资 能 环 经 质
源 源 保 济 量
新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在 的。事实上，每种材料都有其生命曲线
出现
发展
成熟
衰退
衰退主要是由于社会 发展和科学技术进步 导致的。
一个新材料的诞生，从实 验室研制出样品到工业上 的大规模实际使用，大概 需要 15 ~ 20 年时间。
出现
铝曾经比金银还要珍贵……
100多年前，为了表彰门捷列夫对化学的杰出 贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个比 黄金还要贵重的奖杯──铝杯，赠送给门捷列 夫。 法国皇帝拿破仑三世为了显示自己的尊贵， 用铝作了一顶头盔，成为轰动一时的新闻。 每逢盛大国宴，别人都用银制餐具，而他独 自使用一套铝制餐具。
敏感材料、能源材料、生物医学材料等
结构材料与功能材料的划分并不严格
生物医学材料？
按材料内部原子排列情况分类
晶态材料
非晶态材料 液态材料 气态材料
材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质
从材料尺度角度分类
三维材料
块体材料
二维材料
薄膜、涂层等 (金刚石薄膜、高温超导薄膜、半
一方面，材料是人类生存和生活必不可缺少 的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接 推动社会发展的动力。
另一方面，随着社会的发展，科学技术的进
步以及自然资源和能源的逐渐减少，人们所关注
的、所使用的材料种类也在发生着变化……
因此材料的定义可以发展为：
人类社会所能够接受的经 济地制造有用器件的物质
一个例子
发展
新材料
成熟
衰退
传统材料
所谓的“材料科学”的主要研究对象是新 材料，或者是想方设法使传统材料获得新 生。
“夕阳”材料：石棉
石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸 盐，分为温石棉和青石棉两种，由于具有结实、 抗弯、绝缘、隔热、保温、耐酸碱腐蚀等优点， 所以被广泛用于建筑、造船、航天和交通机械 中隔热、保温、防火等领域。石棉经过加工后 制成的纺织、石棉水泥制品，具有耐磨、绝缘 等特点，还可制成防火材料、滤料、填料等。 据统计，石棉的各种用途已逾千种 。
“夕阳”材料：石棉
近年来的研究表明石棉是一种致癌物质，欧美 国家许多癌症的病因，都曾与石棉污染有关。 目前这种状况正在向发展中国家转移。据保守 估计，今后30年中死于石棉污染者将达到100 万，其中大多数是制造含石棉的地板、天花板、 屋顶材料、接合剂和自动闸的工人。若进行大 规模楼层定向爆破、拆除等工作时，现场附近 人员不采取防护措施，也极可能被构成伤害。
同年，美国白宫发布美国国家关键技术项目 共6领域22项关键，材料为6领域之一。材料 合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材 料、高性能金属与合金5项为关键。 从1995年至2001年每两年更新一次的《美国 国家关键技术》报告中，特种功能材料和制 品技术占了很大的比例。
20 世纪 80 年代出现的新技术革命把新材料、信息技 术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。 2001年日本文部省发布的第七次技术预测研究 报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半 以上为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其 中绝大部分均为功能材料。
友情提示
长期以来人们一直认为铝是无毒的，因此用起来 很放心。但是医学家经过长期研究后发现，人体摄 入过量的铝也会带来危害。
由于铝制品的大量使用，特别是铝制品盛放咸的、 酸性的或碱性的食物时，其表面的保护膜就会遭到 破坏，氧化铝就会被溶解，使人体摄入铝的量增加， 日积月累，对健康会产生影响。
一般说来，一种材料能否在一个时代引起 人们关注、得到广泛使用应该从以下几方 面加以分析
技术的进步让铝走出了首饰 店……
1886 年， 22 岁的美国人 Hall 发明了熔盐电解 法制取金属铝，此法投产后，金属铝的产量迅 速增长，价格则大幅度下降 ，从而把铝的大规 模生产变成了现实。这个年轻人组成了一个大 公司，这就是今天美国美铝公司 (Alcoa) 的前身。
将氧化铝 (A12O3) 溶解在熔融的冰晶石 (Na3AlF6) 中进行电 解(电解液温度接近 1000℃) 在 上可以找到很多关于铝以及铝合金的信 息
铝合金的出现，大大拓宽了铝的用途……
航天飞机、大型客机
铝门窗、铝活动建筑
铝细Байду номын сангаас是一种火箭固体燃料
铝 箔
铝电缆 易拉罐
2000年，光美国就生产了1000亿个铝易拉罐。轻、 薄、耐腐蚀。易拉罐上的易拉扣，的确是一项高技 术，代表了铝材和铝加工的现代成就。
美国纽约的世界贸 易大厦是一个大量 使用铝合金贴面的 雄伟建筑。可惜已 经灰飞烟灭了。
材料化学
Chemistry of Materials
龚江宏 清华大学材料科学与工程系
历史学家把某一类材料的特征及其广泛应 用作为人类文明史各个阶段的一种标志
旧石器时代 新石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代
我们现在所处的时代应该称为什么时代？
钢
硅
塑料 合成材料 半导体 精密陶瓷
比强：比强度，也就是 材料的强度与密度之比。 具有高强度、低密度的 材料无疑具有应用优势。
高比强铝合金給 20 世纪的 “新”材料带来了第一个突 破
钢的比强度为： 0.64 106 cm 铝合金的比强度为：2.64 106 cm 后者是前者的 4 倍，这对于结构材 料来说是几千年来的一个飞跃。
“夕阳”材料：石棉
专家估计，全世界每年约有20万人死于与石棉 有关的癌症，其中约25％死于肺癌，10％死于 恶性间皮瘤。
在欧盟的15个国家中，已有12个禁止使用石棉， 沙特阿拉伯也将它列在禁用之列，阿根廷、智 利等国也随之仿效。目前美国也不再生产石棉， 其石棉使用仅依靠进口。
“夕阳”材料工业：钢铁
美铝的生意是从一把铝壶开始的……
从铝壶做起，慢慢延伸到了烹调器具、锡箔纸、 电线和电缆……。 现在，美铝了成为公认的世界上最大的原铝、 铝加工产品和氧化铝生产商。美铝的产品广泛 的应用于航空航天、汽车、包装、建筑、商业 运输以及工业市场。
铝的应用市场的打开……
铝的应用市场的打开是从 20 世纪 30 年代开始 的。为了提高铝的比强度，当时关于铝的研究 有两个热门话题：
有机高分子材料 (Polymer)
天然的、合成的
无机非金属材料 (Ceramics)
陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷
复合材料 (Composites)
按材料的用途分类
结构材料
支撑件、连接件、传动件、紧固件等
功能材料
磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、
合金强化
在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成 所谓的铝合金以提高 Al 的强度。
时效硬化
把合金强化处理后形成的铝合金加热到一定温度以上进行 “熔解处理”，使合金处于均匀的单相状态，然后快速淬 火，保持其单相组织。此后再在稍高于室温的温度下加热， 使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的强度。
材料
材料科学
材料化学
第一章 绪
论
1.1 什么是材料？
材料是可以用来制造有用的构件、器件 或物品的物质。
师昌绪主编：《材料大辞典》p.58
材料是“具有一定性能的物质, 可以用 来制成一些机器、器件、结构和产品” 。
美国科学院、美国工程院联合编写 《材料：人类的需求》
材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质
欧盟第六框架计划和韩国的国家计划等把功能 材料技术列为关键技术之一加以重点支持。 我国863高技术发展计划，材料是7个重点之一， 重大基础研究攀登计划的30个重大课题中有7个 与材料直接有关。
材料涉及的领域极为广泛，举凡国 家的工农业建设和国防建设，人民生活 水平的提高，无不与材料密切相关。所 以材料的科学研究、新产品的开发、工 业大生产与合理应用都关系到社会进步、 国家安全，因此人们把材料誉为现代文 明的三大支柱之一。
哈哈哈哈！ 天方夜谭
20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领
域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其
中的主要内容之一。
1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而 引发了全球性的材料科学研究。 美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材 料科学作为一个学科对待。
20 世纪 80 年代出现的新技术革命把新材料、信息技 术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。 美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项 以材料为主。
20 世纪中叶的几项成果
超音速飞机 (镍基超级合金)
计 算 机 (晶体管、半导体)
航天飞机 (高温结构陶瓷)
轻松一下
1947 年，在美国新墨西哥州哥西维尔地方，有 一艘外星来的宇宙飞船坠毁了。科学家们纷纷云集 此地，对这艘飞船进行了全方位的研究，于是地球 上就诞生了半导体、光纤、激光器等一系列对当代 文明产生了显著影响的新材料。后来美国政府将这 艘飞船隐匿起来了……
在“9·11”事件中变成废墟的纽约世贸大厦的数十万吨废 钢铁被运往中国和印度，将在那里回炉后重新使用。从 这两座 100 多层的双子大厦废墟中回收的钢材数量相当 可观，估计多达 40 万吨。
材料中的“常青树”：陶瓷
1.2 材料的分类
按材料的组成分类
金属材料 (Metal)
钢铁材料、非铁材料、合金
钢铁工业在发达国家已进入衰退阶段，原因是 有许多新材料来代替钢铁，并且钢铁生产污染 环境，他们往往把这些企业放在第三世界国家。

钢铁在我国还在成熟阶段，钢铁的需求量很大， 不但每年产量有所增加,每年还需进口2000万吨。 据估计,我国的钢产量达到12000万～15000万吨， 才能满足国内市场需要。