【正文】 和合成橡膠等有機(jī)聚合物合成材料 ， 它們質(zhì)地輕巧 、 原料豐富 、 加工簡(jiǎn)便 、 性能良好 、 用途廣泛 ， 其發(fā)展速度大大超過(guò)鋼鐵 、 水泥 、 木材等傳統(tǒng)的三大基本材料 。 近 30年來(lái) ， 相繼出現(xiàn)了金屬玻璃 、 準(zhǔn)晶 、 定向共晶合金 、 微晶 、 低維合金 、 以及納米晶體等一系列從結(jié)構(gòu)到物理力學(xué)性能均特色的新金屬材料 。 材料就大的類別來(lái)說(shuō) ， 可以分為金屬材料 、 非金屬材料 、合成材料 、 復(fù)合材料和功能材料等五類 ， 其中前四類為結(jié)構(gòu)材料 ， 以其所具有的強(qiáng)度為特征被廣泛應(yīng)用；最后一類功能材料 ， 則主要以其所具有的電 、 光 、 聲 、 磁 、 熱等效應(yīng)和功能為特征被應(yīng)用 。 古代：木材 、 竹材 、 土磚 、 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；近代：軟質(zhì)復(fù)合材料（ 各種纖維增強(qiáng)的橡膠 ） 以及硬質(zhì)復(fù)合材料 （ 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂 、玻璃鋼 ） ；先進(jìn)：比強(qiáng)應(yīng)大 ， 比模量高的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 ， 促進(jìn)了航空 、 航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 ， 被公認(rèn)為是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中的重大關(guān)鍵技術(shù)； ?智能材料 近 30年研制出的一些新型功能材料 ， 它們能隨環(huán)境 ， 時(shí)間變化改變自己的性能式形狀 ， 好像具有智能 ，其中形狀記憶合金已嶄露頭角 。 鐵器：春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期開(kāi)始大量使用鐵器 ， 西漢時(shí)期 ， 采用煤為燃料煉鐵比歐州早 1700多年 。 ?燒煉材料 是燒結(jié)材料和冶煉材料的總稱 ， 隨著生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步 ， 人類早已能夠用天然的礦土燒制磚瓦和陶瓷 ， 以后又制擊了玻璃和水泥 ， 屬于燒結(jié)材料 。人類社會(huì)發(fā)展史表明，生產(chǎn)中使用材料性質(zhì)直接反映人類社會(huì)文明水平；每一種重要新材料的發(fā)展和應(yīng)用，都把人類支配自然能力提高到一個(gè)新的水平。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)巨大變化，把人類物質(zhì)文明推向前進(jìn)。 從各種天然礦石中提煉出 Cu、Fe等金屬則屬于冶煉金屬 。 ?合成材料 20世紀(jì)初已出現(xiàn)化工合成產(chǎn)品 ， 其中合成塑料 、 合成橡膠 、 合成纖維已廣泛用于生產(chǎn)生活中 。 智能材料是為 21世紀(jì)準(zhǔn)備的尖端技術(shù) ， 現(xiàn)已成為材料科學(xué)的一個(gè)重要前沿領(lǐng)域 ， 有關(guān)研究及發(fā)展受到人們的很大重視 。 ?金屬材料 金屬材料是最重要的工程材料 （ 包括金屬和以金屬為基的合金 ） ， 最簡(jiǎn)單的金屬材料是純金屬 ， 周期表中金屬元素分為簡(jiǎn)單金屬和過(guò)渡金屬 。 ?非金屬材料 一般無(wú)機(jī)非金屬材料含有 Si及其它元素化合物 ，又稱硅酸鹽材料 ， 包括無(wú)機(jī)玻璃 、 玻璃陶瓷 、 陶瓷三大類 ， 工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的陶瓷又可分為： 普通陶瓷 ：含 SiO Al2O3的硅酸鹽材料； 新型陶瓷 ：為高熔點(diǎn)氧化物 、 碳化物 、 氮化物 、 硅化物等燒結(jié)材料； 金屬陶瓷 ：陶瓷生產(chǎn)方法制取金屬與碳化物或其它化合物的粉沫制品 。 1． 塑料 是合成材料中用量最多的一類 ， 常用于制造機(jī)器零件或構(gòu)件 ， 分為熱塑料和熱固性塑料 。 3． 合成纖維 由單體聚合成強(qiáng)度很高的聚合物 ， 通過(guò)機(jī)械處理獲得纖維材料 。 ? 材料是必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會(huì)進(jìn)步的里程碑； ? 材料是現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步的三大支柱（材料、信息、能源）之一； ? 材料是六大技術(shù)群體（信息、新材料、新能源、生物、空間、海洋）之一； ? 材料是 2021世紀(jì)新技術(shù)革命的主要標(biāo)志（信息技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)）之一； 材料科學(xué)的形成過(guò)程 ? 材料是 21世紀(jì)初世界各國(guó)發(fā)展的九大重點(diǎn)領(lǐng)域（先進(jìn)材料、納米技術(shù)、微電子學(xué)、光子學(xué)、微系統(tǒng)工程、軟件與計(jì)算機(jī)模擬、分子電子學(xué)、細(xì)胞生物技術(shù)以及信息、生產(chǎn)與管理工程）之一；該九大重點(diǎn)領(lǐng)域包括了 80個(gè)課題，其中屬于先進(jìn)材料的有24項(xiàng)，而其它領(lǐng)域中與材料直接相關(guān)的課題有 27項(xiàng)，如納米技術(shù)中的納米材料、微電子學(xué)中的信息存儲(chǔ)、微電子材料、超導(dǎo)及高溫電子學(xué)等，即未來(lái)技術(shù) 80個(gè)課題中，有關(guān)材料方面的課題占 60%以上。 材料科學(xué)的定義 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(guān)系。 效能（材料的使用性能或效果） ? 是一門(mén)多學(xué)科交織的前沿學(xué)科，是多學(xué)科交叉與相互滲透的產(chǎn)物，它不但與物理學(xué)、化學(xué)及冶金學(xué)等有直接關(guān)系，也和生物學(xué)（生物材料、仿生材料）、地球科學(xué)（礦漿材料）有密切關(guān)系，特別是與工程科學(xué)有著不可分割的關(guān)系。 21世紀(jì)，材料科學(xué)會(huì)迅猛發(fā)展！ ? 化學(xué)是認(rèn)識(shí)、控制物體組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的中心科學(xué)，化學(xué)在尋求新材料過(guò)程中將起重要作用。 因此 ， 化學(xué)參與材料科學(xué)是理所當(dāng)然和責(zé)無(wú)旁貸的 。 什么叫“材料化學(xué)”？ ? 用結(jié)構(gòu)理論、化學(xué)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)等基本原理研究固體，特別是研究實(shí)際材料的化學(xué)反應(yīng)性，是材料化學(xué)的理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的金屬材料的熔煉法、無(wú)機(jī)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。 ? 現(xiàn)代材料性能學(xué)研究，包括材料的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)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(hù)的根本依據(jù)。 ?通過(guò)對(duì)環(huán)境材料和資源化學(xué)的初步介紹來(lái)研究和探索各類材料與環(huán)境協(xié)調(diào)方面的問(wèn)題，包括材料的功能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境性關(guān)系，綠色材料的研制與開(kāi)發(fā)，廢棄材料和物質(zhì)的無(wú)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)展的辨證關(guān)系。 特別現(xiàn)代材料的成建理論以及制備原理和合成方法的研究 ， 仍是材料科學(xué)和新技術(shù)領(lǐng)域中最活躍的部分 ， 也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn) 。 元素與材料 ????????無(wú)定形態(tài)結(jié)晶態(tài)液態(tài)固態(tài)氣態(tài)物質(zhì) ? 物質(zhì)可分為無(wú)機(jī)物和有機(jī)物，下面的分類列舉了部分常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物。 在金屬元素和非金屬元素有一條梯形分界線 。 在煉鋼時(shí)加入合金元素可冶煉得到高熔點(diǎn) 、 高硬度 、 耐腐蝕等性能的合金鋼 。 作為半導(dǎo)體材料要求有很高的純度 ， 如 Si、 Ge要求純度達(dá)（ 8個(gè) “ 9” ） 以上 ， 然后用摻雜方法改變半導(dǎo)體的性能 ， 最常用摻雜元素是 P、 As、 Sb、 B等 。 目前工業(yè)上生產(chǎn)高純 Si的方法有三種： ① 三氯硅烷法 （ SiHCl3） ， ② 硅烷法 （ SiH4） ，③ 四氯硅烷法 （ SiCl4） 。 ?精餾提純后的 SiHCl3被高純 H2帶入還原爐中 。 Co2O3 蘭色； Cr 2O3 綠色； MnO2 紫色 Cu2O 紅色 玻璃材料 材料化學(xué)理論基礎(chǔ) 黎學(xué)明 (重慶大學(xué) ) 固體 —晶體與非晶體 ? 固體性與流動(dòng)性 1． 液體固體途徑 1） 不連續(xù)地到晶態(tài)固體 —晶體 （ 經(jīng)常途徑 ） 2） 連續(xù)地到非晶態(tài)固體 —非晶體 （ 冷卻速度足夠大時(shí) ） 2． 晶體與非晶體區(qū)別 非晶體是長(zhǎng)程無(wú)序 、 短程有序 ， 為熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài) 。 ?有固定熔點(diǎn) 在固體熔化過(guò)程中 ， 晶體有固定熔點(diǎn) ， 而非晶體則沒(méi)有 。 如金鋼石與石墨之間；晶態(tài)到非晶態(tài)轉(zhuǎn)化需依靠機(jī)械能作用 （ 月球巖石 ， 隕石 ） 非晶態(tài)與晶態(tài)間的轉(zhuǎn)化 ?空間點(diǎn)陣概念 ?晶體結(jié)構(gòu) =點(diǎn)陣 +基元 點(diǎn)陣矢量 晶體結(jié)構(gòu)周期性 ） ，其中： 為點(diǎn)陣基矢 晶體的微觀結(jié)構(gòu) 321 , aaa ??? 332211 anananR???? ??? 1． 晶向：晶列的方向 沿晶列最近點(diǎn)位移矢量 為晶向 2． 晶面 特征：晶面簇一經(jīng)劃定 ， 所有陣點(diǎn)全部包括在晶面族中而無(wú)遺漏；一族晶面平行且兩兩等距 ， 是空間點(diǎn)陣周期性的必然結(jié)果 。 對(duì)稱元素是對(duì)稱操作所依賴的幾何要素 ， 如點(diǎn) 、 線 、 面等 。 1． 角波數(shù) 以電子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)椴ㄊ阜较? 晶體的能帶理論 hmvk /2/2 ??? ?? zyx KKKK ??? 2．電子動(dòng)能 E與角波數(shù)關(guān)系 拋物線，能量連續(xù) 拋物線，能量不連續(xù) 1） 每一區(qū)域中能量連續(xù) ， 為布里淵區(qū) ， 一個(gè)布里淵區(qū)的值 ， 分布在一個(gè)連續(xù)的帶內(nèi) ， 此帶稱為 能帶 。 能帶理論 ?不能用于有機(jī)聚合物材料的電子運(yùn)動(dòng)軌道的描述； ?不能研究特定物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能間的相互關(guān)系；?不能解決雜質(zhì)態(tài)的電子運(yùn)動(dòng)軌道； ?不能解決非晶態(tài)的電子運(yùn)動(dòng)軌道； ?不能處理固態(tài)表面的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律 。 4． 有序合金中錯(cuò)位 在有序合金中格點(diǎn)位置上原子排列發(fā)生錯(cuò)位 5． 離子晶體中的點(diǎn)缺陷 帶電中心 點(diǎn)缺陷 ?點(diǎn)缺陷是由晶體中的熱漲落現(xiàn)象而自然產(chǎn)生的 ， 其平衡濃度的數(shù)值可由晶體熱力學(xué)的平衡條件中計(jì)得 。 3. 被另一種原子所取代 ?二元化合物非整比化合物晶體 1. 金屬與非金屬的比例大于其化學(xué)計(jì)量數(shù) 2. 金屬與非金屬的比例小于其化學(xué)計(jì)量數(shù) 3. 化學(xué)計(jì)量在兩個(gè)方面出現(xiàn)偏差 ?三元化合物非整比化合物晶體 非整比化合物晶體 位錯(cuò)及對(duì)固體物性影響 刃位錯(cuò) 螺位錯(cuò) ? 晶界的概念 ? 分隔沉積層；擴(kuò)散沉積層；粒狀沉積物 ? 晶界特有的化學(xué)和物理現(xiàn)象 晶界的擴(kuò)散；晶界反應(yīng)機(jī)構(gòu)的控制；晶界的電位；晶界的高電阻現(xiàn)象；晶界的結(jié)合力 晶界及其化學(xué) ?非晶態(tài)材料 晶體原子排列的最主要特征是排列的空間的周期性和對(duì)稱性 ， 即長(zhǎng)程有序 ， X射線衍射結(jié)果為以入射線作軸的一系列明銳同心園環(huán) 。 徑向分布函數(shù)（ RDF） orrg?? )()( ?… 任一原子為中心時(shí) ， r半徑處平均原子密度 … 平均原子數(shù)密度 ?短程有序?qū)嶒?yàn)證明，短程序有明銳峰，長(zhǎng)程序不明顯 ?氣態(tài) g(r)=0 (ra)； g(r)=1 (r≥a) ?液態(tài) r1處出現(xiàn)較大峰（短程有序） ?晶態(tài) 格點(diǎn)位置， g(r)處出現(xiàn)極明銳的峰；格點(diǎn)以外， g(r)=0 ?非晶態(tài) 與液體相似，短程序比液態(tài)更明顯，第二峰常分裂為二個(gè)小峰 ?在非晶態(tài)材料結(jié)構(gòu)中存在短程序 ， 同時(shí)測(cè)出短程序的范圍通常為 ~。 2． 無(wú)規(guī)密堆硬球模型 假設(shè)：原子為不可壓縮硬球 ， 通過(guò)無(wú)規(guī)密堆積使原子盡可能緊密地堆積 ， 在結(jié)構(gòu)中沒(méi)有容納另一個(gè)硬球的空間 ， 同時(shí)硬球排列也是無(wú)規(guī)則的 。 ?連續(xù)相變 1． 與一階相變相此 ， 無(wú)兩相共存 ， 有液滴或花斑存在； 2． 花斑均勻性 。 5． 擴(kuò)散速度對(duì)晶體生長(zhǎng)速度影響 6． 相變速度 ????? 總GT 0 ?兩個(gè)微觀層次 大分子鏈的結(jié)構(gòu) ， 分近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)兩種 。 ?化學(xué)組成不同 ， 共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)和鍵能也不同 。 是次價(jià)力 ， 大小比主價(jià)力小得多 ， 只為其 1%~10%。 如 分子間力較小 時(shí) ， 分子鏈運(yùn)動(dòng)自由 ， 是彈性好的橡膠材料； 分子間力較大 ， 鏈運(yùn)動(dòng)受阻 ， 為強(qiáng)度較硬的塑料； 分子間力很大 ， 分子排列規(guī)則 ， 使高聚物強(qiáng)度很高 ， 是纖維材料 。 另外 ， 主鏈側(cè)基的有無(wú)和大小 、 性質(zhì)等 ， 也影響分子間力大小和分子排列的規(guī)整程度 。 在兩種以上單體的共聚物中 ， 連接的方式是無(wú)規(guī)共聚 、 交替共聚 、 嵌段共段 、 接枝共聚 。 全同立構(gòu)和間同立構(gòu)的高聚物容易結(jié)晶 ， 是很好的纖維材料和定向聚合材料；無(wú)規(guī)立構(gòu)的高聚物很難結(jié)晶 ， 缺乏實(shí)際使用價(jià)值 。 支化型高分子 在大分子主鏈上接有一些或長(zhǎng)或短的小支鏈 ， 整個(gè)分子呈枝狀 ， 如高壓聚乙烯 。 由于整個(gè)高聚物是一個(gè)由化學(xué)鍵固結(jié)起來(lái)的不規(guī)則網(wǎng)狀大分子 ， 所以非常穩(wěn)定 ，不能在溶劑中溶解 ， 也不能加熱熔融 ， 具有較好的耐熱性 、 難溶性 ， 尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度 ， 但彈性 、 塑性低 ， 脆性大 ， 因而不能塑性加工 ， 成形加工只能在開(kāi)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行 。 每個(gè)單鍵都有一定的鍵長(zhǎng)和鍵角 ， 并且能在保持鍵長(zhǎng)和鍵角不變情況下任意旋轉(zhuǎn) ， 即為單鍵內(nèi)旋 ， 每一個(gè)單鍵可以圍繞其相鄰單鍵按一定角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 。 由于單鍵內(nèi)旋引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象 ， 稱為大分子鏈的構(gòu)象 。 內(nèi)旋完全自由時(shí) ， 柔順性最好 。 主鏈中含有芳雜環(huán)時(shí)使其不能內(nèi)旋 ， 柔順性很低 ， 而剛性較好 ， 能耐高溫 。 如聚丙烯腈 、 聚氯乙烯和聚丙烯中取代基相應(yīng)為 –CN、–Cl和 –CH3， 極性依次減小 ， 所以柔順性依次增大 。 對(duì)稱分布使主鏈間距離增大 ， 有利于內(nèi)旋 ， 所以柔順性增大 。 大分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 2． 晶態(tài)高聚物結(jié)構(gòu) 結(jié)晶高聚物有 PE、 PTFE及聚偏二氯乙烯等 ， 其結(jié)晶度一般為50~80%， 因此 ， 晶態(tài)高聚物的實(shí)際上為兩相結(jié)構(gòu) ， 即晶區(qū)與非晶區(qū) ， 晶區(qū)和非