1、,材料化學(xué)導(dǎo)論,化學(xué)專(zhuān)業(yè)指定選修課程,張逢星主講,聯(lián)系電話(huà) ：8302805 E-mail：,西北大學(xué)化學(xué)系,張逢星（1954年9月20日出生） 男 山西臨猗人。教授、博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任化學(xué)系副主任（主管教學(xué)），兼任陜西省化學(xué)會(huì)常務(wù)理事、無(wú)機(jī)化學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任，中科院鹽湖研究編委。主講本科生材料化學(xué)導(dǎo)論、綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究生物理化學(xué)分析等課，指導(dǎo)碩士研究生和博士研究生。作為主要完成人合作出版中級(jí)無(wú)機(jī)化學(xué)、綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)等教材。,主要研究方向?yàn)槲锢頍o(wú)機(jī)化學(xué)和功能分子與材料化學(xué)，參加和主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、省教育廳科研基金以及省和學(xué)校面向21世紀(jì)教改項(xiàng)目和教育部創(chuàng)名牌課程項(xiàng)目近

2、10項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，作為主持人和主要參加人獲陜西省人民政府一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2003）、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)（2001，1995）、中國(guó)科學(xué)院科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（1992），陜西省高?？茖W(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2004）、二等獎(jiǎng)一項(xiàng)（1995），陜西省優(yōu)秀自然科學(xué)論文三等獎(jiǎng)一項(xiàng)（2001）。,主講教師簡(jiǎn)介,課程簡(jiǎn)介,材料已成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的重要支柱，材料科學(xué)與化學(xué)科學(xué)亦日益融合形成了新的化學(xué)分支科學(xué)材料化學(xué)。因之，化學(xué)學(xué)科本科生應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)材料科學(xué)的知識(shí)。為此，為化學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)材料化學(xué)導(dǎo)論課程，旨在從結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)聯(lián)角度介紹無(wú)機(jī)材料的基本概念，深化固體化學(xué)知識(shí)。該課程在化學(xué)系人才培養(yǎng)方案中作為專(zhuān)

3、業(yè)指定選修課程設(shè)立，學(xué)時(shí)40，學(xué)分2。課程以課堂講授為主，輔以習(xí)題解答，同時(shí)也可通過(guò)查閱文獻(xiàn)完成小論文，借以了解材料化學(xué)領(lǐng)域某一方向的最新動(dòng)態(tài)。該課程平時(shí)成績(jī)以課堂聽(tīng)講和完成作業(yè)情況為主，占2030，課程結(jié)束考試采用筆試方式，占8070。,目 錄 第1章 緒論 第2章 完美晶體的結(jié)構(gòu)（復(fù)習(xí)） 第3章 晶體缺陷化學(xué) 第4章 固體的電性質(zhì)與電功能材料 第5章 固體的光性質(zhì)與光功能材料 第6章 固體的磁性與磁性材料 第7章 材料的合成與制備 第8章 沸石、層狀和納米材料,材料化學(xué)導(dǎo)論,1材料的定義、分類(lèi)和作用 1.1材料的定義 國(guó)內(nèi)外3部大型辭書(shū)對(duì)材料的定義： Longman Dictionary：

4、 anything from which something is or may be made。 Oxford Advanced LearnerEnglish-Chinese Dictionary： that of which something is can be made or which something is done。 辭海：人們把自然界經(jīng)過(guò)開(kāi)采而獲得的勞動(dòng)對(duì)象稱(chēng)為原料。自然界自然存在而未經(jīng)過(guò)人類(lèi)任何勞動(dòng)輸入的就不能稱(chēng)為原料。例如，開(kāi)采出來(lái)的礦物是冶金的原料，種植出來(lái)的小麥?zhǔn)侵圃烀娣鄣脑?，單采掘工業(yè)中就沒(méi)有原料。在加工工業(yè)中，一般把來(lái)自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)對(duì)象稱(chēng)為原料，把經(jīng)過(guò)工

5、業(yè)加工的原料（如鋼鐵、水泥）稱(chēng)為材料。材料和原料合成為原材料。 辭海定義可以總結(jié)為：經(jīng)過(guò)人類(lèi)勞動(dòng)而取得的勞動(dòng)對(duì)象稱(chēng)為原料，經(jīng)過(guò)二次加工的原料稱(chēng)為材料。,第1章 材料化學(xué)緒論,上述定義的欠缺及使用不便 共性 3個(gè)定義都指出了： 材料是用來(lái)制作某種物件或完成事情。 差異 兩種英文定義均 未能指出材料使用過(guò)程中本質(zhì)方面的變化。 辭海的定義雖然闡明了原料和材料之間的聯(lián)系和區(qū)別，但也沒(méi)有指出材料在使用中本質(zhì)的變化。 使用這些定義在實(shí)際中帶來(lái)不便： 化工品燒堿(NaOH)？ 按定義應(yīng)是材料，但類(lèi)似不勝枚舉的化工產(chǎn)品都是原料。 來(lái)自采掘工業(yè)的沙石、木材等等？ 按定義似乎應(yīng)是原料，習(xí)慣上將其歸入建筑材料。 思

6、考？食鹽在加工中失去了其原質(zhì)。 燒堿在應(yīng)用于其它化工加工過(guò)程時(shí)，也要失去原質(zhì)。所以，食鹽和燒堿一般都看作是化工原料。原料在加工中一般均失去了原質(zhì)。,怎樣定義材料？ 借助兩個(gè)英語(yǔ)詞組來(lái)說(shuō)明材料的含義： 在英語(yǔ)中，有2個(gè)短語(yǔ)來(lái)表示制造、制成，但其有明顯的區(qū)分： “ made of ” 指構(gòu)成或制成物品后，其物質(zhì)的原質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化； “ made from ” 指構(gòu)成或制成物品后，其物質(zhì)的原質(zhì)已經(jīng)發(fā)生變化，即失去了原質(zhì)。 可以如此來(lái)定義材料： 經(jīng)過(guò)人類(lèi)勞動(dòng)獲得的、在進(jìn)一步的加工過(guò)程中仍然保持原質(zhì)的勞動(dòng)對(duì)象稱(chēng)為材料。 例子：鋼鐵,1.2材料的分類(lèi) 按照材料的化學(xué)屬性可以分為4類(lèi)：,無(wú)機(jī)非金屬材料,有機(jī)

7、高分子材料,黑金屬,有色金屬,金屬材料,單晶形態(tài),多晶形態(tài)。燒結(jié)成型，制陶工藝。 新型陶瓷材料（New Ceramics）或精細(xì)陶瓷（Fine Ceramics）。,以脂肪族或芳香族的C-C共價(jià)鍵為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大分子組成。一般又分為塑料、橡膠和纖維。,復(fù)合材料,金屬、無(wú)機(jī)非金屬和有機(jī)高分子材料有機(jī)結(jié)合,“雜化材料” ：從80年代開(kāi)始，日本理部化學(xué)研究所山田瑛、雀部博之等人，應(yīng)用化學(xué)中“雜化”（hydrid）概念而提出。指兩種以上不同種類(lèi)的有機(jī)、無(wú)機(jī)、金屬材料在原子、分子水平上雜化，從而產(chǎn)生具有新型原子、分子集合結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。這種材料具有許多新性能和用途: 0維：超微粒子 無(wú)機(jī)材料 高分子絡(luò)合物 一

8、維：超取向化 各向異性 高分子材料 雜化 高分子構(gòu)成 二維：超薄膜化 金屬材料 高分子復(fù)體 三維：疊層化 多維、多孔化 構(gòu)造機(jī)制：離子界面消失，完全結(jié)晶化,按材料的性能分類(lèi) 任何材料在使用過(guò)程中都能提供可資利用的某種或某些功能。根據(jù)這些性能可以將材料分為2大類(lèi)： 結(jié)構(gòu)材料（Structural material）：以力學(xué)性能，如受力形變、脆性斷裂和強(qiáng)度等作為應(yīng)用性能，如制造工具、機(jī)器、車(chē)輛用的鋼鐵材料，建筑房屋、橋梁和鐵路用的混凝土材料。這些材料都具有抵抗外力作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能。 功能材料（Functional material）：此概念1965年由美國(guó)貝爾研究所的J

9、.A.Morton博士提出，現(xiàn)已被各國(guó)材料界重視和接受。其定義是：具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及相互轉(zhuǎn)化的性能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。,材料的功能及其示例 熱學(xué)性能熱容、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定； 光學(xué)性能與光的作用、吸光、發(fā)光和透光性； 電學(xué)性能導(dǎo)電、介電和壓電性等； 磁學(xué)性能永磁、硬磁、軟磁等； 化學(xué)性能反應(yīng)性、催化等； 生物功能人造器官、骨骼和牙齒等。 舉例： 彈性材料應(yīng)用力學(xué)性能用于非結(jié)構(gòu)目的屬于功能材料； 結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用力學(xué)性能用于結(jié)構(gòu)目的 屬于結(jié)構(gòu)材料； 普通玻璃應(yīng)用光學(xué)性能用于結(jié)構(gòu)目的 屬于結(jié)構(gòu)材料； 耐 火 磚應(yīng)用熱學(xué)性能用于結(jié)構(gòu)目的 屬于結(jié)構(gòu)材料

10、。,混合分類(lèi) 在一個(gè)體系中同時(shí)使用性能和化學(xué)屬性進(jìn)行分類(lèi)。 有機(jī)電池 分離膜 電極材料 場(chǎng)調(diào)制元件 多孔化（多D） 光集成電路 存貯元件 疊層化（3D） 超薄膜化（2D） 開(kāi)關(guān)元件 新分子構(gòu)成太陽(yáng)能電池 光導(dǎo)性 液晶 超取向化各向異性 （1D） 光電元件 有機(jī)導(dǎo)電材料 熱敏材料 霍爾元件 超 微?；?D） 高分子催化劑 磁體 全息照相存貯器 非線(xiàn)性光學(xué)元件 光學(xué)元件 高分子 絡(luò)合物 高分子 復(fù)合體 雜 化 無(wú)機(jī)材料 高分子材料 金屬材料 圖. 雜化材料的形成與特性,表1.1 混合分類(lèi)法新材料系,1.3.材料在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用 材料是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展、征服自然和改造自然的物質(zhì)基礎(chǔ)。因

11、此，材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的里程碑?？v觀人們利用材料的歷史，可以清楚地看到，每一種重要的新材料的發(fā)展和應(yīng)用，都把人類(lèi)支配自然的能力提高到一個(gè)新水平。材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破都會(huì)引起生產(chǎn)技術(shù)的革命，大大加速社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程，給社會(huì)生產(chǎn)和人們生活帶來(lái)巨大的變化，把人類(lèi)物質(zhì)文明推向前進(jìn)。,復(fù)合材料,鐵器材料,銅器材料,石器材料,現(xiàn)代社會(huì) 原始社會(huì),材料的使用程度是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的里程碑 從人類(lèi)社會(huì)發(fā)展來(lái)看，使用材料經(jīng)歷了三大里程碑： 石器時(shí)代：以石頭制造工具?？梢詣澐譃榕f石器時(shí)代（公元前23百萬(wàn)年至約1萬(wàn)年），從原始部落到母系社會(huì)；中石器時(shí)代（公元前約1萬(wàn)年至78千年）；新石

12、器時(shí)代（公元前78千年至6千年）。這期間，我們的祖先以石器為主要工具，在尋找石器的過(guò)程中認(rèn)識(shí)了礦石，發(fā)明了火，制造了第1種人造材料陶，并在燒陶過(guò)程中發(fā)展了冶銅術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了冶金技術(shù)。 銅器時(shí)代：人類(lèi)大量制造和使用第2種人造材料“紅銅”和“青銅”。 “紅銅”時(shí)代約在公元前45前年，即原始社會(huì)到奴隸社會(huì)初期；“青銅”時(shí)代約在我國(guó)商周時(shí)代和私有制建立的前夜。 鐵器時(shí)代：人類(lèi)制造和使用第3種人造材料鑄鐵，嗣后是鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展,成為18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)。人類(lèi)社會(huì)發(fā)展到20世紀(jì)中葉以來(lái)，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，日新月異，作為發(fā)明之母和產(chǎn)業(yè)糧食的新材料研制更是異?；钴S，出現(xiàn)了稱(chēng)之為聚合物時(shí)代、半導(dǎo)

13、體時(shí)代、先進(jìn)陶瓷時(shí)代和復(fù)合材料時(shí)代等種種提法。在當(dāng)前新技術(shù)革命涉及整個(gè)國(guó)際社會(huì)的浪潮沖擊下，人類(lèi)進(jìn)入了一個(gè)材料革命的新時(shí)代。,材料的發(fā)展過(guò)程 第一代為天然材料 在原始社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)水平低下，人類(lèi)使用的材料只能是自然界的動(dòng)物、植物和礦物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器； 第二代為燒煉材料 燒煉材料是燒結(jié)材料和冶煉材料的總稱(chēng)。人類(lèi)用天然的礦土燒結(jié)磚瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，這些都屬于燒結(jié)材料；從各種天然的礦石中提煉銅、鐵等金屬，則屬于冶煉材料； 第三代材料為合成材料 在20世紀(jì)初期出現(xiàn)了化工合成產(chǎn)品，其中合成塑料、合成橡膠和合成纖維已廣泛地是用于生產(chǎn)和生活中。從1907年第一個(gè)小型酚醛樹(shù)脂

14、廠(chǎng)建立，到1927年第一個(gè)熱塑性聚氯乙烯塑料的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工業(yè)迅猛發(fā)展起來(lái)，這一領(lǐng)域的進(jìn)展經(jīng)歷了新型塑料和合成纖維的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料的工業(yè)化（1970-1980年）、分子設(shè)計(jì)、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等幾個(gè)發(fā)展進(jìn)程；,第四代為可設(shè)計(jì)的材料 該技術(shù)發(fā)展并不滿(mǎn)足于現(xiàn)有的材料，近代出現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際需要去設(shè)計(jì)特殊性能的材料，金屬陶瓷、鋁塑薄膜等復(fù)合材料屬于這一類(lèi)。 第五代為智能材料 智能材料是近三四十年來(lái)研制的一類(lèi)新型功能材料，它們隨時(shí)間、環(huán)境的變化改變自己的性能或形狀，好像具有智能。例如形狀記

15、憶合金就屬于這一類(lèi)。 材料與新技術(shù)革命 新材料的每次使用都引起人類(lèi)社會(huì)的巨大變革和生產(chǎn)力革命。18世紀(jì)以來(lái)世界范圍內(nèi)的生產(chǎn)力變革和技術(shù)革命都以新材料使用為龍頭： 第一次技術(shù)革命產(chǎn)業(yè)革命 始于18世紀(jì)的英國(guó)產(chǎn)業(yè)革命，使得以手工技術(shù)為基礎(chǔ)的資本主義工場(chǎng)手工業(yè)過(guò)渡到采用機(jī)器大生產(chǎn)的資本主義工廠(chǎng)制度。這場(chǎng)工業(yè)革命的物質(zhì)基礎(chǔ)是鋼鐵材料，而伴隨的新技術(shù)則是蒸汽機(jī)的發(fā)明；,第二次技術(shù)革命電氣革命 1879年愛(ài)迪生發(fā)明了電燈，把電力革命的曙光帶給了人類(lèi)，一系列電氣材料相繼誕生與廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的生產(chǎn)力變革； 第三次技術(shù)革命電子革命 20世紀(jì)中葉，新導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料和半導(dǎo)體材料的發(fā)明和應(yīng)用，使大規(guī)模集成塊問(wèn)世

16、，帶來(lái)了計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，以及原子能的利用，大大發(fā)展了生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)； 第四次技術(shù)革命 有人說(shuō)目前正處在第四次技術(shù)革命的前夜。這次技術(shù)革命以信息技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)和生物工程技術(shù)為基礎(chǔ)。亦有人把材料、能源和信息科學(xué)看作是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，而材料科學(xué)技術(shù)稱(chēng)為三大科學(xué)技術(shù)支柱之首。,美國(guó)商業(yè)部對(duì)2000年12項(xiàng)新型技術(shù)的預(yù)測(cè),先進(jìn)材料包括特種陶瓷，陶瓷基和金屬基復(fù)合材料，金屬間化合物與輕合金，先進(jìn)塑料，表面改性材料，金剛石薄膜，膜材料及生物材料等。,2.1材料科學(xué)與材料化學(xué) 材料，包括結(jié)構(gòu)材料和功能材料，絕大多數(shù)屬于固體狀態(tài)，因而材料科學(xué)也就是固體科學(xué)。它是研究材料的成分、結(jié)構(gòu)、加

17、工成性和性能及其轉(zhuǎn)化之間相互關(guān)系的一門(mén)科學(xué)。材料的推出過(guò)程如下： 送至 送至 送至 材料制備 品質(zhì)鑒定 性能測(cè)試 應(yīng)用 為工藝控制提供數(shù)據(jù) 為品質(zhì)鑒定提供數(shù)據(jù) 提供性能的要求,2 材料科學(xué)與材料化學(xué),從材料的推出過(guò)程可以看到，新材料的研制和商品化涉及到許多科學(xué)門(mén)類(lèi)，其中最基礎(chǔ)的學(xué)科有3個(gè)： 固體物理學(xué)：研究構(gòu)成材料的固體的原子、離子及電子運(yùn)動(dòng)和相互作用的一般共性規(guī)律，提出各種模型和理論，以闡明固體的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系； 固體化學(xué)：研究固體材料中具體的各類(lèi)固體物質(zhì)的合成方法、結(jié)構(gòu)和表征、性質(zhì)測(cè)定和應(yīng)用及其相互關(guān)聯(lián)； 材料工程學(xué)：解決如何將固體物質(zhì)制成可以使用的結(jié)構(gòu)材料和器件，使之具有指定的形態(tài)

18、(如纖維、薄膜、陶瓷體、集成塊等)和規(guī)定各種結(jié)構(gòu)和性能，如具有特定的熱、力、光、電、聲、磁、化(學(xué))和生(物)功能。,從新材料研制過(guò)程涉及的3門(mén)科學(xué)的研究對(duì)象可以看出，固體化學(xué)或材料化學(xué)是新材料誕生的搖籃，是材料科學(xué)中的中間鏈節(jié)?；瘜W(xué)是自然科學(xué)中唯一一門(mén)創(chuàng)造新物質(zhì)的科學(xué)。在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)之中，化學(xué)家以結(jié)構(gòu)功能關(guān)系研究為主線(xiàn)，設(shè)計(jì)、合成了許多具有各種功能的分子和物質(zhì)。隨著化學(xué)的發(fā)展，較為完備的合成化學(xué)理論和方法、精確的定性和定量分析，尤其是各類(lèi)結(jié)構(gòu)分析儀器的發(fā)展和應(yīng)用，使得材料化學(xué)科學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的水平，對(duì)新材料的研制和推出起到重要的作用。,2.2材料化學(xué)種基本化學(xué)問(wèn)題 在化學(xué)家參與新材料研制和推出之前，新材料的研制基本上采用各種嘗試法把各種