上大-无机化学B-第十七章材料与化学.ppt

1、2020年8月7日1时51分,材料科学 金属材料 陶瓷材料 合成高分子材料,化学是材料发展的源泉,2020年8月7日1时51分,用途分类： 结构材料 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。,2020年8月7日1时51分,按材料的成分和特性分类 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料,黑色金属材料 有色金属材料,传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，新近发展起来的特种陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化

2、物、氮化物和硅化物等,合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。,由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。,2020年8月7日1时51分,新材料的现状与展望,信息功能材料 结构新材料 能源材料 低维材料 生物材料 智能材料及系统 环境材料,所谓信息行业，主要包括通讯、计算机和控制等三个方面，指信息的获取、传输、存储、显示、处理等。这些环节都以材料为基础。 信息产业以集成电路为基础 集成电路的关键在于半导体材料、封装材料和技术。 记录材料 ,敏感材料和敏感元件,光导纤维,由于宇航事业的发展，对高温、高比强度和高比刚度材料的要求越来越高。因为发动机的工作温度越高，单位推

3、力的油耗越低。降低油耗是当前航空动力研究的主要目标之一。在民航中油耗占成本的40%。人们估计燃气涡轮发动机效率与性能的提高约50%来自材料的改进。对飞机性能的提高，材料所占比例达到2/3左右。,地面运输工具也要求高比强度和高比刚度材料，例如汽车每减重100kg，每升油就可以多跑05km。美国要求到2003年每升油由目前平均跑l2km提高到35km。有人做过估计，要达到这个目标，37%要靠车辆的轻量化，40%来自于发动机热效率的提高，当然这也与材料密切相关。采用陶瓷材料是途径之一。,金属材料虽然在很多情况下，它们的耐高温、比强度和比刚度都不占优势，但由于其工艺成熟，应用广泛，目前金属材料仍然是结

4、构材料的重点，它的发展主要是在现有基础上加以改进。例如，铝锂合金，在Al中加入2%一3%的Li，每加入1%，可使刚度增加6%，密度降低3%。NaAl也己达到应用的程度，不但可以用作高温材料，也可用作耐磨和耐腐蚀材料。Fe3Al能代替不锈钢用作耐腐蚀和高温抗氧化材料。,能源材料包括能源结构材料、功能材料与含能(储能)材料，也包括节能材料。 (1)太阳能光电转换材料 (2)高密度蓄电池 (3)燃料电池 (4)高温超导电缆,纳米粒子属于零维材料， 一维材料主要是指各种纤维。纤维是复合材料的主要增强剂。高强度和高模量纤维材料包括玻璃纤维、聚晶体纤维(例如碳纤维、氮化硼纤维等)、有机纤维、金属纤维、晶须

5、等。 二维材料指的是薄膜，例如金刚石薄膜。金刚石具有高硬度、高耐磨性、高导热率、高电绝缘性、高折射率、高透过率和耐化学腐蚀等优良性能 .,1991年发现的纳米碳管，可以看成是二维材料，直径只有几个纳米，而其强度比钢高达100倍，密度仅为钢的1局，是很有前途的复合材料增强剂，它的导电性又超过铜，可能成为纳米级的电子线路材料。,国际生物材料会议经讨论确定，与活体相联系的域值入活体起某种生物体功能的材料称为生物材料。 生物材料主要包括3个部分， 首先是生物医用材料， 其次，仿生材料的研究 , 第三，生物工程,所谓智能材料是指能随周围环境改变而改变自身性能的一类材料。利用这类材料可以满足人类的某些要求

6、，以达到自我诊断、自适应甚至自修复的目的。变色眼镜就是一个特例。 具有特殊功能的智能材料有如下向几种: (1)形状记忆材料 (2)压电材料 (3)导电高分子材料 (4)电流变性流体 (5)磁致伸缩材料 (6)高分子生物材料,环境材料又称为绿色材料，它们是那些能与环境相协调并有利于环境保护的材料。采用这些材料可以节约资源和能源、少污染、少排放或零排放、或可以回收再生、或可以循环利用、或可以通过降解而能净化环境。 目前在开发纯天然材料、仿生材料、绿色包装材料、环境降解材料、人居环境建材等方面，都已有较大的进展,2020年8月7日1时51分,17-2 超细颗粒材料,17-2-1 超细颗粒的特性和合成

7、方法 1. 超细颗粒的特性 表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应,超细颗粒是介于原子团簇和微粉之间的一种新型材料。 超细颗粒通常也指纳米颗粒，一般在1100nm之间。,2. 超细颗粒的合成方法 液相合成法 化学气相沉积法 溶胶-凝胶法,纳米颗粒因面积大为增加，材料的扩散系数增大，铜的自扩散系数增大到传统晶体的1016一1019倍，从而大大降低了铜的烧结温度，这对陶瓷材料来说有特殊的意义，不但烧结温度明显降低，也是提高韧性的有效途径。,由于它们的量子尺寸效应和小尺寸效应所引起的周期边界条件的破坏，使它们的声、光、电、磁及热力学等特性发生明显变化，出现很多反常表现。例如，金属在低温下表现为电绝缘体;

8、铁电体变为顺电体;铁磁体显示顺磁效应;金属微粒反光能力下降到仅1%而成为黑体;铁晶体断裂强度提高了12倍等等。,醇盐水解法 M(OR)n与醇混合，然后加水分解生成单一的氧化物或复合氧化物超细颗粒。醇盐水解的特点是从醇溶液中直接分离出超细颗粒所以粉体纯度高，粒径小，粒径分布窄，几乎无团聚现象。例如，电子陶瓷粉BaTiO3的生产就是一个成功的例子。,让一种或数种物质经气化在高温下发生化学反应，在气相中析出超细颗粒的方法。,溶胶-凝胶法又称软化学法，是将合成产物的前驱体（无机盐或金属醇盐）溶于溶剂（水或有机溶剂）中形成均匀的溶液，溶质或溶剂产生水解或聚合反应，反应物聚集合成1nm左右的粒子并组成溶胶

9、，经放置一定时间后转变为凝胶，经蒸发干燥可以得到粉末状固体。,2020年8月7日1时51分,17-2-2 超细颗粒材料的种类 1. 颗粒型材料 2. 纳米固体材料 3. 超细颗粒膜材料 4. 超细颗粒磁性液体材料,染料、颜料、涂料和催化剂军属于颗粒材料。,纳米固体材料通常指晶粒尺寸只有几十纳米的致密固体材料。,超细颗粒膜材料是指颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜,磁性液体是由超细颗粒包覆一层长链的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。,2020年8月7日1时51分,按化学组成： 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 陶瓷基复合材料,17-3 先进陶瓷材料,按其使用性能 结构陶瓷 功能陶瓷,精细陶瓷或高性能陶瓷，具有电、声、光、磁、热和力学等多种功能的新材料。,2020年8月7日1时51分,17-3-1 结构陶瓷材料,指发挥材料机械、热、化学等效能的一类先进陶瓷 耐高温、高强度、超硬度、