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1、：材料应用的发展是人类发展的里程碑。人类所有的文明进程都是以他们使用的材料来分类的。 （1111）五次产业革命五次产业革命五次产业革命五次产业革命 1111石器时石器时石器时石器时代代代代 2222青铜器时代青铜器时代青铜器时代青铜器时代：以青铜器的制造和使用为标志，人类从原始社会进入了奴隶社会。 3333蒸汽时代蒸汽时代蒸汽时代蒸汽时代：以瓦特发明的蒸汽机为标志。 4444化学工业兴起时代化学工业兴起时代化学工业兴起时代化学工业兴起时代：以煤炭工业为代表，煤炭化得到煤焦油等有机物，从而进行各种反应。 5555电器和微电子产业时代电器和微电子产业时代电器和微电子产业时代电器和微电子产业时代：2

2、0世纪下以美国为中心，计算机、半导体等的出现。 6666生物技生物技生物技生物技术经济产术经济产术经济产术经济产业时代业时代业时代业时代：以生命科学和生物技术的发展与包括纳米材料在内的新型材料的发展。 启发启发启发启发：迄今为止，人类经历了五次产业革命，每一次产业革命都是以新材料的出现与应用为起点的，而新材料的应用又依赖于人们对材料的结构与性能的不断认识与研究。 在即将到来的世纪，人类必将在信息的汪洋大海中航行。我们的思维工作方法应该有一个飞跃，才能适应信息时代的要求。 应大胆改革不适应生产力的生产关系的各个环节；科技是第一生产力，应大力发展科学技术。 （2222）21212121世纪人类所面

3、临的八大领域材料科学与工程的重要性世纪人类所面临的八大领域材料科学与工程的重要性世纪人类所面临的八大领域材料科学与工程的重要性世纪人类所面临的八大领域材料科学与工程的重要性。 1111生命科学生命科学生命科学生命科学 生命科学将成为自然科学的带头学科，分子生物学、细胞生物学、脑科学和生态学是人们关注的焦点。因此开发多功能材料成为当务之急。生物材料、仿生材料、生物芯片等多功能材料是研究的重点。 2222信息科学信息科学信息科学信息科学 近半个世纪以来，信息与通信服务的迅速崛起对材料领域提出了特殊的挑战。包括微电子、光电子技术和新型元器件所用材料在内的电子信息材料成为人们研究的焦点。3333新型能

4、源科学新型能源科学新型能源科学新型能源科学 能源是制约经济发展和文明进步的主要条件，能源生产与节能先进技术都是建立在新材料的不断发展的基础上的。能源材料广泛应用于常规化石燃料、核能、可再生能源等的生产、贮 存、运输以及节能，具有极其重要的作用。 4444资源环境科学资源环境科学资源环境科学资源环境科学 随着社会的发展和科技的进步，人类越来越觉得环境的重要，因此新型环境友好型材料的开发与应用成为节约资源、保护生态环境的关键。可降解材料、可回收材料、抑菌材料等的开发是解决环境污染比较有效的方法。 5555海洋科学海洋科学海洋科学海洋科学 海洋科技事关人类的可持续发展，海洋资源的开发需要材料学的发展

5、，高强超韧材料的研发可为我国的海洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段。 6666宇航宇航宇航宇航科学科学科学科学 材料在航天领域有着至关重要的作用。航天器的发展必须以高性能材料的发展为基础，需要有极轻的重量和极高的强度，因此新材料的研发成为航天科学发展的关键。 7777高效农业和食品安全高效农业和食品安全高效农业和食品安全高效农业和食品安全 发展高效农业、解决人类的温饱问题、开发具有优异性能的食品包装材料和生物食品化学资源的开发都需要新型材料的发展为基础。 基于此，对人类未来前景的看法对人类未来前景的看法对人类未来前景的看法对人类未来前景的看法： （1111） 计算机科技还要进一步向

6、深亚米化、超大规模集成、网格化、智能化方向发展 生物计算机（8*8种信息密码排序）实用化还有很长的路要走 （2222） 新材料继续成为人类文明的基石，大力发展新材料科学，为其他领域作支撑。 （3333） 化石燃料高效与清洁利用技术广泛应用，节能技术和能源高效利用技术越来越受到广泛重视 降低各种新能源的成本，使他们进一步产业化 研制出高效、安全、洁净的核能系统 进一步开发新的能源：波能、可燃冰、煤成气、微生物、绿藻 现有煤向油的直接转化 利用化学方法研制出更加高效的燃料电池以及太阳能电池 与能源相关领域如新型材料的开发 （4444）保护环境保护环境保护环境保护环境 新型环境友好型材料的开发：可降

7、解材料、可回收材料、抑菌材料等 防止沙漠化 （5555） 更全面地认识地球。由于地球面积辽阔，人们仅从地面上认清地球非常困难，所以必须发展空间技术 获取新的资源，因为地球资源十分有限，所以人类必须寻找、开发和利用空间资源。 开发新的高性能材料 八大领域，最终还是为了进一步发展生命科学，为人类的健康长寿服务。 总之总之总之总之新技术的产生和发展往往是“连锁反应”，全面爆发，相互激发，形成技术的“群体革命”这八个领域的技术彼此相互联系，渗透交叉整个科技群体构成了协同发展的复杂世界。目的为了发展生命科学。新型材料继续成为人类文明的基石，为各领域提供材料基础，各领域的发展离不开材料，新型材料是八大领域

8、发展的先导。 2222论述材料科学与工程中所包含的四大材料的特点和在研究方法上的共同点和差异点论述材料科学与工程中所包含的四大材料的特点和在研究方法上的共同点和差异点论述材料科学与工程中所包含的四大材料的特点和在研究方法上的共同点和差异点论述材料科学与工程中所包含的四大材料的特点和在研究方法上的共同点和差异点；如如如如何把这几种材料进一步整何把这几种材料进一步整何把这几种材料进一步整何把这几种材料进一步整合合合合在一起作为新材料在一起作为新材料在一起作为新材料在一起作为新材料，提出自己的创新性见解提出自己的创新性见解提出自己的创新性见解提出自己的创新性见解。 材料科学与工程中所包含的四大材料分

9、别是：金属材料、高分子材料、非金属材料和复合材料。 1. 四大材料的特点四大材料的特点四大材料的特点四大材料的特点及内在机理及内在机理及内在机理及内在机理 （1） 金属材料金属材料金属材料金属材料 金属原子的原子核较重，核外电子云较多，原子最外层电子较少，处于自由运动状态，当金属原子相互靠近而产生相互作用时，都易失去最外层电子而成为离子。金属原子之间以金属键相互作用，三维空间有序排列，其具有以下主要特性。1金属光泽金属光泽金属光泽金属光泽，当可见光照到金属表面时，价电子吸收光子的能量发生跃迁，光子不能通过金属，使其表现为不透明，宏观上表现为金属光泽。2导电性导电性导电性导电性，由于自由电子的存

10、在，且金属的价带导带重叠，电子很容易受到激发从价带跃迁到导带，因而金属是很好的导体。3导热导热导热导热性性性性，离子的振动和电子的运动使之具有导热性。4机械性能机械性能机械性能机械性能：a 高强度高强度高强度高强度，由于金属键的存在，使金属具有较高的强度。b 塑性塑性塑性塑性，金属晶格中位错的运动使之具有良好的延展性和抗冲击性。 （2） 高分高分高分高分子材料子材料子材料子材料 高分子材料由多个重复结构单元连接而成，主要有塑料、橡胶、纤维、涂料四大类。其主要特性有1原子由共价键相连，分子量大，具有高度饱和性。2键的位置不能随意移动，较易断裂，分子间范德华力作用强度较低，拉伸时可以改变链的构象，

11、当外力撤除时可以回复到稳定构象，具有多弹性。3熔融时分子链互相缠结，致使分子链段运动困难，因而粘度很高。4结构规整的聚合物分子链可以在适当条件下结晶，远程序差，存在熔限。 （3） 非金属材料非金属材料非金属材料非金属材料 非金属材料就是我们平时所说的陶瓷材料，陶瓷材料多以共价键、离子键或共价离子混合键连接。共价键具有高度的方向性和饱和性，离子键形成正负离子相互作用。正是由于化学键与显微结构的不同，陶瓷材料具有金属难以比拟的优点：1熔点高、耐热性好、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化，弹性模量、硬度、高温强度高。2电的绝缘体和半导体，具有各种各样的磁性能和介电性能。3抗变形能力好。但陶瓷材料塑性变形能力差，

12、韧性低，不易加工成型。 （4） 复合材料复合材料复合材料复合材料 复合材料是指把两种以上宏观上不同的材料，合理的进行复合而制得的一种材料，复合材料是多相材料，包括基体和增强相。复合材料的突出特点是1比强度和比模量高。比强度是抗拉强度与密度之比，比强度高的材料能够承受高的应力；比模量是弹性模量与密度之比，比模量高说明材料轻而且刚性大。2通过纤维的抹除和断裂吸收能量使其具有优异的力学性能。3耐化学腐蚀性好，电性能热性能好。4层次强度低，易分层破坏，属脆性材料。5具备各向异性的性能及与之相关性能的可设计性。 2. 四大材料研究方法的相同点和差异点四大材料研究方法的相同点和差异点四大材料研究方法的相同

13、点和差异点四大材料研究方法的相同点和差异点 （1） 相同点相同点相同点相同点 四大材料的研究都要研究材料的组成、结构、加工与材料的性质、使用之间的关系及其应用。研究材料的结构层次包括宏观结构、微观结构、原子结构、亚原子结构，研究材料的性质包括化学性质、物理性质和力学性质。 （2） 差异差异差异差异 1金属金属金属金属：晶体，研究金属材料要研究晶体结构、晶格晶系、晶体缺陷等，可以借助于光学显微镜观察细微组织。X射线测定金属和合金内部各相的晶体结构。化学性质研究其组成、不同温度的相结构、耐腐蚀性、杂志含量等。力学性质研究其拉伸、韧性、耐疲劳、硬度以及蠕变。 2高分子材料高分子材料高分子材料高分子材

14、料：不同的聚合物有不同的研究方法，膨胀计、DSC测Tg，比热/比体积测Tm，GPC测分子量。高分子材料要研究的化学性质包括组成、结晶度、分子量及分布、阻燃性、晶体结构、耐化学腐蚀性。力学性质包括拉伸性质、抗冲击性、压缩性质、模量。 3陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料：为晶体，除要研究晶格晶系、缺陷外还要研究陶瓷的孔隙度、表观体积、真实体积，硬度可以用邵氏硬度计测，冲击强度用简支梁和悬臂梁测量。研究其化学组成、孔隙度、颗粒尺寸、耐腐蚀性。力学性质包括压缩性质、韧性和热冲击性。 4复合材料复合材料复合材料复合材料：研究增强相和基体，棒状增强体对复合材料的增强效果。化学性质研究包括组成、基体/增强体

15、的结合、增强体的化学本质。力学性质包括拉伸性质、压缩性质、韧性和蠕变。 3对新型材料的见解对新型材料的见解对新型材料的见解对新型材料的见解及及及及创新思维创新思维创新思维创新思维（启发启发启发启发） 可将金属材料与高分子材料整合在一起可将金属材料与高分子材料整合在一起可将金属材料与高分子材料整合在一起可将金属材料与高分子材料整合在一起。例：铅箔 复合材料研究是主流复合材料研究是主流复合材料研究是主流复合材料研究是主流 随着科学的进步和现实的需要，单一材料已经不能满足人们的需要，因而在今后一段或者是很长的时间里，材料终将会以多元复合作为主导，以达到各种性能的组合最佳状态。从而保证材料在各个方面的

16、应用。 有机有机有机有机-无机杂化应该得到重视无机杂化应该得到重视无机杂化应该得到重视无机杂化应该得到重视 兼顾有机材料的优点又具有无机材料的特性还平添一些特有的全新功能。比如说POSS。 梯梯梯梯度材料是一个全新发展方向度材料是一个全新发展方向度材料是一个全新发展方向度材料是一个全新发展方向 重点突出重点突出重点突出重点突出，全面进步是必然全面进步是必然全面进步是必然全面进步是必然 （1）在以复合材料的合成与应用为主题的今天，我们除了要在既定的聚合物中添加既有复合，也应该同时合成更多的聚合物以及不同结构和官能团的添加小分子，以健全材料体系的完备性。 （2）学科间、领域间相互渗透相互促进更加有

17、利于整体科学水平的提高。 （3）科学应该紧跟数学步伐，朝着科学的量化、定理化，而非当今主要的经验式的、表述性的科学。 健全理论体系是保障健全理论体系是保障健全理论体系是保障健全理论体系是保障 现今相关文献资料、以及琐碎的知识点已经非常丰富，但显得凌乱。这就需要在已有成果的基础上，有更多的杰出的科学家对该领域进行实际意义上的总结，尽量使后人较快较容易较全面地接受到前人的成果，从而为复合材料的最终研究与制备提供理论上的指导，好开展进一步的工作。 3333.为什么原子有多层的电子轨道为什么原子有多层的电子轨道为什么原子有多层的电子轨道为什么原子有多层的电子轨道？推导薛定谔方程并论述这一方程所提供的重

18、要信息推导薛定谔方程并论述这一方程所提供的重要信息推导薛定谔方程并论述这一方程所提供的重要信息推导薛定谔方程并论述这一方程所提供的重要信息，方方方方程的解给我们提供了什么样的重要概念程的解给我们提供了什么样的重要概念程的解给我们提供了什么样的重要概念程的解给我们提供了什么样的重要概念，请画出请画出请画出请画出s,p,d,fs,p,d,fs,p,d,fs,p,d,f轨道波函数形轨道波函数形轨道波函数形轨道波函数形状及其对称原理状及其对称原理状及其对称原理状及其对称原理。 1111. . . . 子轨道为什么原子有多层的电子轨道为什么原子有多层的电子轨道为什么原子有多层的电子轨道（2222）“三角

19、形三角形三角形三角形”规律规律规律规律 所谓“三角形”，即A、B处于同周期，A、C处于同主族的位置，可排列出三者原子结构、性质方面的规律。如原子序数Z（C） Z（B） Z（A）;原子半径r（C） r（B） r（A）;A 、B、C若为非金属元素，则非金属性B大于A大于C，单质的氧化性B大于A大于C，阴离子的还原性B小于A小于C（设A为N族，则B为N+1族，下同），气态氢化物的稳定性 B大于A 大于C ；若A、B、C为金属，则其金属性C大于A大于B，单质的还原性C大于A大于B，阳离子的氧化性 C小于B小于A ，最高价氧化物对应水化物的碱性C大于A大于B 。 （3333）“对角线对角线对角线对角线”

20、规则规则规则规则 有些元素在周期表中虽然既非同周期，又非同主族，但其单质与同类化合物的化学性质却很相似，如Li和Mg，B与Si等。这一规律称为“对角线”规律 应用此规律可根据已知元素及其化合物的性质，推导未知元素及其化合物的性质 （4444）相似规律相似规律相似规律相似规律 所谓相似规律是指： 1111同族元素性质相似 2222对角线上元素性质相似 3333相邻元素性质相似 4444同位素的化学性质相似 （5555）两性规律两性规律两性规律两性规律 元素的周期数等于主族族序数的元素具有两性，由此可推断元素及其化合物的性质 2222.元素周期表是化学中最核心的规律元素周期表是化学中最核心的规律元

21、素周期表是化学中最核心的规律元素周期表是化学中最核心的规律 自然界中的所有物质都是由元素周期表中的元素构成，元素是组成大千世界的最基本的单元，掌握了各个元素一般的运动规律和性质，才能进一步去研究各个组成物质的性质。元素周期表的发展到今天已经比较完整，并且成为大家共同遵照的守则，根据元素周期表才逐渐3.该表对研究金属该表对研究金属该表对研究金属该表对研究金属、非金属非金属非金属非金属、高分子高分子高分子高分子、复合材料有什么样的指导意义复合材料有什么样的指导意义复合材料有什么样的指导意义复合材料有什么样的指导意义？ 元素周期表根据元素所在的族和周期，发现了其中存在的一些规律，如原子半径，电离能与

22、亲电性，键能，原子的放射性，亲氧性，单质的物理性质，离子的极化性，物质的颜色，溶解原则，氧化和还原性。从前面所说的周期基本规律中我们可以根据已知金属元素的性质推出其位置上下左右元素的性质，并根据性质相似的原理可以进行取代以弥补有些稀缺的资源，如用铜丝代替银丝成为高压线，其是同一族元素，具有相似的导电能力，但是用铜丝比银丝更经济。在非金属元素中，主要的是氧化还原性能，我们根据氧化氢水溶液有酸性可以推出碘、溴的氢化物的水溶液也有酸性等等，知道我们有意识的去利用资源。 另外，主要由碳元素组成的高分子材料，不同碳骨架的形成，不同元素的加入，以及单双键的数量与分布的不同都极大的影响了材料的性能，如PVC

23、比PE多了一个氯元素，但是他们的性能却完全不同，PVC的强度，刚性都要比PE好，但是氯元素的存在使聚合物比较容易分解，给加工带来一定的困难，另外氯元素有毒，限制了它的使用。最后，性能不同的物质之间复合制成的材料，可以保持材料原来的优良性能，除去一些不好的性能，起到互补的作用，复合材料界面之间的粘结性对复合材料的性能影响很大，可以根据周期表中相邻元素的性质相同，相同结构的物质相容性好的原则，可以知道不同材料之间的复合，少去一些不必要的弯路。原子向量表原子向量表原子向量表原子向量表你是怎样理解你是怎样理解你是怎样理解你是怎样理解溶液的微观结构溶液的微观结构溶液的微观结构溶液的微观结构，其与浓度其与浓度其与浓度其与浓度,温度的依赖性如何温度的依赖性如何温度的依赖性如何温度的依赖性如何？为什么为什么为什么为什么？