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1、2018/8/25,材料化学绪论,唐月锋 e-Mail: Tel.: 025-83594317(O), 13951724707 本人南京大学材料化学基础全套资料QQ：2091958842,1,2018/8/25,绪论,0.1 材料科学及其发展,0.2 现代材料及其分类,0.3 现代材料化学研究对象及内容,0.4 现代材料化学参考书,2,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,材料科学工程是现代工业发展的四大支柱之一,几乎每一项重大的科学技术进步都与材料的发现有着密切关系。现代材料科学发展的基础已经由过去的宏观研究发展进入到微观分析和研究，用分子、原子、电子的尺度来改变物质性质，发展新型
2、材料。,3,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,材料化学材料科学是近40多年来发展起来的新兴学科，随着现代科学技术的发展和理论研究的深入，近年来材料科学又萌发出一个崭新的分支材料化学。一方面、由于材料化学创立不久，其含义和内容只初具概念，急需不断探索和完善；另一方面、由于当今以服务于高科技、现代工业和国防为主的现代材料或新材料的需求量越来越大，新材料的研制与开发速度也越来越快，因而涌现出的新概念、新理论、新技术、新方法、新工艺、新产品和新问题越来越需要材料学家和化学家等共同努力来归纳、整理、总结及创新，从而为新材料的发展提供完整而系统的理论指导和技术保障。,4,2018/8/25,0
3、.1 材料科学及其发展,在人类的生活或生产中，材料是必需的物质基础，是社会进步的里程碑。历史学家曾将人类的历史按石器时代、铜器时代等来划分。从近代科技史来看，新材料的使用对社会经济和科技的发展起着巨大的推动作用。例如：钢铁材料的出现，孕育了产业革命；高纯半导体材料的制造，大大促进了现代信息技术的建立与发展；先进复合材料和一系列新型超合金材料的开发，为空间技术的发展奠定了物质基础；新型超导材料的研制和开发，将大大推动无损耗输电、大功率发电机、磁流发电以及受控热核反应堆等现代能源的发展。可以说人类社会的进步和技术发展过程中的每一个重大突破，都是以材料为前提的。,5,2018/8/25,0.1 材料
4、科学及其发展,20世纪后期以来，人们把材料、信息和能源作为现代社会进步的三大支柱。特别是进人80年代以来，在全球范围内崛起了信息、新材料、新能源、生物、空间和海洋六大技术群体，其中信息技术、新材料技术和生物技术被视为2O世纪末乃至21世纪新技术革命的主要标志。最近，德国Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research (FISIR)分析了世界各国的发展计划，总结出21世纪初的九大重点领域，它们是：先进材料、纳米技术、微电子学、光子学、微系统工程，软件与计算机模拟、分子电子学、细胞生物技术以及信息、生产与管理工程。,6,2018/8
5、/25,0.1 材料科学及其发展,在这九大重点领域中又列出了80个课题，其中属于先进材料的有24项，在其他领域中也包含着不少与材料直接相关的课题，如纳米技术中的纳米材料，微电子学中的信息存储、微电子材料、超导及高温电子学等，共有27项。因此，在未来技术80个课题中，有关材料方面的课题占60%以上，这充分说明了新材料在未来技术中的重要地位。,7,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,工业发达国家历来都把材料的研究和发展提高到战略高度来看，把材料作为优先发展的领域。例如，美国早在20世纪50年代由艾森豪威尔总统亲自制订了“国家材料规划”，经过这一规划的实施，美国国力大增；美国总统克林顿在1
6、994年提出“技术经济增长的发动机”的决策，大力发展新材料被列为重要内容之一，其目的是使美国在国民经济和科学技术方面继续保持世界领先地位，日本政府则把新材料技术作为未来的关键技术并提出了庞大的研究计划。西欧的尤里卡计划等都对新材料的发展作出了重要,8,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,的安排。其他一些发达国家也对本国的经济和科技政策进行了调整，尤其是对新材料的研究和开发十分活跃，把新材料作为前沿技术来抓。我国党和政府历来对材料的研究和开发都很重视。但在改革开放以前，我国材料研究的重点是为军工生产服务，民用研究薄弱，改革开放以来，我国材料科学发展迅速，特别是以民用为目的和以高新技术服
7、务为目的的材料研究受到了普遍重视，江泽民同志在为现代科学技术基础知识一书作的序中，把电子信息、生物技术和新材料称为当代“一系列高新技术取得重大突破和飞跃发展的支柱”。在国家“九五”规划及2010年远景规划中，新材料的研究和开发已被作为重要项目列入。,9,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,“材料”一词是早已存在的名词，但“材料科学”的提出却只有40多年的历史。20世纪60年代以前，材料专业分别以冶金、陶瓷和有机化学等专业分设在大学的各个不同系里。这些专业无疑都是以物理和化学为基础。如冶金方面提取是以化学为主，但金属结构与性能以及使用方面的研究则以物理为主；有机合成材料的制备以化学为主
8、，但涉及物性和力学性质就偏重物理；陶瓷材料也是如此。因此，这些材料在发展初期，确实各有特点，学科基础也各不相同，硬把它们扯在一起，有时会缺乏共同语言。,10,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,随着科学技术的进步和研究工作的不断发展，对材料的了解愈加深入，材料的领域也就不断扩大。除了上述三类材料外，又出现了半导体材料，它们多属于类金属，如Si、Ge；或属于金属化合物，如GaAs、InSb等；也有属于陶瓷材料，如SiC等；甚至属于有机物，还有复合材料，它们既不完全属于金属，也不完全属于有机物或陶瓷材料，而是混合体。如玻璃钢便是树脂与玻璃纤维混合后的产物。目前还有正在迅速发展中的金属基复
9、合材料与陶瓷基复合材料等。,11,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,从科学角度上来看，它们之间确实有不少共同之处，如材料中的界面与表面、晶体结构与微观缺陷以及材料中的扩散与相变等，材料领域中金属材料、陶瓷材料、有机高分子材料及复合材料的统一体系的形成势在必行。另一重要原因是1957年苏联第一颗人造地球卫星首先被送上天，当时美国朝野上下为之震惊，普遍认为材料落后是重要原因之一。于是在50年代末，美国政府制订了一个如前面所说“国家材料规划”，而且自1960年开始，美国调整了国家和技术投向。在全国范围内相继建立了十几个“材料,12,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,研究中心”
10、(简称MRC)；并在不少大学建立了“材料科学系”或“材料科学与工程系”，材料研究中心的成立，是把各类材料统一考虑的开始，而“材料科学系”的建立，则是把“材料的整体”视为自然科学的一大分支，于是60年代美国学者首先提出来“材料科学”这个名词。一个新兴的材料科学体系也随之开始建立。材料科学建立是社会经济与科学技术发展的必然结果。事实上，将原来分属于不同学科的知识入融为一体，形成一个新的学科体系还有多方面的原因：,13,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,第一、各类材料的研究理论和方法可以互相借鉴、互相促进。例如，金属材料中的缺陷类及其行为的理论、各种力学测试方法和指标，都是研究陶瓷材料和
11、有机高分子材料不可缺少的。同样陶瓷材料的制备方法和高分子材料等在不少方面也为金属材料的研究与开发提供了重要的参考。第二、由于对不同类型材料的深入了解，为材料的相互代用及最佳选材创造了条件。例如，当前致力于开发陶瓷材料以部分代替高温合金，即所谓的“以陶代钢”。,14,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,第三、有利于开发复合材料。例如，第一代复合材料玻璃钢是无机非金属材料玻璃纤维与有机材料树脂的复合。金属基复合材料则主要是指无机非金属纤维或颗粒(如SiC、Al2O3等)增强金属而成的一类新材料等。第四、不同类型材料所用的研究、制备、生产的装置和工艺(例如粉末冶金和陶瓷制备工艺)有颇多共同
12、之处，工作原理也很相近，特别是性能与结构的测试设备往往是通用的，即使有的是专用的，但相互之间也有参考价值，而且把不同类型的材料统一考虑，不但可以节省投资，更重要的是相互借鉴、相互启发，能加速材料及材料科学的,15,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,发展。 第五，有利于人才培养。由于拓宽了专业知识面，使学习材料专业的青年专家增强了开发新课题和新产品的能力。“材料科学”作为研究各种材料共性规律的学科，是一门多学科交叉而又相互渗透的新兴学科，也可以说材料科学是以固体物理、合成化学、化学热力学与动力学等为理论基础，结合冶金、化工、机械、陶瓷等学科，探讨材料的内在规律、制造工艺和应用的科学，
13、它已成为一门覆盖,16,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,广而辐射面宽的多学科交叉的新兴学科。材料科学的研究内容很广，但主要是研究材料的成分(结构)、合成(工艺流程)、性质(性能)与效能以及它们之间的关系。可以用一个四面体表表示，如图1-1所示。,17,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,材料性质或性能取决于材料的成分(组成)和结构，而这些又取决于合成与制造工艺。但性能好的材料，在实际使用条件下不一定符合要求，所以在上述三项之外，又加入了效能这一项，从而构成了材料科学的四要素。所谓效能(或称之为材料的使用性能或效果)，是指材料在使用条件下的表现，包括环境影响、受力状态、材
14、料特征曲线，乃至寿命估计等。因此，材料科学是有关材料成分、合成与工艺流程对于材料性质与用途的影响规律的知识与运用，故材料科学又是一门应用基础科学。,18,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,材料科学是正在发展中的新兴学科，其学科特点主要是：(l)材料科学是一门多学科交织的前沿学科，是多学科交叉和相互渗透的产物，它不但与物理学、化学及冶金学等有直接关系，也和生物学(如生物材料、仿生材料)地球科学(如矿物材料)有密切关系，特别是与工程科学有着不可分割的关系。(2)材料科学是理论与实践相结合的产物，这是它与固体物理及固体化学的主要区别所在。材料通过实验室的研究工作而得到深入的了解，从而指导
15、材料的发展和合理,19,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,使用。高性能、高质量及低成本的材料只有通过工艺的不断改进才能实现，材料变为器件或产品要解决一系列工程技术问题，这都需要理论和实践的结合，一方面用理论指导实践，另一方面通过大量实验使理论得到进一步发展。(3)材料科学有很宽的研究范围，它涉及从微观原子、电子缺陷的规律与控制到大的器件，从基础研究到工程应用的广阔领域。材料科学所包含内容大多有比较明确的应用背景和目标，而且随时间、地点而发生变化。例如，20世纪80年代初期，超导材料研究在材料科,20,2018/8/25,0.1 材料科学及其发展,学中所占的地位非常有限，而到80年代
16、中期几乎处于压倒一切的地位。当前，各类材料中许多热点都在不断涌现。随着科学技术的迅猛发展，材料科学在21世纪将会得到更大的发展。,21,2018/8/25,0.2 现代材料及其分类,材料的品种极其繁多，形式各异。据统计，迄今注册的已达几十万种，而且每年还以5%左右的速度继续增长。科学工作者根据材料的组成和结构特点，将其分为金属材料、无机非金属材料(简称为无机材料)、有机高分子材料和复合材料四大类；也可根据材料的性能特征，将其分为结构材料和功能材料；还可根据材料的用途，将其分为建筑材料、能源材料、航空材料和电子材料等。事实上，大多数材料同时具有几类材料的部分特征，通常前两种分类方法使用较多。,2
17、2,2018/8/25,0.2 现代材料及其分类,金属材料是以金属元素为基础的材料，纯金属的直接应用很少，因此金属材料绝大多数是以合金的形式出现。合金即是在纯金属中，有意识地加入一种或多种其他元素，通过冶金或粉末冶金方法制成的具有金属特性的材料。金属材料可分为钢铁材料和非铁材料两大类。金属材料一般具有优良的力学性能，特别是高强度和高塑性的配合，还具有优良的可加工性及优异的物理特性。金属材料的性质主要取决于它的成分、显微结构和制造工艺，人们可以通过调整和控制成分、组织结构和工艺，制造出具有不同性能的各种金属材料。在近代的物质文明中，金属材料(如钢铁、铝、铜等及其合金)起了关键的作用，至今这类材料仍然有着强大的生命力。,
