作者：劉志明 單位：東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

緒論是引導(dǎo)學(xué)生快速進(jìn)入材料化學(xué)主體內(nèi)容比較關(guān)鍵的部分，在緒論這章應(yīng)該讓學(xué)生盡快對(duì)材料化學(xué)這門課程的一些基本概念、材料化學(xué)的主體內(nèi)容范圍及其地位和作用以及一些學(xué)習(xí)方法，包括思維方式的轉(zhuǎn)化和訓(xùn)練方面有一些了解，同時(shí)由于是雙語(yǔ)教學(xué)，不斷滲透英語(yǔ)教學(xué)內(nèi)容仍是主體，所以在緒論內(nèi)容設(shè)計(jì)上，逐步導(dǎo)入英文教材內(nèi)容，用英語(yǔ)表述一些概念，對(duì)概念的理解上，采取中英文表述，主要是照顧英文理解較差的學(xué)生，同時(shí)給學(xué)生一個(gè)適應(yīng)的過(guò)程。在“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念下，對(duì)材料化學(xué)緒論內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)踐，以下是教學(xué)實(shí)踐中的嘗試和總結(jié)，以其今后更好地進(jìn)行材料化學(xué)課程雙語(yǔ)教學(xué)，教學(xué)方法上“重視學(xué)”，“以學(xué)生為本”，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)施以培養(yǎng)能力為中心的素質(zhì)教育。

材料概念的導(dǎo)入

1材料的定義有關(guān)材料的定義有以下幾種：材料是具有結(jié)構(gòu)、光、磁、電的用途的物質(zhì)(Matterisamaterialwhenthatformofmatterhasstructural,optical,magnetic,orelectricuse)。材料是能為人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)地制造有用器材(或物品)的物質(zhì)(Matterisamaterialwhenthatformofmattercanbemanufacturedintousefulobjectseconomicallyforthehumansociety)[13]。材料是人類用來(lái)制作物件，如用具、工具、元器件、設(shè)備設(shè)施、系統(tǒng)等的物質(zhì)。《辭海》給材料下的定義是：經(jīng)過(guò)人類勞動(dòng)所取得的勞動(dòng)對(duì)象稱為原料，而經(jīng)過(guò)工業(yè)加工的原料如鋼材、水泥等則稱為材料[14]。這是以往對(duì)材料的定義，隨著時(shí)代的發(fā)展，材料基本含義沒(méi)有太大變化，內(nèi)容上豐富許多。與時(shí)俱進(jìn)，現(xiàn)在采用英文教材的最新定義，是需要學(xué)生理解和掌握的。英文教材的定義為：材料可廣泛定義為可用于解決當(dāng)前或未來(lái)社會(huì)需要的任何固態(tài)組件和設(shè)備(Thetermmaterialmaybebroadlydefinedasanysolid-statecomponentordevicethatmaybeusedtoaddressacurrentorfuturesocietalneed)[15-16]。例如，釘子、木材、涂料等解決我們住房需求的簡(jiǎn)單建筑材料(Forinstance,simplebuildingmaterialssuchasnails,wood,coatings,etc.addressourneedofshelter)。

2材料的分類材料分類有很多種，現(xiàn)代材料一般分為金屬(metals)材料，高分子(polymer)材料如塑料、橡膠、纖維等，無(wú)機(jī)材料如陶瓷(ceramics)、玻璃、水泥、磚瓦等和復(fù)合(composites)材料四大類[17]。英文教材將材料分為天然的(natural)和合成的(synthetic)兩大類材料。天然的材料分為無(wú)機(jī)(inorganic)和有機(jī)(organic)材料。無(wú)機(jī)天然材料包括礦物(minerals)、黏土(clays)、砂(sand)、骨(bone)和牙(teeth)。有機(jī)天然材料包括木材(wood)、皮革(leather)、糖(sugars)和蛋白質(zhì)(proteins)。合成的材料包括大塊(bulk)、微米(microscale)、納米(nanoscale)材料。大塊(bulk)材料包括非晶態(tài)(amorphous)和結(jié)晶(crystalline)材料[15-16]，這種材料分類更貼近材料化學(xué)的定位。

3復(fù)合材料復(fù)合材料廣義上是指由兩個(gè)或多個(gè)物理相(以微觀或宏觀的形式)所組成的固體材料。狹義上是指用高性能玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、晶須、芳香族聚酰胺纖維等增強(qiáng)的塑料，金屬和陶瓷材料等。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織把復(fù)合材料定義為由兩種以上物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材料[18-19]。

4新材料與功能材料為適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)與國(guó)防建設(shè)的發(fā)展，滿足生產(chǎn)力發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的要求新近出現(xiàn)或研發(fā)出來(lái)的、或正在發(fā)展中、具有傳統(tǒng)材料無(wú)法比擬或更為優(yōu)異的性能之各種新型材料，均稱為新材料。新材料一般具備表征性、先導(dǎo)性、依托性、時(shí)間性、優(yōu)能性和新穎性6個(gè)特征[14]。材料通常可分為結(jié)構(gòu)材料與功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料是以強(qiáng)度、剛度、韌性、塑性、耐磨性、硬度等力學(xué)性能為其基本特征，用于制造以承受重力或傳遞應(yīng)力為主要服役方式之結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料。功能材料則是具有特殊物理性能、化學(xué)性能或生物學(xué)性能等，主要用于制造各種功能元、器件的材料[14,20-21]。1965年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Morton博士提出功能材料的概念，20世紀(jì)70年代日本材料科技界完善確立，20世紀(jì)80年代在我國(guó)逐漸被人們接受。功能材料的定義，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一定論，國(guó)內(nèi)比較一致的定義，功能材料是指那些具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化、并被用于非結(jié)構(gòu)用途的高技術(shù)材料。這些材料在元件、器件、整機(jī)或系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息與能源的感知、采集、計(jì)測(cè)、傳輸、屏蔽、絕緣、吸收、貯存、記憶、處理、控制發(fā)射和轉(zhuǎn)換等目的[14]。

5納米材料20世紀(jì)70年代，日本科學(xué)家最早認(rèn)識(shí)到納米性能并引用納米概念。20世紀(jì)80年代中期，人們正式把這種材料命名為納米材料。納米材料是指物質(zhì)的粒徑至少有一維在1~100nm之間，具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的材料[22-27]。組成納米材料的基本單元在維數(shù)上可分為三類：(1)零維。指在空間三維尺寸均在納米尺度內(nèi)。如原子簇等。(2)一維。指在空間有兩維處于納米尺度。如納米絲、納米棒、納米管等。(3)二維。指在三維空間中有一維處于納米尺度。如超薄膜、多層膜等[24]。在實(shí)際應(yīng)用中，以一個(gè)材料的10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為閾值來(lái)確定其是否為納米材料，作為化妝品納米材料的判斷指標(biāo)[28]。材料及其分類的介紹，主要側(cè)重英文教材的定義，讓學(xué)生記住其英文表達(dá)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)材料的應(yīng)用及最新材料介紹。

材料科學(xué)與材料工程的界定

材料科學(xué)是研究材料結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系，而材料工程是在這些結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系基礎(chǔ)上，對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和工程化以生產(chǎn)預(yù)期性質(zhì)的系列產(chǎn)品(Thedisciplineofmaterialsscienceinvolvesinvestigatingtherelationshipsthatexistbetweenthestructuresandpropertiesofmaterials.Incontrast,materialsengineeringis,onthebasisofthesestructure-propertycorrelations,designingorengineeringthestructureofamaterialtoproduceapredeterminedsetofproperties)[29]。

材料化學(xué)的定義

廣義上材料化學(xué)學(xué)科的定義致力于研究組成材料的原子、離子或分子排列之間的相互關(guān)系和它的整體宏觀結(jié)構(gòu)/物理性質(zhì)(Thebroadlydefineddisciplineofmaterialschemistryisfocusedonunderstandingtherelationshipsbetweenthearrangementofatoms,ions,ormoleculescomprisingamaterial,anditsoverallbulkstructural/physicalproperties)。依據(jù)這個(gè)定義，普通學(xué)科如高分子、固體和表面化學(xué)都包括在材料化學(xué)的研究范圍內(nèi)(Bythisdesignation,commondisciplinessuchaspolymer,solid-state,andsurfacechemistrywouldallbeplacedwithinthescopeofmaterialschemistry)。這個(gè)廣泛的領(lǐng)域是由研究現(xiàn)有材料的結(jié)構(gòu)/性質(zhì)，新材料的合成和表征以及利用先進(jìn)的計(jì)算法來(lái)預(yù)測(cè)未知材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)組成的(Thisbroadfieldconsistsofstudyingthestructures/propertiesofexistingmaterials,synthesizingandcharacterizingnewmaterials,andusingadvancedcomputationaltechniquestopredictstructuresandpropertiesofmaterialsthathavenotyetbeenrealized)[15-16]。