搜索
第三讲化学与其他学科的关系•化学与材料科学•化学与生命科学•化学与能源科学•化学与环境科学化学与材料科学•材料是指经过某种加工(包括开采和运输)，具有一定的组成、结构和性能，适合于一定用途的物质，它是人类生活和生产活动的重要物质基础。当今国际社会公认，材料、能源和信息技术是新科技革命的三大支柱。对材料的基本认识化学与材料科学•一种崭新技术的实现，往往需要崭新材料的支持，反过来，先进的技术又促使了具有前所未有性能的新材料的诞生。现代的材料技术正同其它高技术互相支持、共同发展。•目前世界上传统材料已有几十万种，而新材料正以每年5％的速度在增加。•化学元素周期表中已有90多个元素在工业上全部被采用。对材料的基本认识化学与材料科学•第1代材料——自然的恩赐，石器、骨器等•第2代材料——金属冶炼技术的发展密切相关，青铜、钢铁以及各种合金材料。金属成为主导材料。•第3代材料——合成材料的时代。20世纪初发展起来的高分子材料，扩大了材料的品种和范围，推动了许多新技术的发展。材料的更新换代人类对材料的认识和利用，经历了一个漫长的探索、发展的历史进程。化学与材料科学•第4代材料——复合材料时代。近几十年来，新型无机非金属材料异军突起，发展极快，在材料世界中，和金属材料、有机高分子材料形成三足鼎立之势。复合材料在能源开发、电子技术、空间技术、国防工业和环境工程等领域中大显身手。材料的更新换代化学与材料科学•第5代材料——智能化材料时代。本身具有感知、自我调节和反馈的能力，即具有敏感（能感知外界作用）和驱动（对外界作用做出反应）的双重功能，如同模仿生命系统的作用一样。它能像人的五官感知客观世界；又能能动地对外作功，发射声波，辐射热能和电磁波，甚至促进化学反应和改变颜色等类似于生命体的智慧反应。材料的更新换代化学与材料科学材料化学是研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。它既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质，并且是材料科学的核心部分，具有明显的应用理科性质，在理论和实践上的重要性是不言而喻的。材料化学化学是材料科学的重要基础学科之一；材料是化学的重要研究内容。化学与材料科学大量的科学实验证明，在给定的外界条件下，若材料的化学成分固定时，材料的性能（力学、物理及化学性质）只取决于材料内部的结构和组织，即在材料的组成、结构与性能三者中，结构起着关键作用。不仅材料的化学组成对材料的最终性能产生重大影响，而且各种物理结构和形态也会对最终的使用性能起重要作用。这一方面为材料的研究和开发带来一些不利因素，但另一方面又为获得性能更加优异的材料提供了潜在的多种可能。这也是材料科学蓬勃发展的一个重要原因。材料化学化学与材料科学•金属材料学是材料科学中最先形成的一个分支，也是构成当代材料科学的基础和骨架。金属材料学是研究金属材料的成分及制备工艺、组织结构、材料性能和使用性能这四个要素以及它们之间相互关系的科学。金属材料•纯金属一般具有良好的塑性，但其机械性能往往很难满足工程技术等多方面的需要，因此金属材料常以合金的形式使用。化学与材料科学•轻质合金——以轻金属为主要成分的合金材料。强度高，质量轻，满足了人类航空、航天的梦想！已广泛应用的轻质合金有铝合金、铝镁合金、铝锂合金等。•形状记忆合金——称为NT合金，20世纪60年代初期发现的，它是一种特殊的合金，有一种不可思议的性质，即使把它揉成一团，一旦达到一定温度，它便能在瞬间恢复到原来的形状。具有这种形状记忆效应的合金，除了镍—钛合金外，还先后发现铜—锌、金—镉、镍—铝等约20种合金，其中“记忆力”最好的是NT合金。可用于温度控制装置、集成电路引线、汽车零件与机械零件外，由于其与生物体的相容性好、耐蚀性强，还可用于骨折部位的固定、人造心脏零件、牙齿矫正等医用材料。金属材料化学与材料科学•储氢合金——具有良好的可逆吸放氢性能的合金，是解决氢能规模储运的重要途径。目前已知的储氢合金有镁一镍合金、钐钴（SmCo5）合金、镧一镍合金（LaNi5）等。提高储氢质量、加快吸氢速度、降低放氢温度、提高性价比是当前以至今后努力的方向。•磁性合金——具有能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性合金材料。磁性金属和合金一般都有磁电阻和巨磁阻现象。20世纪90年代，人们在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。在高密度读出磁头、磁存储元件和微弱磁场探测上有广泛的应用前景。金属材料化学与材料科学现时的无机非金属材料，已不再仅是传统意义上的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料———通常所称的“硅酸盐材料”，而是涌现了一系列应用新技术的高性能先进无机非金属材料，也称“无机新材料”，包括结构陶瓷、功能陶瓷、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料和人工晶体等除金属材料和高分子材料以外的几乎所有的材料。这些新材料的出现是无机非金属材料科学与工程学科近几十年来取得的重大成就，它们的应用极大地推动了科技的进步。无机非金属材料化学与材料科学•特种陶瓷——以碳、硅、氮、氧、硼等元素的人工化合物为主要原料，改进和发展传统陶瓷工艺而获得的新型陶瓷材料。由于特种陶瓷的强度和韧性都有大幅度提高，克服了传统陶瓷性脆易碎的弱点，已成为受到普遍重视的一种重要的新型工程材料。又称工程陶瓷、精密陶瓷或结构陶瓷。按应用和发展大致可分为高强高温结构陶瓷、电工电子特种功能陶瓷和复合陶瓷3大类。•高强高温结构陶瓷强度高，特别是高温机械性能好，是优异的高温结构材料。优异的高温性能是一般金属材料乃至硬质合金也望尘莫及的，是高温发热元件、绝热发动机和燃气涡轮机叶片、喷嘴等高温工作器件的重要材料，还可用作高温坩锅、高速切削刀具和磨具材料。无机非金属材料化学与材料科学•电工电子特种功能陶瓷具有特殊的声、光、电、磁、热和机械力的转换、放大等物理、化学效应，是功能材料中引人注目的新型材料。还是具有气敏、热敏、光敏、压敏、磁敏和半导体等效应的换能、传感功能陶瓷，更是特种陶瓷中的佼佼者。这类以金属氧化物为主要原料的特种功能陶瓷，已是能源、空间技术、计算机技术等尖端技术的重要功能材料。•复合陶瓷最近发展较快，主要有纤维增强陶瓷和金属陶瓷。复合陶瓷不仅强度、韧性和工艺性都有很大提高，而且还具有一些特异性能。如含钴粉的金属陶瓷，在高温时钴等金属吸热蒸发，降低基体温度，保证材料强度，是优良的火箭喷口和耐热壳体材料。无机非金属材料化学与材料科学•技术权威部门预测，新世纪开始，世界特种陶瓷平均每年以15%-20%的速度增长，到2010年，世界特种陶瓷市场的销售额，可望达到1500亿美元左右。•特种陶瓷按原料组成可分为：氧化铁陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化钛陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷与金属陶瓷等。•特种陶瓷应用范围正从电容器、滤波器、点火器、磁头、高级烹调餐具、保温器材、医疗器械和通信器件等方面，迅速向航天、航空、卫星以及半导体芯片等高新技术领域进军。•我国已成功地采用多种方法制成陶瓷颗粒材料，其中有氧化锆、氧化铝、氧化钛、氧化硅、碳化硅、氮化硅等。同时，国家计委已将纳米碳酸钙、硅基纳米陶瓷粉及制品，列入国家组织实施的高技术产业化专项公告之内。无机非金属材料化学与材料科学•半导体材料——半导体的电导率在10-3～109Ω·ｃｍ。最常见的半导体材料是元素周期表中第ⅣＡ族的硅和锗，还有周期表中第ⅢＡ族和第ⅤＡ族元素形成的化合物半导体，如砷化镓等。在制造半导体单晶、薄膜和器件时，除了要求超净的工作环境、精密的控制系统之外，对原料纯度还有极高的要求。例如，有的半导体器件要求材料的纯度高达13个“9”，即99.99999999999%，所以说，现代半导体材料和器件的本身就属于高技术范畴，制造半导体材料与器件是一项精密细致的系统工程。无机非金属材料化学与材料科学•激光晶体——激光技术是光电子技术的核心组成部分，而激光晶体是激光器的工作物质。作为固体激光器的主体，激光晶体发展成固体激光技术的重要支柱。激光晶体是由晶体基质和激活离子组成。激光晶体的激光性能与晶体基质、激活离子的特性关系极大。目前已知的激光晶体，大致可以分为氟化物晶体、含氧酸盐晶体和氧化物晶体3大类。激活离子可分为过渡金属离子、稀土离子及锕系元素离子。目前已知的约320种激光晶体中，约290种（90％）是掺入稀土作为激活离子的。无机非金属材料我国是稀土大国，具有丰富的稀土资源，但目前只能以低端原材料出口。国家已有相关政策已保护我们的稀土资源化学与材料科学•高分子合成材料是以天然和人工合成的高分子化合物为基础的一类非金属材料。高分子材料具有原料来源丰富、价格低廉、加工方便以及具有橡胶弹性、强度高等独特的性能，使它获得了极其广泛的应用。现代的工业和日常生活都离不开高分子的三大合成材料——合成塑料、合成纤维和合成橡胶。•合成塑料中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种的总产量在亿吨左右。其他如透光性好的有机玻璃，称为“塑料王”的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯，作为工程塑料的聚砜、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亚胺和常用作泡沫塑料的聚胺脂等。合成纤维中，涤纶、晴纶、尼龙早已进入千家万户。合成橡胶中，丁苯橡胶和顺丁橡胶已部分代替天然橡胶。•高分子材料正朝着高性能化、功能化和复合化的方向发展。高性能化即通过高分子结构的控制，制备高强度、高模量、高耐热的高性能材料。功能化即制备具有导电、光学、分离、智能化等功能的高分子材料。复合化即通过纤维增强、高分子共混、融合化等达到新的功能和高性能。有机高分子材料化学与材料科学•高分子分离膜——一种高分子薄层物，有固态，也有液态。用于分离膜的高分子材料主要有聚酸胺类、聚酸亚胺类、聚砜类、聚乙烯酸类、丙烯类衍生物聚合物及纤维素类等，有关的共聚物和共混物也可作为膜材料用。高分子分离膜现已广泛应用于核燃料及金属提炼，气体及烃类分离，海水及苦咸水淡化，纯水及超纯水制备，环境保护和污水处理，人工脏器的制造，生物制品提纯以及医药、食品、农业、化工等各种领域中。•功能高分子材料——对物质、能量和信息具有传递、转换或贮存作用的高分子材料。功能高分子按其不同的功能又可分为：（1）具有化学活性的功能高分子，如高分子试剂、高分子催化剂、固定酶、离子交换树脂等；（2）具有光学性能的功能高分子，如感光树脂、光刻胶、液晶高分子等；（3）具有电学性能的功能高分子，如导电高分子、热电高分子、光电高分子等；（4）具有导磁性能的高分子，如磁性塑料、磁性橡胶等；（5）具有声学性能的功能高分子，如声电换能高分子，吸噪声防震高分子等；（6）具有热响应性能的功能高分子，如形状记忆高分子等；（7）具有医疗作用的功能高分子，如高分子医药、高分子人工脏器等。有机高分子材料化学与材料科学•工程塑料——具有优异机械性能、电性能、化学性能及耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等一系列特点的新型塑料。工程塑料作为化工高新技术和新型材料，近年来已被广泛采用，以塑代钢、以塑代木已成为国际流行趋势。工程塑料与金属材料相比有许多优点：容易加工；生产效率高；节约能源；绝缘性能好；质量轻，比重约1.0～1.4，比铝轻一半，比钢轻3/4；具有突出耐磨、耐腐蚀性等，是良好的工程机械更新换代产品。最近，化学家研制出了一种能代替玻璃和金属的耐高温高强度超级工程塑料。这种塑料是一种把硫基单位结合进塑料聚合体长链中的一种新型材料。有着惊人的抗酸碱腐蚀和耐高温特性。还能填充到玻璃、不锈钢等材料中，制成特别需要高温消毒的器具(如医疗器械、食品加工机械等)。有机高分子材料化学与材料科学从70年代中期开始，一些耐热性能更好、抗拉强度更高的类似金属塑料问世了。一种商品名称叫做“Kevlar”的塑料，其强度甚至比钢大5倍以上，为此它成为制造优质防弹背心不可缺少的材料。最近，美国杜邦公司研制成功迄今为止强度最大的塑料“戴尔瑞ST”。具有合金钢般的高强度，可以用来制造从汽车轴承、机器齿轮到打字机零件等许多耐磨损零部件。耐高温、高强度塑料的一个潜在用途是制造塑料汽车发动机。这种塑料发动机的重量不到金属发动机的一半，噪声也