材料化学

1. 材料化学 Materials Chemistry Chapter1 Introduction

2. Chapter 1 Introduction绪论 Chapter1 Introduction

3. 本章内容 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

4. 1.1 材料与化学Materials and Chemistry • Materials： • Substances having properties which make them useful in machinery, structures, devices and products. —— connected with function and, through that function, utilities. Chapter1 Introduction

5. 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

6. Materials Science & Chemistry Materials Chemistry: Chemistry related to structure, properties, preparation and applications of materials. Materials Science and Chemistry Atomic-molecular level interaction Macroscopic perspective Chapter1 Introduction

7. Development of materials 材料的发展 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

8. 早期：三个时代 ① 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。 ② 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； ③ 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。 Chapter1 Introduction

9. Pottery 新石器时期 马家窑式水纹彩陶钵 新石器时期 半山式菱形点纹壶 →→Pottery Chapter1 Introduction

10. China 康熙 黄釉盖罐 乾隆 茶叶末六连瓶 China Chapter1 Introduction

11. 唐 三彩鸳鸯壶 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。 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。 Chapter1 Introduction

12. 明 掐丝珐琅 葫芦式扁瓶 橘皮釉 Chapter1 Introduction

13. Glass Warring States Glass Eye Beads 现代的水晶玻璃 →→Glass Chapter1 Introduction

14. Figure of materials development Chapter1 Introduction

15. Stone age Stone Age Chapter1 Introduction

16. Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age Table 1-1 Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age Chapter1 Introduction

17. Bronze age Bronze Age Chapter1 Introduction

18. Alloy 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 Chapter1 Introduction

19. Copper mirrors 中国古铜镜 Chapter1 Introduction

20. Copper musical instrument 战国青铜编钟 Chapter1 Introduction

21. Iron Age Iron Age Chapter1 Introduction

22. Equations 炼铁过程的化学 Chapter1 Introduction

23. Alloys of iron & carbon 铸铁 依含碳量 和杂质多少 锻铁 钢铁 铁和碳的合金 Chapter1 Introduction

24. Swords 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 Chapter1 Introduction

25. 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 钢制品精炼工艺技术 高性能碳钢和合金钢 Chapter1 Introduction

26. 化学的发展往往导致材料技术的实质性进步。在新材料的研发和材料工艺的发展中，化学一直担当着关键的角色。化学的发展往往导致材料技术的实质性进步。在新材料的研发和材料工艺的发展中，化学一直担当着关键的角色。 • 合成高分子（二十世纪初） • 纳米材料（二十世纪80年代） Chapter1 Introduction

27. 按组成、结构特点分 Metallic Materials Inorganic Materials Polymers Composites 1.2 材料的分类Classification of Materials Chapter1 Introduction

28. Classification of materials • 按使用性能分 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 • 按用途分 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

29. 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

30. Examples Chapter1 Introduction

31. 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

32. Architecture materials Chapter1 Introduction

33. 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

34. (3) Shoes Chapter1 Introduction

35. 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

36. (6) Spaceflight materials 首架复合材料飞机 Chapter1 Introduction

37. 多功能化、复合化、精细化、智能化 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。 Chapter1 Introduction

38. Examples 波音公司开发之机体与复合材料 J Chapter1 Introduction

39. 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

40. 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

41. 1.4 材料化学的在各个领域的应用 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

42. 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; • 信息存储材料; • 光电子材料; • 光子晶体。 Chapter1 Introduction

43. 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

44. 1.5 材料化学的主要内容 材料化学是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学 • 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 Chapter1 Introduction

45. 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。 • 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。 Chapter1 Introduction

46. 本课程的结构 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 Chapter1 Introduction

47. 课程考核 平时成绩：30% 期末考试成绩：70% 考试方式：闭卷或半开卷 Chapter1 Introduction

48. 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

49. 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