一种吖啶酯类化学发光化合物的合成.ppt

1、化学与分子科学学院,材料科学进展,教学大纲,第1章 绪 论,1.1 人类文明的基础 材料 1.2 材料的分类 1.3 材料与材料科学 1.4 新材料研究的特点与发展趋势,1.1 人类文明的基础 材料,材料：人类用来制造一切工具、器物、用品的物质。,能源、材料和信息被称为人类社会发展的三大支柱。 所谓能源指的是提供能量的自然资源。人类的文明始于火的使用，燃烧把化学和能源紧紧地联系在一起。 人类巧妙的利用化学变化过程中所伴随的能量变化，创造了五光十色的物质文明。,1.1.1 材料的基本涵义,使用性能(物理),具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质称为材料。 材料包含有四个要素：材料的

2、制备(加工)、材料的结构、材料的性能和材料的用途。 四个要素是相互关联、相互制约的，如下图所示：,1.1.1 材料的基本涵义,结构/成分(物理),合成/加工(工程),性质(化学),1.1.2 文明的发展与材料的关系,19世纪中叶丹麦考古学家克吉汤姆森(C J Thomsen 1788-1865)根据人类历史的发展，提出了 石器时代、青铜时代、铁器时代的分期方法。,近代的分法,1. 石器时代. 2. 陶器时代. 3. 青铜时代. 4. 铁器时代. 5. 聚合物时代.,6. 半导体电子材料时代. (新陶器时代先进陶瓷). 7. 复合材料时代. 8. 信息时代. 9. 航空航天时代。 10.纳米材料

3、时代,三叉形玉器（新石器时代）,圆形玉器（新石器时代）,1.1.2 文明的发展与材料的关系,陶器时代,人类文明进入新石器时代后期制造陶器是一种普遍的世界现象， 如果说陶器时代是人类文明发展必经的时代，那么瓷器则是中国的“独家发明”。 瓷器虽然没有列进中国历史上的四大发明，但世界上均承认瓷器是中国人的一大创造。英文中的“中国”和“瓷器”是同一个单词“CHINA”。 瓷器制造要比陶器晚得多。是中国人把粗陋的陶提升为精美的瓷器，从器物上升为艺术。,1.1.2 文明的发展与材料的关系,陶和瓷的区别,陶器的主要原料是粘土，有什么土就用什么土， 制瓷要精选的瓷土，尤其是采用景德镇人发现的高岭土，高岭土对于

4、提高瓷的光洁性、致密性、白度、硬度、防渗水性等起到了关键性的作用。 高岭土 (kaolin)：有一定比例的长石和石英或其他矿物。 瓷器：原料的颗粒尺寸小得多，焙烧要更高的温度，焙烧的控制也难得多。,1.1.2 文明的发展与材料的关系,青铜时代,青铜是人类历史上的一项伟大发明，是世界冶金铸造史上最早的合金。 青铜器是以青铜为材料，采用一种特殊的工艺(为青铜铸造工艺)制作出来的器物，是古代灿烂文明的载体之一。 青铜时代是以大量使用青铜生产工具、兵器和礼器为特征。,1.1.2 文明的发展与材料的关系,四川三星堆出土的青铜器,青铜鼎,铁器时代,1854年转炉炼钢 1864年平炉炼钢，产量发生飞跃 18

5、90年全世界钢产量2000万吨 电炉冶炼-特殊钢问世 1887年高锰钢 1903年硅钢 1910年不锈钢(Cr18 Ni8),1.1.2 文明的发展与材料的关系,把人类文明带进了现代物质文明时代,半导体材料时代,1946年电子管计算机与1976年的微机比较,1.1.2 文明的发展与材料的关系,1. 体积缩小30万倍. 2. 功耗降低5 万倍. 3. 重量降低6 万倍. 4. 故障率减少，价格下降. 1958-1998 芯片集成度提高100万倍 , 每单元价格下降100万倍,1.1.2 文明的发展与材料的关系,集成电路发展历史,信息时代之光纤通讯,光纤通讯发展历程 技术指标 第1代 第2代 第3

6、代 第4代 波长/微米 0.83 1.3 1.55 2-5 材料 熔石英 熔石英 熔石英+饵 氟化物玻璃 损耗/dB/km 23 0.51 500,1.1.2 文明的发展与材料的关系,1.1.3 材料发展史(5代，无明显界限),材料是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要标志，也是一个时代的重要标志。 人类社会的发展史事实上也是一部材料的发展史，材料与人类的发展和进步息息相关，材料的每一次重大发现及其大量制造和使用，推动人类社会向更新更高的阶段发展。 几百万年来，人类已经跨越了石器时代，青铜器时代，铁器时代，以水泥、玻璃、塑料、橡胶为代表的非金属时代， 21世纪将以复合材料和功

7、能材料为特色。,第1代，天然材料：皮、骨、木、土等。 第2代，烧炼材料：烧结、冶炼材料。 第3代，合成材料：人工合成的塑料、纤维、橡胶等。 第4代，可设计材料：按要求，定向设计、合成，剪裁，复合。 第5代，智能材料：材料的性能随外场、环境、时间而变化。,1.1.3 材料发展史(5代，无明显界限),1.2 材料的分类,1、物理性能分类：热、光、电、磁材料 2、材料按用途可分为结构材料和功能材料。 结构材料主要是利用材料的力学和理化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。 功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。

8、功能材料的最新发展是智能材料。 3、化学属性分类 按组成物质的化学属性，习惯上将材料分为： 金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料(合成材料)、复合材料四大类。,1.2.1、金属材料(metals 耐蚀性优异; 低损耗, 高磁导; 一定的催化性能和贮氢能力. 用途： 变压器、电动机芯、光磁记录、 超大规模集成电路板,1.2.1、金属材料(metals 以更纯粘土与几乎等量的石英和长石, 调制成型后, 1200煅烧, 经涂釉, 升至1400煅烧, 得到带有细釉的“瓷器”. 传统的陶瓷材料是复杂的多晶体，细化晶粒，提高致密程度，减小气孔率，增加附加能量消耗材料相, 可提高陶瓷的强度和韧性.,1.

9、2.2、无机非金属材料(inorganic nonmetal materials),精细陶瓷 (advanced ceramics),结构陶瓷: 指具有高硬、高强、耐磨耐蚀、耐高温和润滑性好等性能, 用做机械结构零部件的陶瓷材料. 氧化铝: 高纯超细氧化铝经高温烧结而得. 使用温度高达1980,用途极广. 高纯氧化铝加入少量Y2O3和MgO等, 特殊烧结, 可得透明陶瓷. 少量Cr2O3与Al2O3形成固溶体, 称红宝石, 是激光材料. 氧化锆: 离子键结合, 性脆. 加入少量Y2O3和CaO等可实现增韧, 得到“陶瓷钢”. 氮化硅: 硬度为9. 低膨胀, 高热导, 可适应温度的急剧变化. S

10、i3N4可与Al2O3形成固溶体, 制得新材料“塞龙(sialon)”. 碳化硅: SiC, 俗称“金刚砂”, 原子晶体. 高温强度极高, 掺杂可制得半导体材料, 制作发热元件. 已用于制造无冷却式陶瓷发动机.,1.2.2、无机非金属材料(inorganic nonmetal materials),功能陶瓷: 指以其固有的特性或通过各种物理因素作用而显示某种新性能的陶瓷材料. 压电陶瓷: 具有压电效应的陶瓷材料. 主要有: 钛酸钡系、钛酸铅系和锆钛酸铅系。用于制造各种换能器和传感器。 晶体受外力作用而形变，同时在对应两个面上产生电荷，晶体带电的大小与外力成正比；相反，在外加电场作用下，在晶体相

11、应面上会产生形变，该现象称“压电效应”. 光导纤维: 光通信关键。SiO2和LaF3已实用化. 固体电解质: AgI离子晶体，Y2O3和CaO稳定ZrO2等. 传感材料,1.2.2、无机非金属材料(inorganic nonmetal materials),高分子材料是一种古老而又年轻的材料。 合成高分子材料从问世到今天不到一个世纪，但在这短短的几十年中，其发展速度却远远超过其它传统材料。在过去的40年中，美国塑料生产猛增100倍，而同一时期钢铁生产却几乎是负增长。 如按体积计算，全世界塑料的产量在90年代初已超过钢铁，高分子材料在世界经济中的作用已变得越来越重要。,1.2.3、高分子材料(P

12、olymers),高分子材料的分类和用途 根据高分子的来源，可将其分为天然高分子和合成高分子； 根据用途则可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂和功能高分子。 自然界存在的天然高分子化合物的发展受到自然条件的限制，在数量和质量上都不能满足人类社会飞速发展的需要。 合成高分子的出现是对人类资源的综合利用，更有利于经济的综合、平衡发展。,1.2.3、高分子材料(Polymers),新型高分子材料：在高分子链上引入有特殊功能的基团制成的材料,1、生物高分子材料：用途：修复、替代人体组织。 2、吸水高分子材料：高吸水、高保水。 日常生活：纸巾；医疗卫生：血液吸收剂、人工玻璃体； 农业：土壤保水剂；工业：

13、干燥剂 空气过滤器 密封材料 3、导电高分子材料：如 聚乙炔导电能力大于铜，电池体积小，可弯曲 4、光电导高分子材料,1.2.3、高分子材料(Polymers),塑 料 是一类常温下具有固定的形状和强度，高温下具有可塑性的高分子材料。 通用塑料：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、ABS树脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、有机玻璃(PMMA,聚甲基丙烯酸甲酯) 工程塑料：尼龙(PA, 酰胺纤维)、聚碳酸酯(PC)、聚酯(PET) 特种塑料：聚四氟乙烯(PTFE)、有机硅树脂,1.2.3、高分子材料(Polymers),橡胶 橡胶是一类具有高弹性的高分子材料，拉伸时

14、能伸长到原长的几倍，拉力撤除后又能恢复到原来的尺寸。 橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。 橡胶的弹性、柔软性、耐磨性、绝缘性和阻隔性都十分优良，用途十分广泛。 工业上，主要用于制备各种轮胎(50%以上)。此外，传送带、马达皮带、自动扶梯把手、印刷用的胶辊、电缆电线的绝缘护套及劳保产品等也都由橡胶制造。 农业上用于制灌溉胶管。 生活中的雨衣、胶鞋、热水袋、球类、玩具、输液管等也是用橡胶制成的。,1.2.3、高分子材料(Polymers),纤 维 使用天然纤维的历史已有好几千年。我国是利用天然纤维最早的国家之一，其中闻名于世的蚕丝更是我们祖先的一项重大发现。 天然纤维的生产也受到自然环境的限制。仅靠天然

15、纤维来解决人们的穿衣问题是非常困难的，唯一的出路是大力发展合成纤维。 合成纤维的出现是在20世纪30年代。1938年第一个化学纤维厂投产，生产尼龙66。此后一系列合成纤维如腈纶、涤纶等先后研制成功。 目前合成纤维的产量已经占工业纤维的100和民用纤维的50%.,1.2.3、高分子材料(Polymers),合成纤维具有比天然纤维和人造纤维更优越的性能：强度高大、弹性好；耐磨、耐化学腐蚀性好；不会发霉，不怕虫蛀；不缩水；做成的衣服美观，坚固耐用。 制备纤维的聚合物必须具备如下条件：很好的防丝性；较高的强度；较好的耐热性；较好的手感、吸湿性、染色性、抗腐蚀和抗霉变性。 最主要的合成纤维有三种：涤纶（

16、聚酯纤维），是最挺括的纤维；锦纶（聚酰胺纤维），最结实耐磨的纤维；腈纶（聚丙烯腈纤维），最耐晒的纤维。,1.2.3、高分子材料(Polymers),涂料是一种液态或粉末状态能均匀涂覆在物体的表面并形成坚韧保护膜的材料。 涂料具有保护、装饰、色彩标志作用，某些涂料还具有防腐、杀菌等特殊功能。 涂料的主要组分有：成膜物、溶剂、颜料和填料、助剂等。 涂料工业正向高质量、低成本、低污染及方便施工的方向发展。绿色环保已成为涂料发展的主题。,涂 料,1.2.3、高分子材料(Polymers),涂料的主要品种 涂料的品种有溶剂型涂料、高固含量涂料、无溶剂辐射固化涂料及粉末涂料等。 合成树脂漆（包括酚醛树脂漆

17、、环氧树脂漆、聚氨酯树脂漆和丙烯酸树脂漆)，形成的漆膜质量较好，硬度高，耐磨性好，涂饰性能好，但使用的有机溶剂量大，会对环境和健康带来不利影响。 乳胶漆（包括聚醋酸乙烯酯涂料和丙烯酸酯系列乳液)属于水性涂料，其最大特点是涂膜的物理性能优异，装饰效果好，耐水性好。耐腐蚀和耐紫外线性能优良。既可以用于中、高档装饰的内墙涂料，也可用作外墙涂料。,1.2.3、高分子材料(Polymers),凡能把同种的或不同种的固体材料表面连接在一起的物质统称为胶粘剂。如自行车补胎用的胶水，信封封口用的糨糊等。 胶粘剂的品种很多，组成不一，但一般都包含以下几种组分：基料、固化剂、溶剂、填料以及其他助剂。 随着经济和科

18、学技术的发展，胶粘剂需求量愈来愈大，并已进入工业、农业、交通、医学、国防以及人们日常生活各个领域，在国民经济中发挥愈来愈大的作用。,胶 粘 剂,1.2.3、高分子材料(Polymers),胶粘剂的种类 溶剂型胶粘剂：如市售的“白胶”，广泛应用于家庭装潢和木材的粘接；再如，仪器的塑料外壳破裂或损坏，将碎片溶于少量有机溶剂中，再涂在断口处并压紧即可修补。 热固性高分子树脂胶粘剂：如用于木材的脲醛树脂和酚醛树脂；用于船体、水坝补漏或飞机、导弹等粘接的环氧树脂；用于粘接塑料、皮革等的聚氨酯等。 橡胶胶粘剂：如补车胎的胶水，房屋建筑防水密闭用的硅橡胶密封胶。 压敏胶粘剂：如包装封口用的压箱带、作文具用的

19、压敏胶带、商场的压敏标签等。,1.2.3、高分子材料(Polymers),两种或两种以上的材料进行有效复合得到的复合型材料。 多相复合材料已成为当前材料研究的重要对象。 自美国创造纤维增强树脂第一例复合材料以来，1942-1960主要着眼于质量轻和高强度；1960-1975主要着眼于高强度和高韧性，用于航空航天部件；由1975年至今，追求多功能复合成为复合材料的主要奋斗目标 目前，主要着眼于如何实现多功能复合和提高性价比,1.2.4、复合材料(Composite Materials),复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚性和耐腐蚀性等比单一材料更为优越，是一

20、类具有广阔应用发展前景的新型材料。,复合材料的种类,1.2.4、复合材料(Composite Materials),纤维(或晶须)增强或补强型复合材料：纤维增强有机聚合物复合材料已有广泛应用。 纤维增强金属基复合材料估计仍以碳纤维或碳化硅纤维增强铝基和钛基复合材料为主； 纤维补强陶瓷基复合材料则以碳化硅或其他无机纤维为补强剂，基体则以非金属陶瓷为主。,复合材料的种类,1.2.4、复合材料(Composite Materials),第二相颗粒弥散复合材料：以无机化合物弥散金属基复合材料是当前颇具吸引力的材料。 碳化硅颗粒增强铝基或钛基复合材料在改善高温性能方面显示出明显的效果。 碳化钛和二硼化锆

21、弥撒的碳化硅基复合材料的强度与断裂韧性可提高50-70%。,复合材料的种类,1.2.4、复合材料(Composite Materials),功能梯度复合材料：即一面是具有结构作用的金属材料，在逐层地渗入无机化合物，使另一面具有一些特殊的功能。 如，碳化硅-氮化硅梯度复合材料的性能较纯粹碳化硅陶瓷有大幅度的提高。,复合材料大多是以连续相存在的基体材料和分散于基体中的增强材料组成. 增强材料: 能提高材料基本力学性能的物质.包括粒子和纤维. 无机纳米粒子具有更高的增强增韧效应; 纤维具有良好的刚性和抗张强度. 在体系中构成复合材料的骨架, 决定材料的刚性和强度. 基体材料: 使增强材料粘合成型,

22、且对承受的外力起传导和分散作用. 21世纪是复合材料的世纪.,1.2.4、复合材料(Composite Materials),半导体材料 (semiconducting material),半导体材料:室温电阻率为10-41010cm, 依靠电子和孔穴这两类载流子的迁移实现导电的材料. 半导体材料类型: 元素半导体：包括Si,Ge,Sn,P,As,Se等, 但实用的纯单质只有Si和Ge. 均使用其高纯单质, 如大规模集成电路使用的硅纯度超过99.9999999, 现已能制得14个9的单晶硅. 掺杂半导体: 适当掺杂大幅度提高电导率, 通过调整杂质含量控制电导率, 包括p-型如Si(B,Al),

23、 Ge(Ga)和n-型半导体如Si(P,As), Ge(As). 化合物半导体: AxB8-x(x=1,2,3), 即I-VII, II-VI, III-V族元素的组合, 具有金刚石型或ZnS型晶体结构, 以共价键为主. 实用化最多的是III-V型, 性能最好的是GaAs, 亮灰, 硬而脆, 掺Te, 得n-型, 掺Zn或Cd得p-型. 缺陷半导体: 氧化物和硫化物, 结构中存在阴离子或阳离子空位.,1.2.5、其他材料,超导材料 (superconducting materials),超导电性: 某些材料随温度降低, 电阻率下降, 在某一特定温度附近, 电阻突然消失的现象. 具有超导电性的材

24、料称超导材料. 1911年首次发现Hg在4.15K时出现0电阻. 1973年得到Tc为23.2K的Nb3Ge超导体. 1986年瑞士贝德诺兹和缪勒发现了Tc=35K的La-Ba-Cu-O混合氧化物. 1987年朱经武发现了Tc=90K的超导氧化物. 赵中贤研究组制得了Tc=93K的Y-Ba-Cu-O混合氧化物。超导温度已高于液氮沸点77K, 进入实用化阶段. 科大研究组已制得了Tc=132K的Bi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超导体. 以C60为基础的有机超导体研究也取得了突破性进展. 超导材料在能源输送，磁悬浮列车，医疗卫生等领域有广阔应用前景.,1.2.5、其他材料,材料科学：范畴及任务 材料是一切技术发展的物质基础，是与人类社会的发展进步密切相关的。 随着科学技术的发展，人们对材料的认识不断深化，吸取了近代物理、化学，特别是固体物理、量子化学等基础理论，并应用各种先进分析仪器和尖端技术来研究和阐明材料