南京大學材料化學基礎課件.ppt

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2020 3 31 材料化學 緒論 唐月鋒e Mail yftang Tel 025 83594317 O 13951724707本人南京大學材料化學基礎全套資料QQ 2091958842 1 2020 3 31 緒論 0 1材料科學及其發(fā)展 0 2現(xiàn)代材料及其分類 0 3現(xiàn)代材料化學研究對象及內(nèi)容 0 4現(xiàn)代材料化學參考書 2 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 材料科學工程 是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的四大支柱之一 幾乎每一項重大的科學技術進步都與材料的發(fā)現(xiàn)有著密切關系 現(xiàn)代材料科學發(fā)展的基礎已經(jīng)由過去的宏觀研究發(fā)展進入到微觀分析和研究 用分子 原子 電子的尺度來改變物質(zhì)性質(zhì) 發(fā)展新型材料 3 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 材料化學 材料科學是近40多年來發(fā)展起來的新興學科 隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和理論研究的深入 近年來材料科學又萌發(fā)出一個嶄新的分支 材料化學 一方面 由于材料化學創(chuàng)立不久 其含義和內(nèi)容只初具概念 急需不斷探索和完善 另一方面 由于當今以服務于高科技 現(xiàn)代工業(yè)和國防為主的現(xiàn)代材料或新材料的需求量越來越大 新材料的研制與開發(fā)速度也越來越快 因而涌現(xiàn)出的新概念 新理論 新技術 新方法 新工藝 新產(chǎn)品和新問題越來越需要材料學家和化學家等共同努力來歸納 整理 總結(jié)及創(chuàng)新 從而為新材料的發(fā)展提供完整而系統(tǒng)的理論指導和技術保障 4 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 在人類的生活或生產(chǎn)中 材料是必需的物質(zhì)基礎 是社會進步的里程碑 歷史學家曾將人類的歷史按石器時代 銅器時代等來劃分 從近代科技史來看 新材料的使用對社會經(jīng)濟和科技的發(fā)展起著巨大的推動作用 例如 鋼鐵材料的出現(xiàn) 孕育了產(chǎn)業(yè)革命 高純半導體材料的制造 大大促進了現(xiàn)代信息技術的建立與發(fā)展 先進復合材料和一系列新型超合金材料的開發(fā) 為空間技術的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎 新型超導材料的研制和開發(fā) 將大大推動無損耗輸電 大功率發(fā)電機 磁流發(fā)電以及受控熱核反應堆等現(xiàn)代能源的發(fā)展 可以說人類社會的進步和技術發(fā)展過程中的每一個重大突破 都是以材料為前提的 5 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 20世紀后期以來 人們把材料 信息和能源作為現(xiàn)代社會進步的三大支柱 特別是進人80年代以來 在全球范圍內(nèi)崛起了信息 新材料 新能源 生物 空間和海洋六大技術群體 其中信息技術 新材料技術和生物技術被視為2O世紀末乃至21世紀新技術革命的主要標志 最近 德國FraunhoferInstituteforSystemsandInnovationResearch FISIR 分析了世界各國的發(fā)展計劃 總結(jié)出21世紀初的九大重點領域 它們是 先進材料 納米技術 微電子學 光子學 微系統(tǒng)工程 軟件與計算機模擬 分子電子學 細胞生物技術以及信息 生產(chǎn)與管理工程 6 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 在這九大重點領域中又列出了80個課題 其中屬于先進材料的有24項 在其他領域中也包含著不少與材料直接相關的課題 如納米技術中的納米材料 微電子學中的信息存儲 微電子材料 超導及高溫電子學等 共有27項 因此 在未來技術80個課題中 有關材料方面的課題占60 以上 這充分說明了新材料在未來技術中的重要地位 7 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 工業(yè)發(fā)達國家歷來都把材料的研究和發(fā)展提高到戰(zhàn)略高度來看 把材料作為優(yōu)先發(fā)展的領域 例如 美國早在20世紀50年代由艾森豪威爾總統(tǒng)親自制訂了 國家材料規(guī)劃 經(jīng)過這一規(guī)劃的實施 美國國力大增 美國總統(tǒng)克林頓在1994年提出 技術 經(jīng)濟增長的發(fā)動機 的決策 大力發(fā)展新材料被列為重要內(nèi)容之一 其目的是使美國在國民經(jīng)濟和科學技術方面繼續(xù)保持世界領先地位 日本政府則把新材料技術作為未來的關鍵技術并提出了龐大的研究計劃 西歐的尤里卡計劃等都對新材料的發(fā)展作出了重要 8 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 的安排 其他一些發(fā)達國家也對本國的經(jīng)濟和科技政策進行了調(diào)整 尤其是對新材料的研究和開發(fā)十分活躍 把新材料作為前沿技術來抓 我國黨和政府歷來對材料的研究和開發(fā)都很重視 但在改革開放以前 我國材料研究的重點是為軍工生產(chǎn)服務 民用研究薄弱 改革開放以來 我國材料科學發(fā)展迅速 特別是以民用為目的和以高新技術服務為目的的材料研究受到了普遍重視 江澤民同志在為 現(xiàn)代科學技術基礎知識 一書作的序中 把電子信息 生物技術和新材料稱為當代 一系列高新技術取得重大突破和飛躍發(fā)展的支柱 在國家 九五 規(guī)劃及2010年遠景規(guī)劃中 新材料的研究和開發(fā)已被作為重要項目列入 9 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 材料 一詞是早已存在的名詞 但 材料科學 的提出卻只有40多年的歷史 20世紀60年代以前 材料專業(yè)分別以冶金 陶瓷和有機化學等專業(yè)分設在大學的各個不同系里 這些專業(yè)無疑都是以物理和化學為基礎 如冶金方面提取是以化學為主 但金屬結(jié)構(gòu)與性能以及使用方面的研究則以物理為主 有機合成材料的制備以化學為主 但涉及物性和力學性質(zhì)就偏重物理 陶瓷材料也是如此 因此 這些材料在發(fā)展初期 確實各有特點 學科基礎也各不相同 硬把它們扯在一起 有時會缺乏共同語言 10 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 隨著科學技術的進步和研究工作的不斷發(fā)展 對材料的了解愈加深入 材料的領域也就不斷擴大 除了上述三類材料外 又出現(xiàn)了半導體材料 它們多屬于類金屬 如Si Ge 或?qū)儆诮饘倩衔?如GaAs InSb等 也有屬于陶瓷材料 如SiC等 甚至屬于有機物 還有復合材料 它們既不完全屬于金屬 也不完全屬于有機物或陶瓷材料 而是混合體 如玻璃鋼便是樹脂與玻璃纖維混合后的產(chǎn)物 目前還有正在迅速發(fā)展中的金屬基復合材料與陶瓷基復合材料等 11 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 從科學角度上來看 它們之間確實有不少共同之處 如材料中的界面與表面 晶體結(jié)構(gòu)與微觀缺陷以及材料中的擴散與相變等 材料領域中金屬材料 陶瓷材料 有機高分子材料及復合材料的統(tǒng)一體系的形成勢在必行 另一重要原因是1957年蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星首先被送上天 當時美國朝野上下為之震驚 普遍認為材料落后是重要原因之一 于是在50年代末 美國政府制訂了一個如前面所說 國家材料規(guī)劃 而且自1960年開始 美國調(diào)整了國家和技術投向 在全國范圍內(nèi)相繼建立了十幾個 材料 12 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 研究中心 簡稱MRC 并在不少大學建立了 材料科學系 或 材料科學與工程系 材料研究中心的成立 是把各類材料統(tǒng)一考慮的開始 而 材料科學系 的建立 則是把 材料的整體 視為自然科學的一大分支 于是60年代美國學者首先提出來 材料科學 這個名詞 一個新興的材料科學體系也隨之開始建立 材料科學建立是社會經(jīng)濟與科學技術發(fā)展的必然結(jié)果 事實上 將原來分屬于不同學科的知識入融為一體 形成一個新的學科體系還有多方面的原因 13 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 第一 各類材料的研究理論和方法可以互相借鑒 互相促進 例如 金屬材料中的缺陷類及其行為的理論 各種力學測試方法和指標 都是研究陶瓷材料和有機高分子材料不可缺少的 同樣陶瓷材料的制備方法和高分子材料等在不少方面也為金屬材料的研究與開發(fā)提供了重要的參考 第二 由于對不同類型材料的深入了解 為材料的相互代用及最佳選材創(chuàng)造了條件 例如 當前致力于開發(fā)陶瓷材料以部分代替高溫合金 即所謂的 以陶代鋼 14 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 第三 有利于開發(fā)復合材料 例如 第一代復合材料 玻璃鋼是無機非金屬材料玻璃纖維與有機材料樹脂的復合 金屬基復合材料則主要是指無機非金屬纖維或顆粒 如SiC Al2O3等 增強金屬而成的一類新材料等 第四 不同類型材料所用的研究 制備 生產(chǎn)的裝置和工藝 例如粉末冶金和陶瓷制備工藝 有頗多共同之處 工作原理也很相近 特別是性能與結(jié)構(gòu)的測試設備往往是通用的 即使有的是專用的 但相互之間也有參考價值 而且把不同類型的材料統(tǒng)一考慮 不但可以節(jié)省投資 更重要的是相互借鑒 相互啟發(fā) 能加速材料及材料科學的 15 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 發(fā)展 第五 有利于人才培養(yǎng) 由于拓寬了專業(yè)知識面 使學習材料專業(yè)的青年專家增強了開發(fā)新課題和新產(chǎn)品的能力 材料科學 作為研究各種材料共性規(guī)律的學科 是一門多學科交叉而又相互滲透的新興學科 也可以說材料科學是以固體物理 合成化學 化學熱力學與動力學等為理論基礎 結(jié)合冶金 化工 機械 陶瓷等學科 探討材料的內(nèi)在規(guī)律 制造工藝和應用的科學 它已成為一門覆蓋 16 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 廣而輻射面寬的多學科交叉的新興學科 材料科學的研究內(nèi)容很廣 但主要是研究材料的成分 結(jié)構(gòu) 合成 工藝流程 性質(zhì) 性能 與效能以及它們之間的關系 可以用一個四面體表表示 如圖1 1所示 17 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 材料性質(zhì)或性能取決于材料的成分 組成 和結(jié)構(gòu) 而這些又取決于合成與制造工藝 但性能好的材料 在實際使用條件下不一定符合要求 所以在上述三項之外 又加入了效能這一項 從而構(gòu)成了材料科學的四要素 所謂效能 或稱之為材料的使用性能或效果 是指材料在使用條件下的表現(xiàn) 包括環(huán)境影響 受力狀態(tài) 材料特征曲線 乃至壽命估計等 因此 材料科學是有關材料成分 合成與工藝流程對于材料性質(zhì)與用途的影響規(guī)律的知識與運用 故材料科學又是一門應用基礎科學 18 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 材料科學是正在發(fā)展中的新興學科 其學科特點主要是 l 材料科學是一門多學科交織的前沿學科 是多學科交叉和相互滲透的產(chǎn)物 它不但與物理學 化學及冶金學等有直接關系 也和生物學 如生物材料 仿生材料 地球科學 如礦物材料 有密切關系 特別是與工程科學有著不可分割的關系 2 材料科學是理論與實踐相結(jié)合的產(chǎn)物 這是它與固體物理及固體化學的主要區(qū)別所在 材料通過實驗室的研究工作而得到深入的了解 從而指導材料的發(fā)展和合理 19 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 使用 高性能 高質(zhì)量及低成本的材料只有通過工藝的不斷改進才能實現(xiàn) 材料變?yōu)槠骷虍a(chǎn)品要解決一系列工程技術問題 這都需要理論和實踐的結(jié)合 一方面用理論指導實踐 另一方面通過大量實驗使理論得到進一步發(fā)展 3 材料科學有很寬的研究范圍 它涉及從微觀原子 電子缺陷的規(guī)律與控制到大的器件 從基礎研究到工程應用的廣闊領域 材料科學所包含內(nèi)容大多有比較明確的應用背景和目標 而且隨時間 地點而發(fā)生變化 例如 20世紀80年代初期 超導材料研究在材料科 20 2020 3 31 0 1材料科學及其發(fā)展 學中所占的地位非常有限 而到80年代中期幾乎處于壓倒一切的地位 當前 各類材料中許多熱點都在不斷涌現(xiàn) 隨著科學技術的迅猛發(fā)展 材料科學在21世紀將會得到更大的發(fā)展 21 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 材料的品種極其繁多 形式各異 據(jù)統(tǒng)計 迄今注冊的已達幾十萬種 而且每年還以5 左右的速度繼續(xù)增長 科學工作者根據(jù)材料的組成和結(jié)構(gòu)特點 將其分為金屬材料 無機非金屬材料 簡稱為無機材料 有機高分子材料和復合材料四大類 也可根據(jù)材料的性能特征 將其分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料 還可根據(jù)材料的用途 將其分為建筑材料 能源材料 航空材料和電子材料等 事實上 大多數(shù)材料同時具有幾類材料的部分特征 通常前兩種分類方法使用較多 22 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 金屬材料是以金屬元素為基礎的材料 純金屬的直接應用很少 因此金屬材料絕大多數(shù)是以合金的形式出現(xiàn) 合金即是在純金屬中 有意識地加入一種或多種其他元素 通過冶金或粉末冶金方法制成的具有金屬特性的材料 金屬材料可分為鋼鐵材料和非鐵材料兩大類 金屬材料一般具有優(yōu)良的力學性能 特別是高強度和高塑性的配合 還具有優(yōu)良的可加工性及優(yōu)異的物理特性 金屬材料的性質(zhì)主要取決于它的成分 顯微結(jié)構(gòu)和制造工藝 人們可以通過調(diào)整和控制成分 組織結(jié)構(gòu)和工藝 制造出具有不同性能的各種金屬材料 在近代的物質(zhì)文明中 金屬材料 如鋼鐵 鋁 銅等及其合金 起了關鍵的作用 至今這類材料仍然有著強大的生命力 23 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 無機非金屬材料是指包括除金屬材料和高分子材料以外的幾乎所有的材料 這類材料主要有陶瓷 磚瓦 玻璃 水泥和耐火材料等以硅酸鹽化合物為主要成分制成的傳統(tǒng)無機材料 以及由氧化物 碳化物 氮化物 硼化物等制成的新型無機材料 無機材料具有諸如耐高溫 高硬度 抗腐蝕等優(yōu)異性能 以及優(yōu)良的介電 壓電磁學 光學 電及其功能轉(zhuǎn)換等特性 從而使其成為在所有材料中用量最大的一類材料 被廣泛應用于國民經(jīng)濟各領域 24 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 高分子材料又稱高聚物或聚合物材料 其基本成分是有機高分子化合物 它是一類由一種或幾種分子或分子團 結(jié)構(gòu)單元或單體 以共價鍵結(jié)合成的具有多個重復單體或單元的大分子 其相對分子質(zhì)量高達104 106 它又可以分為天然和合成兩大類 例如 纖維素 蛋白質(zhì)以及天然橡膠和天然樹脂等均屬于天然高分子化合物 合成高分子化合物 又稱合成材料 的種類和品種則比天然的多得多 自高分子學說確立半個多世紀以來 有力地促進了高分子材料工業(yè)的發(fā)展 生產(chǎn)出大批 25 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 的合成高分子化合物 如聚氯乙烯 聚苯乙烯 聚乙烯 聚四氟乙烯 聚甲醛 環(huán)氧樹脂等 它們可制備塑料 橡膠 纖維 涂料或粘合劑 由于這類化合物多以石油 煤炭等為原料 資源豐富易得 因此發(fā)展迅速 加上高分子材料還具有密度小 僅為鋼鐵的l 8 1 7 比強度大 電絕緣性和耐腐蝕性好 加工容易等許多優(yōu)點 所以可部分取代金屬材料及無機材料 目前其應用己遍及衣 食 住 行以至信息 能源 航空航天及國防等各個領域 高分子材料與金屬材料和無機材料一起構(gòu)成工程材料的三大支柱 26 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 復合材料是由有機高分子 無機非金屬或金屬等幾種不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料 它既能保留原組成材料的主要特色 還能通過復合效應獲得原組分所不具備的性能 可以通過材料設計使各組分的性能互相補充并彼此關聯(lián) 從而獲得新的優(yōu)越性能 與一般材料的簡單混合有著本質(zhì)的區(qū)別 復合材料主要分為結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料兩大類 還可分為常用復合材料和現(xiàn)代復合材料兩大類 27 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 隨著社會的不斷發(fā)展 新材料的品種不斷增加 重要性也日益提高 但傳統(tǒng)材料在很多量大面廣的產(chǎn)業(yè)中仍是主要的 英國Ashby有過一個預測 他認為今后幾十年內(nèi) 金屬材料 高分子材料 陶瓷材料與復合材料是四分天下的局面 只是由過去以天然為主走向以合成為主而已 如圖1 2所示 28 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 29 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 現(xiàn)代材料又稱為先進材料或新型材料 是指新近發(fā)展起來的和正在發(fā)展中的 具有一系列優(yōu)異性能和特殊功能 且對科學技術尤其是高技術的發(fā)展及新興產(chǎn)業(yè)的形成具有決定意義的一大類材料的總稱 是相對于傳統(tǒng)材料前言的 新材料是高技術的一部分 同時又為高技術服務 它具有以下特點 l 是多學科交叉 知識密集 技術密集 資金密集的一類新產(chǎn)業(yè) 2 在新材料的設計 制備 質(zhì)量控制及性能測試等 30 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 方面 綜合利用現(xiàn)代的先進科學技術 而某些未來的高新技術的實現(xiàn)往往依賴于新型材料的研制與應用 3 新型材料的生產(chǎn)一般比常規(guī)材料的生產(chǎn)規(guī)模要小 但品種多 更新?lián)Q代快 價格昂貴 技術保密性強 屬于難度較大的產(chǎn)業(yè) 新型材料是新技術發(fā)展的必要物質(zhì)基礎 因此被看成是當代新技術革命的先導 現(xiàn)代材料的種類很多 也可依據(jù)常規(guī)材料的分類方法將其分為 新型金屬材料 先進無機材料 高分子材 31 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 料和現(xiàn)代復合材料四大類 也可根據(jù)材料的性質(zhì) 將現(xiàn)代材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料 今后 結(jié)構(gòu)新材料將向高比強度 高比剛度 耐高溫 耐腐蝕 耐磨損方向發(fā)展 結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合 智能型 能耗少 可再生 少污染 將是材料發(fā)展的總方向 當前最為人們關注的重點有以下幾類 1 光電子信息材料和超導材料美國 高技術 雜志在評價高技術在21世紀的作用時指出 超導產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益 光電子技術變革信息 32 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 社會 人體科學向未來提出挑戰(zhàn) 可見在21世紀 光電子信息材料和超導材料的重要意義 光電子信息材料對滿足國防 計算機 通訊 航天工業(yè)等方面的要求是至關重要的 為此必須大力開發(fā)作為基本材料的超高純玻璃材料 新型半導體材料 先進薄膜以及各種非線性光學和激光材料的研究與應用 目前在這些方面日本居于世界的領先地位 美國光電子技術發(fā)展也很快 由超導材料引發(fā)的超導技術是一項多學科交叉綜合的高技術 自20世紀80年代中期以來 高溫超導材料的研究和開發(fā)一直受到世界各國的重視 在高溫超導材料的研制中 33 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 我國處于世界前沿行列 目前各國都在努力尋找臨界溫度更高 能夠?qū)嶋H應用的超導材料及其制造技術 并在積極開拓應用研究 2 新型金屬材料盡管非金屬新材料發(fā)展迅猛 但金屬材料在21世紀仍將占有重要地位 如高比強度的鈦合金及鎳基高溫合金在現(xiàn)代飛機和發(fā)動機的總質(zhì)量中仍將占很大出例 超高強鋼 超塑合金 超耐熱合金等將仍是工業(yè) 交通和軍工的主要結(jié)構(gòu)材料 永磁合金 超導合金及貯氫合金等將會更加普遍地被應用 許多金屬及合金材料將通過 34 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 新技術 新工藝來提高合金化程度或改變組織 從而大幅度提高材料的性能 開發(fā)新品種 如通過快速冷卻 104 105K s 可使合金成為非晶態(tài)或制得微晶 提高合金化程度 從而使合金得到強化 通過定向結(jié)晶和單晶生長以及對合金成分的設計和微量元素的控制來制得所需的新型合金材料 3 先進無機材料 常稱陶瓷材料 先進陶瓷材料與傳統(tǒng)的陶瓷截然不同 對原料的純度和物理形態(tài)有更嚴格要求 一般要采用化學合成的方法或采用激光 化學氣相沉積 等離子 高分子先驅(qū)體 35 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 轉(zhuǎn)化等新技術 通過嚴格控制的制備工藝才能獲得 每一種先進陶瓷材料都具有特定的精細顯微結(jié)構(gòu)和性能 先進陶瓷可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類 功能陶瓷是利用其絕緣性和介電性以及電性與其他性能 機 聲 光 熱等 之間的耦合和轉(zhuǎn)換功能而發(fā)展成的一大類新材料產(chǎn)業(yè) 占先進陶瓷市場的70 以上 結(jié)構(gòu)陶瓷則具有高強度 耐磨損 耐腐蝕等優(yōu)良性能 在機械 化工 冶金等領域有著重要應用 由于先進陶瓷材料在現(xiàn)代工程和現(xiàn)代技術的應用中起著關鍵作用 對許多裝置和系統(tǒng)來說 先進陶瓷材料或部件是必不可少的 而且應用范 36 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 圍在不斷擴大 因此 國際上對先進陶瓷材料的研究開發(fā)都非常重視 把它列為國家技術發(fā)展政策的重要組成部分 4 新型高分子材料這類新材料可以做到強度比金屬高 更耐腐蝕 而且生產(chǎn)過程中耗能低 成型加工工藝性能良好 成本較低 所以發(fā)展很快 特別是可以根據(jù)需要 通過分子設計選行試制和生產(chǎn) 目前 全世界高分子材料的年產(chǎn)量已達億噸級 其中塑料的產(chǎn)量僅次于鋼鐵 高性能塑料 合成橡膠和合成纖維近年來發(fā)展都非常迅速 它們 37 2020 3 31 0 2現(xiàn)代材料及其分類 在人類生活及國民經(jīng)濟各個領域均得到了廣泛的應用 5 現(xiàn)代復合材料 又稱先進復合材料 是指用高性能增強體 如碳纖維 芳綸等與高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復合材料 后來又把金屬 陶瓷基和碳 石墨 基以及功能復合材料包括在內(nèi) 這類復合材料具有比強度和比模量高 耐熱性和抗疲勞性能好以及熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能 但價格相對較高 主要用于國防工業(yè) 航空航天 精密機械 深潛器 機器人結(jié)構(gòu)件和高檔體育用品等 復合材料通過材料設計和復合效應 將會不斷創(chuàng)造出新穎的品種以滿足現(xiàn)代工業(yè)和科學技術迅猛發(fā)展的需要 38 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學的研究對象與內(nèi)容 在科學技術的發(fā)展過程中 各門學科都有各自的研究對象 即物質(zhì)世界的不同領域和不同層次 也有各自的理論體系 學科內(nèi)容和研究方法 材料科學盡管以物理學和化學為基礎 但是它們之間無論是在研究對象 內(nèi)容和方法等諸方面都有很大差別 尤其是材料科學更著眼于實際應用 事物在不斷發(fā)展 各種學科也在不斷變化 材料科學固然是不同學科相互交叉和滲透的產(chǎn)物 但隨著相關學科如物理學和化學等本身的不斷發(fā)展 新的學科也應運而生 20世紀80年代初先后有人提出 材料物理 和 材料化學 的概念 美國出版的MRSBulletin 39 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學的研究對象與內(nèi)容 Vol 12 No 6中明確指出 材料物理 就是把凝聚態(tài)物質(zhì)的基本概念試圖運用于復雜和多相介質(zhì) 包括材料中的問題 近年來 我國也陸續(xù)出版了凝聚態(tài)物理與材料物理方面的叢書和專著 加上我國的物理和冶金界科技人員介人材料領域較早 因此材料物理學科的建立也就比較成熟和完善 相比之下 材料化學 則是創(chuàng)立不久 其含義和學科內(nèi)容至今尚只初具概念 目前能見到的是國外與材料化學相接近的著作 有美國AnthonyR West的專著 固體化學及其應用 該書對無機固體 有機固體及晶體結(jié)構(gòu) 晶體缺陷 制備方法 固相轉(zhuǎn)變及相 40 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學的研究對象與內(nèi)容 圖和固體的測試鑒定等進行了討論 大部分都涉及材料學科 但全書未提到材料化學的概念 現(xiàn)代材料化學是一門以現(xiàn)代材料為主要研究對象 研究材料的化學組成 結(jié)構(gòu) 電子結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu) 與材料性能和效能之間的關系及其合成 制備 方法 檢測表征 材料與環(huán)境協(xié)調(diào)等問題的科學 現(xiàn)代材料化學的學科內(nèi)容主要包括 1 用結(jié)構(gòu)理論 化學熱力學與動力學等基本原理研究固體 特別是研究實際材料的化學反應性 這是現(xiàn)代材料化學的理論基礎 各類材料的成鍵本質(zhì)與其結(jié)構(gòu)和 41 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學的研究對象與內(nèi)容 性質(zhì)緊密相關 材料組成元素的電子結(jié)構(gòu) 材料的晶體結(jié)構(gòu) 缺陷結(jié)構(gòu) 從能量和過程的觀點研究材料的組織結(jié)構(gòu)及從熱力學與動力學的觀點研究實際材料的化學反應 均是現(xiàn)代材料化學的重要內(nèi)容 2 現(xiàn)代材料制備原理和合成方法的研究仍是現(xiàn)代材料化學的核心內(nèi)容 傳統(tǒng)的金屬材料的熔煉法 無機材料的陶瓷法 高分子材料的聚合法仍然是許多現(xiàn)代材料制備的重要方法 采用高新技術 例如高溫 高壓 低溫 高真空 失重 輻射以及其他極端技術條件 采用新的合成方法和制備工藝 例如Sol Gel法 水熱法 自蔓 42 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學的研究對象與內(nèi)容 延高溫合成法 CVD法及復合技術等 制備各種單晶 多晶及非晶態(tài)材料 制備高分子材料以及液晶和納米材料等 都是現(xiàn)代材料制備化學研究的主要內(nèi)容 在材料科學的發(fā)展過程中 制備技術往往會成為整個新材料研究和開發(fā)的關鍵步驟 因而現(xiàn)代材料制備原理和合成方法的研究也就成為材料科學的核心和研究熱點 3 現(xiàn)代材料性能學研究 包括材料的力學性能 物理性能和化學性能 都是現(xiàn)代材料具有良好使用性能 即效能 和多種用途以及材料壽命和材料保護的根本依據(jù) 現(xiàn)代材料化學重點研究各類材料的化學性能 特別是各 43 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學的研究對象與內(nèi)容 類材料在環(huán)境介質(zhì)中的腐蝕破壞與防護的研究 仍是材料科學及相關科學的重要研究課題 也是關系到保護資源和環(huán)境 節(jié)約材料和發(fā)展新技術等方面的重大問題 4 從現(xiàn)代工業(yè)和高技術發(fā)展需要的角度來分述各類現(xiàn)代材料和重要的常規(guī)材料 包括新型金屬材料 先進無機材料 高分子合成材料和現(xiàn)代復合材料 它們都是現(xiàn)代材料化學研究的對象 由于這部分內(nèi)容龐大 因此 這些介紹都只能是初步的和基礎性的 5 通過對環(huán)境材料和資源化學的初步介紹來研究和探索各類材料與環(huán)境協(xié)調(diào)方面的問題 包括材料的功能 44 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學的研究對象與內(nèi)容 性 經(jīng)濟性和環(huán)境性關系 綠色材料的研制與開發(fā) 廢棄材料和物質(zhì)的無害化與資源化的方法和途徑 以及材料 資源 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的辯證關系 此外 對現(xiàn)代材料的表征技術和方法 材料設計與改性的基本原則以及現(xiàn)代材料的實際應用和發(fā)展趨勢的介紹也是必要的 綜上所述 材料化學是近十年來才創(chuàng)立的材料科學的一個重要分支 又是應用化學的一部分 且有明顯的交叉 邊緣學科的性質(zhì) 現(xiàn)代材料化學則是研究現(xiàn)代材料制備 組成 結(jié)構(gòu) 性能和應用的科學 即現(xiàn)代材料 45 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學的研究對象與內(nèi)容 化學研究的是與新材料有關的問題 因而更具有前沿學科的特點 在整個材料科學發(fā)展中占有極其重要的地位 特別是現(xiàn)代材料的成鍵理論以及制備原理和合成方法的研究 仍是材料科學和新技術領域中最活躍的部分 也是當前的研究熱點 盡管現(xiàn)代材料化學還只初具規(guī)模 只要材料學家和化學家共同努力探索和研究 定能盡快地完善和進一步發(fā)展 隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展 材料研究必將沿著知識技術更加密集化 研究開發(fā)綜合化 學科交叉前沿化以及彼此競爭激烈化的方向發(fā)展 這無疑給現(xiàn)代材料化學的研究展示了無限廣闊的 46 2020 3 31 0 3現(xiàn)代材料化學的研究對象與內(nèi)容 發(fā)展前景 47 2020 3 31 0 4現(xiàn)代材料化學參考書 參考書 TB3 H14 王恩信主編 材料化學原理 東南大學出版社 1997年3月第1版 TB3 H43 劉光華編著 現(xiàn)代材料化學 上?？茖W技術出版社 2000年6月第1版 48 2020 3 31 0 4現(xiàn)代材料化學參考書 49 2020 3 31 0 4現(xiàn)代材料化學參考書 50