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材 料 化 学Chemistry of Materials,龚 江 宏清华大学材料科学与工程系,旧石器时代 新石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代,历史学家把某一类材料的特征及其广泛应用作为人类文明史各个阶段的一种标志,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？,材料成为了一个新的独立的科学门类。这个新学科与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，但是具有其独特的鲜明的个性。也正是因为与各个传统科学门类水乳交融，材料学科在不同的场合就被划分成了材料物理、材料化学、材料力学、材料工程学等诸多分支。,本课程所涉及的内容就属于材料化学这一分支。而作为本课程的绪论，这里我们将首先来讨论几个相关的名词：,材料材料科学材料化学,第一章 绪 论,1.1 什么是材料？,材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。师昌绪主编：材料大辞典p.58,材料是“具有一定性能的物质,可以用来制成一些机器、器件、结构和产品”。美国科学院、美国工程院联合编写 材料：人类的需求,材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质,材 料=物 质,Materials=Matter,水是材料？冰是材料？,几乎所有的物质都可以称为是材料,什么样的材料值得我们关注？,并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注,那么下一个问题就是,先来看看材料的发展历史,群居洞穴的猿人通过简单加工获得石器以狩猎、护身和生存；随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织青铜时代大约源于4000 5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。,铁器时代被认为是始于2000多年前，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。,一方面，材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会发展的动力。另一方面，随着社会的发展，科学技术的进步以及自然资源和能源的逐渐减少，人们所关注的、所使用的材料种类也在发生着变化,因此材料的定义可以发展为：,人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质,一个例子,高比强铝合金給 20 世纪的“新”材料带来了第一个突破,比强：比强度，也就是材料的强度与密度之比。具有高强度、低密度的材料无疑具有应用优势。,钢的比强度为：0.64 106 cm铝合金的比强度为：2.64 106 cm 后者是前者的 4 倍，这对于结构材料来说是几千年来的一个飞跃。,铝,铝是一种轻金属，密度 2.7 g/cm3,大约是铁的 1/3。纯铝的拉伸强度只有 48 MPa，只有钢的1/10 左右。因此在早期并未得到重视。Al 在地壳中含量丰富，占 1/12，但主要以 Al2O3的状态存在。18 世纪发现了 Al 元素的存在，1825 年丹麦物理学家 Hans Oersted 第一次成功地提炼出金属铝，但是提炼方法比较复杂，产量很低，使得其价格极为昂贵。,铝曾经比金银还要珍贵,100多年前，为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个比黄金还要贵重的奖杯铝杯，赠送给门捷列夫。法国皇帝拿破仑三世为了显示自己的尊贵，用铝作了一顶头盔，成为轰动一时的新闻。每逢盛大国宴，别人都用银制餐具，而他独自使用一套铝制餐具。,技术的进步让铝走出了首饰店,1886 年，22 岁的美国人 Hall 发明了熔盐电解法制取金属铝，此法投产后，金属铝的产量迅速增长，价格则大幅度下降，从而把铝的大规模生产变成了现实。这个年轻人组成了一个大公司，这就是今天美国美铝公司(Alcoa)的前身。将氧化铝(A12O3)溶解在熔融的冰晶石(Na3AlF6)中进行电解(电解液温度接近 1000)在 上可以找到很多关于铝以及铝合金的信息,美铝的生意是从一把铝壶开始的,从铝壶做起，慢慢延伸到了烹调器具、锡箔纸、电线和电缆。现在，美铝了成为公认的世界上最大的原铝、铝加工产品和氧化铝生产商。美铝的产品广泛的应用于航空航天、汽车、包装、建筑、商业运输以及工业市场。,铝的应用市场的打开,铝的应用市场的打开是从 20 世纪 30 年代开始的。为了提高铝的比强度，当时关于铝的研究有两个热门话题：合金强化 时效硬化,在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成所谓的铝合金以提高 Al 的强度。,把合金强化处理后形成的铝合金加热到一定温度以上进行“熔解处理”，使合金处于均匀的单相状态，然后快速淬火，保持其单相组织。此后再在稍高于室温的温度下加热，使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的强度。,铝合金的出现，大大拓宽了铝的用途,航天飞机、大型客机铝门窗、铝活动建筑铝细粉是一种火箭固体燃料铝 箔铝电缆易拉罐 2000年，光美国就生产了1000亿个铝易拉罐。轻、薄、耐腐蚀。易拉罐上的易拉扣，的确是一项高技术，代表了铝材和铝加工的现代成就。,美国纽约的世界贸易大厦是一个大量使用铝合金贴面的雄伟建筑。可惜已经灰飞烟灭了。,长期以来人们一直认为铝是无毒的，因此用起来很放心。但是医学家经过长期研究后发现，人体摄入过量的铝也会带来危害。由于铝制品的大量使用，特别是铝制品盛放咸的、酸性的或碱性的食物时，其表面的保护膜就会遭到破坏，氧化铝就会被溶解，使人体摄入铝的量增加，日积月累，对健康会产生影响。,友情提示,一般说来，一种材料能否在一个时代引起人们关注、得到广泛使用应该从以下几方面加以分析,资 源 能 源 环 保 经 济 质 量,新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。事实上，每种材料都有其生命曲线,衰退主要是由于社会发展和科学技术进步导致的。,一个新材料的诞生，从实验室研制出样品到工业上的大规模实际使用，大概需要 15 20 年时间。,所谓的“材料科学”的主要研究对象是新材料，或者是想方设法使传统材料获得新生。,石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸盐，分为温石棉和青石棉两种，由于具有结实、抗弯、绝缘、隔热、保温、耐酸碱腐蚀等优点，所以被广泛用于建筑、造船、航天和交通机械中隔热、保温、防火等领域。石棉经过加工后制成的纺织、石棉水泥制品，具有耐磨、绝缘等特点，还可制成防火材料、滤料、填料等。据统计，石棉的各种用途已逾千种。,“夕阳”材料：石棉,近年来的研究表明石棉是一种致癌物质，欧美国家许多癌症的病因，都曾与石棉污染有关。目前这种状况正在向发展中国家转移。据保守估计，今后30年中死于石棉污染者将达到100万，其中大多数是制造含石棉的地板、天花板、屋顶材料、接合剂和自动闸的工人。若进行大规模楼层定向爆破、拆除等工作时，现场附近人员不采取防护措施，也极可能被构成伤害。,“夕阳”材料：石棉,专家估计，全世界每年约有20万人死于与石棉有关的癌症，其中约25死于肺癌，10死于恶性间皮瘤。在欧盟的15个国家中，已有12个禁止使用石棉，沙特阿拉伯也将它列在禁用之列，阿根廷、智利等国也随之仿效。目前美国也不再生产石棉，其石棉使用仅依靠进口。,“夕阳”材料：石棉,钢铁工业在发达国家已进入衰退阶段，原因是有许多新材料来代替钢铁，并且钢铁生产污染环境，他们往往把这些企业放在第三世界国家。钢铁在我国还在成熟阶段，钢铁的需求量很大，不但每年产量有所增加,每年还需进口2000万吨。据估计,我国的钢产量达到12000万15000万吨，才能满足国内市场需要。,“夕阳”材料工业：钢铁,在“911”事件中变成废墟的纽约世贸大厦的数十万吨废钢铁被运往中国和印度，将在那里回炉后重新使用。从这两座 100 多层的双子大厦废墟中回收的钢材数量相当可观，估计多达 40 万吨。,材料中的“常青树”：陶瓷,1.2 材料的分类,按材料的组成分类,金属材料(Metal)钢铁材料、非铁材料、合金有机高分子材料(Polymer)天然的、合成的无机非金属材料(Ceramics)陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷复合材料(Composites),按材料的用途分类,结构材料 支撑件、连接件、传动件、紧固件等 功能材料 磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料、生物医学材料等 结构材料与功能材料的划分并不严格 生物医学材料？,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,材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质,从材料尺度角度分类,三维材料 块体材料二维材料 薄膜、涂层等(金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)一维材料 纤维、晶须等(光导纤维、高强纤维)零维材料 粉 体,1.3 材料科学,20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得大书特书的时期。20 世纪科学技术领域一系列惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有力地促进了材料的发展，使得材料在 20 世纪中叶发生了一次“革命性”的飞跃，这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。,超音速飞机(镍基超级合金)计 算 机(晶体管、半导体)航天飞机(高温结构陶瓷),20 世纪中叶的几项成果,1947 年，在美国新墨西哥州哥西维尔地方，有一艘外星来的宇宙飞船坠毁了。科学家们纷纷云集此地，对这艘飞船进行了全方位的研究，于是地球上就诞生了半导体、光纤、激光器等一系列对当代文明产生了显著影响的新材料。后来美国政府将这艘飞船隐匿起来了,轻松一下,哈哈哈哈！天方夜谭,20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其中的主要内容之一。1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了全球性的材料科学研究。美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料科学作为一个学科对待。,20 世纪 80 年代出现的新技术革命把新材料、信息技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。,美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项以材料为主。同年，美国白宫发布美国国家关键技术项目共6领域22项关键，材料为6领域之一。材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金5项为关键。从1995年至2001年每两年更新一次的美国国家关键技术报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。,20 世纪 80 年代出现的新技术革命把新材料、信息技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。,2001年日本文部省发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟第六框架计划和韩国的国家计划等把功能材料技术列为关键技术之一加以重点支持。我国863高技术发展计划，材料是7个重点之一，重大基础研究攀登计划的30个重大课题中有7个与材料直接有关。,材料涉及的领域极为广泛，举凡国家的工农业建设和国防建设，人民生活水平的提高，无不与材料密切相关。所以材料的科学研究、新产品的开发、工业大生产与合理应用都关系到社会进步、国家安全，因此人们把材料誉为现代文明的三大支柱之一。摘自：师昌绪主编材料大辞典前言,新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。不妨看几个简单的数据,以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比作1，那么小轿车为5，家电为30，飞机为200，计算机为1000，集成电路芯片则为10000。产品中的技术含量越高，收益就越高。2000 年，世界新材料市场销售额达到 4000 亿美元，美国占市场份额 40%，日本占市场份额 20%(预计数据)。据 1982 年统计，美国每年因材料腐蚀造成的直接经济损失为 1260 亿美元。材料断裂和磨损造成的损失分别为 1190 亿和 1000 亿美元。,战后日本经济的迅速崛起，与其政府对材料的高度重视有关。,材料科学与综合国力,二战结束的时候，钢铁仍然是整个世界经济的支柱。意识到必须具有高质量和低成本的钢铁，日本开始大力发展钢铁工业,这一技术政策推动了日本的汽车工业和其他一些主要用钢材的产品，使得日本经济得到了很大的发展。,1970 年以后，日本认识到当今世界已经处于硅时代，因此在保持钢的生产优势的同时，日本瞄准了硅材料，开始大力发展半导体工业，使得家用电器的生产在世界市场中占据了绝对优势。英国此时却忽略了硅时代的到来，由于没有相应的技术政策和战略眼光，其结果是英国有2000 名研究硅材料的科学家流入美国硅谷。1988 年仅在信息技术产品这一项上，英国对日本的贸易赤字就高达 2.2 亿英镑，这还不包括由硅片控制的自动聚焦的照相机之类的产品。,英国人悲哀地说：英国没有硅工业了，英国从第一流的经济大国变为了第二流的经济发达国家，而日本却从第二流的经济发达国家变成了第一流的经济大国，英国的态度恰似一个仍然停留在石器时代的国家，而没有进展到青铜器时代。,新材料在高技术中的应用,几个实例,1982 年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车。它的出现使发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。,1988年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功。液氢的沸点为 253C，携储液氢需要高效率的绝热材料。液氢发动机的使用，则意味着低温极限技术已达到实用化程度。,1989 年日本一艘潜水调查船下潜到6500 米的深海区，打破了美国、前苏联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱使用的是一种高强度钛合金，观察窗使用的是一种新型的有机玻璃。,美国在海湾战争中使用的隐身战斗机所以能隐身，就是使用了一种吸波材料和吸波涂层。,所谓隐形是指不易被雷达或红外线、可见光、声探测等传感器发现。隐形飞机之所以能够隐形，主要是综合采用了隐身外形技术、隐身材料技术、红外线抑制和干扰技术、声波隐身技术以及微电子技术等，具有降低其在雷达屏幕上的特征、压制噪声、减弱飞机红外图像特征、抑制无线电信号传输等性能。,隐形飞机与材料,隐形武器由于其科技含量高，对材料要求苛刻，研制费用异常高。美国的 F-117A 隐形飞机单价 为 1.1 亿美元，B-2隐形轰炸机单价更高达 5.3 亿美元，比与机体等重量的黄金价值还要高。最近，美国又以 4000 亿美元的天价，开始研制一种集“隐形、敏捷、高速”为一体的 F-35 新型隐形战机。,F-117A 战斗机周身几乎全由直线构成，机体表面使用了 6 种不同的雷达吸波涂层材料，大大降低了雷达探测度。经科学家测试，雷达在距离 F-117A 飞机 600 米时，就已完全接收不到它发出的信号。,扬子晚报2001年6月12日报道：西门子公司近日发布消息说，该公司所属的一家研究机构开发出了利用移动电话发射站对付隐形飞机的技术。这家设在英国的研究机构 RMR 研究人员发现，由普通移动电话发射站、全球定位系统以及由计算机连接的若干信号接收器组成的系统，可以用来捕捉隐形飞机。RMR的科学家说，如果隐形飞机飞越某一已部署该系统的地区，移动电话发射站的信号接触飞机后会向四处反射，而接收器接收的反射信号经电脑处理后就能判断出飞机的准确位置。科学家认为，他们开发的技术将使“隐形飞机毫无用处”。,材料科学家的喜讯?,在美国的航天史上发生过三起巨大灾难,1967 年 1 月 27 日：阿波罗号飞船升空时爆炸，三名宇航员遇难1986 年 1 月 28 日：挑战者号航天飞机升空时爆炸，包括一名女教师在内的宇航员全部遇难2003 年 2 月 1 日：“哥伦比亚号”航天飞机在完成 16 天的太空研究任务后，在返回大气层时突然发生解体，机上 7 名宇航员全部遇难,“哥伦比亚号”是航天飞机第一次在即将着陆时发生的灾难。空难发生后，由美国宇航局（NASA）组成了由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组对飞机残骸进行了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验，分析了航天飞机爆炸的原因。“哥伦比亚号”航天飞机的爆炸，震惊了世人，同时也引起了人们对材料的关注，材料分析揭开了哥伦比亚空难之谜。,哥伦比亚空难与材料,这张照片是在哥伦比亚号返回地球的11天前拍摄并传回的，通过哥伦比亚号上随机安装的一架照相机拍摄。,升空时，从燃料箱脚架处掉下的一块隔热泡沫砸到左翼碳碳复合材料面板下半部附近造成裂缝。而后高温热离子流穿过此处，使机翼铝合金、铁基合金、钠基合金结构熔化，导致航天飞机失控、机翼破坏和机体解体。,2005 年 8 月 9 日，美国的“发现”号航天飞机平安着陆。它对于人类今后探索太空、进一步发展载人航天事业具有重要意义。与此同时，美国航天飞机两年半来重返太空的这次首航，在美国航天界、舆论界及民众中引发了对航天飞机探测飞行前景及对载人飞行安全前所未有的关注,材料科学研究的内容,合成与制备Synthesis and Fabrication,结 构Structures,性 能Properties,效能与功能Performance,简而言之，材料科学就是研究各种材料的成分与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现这四个方面之间相互关系的科学。成分与结构、合成与制备加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现是材料科学的四个基本要素。材料科学研究的目的则是在这四个基本要素方面进行不懈地努力，以期使材料的发展更好地为人类社会的进步服务。新方法、新结构、新性能新应用是发展新材料以及材料科学研究的永恒主题。,材料科学研究的一般流程,新材料的发展方向,结构功能的复合化 功能材料的智能化 材料与器件的集成化 制备和使用工程的绿色化,在 3 到 13 世纪，中国保持着一个让西方人望尘莫及的科学知识水平。英国科学家 李约瑟,CHINA越王勾践的宝剑青铜编钟,我国的材料研究,这套编钟是在洛庄汉墓主墓室北面的14号陪葬坑内出土的。编钟出土时排列整齐，可看出当时是挂在架子上埋进去的。难能可贵的是，这套编钟在地下保存得非常完好，出土之后，轻轻擦拭便锃亮如新,形成了一支 40 万人的研究与生产队伍，其中科研人员近 10 万人。研究单位有 300 多个，新材料生产工厂 1000 多个。各类大学有 150 多个与材料有关的专业，毕业生的数量与美国相近。,我国的新材料研究,在光学晶体、有机分离膜、稀土永磁材料、高温超导体、准晶态研究等方面已取得举世瞩目的成绩，但与发达国家相比在总体水平上估计落后 10 年左右。钢材和化工有机合成材料要靠进口，高技术所需的新材料以及引进生产线所用原材料大量依靠国外。,我国的新材料研究,不少研究起步不晚成果不错，但形不成商品及产业。“成果一大片，材料看不见”。国家在新材料研究开发上的总投资估计超过 50 亿元，但形成的新材料生产的产值不大，大大影响了我国工业特别是高技术产业的发展。,我国的新材料研究,落后就要挨打,你们是早晨八、九点钟的太阳，希望寄托在你们身上。,1.4 材料化学,材料中原子、离子或分子的排列方式、不同组成间的化学反应等材料制备工艺过程中的化学问题材料的化学性质以及其他各类性质中的化学因素环境对材料的影响(例如腐蚀),材料化学是材料科学的一个重要组成部分，在化学学科中通常也称为“固体化学”。材料化学介绍的是从化学角度来进行材料科学研究所需要的基本知识。,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。,本课程的内容,材料化学基础知识 材料制备化学,介绍基本概念和基础理论为主，兼顾新材料、新方法。关于新材料、新方法的详细介绍是材料化学(二)的任务。,