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1、,材料化学导论,联系电话 ：13720559499 E-mail：,西北大学本科化学类各专业核心平台课程,主讲：刘斌 副教授 刘晶晶 副教授,课程意义 纳米热！超导热！新材料热！化学学生学点材料知识有好处！ 课程特点 本科程从材料的组成、结构、性能和应用的关联角度介绍材料，化学 味浓！结构味浓！ 本课程为化学类各专业核心平台课程，学时36，学分2。 学习方法 好好听完每一节课，课后做做习题， 考核办法 平时成绩采用随机点名，3次不到取消考试资格。期中和期末均采用笔试闭卷考试，按一定比例计算总成绩。,序言,教材下载：,西北大学网页本科教学精品课程2011年 材料化学导论与实验 材料化学导论讲义，
2、word文档 / 材料化学导论教案，ppt课件,第1章 材料化学绪论,What何为材料？一个不是问题的问题。 Why为何学习本课程？ Way or How怎样学习？,什么叫材料？ 国外2部大型辞书对材料的定义：,1 材料的定义、分类和作用,Longman Dictionary： anything from which something is or may be made。,Oxford Advanced LearnerEnglish-Chinese Dictionary： that of which something is can be made or which something is
3、 done。,牛津高级英汉学习词典说：用来制作某种物件或完成某种事情的东西称作材料,Langman词典说：能够或可以用来制作某种物件的东西称作材料,国内大型辞书辞海： 人们把自然界经过开采而获得的劳动对象称为原料。自然界自然存在而未经过人类任何劳动输入的就不能称为原料。例如，开采出来的矿物是冶金的原料，种植出来的小麦是制造面粉的原料，但采掘工业中就没有原料。在加工工业中，一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为原料，把经过工业加工的原料（如钢铁、水泥）称为材料。材料和原料合成为原材料。 辞海定义可以总结为：经过人类劳动而取得的劳动对象称为原料，经过二次加工的原料称为材料。,上述定义的欠缺及使用不
4、便 共性 3个定义都指出了：材料是用来制作某种物件或完成事情。 差异 两种英文定义均未能指出材料使用过程中本质方面的变化。 辞海的定义虽然阐明了原料和材料之间的联系和区别，但也没有指出材料在使用中本质的变化。 使用这些定义在实际中带来不便： 化工品烧碱（NaOH）和食盐（NaCl）？ 按定义应是材料，但类似不胜枚举的化工产品都是原料。 来自采掘工业的沙石、木材等等？ 按定义似乎应是原料，习惯上将其归入建筑材料。 思考？食盐在加工中失去了其原质。 烧碱在应用于其它化工加工过程时，也要失去原质。所以，食盐和烧碱一般都看作是化工原料。原料在加工中一般均失去了原质。,怎样定义材料？ 借助两个英语词组来
5、说明材料的含义： “ made of ” 指构成或制成物品后，其物质的原质没有发生变化； “made from ” 指构成或制成物品后，其物质的原质已经发生变化，即失去了原质。 在辞海定义基础上修改材料定义：,经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对象称为材料。,1.2材料的分类 按照材料的化学属性可以分为4类：,按材料的性能分类,材料的功能及其示例 热学性能热容、热传导、热稳定； 光学性能与光的作用、吸光、发光和透光性； 电学性能导电、介电和压电性等； 磁学性能永磁、硬磁、软磁等； 化学性能反应性、催化等； 生物功能人造器官、骨骼和牙齿等。 举例： 弹性材料应用力学性能用
6、于非结构目的属于功能材料； 结构陶瓷应用力学性能用于结构目的 属于结构材料； 普通玻璃应用光学性能用于结构目的 属于结构材料； 耐 火 砖应用热学性能用于结构目的 属于结构材料。,（3）从固体材料的存在相态看,无机非金属材料陶瓷材料 多相材料,氮化硅轴承,压电陶瓷,氧化铝陶瓷,矿物玛瑙饰品,（4）混合分类法 先以属性分类，再依功能划分,由数百个乃至上千个原子组成的至少在一维方向的尺度在020nm。因此它属于微观和宏观之间的介观范畴，具有不同于宏观材料的诸多特殊性质！ 从材料属性看，有纳米金属、纳米合金，纳米氧化物和纳米化合物等；从存在尺度形态将，有纳米粒子，纳米棒，纳米膜；还有纳米管，纳米器件
7、等。 纳米技术采用“自下而上”（bottom up）的思路，以超分子化学（组装技术）和分子电子学（功能分子）为基础正在发展分子器件，而我国科学家的研究走在国际的前端。,纳米材料,（5） 固体材料新的存在形式的两个奇葩,纳米银粒子,金纳米棒10nm,碳纳米管,太阳能用晶体硅纳米线材料,冰花状纳米氧化锌晶体,与复合材料存在多相组成不同，有机-无机组分间是在原子分子水平上的复合，结合方式自然是强化学键和弱化学键，已构成了功能杂化材料领域。从80年代开始，日本理部化学研究所山田瑛、雀部博之等人，应用化学中“杂化”（hydrid）概念而提出。指两种以上不同种类的有机、无机、金属材料在原子、分子水平上杂化
8、，从而产生具有新型原子、分子集合结构的物质。这种材料具有许多新性能和用途。,杂化材料,现代社会 原始社会,1.3 材料在社会经济发展中的作用,材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。因此，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类社会进步的里程碑。纵观人们利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。,以石头制造工具。可以划分为旧石器时代（公元前23百万年至约1万年），从原始部落到母系社
9、会；中石器时代（公元前约1万年至78千年）；新石器时代（公元前78千年至6千年）。这期间，我们的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了矿石，发明了火，制造了第1种人造材料陶，并在烧陶过程中发展了冶铜术，开创了冶金技术。, 材料的使用程度是人类社会发展的里程碑,人类制造和使用第3种人造材料铸铁，嗣后是钢铁工业的迅猛发展，成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。 人类社会发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为发明之母和产业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。在当前新技术革命涉及整个国际社会的浪潮冲击下，
10、人类进入了一个材料革命的新时代。,人类大量制造和使用第2种人造材料“红铜”和“青铜”。 “红铜”时代约在公元前45前年，即原始社会到奴隶社会初期；“青铜”时代约在我国商周时代和私有制建立的前夜。,材料的发展过程,在20世纪初期出现了化工合成产品，其中合成塑料、合成橡胶和合成纤维已广泛地是用于生产和生活中。从1907年第一个小型酚醛树脂厂建立，到1927年第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工业迅猛发展起来，这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工业化（1970-1980年）、分子
11、设计、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等几个发展进程；,第三代材料为合成材料,新材料的每次使用都引起人类社会的巨大变革和生产力革命。18世纪以来世界范围内的生产力变革和技术革命都以新材料使用为龙头。,材料与新技术革命,第一次技术革命产业革命 始于18世纪的英国产业革命，使得以手工技术为基础的资本主义工场手工业过渡到采用机器大生产的资本主义工厂制度。这场工业革命的物质基础是钢铁材料，而伴随的新技术则是蒸汽机的发明；,第二次技术革命电气革命 1879年爱迪生发明了电灯，把电力革命的曙光带给了人类，一系列电气材料相继诞生与广泛应用，产生了巨大的生产力变革； 第三次技术革命电子革命 20世纪中
12、叶，新导电、导磁材料和半导体材料的发明和应用，使大规模集成块问世，带来了计算机的广泛应用，以及原子能的利用，大大发展了生产力和科学技术； 第四次技术革命 有人说目前正处在第四次技术革命的前夜。这次技术革命以信息技术、新材料技术、新能源技术和生物工程技术为基础。亦有人把材料、能源和信息科学看作是现代科学技术的三大支柱，而材料科学技术称为三大科学技术支柱之首。,美国商业部对2000年12项新型技术的预测,先进材料包括特种陶瓷，陶瓷基和金属基复合材料，金属间化合物与轻合金，先进塑料，表面改性材料，金刚石薄膜，膜材料及生物材料等。,材料，包括结构材料和功能材料，绝大多数属于固体状态，因而材料科学也就是
13、固体科学。它是研究材料的成分、结构、加工成性和性能及其转化之间相互关系的一门科学。材料的推出过程如下： 送至 送至 送至 材料制备 品质鉴定 性能测试 应用 为工艺控制提供数据 为品质鉴定提供数据 提供性能的要求,2 材料科学与材料化学,2.1 材料科学与材料化学,研发过程,研究构成材料的固体的原子、离子及电子运动和相互作用的一般共性规律，提出各种模型和理论，以阐明固体的结构和性能之间的关系；,材料科学门类,研究固体材料中具体的各类固体物质的合成方法、结构和表征、性质测定和应用及其相互关联；,解决如何将固体物质制成可以使用的结构材料和器件，使之具有指定的形态(如纤维、薄膜、陶瓷体、集成块等)和
14、规定各种结构和性能，如具有特定的热、力、光、电、声、磁、化(学)和生(物)功能。,固体物理学,固体化学,材料工程学,固体化学或材料化学是新材料诞生的摇篮，是材料科学中的中间链节。化学是自然科学中唯一一门创造新物质的科学。在过去的一个世纪之中，化学家以结构功能关系研究为主线，设计、合成了许多具有各种功能的分子和物质。随着化学的发展，较为完备的合成化学理论和方法、精确的定性和定量分析，尤其是各类结构分析仪器的发展和应用，使得材料化学科学发展到一个新的水平，对新材料的研制和推出起到重要的作用。,中间链接固体化学或材料化学,用化学理论和方法研究功能分子以及由功能分子构筑的材料的结构和功能关系，使人们能
15、够设计新型材料。 合成化学提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计结构的材料。 在20世纪后期有两个动向：一是具有特定功能的先进材料变得越来越重要；一是高级材料对于特殊物理性质和材料的高级结构的依赖性增加。,材料化学中的基本内容,分子结构分子聚集体高级结构材料结构理化性能功能之间的关系 掌握这些关系便可以减少盲目性，增加命中率。还需要建立测定高级结构的方法，研究理化性能和功能与高级结构的关系。 合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法的研究 如何构筑有序的高级结构是一个新的合成化学问题。或是在合成结构单元的时候如何时期能够自组装成为所需的高级结构；或是在获得功能分子之后，再组装为材料。,材料科学发展的化学基本问题,本课程的特点及学习方法,始终把握材料的组成（结构）-性能-制备-应用的四面体关联。,结构从理想晶体结构出发，突出材料缺陷化学。,材料的性能侧重电性能、光性能和磁性能，注重性能与结构的关联。,了解分子材料、杂化材料和纳米材料的发展现状。,
