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1、材材 料料 化化 学学(Materials Chemistry)丛丛 野野E-mail: E-mail: 第一章第一章 绪论绪论（Introduction）材料与化学材料与化学材料的发展过程材料的发展过程材料的分类材料的分类材料化学的研究内容和特点材料化学的研究内容和特点本课程的主要内容本课程的主要内容2材料：材料：材料是具有使其能够用于机械、结构、设备和产品的性材料是具有使其能够用于机械、结构、设备和产品的性质的物质。质的物质。化学：化学： 关于物质的组成、结构和性质以及物质相互转变的研究关于物质的组成、结构和性质以及物质相互转变的研究材料与化学：材料与化学：材料材料宏观方面宏观方面化学化学
2、原子原子- -分子水平的相互作用分子水平的相互作用一、材料与化学一、材料与化学3材料化学：材料化学： 是是一一门门以以现现代代材材料料为为主主要要研研究究对对象象，研研究究材材料料的的化化学学组组成成、结结构构（电电子子结结构构、晶晶体体结结构构和和显显微微结结构构）与与材材料料性性能能和和效效能能之之间间的的关关系系及及其其合合成成（制制备备）的的方方法法、检检测测表表征征、材材料料与与环环境协调等问题的科学境协调等问题的科学。 制备制备应用应用结构结构性能性能简而言之是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学简而言之是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学4二、材料的发展过程二、材料的发展过
3、程天然材料天然材料烧炼材料烧炼材料合成合成( (高分子高分子) )材料材料可设计材料可设计材料智能材料智能材料5 人类使用材料的发展历史人类使用材料的发展历史61. 天然材料：天然材料： 自自然然界界中中动动、植植物物和和矿矿物物，如如兽兽皮皮、甲甲骨骨、羽羽毛毛、树树木、草叶、石块、泥土等。木、草叶、石块、泥土等。木棒、石块木棒、石块简单石器简单石器切割、钻孔、雕刻石器和骨器切割、钻孔、雕刻石器和骨器72. 烧炼材料：烧炼材料：是是烧烧结结材材料料和和冶冶炼炼材材料料的的总总称称。古古代代人人们们已已经经能能够够用用天天然然的的矿矿土土烧烧制制砖砖瓦瓦和和陶陶瓷瓷，以以后后又又制制出出了了玻
4、玻璃璃和和水水泥泥，属属于于烧烧结结材材料料。从从各各种种天天然然矿石中提炼出矿石中提炼出Cu、Fe等金属则属于冶炼材料。等金属则属于冶炼材料。8陶器、瓷器陶器、瓷器北京 景泰蓝江西 景德镇瓷器江苏 宜兴紫砂陶广东 石湾彩陶9商代商代通高通高133厘米厘米重重875公斤公斤1939年年河河南南省省安安阳殷墟出土阳殷墟出土司母戊鼎司母戊鼎青铜器青铜器10 越王勾践的宝剑越王勾践的宝剑春秋晚期春秋晚期剑长剑长55.7厘米厘米湖北江陵出土湖北江陵出土青铜器青铜器11Coppermusicalinstrument战国青铜编钟战国青铜编钟 12当阳铁塔当阳铁塔位位于于湖湖北北省省当当阳阳县县玉玉泉泉寺寺
5、山山门外。门外。建建于于宋宋嘉嘉佑佑六六年年(1061)，塔塔高高17.9米米，耗耗铁铁七七万万六六千千六六百百斤斤。比比法法国国巴巴黎黎的的埃埃菲菲尔尔铁塔早铁塔早800多年。多年。经经取取样样化化验验，铁铁塔塔的的化化学学成成分分为为：碳碳3.66，硅硅0.05，锰锰0.05，硫硫0.022，磷磷 0.29。 铁器铁器13Equations炼铁过程的化学炼铁过程的化学143. 合成（高分子）材料：合成（高分子）材料：p18391839年，硫化橡胶（半合成高分子）年，硫化橡胶（半合成高分子）p2020世纪初，首个商业化全合成高分子酚醛塑料世纪初，首个商业化全合成高分子酚醛塑料p1907190
6、7年年小型酚醛树脂厂建立；小型酚醛树脂厂建立；p19271927年年热塑性热塑性PVCPVC塑料生产实现商品化；塑料生产实现商品化；p1940-19571940-1957年年成成功功研研制制合合成成橡橡胶胶、合合成成纤纤维维、聚聚丙丙烯腈、聚酯纤维、低压烯腈、聚酯纤维、低压PEPE等；等；p1950-19801950-1980年年工工程程塑塑料料、聚聚合合物物合合金金、功功能能聚聚合合物物材料的工业化应用；材料的工业化应用；p19901990年年分子设计、高性能、高功能聚合物合成分子设计、高性能、高功能聚合物合成。154. 可设计材料：可设计材料： 用用新新的的物物理理、化化学学方方法法，根根
7、据据实实际际需需要要去去设设计计特特殊殊性性能能的的材材料料，主主要要是是一一些些复复合合材材料料，如如金金属属陶陶瓷瓷、铝铝塑塑薄薄膜膜等等复合材料。复合材料。5. 智能材料：智能材料： 近近30年年研研制制出出的的一一些些新新型型功功能能材材料料，智智能能材材料料的的构构想想来来源源于于仿仿生生，它它的的目目标标就就是是想想研研制制出出一一种种材材料料，使使它它成成为为具具有有类类似似于于生生物物的的各各种种功功能能的的“活活”的的材材料料。因因此此智智能能材材料料必必须须具具备备感感知知、驱驱动动和和控控制制这这三三个个基基本本要要素素。智智能能材材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的
8、发展方向。料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。16 三、材料的分类三、材料的分类按使用领域按使用领域按化学组成按化学组成材材 料料金金属属材材料料无无机机非非金金属属材材料料有有机机高高分分子子材材料料单单晶晶材材料料多多晶晶材材料料非非晶晶材材料料复复合合材材料料结结构构材材料料功功能能材材料料电电子子材材料料耐耐火火材材料料医医用用材材料料耐耐蚀蚀材材料料建建筑筑材材料料按晶体结构按晶体结构按作用按作用17金属材料金属材料金金属属材材料料通通常常由由一一种种或或多多种种金金属属元元素素组组成成，其其特特征征是是存存在在大大量量的的离离域域电电子子。金金属属具具有有良良好好的的延
9、延展展性性、导导热热性性、导导电电性性并并具具有有金金属属光光泽泽等等特特点点。资资源源丰丰富富、生生产产技技术术成成熟熟、产产品品质质量量稳稳定定、价价格格低低廉廉、性性能能优优异异。在在工工程程材材料料中中仍仍占占主主导导地地位位，而而且且预预计计在在相相当当长长的的历历史史时时期期内内，金金属属材料的主导地位是不会改变的。材料的主导地位是不会改变的。18无机非金属材料无机非金属材料无无机机非非金金属属材材料料( (通通称称为为陶陶瓷瓷材材料料) )，主主要要是是由由金金属属与与非非金金属属或或非非金金属属与与非非金金属属元元素素之之间间组组成成的的化化合合物物或或一一些些由由无无机机元元
10、素素组组成成的的单单质质，多多是是由由兼兼有有离离子子键键和和共共价价键键的的结结晶晶体体构构成成的的，具具有有质质地地脆脆、硬硬度度高高、强强度度高高、抗抗化化学学腐腐蚀蚀性性强强、对电和热的绝缘性良好等特点。对电和热的绝缘性良好等特点。19有机高分子材料有机高分子材料有有机机高高分分子子材材料料即即高高分分子子聚聚合合物物材材料料是是由由碳碳、氢氢、氧氧、硅硅、硫硫等等元元素素组组成成的的分分子子量量足足够够高高的的有有机机化化合合物物。具具有有重重量量轻轻、耐耐腐腐蚀蚀、绝绝缘缘性性良良好好、易易于于加加工工成成型型等等特特点。其体积用量已超过金属材料。点。其体积用量已超过金属材料。C
11、C C C C C C20复合材料复合材料复复合合材材料料是是由由两两种种或或两两种种以以上上化化学学性性质质或或组组织织结结构构不不同同的的材材料料组组合合而而成成的的具具有复合效果的材料。有复合效果的材料。所所谓谓复复合合效效果果就就是是构构成成的的复复合合材材料料其其性性能能优优于于原原先先材材料料的的各各自自性性能能或或具具有有新新的性能特点。的性能特点。返回返回21结构材料结构材料结结构构材材料料是是把把强强度度作作为为主主要要功功能能的的材材料料，即即利利用用材材料料的的力力学学性性能能（如如强强度度、韧韧性性、抗抗疲疲劳劳等等），所所制制备备的的各各类类器器件件或或构构件件是是为
12、为了了承承受受各各种种形形式的载荷式的载荷。22功能材料功能材料功能材料是以强度以外的功能为主的材料，即利用功能材料是以强度以外的功能为主的材料，即利用材料的物理和化学性能，如声、光、电、磁、热及材料的物理和化学性能，如声、光、电、磁、热及化学反应特征。实际使用的工程结构材料正向着多化学反应特征。实际使用的工程结构材料正向着多功能方向发展，因而两者的界限并不明显。功能方向发展，因而两者的界限并不明显。美国美国F-22隐身战斗机隐身战斗机23 四、材料化学的研究内容和特点四、材料化学的研究内容和特点1.研究内容研究内容制备制备应用应用结构结构性能性能组成原子、分子在不同成原子、分子在不同层次上彼
13、次上彼此此结合的形式、合的形式、状状态和空和空间分布分布材料固有的物材料固有的物理、化理、化学学特性特性将将原子、分子聚合起原子、分子聚合起来并来并最最终转变为有用有用产品的一品的一系列系列连续过程程24 2. 2. 材料化学的特点：材料化学的特点： 跨学科性：跨学科性：既是化学学科的一个次级学科，又是材料科学的一个分支。既是化学学科的一个次级学科，又是材料科学的一个分支。新新材材料料的的发发展展，往往往往源源于于其其它它科科学学技技术术领领域域的的需需求求，这这导导致致材材料料化化学学与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密相连。与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密相连。材材料料合合成成与与
14、加加工工技技术术的的发发展展不不断断地地对对诸诸如如生生物物技技术术、信信息息技技术术、纳纳米米技术等新兴技术领域产生巨大影响。技术等新兴技术领域产生巨大影响。实践性：实践性：材料化学是理论与实践相结合的产物。材料化学是理论与实践相结合的产物。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。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。25五、本课程的主要内容五、本课程的主要内容第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 材料的结构与性能材料的结构与性能理论基础理论基础第第3 3章章 金属材料金属材料第第4 4章章 无机非金属材料无机非金属材料第第5 5章章 有机高分子材料有机高分子材料第第6 6章章 纳米材料纳米材料应用部分应用部分26目的和要求：目的和要求：明确材料化学中涉及的基本概念明确材料化学中涉及的基本概念掌握材料的结构、性能和应用掌握材料的结构、性能和应用了解新材料发展的动向了解新材料发展的动向27主要参考教材：主要参考教材：材材料料化化学学 曾曾兆兆华华，杨杨建建文文 编编著著，化化学学工工业出版社业出版社，2008. 材材料料化化学学 周周志志华华，金金安安定定，赵赵波波，朱朱小小蕾蕾 编著，编著，化学工业出版社化学工业出版社，2006.材材料料化化学学 李李奇奇，陈陈光光巨巨 编编著著，高高等等教教育育出版社，出版社，2004.28
