材料化学　绪论

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,*,材料化学,北京化工大学理学院,金鑫,科技大楼,902,904,电话,:64444915,主要参考书,材料化学，高等教育出版社，李奇等编,材料化学，化学工业出版社，周志华等编,材料合成化学，哈尔滨工业大学出版社，徐甲强等编,材料化学导论，高等教育出版社，唐小真,绪论,材料,:,表示用什么制的,在制品中材料残留其形态,化学组成和结构常有发生变化。材料的功能属于物理学。,原料：在使用过程中自身消失，转化为其它物质。原料的功能属于化学。,0.1,材料的发展过程,人类社会发展的历史证明,材料是社会进步的物质基础与先导,它是人类赖以生存和发展,征服和改造自然的物质基础,是人类进步的里程碑。在人类的历史中，每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类的能力提高到一个新的水平，材料科学技术的每一次重大突破，都会引起生产技术的革命，大大加快了社会的进步，给社会生产和人们的生活带来了巨大的变化。,纵观人类利用、发现材料的历史，可以把我们所利用的材料分为五类（五代）：,第一代，天然材料：,原始社会，由于生产技术水平很低，人类所使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物。兽皮、甲骨、羽毛、树木、泥土、石块等。,约五十万年前的北京猿人，所使用的工具是石器和骨器，且这些工具的制作粗糙，用途尚未分化。,新石器时代，人们逐渐掌握了从地层里开采石料的技术，有了原料的选择和加工过程。,第二代，烧炼材料：,烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。在,生产技术,不断进步的同时，伴随着烧制材料性能的提高和应用推广。,如原始的陶器、瓷器、玻璃、水泥等都属于烧结材料；从各种天然矿石中提炼出来的铜、铅、铁等则属于冶炼材料。,人类学会用粘土烧固制成容器是材料发展史上的第一次重大突破，虽然人类在,50,万年前就会使用火，但直到新石器时期的早期，约,1,万年前才开始利用火制作陶器（中国），在,6000,年前古巴比伦利用烧制砖筑城。,青铜的冶炼也是人类发展史上的一个里程碑,它是铜、锡、铅等金属所组成的合金。其起始年限大约是公元前,5000,年。青铜相对于纯铜而言，熔点低、硬度高，我国在商、周时期是青铜器的鼎盛时期，其代表有司母戊、越王剑及三星堆出土的文物。,铁器时代的起始的确切至今没有定论，但在中国这项技术至迟出现在春秋晚期，即大约在,2700,至,2200,年前，比欧洲早约,1800,年。铁的冶炼成功也标志着人类对火的利用的能力有了重大突破。,有一些经高温烧制的陶器，由于局部熔化变得更加坚硬，完全改变了陶器多孔透水的缺点。从陶器到瓷器，是陶器发展过程中的一次重大飞跃。瓷器制作始于魏、晋时期，它的制作表明烧结温度的进一步提高，达到了,1300,C,以上，（通过鼓风以提高燃烧温度）,第三代，合成材料：,其标志产品为合成塑料、合成纤维、合成橡胶。这是随着,20,世纪初有机化学的发展而出现的化工产品，已广泛应用于生产和生活中。,1907,年第一个小型酚醛树脂厂建立；,1927,年第一个热塑型聚乙烯塑料生产商品化；,1930,年聚合物概念建立；,1940,1957,年合成橡胶、合成纤维开始生产；,1950,1970,年新型塑料和合成纤维的深入研究；,1970,1980,年工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料,工业化；,1990,分子设计、高性能聚合物的合成。,第四代，可设计材料：,随着高新技术的发展，对材料提出了更高的要求，前三代单一性能的材料已不能满足需要，这使得用新的物理、化学方法，根据实际要求去设计特殊性能的材料。如近代出现的金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料。其特点是功能多样化。,第五代，智能材料：,近三、四十年来，研制出来了一些新型功能材料，它们能随环境、时间的变化改变自己的性能和形状等。如记忆合金等。,0.2,材料的分类,材料是指人类能用来制作有用物件的物质或原料。,新材料是指最近发展或正在发展过程之中的具有比传统材料性能更为优异的一类材料，目前世界上传统的材料有几十万种，并以每年约,5%,的速度增长。,对,材料的分类，各国的认识不尽相同，大体可分为以下几个方面：,1,、金属材料：,包括金属玻璃、准晶、定向共晶合金、低维合金等。这些材料的特殊形态有薄膜、微粉、非晶态金属和稀释合金等。主要在电、磁、耐蚀性和高强度方面有重要的应用前景。,2,、非金属材料：,非金属材料的包括范围极其广泛，如单晶硅、金刚石、金属与非金属元素的化合物，高温热处理材料陶瓷，各种盐、氧化物、硫化物等。,3,、合成材料：,主要为三大合成材料塑料、橡胶和纤维。,4,、复合材料：,为满足新技术对材料性能的综合要求，采取取长补短的方法，用两种或两种以上材料进行有效复合所得到的材料。如,（,1,）纤维增强或补强复合材料；,（,2,）第二相颗粒弥散复合材料；,（,3,）梯度功能复合材料（一面具有结构作用的金属材料，再逐层渗入无机化合物，便另一面具有一些特殊的功能。,5,、功能材料：,能适应外界条件而改变自身性能的材料，如记忆合金、自降解薄膜、磁性材料、发光材料、光导材料和超导材料等。,0.3,材料科学和材料化学,材料是一切科学技术的物质基础，而各种材料主要来源于化学制造和化学开发。因此，材料化学在整个科学技术体系中占有特殊重要的地位。,1,、材料研究中的化学问题,借助于近代物理技术的不断进步，化学得以迅速发展。但化学学科的使命不变，仍然是一门在原子、分子水平上研究物质的组成、结构和性能及相互转化的科学。长期以来，化学学科的任务是整理天然产物和耕耘周期系，从而发现和合成大量的化合物。化学为新材料的开发储备了足够的化合物。对化学学科来说，在此时期中最具有深远影响的大事之一是材料科学的诞生和成长。可以说化学在很大程度上已离不开和材料科学的相互依存关系而独立发展了。,化学学科的发展趋势：,（,1,）,重视化学学科的基础理论的研究；,（,2,）加强应用化学的研究，以适应现代社会中生产和科学技术发展对能源、材料、原料等各方面的日益增长的需求。,材料科学是当前科学研究的前沿，多数国家均把材料学作为重点学科并予以高度重视。,在相当长的一段时间内，材料研究是分别在固体物理、晶体学、无机化学、高分子化学以及陶瓷、冶金、化工等领域中进行的，相互之间缺少联系，未形成统一的科学体系。传统的材料研究是以经验、技艺为基础的，材料的研制主要依靠配方筛选和性能测试。这样只能对材料的宏观性能提供某种定性解释，而不能准确地预示材料的性能和用途。因而不能准确地指明新材料的开发方向。,因科学技术的发展对材料提出了许多新的要求，沿用传统的方法已不可能研制出具有独特性能的新材料。,在上述背景条件下，对材料的基础理论的研究逐渐受到重视。随着研究的深入和微观分析测试手段的进步，逐步揭示出许多材料行为的微观机制，从而奠定了统一的材料科学的基础。,新材料，尤其是功能材料的发展和获得，都离不开化学，是在与化学的密切合作下获得的。,如在超导材料的研究过程中，物理学家主要关注超导理论，材料学家注重于测试超导体的性能，而化学家的任务则是合成这些新材料，进而研究材料的组成、结构和超导性能之间的关系。,从以往的经验中我们可以得到以下的结论：,在新型功能材料研究过程中，都有这样的特点，化学与物理相结合，微观与宏观研究相结合，理论与技术相结合。,因此，材料化学的研究领域的特征是化学、物理学、材料学相互交叉相互结合的。,2,、从原料到材料,化学过程和材料过程,材料概念在科学上出现是相当近期的事，如国际性材料杂志材料科学创刊于,1966,年；世界著名材料研究中心麻省理工材料中心也是在,1963,年创建，,1965,年奠定基础的。,在材料制备中，化学过程或化学反应是物质在分子水平上相互作用转化的过程，如将石英砂作原料，制造出高纯硅的过程，就属于化工过程。,而将高纯硅制得高纯单晶硅，最后得到产品硅片这个过程称为材料化过程，属于材料工艺过程。,材料过程所使用的方法种类繁多，采取哪种方法，在一定程度上取决于产品所要求的形态，即将化学过程中制得的粉体，按其使用目标不同，制成一定的形态，如单晶、非晶态、多晶体。根据需要，制成薄膜、纤维状物、致密或多孔形态等。这些过程都为材料过程，化学过程制备的粉未产品应适于材料过程的进行。,现代材料的要求有以下特点：,（,1,）,结构与功能相结合：,能作为结构材料使用，又具有特定的功能或多种功能；,（,2,）,智能型：,要求材料具有感知、自我调节和反馈的能力，具有敏感和驱动的双重功能；,（,3,）,少污染：,生产、制作、废弃全过程中；,（,4,）,可再生性：,充分利用和保护自然资源；,（,5,）,节约能源；,（,6,）,长寿命；,在使用过程中少维修或不维修。,