XX年 材料化学基础 第12章

XXXX年年 材料化学基础材料化学基础 第第1212章章 材料化学基础II主讲李志成中南大学材料科学与工程学院材料化学 研究所 无机材料部分 新能源材料与器件的研究与开发 锂离子电池 特 别是陶瓷锂离子电池 材料及器件 固体氧化物燃料电池 SOFC 相关 的材料 功能陶瓷材料的设计 制备与表征 热敏材料 铁电材料 压电 材料等 特殊陶瓷材料 微晶玻璃材料及应用 多孔陶瓷 泡沫 陶瓷 微晶玻璃等及其应用 Present ResearchInterests课程参考书 无机材料物理化学 贺藴秋 王 德平 徐振平编编著 化学工业出版社 xx 无机材料科学基础 宋晓岚黄学辉主编 化学工业出版社 xx 无机材料科学基础 陆佩文主编Part I上课考勤 15 Part II课外作业和课堂作业 15 Part III课程期末考试 闭卷 70 课程综合成绩由以下三部分组成Cou rse Evaluation第一章课程背景与材料简介第二章化学键与晶体结构第 三章固溶体与缺陷化学第四章熔体与玻璃体第五章扩散与相变第六 章固相反应与烧结课程目录Course Introduction材料化学基础是材料科学与工程专业材料化学方向本 科生的专业基础课 也是该方向课程体系的必修课程 本课程包含 无机材料物理化学 与 高分子材料化学 课程 分2 学期进行 本部分课程主要讲述固体化学的基本理论与知识 涉及材料的键合 与晶体结构 缺陷化学与结构特征 扩散 相变与固相反应 为无机材料的开发 制备与研究打下良好的专业基础 固体物理 固体化学 材料科学的关系三者互相渗透交叉 相互重叠 补充 共同担负着解决新材料的科学技术问题 固体物理固体化学材料科学在分子的层次上 着重研究固体物质的化 学反应 合成方法 晶体生长 化学组成和晶体结构 研究晶体结构 缺陷及其对物质的物理及化学性质的影响 探索固体物质作为材料实 际应用的可能性 它既是无机化学和物理化学两门学科中的一个重要分支 又是材料科 学发展的重要基础之一 在原子的层次上 侧重研究构成固体物质的原子 离子及电子的运动 和相互作用 从而提出各种模型和理论 以阐明固体的结构和物性 Course Introduction固体化学 固体物理 材料科学的关系三者互相渗透 交叉 相互重叠补充 共同担负着解决新材料的科学技术问题 固体物理固体化学材料科学材料科学则是在固体物质的宏观结构层 次上 解决如何将固体物质制成可以实际使用的结构或器件 使之具 有一定的形态 如纤维 薄膜 陶瓷体 集成块等 和规定的结构和 性质 如具有特定的热 力 光 电 声 磁 化学活性等功能 Course Introduction材料化学领域的研究热点和前沿问题新的反应和合成 方法非化学计量化合物表面 界面 晶界异常价态 价态起伏功能材 料纳米材料 低维化合物薄膜材料与涂层Course Introduction固体化合物及无机材料是通过各种化学反应制备的 传统晶体生长方法固相高温烧结 提拉 坩埚下降 水热 区熔 熔盐培养等新技术与方法蒸发和溅射等制膜方法 及其他各种合成的 新技术 如外延技术 化学气相沉积 急冷高转速制备非晶态薄膜等 利用离 子注入法进行掺杂 利用溶胶 凝胶法制备超细粉末和纳米粉体 利用固态电解法制备高纯稀土金属 利用极端条件进行合成 超高压 超低真空 超高温 超低温 失 重 高能粒子轰击 爆炸冲击与强辐照等 材料化学领域的研究热点和前沿问题非化学计量化合物的微观本质 则是离子的非正常价态和由此产生的晶格中的扩展缺陷 其中所包含的高浓度点缺陷 在高温下可能处于无序的固溶体中 但 随着温度的降低 点缺陷可能发生缔合 成簇 聚集成为局域有序的 点缺陷缔合体和超结构 进而可能聚集成一定结构的相 因此非化学计量化合物的化学是涉及晶体结构 缺陷结构和固体中 化学键等方面的问题 Course Introduction新的反应和合成方法非化学计量化合物表面 界面 晶 界异常价态 价态起伏功能材料纳米材料 低维化合物薄膜材料与涂 层材料化学领域的研究热点和前沿问题新的反应和合成方法非化学 计量化合物表面 界面 晶界异常价态 价态起伏功能材料纳米材料 低维化合物薄膜材料与涂层这种有序性及缺陷决定了固体材料的使 用性能 e g 高温超导体YBa2Cu3O7 x就是一类具有二价和三价铜的混合价态的非整比化合物 其他具有混合价态的非整比化合物有如La xSr1 x FeO3 ZrM xO2 SnO2 x等 它们的电学 磁学和催化特性正日益引起人们的关注 如何在无机固态物质中有意识地消除或引入缺陷成了材料设计中令 人感兴趣的问题 对探寻新型的无机功能材料是非常有意义的 Course Introduction材料化学领域的研究热点和前沿问题新的反应和合成 方法非化学计量化合物表面 界面 晶界异常价态 价态起伏功能 材料纳米材料 低维化合物薄膜材料与涂层Course Introduction粉末原料的粒度和表面状态将影响反应速度 扩散速 度和反应过程 反应产物的粒度 表面状态与形态将影响其性能 如 荧光粉的发光性能 气敏传感物质的重现性和选择性等 为要制得高存储密度的磁粉 提高催化剂和化学活性以提高化学反应 的速度 要求制备表面积很大的纳米粉末 因而纳米粉末的制备 保 存和表征的研究备受关注 陶瓷物质的晶界对其性能有重要的影响 改善晶界的状态将可提高精 细结构陶瓷的耐高温性能和克服其脆性 同时也是进一步提高陶瓷高 温超导体的临界电流密度的关键问题之一 材料化学领域的研究热点和前沿问题新的反应和合成方法非化学计 量化合物表面 界面 晶界异常价态 价态起伏功能材料纳米材料 低维化合物薄膜材料与涂层Course Introduction由于价态的不同 可赋予元素完全新的性质而具有新的 用途 因此 异常价态的研究具有重要的理论意义和实际意义 由于新反应的出现和采用新的技术 已不断发现一些元素的异常价态 如Fe4 Nd4 Dy4 Dy2 Nd2 和Cu3 等 在合成中研究离子不等价的取代 可使化合物中的一些变价元素的价 态发生改变或产生混合价态 从而可使化合物的性能发生明显的变化 例如 可使绝缘体 半导体 导体 超导体之间发生相互转变 或使 抗磁体 顺磁体 反铁磁体 铁磁体之间发生相互转变 新的反应和合成方法非化学计量化合物表面 界面 晶界异常价态 价态起伏功能材料纳米材料 低维化合物薄膜材料与涂层材料化学 领域的研究热点和前沿问题Course Introduction纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技 是一门在0 1 100nm 零维 一维或二维 尺度空间内 研究电子 原子和分子运动规律和特性的高技术学科 其涵义是人类在纳米尺寸范围内认识和改造自然 最终目标是通过 直接操纵和安排原子 分子而创造特定功能的新物质 新的反应和合成方法非化学计量化合物表面 界面 晶界异常价态 价态起伏功能材料纳米材料 低维化合物薄膜材料与涂层材料化学领 域的研究热点和前沿问题Course Introduction功能材料是指那些具有优良的电学 磁学 光学 热 学 声学 力学 化学 生物医学功能 特殊的物理 化学 生物 学效应 能完成功能相互转化 主要用来制造各种功能元器件而被 广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料 功能材料及其应用技术正面临新的突破 诸如超导材料 微电子材 料 光子材料 信息材料 能源转换及储能材料 生态环境材料 生物医用材料及材料的分子 原子设计等正处于日新月异的发展之 中 发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优 势的重要手段 新的反应和合成方法非化学计量化合物表面 界面 晶界异常价态 价态起伏功能材料纳米材料 低维化合物薄膜材料与涂层材料化学领 域的研究热点和前沿问题Course Introduction科技发展 性能提高 微小化等的要求 薄膜与涂层 材料越来越呈现其可行性与重要性 相关研究与技术正成为热点与 关键 摩擦 装饰 表面改性导电与电磁领域 片式结构 光学领域 光 伏转换 催化等 电子材料与器件 集成电路 Course Introduction了解材料的组成与结构及它们同合成与制备之间 性 能与使用效能之间的内在联系 一直是材料科学与工程的基本研究 内容 Course Introduction材料无机材料有机高分子材料Pure MetalsMetallic AlloysIntermetallics AmorphousMetals Constructionceramics Ceramiomposites Functionalceramics 金属材料非金属材料 一 基本概念与分类按化学组成分类复合材料 一 基本概念与分类按物理性质分为导电材料 绝缘材料 半导体 材料 磁性材料 透光材料 高强度材料 高温材料 超硬材料等 按物理效应分为压电材料 热电材料 铁电材料 非线性光学材料 磁光材料 电光材料 声光材料 激光材料等 按用途分为电子材料 电工材料 光学材料 感光材料 耐酸材料 研磨材料 耐火材料 建筑材料 结构材料 包装材料等 一 基本概念与分类按照固体微观结构形态分晶态和非晶态 晶态固体结构最基本的特点是原子排列的长程有序性 即晶体的原子 在三维空间的排列沿着每个点阵直线的方向 原子有规则地重复出现 如钛酸钡 金红石等 非晶态固体结构中 原子排列没有这种规则的周期性 即原子的排列 从总体上是无规则的 但是近邻原子的排列是有一定的规律 即短程有序 如玻璃 高聚物 等 DEFINITION 定义 无机非金属材料 无机非金属材料 inorganic nonmetallicmaterials 是是以某些元素的氧化物 碳化物 氮化物 卤素化合物 硼化物以及硅酸盐 铝酸盐 磷酸盐 硼酸盐等物 质组成的材料 是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的 统称 无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后 随着现代科学技术的 发展从传统的硅酸盐材料演变而来的 无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之 一 Al2O3 BaTiO3 SiO2 Si3N4 一 基本概念与分类两种主要类型传统陶瓷Advanced ceramics适于传统应用领域的材料 如日常用品 餐具 结构材 料 砖 瓦 一 基本概念与分类传统陶瓷与现代陶瓷Advanced ceramics路 桥梁 房屋Cements水泥研磨膏 抛光膏 Abrasives 研磨料 窗户 酒瓶 餐具 灯管Glasses玻璃炉窑 坩锅Refractor ies耐火材料餐具 装饰陶瓷Whitewares细陶瓷制品砖 管 地板 墙等材料Structural clay 粘土 产品及应用 一 基本概念与分类两种主要类型传统陶瓷传统陶瓷与现代陶瓷Tra ditional ceramics先进陶瓷着眼于特定功能应用的陶瓷材料 磁magic 电ele ctrical 光optical 生物biomedical 化学chemical 热thermal properties 如火箭隔热瓦 人造骨 牙 电子设备组件 刀具等 一 基本概念与分类传统陶瓷与现代陶瓷两种主要类型Almost anywhereChemistry industry 化工 various devices corrosion high temperature Power industry 电力 insulator Lighting 照明 glass phosphors Constructionalindustry 建筑 brick cement Metallurgy 冶金 refractory materials Electricity 电子 electric elements 如果A有 2个未成对电子 B只有1个 则A可与两个B化合形成AB2 2 2共价键与共价键晶体 二 化学键与晶体类型2 2 1共价键理论价 键理论 Valence bondtheory 杂化轨道理论略 请同学们自己查阅相关资料进行详细了解 SiO2的四面体结构 包含 硅和氧原子之间的共价键 共价键是有方向性的 对硅来说在形成的 四面体结构中 每个共价键之间的夹角约为109 共价键材料在外力 作用下可能发生键的破断 共价键材料常是脆性的 如玻璃产品 109 2 2共价键与共价键晶体 二 化学键与晶体类型 1 共价键晶体中 无自由电子 无离子 故典型的共价键晶体应为 绝缘体 2 共价键晶体对光具有较大折射率及大的吸收系数 3 由于简历强度很大 一般熔点和硬度比较高 4 共价键晶体中仅含 有成双的电子时 不具有磁力矩 是抗磁性的 但事实上 共价晶体的特性差别较大 例如从熔点来看 金刚石约为3280k 而Si为1693k Ge为1209k 从 导电性来看 金刚石是一种良好的绝缘体 而Si和Ge在极低温度下 才是绝缘体 同时它们的电阻率随温度升高而急速的下降 是典型 的半导体材料 2 2共价键与共价键晶体 二 化学键与晶体类型2 2 2共价键晶体的 特点2 3金属键与金属晶体 二 化学键与晶体类型 金属晶体中金属 原子最外层电子的电离能较低 易于脱离原子束缚 在整个晶体空 间运动 形成自由电子 金属晶体被描述为浸泡在自由电子气中的正离子集合 而金属正离 子和 自由电子 之间的静电相互作用力被称作金属键 金属键一方面与共价键相似 靠公用自由电子产生原子间的凝聚力 另一方面又与离子键类似 是正负电荷之间的静电作用 金属键没有饱和性和方向性 电子云的分布可看作是球形对称的 故形成的金属晶体结构大多为具有高对称性的紧密排列 在金属中 将原子维持在一起的电子并不固定在一定的位臵上 即 金属键是无方向性的 因此当金属弯曲和原子企图改变它们间的彼此关系时 只是变动键 的方向 并不使键破坏 如图 这就使金属具有良好的延性 并可变形成为各种有用的形状 2 3金属键与金属晶体 二 化学键与晶体类型 金属键也使金属成为 良导体 在外加电压影响下 价电子运动 见图 利用金属键可以解释金属的导电性 导热性 金属光泽以及正的电 阻温度系数等一系列特性 2 3金属键与金属晶体 二 化学键与晶体类型特点 由正离子排列 成有序晶格 各原子最 及次 外层电子释放 在晶格中随机 自 由 无规则运动 无方向性 原子最外壳层有空轨道或未配对电 子 既容易得到电子 又容易失去电子 价电子不是紧密结合在 离子芯上 键能低 具有范性形变 三 晶体结构简述材料的宏观性能 力学性能 物理性能和化学性 能 和工艺性能 如铸造性能 压力加工性能 机加工性能 焊接 性能 热处理性能等 取决于其微观的化学成分 组织和结构 化学成分不同的材料具有不同的性能 而相同成分的材料经不同处 理可能产生不同的组织 结构 则将具有不同的性能 在化学成分 组织和结构中 晶体结构又是最关键的因素 材料的物理性能根本上是由物质结构特性 即晶体结构化 学键的 性质和电子结构 决定的 了解晶体结构 晶体中原子和电子的状态 有助于分析和研究材料 性能参数的物理现象和物理本质 有助于通过理论与计算预测及设 计材料的相组分 结构与性能 三 晶体结构简述在几何结晶学中 把晶体内部的原子 离子或原 子集团等结构基元抽象成几何的点 实际晶体就可以用三维点阵代 替 晶体的结构可以看成是由几何点阵组成的具有空间格子构造的 固体 晶体是内部质点 原子 离子或离子团 在三维空间作周期性重复 排列的固体 即晶体是具有规