无机材料化学第一讲.ppt

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1、无机材料化学,2010.03,（The Chemistry of Inorganic Materials）,李 中 军E-,关于该课程的开设及学习建议,课程开设的指导思想 材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱。材料科学与化学日益融合并形成了新的化学分支 科学-材料化学。化学学科本科生应当学习了解材料科学的基础知识。学习要求及建议 课堂听课的重要性 思考题是课程内容和考试的重点欢迎同学们网上评教并对教学提出批评和建议,课程主要内容：,第一章 绪 论 第二章 无机材料的晶体结构与缺陷 第三章 无机材料的物理性质 第四章 无机材料的合成与制备 第五章 纳米材料简介,主要参考书：,1.苏勉曾，固

2、体化学导论，北京大学出版社，1987 2.唐小真等，材料化学导论，高等教育出版社，1994 3.周亚栋，无机材料物理化学，武汉工业大学出版社，1994 4.曾人杰，无机材料化学，厦门大学出版 社，2001 5.周志华等，材料化学，化学工业出版社，2006 6.林建华等，无机材料化学，北京大学出版社，2006 7.季惠明，无机材料化学,天津大学出版社，2007 8.曾兆华等，材料化学，化学工业出版社，2008,第一章 绪 论,1.1 材料的发展及作用 1.2 材料的分类 1.3 材料科学及其研究内容 1.4 材料化学及其研究内容 1.5 无机材料化学,1.1 材料的发展及作用,材料的使用和发展同

3、人类文明、科技进步和社会 的发展密切相关。,材料是具有一定性能和功能、可用于制作或加工成 有用物件（器件、构件、工具或装置）的物质。,材料在进一步的加工过程中仍然保持原来的性质。,材料与物质、材料与原料的区别。,材料是人类生活和生产活动必需的物质基础。,新材料的出现和使用会推动社会生产力的发展，从而促进科技和社会的进步。,性能包括：光、电、声、磁、热及力学等。,按使用材料的水平，划分的人类社会发展历史时期：石器时代青铜器时代铁器时代钢铁时代（工业革命时代）,早期人类材料知识的积累主要靠经验，增加非常缓慢。工业革命以后，人类社会进入科学时代，建立了物理学和化学等学科，人类关于材料方面的知识和成果

4、迅速增加，促进了材料的发展，也使材料在人类文明进步、社 会经济和科技发展中所产生的作用更加明显。,1718世纪：钢铁材料的出现，孕育了产业革命。19世纪末20世纪初：电业材料的诞生和使用，使电磁理论转换为生产力，促进了电力工业的发展。20世纪以来：高分子材料（30年代）的出现，满足了生产、生活 及国民经济相关领域发展对材料的需求，极大 地促进了现代物质文明的发展；高纯半导体材料（50年代）的问世，促进了现代 信息技术的建立与发展；能源材料（放射性镭、钋）的发现，使核能的开发 利用成为现实；,20世纪以来：先进复合材料、新型超合金材料和各种耐高温材 料、烧蚀材料的开发，为空间技术的发展奠定 了物

5、质基础；光导纤维的出现，使通信产业发生了质的变化，引起了一场信息革命；新型超导材料的研制和开发，将推动无损耗 输 电、磁流发电以及受控热核反应堆等现代能 源的发展。,材料是先进技术的物质基础。材料、信息和能源称为现代科技的三大支柱，其中材料又是能源和信息的物质基础。,衡量国家现代化程度的直接标志：拥有的材料品种、质量和产量衡量国家科技和生产力发展水平的重要标志：新材料的研究和开发能力,新材料发现、研究和使用的其它作用：影响和改变社会及人们的观念、行为和生活方式 例如：高分子材料已成为社会生活和生产活动不可缺少的基础材料，它的广泛使用影响和改变着社会、及人们的某些观念和生活方式。半导体及磁性材料

6、的应用，影响着人们的工作和生活，正在改变人们的思维和社会行为。促进相关科学领域的发展 如：纳米材料的研究和发展改变了人们对纳米尺度物理、化学乃至 生命现象的认识和观念，拓展了人类对自然界认识的深度。产生和带动一系列高新技术产业 如：传感器材料、半导体材料、磁性材料及纳米材料。,第一代 天然材料 取自于自然界的动物、植物和矿物。第二代 烧炼材料 包括烧结材料和冶炼材料。第三代 合成材料 包括合成塑料、合成纤维、合成橡胶。第四代 可设计材料根据实际需要设计特殊性能的材料。如：玻璃钢复合材料 第五代 智能材料 能随环境、时间的变化改变自己的性能或形状，具有感知、自我调节和反馈能力。如：形状记忆合金（

7、Ti-Ni 1:1）变色玻璃,人类使用的材料若按其发展水平归纳，大致可分为五代：,1.2 材料的分类,1.根据化学属性（化学组成）材料可分为：金属材料 无机非金属材料（无机材料）有机高分子材料,材料可根据其化学属性、聚集状态、物理性能、用途及使用特性（功能）进行分类。,金属材料 以金属元素为主要成份的材料。包括：黑色金属：钢、铁、锰、铬及它们的合金。有色金属：黑色金属以外的其它各种金属及其合金。特点：具有优良的力学性能（高强度和高塑性的配合、优良的可加工性）及优异的物理特性。性能与成分、显微组织结构和制造工艺密切相关。应用：在近代的物质文明中，金属材料起了关键的作用，至今这类材料仍然用途最广、

8、用量最大。,高分子材料 由脂肪族或芳香族的碳-碳共价键为 基本结构的大分子所构成。组成特点：化学组成简单、结构有规律。一般是由一种或几种简单化学组成的结构单元 多次重复连接而成。可分为：天然高分子材料：木材、皮革、天然橡胶、棉、麻、丝、生漆等。合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维、涂料及粘合剂等。特点：质量轻、比强度大、绝缘性和耐腐蚀性好，且易加工成形、原料易得。应用：用途广泛：日常生活及信息、能源、航空航天、国防等领域。,传统无机材料：以硅酸盐化合物为主要成分。包括：玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等。在欧美国家，硅酸盐材料统称为“陶瓷”或“陶瓷制品”。新型无机材料：包括：氧化物、碳化物、氮化物、硼化

9、物、硅化物、硫化物、含氧酸盐及其它盐类和非金属单质。在欧美各国，称做“精细陶瓷”（Fine Ceramics）、“工程陶瓷”（Engineering Ceramics）等。,无机材料 由非金属单质及金属与非金属元素组成的 化合物所构成的材料。可分为：,无机材料种类繁多，其原因有：化学组成千变万化组成相同，晶体结构或形态不同，也可构成迥然不同的材料 氧化铝：单晶态，用作宝石、激光材料。多晶烧结体，电炉基板、高温电炉管、切削材料。纤维状多晶体，高强优质绝热材料。多孔多晶体体，催化剂载体或传感材料。碳：石墨，导电、导热、耐高温、耐磨、润滑材料。金刚石，硬度最大、绝热体。C60（原子簇化合物，由60个

10、碳原子构成的球形32面体），碳纳米管，它们是含有多个不饱和键的高度共轭体系。在导电、超导、磁性及催化等方面表现出 独特性能。,特点：由离子键和共价键的结晶构成。质地脆、硬度大、强度高、抗化学腐蚀性强，对热和电的绝缘性良好。新型无机材料具有优良的介电、压电、光 学、电磁学及其它功能转换等特性。应用：新型无机材料的特殊性能和功能在现代高新 技术及国民经济的许多领域得到重要应用。,复合材料由基体和增强剂（补强剂）组成 基体可为：聚合物、金属及陶瓷。增强剂为：无机纤维，如：玻璃（碳、SiC）纤维，称为纤维增强。形成的材料分别称为聚合物（金属、陶瓷）基复合材料 基体为有机聚合物，增强剂为无机粉体（如：Z

11、nO、SiO2、TiO2），称为颗粒弥散增强。,2.根据组成和结构特点，材料可分为：金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料,复合材料：将上述材料中的两种或两种以上有机地结合 在一起，使它们在性能上协同作用、互相取 长补短，所得到的全新性能的新型材料。,3.根据材料的使用特性或功能，材料可分为：结构材料：利用材料的机械力学性能。以强度、刚度、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等性能为特征。功能材料：利用材料的物理化学性质和物理化学效应包括光、电、声、磁、热及相互转换。例如：超导、光导、热电、压电、光电、热释电及磁光、电光、声光和激光等材料。,建筑材料、耐火材料、耐蚀材料 能源材料、电子材料、医用材料

12、 生物材料、光学材料、航空材料 催化材料、激光材料、超导材料,5.按使用领域或用途可分为：,4.按聚集状态，材料可分为：单晶材料、多晶材料、非晶材料及微晶材料,1.3 材料科学及其研究内容,材料科学的提出 20世纪60年代以前，材料学科（专业）的有关内容 分设在以下学科专业:金属材料冶金学 陶瓷材料陶瓷学 高分子材料有机化学 上述三类材料在发展初期 各有特点，尤其是学科基础各不相同。放在一起研究，会缺乏共同语言。,随着科技发展和对材料研究的深入材料的种类及领域在不断扩大，表现在：除了金属、陶瓷和高分子材料，又出现了复合材料；属于同一功能的材料的范围也在扩大（如半导体材料）。对材料内在规律也有了

13、进一步的了解：不同种类材料中的界面与表面、晶体结构与微观缺陷以及 材料中的扩散与相变等方面确有共同之处。鉴于此，有必要将相关材料的研究内容统一形成材料科学 体系。,将不同学科的知识融为一体，形成一个新的材料学科体系也是科技发展的必然结果：各类材料的研究理论和方法可以互相借鉴、参考。各类材料的研究手段很相近，特别是性能测试与结构表征设备往往是通用的。对不同类型材料的全面了解，有助于材料的 相互代用及最佳选材；有利于开发复合材料。拓宽专业知识面，有利于人才培养。,促使材料科学形成的另一原因：1957年前苏联第一颗人造卫星首先上天对美国的震惊。50年代末，美国政府制订“国家材料规划”60年开始，美国

14、建立“材料研究中心”，并在大学设立“材料科学系”或“材料科学与工程系”。材料研究中心的成立标志着把各类材料开始统一考虑；材料科学系的建立则是把材料的整体视为自然科学的一个分支。60年代，美国学者首先提出“材料科学”名词。材料科学体系也随之开始建立。,主要研究材料的组成、结构、加工制备工艺、性能和使用效能之间的相互关系和变化规律，为材料设计、制造和合理使用提供科学依据。,材料科学的研究内容,材料科学,四个顶角的研究内容共同构成材料科学的研究体系,介于基础科学与应用科学之间的一门应用基础学科，它与物理、化学、化工、电子、冶金等学科相互交叉、渗透。是一门多学科相互交叉渗透的新兴边缘学科。以热力学、动

15、力学、固体物理、固体化学及物理化学等学科为理论基础，结合化工、冶金、机械、陶瓷等学科，来研究探讨材料的内在规律和应用，并为材料工程等应用学科提供和发展新材料、新工艺和新技术。,材料科学的学科定位与相关学科的关系,材料工程学：解决如何将固体物质制成可以使用的材料和器件，使之具有指定的形态(如纤维、薄膜、陶瓷体、集成块等)和规定各种结构和性能，如具有特定的热、力、光、电、声、磁、化(学)和生(物)功能。,1.4 材料化学及其研究内容,材料化学是材料科学与化学相互交叉结合形成的边缘性 分支学科。它既是材料科学的重要分支，又是应用化学的一部分，是沟通化学和材料科学的桥梁。材料化学所论述的主题是材料科学

16、中的化学问题。材料化学主要从材料科学的角度看问题，运用化学原理研究新材料的制备、组成、结构、性质和应用。实现在原子和分子水准上有目的的设计、合成、制备和修饰新材料。,材料化学,传统化学的一些领域维持自身特色，不断向新的难度和高度拓宽。,化学原理、化学手段在蛋白质、DNA等研究中应用。,用化学基本原理和手段研究材料的制备、结构、性质及应用。,材料化学的出现和发展也是化学学科本身发展的必然结果。化学学科的发展趋势：自身不断发展；不断与其它学科相互交叉、渗透。,化学参与材料科学的优势：材料制备是材料表征和性能及应用研究的基础；新材料制备中存在着大量的化学问题；化学家对于物质结构和成键的复杂性有着深刻

17、的理解；化学家掌握着精湛的化学反应实验技术；化学家的合成技巧和对物质结构与性能关系的深刻理解在探索 和开发具有新组成、新结构和新功能的材料方面，在材料的复 合、集成、加工等方面可以大有作为。有利于实现在原子和 分子水平上有目的的设计、制备和修饰 新材料。,主要包括：采用新技术和新工艺方法（包括软化学方法和硬化学方法）合成新物质和新材料，并用现代化的实验手段研究材料的组成、结构与性质和性能的关系。,材料化学的研究内容,硬化学（hard chemistry）反应（方法）：极端条件下进行的化学反应。合成常规下无法合成的新物质。如：超高压、超高温、超高真空、超低温、强辐射及无重力（失重）等环境下。软化

18、学（soft chemistry）反应（方法）：温和可控条件下进行的化学反应。通过控制反应过程、途径和机制，设计中间和最终产物的组成和结构，裁剪其物理和化学性质。如：沉淀反应、溶胶-凝胶反应、水（溶剂）热合成反应、离子交换反应等。,现代研究手段包括：电子显微镜、光电子能谱、X-射线衍射分析、热分析 及各类光谱技术和性能测试等。材料化学的研究对象主要是新材料。新材料指采用新工艺、新技术合成的具有新功能、新用途或者比常规材料在性能上有重大突破的材料。新材料在材料科学发展中占有极其重要的地位，是材料科学研究的热点。,Materials of Chemistry（1989年创刊，美国）Journal

19、of Materials of Chemistry（1991年创刊，英国）Journal of Solid State Chemistry（美国）近些年来，材料化学发展迅速，该领域的相关研究也经常发表在国际上顶尖级的化学学术刊物，如：Advanced Materials J.Am.Chem.Soc.Angew.Chem.Int.Ed.Chemical Communication,材料化学方面的学术刊物,材料物理性质有两方面含义：内禀性质(intrinsic properties),即化合物的物理性质。只决定于材料的组成和结构，与材料的制备过程无关。外赋性质(extrinsic properti

20、es),是材料的使用特性。不仅取决于材料的组成和结构，还与材料的晶粒尺寸、缺 陷、杂质和共生相、及合成方法和加工过程等因素有关。,材料化学的研究特点,材料内禀性质是固体物理和固体化学的研究范畴。材料外赋性质是材料科学和材料化学的重要研究对象之一。材料化学的任务就是将材料的应用价值（使用特性）充分开发出来，使其能够最大限度的得到应用。,以BaFCl材料的认识和发展过程为例说明：1824年发现在有Cl-存在下BaF2 可转化成BaFCl；1932年确定了晶体结构及基本物理和化学性质。至此，化学和物理意义上对该化合物的认识已比较完善。很多年后，人们从材料的角度又重新研究该化合物：1965年研究了Ba

21、FCl:Sm的荧光性能；1975年研究发现BaFCl:Eu在X射线激发下有高的荧光效率，随后制成X射线增感屏，广泛用于医用X 射线诊断系统；1983年研究发现该材料具有存储X射线图像的功能，利用 该特性开发出了X射线数字图像仪。,1.5 无机材料化学,研究对象：无机材料无机材料化学是研究无机材料的制备、组成、结构、表征、性能和应用的一门学科。无机材料化学是材料化学和无机化学的重 要分支。,第一章 作业：,1.了解材料的分类。掌握按化学组成、化学组成和 结构特点、及根据材料的使用特性或功能的材料 分类方法。2.了解材料化学的研究内容、研究对象、学科定位 及与化学相关学科的关系。3.掌握术语：软化学方法、硬化学方法；复合材料、新材料。,