80术概论-第三讲 化学与其他学科的关系.ppt

第三讲 化学与其他学科的关系 化学与材料科学 化学与生命科学 化学与能源科学 化学与环境科学 化学与材料科学 材料是指经过某种加工(包括开采和运输)，具有一定的组成、结构和性能，适合于一定用途的物质，它是人类生活和生产活动的重要物质基础。当今国际社会公认，材料、能源和信息技术是新科技革命的三大支柱。 化学与材料科学 一种崭新技术的实现，往往需要崭新材料的支持，反过来，先进的技术又促使了具有前所未有性能的新材料的诞生。现代的材料技术正同其它高技术互相支持、共同发展。 目前世界上传统材料已有几十万种，而新材料正以每年5％的速度在增加。 化学元素周期表中已有90多个元素在工业上全部被采用。 化学与材料科学 第1代材料——自然的恩赐，石器、骨器等 第2代材料——金属冶炼技术的发展密切相关，青铜、钢铁以及各种合金材料。金属成为主导材料。 第3代材料——合成材料的时代。20世纪初发展起来的高分子材料，扩大了材料的品种和范围，推动了许多新技术的发展。 化学与材料科学 第4代材料——复合材料时代。近几十年来，新型无机非金属材料异军突起，发展极快，在材料世界中，和金属材料、有机高分子材料形成三足鼎立之势。复合材料在能源开发、电子技术、空间技术、国防工业和环境工程等领域中大显身手。 化学与材料科学 第5代材料——智能化材料时代。本身具有感知、自我调节和反馈的能力，即具有敏感（能感知外界作用）和驱动（对外界作用做出反应）的双重功能，如同模仿生命系统的作用一样。它能像人的五官感知客观世界；又能能动地对外作功，发射声波，辐射热能和电磁波，甚至促进化学反应和改变颜色等类似于生命体的智慧反应。 化学与材料科学 材料化学是研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。它既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质，并且是材料科学的核心部分，具有明显的应用理科性质，在理论和实践上的重要性是不言而喻的。 化学与材料科学 大量的科学实验证明，在给定的外界条件下，若材料的化学成分固定时，材料的性能（力学、物理及化学性质）只取决于材料内部的结构和组织，即在材料的组成、结构与性能三者中，结构起着关键作用。不仅材料的化学组成对材料的最终性能产生重大影响，而且各种物理结构和形态也会对最终的使用性能起重要作用。这一方面为材料的研究和开发带来一些不利因素，但另一方面又为获得性能更加优异的材料提供了潜在的多种可能。这也是材料科学蓬勃发展的一个重要原因。 化学与材料科学 金属材料学是材料科学中最先形成的一个分支，也是构成当代材料科学的基础和骨架。金属材料学是研究金属材料的成分及制备工艺、组织结构、材料性能和使用性能这四个要素以及它们之间相互关系的科学。 化学与材料科学 轻质合金——以轻金属为主要成分的合金材料。强度高，质量轻，满足了人类航空、航天的梦想！已广泛应用的轻质合金有铝合金、铝镁合金、铝锂合金等。 形状记忆合金 ——称为 NT 合金 ，20 世纪 60 年代初期发现的，它是一种特殊的合金，有一种不可思议的性质，即使把它揉成一团，一旦达到一定温度，它便能在瞬间恢复到原来的形状。具有这种形状记忆效应的合金，除了镍—钛合金外，还先后发现铜—锌、金—镉、镍—铝等约 20 种合金，其中“记忆力”最好的是 NT 合金。可用于温度控制装置、集成电路引线、汽车零件与机械零件外，由于其与生物体的相容性好、耐蚀性强，还可用于骨折部位的固定、人造心脏零件、牙齿矫正等医用材料。 化学与材料科学 储氢合金——具有良好的可逆吸放氢性能的合金，是解决氢能规模储运的重要途径。 目前已知的储氢合金有镁一镍合金 、钐钴（SmCo5）合金 、镧一镍合金（LaNi5）等。提高储氢质量、加快吸氢速度、降低放氢温度、提高性价比是当前以至今后努力的方向。 磁性合金 ——具有能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性合金材料。磁性金属和合金一般都有磁电阻和巨磁阻现象。20 世纪 90 年代，人们在 Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag 和 Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。在高密度读出磁头、磁存储元件和微弱磁场探测上有广泛的应用前景 。 化学与材料科学 现时的无机非金属材料，已不再仅是传统意义上的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料———通常所称的“硅酸盐材料”，而是涌现了一系列应用新技术的高性能先进无机非金属材料，也称“无机新材料”，包括结构陶瓷、功能陶瓷、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料和人工晶体等除金属材料和高分子材料以外的几乎所有的材料。这些新材料的出现是无机非金属材料科学与工程学科近几十年来取得的重大成就，它们的应用极大地