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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,8/23/2016 1:37 PM,Chapter1 Introduction,#,材料化学,Chapter1 Introduction,Materials Chemistry,1,Chapter1 Introduction,Chapter 1 Introduction,绪论,2,1.1,材料与化学,1.2,材料的分类,1.3,材料化学的特点,1.4,材料化学的在各个领域的应用,1.5,材料化学的主要内容,Chapter1 Introduction,本章内容,3,生活中的,材料,鲨鱼皮泳衣,鲨鱼,的,皮肤上有一层极为细小的突起状,，,相当于小型的水囊，能在流动时有序地引导周围的水向同一方向流动，使鲨鱼更舒畅、省力地在水中游弋。,鲨鱼皮泳衣是对采用仿生学原理制造出的竞技用游泳衣的形象称呼。它根据鲨鱼皮的特性制作出来的，主要是性能是减小有用过程中水的阻力。,鲨鱼皮泳衣的发展历史,第一代鲨鱼皮（2000年）,采用纤维模仿鲨鱼皮肤结构，能引导周围的水流，,减少水阻力并提高游进速度,3%,7.5%,。作为鲨鱼皮的代表，这款泳装在悉尼奥运会上风靡全球，有,83%,的参赛选手选择身穿鲨鱼皮参加比赛。,第二代鲨鱼皮（2004年）,在第,1,代的基础上，在面料的表面加上颗粒状的小点，目的是减少,30%,的水阻整体功能比第,1,代提升,7.5%,。,2004,年的雅典奥运会获得奖牌的运动员中有,47,人就是穿着这款泳衣登上领奖台的。,二代,第三代鲨鱼皮（2007年）,由防氧弹性纱和特细尼龙纱组成。它的弹性比同类产品高,15%,，可以减少肌肉振动和能量损耗。在,2007,年,1,年时间里，协助世界各国运动员先后,21,次打破世界纪录。,第四代鲨鱼皮（2008年）,第,4,代由极轻、低阻、防水和快干性能,LZR Pulse,面料组成，是全球首套以高科技熔接生产的无皱褶比赛泳装。,在近,1,个月内产生的,16,项新的世界纪录中，有,14,项是由选手穿着这款泳衣创造的。,美国海军用,0.5,马力,陶瓷,发动机,广州新电视塔摩天轮的,16,个“水晶”观光球舱，壳体采用,新型高分子材料,，晶莹剔透，能保证舱内游客对塔外景色一览无余。,美国最新型,隐身,战斗机,F-22,使用吸波材料和吸波涂层,Materials,：,Substances having properties which make them useful in machinery, structures, devices and products.,Chapter1 Introduction,1.1,材料与化学,Materials and Chemistry, connected with function and, through that function, utilities.,11,Distinguish between Chemicals and Materials,Chemicals,：,the utility lies primarily in their,consumption,.,Materials,: can be used,repeatedly or continuously,for an application that does not irreversibly convert them to something else.,Chapter1 Introduction,12,Materials Science & Chemistry,Materials Science and Chemistry,Atomic-molecular,level interaction,Materials Chemistry:,Chemistry related to structure, properties, preparation and applications of materials.,Macroscopic perspective,Chapter1 Introduction,13,材料的发展,化学与材料亲密接触的历史,人类第一个化学上的发现是火，这是公元前,50,万年左右的事情。而人类第一次真正有意识地创造发明的自然界并不存在的“新材料”,陶器就是在火的帮助下制造出来的。,在烧制陶器的过程中人类又还原出了金属铜和锡，发明了炼铜技术，从而把历史推进了青铜器时代。,我国的四大发明中至少有两项是化学和材料的结合体,通过蒸煮草木灰把植物中的纤维物质提炼出来制成了纸浆；,一硝二磺三木炭的组合则生成了火药。,2KNO,3,+ 3C + S = N,2,+ 3CO,2,+ K,2,S + 169,千卡,“,一硝二磺三木炭”的原理在抗日战争事情也发挥了巨大的作用。,18,世纪末分析化学的发展使得人们第一次认识到钢中存在有碳原子，而且碳原子在决定钢的性质方面起着十分关键的作用，从而促使人们开始从材料的组成角度来研究材料。,20,世纪初开始出现的合成材料就是在有机化学发展的基础上诞生的。,元素周期表的发现及其对材料科学的影响,进入到近代后，化学开始有意识地向材料靠拢，并且逐渐地在理解材料的结构和性能方面发挥着越来越重要的作用。,现代的材料科学就是一种“炼金术”，它能变魔术般地以,90,多种元素为原料，从理论研究、应用，到制造成虽然不是金子但是却有可能比金子更为人类所需、更有价值、更加珍贵的新物质。,化学家们经过几百年的努力，开发出了许多存在于自然界的天然化合物，同时也制备出了大量自然界所不存在的合成化合物，两者的总和超过了,2000,万种，其中的一部分已经成为了各种各样的材料，构成了现代文明社会的物质基础。,目前全世界的化学家们平均每天研究出,7000,多种新化合物，为材料的选择提供了丰富的来源。,Development of materials,材料的发展的几个阶段,材料的发现、发展和应用是人类文明的标志。,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平的重要标志之一。,Chapter1 Introduction,19,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,生活形态的改变。, 青铜器：金属产物的工具,武器,农具,礼器,祭器等取代泥制陶器；, 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。,早期：三个时代,Chapter1 Introduction,20,Pottery,Pottery,新石器时期,半山式菱形点纹壶,新石器时期,马家窑式水纹彩陶钵,Chapter1 Introduction,21,China,China,康熙 黄釉盖罐,乾隆 茶叶末六连瓶,Chapter1 Introduction,22,唐 三彩鸳鸯壶,一种低温铅釉的陶器，采用黄、绿、褐等色釉在器皿构成花朵、斑点或不规则的几何纹等，色彩斑斓的色釉装饰。,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。,Chapter1 Introduction,23,明 掐丝珐琅,葫芦式扁瓶,橘皮釉,Chapter1 Introduction,24,Glass,现代的水晶玻璃,Warring States,Glass Eye Beads,Glass,Chapter1 Introduction,25,Figure of materials development,Chapter1 Introduction,26,Stone Age,Stone age,Chapter1 Introduction,27,Materials,Wood,Stone,Bone,Pottery,the Paleolithic Period,the Neolithic Age,Table 1-1 Distinguish between,the Paleolithic Period and the Neolithic Age,Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age,Chapter1 Introduction,28,Bronze Age,Bronze age,Chapter1 Introduction,29,含锡量,1/6 ,韧性好,制造钟鼎,含锡量,2/5 ,硬度高,制造刀,斧,Cu Sn Pb Zn,第一个合金材料：铜锡合金（青铜）,结构与性能的关系,Alloy,Chapter1 Introduction,30,中国古铜镜,Copper mirrors,Chapter1 Introduction,31,Copper,musical instrument,战国青铜编钟,Chapter1 Introduction,32,Iron Age,Iron Age,Chapter1 Introduction,33,Equations,炼铁过程的化学,Chapter1 Introduction,34,铸铁,锻铁,钢铁,依含碳量,和杂质多少,铁和碳的合金,Alloys of iron & carbon,Chapter1 Introduction,35,第八世纪的,Carolingian,剑,东方曲剑, Persian ,土耳其的,Damascus,剑,日本剑的锋口部份,Swords,Chapter1 Introduction,36,早期：纯粹凭经验工艺。,近现代：,基本化学原理,物质微结构,性能优良而价值更高的材料,高性能碳钢和合金钢,钢制品精炼工艺技术,Chapter1 Introduction,37,钢,硅,塑料,合成材料,半导体,精密陶瓷,复合材料,纳米材料,我们现在所处的时代应该称为什么时代？,Chapter1 Introduction,Metallic Materials,Inorganic Materials,Polymers,Composites,按组成、结构特点分,1.2,材料的分类,Classification of Materials,39,Structural Materials,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,按使用性能分,按用途分,Classification of materials,导电材料、绝缘材料、生物医用材料、,航空航天材料、能源材料、,电子信息材料、感光材料等等,Chapter1 Introduction,40,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。,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。,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。,新型金属材料：如超塑性合金、形状记忆合金、储氢合金等。,Chapter1 Introduction,41,Examples,Chapter1 Introduction,42,无机非金属材料（,Inorganic Materials,）,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。,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。用于制造集成电路、固态激光器、发光二极管、晶体管等。,Chapter1 Introduction,43,Architecture materials,Chapter1 Introduction,44,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。,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。,Chapter1 Introduction,45,(3) Shoes,Chapter1 Introduction,46,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。,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。,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。,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（麻纤维和土漆复合而成）。,传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。,Chapter1 Introduction,47,(6) Spaceflight materials,首架复合材料飞机,Chapter1 Introduction,48,航空材料的主要要求是,耐高温、高比强、抗疲劳、,耐腐蚀、长寿命和低成本。,多功能化、复合化、精细化、智能化,Chapter1 Introduction,49,Examples,波音公司开发之机体与复合材料,J,Chapter1 Introduction,50,1.3,材料化学的特点,Characteristics of Materials Chemistry,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。,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。,Chapter1 Introduction,51,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。,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。,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践使理论得到进一步发展。,Chapter1 Introduction,52,实践性：,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 Introduction,1.4,材料化学的在各个领域的应用,53,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 Introduction,54,电子信息领域,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 Introduction,55,新材料在高技术中的应用,几个实例,1982,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。,1988,年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功。液氢的沸点为,253,C,，携储液氢需要高效率的绝热材料。液氢发动机的使用，则意味着低温极限技术已达到实用化程度。,1989,年日本一艘潜水调查船下潜到,6500,米的深海区，打破了美国、前苏联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱使用的是一种高强度钛合金，观察窗使用的是一种新型的有机玻璃。,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。,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。,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,隐形武器由于其科技含量高，对材料要求苛刻，研制费用异常高。,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。,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”为一体的,F-35,新型隐形战机。,F-117A,战斗机周身几乎全由直线构成，机体表面使用了,6,种不同的雷达吸波涂层材料，大大降低了雷达探测度。经科学家测试，雷达在距离,F-117A,飞机,600,米时，就已完全接收不到它发出的信号。,在美国的航天史上发生过三起巨大灾难,1967,年,1,月,27,日：阿波罗号飞船升空时爆炸，三名宇航员遇难,1986,年,1,月,28,日：挑战者号航天飞机升空时爆炸，包括一名女教师在内的宇航员全部遇难,2003,年,2,月,1,日：“哥伦比亚号”航天飞机在完成,16,天的太空研究任务后，在返回大气层时突然发生解体，机上,7,名宇航员全部遇难,“,哥伦比亚号”是航天飞机第一次在即将着陆时发生的灾难。空难发生后，由美国宇航局（,NASA,）组成了由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组对飞机残骸进行了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验，分析了航天飞机爆炸的原因。“哥伦比亚号”航天飞机的爆炸，震惊了世人，同时也引起了人们对材料的关注，材料分析揭开了哥伦比亚空难之谜。,哥伦比亚空难与材料,这张照片是在哥伦比亚号返回地球的,11,天前拍摄并传回的，通过哥伦比亚号上随机安装的一架照相机拍摄。,升空时，从燃料箱脚架处掉下的一块隔热泡沫砸到左翼碳碳复合材料面板下半部附近造成裂缝。而后高温热离子流穿过此处，使机翼铝合金、铁基合金、钠基合金结构熔化，导致航天飞机失控、机翼破坏和机体解体。,Chapter1 Introduction,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,结构,、,性能,、,制备,和,应用,的化学,1.5,材料化学的主要内容,64,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,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。,65,教学用书：,曾兆华，杨建文编著,.,材料化学,.,北京：化学工业出版社,. 2008,主要参考书目：,杨兴钰,.,材料化学导论,.,武汉：湖北科学技术出版社，,2003,刘光华编著,.,现代材料化学,.,上海：上海科学技术出版社，,2000,周达飞主编,.,材料概论,.,北京：化学工业出版社，,2001,Brian S. Mitchell. An Introduction to Materials Engineering and Science. USA, John Wiley & Sons, 2004.,William D, Callister J. Materials science and engineering: An introduction. 5th Ed. , USA, John Wiley & Sons, 1999,Smith W F. Foundations of materials science and engineering. New York, McGraw-Hill Book Co., 1992,Bradley D. Fahlman. Materials Chemistry. German, Springer, 2007,Chapter1 Introduction,66,思考题,什么是材料化学？其主要特点是什么？,新石器时代的标志是什么？,材料与试剂的主要区别是什么？,观察一只灯泡，列举出制造灯泡所需要的材料。,材料按其组成和结构可以分为哪几类？,简述材料化学的主要内容。,Chapter1 Introduction,67,第一章 绪论,第二章 材料的结构,第三章 材料的性能,第四章 材料化学热力学,第五章 材料的制备,第六章 金属材料,第七章 无机非金属材料,第八章 高分子材料,第九章 复合材料,第十章 纳米材料,基础部分,应用部分,本课程的结构,Chapter1 Introduction,68,材料化学（再版目录）,第一章 绪论,1.1,材料与化学,1,1.2,材料的分类,3,1.3,材料化学的特点,4,1.4,材料化学在各个领域的应用,5,1.5,材料化学的主要内容,6,第二章 材料的结构,2.1,元素和化学键,9,2.2,晶体学基本概念,16,2.3,晶体缺陷,22,2.4,金属材料的结构,31,2.5,无机非金属材料的结构,38,2.6,高分子材料的结构,54,Chapter1 Introduction,69,第三章 材料的性能,3.1,化学性能,63,3.2,力学性能,67,3.3,热性能,72,3.4,电性能,76,3.5,磁性,80,3.6,光学性能,83,第四章 材料化学热力学,4.1,化学热力学基础及应用,97,4.2,材料界面热力学,105,4.3,相图及其应用,118,Chapter1 Introduction,70,第五章 材料的制备,5.1,金属材料的制备,135,5.2,陶瓷工艺,140,5.3,高分子材料制备,145,5.4,晶体生长技术,153,5.5,气相沉积法,158,5.6,溶胶,-,凝胶法,170,5.7,液相沉淀法,174,5.8,固相反应,175,5.9,插层法和反插层法,5.10,自蔓延高温合成法,180,5.11,自组装技术,186,Chapter1 Introduction,71,第六章 电子与微电子材料,6.1,导电材料,191,6.2,介电材料,202,6.3,半导体材料,212,6.4,微电子材料与芯片,223,第七章 光子材料,7.1,概述,237,7.2,光纤,237,7.3,光子晶体,247,7.4,液晶材料,253,7.5,光学透明导电材料,260,7.6,非线性光学材料,267,7.7,发光材料,271,7.8,激光材料,292,7.9,光伏材料,298,Chapter1 Introduction,72,第八章 生物医用材料,304,8.1,生物医用材料概述,304,8.2,生物医用材料表面改性,306,8.3,生物医用金属材料,309,8.4,生物陶瓷,313,8.5,生物医用高分子材料,318,8.6,纳米生物材料,330,第九章 高性能复合材料,337,9.1,复合材料概述,337,9.2,复合材料的命名与分类,338,9.3,复合材料的基体材料,338,9.4,复合材料的增强相,343,9.5,复合材料主要性能与制造,353,Chapter1 Introduction,73,第十章 纳米材料,10.1,纳米材料的种类,362,10.2,纳米材料的特性,368,10.3,纳米材料的制备,372,10.4,纳米材料的应用,383,Chapter1 Introduction,74,课程考核,平时成绩：,3040%,期末考试成绩：,7060%,考试方式：闭卷或半开卷,Chapter1 Introduction,75,
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