材料化学绪论.ppt

1、材料化学Chemistry of Materials宁夏大学化学化工学院 主讲教师 杨庆凤 Office:Room 209 Tel:15109577297 Email:(51学时,3学分)课程内容设置1.材料化学绪论材料化学绪论（2 2学时学时）2.晶体结构和空间点阵（4学时）3.化学键和晶体结构(6学时)4.晶体缺陷化学（6学时,包括习题课）5.材料的结构表征方法(2学时)6.材料结构和性能关系(6学时)7.材料制备化学(10学时)8.新型结构材料(高温结构陶瓷)(4学时)9.新型功能材料(压电材料,热敏材料)(4学时)教材和主要参考书籍材料化学曾兆华 杨建文 化学工业出版社材料化学导论唐小

2、真主编，高等教育出版社无机合成与制备化学 徐如人 高等教育出版社 材料导论 中英文版本 The Coming of Materials Science Rorbert W.Cahn Pergamon PressGrade calculation20%平时成绩 出勤,课堂表现40%作业(homework and report)40%Final exam第一章第一章 绪绪 论论材料科学与基础科学的关系 材料成为了一个新的独立的科学门类。这个新学科与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，但是具有其独特的鲜明的个性。也正是因为与各个传统科学门类水乳交融，材料学科在不同的场合就被划分

3、成了材料物理、材料化学、材料力学、材料工程学等诸多分支。本课程所涉及的内容就属于材料化学这一分支。而作为本课程的绪论，这里我们将首先来讨论几个相关的名词：材料材料光电子材料1.1 材料的定义一、材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。师昌绪主编：材料大辞典p58二、材料是“具有一定性能的物质,可以用来制成一些机器、器件、结构和产品”。美国科学院、美国工程院联合编写 材料：人类的需求材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质材 料=物 质 Materials =Matter食物是材料？火药，固体火箭推进剂是材料？几乎所有的物质都可以称为是材料什么样的材料值得我们关注什么

4、样的材料值得我们关注？并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注那么下一个问题就是先来看看材料的发展历史v 旧石器时代v 新石器时代 v 青铜器时代v 铁器时代历史学家把某一类材料的特征及其广泛应历史学家把某一类材料的特征及其广泛应用作为人类文明史各个阶段的一种标志用作为人类文明史各个阶段的一种标志v钢v硅v塑料v合成材料v半导体v精密陶瓷v复合材料v纳米材料v我们现在所处的时代应该称为什么时代？我们现在所处的时代应该称为什么时代？合成高分子（二十世纪初）纳米材料（二十世纪80年代）旧石器时代群居洞穴的猿人通过简单加工获得石器以狩猎、护身和生存；新石器时代随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手

5、工业如制陶和纺织青铜器时代青铜时代大约源于4000 5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时代铁器时代被认为是始于2000多年前，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。n二战结束的时候，钢铁仍然是整个世界经济的支柱。意识到必须具有高质量和低成本的钢铁，日本开始大力发展钢铁工业 这一技术政策推动了日本的

6、汽车工业和其他一些主要用钢材的产品，使得日本经济得到了很大的发展。n1970 年以后，日本认识到当今世界已经处于硅时代，因此在保持钢的生产优势的同时，日本瞄准了硅材料，开始大力发展半导体工业，使得家用电器的生产在世界市场中占据了绝对优势。n英国此时却忽略了硅时代的到来，由于没有相应的技术政策和战略眼光，其结果是英国有2000 名研究硅材料的科学家流入美国硅谷。n1988 年仅在信息技术产品这一项上，英国对日本的贸易赤字就高达 2.2 亿英镑，这还不包括由硅片控制的自动聚焦的照相机之类的产品。一般说来，一种材料能否在一个时代引起人们关注、一般说来，一种材料能否在一个时代引起人们关注、得到广泛使用

7、应该从以下几方面加以分析得到广泛使用应该从以下几方面加以分析v 资 源v 能 源v 环 保v 经 济v 质 量因此材料的定义可以发展为：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质 新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。事实上，每种材料都有其生命曲线出现发展成熟衰退衰退主要是由于社会衰退主要是由于社会发展和科学技术进步发展和科学技术进步导致的。导致的。一个新材料的诞生，从实验一个新材料的诞生，从实验室研制出样品到工业上的大室研制出样品到工业上的大规模实际使用，大概需要规模实际使用，大概需要 15 20 年时间。年时间。新材料新材料传统材料传统材料按材料的生命周期来分类按材料的生命周期来分

8、类v石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸盐，分为温石棉和青石棉两种，由于具有结实、抗弯、绝缘、隔热、保温、耐酸碱腐蚀等优点，所以被广泛用于建筑、造船、航天和交通机械中隔热、保温、防火等领域。石棉经过加工后制成的纺织、石棉水泥制品，具有耐磨、绝缘等特点，还可制成防火材料、滤料、填料等。据统计，石棉的各种用途已逾千种。“夕阳夕阳”材料：石棉材料：石棉v近年来的研究表明石棉是一种致癌物质，欧美国家许多癌症的病因，都曾与石棉污染有关。目前这种状况正在向发展中国家转移。据保守估计，今后30年中死于石棉污染者将达到100万，其中大多数是制造含石棉的地板、天花板、屋顶材料、接合剂和自动闸的工人。若进行大

9、规模楼层定向爆破、拆除等工作时，现场附近人员不采取防护措施，也极可能被伤害。“夕阳夕阳”材料：石棉材料：石棉v钢铁工业在发达国家已进入衰退阶段，原因是有许多新材料来代替钢铁，并且钢铁生产污染环境，他们往往把这些企业放在第三世界国家。v钢铁在我国还在成熟阶段，钢铁的需求量很大，不但每年产量有所增加,每年还需进口2000万吨。v据估计,我国的钢产量达到12000万15000万吨，才能满足国内市场需要。“夕阳夕阳”材料工业：钢铁材料工业：钢铁在“911”事件中变成废墟的纽约世贸大厦的数十万吨废钢铁被运往中国和印度，将在那里回炉后重新使用。从这两座 100 多层的双子大厦废墟中回收的钢材数量相当可观，

10、估计多达 40 万吨。材料中的材料中的“常青树常青树”：陶瓷：陶瓷1.2 材料的分类材料的分类按按材料的组成分类材料的组成分类n金属材料(Metal)n钢铁材料、有色金属、合金铝、钛、铜、镍、东方钽业(钽、铌、铍)n有机高分子材料(Polymer)n天然的、合成的塑料,橡胶,合成纤维等.聚氯乙烯(英力特)n无机非金属材料(Ceramics)n陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型结构和功能陶瓷(SiC)n复合材料(Composites)n陶瓷基、金属基、高分子基复合材料按按材料的用途分类材料的用途分类n 结构材料(以力学性能为基础，制造受力构件所用材料)n 支撑件、连接件、传动件、紧固件等n

11、功能材料(利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料)n 磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料等n 结构材料与功能材料的划分并不严格 生物医学材料？按按材料内部原子排列情况分类材料内部原子排列情况分类固体材料 晶态材料 非晶态材料 液态材料 气态材料材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质从材料尺度角度分类从材料尺度角度分类 三维材料 块体材料二维材料 薄膜、涂层等(金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)一维材料 纤维、晶须等(光导纤维、高强纤维)零维材料 粉 体1.3 材料科学材料科学 20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得大书特书

12、的时期。20 世纪科学技术领域一系列惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有力地促进了材料的发展，使得材料在 20 世纪中叶发生了一次“革命性”的飞跃，这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。v 超音速飞机(镍基超级合金)v 计 算 机(晶体管、半导体)v 航天飞机(高温结构陶瓷)20 世纪中叶的几项成果世纪中叶的几项成果20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其中的主要内容之一。v1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了全球性的材料科学研究。v美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料科学作为

13、一个学科对待。20 世纪世纪 80 年代出现的新技术革命把新材料、信息技年代出现的新技术革命把新材料、信息技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项以材料为主。同年，美国白宫发布美国国家关键技术项目共6领域22项关键，材料为6领域之一。材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金5项为关键。从1995年至2001年每两年更新一次的美国国家关键技术报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。2001年日本文部省发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上为新材料或

14、依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟第六框架计划和韩国的国家计划等把功能材料技术列为关键技术之一加以重点支持。我国863高技术发展计划，材料是7个重点之一，重大基础研究攀登计划的30个重大课题中有7个与材料直接有关。材料涉及的领域极为广泛，举凡国家的工农业建设和国防建设，人民生活水平的提高，无不与材料密切相关。所以材料的科学研究、新产品的开发、工业大生产与合理应用都关系到社会进步、国家安全，因此人们把材料誉为现代文明的三大支柱之一。摘自：师昌绪主编材料大辞典前言新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。不妨看几个简单的数据 v以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比作1，

15、那么小轿车为5，家电为30，飞机为200，计算机为1000，集成电路芯片则为10000。产品中的技术含量越高，收益就越高。v 2000 年，世界新材料市场销售额达到 4000 亿美元，美国占市场份额 40%，日本占市场份额 20%(预计数据)。v据 1982 年统计，美国每年因材料腐蚀造成的直接经济损失为 1260 亿美元。材料断裂和磨损造成的损失分别为 1190 亿和 1000 亿美元。新材料在高技术中的应用新材料在高技术中的应用几个实例几个实例v1982 年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车。它的出现使发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。v工作温度提高到1300v无需水冷装置

16、v发动机效率提高30%左右 v节省能源,减少了环境污染 阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性 贝壳和陶瓷发动机贝壳和陶瓷发动机英国帝国化学工业公司的威廉克莱格博士将碳化硅表面涂覆石墨,再把涂上石墨层的碳化硅陶瓷一层层叠起来加热挤压，使坚硬的碳化硅陶瓷粘在石墨层上，就像“千层饼”似的。断裂韧性比普通SiC陶瓷增加100倍.v美国在海湾战争中使用的隐身战斗机所以能隐身，就是使用了一种吸波材料和吸波涂层。v所谓隐形是指不易被雷达或红外线、可见光、声探测等传感器发现。v隐形飞机之所以能够隐形，主要是综合采用了隐身外形技术、隐身材料技术、红外线抑制和干扰技术、声波隐身技术以及微电子技术等，具有降低其在雷达屏幕上的特征、压制噪声、减弱飞机红外图像特征、抑制无线电信号传输等性能。隐形飞机与材料隐形飞机与材料 n隐形武器由于其科技含量高，对材料要求苛刻，研制费用异常高。n美国的 F-117A 隐形飞机单价 为 1.1 亿美元，B-2隐形轰炸机单价更高达 5.3 亿美元，比与机体等重量的黄金价值还要高。n最近，美国又以 4000 亿美元的天价，开始研制一种集“隐形、敏捷、高速”