第一讲第一章绪论材料化学导论教案第1章绪论【目的要求】通过本课程的学习，使学生掌握材料化学的概念，了解材料科学的分类、特点，材料化学的主研究要内容。通过分析当前材料科学的研究热点，培养学生了解和认识材料化学，增强对该门课程乃至该专业的兴趣，提高学生的学习积极性。【重点】材料化学的概念；材料科学的分类和特点；材料化学的研究对象和主要内容。【难点】材料化学的主要研究内容；当前研究的热点。【本讲课程的内容】1.1材料化学材料化学是与材料相关的化学学科的一个分支。材料化学正是这两者结合的产物，它是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学。跨学科性材料化学的特点实践性1.2材料科学的发展概况从古至今，人类使用过的材料千千万万、形形色色，若按材料的发展水平进行归纳，材料的发展可分为五代。第一代：天然材料石头是人类采用的第一种材料，人类历史的最早时期因此而被命名为“石器时代”。整个旧石器时代都以打制石器作为标志。打制石器由简单、粗大，向规整、细小发展，石器的种类不断增多。新石器时代标志为陶器和农业的出现。第二代：烧炼材料在大量地烧制陶瓷的实践中，人类熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术从各种天然矿石中提炼出铜及其合金、青铜和铁等冶炼材料。铜是人类社会最早出现的金属，它使人类社会从新石器时代转入到青铜时代。距现在约2400年1PDF檔案使用"pdfFactory"試用版本建立www.pdffactory.com
第一章 绪论 材料化学导论教案 第一讲 1 第 1 章 绪论 【目的要求】通过本课程的学习，使学生掌握材料化学的概念，了解材料科学的 分类、特点，材料化学的主研究要内容。通过分析当前材料科学的研究热点，培 养学生了解和认识材料化学，增强对该门课程乃至该专业的兴趣，提高学生的学 习积极性。 【重 点】材料化学的概念；材料科学的分类和特点；材料化学的研究对象和 主要内容。 【难 点】材料化学的主要研究内容；当前研究的热点。 【本讲课程的内容】 1.1 材料化学 材料化学是与材料相关的化学学科的一个分支。材料化学正是这两者结合的 产物，它是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学。 ì í î 跨学科性 材料化学的特点 实践性 1.2 材料科学的发展概况 从古至今，人类使用过的材料千千万万、形形色色，若按材料的发展水平进 行归纳，材料的发展可分为五代。 第一代：天然材料 石头是人类采用的第一种材料，人类历史的最早时期因此而被命名为“石器 时代”。整个旧石器时代都以打制石器作为标志。打制石器由简单、粗大，向规 整、细小发展，石器的种类不断增多。新石器时代标志为陶器和农业的出现。 第二代：烧炼材料 在大量地烧制陶瓷的实践中，人类熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技 术从各种天然矿石中提炼出铜及其合金、青铜和铁等冶炼材料。铜是人类社会最 早出现的金属，它使人类社会从新石器时代转入到青铜时代。距现在约 2400 年 PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com
第一章绪论材料化学导论教案第一讲前的春秋战国时期，我国人民已经掌握了炼铁技术，用铁作为材料来制做农具。18世纪，以钢铁为中心的金属材料大规模发展。显然，早期文明的发展中，金属是最有影响力的材料，而化学则与这些材料的生产密切相关。从铁的冶炼中，我们可以体会化学在材料生成中所起的作用。不同于金和铜，在自然界中很难获得单质的铁，而必须通过化学方法从铁矿石（氧化铁)中提炼得到。把赤铁矿（Fe2O3）与碳一起加热，发生如下反应：3Fe,O,+11C=2Fe,C+9COFe,O,+3C=2Fe+3COFe3C称为渗碳铁，质硬而脆，纯铁则是较软且有延展性。这两者形成复合材料，也就是所谓的碳钢，也简称钢。化学的发展往往导致材料技术的实质性进步。在新材料的研发和材料工艺的发展中，化学一直担当者关键的角色。20世纪初出现的合成高分子就是最好的例子。第三代：合成材料作为天然有机聚合物，木材和其他植物纤维是人类最早使用的材料之一。化学对实用合成高分子材料发展的首次重要影响出现在1839年，当时美国人查尔斯。古德伊尔发现把天然橡胶与硫磺一起加热，可改善其弹性，减小粘性。第二次世界大战后，各国对材料提出质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。因此，具有优异性能的工程塑料、合成纤维、合成橡胶应运而生，涂料和胶粘剂等合成材料都得到相应的发展和应用。第四代：设计型材料所谓设计型材料，即化学家和材料科学家采用新的物理、化学方法，根据实际需要设计出具有特殊性能的材料。第五代：智能材料近几十年来研究出的智能材料，其性能随着时间和空间条件的变化而变化。它能适应环境，接受外界环境的调节，而且不需要通过计算机和电子技术，仅依靠材料自身的性质来实现自我调节、自我诊断、自我复原。1.3材料科学分类及其特点1.3.1世界各国对材料的分类2PDF檔案使用"pdfFactory"試用版本建立wwW.pdffactory.com
第一章 绪论 材料化学导论教案 第一讲 2 前的春秋战国时期，我国人民已经掌握了炼铁技术，用铁作为材料来制做农具。 18 世纪，以钢铁为中心的金属材料大规模发展。 显然，早期文明的发展中，金属是最有影响力的材料，而化学则与这些材料 的生产密切相关。从铁的冶炼中，我们可以体会化学在材料生成中所起的作用。 不同于金和铜，在自然界中很难获得单质的铁，而必须通过化学方法从铁矿石(氧 化铁)中提炼得到。把赤铁矿（Fe2O3）与碳一起加热，发生如下反应： 2 3 3 3Fe O +11C=2Fe C+9CO F 2 3 e O +3C=2Fe+3CO Fe3C 称为渗碳铁，质硬而脆，纯铁则是较软且有延展性。这两者形成复合 材料，也就是所谓的碳钢，也简称钢。化学的发展往往导致材料技术的实质性进 步。在新材料的研发和材料工艺的发展中，化学一直担当者关键的角色。20 世 纪初出现的合成高分子就是最好的例子。 第三代：合成材料 作为天然有机聚合物，木材和其他植物纤维是人类最早使用的材料之一。化 学对实用合成高分子材料发展的首次重要影响出现在 1839 年，当时美国人查尔 斯。古德伊尔发现把天然橡胶与硫磺一起加热，可改善其弹性，减小粘性。第二 次世界大战后，各国对材料提出质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。因 此，具有优异性能的工程塑料、合成纤维、合成橡胶应运而生，涂料和胶粘剂等 合成材料都得到相应的发展和应用。 第四代：设计型材料 所谓设计型材料，即化学家和材料科学家采用新的物理、化学方法，根据实 际需要设计出具有特殊性能的材料。 第五代：智能材料 近几十年来研究出的智能材料，其性能随着时间和空间条件的变化而变化。 它能适应环境，接受外界环境的调节，而且不需要通过计算机和电子技术，仅依 靠材料自身的性质来实现自我调节、自我诊断、自我复原。 1.3 材料科学分类及其特点 1.3.1 世界各国对材料的分类 PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com
第一讲第一章绪论材料化学导论教案材料可以从不同角度分类：①根据材料的组成和结构特点，可分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料（聚合物）和复合材料。②根据材料的特性和用途，可分为：结构材料和功能材料。③根据材料内部原子排列情况，可分为：晶态和非晶态材料。④根据材料的热力学状态，可分为：稳态和亚稳态材料。③根据材料尺寸，可分为：一维（纤维及晶须）、二维（薄膜）和三维（大块）材料。③根据材料的用途，可分为：建筑材料、能源材料、航天材料、电子材料等等1.3.2材料科学领域中材料的分类材料科学一般将材料分类为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。（1）金属材料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。金属的许多特性都可归因于这些离域电子，例如良好的导电导热性、抛光表面的反光性、金属光泽、延展性、塑性等。（2）无机非金属材料无机非金属材料包括的范围极广，包括陶瓷、玻璃、水泥等化合物材料以及一些由无机元素组成的单质材料如单晶硅、金刚石、石墨。（3）高分子材料高分子材料包括天然高分子材料和合成高分子材料。木材、天然橡胶、棉花、动物毛发等属于大然高分子材料。合成高分子材料主要有塑料、合成纤维、合成橡胶三大类，此外还有涂料和胶粘剂等。（4）复合材料复合材料是指由两种或两种以上的材料按一定方式组合而成的，具有单一材料所不能获得的优良特性或功能的材料。复合材料的品种按基体材料来分就有树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等几大类，其中树脂基复合材料在复合材料中占主要地位。3PDF檔案使用"pdfFactory"試用版本建立www.pdffactory.com
第一章 绪论 材料化学导论教案 第一讲 3 材料可以从不同角度分类： ① 根据材料的组成和结构特点，可分为：金属材料、无机非金属材料、有 机高分子材料（聚合物）和复合材料。 ② 根据材料的特性和用途，可分为：结构材料和功能材料。 ③ 根据材料内部原子排列情况，可分为：晶态和非晶态材料。 ④ 根据材料的热力学状态，可分为：稳态和亚稳态材料。 ⑤ 根据材料尺寸，可分为：一维（纤维及晶须）、二维（薄膜）和三维（大 块）材料。 ⑥ 根据材料的用途，可分为：建筑材料、能源材料、航天材料、电子材料 等等 1.3.2 材料科学领域中材料的分类 材料科学一般将材料分类为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和 复合材料四大类。 （1）金属材料 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。金属的许多特性都可归因于这些离域电子，例如良好的导电导热性、抛光表 面的反光性、金属光泽、延展性、塑性等。 （2）无机非金属材料 无机非金属材料包括的范围极广，包括陶瓷、玻璃、水泥等化合物材料， 以及一些由无机元素组成的单质材料如单晶硅、金刚石、石墨。 （3）高分子材料 高分子材料包括天然高分子材料和合成高分子材料。木材、天然橡胶、棉 花、动物毛发等属于天然高分子材料。合成高分子材料主要有塑料、合成纤维、 合成橡胶三大类，此外还有涂料和胶粘剂等。 （4）复合材料 复合材料是指由两种或两种以上的材料按一定方式组合而成的，具有单一 材料所不能获得的优良特性或功能的材料。复合材料的品种按基体材料来分就有 树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等几大类，其中树脂基复合 材料在复合材料中占主要地位。 PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com
材料化学导论教案第一讲第一章绪论1.3.3材料的发展材料研究的方向是充分利用和发掘现有材料的潜力，继续开发新材料，以及研究材料的再循环（回收）工艺。新材料的特点：①具有特殊性能，如超高强度、超高硬度、超塑性，以及各种特殊物理性能，如磁性、超导性。②制备和生产技术和新技术、新工艺紧密相关。③更新换代快，式样多变。④新材料的发展与材料理论的关系比传统材料更密切。1.4材料科学与工程四要素材料科学的任务：研究材料的组成和结构、合成与生产过程、性质和使用效能的关系。①组成和结构：包括用肉眼或低倍放大镜观察到的宏观组织，用光学或电子显微镜观察到的微观组织，用场离子显微镜观察到的原子像，以及原子的电子结构。②合成与生产：包括材料的制备、加工、后处理在内的各项生产工艺。③性质：包括物理性能、化学性能，以及冶金和加工性能等工艺性能。④使用效能：包括材料的应用效果和反响。1.5当前材料科学的研究热点光电子信息材料和超导材料→新型金属材料●先进无机非金属材料新型高分子材料→先进复合材料→纳米材料1.6料化学的研究对象和主要内容4PDF檔案使用"pdfFactory"試用版本建立www.pdffactory.com
第一章 绪论 材料化学导论教案 第一讲 4 1.3.3 材料的发展 材料研究的方向是充分利用和发掘现有材料的潜力，继续开发新材料，以及 研究材料的再循环（回收）工艺。 新材料的特点： ① 具有特殊性能，如超高强度、超高硬度、超塑性，以及各种特殊物理性 能，如磁性、超导性。 ② 制备和生产技术和新技术、新工艺紧密相关。 ③ 更新换代快，式样多变。 ④ 新材料的发展与材料理论的关系比传统材料更密切。 1.4 材料科学与工程四要素 材料科学的任务：研究材料的组成和结构、合成与生产过程、性质和使用效 能的关系。 ①组成和结构：包括用肉眼或低倍放大镜观察到的宏观组织，用光学或电子 显微镜观察到的微观组织，用场离子显微镜观察到的原子像，以及原子的电子结 构。 ② 合成与生产：包括材料的制备、加工、后处理在内的各项生产工艺。 ③ 性质：包括物理性能、化学性能，以及冶金和加工性能等工艺性能。 ④ 使用效能：包括材料的应用效果和反响。 1.5 当前材料科学的研究热点 u 光电子信息材料和超导材料 u 新型金属材料 u 先进无机非金属材料 u 新型高分子材料 u 先进复合材料 u 纳米材料 1.6 料化学的研究对象和主要内容 PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com
第一讲第一章绪论材料化学导论教案材料化学的主要研究内容包括：（1）采用新技术和工艺方法制备新材料所谓的新材料，是采用新的制造技术，把金属、无机物或有机物等材料单独加工或组合在一起，使之产生出具有新的性能、功能和用途的材料。（2）材料组成和微观结构的表征采用现代化的研究方法和分析手段研究物质的组成、结构与性质、性能的关系，为材料的改性和新材料的制备提供依据。（3）材料性能的测试材料应用的依据或基础是它们的一般物理性能和特殊的物理性能（如光、电、磁等功能）。材料的这些宏观性能取决于它们的微观结构特征。通过对材料性能的测试和分析研究，才能了解材料的结构与它们物理性能之间的关系，为材料的开发和应用提供依据。综上所述，材料是一切科学技术的物质基础，而各种材料主要来源于化学制造和化学开发，材料化学在材料科学的发展中诞生和成长，并在整个科学技术体系中占有特别重要的位置。因此，材料化学既是化学的一个分支，又是材料科学的一个重要组成部分。【本讲课程的小结】本讲课主要介绍了（1）材料化学的特点；（2）材料科学的发展概括：（3）材料科学的分类和特点：（4）材料科学与工程四要素；（5）当前材料科学的研究热点（6）材料化学的主研究要内容。【本讲课程的作业】【本讲课程的思考题】5PDF檔案使用"pdfFactory"試用版本建立www.pdffactory.com
第一章 绪论 材料化学导论教案 第一讲 5 材料化学的主要研究内容包括： （1）采用新技术和工艺方法制备新材料 所谓的新材料，是采用新的制造技术，把金属、无机物或有机物等材料单独 加工或组合在一起，使之产生出具有新的性能、功能和用途的材料。 （2）材料组成和微观结构的表征 采用现代化的研究方法和分析手段研究物质的组成、结构与性质、性能的关 系，为材料的改性和新材料的制备提供依据。 （3）材料性能的测试 材料应用的依据或基础是它们的一般物理性能和特殊的物理性能（如光、电、 磁等功能）。材料的这些宏观性能取决于它们的微观结构特征。通过对材料性能 的测试和分析研究，才能了解材料的结构与它们物理性能之间的关系，为材料的 开发和应用提供依据。 综上所述，材料是一切科学技术的物质基础，而各种材料主要来源于化学制 造和化学开发，材料化学在材料科学的发展中诞生和成长，并在整个科学技术体 系中占有特别重要的位置。因此，材料化学既是化学的一个分支，又是材料科学 的一个重要组成部分。 【本讲课程的小结】本讲课主要介绍了（1）材料化学的特点；（2）材料科学的 发展概括；（3）材料科学的分类和特点；（4）材料科学与工程四要素；（5）当前 材料科学的研究热点（6）材料化学的主研究要内容。 【本讲课程的作业】 【本讲课程的思考题】 PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com