《材料与化学》PPT课件.ppt

第一讲 化学与材料,各学科的任务a、物理学：研究物质中原子及电子的运动，相互作用以及物质结构与物性间的关系提出能阐明物性的理论和模型强调物质运动的共同规律性注重物性的连续变化探索物性与结构之间的定量关系b、化学：研究实在物质的制备、反应以及结构和物性的关系特别注重物性随组成变化而产生的特殊性注意由于组成改变而导致物性的突变探索物性与组成和结构之间的定性关系c、工程学：以改造自然为目的，运用数学和自然科学方面的专业知识，以经济的，有效地利用自然资源，设计和实施生产过程，把资源转化为结构、机械或产品以造福于人类。d、材料科学：根据工程的需要，在物理学和化学这两门基础学科及其理论的基础上形成的一种学科交叉的边缘学科。,学科关系图,学科关系图表明：材料科学是以物理、化学及相关理论为基础，根据工程对材料的需要，设计一定的工艺过程，把原料物质制备成可以实际应用的材料和元器件。使其具备规定的形态和形貌，如多晶、单晶、纤维、薄膜、陶瓷、玻璃、复合体、集成块等；同时具有指定的光、电、磁、热学、力学、化学等功能，甚至具备能感应外界条件变化并产生相应的反应和执行行为的机敏性和智能性。联系：（1）材料离开器件就失去意义，器件离开材料也不可能实现其功能；（2）要使材料具备器件要求的特定物性，就必须深入研究和掌握组成、结构与物性的关系，因此物理学和化学就构成材料科学的基础。,材料科学分支：材料物理、材料化学材料化学：化学参与材料科学是理所当然和责无旁贷的，因为化学家对于物质的结构和成键的复杂性有着深刻的理解并掌握着精湛化学反应实验技术，这些在探索和开发具有新组成，新结构和新功能材料方面，在材料的复合、集成、加工等方面可以大有所为。例：硬化学(hard chemistry)反应：极端条件下的反应如：超高温、超高压、强辐射、冲击波、超高真空、无重力等合成新化合物。软化学(soft chemistry)：反应：温和可控的化学反应如：溶液溶胶凝胶，水热合成、离子交换、助溶剂反应等合成新化合物。,目录,1.1 材料的发展过程1.2 材料的分类1.3 纳米材料及其应用1.4 晶体和非晶体材料,材料(Materials)是国民经济的物质基础。广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)材料无处不在，无处不有,1.1 材料的发展过程,我国材料的历史进程(Historical perspective),漫长而又曲折的历程：,石斧,公元前5000年,青铜是铜和锡、铅的合金，也是金属治铸史上最早的合金,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,公元前1200年,古代科技名著：“考工记”（先秦）、“梦溪笔谈”（宋代沈 括）、“天工开物”（明代宋应星）,明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。一整套材料体系 门类全齐 数量 质量 钢铁突破亿吨大关 世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭,长征三号运载火箭在发射架上的图片,宝钢高炉,1.2 材 料 的 分 类,1.根据结合键分类：,2.根据性能和用途分类：,3.根据材料颗粒的大小分类：,传统材料精细材料纳米材料,4.根据材料结构分类：,晶体材料非晶材料,单晶材料多晶材料,一 金 属 材 料,1.钢铁材料,应用广泛：火箭，导弹，飞机，火炮，兵舰，轮船，火车，汽车，石油化工，建筑，日常生活少不了钢铁,普通钢：200700Mpa 高强度钢：7001000Mpa 超高强度钢：10003000Mpa 超级钢：强度（韧性）寿命提到一倍,2.高硬度材料机床革命 碳素工具钢（200以下）合金工具钢（高速钢，W18 Cr4 V1 600）硬质合金(WC-Co,800）陶瓷刀具（Al2O3，Si3N4，1000以上）金刚石（加工陶瓷、岩石）,金刚石刀具,硬质合金钻,3.形状记忆合金 最初 60年代 美国海军研究所 研制成 NiTi合金*喷气飞机：油压系统有十多万个管接头无渗漏，无事故很困难。NiTi 合金首次应用于F14 大成功。*卫星天线，人造心脏，温度控制，牙齿校正,记忆效应示意图,4.贮氢合金（金属氢化物）新能源（H2）Mg2Ni、LaNi5、ZrMn2 贮氢合金 贮H原理：晶体结构，1 面心、体心、六方间隙中贮存很多H原子（最小的原子)2 形成金属氢化物，贮存更多的H 从贮H的密度来看：钢瓶中氢气体可压缩1/50,0.5*1022氢原子/cm3（高压氢，15MPa）液体氢可缩小到 1/800,4.2*1022氢原子/cm3(20K)La-Ni5-H6 可将氢缩小1/1000,6.2*1022氢原子/cm3 贮氢合金不仅具有贮氢密度高，而且使用、运输及储存过程安全、可靠,5.非晶态金属 金属液态（非晶态）金属固体（晶体）特急冷 非晶态金属 冷105106/秒 利用软磁性（低剩磁、低损耗）高密度磁记录，作为计算机的磁带与磁头材料 非晶 纳米晶 快速凝固得非晶 块状纳米晶的好方法6.泡沫金属 可作为一种轻质抗冲击材料 用于航天航空材料 7.环境材料 资源能源消耗最小，环境污染最小，可以循环再利用 背景：金属资源 50年以后大多耗竭，能源：石油、煤 环境污染日趋严重，治理环境污染费用巨大 可持续发展,二 先进陶瓷材料,1 陶瓷材料的结合键陶瓷特性,离子键 Al（T熔 600）Al2O3（2000）共价键 金刚石 Hv 10000 工具钢 Hv 800900,结构陶瓷：耐高温、耐腐蚀、耐磨损 脆（塑、韧性差），难加工功能陶瓷：绝缘体、半导体、导体、超导体 光、电、磁、声、气、热等十分敏感结构键：离子键、共价键、混和键（离共）极性（介电、压电、铁电、热释电、超导。）,陶瓷SiC、Si3N4 使用温度可达14001500oC热效率：可达50,无需水冷 燃烧充分、污染少，耐磨损、耐腐蚀、寿命长发动机：汽车心脏 汽车年产量 30005000万辆/年 一辆汽车平均20万 20万 3000万6万亿/年燃气轮机：火电厂的心脏 使用陶瓷叶片 升高 经济效应大的无法估量,2陶瓷发动机,3.陶瓷刀具与自动机床 高速度（几千米/分），刀尖温度 1000以上 自动机床 高精度 刀具磨损量小 高寿命,4 新能源陶瓷材料,核能 堆心材料UO2 控制棒材料 4C 减速剂材料 SiC 聚变核能 产氚材料 LiAlO2太阳能 地球上总能耗(人类活动）1/10000 太阳能（地球被照）1/20亿（太阳总能）晶体硅 单晶硅 太阳能电池 多晶硅,：,记忆仓库 磁性铁氧体 Fe3O4 稀土氧化物大规模集成电路（LIC）硅基片（或GaAs、SiC基片）上把晶体管，电阻，电容的集中在一起。在1mm2面积上LIC埋入1001000万个元件基片硅材料要高纯单晶硅（10个9）,5.压电陶瓷-钟表革命,6.电子计算机,石英晶体（SiO2）是一种压电陶瓷材料，利用了SiO2晶体本征频率，可准确控制钟表走时,7.超导材料-四次诺贝尔奖 1905年 荷兰人 昂尼斯 发现超导 纯汞 4.2K 出现超导 1911年 获得诺贝尔奖 1958年 BCS（Bartain,Cuber,Sliff)超导理论 第二次获诺贝尔奖 1964年 隧道效应 第三次 1986年 实现了BYCuO高温氧化物陶瓷超导体 高温超导 第四次获诺贝尔奖,8.光导纤维通信革命光导纤维：高纯（99.9999）石英玻璃 玻璃纤维 光纤直径0.1mm 取代了电缆 Pb包Cu芯光导纤维优点：光纤通讯：100Km 无需中继放大 电缆通讯：2Km 需中继放大一根光纤 可传5000门电话，或四条电视频道光纤通讯无电磁、噪声和干扰，通讯质量很高铺设工程大大简化 例如 1000km长通讯：电缆通讯 20万吨Pb 5万吨Cu 光 纤 几十千克 通讯效率：提高 十亿倍以上,2009年诺贝尔物理学奖“光纤之父”高锟1933年出生于中国上海，曾任香港中文大学校长。,瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。由于患阿兹海默症(老人痴呆症一种)的高锟发言有困难，今次演说将由太太黄美芸代为发表。,三、高分子材料,四、复合材料,（1）纤维（或晶须）补强复合材料,（2）第二相颗粒弥散复合材料,（3）梯度功能复合材料,由（1100nm）微粒（晶粒）组成单相或复相材料称为纳米材料,1 纳米材料（1100nm）1 nm103m 106mm109m 1 H原子直径1 0.1nm 1 nm 10（10个H原子并排）,1.3 纳米材料及其应用,2.纳米微粒的基本性质,出现以下新的特性1 小尺寸效应 纳米微粒尺寸小 表面积大、表面能高、高活性2 表面效应3 量子隧道效应和库仑堵塞效应4 介电限域效应,表面效应粒子直径减少到纳米级，表面原子数和比表面积、表面能都会迅速增加；处于表面的原子数增多，使大部分原子的周围（晶场）环境和结合能与大块固体内部原子有很大的不同：表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合，故具有很大的化学活性。,3 库仑堵塞效应库仑堵塞效应是20世纪80年代固体物理所观测到的极其重要的物理现象之一当一个物理体系的尺寸达到纳米量级时这个体系的充电和放电过程是不连续(量子化)的此时充入一个电子所需的能量称为库仑堵塞能(它是电子在进入或离开体系中时前一个电子对後一个电子的库仑排斥能)所以对一个纳米体系的充放电过程中，电子不能连续地集体传输(而是一个个单电子的传输)通常称这种在奈米体系中电子的单个运输的特性为库仑堵塞效应。,如果两个纳米金属粒子通过一个隧道结(极小的间隙或极薄的绝缘层)联接起来单个电子从一个奈米金属粒子穿过隧道的势垒(隧道结)到另一个奈米金属粒子的过程称为量子穿隧。为了使单个电子从一个奈米金属粒子穿隧到另一个奈米金属粒子这个电子的能量必须克服电子的库仑堵塞能这种过程就是单电子隧道效应。,3纳米材料与新一代计算机,纳米量子磁盘：尺寸比原来的磁盘缩小104倍存储密度提高104105倍掌上手机、掌上计算机、掌上电视,医用机器人细胞分离 细胞有两部分组成 细丝骨架(620nm)各种器官(线粒体、核、小胞腔）细胞内部染色：未染色细胞在光镜或电镜下观察，衬度很低，分辨率低，通过纳米微粒染色后（采用氯化金酸HAuCl4)，形成金纳米粒子抗体的复合体，它与细胞器官和骨架结合，使衬度变大，分辨率高癌症的早期诊断 利用纳米微粒进行细胞分离技术 可早期发现癌细胞,4纳米材料生物医学,磁性纳米粒子在药物上的应用 磁性纳米材料粒子表面涂覆高分子，外部再与蛋白结合，可以注入生物体中。在外磁场作用下，通过纳米粒子的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向局部治疗（治疗癌症）,孕妇血检 用纳米微粒很易将血样中极少 量胎儿细胞分离出来,简易可行 判断胎儿细胞是否有遗传缺陷,5 纳米材料在国防中的应用,1）纳米隐身材料,原理：1）纳米尺寸远小于红外及雷达波长，透过率极大，反射率大大降低 2）纳米微粒的比表面积比常规粉粒体大34 个数量级。吸收率极强，使反射信号的强 度大大降低，起隐身作用,纳米Al2O3、Fe2O3、SiO2和TiO2的复合粉纳米磁性材料纳米B化物、C化物，纳米碳管，,2）纳米透波材料,为了击中目标，导弹头部装有红外线自动跟踪装置并能自动调节飞行方向，这样导弹头部外壳材料（头罩），不仅要耐高温、高压，还要有透过红外线或雷达波,一般采用纳米多晶陶瓷纳米晶玻璃对于温度要求不太高，如雷达天线罩、高能陀螺仪窗口材料，也可采用添加纳米陶瓷微粒的聚合物复合材料,纳米材料由于比表面积大，表面活性大，对环境、气氛、温度、湿气、辐射特敏感，灵敏度高红外传感器：金属纳米粒子膜具有强的从可见光到红外线整个范围内的光吸收率。战场军用时，可测出敌方人员、武器装备等与背景之间的微小温度差气敏（化学)传感材料：利用TiO2、ZrO2、Sn2O3等材料组成的传感器，可用于O2、N2等气氛的预报与控制，化学药剂、可燃气体湿度变化的预报与控制,3）纳米传感材料,1.4 晶体和非晶体材料1.固体性和流动性说明：液体可以用两种方式固化(1)不连续的到晶态固体(2)连续的到非晶态固体路径:发生在足够低的冷却速率下的降温过程 发生在足够高的冷却速率下的降温过程小的斜率表明固体具有低的热膨胀系数这种特征晶体和非晶体是按固体材料组成的原子排列的不同而划分的非晶体：长程无序，短程有序，介稳相，亚稳相晶体：长程有序,玻璃体（非晶体）的通性,一、各 向 同 性,二、介稳性,四、由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性,三、凝固的渐变性和可逆性,一、各向同性均质玻璃其各方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导热系数等都相同（非均质玻璃中存在应力除外）。玻璃的各向同性是其内部质点无序排列而呈现统计均质 结构的外在表现。二、介稳性热力学高能状态，有析晶的趋势动力学高粘度，析晶不可能，长期保 持介稳态。,由熔融态向玻璃态转变的过程是可逆的与渐变的，这与熔体的 结晶过程有明显区别。,三、凝固的渐变性和可逆性,第一类性质：玻璃的电导、比容、粘度等 第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等 第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等,四、由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性,玻璃体（非晶体）的形成,玻璃形成的热力学观点,形成玻璃的动力学手段,把晶相转变所得的玻璃态物质称“无定形固体”；把液相转变所得的玻璃态物质称“玻璃固体”。其差别在于形状和近程有序程度不同。,玻璃形成的热力学观点,熔体有三种冷却途径(释放的能量大小不同)：1、结晶化 2、过冷后在Tg温度下“冻结”为玻璃 3、分相注：玻璃化和分相后由于玻璃与晶体的内能差值不大，故析晶动力较小，实际上能保持长时间的稳定。,Gv越大析晶动力越大，越不容易形成玻璃。Gv越小析晶动力越小，越容易形成玻璃。,SiO2 Gv=2.5;PbSiO4 Gv=3.7 Na2SiO3 Gv=3.7 玻化能力：SiO2 PbSiO4 Na2SiO3 众多科学家从：H、S等热力学数据研究玻璃形成规律，结果都是失败的！热力学是研究反应、平衡的好工具，但不能对玻璃形成做出重要贡献！,形成玻璃的动力学手段1、Tamman观点：影响析晶因素:成核速率Iv和晶体生长速率u 需要适当的过冷度：过冷度增大，熔体粘度增加，使质点移动困难，难于从熔体中扩散到晶核表面，不利于晶核长大；过冷度增大，熔体质点动能降低，有利于质点相互吸引而聚结和吸附在晶核表面，有利于成核。,过冷度与成核速率Iv和晶体生长速率u必有一个极值。,Iv=P*D其中：P临界核坯的生长速率 D相邻原子的跃迁速率,D,P,Iv,T,速率,一方面：T 粘度 质点运动困难，难于扩散到晶核表面，不利于成核和长大。,另一方面：T 质点动能 质点间引力 容易聚集吸附在晶核表面，对成核有利。,结论,Iv呈极值变化,过冷度T=TMT,U=Bexp(-Ga/kT)*1-Bexp(-Gv/kT)其中：项质点长程迁移的影响 项与Gv有关，晶体态和玻璃态两项自由能差.Gv H T/Te,项,项,T,U,结论,U呈极值变化,速率,非晶结构与晶体结构比较,2.晶体的宏观特性a、规则的几何外形b、晶面角守恒，属于同一晶种的晶体两个对应晶面间的夹角恒定不变c、有固定的熔点 为什么当温度达到熔点时继续加热温度不升高，而等到全部融化后才升高呢？这是因为融化的过程就是晶体长程序解体的过程，破坏长程序所需的能量就是平常说的熔解热，所以晶体具有一定的熔点，表明晶体内部结构的规则性是长程序的。d、物理性质的各向异性：晶体各向异性，非晶体各向同性,晶体结构例子,g-Fe,a-Fe,晶体结构例子,g-Fe,fcc,CuAu,tetragonal,总结晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间 呈周期性重复排列（periodic repeated array）即存在长程有序（long-range order）性能上两大特点：固定的熔点（melting point）,各向异性（anisotropy）,3 非晶态和晶态之间的转化晶态：稳定相 G低非晶态:亚稳相 G高非晶晶转化总需要克服一定能垒，向吉布斯自由能减小的方向移动热力学角度：向吉布斯自由能低的相转变动力学角度：转化难以实现金刚石（亚稳相）石墨（稳定相）动力学原因使得金刚石可以永存举例说明在材料制备中如何根据实际需要控制材料的结晶状况？,4.单晶和多晶单晶：周期性排列（原子的排列）连续的 多晶：晶粒：凸形，比表面积最小 晶界：晶粒间边界 多晶是否有各向异性看怎么排列，晶粒若排列有序则有，若晶粒表现各种取向则各向同性。晶粒/晶界单胞/周期原子/对称原子核/电子毫米微米 纳米埃 埃,晶界 1、定义：2、晶界上的特性：晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快速扩散的通道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界上有许多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态，故能阶较高，使晶界成为固态相变时优先成核区域。,3、晶界结构的分类：(1).按两个晶粒之间夹角的大小来分：小角度晶界(约2o3o)大角度晶界(2).根据晶界两边原子排列的连贯性来分：,共格晶界半共格晶界非共格晶界:,共格晶界:界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向，越过界面原子面是连续的 半共格晶界:晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面位错线附近发生局部晶格畸变。非共格晶界:界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸变的原子排列。,Al2O3的晶粒与晶界,总结,晶体,单晶体,多晶体,习题,1、根据性能和用途可将材料分为几类？举例说明。2、你认为材料中的化学问题有哪些？3、谈谈对纳米材料的认识。4、玻璃体（非晶体）形成的条件是什么？为什么亚稳态的玻璃体在一定的条件下能稳定存在？,