材料化学导论
材料化学导论
材料是时代进步的标志
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。
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
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
• 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，Material Science and Engineering）
• 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。
材料化学导论第1章绪论
铜 器 材 料
石 器 材 料
复 合 材 料
ห้องสมุดไป่ตู้
⑴材料的使用程度是人类社会发展的里程碑 从人类社会发展来看，使用材料经历了三大里程碑： 石器时代：以石头制造工具。可以划分为旧石器时代（公元前2~3百 万年至约1万年），从原始部落到母系社会；中石器时代（公元前约1万 年至7~8千年）；新石器时代（公元前7~8千年至6千年）。这期间，我们 的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了矿石，发明了火， 制造了第1种人造材料——陶，并在烧陶过程中发展了冶铜术，开创了冶 金技术。 铜器时代：人类大量制造和使用第2种人造材料——“红铜”和“青 铜”。 “红铜”时代约在公元前4~5前年，即原始社会到奴隶社会初期； “青铜”时代约在我国商周时代和私有制建立的前夜。 铁器时代：人类制造和使用第3种人造材料——铸铁，嗣后是钢铁 工业的迅猛发展,成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。人类社会 发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为发明之母 和产业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半 导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。在当前新技术革 命涉及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个材料革命的新时代。
1.2材料的分类 ⑴按照材料的化学属性可以分为4类： 黑金属 金属材料 有色金属 无机非金属材料 单晶形态 多晶形态。烧结成型，制陶工艺。 新型陶瓷材料（New Ceramics）或精细陶瓷（Fine Ceramics）。 有机高分子材料 以脂肪族或芳香族的C-C共价键为基础结构的大分子组成。 一般又分为塑料、橡胶和纤维。 复合材料 金属、无机非金属和有机高分子材料有机结合
怎样定义材料？
●借助两个英语词组来说明材料的含义： 在英语中，有2个短语来表示制造、制成，但其有明显的区分： “ made of ” 指构成或制成物品后，其物质的原质没有发生变化； “ made from ” 指构成或制成物品后，其物质的原质已经发生变化， 即失去了原质。 可以如此来定义材料： 经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对 象称为材料。 例子：钢铁
材料化学导论
LnxA-μA关系曲线会终止于 A在B中的饱和溶解度处， 要用LnxA=0处外插之后μA 的值，标准状态也变成了 假想标准状态。
4.固体的溶解度
• 固体与液体平衡时溶液中A 的化学势等于固体A的化学
• 物质A的溶解行为取决于固 体A的化学势大小和溶解过
2．课堂讨论 2 3．机动 2（复习及习题解答）
教学过程
1. 后次复习前次概念 2. 本次讲授内容的引入 3. 新教学内容的讲授过程 4. 小结 5. 思考题 6． 作业
教材及教学参考书
1. 《材料化学导论》 席慧智 哈尔滨工业大学出版社 2001 2. 《材料化学导论》 唐小真 高教出版社 1997 3. 《材料化学导论》 丁马太 厦门大学出版社出版 1995年 4. 《材料化学导论》 杨宏秀 高等教育出版社 1997 5. 《Introduction to Materials Chemistry》 Harry R. Allcock
•
P+为标准压力,G+为该压力 下n摩尔理想气体的标准自
•
由能，与压力无关，是温
温度较低时，单位压力气 体的化学势高于液体的化 学势，这时气体凝结；
度的函数
• 高温时则正好相反。
•
当气体压力保持一定时， 单纯理想气体的化学势随
•
温度达到Tb，气体和固体 的两条曲线相交，此时，
温度而变化。单位压力下
Tb温度下单位压力的气体
• 溶体平均每摩尔自由能g为：
2.混合气体化学势 • 把单纯理想气体的化学势表达式中的全压力p换成各成
分的分压，即可得到理想混合气体的化学势。 (理想气体) (对A成分而言)
第一章-材料化学导论
学势。
5．纯物质的蒸发及化学势
气体压力p保持一定时，该气体的 化学势随温度而变化。 单位压力下气体的μg等于μ+，g。 温度较低时，单位压力气体的化学 势高于液体的化学势，这时气体凝 结；高温时则正好相反。
温度达到Tb，气体和固体的两条曲 线相交，此时 μ+, g = μl (1-10)
组分、相和系之间的关系如图1-1所示。
1.1.2 纯物质热力学
1. 纯物质的自由能和化学势 热力学稳定性最基本的概念: 自由能。 纯物质的自由能决定因素： 物质的化学性质，物质数量 ，物质的聚集状态(固体、液 体、气体)，温度和压力。 自由能(G)值越小，物质的状 态越稳定。 设n摩尔物质的自由能为G， 则平均1摩尔的自由能: g = G/n (1-1)
Chapter1 Introduction
16
Examples
Chapter1 Introduction
17
无机非金属材料（Inorganic Materials）
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。
Equations
Fe3C FeO 4Fe CO
Chapter1 Introduction
12
第八世纪的 "Carolingian"剑
东方曲剑" Persian "
Swor ds
土耳其的 "Damascus" 剑
日本剑的锋口部份
Chapter1 Introduction 13
早期：纯粹凭经验工艺。 近现代： 基本化学原理 物质微结构
材料化学导论
材料化学导论
材料化学导论是一门研究材料的物理、化学和结构性质的学科。
它是材料科学的重要基础，涉及到物质的制备、结构和性质的探究、
以及材料在各种应用领域中的应用。
材料化学导论主要包括材料的基
本分类、制备技术、结构和性质等方面的内容。
在材料化学导论中，材料通常可以分为金属材料、无机非金属材
料以及有机材料三类。
金属材料包括纯金属、合金、复合材料等，常
常被用于可靠的结构件、导电部件和传热部件等。
无机非金属材料包
括陶瓷、玻璃、半导体材料等，具有高度的热、电、光学性能，广泛
应用于电子、航空、建筑等领域。
有机材料如塑料、橡胶、纤维素等，具有高度的柔韧性和可塑性，是医药、日用品和纺织品等领域的重要
材料。
在材料的制备技术方面，包括物理和化学制备方法两种。
物理制
备方法主要包括热加工、冷加工、粉末冶金、液相法等，而化学制备
方法则包括溶胶-凝胶法、水热法、气相沉积等。
在结构和性质方面，
材料的微观结构和宏观结构对其性能的影响非常重要。
材料的性能包
括机械性能、物理性能、化学性质、热性能、电性能和光学性能等。
总之，材料化学导论是一门非常重要的学科，它为材料科学的进
一步发展提供了深刻的理论基础和实践指导。
材料化学导论
一．1.何谓冶炼过程？从矿石中提炼金属一般经历那几个过程？答：是指高温下元素的分离和浓缩的过程；1）把矿质粉碎分离，经历筛选获得含有某种金属的高品位精矿，这一过程称为选矿过程；2）对精矿进行高温物理化学处理，提取某种金属（粗金属）的冶炼过程；3）去除粗金属中杂质的精炼、提纯过程。
2.了解熔点、沸点附近纯物质化学势随温度变化的情况？答：化学势随温度上升而降低熔点附近：高温时，液相化学势低于固相化学势，低温相反，在熔点时相等，此时固液两相共存；沸点附近：高温时，液相化学势高于气相化学势，低温相反，在沸点时相等，此时气体液体处于平衡。
3.工业上提炼金属一般有哪几种方法？答：PPT上：1）热分解法2）热还原法3）电解法补充：1）活泼金属：熔岩电解2）以含氧的阴离子或二氧化物存在的：电解或化学还原3）以硫化矿存在的：焙烧使之变成氧化物，然后用热分解或热还原4）容易分解的化合物：热分解法4.金属精炼方法有哪几种？答：1）区域精炼2）挥发精炼和蒸馏精炼3)气相精炼4）电解精炼5.了解锌的精炼，了解挥发精炼与蒸馏精炼的区别。
答：锌的精炼：在粗制锌锭中，含有Pb，Cd，Cu，Fe等杂志。
这些杂志的蒸气压和锌的蒸气压相差很大，可用两端蒸馏法进行精炼。
在第一蒸馏塔内，使Zn，Cd蒸馏，在第二蒸馏塔内对蒸馏后的Zn，Cd进行挥发精炼除去Cd。
挥发精炼：液体中杂质成分B的浓度降低, 而液体A的纯度增高。
蒸馏精炼：分离后气相析出，可提高A的纯度6.基本概念：熔体；区域精炼；气相精炼。
答：熔体：两种或两种以上成分构成的相叫做熔体。
区域精炼：利用溶液中析出固体的现象,使其中一种成分浓缩、富聚的方法叫做区域精炼。
气相精炼：是使挥发性金属化合物的蒸气热分解或还原，而由气相析出金属的蒸发方法。
二．1.在铁的冶炼过程中，在高炉中药加入焦炭，焦炭的作用是什么？答：1）还原剂 2）载热体 3）使熔融的铁赠碳的媒介2.比较炼铁和炼钢的目的和原理。
材料化学导论范文
材料化学导论范文材料化学是研究材料的组成、性质、结构和合成方法的学科。
它是化学学科的一个重要分支，涵盖了无机材料、有机材料和生物材料等不同类型的材料。
材料化学研究的对象包括金属、非金属、聚合物、复合材料等各种不同的材料。
材料化学的发展受益于化学和物理学的进步。
随着化学实验技术的不断提高，人们能够更好地理解材料的组成和结构。
通过分析材料的组成和结构，可以预测材料的性质并进行有针对性的合成。
同时，材料化学还借鉴了物理学的概念和方法，例如材料的能带结构和电子结构的研究，帮助人们更好地理解材料的电学、磁学和光学性质。
材料化学在现代科技领域的应用非常广泛。
它为新材料的开发和应用提供了有力的支持。
例如，在能源领域，材料化学的发展推动了新型电池、锂离子电池和太阳能电池的研究，提高了能源的利用效率。
在信息技术领域，材料化学的研究促进了半导体材料的发展，推动了电子设备的迅速发展。
在医学领域，材料化学的进展有助于新型药物的研发和生物材料的制备，提升了医学诊断和治疗的水平。
材料化学的研究内容包括材料的合成、改性和表征等方面。
材料的合成是指制备具有特定性能的材料的过程。
通过选择适当的合成方法和条件，可以控制材料的组成和结构，从而调控材料的性质。
例如，金属材料的合成可以通过熔融、溶液合成和气相沉积等方法来完成；聚合物材料的合成则可以通过聚合反应来实现。
材料的改性是指对已有材料进行结构或组成的调整，以获得更好的性能。
常见的改性方法包括材料的掺杂、表面修饰和功能组团的引入等。
材料的表征是指对材料进行结构和性能分析的过程。
常用的表征方法包括X射线衍射、电子显微镜、热重分析和光谱分析等。
在材料化学的研究中，要解决的一个重要问题是材料的结构与性能之间的关系。
材料的性能受其组成和结构的影响，而结构又决定了材料的性质。
因此，为了改善材料的性能，必须深入了解材料的结构，并利用结构的优化来实现。
例如，通过控制材料的晶体结构和晶格缺陷的引入，可以改善材料的光学、电学和磁学性能。
材料化学导论知识点汇总
1.材料的进展水平（5代）：天然材料、烧炼材料、合成材料、可设计材料、智能材料。
2.材料的分类（5类）：金属材料、非金属材料、合成材料、复合材料、功能材料。
3.非晶体与晶体的要紧区别：非晶体结构具有长程无序、短程有序的特点，而且非晶体所属的状态属于热力学的亚稳固态。
而晶体的原子平稳位置形成一个平移的周期阵列，这种原子的位置显示生长程序。
4.晶体的宏观特点（4点）：规那么的几何外形、晶面角守恒、有固定熔点、物理性质的各向异性。
5.空间点阵的概念：空间点阵是实际晶体结构的数学抽象，是一种空间几何构图，它突出了晶体结构中微粒排列的周期性这一大体特点。
6.晶体的宏观对称性中心 3种最大体的对称元素：转轴、镜面、反演中心；8种大体对称元素：1、2、3、4、6、i、m、4̅；n度旋转轴：一个晶体若是绕一轴旋转2π/n角度后能恢复，那么称那个轴为n度旋转轴。
7.晶体点阵缺点的分类（4种）：点缺点（①肖特基缺点：原子离开正常晶格的格点位置移动到晶体表面的正常位置，在原格点上留下空位。
②间隙原子：一个原子从正常表面上的位置挤进完整晶格中的间隙位置。
③夫伦科尔缺点：原子离开正常晶体的格点位置而移动到间隙位置，形成空位和间隙原子。
）、线缺点、面缺点、体缺点。
8.位错：①刃位错（是最简单的一种大体类型的位错，是在研究金属的范性中提出的。
它是在滑移面上局部滑移区的边界，且位错的方向与滑移方向垂直；从原子排列的状况来看，就犹如垂直于滑移面插紧了一层原子的刃上）②螺位错（是一种大体类型的位错，可看成是局部滑移区的边界，其特点是位错和滑移的方向是彼此平行的）。
9.固溶体的概念：合金中那些化学成份和晶体结构完全相同，且界面彼此分开又彼此独立存在的均匀组成部份，称为合金相。
合金相又分为固溶相和中间相，其中固溶体又称为混晶，存在着广漠的固溶区范围，同时不符合化合物的定组分定律。
（若是碳原子挤到铁的晶格中去，又不破坏铁所具有的晶体结构，如此的物质成为固溶体）10.奥氏体（不锈钢材料）的概念：组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：910℃以下，为具有体心立方晶格结构的α-铁，而910℃以上为具有面心立方的γ-铁。
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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
• 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。
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• 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。
• 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，Material Science and Engineering）
• 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。
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
• 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。
青铜器（战国）司母戊方鼎
铁器时代
信息时代
制造 工具
认识材 料
工艺 过程
使用工 具
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）。
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。
材料是时代进步的标志
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。
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
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。
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，