构成的，这些分子、原子相互之间作用力及其状态无疑是结构化学的研究内容。

而对于分子、原子状态的理论分析及预测又是理论化学工作者的任务。

可以设想，在某一材料中引入一种新的化学物质，将会产生具有一新的性质的新材料，这种新材料的性质除与原有材料有关外，还必须与新引入的“杂质”有关。

那么关系如何呢？

这种材料与原材料的相互作用又如何呢？

与材料性质关系又如何呢？

等等，这些也是化学工作者所要解决的问题。

对于材料的制备，例如介电材料BaTiO3陶瓷的制备，不同的化学制备方法对材料的性能有很大的影响。

传统的方法使用BaCO3和TiO2固相反应，很难得到性能优异的BiTiO3陶瓷材料。

现在采用BaCl2、TiCl4与草酸液相共沉淀，得到草酸钛钡复合盐，再使其分解制备的BaTiO3材料性能大大优于固相反应法。

最近又提出Sol-Gel等化学方法。

这说明，在材料的制备过程中离不开化学反应及化学过程，而且化学反应及其过程的改进对材料的制备具有重要的意义。

可以看出，将化学理论应用于材料科学即产生一门新的学科——材料化学。

材料科学发展到今天，科学家已经不满足于凭经验多次反复摸索试制新材料这种模式了，而是向物质微观世界的更深层次进军，寻求原子内部结构与物质特性之间的变化规律，将物理、化学和材料科学有机地结合起来，寻求一定的规律，依照这个规律去预测材料的性能，并且按照人们预定的要求，像设计机器和房屋一样，设计分子结构，工厂也就可以按照这个设计来生产材料了。

人们已经设想或开始利用计算机进行分子设计、创造新材料。

按现有的化学知识，把它们翻译成计算机的“语言”（程序）让计算机记住这些化学反应，作用机理以及化合物名称、立体结构和性能等。

在探索新材料的过程中，只要把化合物的性能要求“告诉”计算机，它就能帮助设计出新化合物分子，并提出合成这种新化合物的合理方法，判断和推测新化合物的各种性能，或者借助计算机对原有材料进行改造，在十分复杂的因素中找出接近实际的设计方案，把不需要的分子“剪裁”下来，甚至再“接上”所需要的分子，从而合成出符合人们心愿的分子。

可以预言，未来的发展将使人类完全摆脱对天然材料的依赖。

新材料的合成只要通过化学计算机重新组合分子就行了，这将使材料的研究和生产发生根本性变革，前景非常令人乐观。