材料化学导论.

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1、材料化学导论 张宝莲 田中华 1.1 材料与新材料的重要性 Def: 材料是人类用来制作物件，如用具、工具 、元器件、设备设施、系统等的物质。 人与其它动物的区别：能有意识的制造和使用 工具 人类文明史与材料的发展史密切相关。 材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料 。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药 物，一般都不算是材料。但是这个定义并不那 么严格，如炸药、固体火箭推进剂，一般称之 为“含能材料”，因为它属于火炮或火箭的组成部 分。 l 邓小平：科学技术是 第一生产力。 l 政治学家：生产力的 进步是社会发展的根 本原因，而劳动工具 的发展是生产力进步 的主要因素。 l 材料学家：材

2、料是时 代进步的标志。 材料是时代进步的标志材料是时代进步的标志 认识工具材料认识工具材料 制造工具制造工具 使用工具使用工具 石石 器器 时时 代代 青 铜 器 时 代 青铜（主要为Cu、Sn合金） 青铜器（战国）错金犀牛尊青铜器（战国）司母戊方鼎 铁 器 时 代 信息时代 认识材认识材 料料 制造制造 工具工具 使用工使用工 具具 工艺 过程 材料的发展史 在人类发展史上材料的发展经过哪几个阶段？ 1使用纯天然材料的初级阶段（旧石器时代 ） ：群居洞穴，以狩猎为生，使用的工具是石器 和骨器，这些骨器制作粗糙，用途尚未分化 2人类单纯利用火制造材料的阶段（新石器时 代、铜器时代和铁器时代 ）

3、：分别以人类的三 大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段 主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶 炼和加工的时代（烧结材料和冶炼材料）。 材料的发展史 3利用物理与化学原理合成材料的阶段 ：这一阶段以合成高分子材料的出现为开 端，一直延续到现在，而且仍将继续下去 。除合成高分子材料以外，人类也合成了 一系列的合金材料和无机非金属材料。超 导材料、半导体材料、光纤等材料都是这 一阶段的杰出代表。 4材料的复合化阶段 5材料的智能化阶段 材料的发展史 4材料的复合化阶段：20世纪50年代金 属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来 。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度 功能材料以及最近出现的抗菌材

4、料的热潮 ，都是复合材料的典型实例。 现代复合 材料最根本的思想不只是要使两种材料的 性能变成3加3等于6，而是要想办法使他 们变成3乘以3等于9，乃至更大。 5材料的智能化阶段 材料的发展史 5材料的智能化阶段：自然界中的材料 都具有自适应、自诊断合自修复的功能。 如所有的动物或植物都能在没有受到绝对 破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材 料目前还不能做到这一点。但是近三四十 年研制出的一些材料已经具备了其中的部 分功能。这就是目前最吸引人们注意的智 能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃 等等。 材料的重要性 现代文明三大支柱 ：信息、能源、材料。 其中材料起决定性作用： 材料对信息科学的重

5、要性半导体材料 材料对能源的影响绿色能源（太阳能利用过程中的 光电转化材料、氢能利用过程中的储氢材料） 材料对航天航空的影响很高的比强度和比刚度 以及 宇航材料的耐超高温 材料对原子能技术的影响核反应堆一般采用热中子 堆，堆心的结构件必须采用锆合金，因为只有锆合金吸 收中子的几率比较小，不会扼杀堆内的链式反应。所以 ，要建设核电工业系统，必须建立锆材料工业。 材料对生物技术的影响生物医用材料 材料是现代文明的基石 现代文明 生物技术 信息技术 能源技术 材料科学与工程 1.2 材料科学与材料化学 （一）材料科学的形成 w w 材料科学的形成： “材料”早存在，“材料 科学”提出于20世纪60年

6、代，1957年苏联 卫星上天，美国震动很大，在大学相继建 立十余个材料科学研究中心，自此开始， “材料科学”一词广泛应用。 材料科学的形成是科学技术发展的 结果 第一，固体物理、无机化学、有机化学、物理 化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入 研究，推动了对材料本质的研究和了解；同时 ，冶金学、金属学、陶瓷学等对材料本身的研 究也大大加强，从而对材料的制备、结构和性 能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈 深入，这为材料科学的形成打下了比较坚实的 基础。 第二，在材料科学这个名词出现以前，金属材 料、高分子材料与陶瓷材料科学都已自成体系 ，它们之间存在着颇多相似之处，可以相互借 鉴，促进本

7、学科的发展。如马氏体相变本来是 金属学家提出来的，而且广泛地用来作为钢热 处理的理论基础。但在氧化锆陶瓷材料中也发 现了马氏体相变现象，并用来作陶瓷增韧的一 种有效手段。 第三，各类材料的研究设备与生产手 段也有很多相似之处。虽然不同类型 的材料各有专用测试设备与生产装置 ，但更多的是相同或相近的，如显微 镜、电子显微镜、表面测试及物理性 能和力学性能测试设备等。在材料生 产中，许多加工装置也是通用的。研 究设备与生产装备的通用不但节约了 资金，更重要的是相互得到启发和借 鉴，加速了材料的发展。 第四，科学技术的发展的要求。长期以来，金 属、高分子及无机非金属材料学科相互分割， 自成体系。由于

8、互不了解，习惯于使用金属材 料的想不到采用高分子材料，即使想用，又对 其不太了解，不敢问津。相反，习惯于用高分 子材料的，也不想用金属材料或陶瓷材料。因 此，科学技术发展对材料提出的新的要求，促 进了材料科学的形成。 第五，复合材料的发展，将各种材料有机地联 成了一体。复合材料在多数情况下是不同类型 材料的组合，通过材料科学的研究，可以对各 种类型材料有一个更深入的了解，为复合材料 的发展提供必要的基础。 材料科学与材料工程的关系 w w 一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎 么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向， 为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、

9、发展新材料 提供理论基础。 w 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者 说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因 此，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词材料 科学与工程（MSE，Material Science and Engineering） 1.2 材料科学与材料化学 材料科学是研究材料的成分、组织结构、 制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料 应用之间的相互关系的科学。材料科学是 当代科学技术发展的基础、工业生产的支 柱，是当今世界的带头学科之一，涉及的 理论包括固体物理学，材料化学 1.2. 1.2. 材料科学和材料化学材料科学和材料化学 （一）材料

10、科学的内涵 材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是 材料的组织结构（Structure）和性能（Property）以及它们之间的 关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的结构 是什么？ 材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现 、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结 构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之 间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和 性能。 材料科学材料科学 工艺工艺结构结构性能性能 材料科学研究内容 材料科学研究的本质：组成、结构与性能 关系 材料设计原则：组成、结构如何影响性能 而分子组成恰恰是材料化学所要研究的内容 1.

11、3 材料化学专业人才培养 及课程成体系的研究 材料化学是一门材料科学与现代化学相结 合的新兴交叉的边缘学科。他研究材料制 备、加工、性能等的化学问题。材料化学 与材料物理、材料工程一起构成材料科学 的三块基石。90年代初由复旦大学成立第 一个材料化学专业开始，材料化学专业如 雨后春笋般在全国许多高等院校相继出现 ，我院材料化学专业也于2001年正式成立 。 1 国内材料化学专业情况分析 材料化学专业在国内许多高校都有开设， 据不完全统计，约90多所，包括北京大学 、南开大学、吉林大学、复旦大学、南京 大学、南京理工大学、南京工业大学、浙 江大学、中国科学技术大学、厦门大学、 华侨大学、青岛科技

12、大学、中国地质大学 、武汉工业大学、中山大学、四川大学、 西北大学、兰州大学等。 北京大学材料化学系 建立于1996年, 隶属于化学与分子工程学 院，主要由无机化学研究所和稀土化学研 究中心构成，其中有部分材料化学系人员 组成了稀土材料化学及应用国家重点实验 室，研究领域主要包括无机功能材料及结 构化学、稀土材料化学及应用、纳米材料 、高分子材料化学与有机/无机复合材料化 学等，重点在材料的分离、合成、表征与 结构等基础研究方面 复旦大学的材料化学专业 发挥了自身综合性大学的特长，结合了无机非 金属材料和高分子材料的内容，本科生毕业颁 发理学学士学位 。 本专业培养具有系统的化学基础理论及实验

13、技 能，掌握高分子材料、无机材料、复合材料和 微电子材料方面专业知识，并在科学研究、新 材料开发和开拓应用方面受到良好训练的专门 人才。 。主要专业课程：材料科学基础、材料 分析、材料化学、材料物理导论、材料化学与 物理实验、高分子化学、高分子材料的结构与 性能、复合材料以及微电子材料等。 中国石油大学材料化学专业 着重研究与石油化工相关材料的化学问题 。 中国民航学院材料化学专业 三个专业方向紧扣与航天航空相关材料中的化 学问题 纳米功能材料及其应用方向：本方向以纳米材 料制备与检测的新理论、新技术研究为重点， 具有与民航前沿技术紧密结合的特色。在测定 航空润滑油残炭、航空燃料燃烧值等方面取

14、得 了新成果。首次用离子注入方法，制备了纳米 氙化钠。提出了纳米晶体的叠合生长模型。梁 家昌教授为美国纽约科学院成员，是美国应 用物理学报和应用物理快报评审。宋庆 功教授2005年被聘为科学通报评审。 金属材料表面涂层与工艺方向：本方向以 超音速火焰喷涂、等离子喷涂和超音速冷 气喷涂为特色，在民用航空维修热障涂层 、高温封严涂层、耐磨涂层和尺寸恢复涂 层上具备一定的优势。完善了涂层结合强 度、结合能、动态内应力等重要涂层性能 指标的测试与分析；在超音速火焰喷涂成 套设备的研制方面取得了重要成果。 飞机材料腐蚀与防护方向：以研究和解决 民用飞机腐蚀的理论和应用技术为特色。 方向带头人田秀云教授为

15、国务院特殊津贴 专家，她在我国民用飞机腐蚀事故的应急 处理、腐蚀问题研究与防护等方面取得了 许多有实用价值的成果，解决了许多民航 飞行安全和技术中的重大问题，并完成多 部飞机腐蚀方面的著作。波音公司等国际 飞机腐蚀问题专家在本学科担任兼职教授 。 江苏工业学院 考虑到苏南地区大约3000家大大小小的涂 料企业，和常州作为中国最大涂料生产基 地这两个事实，江苏工业学院在材料化学 专业正式成立之初，涂料就被列为专业教 学与科研的主要方向，并纳入到了材料化 学专业教学内容中，充分结合了本地行业 发展状况，形成了自己的特色 2 国外情况分析 在国外来看，特别是发达国家的本科阶段 基本上是按照一级学科，

16、比如化学、材料 学、化学工程等来安排的，所以基本上没 有在本科阶段就开设材料化学这个专业， 到了硕士阶段才开始按照不同的方向来划 分专业。 3 天津市材料化学专业情况 在天津市，目前开设材料化学的学校主要有天 津城市建设学院、天津大学、南开大学、中国 民航学院和天津科技大学。天津大学材料化学 专业是在原有材料科学与工程专业的基础上发 展起来的，是理工结合的专业，培养学生具备 材料科学的基本理论，材料化学的基本知识和 基本实验技能，使学生受到科学思维与科学实 验方面的基本训练，具备运用化学和材料化学 的基本理论和实验技能进行新材料设计和研究 开发的能力。南开大学材料化学专业依托原有 的化学专业，为以化学为主的理科。 我院材料化学的沿革及定位 我院材料化学专业依托于有着传统优势的材料科学与工 程专业。材料科学与工程专业