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材料化学合成与制备方法钟博2019/12/24/09:14:10材料科学与工程学院zhongbooo@126.com,151663186501.1材料科学的内涵2019/12/24/09:14:10材料分类——按材料的用途1、结构材料（传统材料）：满足材料强度、韧性等力学性能方面的要求---(材料是最终产品)---(劳动密集型材料)---人类生存的基本物质需要.2、功能材料（新材料）：满足材料特殊功能性能的要求，电、磁、声、光，热、化学、生物、核等功能用于敏感、转换、传输、处理、存储、显示、吸收等器件以元件形式对性能进行评价，“材料元件”一体化知识、技术密集型材料：需要物理、化学、生物等基础科学，以及信息、智能、微电子等技术科学人类高层次的物质需求（智能建筑材料：冬暖下凉、报警等）。3从材料尺度角度分类一维材料纤维、晶须等二维材料薄膜、涂层等三维材料块体材料零维材料？4按材料内部原子排列情况分类晶态材料非晶态材料液态材料气态材料2019/12/24/09:14:10金属材料高分子材料粉末金属有色金属钢铁塑料橡胶粘合剂涂料纤维复合材料玻璃结晶陶瓷碳材料半导体材料家族2019/12/24/09:14:101.1材料科学的内涵人类社会的进步和技术发展过程中的每一个重大突破，都是因为有了先进的新材料而实现的。现代文明的三大支柱：信息、能源和材料。而其中材料又是信息技术、能源技术几及其它一切技术发展的物质基础和关键。材料科学的内涵2019/12/24/09:14:10历史学家将材料作为文明社会进化的标志。新石器时代青铜器时代复合材料时代合成材料时代…….智能材料????旧石器时代在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段：2019/12/24/09:14:10人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。1．使用纯天然材料的初级阶段------旧石器时代2019/12/24/09:14:10这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料，等等。2．人类单纯利用火制造材料的阶段3．利用物理与化学原理合成材料的阶段2019/12/24/09:14:1020世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。4．材料的复合化阶段2019/12/24/09:14:1020世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。5．材料的智能化阶段2019/12/24/09:14:10自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点。但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。尽管近10余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，而且严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。材料科学的内涵2019/12/24/09:14:10“材料”是早已存在的名词，但“材料科学”的提出只是20世纪60年代初的事。1957年前苏联人造卫星首先上天，美国朝野上下为之震惊，认为自己落后的主要原因之一是先进材料落后，于是在一些大学相继成立了十余个材料研究中心。采用先进的科学理论与实验方法对材料进行深入的研究，取得重要成果。从此，“材料科学”这个名词便开始流行。材料科学的内涵2019/12/24/09:14:10首先，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入。“材料科学”的形成实际是科学技术发展的结果材料科学的内涵2019/12/24/09:14:10其次，在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料都已自成体系，目前复合材料也获得广泛应用，其研究也逐步深入。但它们之间存在着颇多相似之处，不同类型材料的研究可以相互借鉴，从而促进学科的发展。第三，许多不同类型的材料可以相互替代和补充，能更充分发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。但长期以来，金属、高分子及无机非金属材料自成体系，缺乏沟通。由于互不了解，不利于发展创新。材料科学的内涵2019/12/24/09:14:10材料科学材料工程研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律。基础研究工程是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题综合性研究材料科学的内涵2019/12/24/09:14:10材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识的产生及其运用。换言之，材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。组成与结构(composition-structure)合成与生产过程(synthesis-processing)性质(properties)使用效能(performance)四个基本要素(basicelements)材料科学的内涵2019/12/24/09:14:10成分(composition)、合成/加工(synthesis／proeessing)、结构(structure)、性质(properties)、使用效能(performance)五个基本要素(basicelements)1.2材料科学各组元及其关系2019/12/24/09:14:10合成与制备Materialssynthesis:oftenrefertochemicalandphysicalproceduresbywhichatomsandmoleculesareassembled.Materialsprocessing:manipulationofmaterialsonlargerscalesandincludesproceduresinvolvingseveralstepsundercarefullycontrolledconditions.1.2材料科学各组元及其关系2019/12/24/09:14:10合成与制备合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程．合成的研究既包括有关寻找新合成方法的科学问题，也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成，也应包括已有材料的新合成方法(如溶胶—凝胶法)及其新形态(如纤维、薄膜)的合成。2019/12/24/09:14:10“Askagroupoforganicchemistswhytheylovetheirwork,however,andmostwilltellyouthatitenablesthemtomakethingsthatnooneelsehasmadebefore.”Itisalsotrueformaterialssynthesis.Fivekeywordsofmaterialssynthesis(材料合成五字诀）2019/12/24/09:14:10知(Knowledge):physicalandchemicalconstants;safetydata;basicsofthepreparationprocedure.常(Commonsense):shouldnotviolatecurrentlaws.修(Modification):makechangeswhennecessary.交(Hybrid):mixdifferentmethods/routes/conditions.试(Trial):trial-and-error.2019/12/24/09:14:10Materials①Metal②Polymer③Ceramic④CompositeFormofproduct①Bulk②Thinfilm③Powder④Nanoparticles⑤QuantumdotsProcess①Solidstatereaction②Wet-chemical(sol-gel,precipitation,…)③Hydrothermal/solv-othermal④Emulsion⑤Self-assembly⑥Template⑦Electrochemical⑧Combustionassisted⑨Spraying⑩……材料合成方法概览Conditions①T:hi-T/RT/lo-T②P:vac/atmos-pheric/highP③Microwave④Sonochemical⑤Laser⑥Magnetic⑦……材料科学各组元2019/12/24/09:14:10制备也研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料，这一点是与合成相同的.制备还包括在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和使用效能，即包括材料的加工、处理、装配和制造。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。材料科学各组元2019/12/24/09:14:10在合成与制备中工程性的研究固然重要，基础研究也不应忽视。对材料合成与制备的动力学过程的研究可以揭示过程的本质。为改进制备方法建立新的制备技术提供科学基础。以晶体材料为例在晶体生产中如果不了解原料合成与生产各阶段发生的物理化学过程、热量与质量的传输、固液界面的变化和缺陷的生成以及环境参数对这些过程的影响，就不可能建立并掌握生长参数优化的制备方法，生长出具有所需组成、完整性、均匀性和物理性的晶体材料。材料科学各组元2019/12/24/09:14:10以陶瓷材料为例，陶瓷材料的最严重的问题是可靠性差，原因是制备过程落后以致材料的微结构和特性缺少均匀性和重复性．研究结果已表明，若粉料在材料制备中发生团聚，则材料难免出现分布不均匀的气孔从而导致性能不均一，因为粉料团聚一旦在制备的早期阶段形成，实际上就不可能在不存在液相的情况下通过煅烧或烧结消除其影响。这说明为提高材料的可靠性．必须对制备过程中的每阶段所发生的化学、物理变化认真加以研究并做出必要的表征．把合成制备简单地与工艺等同起来而忽略其基础研究的科学内涵，是不恰当的。材料科学各组元2019/12/2