材料化学概述课件

材料化学概述材料化学概述11.1 1.1 材料与化学的关系？材料与化学的关系？Materials(材料材料)：Substances having properties which make them useful in machinery,structures,devices and products.Chemistry(Latinized:chem(kme),meaning earth)is the science concerned with the composition,behavior,structure,and properties of matter,as well as the changes it undergoes during chemical reactions.It is a physical science for studies of various atoms,molecules,crystals and other aggregates of matter whether in isolation or combination,which incorporates the concepts of energy and entropy in relation to the spontaneity of chemical processes.Modern chemistry evolved out of alchemy and began to develop into its modern form through the 10th Century Arab world and following the chemical revolution(1773).1.1 材料与化学的关系？Materials(材料)：C2Materials Science&Chemistry人类的历史中“材料”的印记Materials Science&Chemistry人3Development of materials材料的发展材料的发展材料的发现、发展和应用是人类文材料的发现、发展和应用是人类文明的标志。明的标志。材料的品种、质量和产量，是直接材料的品种、质量和产量，是直接衡量一个国家的科技和经济发展水衡量一个国家的科技和经济发展水平的重要标志之一。平的重要标志之一。Chapter1 Introduction4Development of materials材料的发展材4 陶器制作：粘土及其它添加物，陶器制作：粘土及其它添加物，加热烧结成较硬实体；人类社会结构加热烧结成较硬实体；人类社会结构生活形态的改变。生活形态的改变。青铜器：金属产物的工具青铜器：金属产物的工具武器武器农具农具礼器礼器祭器等取代泥制陶器；祭器等取代泥制陶器；金属使用：常温的刚强度，红热时金属使用：常温的刚强度，红热时可锻炼成形性，熔融后的铸造性。可锻炼成形性，熔融后的铸造性。早期：三个时代早期：三个时代Chapter1 Introduction5 陶器制作：粘土及其它添加物，早期：三个时代Chapter5PotteryPottery新石器时期新石器时期半山式菱形点纹壶半山式菱形点纹壶新石器时期新石器时期马家窑式水纹彩陶钵马家窑式水纹彩陶钵Chapter1 Introduction6PotteryPottery新石器时期新石器时期Chap66000多年前新石器时代的祖先留给我们的礼物-人面鱼纹盆6000多年前新石器时代的祖先留给我们的礼物-人面鱼纹7ChinaChina康熙康熙 黄釉盖罐黄釉盖罐 乾隆乾隆 茶叶末六连瓶茶叶末六连瓶 Chapter1 Introduction8ChinaChina康熙 黄釉盖罐 乾隆 茶叶末六连瓶 Ch8唐唐 三彩鸳鸯壶三彩鸳鸯壶 一种低温铅釉的陶器，采一种低温铅釉的陶器，采用黄、绿、褐等色釉在器用黄、绿、褐等色釉在器皿构成花朵、斑点或不规皿构成花朵、斑点或不规则的几何纹等，色彩斑斓则的几何纹等，色彩斑斓的色釉装饰。的色釉装饰。虽称为三彩，实际上并不限于三种色彩，往往虽称为三彩，实际上并不限于三种色彩，往往采用二次烧成法，第一次素烧，温度约在摄氏采用二次烧成法，第一次素烧，温度约在摄氏一千度左右，烧成坯胎；第二次在素胎上施釉，一千度左右，烧成坯胎；第二次在素胎上施釉，另行釉烧而温度八百度。另行釉烧而温度八百度。Chapter1 Introduction9唐 三彩鸳鸯壶 一种低温铅釉的陶器，采用黄、绿、褐等色釉在器9西安历史博物馆展品-西安历史博物馆 展品-10西安历史博物馆展品-西安历史博物馆 展品-11西安历史博物馆展品-西安历史博物馆 展品-12材料化学概述课件13明明 掐丝珐琅掐丝珐琅 葫芦式扁瓶葫芦式扁瓶 橘皮釉橘皮釉 Chapter1 Introduction14明 掐丝珐琅橘皮釉 Chapter1 Introductio14Glass现代的水晶玻璃现代的水晶玻璃Warring StatesGlass Eye BeadsGlassChapter1 Introduction15Glass现代的水晶玻璃Warring StatesGl15含锡量含锡量1/6 韧性好韧性好 制造钟鼎制造钟鼎含锡量含锡量2/5 硬度高硬度高 制造刀制造刀斧斧Cu Sn Pb Zn第一个合金材料：铜锡合金（青铜）第一个合金材料：铜锡合金（青铜）结构与性能的关系结构与性能的关系AlloyChapter1 Introduction16含锡量1/6 韧性好 制造钟鼎含锡量2/5 16Materials Science&ChemistryMaterials Science and Chemistry Atomic-molecular level interactionMaterials Chemistry:Chemistry related to structure,properties,preparation and applications of materials.Macroscopic perspectiveChapter1 Introduction17Materials Science&Chemistry17Chapter1 IntroductionMetallic MaterialsInorganic MaterialsPolymersCompositesl 按组成、结构特点分按组成、结构特点分 1.2 材料的分类材料的分类Classification of Materials18Chapter1 IntroductionMetallic 18Structural Materials 主要利用材料的力学性能主要利用材料的力学性能Functional Materials 主要利用材料的物理和化学性能主要利用材料的物理和化学性能l 按使用性能分按使用性能分l 按用途分按用途分Classification of materials导电材料、绝缘材料、生物医用材料、导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、航空航天材料、能源材料、电子信息材料、感光材料等等电子信息材料、感光材料等等Chapter1 Introduction19Structural Materials 按使用性能分 按用19金属材料（金属材料（Metallic Materials）金属材料通常由一种或多种金属元素组成，其特征是存金属材料通常由一种或多种金属元素组成，其特征是存在大量的离域电子，也就是说，这些电子并不键合在特在大量的离域电子，也就是说，这些电子并不键合在特定原子上。定原子上。通常具有良好的导电导热性、抛光表面的反光性、金属通常具有良好的导电导热性、抛光表面的反光性、金属光泽、延展性、塑性等。光泽、延展性、塑性等。钢材：在建筑、桥梁、设备等广泛用作结构材料。钢材：在建筑、桥梁、设备等广泛用作结构材料。铜材：常常作为导电材料使用。铜材：常常作为导电材料使用。新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢合新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢合金等。金等。Chapter1 Introduction20金属材料（Metallic Materials）金属材料通常20ExamplesChapter1 Introduction21ExamplesChapter1 Introduction221TitaniumTitaniumNickelNickelSteelSteelAluminiumAluminiumCompositesCompositesMaterials used in a gas-turbine aeroengineMaterials used in a gas-turbine aeroengineTitaniumMaterials used in a ga22无机非金属材料（无机非金属材料（Inorganic Materials）无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。单质材料：单晶硅、金刚石、石墨等。单质材料：单晶硅、金刚石、石墨等。以陶瓷为主。可用作结构材料、光学材料、电子材料等。以陶瓷为主。可用作结构材料、光学材料、电子材料等。半导体材料：单晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓等。用半导体材料：单晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓等。用于制造集成电路、固态激光器、发光二极管、晶体管等。于制造集成电路、固态激光器、发光二极管、晶体管等。Chapter1 Introduction23无机非金属材料（Inorganic Materials）无机23Architecture materialsChapter1 Introduction24Architecture materialsChapter124高分子材料（高分子材料（Polymers）高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。够高的有机化合物。天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛等。天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛等。合成高分子材料：塑料、合成橡胶和合成纤维。合成高分子材料：塑料、合成橡胶和合成纤维。功能高分子材料：工程塑料、导电高分子、高分子半导功能高分子材料：工程塑料、导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶体、光导电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物医用高分子材料、反应高分子、高分子信息材料、生物医用高分子材料、反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催化性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催化剂及高分子试剂等。剂及高分子试剂等。Chapter1 Introduction25高分子材料（Polymers）高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等25(3)ShoesChapter1 Introduction26(3)ShoesChapter1 Introduction26复合材料（复合材料（Composites）复合材料：由两种或多种不同材料组合而成的材料。复合材料：由两种或多种不同材料组合而成的材料。既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。法获得的或更优异的特性。金属材料、无机非金属材料和高分子材料相互之间或同金属材料、无机非金属材料和高分子材料相互之间或同种材料之间均可复合形成复合材料。种材料之间均可复合形成复合材料。自然界的复合材料：例如树木和竹子为纤维素和木质素自然界的复合材料：例如树木和竹子为纤维素和木质素的复合体；动物骨骼则是由无机磷酸盐和蛋白质胶原复的复合体；动物骨骼则是由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。合而成。古老的复合材料：稻草增强粘土以及漆器（麻纤维和土古老的复合材料：稻草增强粘土以及漆器（麻纤维和土漆复合而成）。漆复合而成）。传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。Chapter1 Introduction27复合材料（Composites）复合材料：由两种或多种不同材27(6)Spaceflight materials首架复合首架复合材料飞机材料飞机Chapter1 Introduction28(6)Spaceflight materials首架复合材28航空材料的主要要求是航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。耐腐蚀、长寿命和低成本。多功能化、复合化、精细化、智能化多功能化、复合化、精细化、智能化 Chapter1 Introduction29航空材料的主要要求是多功能化、复合化、精细化、智能化 Cha29Examples波音公司开发之机体与复合材料波音公司开发之机体与复合材料 JChapter1 Introduction30Examples波音公司开发之机体与复合材料 JChapte30We have covered only the tip of the iceberg in these lecturesWe have covered only the tip o311.3 材料化学的特点材料化学的特点Characteristics of Materials Chemistry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既是化学学科的一个次级学科，又是材料科学的一个分支。支。新材料的发展，往往源于其它科学技术领域的需求，这新材料的发展，往往源于其它科学技术领域的需求，这导致材料化学与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密导致材料化学与物理学、生物学、药物学等众多学科紧密相连。相连。材料合成与加工技术的发展不断地对诸如生物技术、信材料合成与加工技术的发展不断地对诸如生物技术、信息技术、纳米技术等新兴技术领域产生巨大影响。息技术、纳米技术等新兴技术领域产生巨大影响。通过分子设计和特定的工艺，可以使材料具备各种特殊通过分子设计和特定的工艺，可以使材料具备各种特殊性质或功能，如高强度、特殊的光性能和电性能等，这些性质或功能，如高强度、特殊的光性能和电性能等，这些材料在现代技术中起着关键作用。材料在现代技术中起着关键作用。Chapter1 Introduction321.3 材料化学的特点Characteristics o32材料化学是理论与实践相结合的产物，这是它与固体材料化学是理论与实践相结合的产物，这是它与固体化学的主要区别所在。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，从而材料通过实验室的研究工作而得到深入的了解，从而指导材料的发展和合理使用。指导材料的发展和合理使用。高性能、高质量及低成本的材料只有通过工艺的不断高性能、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。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，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践使理论得到进一步发展。另一方面通过大量实践使理论得到进一步发展。Chapter1 Introduction33实践性：材料化学是理论与实践相结合的产物，这是它与固体化学的主要区别33生物医药领域生物相容性材料：例如设计特殊的金属合金和聚合物涂层，以保护人体组织不与人工骨头置换体或其他植入物相排斥;人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等;药物、蛋白质及基因的控制释放。Chapter1 Introduction1.4 材料化学的在各个领域的应用材料化学的在各个领域的应用34生物医药领域Chapter1 Introduction1.434芯片制造：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等离子体刻蚀;信息存储材料;光电子材料;光子晶体。Chapter1 Introduction35电子信息领域芯片制造：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等离子体刻蚀;Chap35 环境和能源领域清洁能源：光伏电池、太阳能电池、燃料电池等；可回收和可生物降解材料；环境友好材料结构材料领域汽车和飞机：比以前更安全、轻便和省油；特种涂料：具有防腐、保护、美化或其它用途，可在结构材料上使用；智能化的结构材料：由各种具有不同功能或性能的材料组合而成Chapter1 Introduction36 环境和能源领域Chapter1 Introduction336Chapter1 Introduction结构结构材料的结构是指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包材料的结构是指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构，相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺括原子与电子结构、分子结构、晶体结构，相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次。所有陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次。所有这些层次都影响产品的最终行为。这些层次都影响产品的最终行为。单个原子结构原子的空间排列相态结构 材料化学是关于材料的材料化学是关于材料的结构构、性能性能、制制备和和应用用的化学的化学.无机材料化学是研究无机材料的设计、制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门科学1.5 材料化学的主要内容材料化学的主要内容37Chapter1 Introduction结构单个原子结构原37性能性能性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述。表述。力学性能：材料的强度、延性和刚度。物理性能：电、磁、光、热等。Chapter1 Introduction制备制备材料的合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终材料的合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程。合成与制备是提转变为有用产品的一系列连续过程。合成与制备是提高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键，高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键，也是开发新材料、新器件的中心环节。也是开发新材料、新器件的中心环节。38性能力学性能：材料的强度、延性和刚度。物理性能：电、磁、光、38无机材料化学主要研究下述五个方面的问题一、无机材料的制备原理粉末、单晶和薄膜的制备，水热法、溶胶凝胶法、微波法等制作技术，都是常见的无机材料化学研究的内容。二、无机材料的成键本质和结构无机固体材料的成键本质与固体材料的结构和性质密切相关。其中能带理论占有突出的地位，它涉及许多固体物理方面的内容。关于无机材料结构的研究所涉及的层次，是许多学者探讨过的问题。（1）晶体结构（2）晶态固体亚微观结构（3）纳米尺度结构（4）非晶态结构、表面结构和晶体组成和结构缺陷无机材料化学主要研究下述五个方面的问题39三、无机材料的表征 对于无机材料的组成和结构，往往可采用多种表征手段。无机材料化学特别重视包括上述中子衍射在内的各种衍射方法和显微技术。几乎所有晶体结构都是用X射线衍射测定的。晶态固体的亚微观结构，例如晶界、位错等，常用电子显微镜来观察。另外，热分析技术在无机材料化学上也得到了广泛的应用。四、无机材料的物理性质及反应性能 这方面涉及无机材料的力、声、光、热、电、磁等性质，与材料的组成和结构密切相关；此外，无机固体反应性的研究，主要是固相反应和多相催化等问题。三、无机材料的表征 40五、无机材料的设计 材料化学具有浓郁的应用理科性质，或者说带有一定的工艺性。关于材料应用方面的研究，目前较多的是为某种应用目的而制造无机材料，即材料设计问题。“根据使用上的要求对材料的组成和结构进行设计以达到所要求的性能，这是发展新材料的必由之路”五、无机材料的设计“根据使用上的要求对材料的组成和结构进行411.61.6材料化学在材料科学中的地位材料化学在材料科学中的地位在材料科学与工程的领域里，有化学、物理、相关理论和工程4个方面的内容。由于研究的对象不同，化学方面的内容又分为高分子化学和无机材料化学等。材料化学是材料科学的一个极重要的分支，又可以是化学学科的一部分，呈明显的交叉、边缘学科的性质。关于无机材料化学在无机材料科学中的地位，由此我们可以大胆地说，材料化学是无机材料科学中最核心的部分。1.6材料化学在材料科学中的地位在材料科学与工程的领域里42