理學(xué)材料化學(xué)課件 chapter

材料化學(xué)概論物質(zhì)的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度、顏色、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等。化學(xué)性質(zhì)燃燒性、可燃性、穩(wěn)定性、反應(yīng)活性、氧化還原性等。原子結(jié)構(gòu)與譜圖1原子核質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核，決定原子質(zhì)量。2電子層電子在核外按照能量高低分布，形成不同的電子層。3能級躍遷電子吸收能量發(fā)生躍遷，發(fā)射光譜或吸收光譜。化學(xué)鍵類型與性質(zhì)離子鍵金屬與非金屬元素之間形成的化學(xué)鍵，靠靜電作用維持。共價(jià)鍵非金屬元素之間形成的化學(xué)鍵，靠電子對共享維持。金屬鍵金屬元素之間形成的化學(xué)鍵，靠自由電子云維持。范德華力分子間的作用力，比化學(xué)鍵弱，靠分子間電偶極矩相互作用。固體材料的晶體結(jié)構(gòu)晶胞晶體結(jié)構(gòu)的基本單元，重復(fù)排列形成整個晶體。晶格晶胞在空間排列形成的點(diǎn)陣，描述了晶體的幾何形狀。對稱性晶體結(jié)構(gòu)具有特定的對稱性，體現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律性。晶格類型與晶格參數(shù)1簡單立方晶格原子在立方體的頂點(diǎn)上排列。2體心立方晶格原子在立方體的頂點(diǎn)和中心排列。3面心立方晶格原子在立方體的頂點(diǎn)和面心排列。4六方密堆積原子在六方棱柱的頂點(diǎn)和中心排列。晶體缺陷與性能點(diǎn)缺陷原子在晶格中的空位或間隙原子。線缺陷晶格中原子排列不規(guī)則，形成位錯。面缺陷晶體中存在的晶界、孿晶界面等。晶體結(jié)構(gòu)分析方法1X射線衍射利用X射線照射晶體，分析衍射圖樣，確定晶體結(jié)構(gòu)。2電子衍射利用電子束照射晶體，分析衍射圖樣，確定晶體結(jié)構(gòu)。3中子衍射利用中子束照射晶體，分析衍射圖樣，確定晶體結(jié)構(gòu)。材料的熱力學(xué)性質(zhì)1焓變反應(yīng)體系焓的變化，反映反應(yīng)的熱效應(yīng)。2熵變反應(yīng)體系熵的變化，反映反應(yīng)的混亂程度變化。3吉布斯自由能變反應(yīng)體系吉布斯自由能的變化，反映反應(yīng)的自發(fā)性。熔點(diǎn)、沸點(diǎn)與溶解度100°C熔點(diǎn)物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的溫度。100°C沸點(diǎn)物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)的溫度。1g/100g溶解度一定溫度下，某物質(zhì)在溶劑中達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的濃度。相圖與相變相圖表示物質(zhì)在不同溫度、壓力下存在的相態(tài)關(guān)系的圖。相變物質(zhì)在不同溫度、壓力下發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。相平衡與狀態(tài)圖溶液的濃度與活度濃度溶液中溶質(zhì)的含量，常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)、摩爾濃度等表示。活度溶液中溶質(zhì)的有效濃度，反映溶質(zhì)在溶液中的真實(shí)活動能力。電化學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用電極電勢電極與電解質(zhì)溶液之間建立的電位差。電池利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流的裝置，用于儲能和發(fā)電。電解利用電流驅(qū)動非自發(fā)化學(xué)反應(yīng)的過程，用于金屬冶煉和電鍍。化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)1反應(yīng)速率反應(yīng)進(jìn)行的快慢程度，常用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度變化來表示。2活化能反應(yīng)物分子從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)所需的最低能量。3反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)進(jìn)行的具體步驟和反應(yīng)中間體的性質(zhì)。催化反應(yīng)與機(jī)理催化劑可以改變反應(yīng)速率而不改變反應(yīng)平衡的物質(zhì)。催化機(jī)理催化劑與反應(yīng)物形成中間體，降低反應(yīng)活化能，加速反應(yīng)速率。催化劑的類型均相催化、多相催化、酶催化等。高分子材料概論1高分子由大量單體通過化學(xué)鍵連接而成的長鏈狀化合物。2聚合反應(yīng)單體通過化學(xué)反應(yīng)連接形成高分子的過程。3高分子材料以高分子為主要成分的材料，具有特殊的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)性質(zhì)。高分子的合成方法1加聚反應(yīng)單體直接連接成高分子，不產(chǎn)生副產(chǎn)物。2縮聚反應(yīng)單體連接成高分子，同時(shí)生成小分子副產(chǎn)物。3開環(huán)聚合環(huán)狀單體通過開環(huán)反應(yīng)生成高分子。聚合物的結(jié)構(gòu)與性能10^3分子量高分子鏈的平均長度，影響材料的力學(xué)性能。10^6玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高分子從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度，影響材料的熱性能。10^9結(jié)晶度高分子材料中結(jié)晶部分的比例，影響材料的力學(xué)性能。金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能金屬鍵金屬原子之間形成的化學(xué)鍵，靠自由電子云維持，賦予金屬良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。合金由兩種或多種金屬元素組成的混合物，通過改變合金成分和熱處理工藝可以獲得不同的性能。陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能增強(qiáng)相提高材料強(qiáng)度和剛度的材料，如纖維、顆粒等?；w承載增強(qiáng)相的材料，如樹脂、金屬等。新型材料的研究進(jìn)展1納米材料尺寸在納米尺度的材料，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在催化、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。2智能材料能夠感知環(huán)境變化并做出響應(yīng)的材料，在傳感、驅(qū)動等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。3生物材料與生物組織相容性好的材料，在醫(yī)療器械、組織工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。材料的微觀表征技術(shù)1掃描電子顯微鏡(SEM)利用電子束掃描樣品表面，形成圖像，用于觀察材料的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)。2透射電子顯微鏡(TEM)利用電子束穿過樣品，形成圖像，用于觀察材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶體缺陷。3原子力顯微鏡(AFM)利用微懸臂梁掃描樣品表面，獲取表面形貌信息，用于觀察材料的表面形貌和納米尺度的結(jié)構(gòu)。材料的宏觀表征技術(shù)拉伸試驗(yàn)測試材料在拉伸載荷下的力學(xué)性能，如抗拉強(qiáng)度、彈性模量等。沖擊試驗(yàn)測試材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能，如沖擊韌性等。硬度試驗(yàn)測試材料抵抗壓痕的能力，如維氏硬度、洛氏硬度等。材料合成與制備方法1粉末冶金法將粉末壓制成型，再進(jìn)行燒結(jié)，制備金屬、陶瓷等材料。2熔融法將原料加熱熔融，冷卻成型，制備金屬、玻璃等材料。3化學(xué)氣相沉積法(CVD)利用氣相反應(yīng)在襯底上沉積薄膜，制備半導(dǎo)體、陶瓷等材料。材料的性能測試與分析1力學(xué)性能測試?yán)?、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等測試，評估材料的強(qiáng)度、硬度、韌性等。2熱學(xué)性能測試熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等測試，評估材料的耐熱性能。3電學(xué)性能測試電阻率、介電常數(shù)、導(dǎo)電率等測試，評估材料的導(dǎo)電性能。材料的應(yīng)用領(lǐng)域10^3電子材料用于制造電子器件，如硅、鍺、砷化鎵等。10^6建筑材料用于建筑工程，如水泥、鋼筋、玻璃等。10^9生物材料用于醫(yī)療器械、組織工程等領(lǐng)域，如高分子材料、金屬材料等。材料研究的前沿方向納米材料探索納米材料的合成、制備、性能和應(yīng)用，開拓新的材料應(yīng)用領(lǐng)域。生物材料研制新型生物材料，用于修復(fù)組織、器官損傷，解決醫(yī)療難題。材料化學(xué)的未來發(fā)展本章小結(jié)與思考題本章內(nèi)