材料化学导论

材料化学导论•张宝莲•田中华1.1材料与新材料的重要性•Def:材料是人类用来制作物件，如用具、工具、元器件、设备设施、系统等的物质。•人与其它动物的区别：能有意识的制造和使用工具•人类文明史与材料的发展史密切相关。•材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格，如炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材料”，因为它属于火炮或火箭的组成部分。邓小平：科学技术是第一生产力。政治学家：生产力的进步是社会发展的根本原因，而劳动工具的发展是生产力进步的主要因素。材料学家：材料是时代进步的标志。材料是时代进步的标志认识工具材料制造工具使用工具石器时代青铜器时代青铜（主要为Cu、Sn合金）青铜器（战国）错金犀牛尊青铜器（战国）司母戊方鼎铁器时代信息时代认识材料制造工具使用工具工艺过程材料的发展史•在人类发展史上材料的发展经过哪几个阶段？•1．使用纯天然材料的初级阶段（旧石器时代）：群居洞穴，以狩猎为生，使用的工具是石器和骨器，这些骨器制作粗糙，用途尚未分化•2．人类单纯利用火制造材料的阶段（新石器时代、铜器时代和铁器时代）：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（烧结材料和冶炼材料）。材料的发展史•3．利用物理与化学原理合成材料的阶段：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，而且仍将继续下去。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。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。•4．材料的复合化阶段•5．材料的智能化阶段材料的发展史•4．材料的复合化阶段：20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。现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成3乘以3等于9，乃至更大。•5．材料的智能化阶段材料的发展史•5．材料的智能化阶段：自然界中的材料都具有自适应、自诊断合自修复的功能。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。材料的重要性•现代文明三大支柱：信息、能源、材料。•其中材料起决定性作用：•材料对信息科学的重要性——半导体材料•材料对能源的影响——绿色能源（太阳能利用过程中的光电转化材料、氢能利用过程中的储氢材料）•材料对航天航空的影响——很高的比强度和比刚度以及宇航材料的耐超高温•材料对原子能技术的影响——核反应堆一般采用热中子堆，堆心的结构件必须采用锆合金，因为只有锆合金吸收中子的几率比较小，不会扼杀堆内的链式反应。所以，要建设核电工业系统，必须建立锆材料工业。•材料对生物技术的影响——生物医用材料材料是现代文明的基石现代文明生物技术信息技术能源技术材料科学与工程1.2材料科学与材料化学•（一）材料科学的形成w材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于20世纪60年代，1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心，自此开始，“材料科学”一词广泛应用。材料科学的形成是科学技术发展的结果•第一，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研究和了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学等对材料本身的研究也大大加强，从而对材料的制备、结构和性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入，这为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。•第二，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科学都已自成体系，它们之间存在着颇多相似之处，可以相互借鉴，促进本学科的发展。如马氏体相变本来是金属学家提出来的，而且广泛地用来作为钢热处理的理论基础。但在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变现象，并用来作陶瓷增韧的一种有效手段。•第三，各类材料的研究设备与生产手段也有很多相似之处。虽然不同类型的材料各有专用测试设备与生产装置，但更多的是相同或相近的，如显微镜、电子显微镜、表面测试及物理性能和力学性能测试设备等。在材料生产中，许多加工装置也是通用的。研究设备与生产装备的通用不但节约了资金，更重要的是相互得到启发和借鉴，加速了材料的发展。•第四，科学技术的发展的要求。长期以来，金属、高分子及无机非金属材料学科相互分割，自成体系。由于互不了解，习惯于使用金属材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又对其不太了解，不敢问津。相反，习惯于用高分子材料的，也不想用金属材料或陶瓷材料。因此，科学技术发展对材料提出的新的要求，促进了材料科学的形成。•第五，复合材料的发展，将各种材料有机地联成了一体。复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合，通过材料科学的研究，可以对各种类型材料有一个更深入的了解，为复合材料的发展提供必要的基础。材料科学与材料工程的关系w一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。w材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料科学与工程（MSE，MaterialScienceandEngineering）1.2材料科学与材料化学•材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一，涉及的理论包括固体物理学，材料化学1.2.材料科学和材料化学（一）材料科学的内涵材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是材料的组织结构（Structure）和性能（Property）以及它们之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的结构是什么？材料科学：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。材料科学工艺结构性能材料科学研究内容•材料科学研究的本质：组成、结构与性能关系•材料设计原则：组成、结构如何影响性能分子组成宏观结构（晶态、非晶态）物理、机械性能使用性能而分子组成恰恰是材料化学所要研究的内容1.3材料化学专业人才培养及课程成体系的研究•材料化学是一门材料科学与现代化学相结合的新兴交叉的边缘学科。他研究材料制备、加工、性能等的化学问题。材料化学与材料物理、材料工程一起构成材料科学的三块基石。90年代初由复旦大学成立第一个材料化学专业开始，材料化学专业如雨后春笋般在全国许多高等院校相继出现，我院材料化学专业也于2001年正式成立。1国内材料化学专业情况分析•材料化学专业在国内许多高校都有开设，据不完全统计，约90多所，包括北京大学、南开大学、吉林大学、复旦大学、南京大学、南京理工大学、南京工业大学、浙江大学、中国科学技术大学、厦门大学、华侨大学、青岛科技大学、中国地质大学、武汉工业大学、中山大学、四川大学、西北大学、兰州大学等。北京大学材料化学系•建立于1996年,隶属于化学与分子工程学院，主要由无机化学研究所和稀土化学研究中心构成，其中有部分材料化学系人员组成了稀土材料化学及应用国家重点实验室，研究领域主要包括无机功能材料及结构化学、稀土材料化学及应用、纳米材料、高分子材料化学与有机/无机复合材料化学等，重点在材料的分离、合成、表征与结构等基础研究方面复旦大学的材料化学专业•发挥了自身综合性大学的特长，结合了无机非金属材料和高分子材料的内容，本科生毕业颁发理学学士学位。•本专业培养具有系统的化学基础理论及实验技能，掌握高分子材料、无机材料、复合材料和微电子材料方面专业知识，并在科学研究、新材料开发和开拓应用方面受到良好训练的专门人才。。主要专业课程：材料科学基础、材料分析、材料化学、材料物理导论、材料化学与物理实验、高分子化学、高分子材料的结构与性能、复合材料以及微电子材料等。中国石油大学材料化学专业•着重研究与石油化工相关材料的化学问题。中国民航学院材料化学专业•三个专业方向紧扣与航天航空相关材料中的化学问题•纳米功能材料及其应用方向：本方向以纳米材料制备与检测的新理论、新技术研究为重点，具有与民航前沿技术紧密结合的特色。在测定航空润滑油残炭、航空燃料燃烧值等方面取得了新成果。首次用离子注入方法，制备了纳米氙化钠。提出了纳米晶体的叠合生长模型。梁家昌教授为美国纽约科学院成员，是美国《应用物理学报》和《应用物理快报》评审。宋庆功教授2005年被聘为《科学通报》评审。•金属材料表面涂层与工艺方向：本方向以超音速火焰喷涂、等离子喷涂和超音速冷气喷涂为特色，在民用航空维修热障涂层、高温封严涂层、耐磨涂层和尺寸恢复涂层上具备一定的优势。完善了涂层结合强度、结合能、动态内应力等重要涂层性能指标的测试与分析；在超音速火焰喷涂成套设备的研制方面取得了重要成果。•飞机材料腐蚀与防护方向：以研究和解决民用飞机腐蚀的理论和应用技术为特色。方向带头人田秀云教授为国务院特殊津贴专家，她在我国民用飞机腐蚀事故的应急处理、腐蚀问题研究与防护等方面取得了许多有实用价值的成果，解决了许多民航飞行安全和技术中的重大问题，并完成多部飞机腐蚀方面的著作。波音公司等国际飞机腐蚀问题专家在本学科担任兼职教授。江苏工业学院•考虑到苏南地区大约3000家大大小小的涂料企业，和常州作为中国最大涂料生产基地这两个事实，江苏工业学院在材料化学专业正式成立之初，涂料就被列为专业教学与科研的主要方向，并纳入到了材料化学专业教学内容中，充分结合了本地行业发展状况，形成了自己的特色2国外情况分析•在国外来看，特别是发达国家的本科阶段基本上是按照一级学科，比如化学、材料学、化学工程等来安排的，所以基本上没有在本科阶段就开设材料化学这个专业，到了硕士阶段才开始按照不同的方向来划分专业。3天津市材料化学专业情况•在天津市，目前开设材料化学的学校主要有天津城市建设学院、天津大学、南开大学、中国民航学院和天津科技大学。天津大学材料化学专业是在原有材料科学与工程专业的基础上发展起来的，是理工结合的专业，培养学生具备材料科学的基本理论，材料化学的基本知识和基本实验技能，使学生受到科学思维与科学实验方面的基本训练，具备运用化学和材料化学的基本理论和实验技能进行新材料设计和研究开发的能力。南开大学材料化学专业依托原有的化学专业，为以化学为主的理科。我院材料化学的沿革及定位•我院材料化学专业依托于有着传统优势的材料科学与工程专业。材料科学与工程专业，是我校最早设立的专业之一，从设立之初即定位为两个方向：高分子材料和无机材料，而具体研究内容则是紧扣城建学院的特色：与建筑及城市建设相关材料的研究和开发。由于建筑材料以无机非金属材料为主，在很长一段时间内我系材料工程的研究方向也是以无机非金属材料为主。随着社会的发展，高分子材料由于其质轻、高性能及容易成型加工等越来越受到人们的关注，而对传统无机非金属材料的改性很多也涉及到高分子材料和高分子化学的知识。高性能材料的开发及应用更需要对材料结构和性能的关系进行深入了解，因此我院材料化学专业主要着重在高性能高分子材料的研究上。材料化学理论课程体系的基本框架培养目标课程体系设置的主要课程材料的化学背景化学基础无机及分析化学、有机化学、物理化学、结构化学材料化学知识体系背景材料化学基础材料化学导论，材料物理性能，材料表面与界面化学，材料制备科学与技术，材料结构分析，材料化学专业计算机应用高分子材料基础高分子化学，高分子物理，高分子材料成型与加工，高分子材料改性，功