第一章材料科學基礎(chǔ)簡述第一節(jié)材料歷史—產(chǎn)生、發(fā)展與應(yīng)用其次節(jié)材料的類別第三節(jié)高分子材料的發(fā)展歷程及新動向1美英材料學家把當今廣泛運用的材料分為十類，以金屬、高分子與陶瓷作為材料基礎(chǔ)供應(yīng)各類運用要求的材料領(lǐng)域。材料間有親密聯(lián)系，有很多基礎(chǔ)共性。2345氣化轉(zhuǎn)化甲醇煤炭

CO、CO2、H2甲醛醋酸MTBE二甲醚甲烷氯化物MTOMTP聚甲醛、多聚甲醛、酚醛樹脂、脲醛樹脂、氨基樹脂、季戊四醇、新戊二醇、三羥甲基丙烷、烏洛托品、MDI等。醋酸酯、醋酸乙烯、聚乙烯醇、氯乙酸、醋酸酐、醋酸纖維素、PTA等。油品添加劑，提高辛烷值聚乙烯、環(huán)氧乙烷/乙二醇、苯乙烯/聚苯乙烯、聚氯乙烯、醋酸乙烯、乙丙橡膠、EVA樹脂等。聚丙烯、環(huán)氧丙烷/丙二醇、聚醚多元醇、苯酚丙酮、丁辛醇、丙烯酸及酯、乙丙橡膠、異丙醇、丙烯腈、丙烯酰胺等。氣霧劑、民用燃料和車用燃料（代替柴油）。甲醇燃料甲醇蛋白MMA/DMT車輛代用燃料等。畜禽飼料蛋白等。有機玻璃、MBS、涂料、PET樹脂等。焦爐氣甲醇制氫生產(chǎn)加氫產(chǎn)品等。甲醇燃料電池。甲醇制芳烴（MTA）。MTG氣霧劑、民用燃料和車用燃料（代替柴油）。電子清洗劑、制冷劑、有機硅和有機氟等。5基本定義：材料是指；用于制造其它物品、器件、構(gòu)件、機器或產(chǎn)品的那些物質(zhì)。衣、食、住、行是人類生存的基本需求，材料則供應(yīng)了人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當今一切科學技術(shù)的基礎(chǔ)。6材料的運用是人類技術(shù)進步的標記人類的進步是從運用工具起先的，而最早運用的工具是石器。石器的運用代表了人類才智的飛躍。石器--------

新石器-------青銅---------鐵器--------電子材料時代100萬年－BC9000—3000－2500－900－AC1960—2000代表了人類文明史的不同階段.78-9千年前，陶器出現(xiàn)，不僅做器皿，而且做裝飾品---促進了精神文明的巨大發(fā)展。在燒制過程中發(fā)覺了銅、錫-及其合金-青銅。89101.金屬材料（metals）

1.1分類

(1)黑色金屬材料－主要是指鋼鐵材料。

鋼（Steel）按化學成分分碳素鋼、合金鋼等；按品質(zhì)分一般、優(yōu)質(zhì)、高級優(yōu)質(zhì)鋼等；按金相組織或組織結(jié)構(gòu)分珠光體、貝氏體、馬氏體和奧氏體鋼等；按用途分建筑工程、結(jié)構(gòu)、工具、特殊性能、專業(yè)用鋼等；按冶煉方法分平爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、沸騰爐鋼等。

鑄鐵（Castiron）按石墨形態(tài)及性能又分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵、特殊性能鑄鐵等。其次節(jié)材料的類別11(2)有色金屬－常分五大類：①輕金屬（ρ<4.5g/cm3），如鋁、鎂、納、鈣等；②重金屬(ρ>4.58g/cm3)，如銅、鎳、鉛、鋅等③貴金屬如金、銀、鉑、銠等；④類（半）金屬，如硅、硒、紳、硼等；⑤稀有金屬，如鈦、鋰、鎢、鉬、鐳等。121.2基本特性

a.金屬鍵，常規(guī)法生產(chǎn)的為晶體結(jié)構(gòu)；b.常溫下固體熔點較高；c.金屬光澤；d.純金屬范性大、展性、延性大；e.強度較高；f.導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好；g.空氣中易氧化，如鋼、鐵等生成氧化膜，合金可改善金屬性能,提高抗氧化。13金屬鍵既無飽和性又無方向性，因而每個原子有可能同更多的原子相結(jié)合，并趨于形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)。當金屬受力變形而變更原子之間的相互位置時，不至于使金屬鍵破壞，這就使金屬具有良好延展性，并且，由于自由電子的存在，金屬一般都具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。141.3用途

a.結(jié)構(gòu)材料：如機床、建筑機械設(shè)備、工程交通工具；b.導(dǎo)體材料，電線芯（銅）c.工具等。15金屬材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑162無機非金屬材料（Inorganicnonmetals）

2.1分類

按成分，化學結(jié)構(gòu)和用途分四大類：混凝土（水泥）、玻璃（Glass）硅及耐火材料（Silane）陶瓷（器）（Ceramics）。其中陶瓷又分為：傳統(tǒng)陶瓷（自然硅酸鹽礦,粘土燒制而成,SilicateCeramics)和特種陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。

1718192.2結(jié)構(gòu)1、離子鍵：大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結(jié)合。離子鍵鍵合的基本特點是以離子而不是以原子為結(jié)合單元。

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一般離子晶體中正負離子靜電引力較強，結(jié)合堅實。因此。其熔點和硬度均較高。另外，在離子晶體中很難產(chǎn)生自由運動的電子，因此，它們都是良好的電絕緣體。但當處在高溫熔融狀態(tài)時，正負離子在外電場作用下可以自由運動，即呈現(xiàn)離子導(dǎo)電性。2.共價鍵

兩個或多個電負性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學鍵。共價鍵鍵合的基本特點是核外電子云達到最大的重疊，形成“共用電子對”，有確定的方位，且配位數(shù)較小。

21圖1.6SiO2中硅和氧原子間的共價鍵示意圖

共價鍵在亞金屬（碳、硅、錫、鍺等）、聚合物和無機非金屬材料中均占有重要地位。共價鍵晶體中各個鍵之間都有確定的方位，配位數(shù)比較小。共價鍵的結(jié)合極為堅實，故共價晶體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點高、質(zhì)硬脆等特點。共價形成的材料一般是絕緣體，其導(dǎo)電性能差。222.2基本特性

以陶瓷為例（其它有較大差別）a.離子鍵、共價鍵及其混合鍵；b.硬而脆；c.熔點高、耐高溫抗氧化d.導(dǎo)熱、導(dǎo)電性差；e.耐化學腐蝕性性好；f.耐磨；g.成型方式為粉末制壞、燒制成型。三、用途建筑衛(wèi)生陶瓷：瓷磚、浴缸等。工程陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷：反應(yīng)釜（耐酸、耐腐蝕）、絕緣瓷瓶；功能陶瓷：磁性、導(dǎo)電材料。233高分子材料：高分子材料事實上是由高分子化合物經(jīng)過加工和加入添加物而制成的。有機高分子化合物有自然與合成之分。如蛋白質(zhì)、淀粉及纖維是自然界中生長的。叫自然高分子化合物；而塑料、合成纖維及合成橡膠則屬于人工合成的，所以也叫合成高分子材料。242526271.3.1．高分子科學的誕生與發(fā)展高分子科學是一門新興的學科，是在人們長期的生產(chǎn)實踐和科學試驗的基礎(chǔ)上漸漸發(fā)展起來的。高分子科學的發(fā)展大致閱歷了以下幾個時期：283.1.1蒙昧期19世紀的中葉以前，木材、棉、麻、絲、毛、漆、橡膠、皮革和各種樹脂等自然高分子材料都已經(jīng)在人們的生活和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。有些加工方法變更了自然高分子的化學組成，如橡膠的硫化(1839)、皮革的揉制、棉麻的絲光處理，以及把自然纖維制成人造絲、賽璐珞(1868)等。盡管這些技術(shù)取得了重要的結(jié)果和豐富的閱歷，然而，人們只知道運用、加工，不知道化學組成和結(jié)構(gòu)。293.1.2．萌芽期自19世紀的后期，人們起先探討自然高分子的化學組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)學。還有意無意地合成了一批化合物。它們通常是粘稠的液體或無定形粉末，無法純化和分析，被當作廢物拋棄。有些高分子化合物雖然得到應(yīng)用，但是人們只知道它是“材料”，并不知道它是“高分子”。30塑料的發(fā)覺1869年31歲的印刷工人約翰?海阿特獨創(chuàng)賽璐珞1909年貝克蘭獨創(chuàng)酚醛樹脂311877年，Kekule就曾指出：絕大多數(shù)與生命干脆聯(lián)系在一起的自然有機物蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素可以由很長的鏈組成，并且這種特殊的結(jié)構(gòu)確定它們具有特殊的性質(zhì)。但被當時有機化學和膠體化學的聲音掩蓋。32當時，有機化學家可以嫻熟地合成和提純小分子有機物，并分析它們的組成；精確地測定它們的熔點、沸點和分子量等。但是，當他們遇到高分子時，就手足無措了。這種粘糊糊的東西，不能用已往的手段提純和分析，它們不能升華和結(jié)晶，也沒有固定的熔點和沸點，甚至連表征化合物的最重要的參數(shù)----分子量也捉摸不定。因此，有機化學家們認為這種物質(zhì)不是純粹的化合物，而是由小分子通過“次價”力結(jié)合而成的聚集體，有不少人認為這種物質(zhì)的溶液是膠體體系。331893年，F(xiàn)ischer將氨基酸逐個連接成多肽，制備了聚合度為30的單分散多肽，證明多肽是由很多氨基酸單元通過正常的－CO－NH－化學鍵相連而成的線型長鏈分子，這一工作孕育了高分子學說的基本思想。343.1.3.

爭鳴期1920年，H.Staudinger(德)發(fā)表了他的劃時代的文獻《論聚合》，提出了鏈結(jié)構(gòu)模型。它們是由共價鍵聯(lián)結(jié)起來的大分子，但分子的長度不完全相同，所以不能用有機化學中“純粹化合物”的概念來理解大分子。這些大分子是很多同系物的混合物，它們彼此結(jié)構(gòu)相像，性質(zhì)差別很小，難以分別，平均分子量?！罢摼酆稀敝刑岢霎愇於?gòu)成橡膠，葡萄糖構(gòu)成淀粉，纖維素。氨基酸構(gòu)成蛋白質(zhì)，都是以共價鍵彼此連接，提出高分子長鏈結(jié)構(gòu)的概念。35然而，由于高分子的降解和當時試驗方法的粗糙，使分子量的測定不能重復(fù)，這又給那些膠體締合論者找到了反對大分子學說的借口。他們認為用溶液的依數(shù)性所測得的不是溶質(zhì)的分子量，而是膠粒的重量，因膠粒不穩(wěn)定，所以結(jié)果不重復(fù)。這樣，雙方觀點相持不下。36此后，人們改進了試驗方法，通過滲透壓，端基分析法測定高分子化合物的分子量，所得結(jié)果一樣。用超離心機把含有蛋白質(zhì)的膠體溶液在不同的溫度和不同的鹽溶液中進行超離心分析時，證明分子量是均一的。電泳法探討結(jié)果表明，對于確定的蛋白質(zhì)，每單位質(zhì)量所帶的電荷數(shù)總是相等的。另外，也成功地獲得了尿素酶的結(jié)晶。這很多發(fā)覺都是用膠體締合的理論所不能說明的。因此，直到1930年初，人們才相識到在有機膠體中所遇到的是真正的高分子。371932年，Staudinger提出了溶液粘度與分子量的關(guān)系式。并測定出大分子的分子量。通過大量的試驗事實，雄辯地證明白大分子的存在。30年頭末期，高分子學說最終戰(zhàn)勝了膠體締合論。高分子（Macromolecule，Polymer）概念形成從今，高分子科學進入了大發(fā)展階段。383.1.4.發(fā)展期當高分子理論促進了合成高分子工業(yè)的發(fā)展后，出現(xiàn)了一大批商品化的合成材料，這些合成高分子（合成材料）的出現(xiàn)，又為理論探討供應(yīng)了大量的試驗依據(jù)和積累了豐富的數(shù)據(jù)，促進了高分子物理學的快速發(fā)展。3930～40年頭，高物領(lǐng)域最有代表性的工作：W．Kuhn、E.Guth和H.Mark等把統(tǒng)計力學用于高分子鏈的構(gòu)象統(tǒng)計，建立了橡膠高彈性統(tǒng)計理論Svedbergy用超離心技術(shù)測定蛋白質(zhì)的分子量1942年，F(xiàn)lory和Huggins用似晶格模型推導(dǎo)出高分子溶液的熱力學性質(zhì)，理論上的說明白高分子稀溶液的依數(shù)性質(zhì)Debeye和Zimm用光散射法探討高分子溶液性質(zhì)，測定了Mw40發(fā)展期代表性工作Carothers縮合聚合尼龍-66Ziegler（德）定向聚合HDPENatta（意）改進催化劑等規(guī)PPOstwald和Svedberg用擴散、沉降、粘度和濁度的測定，建立了高分子溶液定量探討的基礎(chǔ)Scherrer用X射線衍射探討聚合物材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)411949年，F(xiàn)lory和Fox把熱力學和流體力學聯(lián)系起來，使粘度、擴散、沉降等宏觀性質(zhì)與分子的微觀結(jié)構(gòu)有了聯(lián)系Tobolsky，Williams等發(fā)展了粘彈性理論Watson和Crick用X射線衍射法探討高分子的晶系結(jié)構(gòu)，于1953年確定了脫氧核糖核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)。此后人們發(fā)覺很多自然高分子和合成高分子都具有這種奇異的結(jié)構(gòu)

42此外，偏振紅外吸取光譜，旋光色散，核磁共振，示差熱分析，在密度梯度池中的沉降和擴散等聚合物鑒定的新方法都得到了確定程度的發(fā)展。4350年頭，高分子物理學基本形成70年頭，高分子功能材料進入發(fā)展期：1969聚偏氯乙烯壓電性的發(fā)覺與探討1975-(-SN-)-超導(dǎo)性發(fā)覺；鐵電液晶的合成1977聚乙炔膜合成方法及高導(dǎo)電性發(fā)覺1979(TMTSF)2PF2超導(dǎo)性發(fā)覺感光材料PVK-TNF用于復(fù)印技術(shù)液晶顯示工業(yè)化塑料光纖應(yīng)用4480年頭導(dǎo)電高分子加工及應(yīng)用大發(fā)展液晶顯示器商品化壓電高分子用于傳感器分別膜技術(shù)進步人工器官臨床應(yīng)用鐵電液晶空間光調(diào)制器C60的發(fā)覺，具有超導(dǎo)性，非線性光學效應(yīng)45新動向：1.向生命現(xiàn)象靠攏2.更加精密化我國1965年用人工合成的方法制成結(jié)晶牛胰島素，這是世界上出現(xiàn)的第一個人工合成的蛋白質(zhì)高分子已不僅用作以力學特性為主的結(jié)構(gòu)材料，而且試圖用作各種功能材料。探討高分子對電、光、熱、化學變更等各種刺激的響應(yīng)，以及開拓合成具備這些特性而結(jié)構(gòu)奇異的高分子的特殊反應(yīng)也很熱門。這樣，高分子科學始終保持著年輕的活力46至今高分子科學諾貝爾獎獲得者H.Staudinger（德