环境功能材料1材料基础知识.ppt

1,环境功能材料,environment functional materials,2,课件下载地址,百度网盘 账户： 密码：wangchuan437 王川主楼329,3,环境功能材料,本课程中指能够净化、治理、修复环境的材料，与环境工程材料的涵义基本相当，包括环境净化材料、环境治理材料、环境修复材料等。 注意与本科课程环境材料的概念的区别。,4,环境功能材料用途,化学污染控制：水、大气、固废 物理污染控制：噪声、辐射、电磁波 环境修复 ： 水、大气、土壤,5,1冯玉杰环境功能材料化学工业出版社 2华坚环境污染控制工程材料化学工业出版社,6,讲 授 内 容,一、材料学基础 二、各种环境功能材料,7,课程特点,针对某一种环境功能材料，泛泛概述性的内容仅占一小部分，主要目的是帮助同学回忆基本概念，基本原理。 会选择某一类中最常用的材料做详细介绍，既包含材料在环境中的应用，也包含材料本身的制备过程等。 重视材料学基础，从材料的化学成分、组织结构等解释功能特性。从材料的专业角度去看待环境过程。,8,第一章 材料学基础,一、材料的发展史及分类 二、材料的成分与组织结构,9,第一节 材料的发展史及分类,10,一、材料的定义,材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质。,11,二、材料的发展史,材料是人类社会进步的里程碑,12,人类使用材料的七个时代,1石器时代：公元前10万年 2青铜器时代：公元前3000年 3铁器时代：公元前1500年 4陶器时代：公元元年 5钢时代：1800年 6硅时代：1950年 7新材料时代：1990年,13,1.石器时代,公元前10万年 旧石器时代：工具制作粗糙，用途尚未分化 新石器时代：对石料进行加工，得到不同用途的石器,14,2.青铜器时代,公元前3000年 出现了添加锡、铅的铜合金 熔点低，铸造性能良好 用作武器、生活用具、生产工具等,15,3.铁器时代,公元前1500年 高温下用木炭还原铁矿石生产铁 强度较高，可加工性能良好 用作武器和器件,16,4.陶器时代,粘土制作简单的陶器 在公元元年左右，高温烧制陶器而形成瓷器 瓷器由于局部熔化而变得更加致密坚硬，克服了陶器多孔与透水的缺点,17,5.钢时代,1800年左右 钢：含碳量0.2% - 2.11% 高温下具有高强度蒸汽机 农业经济社会进入工业经济社会 导致了大规模的机械化生产，引起了第一次产业革命，即工业革命,18,6.硅时代,1950年 爱迪生效应二极管，三极管电子管时代 硅、锗半导体材料的出现晶体管取代电子管进入硅时代 单晶硅生产集成电路微型化,19,7.新材料时代,1990年 具有一般传统材料所不可比拟的优异性能和特定性能 特征： 由多种材料决定社会和经济发展 以人造为特征 为了特定的需要设计和加工而成,20,三、材料科学与工程,21,材料科学,通过材料本质的发现、分析和了解等方面的研究，提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释材料结构与性能之间的关系的科学。,22,材料工程,有关材料成分、结构、工艺和性能与用途之间有关知识和应用的科学。把基础知识应用于材料的研制、生产、改性和应用，以完成特定的社会任务,23,材料科学四要素,1）成分/结构(Composition/Structure)：影响其性质的直接因素,成分/结构,合成/加工,性质,效能,4）效能(Performance)（使用性能或效果）：是指材料在使用条件下的表现，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线，乃至寿命估计等,3）性质(Properties) （性能）：力学性质、物理性质和化学性质,2）合成/加工(Synthesis/Processing)：改变材料的组织结构而影响其性质,24,四、材料的分类,1按化学成分、生产过程、结构及性能特点分类：,1）金属材料：以金属元素为基础的材料,优良的力学性能，特别是高强度和高韧性；优良的可加工性,a.铁及铁基合金 b.非铁金属及其合金,25,2）有机高分子材料,一类由一种或几种分子或分子团（结构单元或单体）以共价键结合成具有多个重复单元的大分子材料,特点：种类多、密度小，比强度大，电绝缘性、耐腐蚀性好、加工容易，可符合多种、特种用途的要求,26,27,3）无机非金属材料,除金属材料、有机高分子材料以外的几乎所有材料,特点：耐高温、高硬度、抗腐蚀，以及优良的介电、压电、光学、电磁性能及其功能转换特性等,28,4）复合材料,由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的材料,（1）按基体可分为金属基、有机高分子基、无机非金属基复合材料 （2）按用途可分为结构复合材料和功能复合材料,29,2按使用性能分类,1）结构材料：以力学性能为主的材料的统称 2）功能材料：以特殊物理性能或化学性能为主的材料的统称,30,4按物理性质分类,导电材料 半导体材料 绝缘材料 高温材料,高强度材料 磁性材料 超导材料 透光材料,31,6按用途分类,电子材料 研磨材料 电工材料 光学材料,建筑材料 感光材料 耐酸材料 包装材料,32,第二节 材料的成分与组织结构,33,一、材料的成分与结构,材料的成分：指组成材料的元素种类及其含量 通常用质量分数（）或粒子数分数（x）表示,34,材料的结构,指材料中原子（离子或分子等）的排列方式 材料原子、离子和分子间的结合键决定材料的性质,35,晶体,晶体：由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间作有规律的周期性重复排列而形成的固体,近程有序、远程有序,36,非晶体,非晶体：质点在三维空间不呈周期性的规则排列 近程有序、远程无序,37,晶体与非晶体的区别,质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列（晶体具有自范性） 晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体无明显熔点，只存在一个软化温度范围 晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性,38,单晶体与多晶体,单晶体：质点按同一取向排列，由一个核心（晶核）生长而成的晶体,多晶体:由许多不同位向的小晶体(晶粒)所组成的晶体 各向同性假等向性,39,c,晶体的几个定义,1）阵点：将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子）抽象成纯粹的几何点称为阵点。,2）空间点阵（简称为点阵）：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周围环境的模型。,3）晶格：作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的几何格架称为晶格。,4）晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。,5）晶胞参数：晶胞三条棱边（晶轴）的边长a、b、c及晶轴之间的夹角、称为晶胞参数。,b,a,40,晶系与布拉菲点阵,根据晶胞的外形，即晶轴长度和晶轴夹角将晶体分为七大晶系： 立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、三方（菱方） 十四种布拉菲点阵： 立方：简单立方，体心立方，面心立方 四方：简单四方，体心四方 正交：简单正交，底心正交，体心正交，面心正交 六方：简单六方 单斜：简单单斜，底心单斜 三斜：简单三斜 三方（菱方）：简单三方（菱方）,41,三斜：abc 90o,单斜：abc =90o,正交：abc =90o,四方：a=bc =90o,菱方：a=b=c =90o,六方：a=bc =90o，=120o,立方：a=b=c =90o,底心,体心,面心,42,体心立方,简单立方,面心立方,三种立方晶体结构,43,晶体形成的途径,熔融态物质凝固 溶质从溶液中析出 气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华),44,晶体的组成,多元晶体：由两种或更多元素组成 组成方式：固溶体和化合物 固溶体：加盟组元（溶质）原子占据基本组元原子晶体中所占位置的一部分或它们之间的某些空隙，而仍保持基本组元（溶剂）的晶体结构,化合物：加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成新的晶体结构,45,晶体的缺陷,晶体结构缺陷的类型： 1. 点缺陷：零维缺陷 2. 线缺陷：一维缺陷，位错 3. 面缺陷：二维缺陷,46,点缺陷,指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的间隙原子而导致的缺陷。缺陷尺寸很小，仅引起几个原子范围的点阵结构的不完整,(a)空位,(b)杂质质点,(c)间隙质点,47,线缺陷,线缺陷：晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象,刃位错,螺位错,48,面缺陷,在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，如晶界、相界等,49,二、材料的组织,在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各组成相形态、尺寸及分布的图像,50,三、材料成分和组织结构的检测,高分辨率透射电子显微镜（HRTEM） 扫描电子显微镜（SEM） 扫描探针显微镜/扫描隧道显微镜（SPM/STM） 原子力显微镜（AFM） X射线衍射（XRD） 热重/差热分析/差示扫描量热法（TG/DTA/DSC） BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法）,51,高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）,高压电子束穿过很薄的样品，阻止电子通过的样品区域呈现出图像 分辨率可达0.1nm，放大倍数在150万倍以上,52,透射电镜的成像原理类似于医学X光片子,53,透射电子显微镜：线粒体,54,大肠杆菌,55,珊瑚沙,56,铁纳米颗粒,57,纳米纤维,58,扫描电子显微镜（SEM）,电子束在试样表面扫描，用探测器收集相关信息，逐点逐行地在显像管上显示出来 分辨可达0.6nm,59,红细胞,60,舌乳头,61,胃壁腺体,62,63,64,65,66,67,68,扫描隧道显微镜（STM）,将探针靠近导电样品表面对其进行扫描, 样品和探头之间的隧道电流可连续监测, 获得其表面图像。 横向分辨本领高达0.10.2nm，而深度分辨率为0.01nm。 可以在超高真空，真空，大气，液体中无损伤地直接观察物质表面结构。直接观察和移动原子,GBinnig和HRohrer于1981年发明，获得1986年诺贝尔物理学奖,69,扫描隧道显微镜（STM）,STM image of oxygen atom lattice on rhodium single crystal; part of study of electrocatalysis. 4nm scan Source: Purdue University.,70,扫描隧道显微镜（STM）,STM image showing single-atom defect in iodine adsorbate lattice on platinum. 2.5nm scan,71,原子力显微镜（AFM）,利用针尖和试样原子间的相互微弱作用力来获得试样表面的形貌图像 可用于研究绝缘体，半导体及导体，也可对DNA分子进行切割,72,X射线衍射（XRD）,X射线与晶体相遇时能发生衍射现象。当一束单色X射线入射到晶体时，原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关 通过晶体的衍射探测其结构,73,1SiO2 2 CaCO3,建筑垃圾的XRD图谱,74,方沸石及混合物的XRD图谱,75,热重/差热分析（TG/DTA）,热重法(TG):在温度程序控制下，测量物质质量与温度之间关系的技术 差热分析(DTA)：在温度程序控制下，测量物质的温度和参比物温度差和温度关系的一种技术,76,热重曲线（TG）,CaCO3的热重曲线,77,DTA曲线,78,BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法）,Brunauer-Emmett-Teller三人提出多分子层理论的公式简称为BET公式 利用压力和氮气吸附量的关系绘图，就可以通过氮气的单层物理吸附计算出样品的比表面积，也能测定孔径分布，孔容积,79,其它的方法,红外光谱（IR） 紫外可见光光谱（UVVis） X射线光电子能谱（XPS） 俄歇能谱（AES) 核磁共振（NMR）,80,作 业,1.试述环境学科与材料学科之间的关系。 2.通过对材料学科的认识和了解，你认为会对你的研究方向带来怎样的启示。,81,END!,82,83,84,85,86,问题 1,什么叫材料？ 人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质,87,问题 2,人类使用材料经历了哪七个时代？ 1石器时代 2青铜器时代 3铁器时代 4水泥时代 5钢时代 6硅时代 7新材料时代,88,问题 3,材料科学四要素是什么？,成分/结构,合成/加工,性质,效能,89,问题 4,材料按化学成分、生产过程、结构及性能特点分为哪四类？ 金属材料 有机高分子材料 无机非金属材料 复合材料,90,问题 5,材料按照使用性能分为哪两类？ 结构材料 功能材料,91,问题 6,材料按照结构分为哪三类？ 晶态材料 非晶态材料 准晶态材料,92,问题 7,什么叫材料的结构？ 指材料中原子（离子或分子等）的排列方式,93,问题 8,试述晶体与非晶体的区别。 质点是否在三