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材料化学Chapter1IntroductionMaterialsChemistry1Chapter1IntroductionChapter1Introduction绪论21.1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Chapter1Introduction本章内容3鲨鱼皮泳衣•鲨鱼的皮肤上有一层极为细小的突起状，相当于小型的水囊，能在流动时有序地引导周围的水向同一方向流动，使鲨鱼更舒畅、省力地在水中游弋。•鲨鱼皮泳衣是对采用仿生学原理制造出的竞技用游泳衣的形象称呼。它根据鲨鱼皮的特性制作出来的，主要是性能是减小有用过程中水的阻力。鲨鱼皮泳衣的发展历史第一代鲨鱼皮（2000年）采用纤维模仿鲨鱼皮肤结构，能引导周围的水流，减少水阻力并提高游进速度3%～7.5%。作为鲨鱼皮的代表，这款泳装在悉尼奥运会上风靡全球，有83%的参赛选手选择身穿鲨鱼皮参加比赛。第二代鲨鱼皮（2004年）在第1代的基础上，在面料的表面加上颗粒状的小点，目的是减少30%的水阻整体功能比第1代提升7.5%。2004年的雅典奥运会获得奖牌的运动员中有47人就是穿着这款泳衣登上领奖台的。二代第三代鲨鱼皮（2007年）由防氧弹性纱和特细尼龙纱组成。它的弹性比同类产品高15%，可以减少肌肉振动和能量损耗。在2007年1年时间里，协助世界各国运动员先后21次打破世界纪录。第四代鲨鱼皮（2008年）第4代由极轻、低阻、防水和快干性能LZRPulse面料组成，是全球首套以高科技熔接生产的无皱褶比赛泳装。在近1个月内产生的16项新的世界纪录中，有14项是由选手穿着这款泳衣创造的。美国海军用0.5马力陶瓷发动机广州新电视塔摩天轮的16个“水晶”观光球舱，壳体采用新型高分子材料，晶莹剔透，能保证舱内游客对塔外景色一览无余。美国最新型隐身战斗机F-22使用吸波材料和吸波涂层•Materials：–Substanceshavingpropertieswhichmakethemusefulinmachinery,structures,devicesandproducts.Chapter1Introduction1.1材料与化学MaterialsandChemistry——connectedwithfunctionand,throughthatfunction,utilities.11DistinguishbetweenChemicalsandMaterials•Chemicals：theutilityliesprimarilyintheirconsumption.•Materials:canbeusedrepeatedlyorcontinuouslyforanapplicationthatdoesnotirreversiblyconvertthemtosomethingelse.Chapter1Introduction12MaterialsScience&ChemistryMaterialsScienceandChemistryMaterialsChemistry:Chemistryrelatedtostructure,properties,preparationandapplicationsofmaterials.Chapter1Introduction13材料的发展化学与材料亲密接触的历史人类第一个化学上的发现是火，这是公元前50万年左右的事情。而人类第一次真正有意识地创造发明的自然界并不存在的“新材料”陶器就是在火的帮助下制造出来的。在烧制陶器的过程中人类又还原出了金属铜和锡，发明了炼铜技术，从而把历史推进了青铜器时代。•我国的四大发明中至少有两项是化学和材料的结合体通过蒸煮草木灰把植物中的纤维物质提炼出来制成了纸浆；一硝二磺三木炭的组合则生成了火药。2KNO3+3C+S=N2↑+3CO2↑+K2S+169千卡“一硝二磺三木炭”的原理在抗日战争事情也发挥了巨大的作用。18世纪末分析化学的发展使得人们第一次认识到钢中存在有碳原子，而且碳原子在决定钢的性质方面起着十分关键的作用，从而促使人们开始从材料的组成角度来研究材料。20世纪初开始出现的合成材料就是在有机化学发展的基础上诞生的。元素周期表的发现及其对材料科学的影响•进入到近代后，化学开始有意识地向材料靠拢，并且逐渐地在理解材料的结构和性能方面发挥着越来越重要的作用。现代的材料科学就是一种“炼金术”，它能变魔术般地以90多种元素为原料，从理论研究、应用，到制造成虽然不是金子但是却有可能比金子更为人类所需、更有价值、更加珍贵的新物质。化学家们经过几百年的努力，开发出了许多存在于自然界的天然化合物，同时也制备出了大量自然界所不存在的合成化合物，两者的总和超过了2000万种，其中的一部分已经成为了各种各样的材料，构成了现代文明社会的物质基础。目前全世界的化学家们平均每天研究出7000多种新化合物，为材料的选择提供了丰富的来源。Developmentofmaterials材料的发展的几个阶段材料的发现、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。Chapter1Introduction19①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。早期：三个时代Chapter1Introduction20Pottery→→Pottery新石器时期半山式菱形点纹壶新石器时期马家窑式水纹彩陶钵Chapter1Introduction21ChinaChina康熙黄釉盖罐乾隆茶叶末六连瓶Chapter1Introduction22唐三彩鸳鸯壶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。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。Chapter1Introduction23明掐丝珐琅葫芦式扁瓶橘皮釉Chapter1Introduction24→→Glass现代的水晶玻璃WarringStatesGlassEyeBeadsGlassChapter1Introduction25FigureofmaterialsdevelopmentChapter1Introduction26StoneAgeStoneageChapter1Introduction27MaterialsWoodStoneBonePotterythePaleolithicPeriodtheNeolithicAgeTable1-1DistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAgeDistinguishbetweenthePaleolithicPeriodandtheNeolithicAgeChapter1Introduction28BronzeAgeBronzeageChapter1Introduction29含锡量1/6——韧性好——制造钟鼎含锡量2/5——硬度高——制造刀斧CuSnPbZn第一个合金材料：铜锡合金（青铜）结构与性能的关系AlloyChapter1Introduction30中国古铜镜CoppermirrorsChapter1Introduction31Coppermusicalinstrument战国青铜编钟Chapter1Introduction32IronAgeIronAgeChapter1Introduction33Equations炼铁过程的化学9COC2Fe11CO3Fe3323CO2Fe3COFe32CO4FeFeOCFe3Chapter1Introduction34铸铁锻铁钢铁依含碳量和杂质多少铁和碳的合金Alloysofiron&carbonChapter1Introduction35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SwordsChapter1Introduction36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高性能碳钢和合金钢钢制品精炼工艺技术Chapter1Introduction37钢硅塑料合成材料半导体精密陶瓷复合材料纳米材料……我们现在所处的时代应该称为什么时代？Chapter1IntroductionMetallicMaterialsInorganicMaterialsPolymersComposites按组成、结构特点分1.2材料的分类ClassificationofMaterials39StructuralMaterials——主要利用材料的力学性能FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化学性能按使用性能分按用途分Classificationofmaterials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Chapter1Introduction40金属材料（MetallicMaterials）•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。Chapter1Introduction41ExamplesChapter1Introduction42无机非金属材料（InorganicMaterials）•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。Chapter1Introduction43ArchitecturematerialsChapter1Introduction44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。Chapter1Introduction45(3)ShoesChapter1Introduction46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。Chapter1Introduction47(6)Spaceflightmaterials首架复合材料飞机Chapter1Introduction48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。多功能化、复合化、精细化、智能化Chapter1Introduction49Examples波音公司开发之机体与复合材料JChapter1