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材料化学第一章上 绪论 联系方式： 邮件地址： 11.1 材料科学发展概况1.1.1 材料发展简史材料发展简史：： 材料的发现、发展和应用材料的发现、发展和应用是人类文明的标志是人类文明的标志 材料的品种、质量和产量，是材料的品种、质量和产量，是直接衡量一个国家的科技和经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济发展水平的重要标志之一 23& 石器时代：石器时代：4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→→Pottery5Table 1-1 Distinguish between the Paleolithic Period and the Neolithic Age Materials Wood Stone Bone Pottery              the Paleolithic Period the Neolithic Age 6& 青铜时代青铜时代 7Cu Sn Pb Zn 含锡量含锡量2/5 —— 硬度高硬度高 —— 制造刀制造刀斧斧 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） 含锡量含锡量1/6 —— 韧性好韧性好 —— 制造钟鼎制造钟鼎 结构与性能的关系结构与性能的关系 8中国古铜镜中国古铜镜 9战国青铜编钟战国青铜编钟 10Iron Age 11炼铁过程的化学炼铁过程的化学 12依含碳量依含碳量 和杂质多少和杂质多少铁和碳的合金铁和碳的合金 铸铁铸铁 锻铁锻铁 钢铁钢铁 13& 信息时代：信息时代：14航天材料航天材料151.1.2 材料发展过程材料发展过程☺材料定义材料定义：是指那些在一定工作条件下满足其使用要求的形态和物理性能的物质。

材料的发展在一定程度上材料的发展在一定程度上带来生产关系的变革带来生产关系的变革16& 第一代第一代 天然材料天然材料 石头是人类采用的第一种材料，石头是人类采用的第一种材料，人类历史的最早时期因此而被命名为人类历史的最早时期因此而被命名为““石器时代石器时代””公元前1010万年前左右，万年前左右，原始人采用天然的石、木、竹、骨等原始人采用天然的石、木、竹、骨等材料作为渔猎工具由于生产技术水材料作为渔猎工具由于生产技术水平很低，人类使用的材料只能是石头、平很低，人类使用的材料只能是石头、树木、竹、草、甲骨、羽毛、兽皮、树木、竹、草、甲骨、羽毛、兽皮、泥土等天然材料泥土等天然材料17& 第二代第二代 烧炼材料烧炼材料☺火的发现火的发现熟食、照明、取暖等熟食、照明、取暖等制陶制陶高温加工技术：铜器、铁器等高温加工技术：铜器、铁器等☺蒸汽机蒸汽机产业革命产业革命钢铁为中心的金属材料钢铁为中心的金属材料18& 第三代第三代 合成材料合成材料二战后，材料的要求：质二战后，材料的要求：质量轻、强度高、价格低等量轻、强度高、价格低等具有优异性能的工程塑料、合成具有优异性能的工程塑料、合成纤维、合成橡胶应运而生，涂料纤维、合成橡胶应运而生，涂料和胶粘剂等合成材料都得到相应和胶粘剂等合成材料都得到相应的发展和应用。

的发展和应用合成高分子材料：合成高分子材料：l907l907年第一个小型酚醛树脂厂建立年第一个小型酚醛树脂厂建立19271927年左右第一个热塑性聚氯乙烯塑年左右第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现了商品化料的生产实现了商品化19401940年到年到19571957年先后研究成功合成橡年先后研究成功合成橡胶胶( (丁苯、丁脯、氯丁橡胶等丁苯、丁脯、氯丁橡胶等) )、合成、合成纤维纤维( (尼龙尼龙6666、衷丙烯腊、衷酯等、衷丙烯腊、衷酯等) )以以及低压聚乙烯、聚四氛乙烯及低压聚乙烯、聚四氛乙烯( (塑料王塑料王) )等合成高分子材料的生产和应用，合成高分子材料的生产和应用，是材料发展中的重大突破从是材料发展中的重大突破从此，以金属材料、陶瓷材料和此，以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材了完整的材料体系，形成了材料科学19701970一一19801980年工程塑料、高年工程塑料、高分子合金、功能高分子材料分子合金、功能高分子材料大规模地生产和应用，使材大规模地生产和应用，使材料科学进一步发展料科学进一步发展19& 第四代第四代 设计型材料设计型材料l所谓设计型材料，即化学家和材料科学所谓设计型材料，即化学家和材料科学家采用新的物理、化学方法，根据实际需家采用新的物理、化学方法，根据实际需要设计出具有特殊性能的材料例如近代出要设计出具有特殊性能的材料例如近代出现的金属陶瓷、铝塑薄膜等高强度、高模现的金属陶瓷、铝塑薄膜等高强度、高模量、耐高温、低密度的先进复合材料。

量、耐高温、低密度的先进复合材料通过材料设计或分子设通过材料设计或分子设计得到的先进复合材料计得到的先进复合材料促进了航空、航天等高促进了航空、航天等高技术的发展，被公认为技术的发展，被公认为是当代科学技术中的重是当代科学技术中的重大关键技术大关键技术进入进入2020世纪世纪8080年代以后，各国在在年代以后，各国在在生物技术、信息技术、空间技术、生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术等领域展开竞能源技术、海洋技术等领域展开竞争新材料的开发本身就成为一种争新材料的开发本身就成为一种高技术，可称为新材料技术，其标高技术，可称为新材料技术，其标志是材料设计或分子设计志是材料设计或分子设计20& 第五代第五代 智能材料智能材料l 智能材料，其性能随着时间和空间条智能材料，其性能随着时间和空间条件的变化而变化它能适应环境，接受件的变化而变化它能适应环境，接受外界环境的调节，而且不需要通过计算外界环境的调节，而且不需要通过计算机和电子技术，仅依靠材料自身的性质机和电子技术，仅依靠材料自身的性质来实现自我调节、自我诊断、自我复原来实现自我调节、自我诊断、自我复原这显然是按照崭新概念制造出来的材料，这显然是按照崭新概念制造出来的材料，例如变色镜、例如变色镜、PTC(PTC(正温度系数正温度系数) )热敏陶瓷、热敏陶瓷、加热电阻和形状记忆合金等都属于智能加热电阻和形状记忆合金等都属于智能材料。

材料 在材料发展过程中，上述在材料发展过程中，上述“五代材料五代材料”，并，并非新旧交替的，而是长期并存的，它们共同非新旧交替的，而是长期并存的，它们共同在在生产、生活、科研的各个领域发挥着各自的生产、生活、科研的各个领域发挥着各自的作用，并不断发展作用，并不断发展211.1.3 材料研究开发进展材料研究开发进展 所谓新材料，主要是指最近发展或正在发展所谓新材料，主要是指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能更优异的一类材料之中的具有比传统材料性能更优异的一类材料新材料的发展与一个国家的经济活力、军事实新材料的发展与一个国家的经济活力、军事实力和科技水平都有着十分密切的力和科技水平都有着十分密切的l 高分子材料（结构高分子、功能高分子）高分子材料（结构高分子、功能高分子）l 陶瓷材料陶瓷材料 高温材料（如氮化硅）、电子材料（各种铁电和铁弹性高温材料（如氮化硅）、电子材料（各种铁电和铁弹性 材料）、超导体（铜酸盐）、玻璃、玻璃陶瓷材料）、超导体（铜酸盐）、玻璃、玻璃陶瓷l 电子材料（半导体材料、超导体、电子学方面的分子材料电子材料（半导体材料、超导体、电子学方面的分子材料。

l 催化剂和吸附剂催化剂和吸附剂l 其他新型材料其他新型材料 超硬材料（金刚石）、金刚石膜、传感器材料、新结合剂超硬材料（金刚石）、金刚石膜、传感器材料、新结合剂221.2 材料的分类材料的分类塑料、橡胶塑料、橡胶纤维、胶黏剂等纤维、胶黏剂等材料材料按化学属性分类按化学属性分类按结构分类按结构分类单晶材料单晶材料多晶材料多晶材料非晶材料非晶材料复合材料复合材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机合成材料有机合成材料复合材料复合材料按功能分类按功能分类结构材料结构材料功能材料功能材料按应用领域分类按应用领域分类电子材料、耐火材料电子材料、耐火材料医用材料、耐蚀材料医用材料、耐蚀材料建筑材料建筑材料23& 按化学属性分类按化学属性分类金属材料金属材料黑色金属黑色金属 Fe、、Mn及合金及合金-用于用于结构材料结构材料有色金属有色金属 除黑色金属以外的除黑色金属以外的-用用于功能材料于功能材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属单质（单晶硅无机非金属单质（单晶硅SiSi、、 金刚石金刚石C)C)金属和非金属元素组成的化合金属和非金属元素组成的化合物（陶瓷）物（陶瓷）有机合成材料有机合成材料C-CC-C键为基础的键为基础的有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料树脂基复合材料树脂基复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料复合材料是指由两种或两种以复合材料是指由两种或两种以上的材料按一定方式组合而成上的材料按一定方式组合而成的，具有单一材料所不能获得的，具有单一材料所不能获得的优良特性或功能的材料。

的优良特性或功能的材料24& 功能材料的分类功能材料的分类 （（1）力学性能）力学性能 （（2）化学功能）化学功能 （（3）物理化学功能）物理化学功能 （（4）生物化学材料）生物化学材料① ① 分离功能材料分离功能材料 ② ② 反应功能材料反应功能材料 ③ ③ 生物功能材料生物功能材料① ① 电学功能材料电学功能材料 ② ② 光学功能材料光学功能材料 ③ ③ 能量转换材料能量转换材料① ① 医用功能材料医用功能材料 ② ② 功能性药物功能性药物 ③ ③ 生物降解材料生物降解材料25261.3 材料化学与材料科学材料化学与材料科学（（1）材料的物理性质）材料的物理性质内禀性内禀性外赋性外赋性决定于材料的组决定于材料的组成，与晶体结构成，与晶体结构和制备过程无关和制备过程无关不仅决定于材料的组成和不仅决定于材料的组成和晶体结构，还与材料中晶晶体结构，还与材料中晶体尺寸、缺陷、杂质、合体尺寸、缺陷、杂质、合成制备和加热过程有关成制备和加热过程有关27（（2）材料科学的发展）材料科学的发展材料科学的四个基本要素：材料科学的四个基本要素： a. 组成与结构组成与结构 b. 合成与制备合成与制备 c. 性质性质 d. 功能功能材料科学的三个重要特性：材料科学的三个重要特性：  学科交叉学科交叉  密切联系实际密切联系实际  正在发展中的科学正在发展中的科学28（（3）材料化学的兴起和内涵）材料化学的兴起和内涵材料化学的学科内容包括：材料化学的学科内容包括：  采用新技术和工艺方法制备新材料采用新技术和工艺方法制备新材料  材料组成和微观结构的表征材料组成和微观结构的表征  材料性能的测试材料性能的测试材料化学是应用化学的重要分支，材料化学是应用化学的重要分支，也是材料学的重要分支。

也是材料学的重要分支29（（4）新材料研究特点和发展趋势）新材料研究特点和发展趋势特点：特点： 设计与合成设计与合成 少污染少污染 节能节能 长寿命长寿命 再生再生发展趋势：发展趋势： 有机无机复合有机无机复合 结构材料功能化结构材料功能化目前我国在材料领域的成果：目前我国在材料领域的成果： 人工晶体人工晶体 超导材料超导材料 储氢材料储氢材料 稀土材料稀土材料30第一章下第一章下 无机材料的结构和性质无机材料的结构和性质结构结构性质性质用途用途31322.1 概述概述组成材料最基本、组成材料最基本、独立的物质独立的物质材料中具有同一化材料中具有同一化学成分且结构相同学成分且结构相同的均匀部分的均匀部分材料内部的亚微观、材料内部的亚微观、微观形貌微观形貌相相组元组元组织组织3334352.2 晶体与非晶体晶体与非晶体2.2.1 结构和特点结构和特点-2.2.1.1晶体和非晶体的结构特点晶体和非晶体的结构特点晶体和非晶体结构示意图晶体和非晶体结构示意图36（（1 1）晶体）晶体原子或原子团、离子或分原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律成周子在空间按一定规律成周期性排列构成期性排列构成（（2 2）非晶体）非晶体原子、离子或分子原子、离子或分子在空间无规则堆积在空间无规则堆积在一起所形成在一起所形成37晶体和非晶体比较晶体和非晶体比较-XRD图比较图比较X-射线衍射射线衍射图（图（XRD））晶体的晶体的XRD峰较峰较窄，非晶态的窄，非晶态的XRD峰逐渐宽化峰逐渐宽化38晶体和非晶体比较晶体和非晶体比较- -形态变化形态变化t tT T晶体晶体非晶体非晶体此方法可区别晶体与非晶体此方法可区别晶体与非晶体392.2.1.2单晶和多晶体比较单晶和多晶体比较40晶界晶界41u 小角度晶界小角度晶界- -相邻晶粒的位向差小于相邻晶粒的位向差小于10°10°的晶界；的晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°2°u 大角度晶界大角度晶界- -相邻晶粒的位向差大于相邻晶粒的位向差大于10°10°的晶界，的晶界，多晶体中多晶体中9090％以上的晶界属于此类％以上的晶界属于此类。

42晶界的特点晶界的特点l 晶界处点阵畸变大，存在晶界能晶界处点阵畸变大，存在晶界能l 晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度具有较高的强度和硬度l 晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多度比在晶内快得多 l 在固态相变过程中在固态相变过程中, ,由于晶界能量较高且原子活动能力较大由于晶界能量较高且原子活动能力较大, ,所所以新相易于在晶界处优先形核以新相易于在晶界处优先形核. .原始晶粒越细原始晶粒越细, ,晶界越多晶界越多, ,则新相形则新相形核率也相应越高核率也相应越高 l 由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低。

下，往往晶界熔点较低l 由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快 4344思考题：思考题：晶态和非晶态怎样之间的转变？晶态和非晶态怎样之间的转变？从晶界的角度分析晶粒大小对晶体材料的影响？从晶界的角度分析晶粒大小对晶体材料的影响？45。