清华大学材料化学课件
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清华大学化学系PPT演示文稿
4
X射线的产生源
同步辐射源产生单色 性的强X射线源
X射线是利用一种类似 热阴极二极管的装置
X射线是高速电子与原 子核碰撞所产生的。
X射线的波粒两象性 0.001－10nm
清华大学化学系
图2 X射线管剖面示意图 5
X射线的产生
X射线管由阳极靶和阴极灯丝组成，两者之间有 高电压，并置于玻璃金属管壳内。阴极是电子发 射装置，受热后激发出热电子；阳极是产生X射 线的部位，当高速运动的热电子碰撞到阳极靶上， 突然动能消失时，电子动能将转化成X射线。
这种由L→K的跃迁产生的X射线我们称为Kα辐射，同理还有
Kβ辐射，Kγ辐射。不过离开原子核越远的轨道产生跃迁的几
清华大率学化学越系 小，所以高次辐射的强度也将越来越小。
8
特征X射线的产生
清华大学化学系
9
特征X射线
Ka和Kb两个特征射线 有临界电压 Moseley定律决定特 征X射线的波长 U=3~5U激发
清华大学化学系
10
几种常用阳极靶材料的特征谱参数
阳极 靶 元 素
Cr
原子 序 数 Z
24
K系特征谱波长（埃）
Kα1
Kα2
2.28970 2.29306
Kα＊
2.29100
Kβ
2.08487
U（KV）≈(35)UK
20_25
Fe
26
1.936042 1.939980 1.937355 1.75661
阳极靶的材料一般为：Gr, Fe, Co, Ni, Cu；Mo， Zr等
阴极电压U几十千伏；管电流i:几十毫安；功率一 般为4KW，利用转靶技术可以达到12KW。
清华大学化学系
6
清华大学材料化学课件04
大多数金属晶体都具有排列紧密对称性高的简单晶 体结构。典型金属通常具有面心立方 (A1 或 FCC)、 体心立方 (A2 或 BCC)、简单六方 (A3 或 HCP) 等 类型的晶体结构。
可以把金属晶体中的原子看作刚性的圆球，于是这 三类结构就分别相当于前面介绍的等大球体堆积中 的立方最紧密堆积、体心立方堆积和六方最紧密堆 积。
所有的 Na+ 构成了一套面心立方点阵， 所有的Cl也构成了一套面心立方点阵。
氯化钠结构是离子晶体中很典型的一种结构， 属于氯化钠结构的离子晶体很多，除了 NaCl 晶 体外，其他一些碱金属卤化物 (如 LiF、NaF 等)、 碱土金属氧化物 (如 MgO、CaO 等)、碱土金属硫 化物 (如 MgS 等) 以及某些间隙相化合物 (如 TiC、 TiN、ZrN 等)。其中 LiF、NaF 等是玻璃及陶瓷 助烧剂的主要原料，MgO、TiC 和 TiN 等则是很 重要的高温材料。
首先可以算出在一个体心立方晶胞中钨原子的质量W。 1 个晶胞中含有 2 个钨原子，因此有
W 2 183.9 6.111022 g 6.02 1023
然后根据晶体的密度计算出晶胞体积 V：
V W 6.111022 3.166 1023 cm3 0.03166 nm3
当发生同素异构转变时，金属的许多性 能 (如热容、塑性、强度、磁性、导电 性等) 都将发生突变
同素异构转变对于金属能否通过热处理 来改变其性能具有重要意义
2.5 离子晶体
2.5.1 离子晶体概述
离子晶体是由正负离子通过离子键按一定 的方式堆积而形成的。
当两种电负性相差较大的原子相互靠近时，电负 性较小的原子将失去电子而形成阳离子，而电负 性较大的原子则获得电子而形成阴离子；阴阳离 子之间由于库仑力的作用而相互吸引。但当阴阳 离子之间相互充分接近时，离子的电子云之间又 相互排斥。当吸引力和排斥力达到平衡时便形成 了稳定的离子键。
《材料化学》PPT课件
（3）景深
（4）衬度
• 表面形貌衬度 在试样表面凸凹不平的部位，入射电子束作用产生的二次电子信号的强度 要比在试样表面平坦的部位产生的信号强度大，从而形成表面形貌衬度。
• 原子序数衬度
原子序数越大，图像越亮。 完整版课件ppt
13
扫描电子显微镜的样品制备
扫描电镜试样一般要求具有以下特点： （1）导电性好，以防止表面积累电荷而影响成像；
（2）具有抗辐射损伤的能力，在高能电子轰击下不分解、不 变形；
（3）具有高的二次电子和背散射电子系数，以保证图像良 好的信噪比。
对不满足以上要求的试样（陶瓷、玻璃、塑料等绝缘材料，导 电性差的半导体，热稳定性不好的有机材料，二次电子、背散 射电子系数较低的材料等），需要表面涂层处理。
表面涂层处理的常用方法有真空蒸发和离子溅射镀膜法。
(3) Lewis酸性
由于金属上存在空轨道， 缺电子金属有机化合物都是
Lewis酸。
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6
无机材料常用测试技术
SEM（扫描电镜）
AES（俄歇 电子能谱）
EDS（能谱）
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7
TEM（透射电镜）
透射电子 二次电子
直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射电子用于透射 电镜(TEM)的成像和衍射
金属环多烯化合物
金属－环多烯化合物：环多烯含电子的离域π轨道和金属的 d轨道作用形成金属有机化合物
金 属
C3Ph3+ C8H82-
环
多
烯
C4H42-
C5H5-
C6H6
C7H7+
金属环多烯化合物:
环戊二烯配合物
平行
交错
不对称交错结构 不对称交错结构发生滑移
清华大学工程材料第五版第一章ppt课件
异类原子
老师提示：点缺陷造成局部晶格畸变, 使金 属的屈服强度、电阻率增加, 密度发生变化。
.
2. 线缺陷 指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，叫 位错。由晶体中原子平面的错动引起。
（1）刃型位错 晶体的一部分出现一个多余的 半原子面。如切入晶体的刀片， 刀片的刃口线即为位错线。这种 线缺陷称刃型位错。 半原子面在上面的称正刃型位 错, 半原子面在下面的称负刃型 位错。
若两个晶向的全部指数数值相同而符号 相反, 则它们相互平行或为同一原子列, 但 方向相反。
如[110]与 。
若只研究原子排列情况, 则晶向[110]与 可用同一个指数[110]表示。
.
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不同 的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
.
（3）按溶质原子在固溶体中分布有否规律分 ●无序固溶体：溶质原子无规则分布 ●有序固溶体：溶质原子规则分布
无序固溶体
有序固溶体
有序化转变：在一定条件下，一些合金的无序 固溶体可转变为有序固溶体。
.
2. 固溶体的性能 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。 晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑 移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬 度。
.
二元合金：由两个组元组成的合金。 如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯 金属高许多；
某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀 等物理、化学性能。
合金的应用比纯金属广泛得多。
溶质、溶剂、表示方法
.
相： 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结 构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部 分。 液态物质为液相。 固态物质为固相。
老师提示：点缺陷造成局部晶格畸变, 使金 属的屈服强度、电阻率增加, 密度发生变化。
.
2. 线缺陷 指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，叫 位错。由晶体中原子平面的错动引起。
（1）刃型位错 晶体的一部分出现一个多余的 半原子面。如切入晶体的刀片， 刀片的刃口线即为位错线。这种 线缺陷称刃型位错。 半原子面在上面的称正刃型位 错, 半原子面在下面的称负刃型 位错。
若两个晶向的全部指数数值相同而符号 相反, 则它们相互平行或为同一原子列, 但 方向相反。
如[110]与 。
若只研究原子排列情况, 则晶向[110]与 可用同一个指数[110]表示。
.
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不同 的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
.
（3）按溶质原子在固溶体中分布有否规律分 ●无序固溶体：溶质原子无规则分布 ●有序固溶体：溶质原子规则分布
无序固溶体
有序固溶体
有序化转变：在一定条件下，一些合金的无序 固溶体可转变为有序固溶体。
.
2. 固溶体的性能 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。 晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑 移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬 度。
.
二元合金：由两个组元组成的合金。 如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯 金属高许多；
某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀 等物理、化学性能。
合金的应用比纯金属广泛得多。
溶质、溶剂、表示方法
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相： 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结 构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部 分。 液态物质为液相。 固态物质为固相。
《材料化学》PPT课件 (2)
硅烷偶联剂的选择 纳米二氧化硅复合材料的制备 结果与表征
精选ppt
19
硅烷偶联剂KH-560: RSi(OCH3)3 , R代表CH2 CH CH2 O(CH2)3
O
精选ppt
20
改性SiO2的透射电镜照片
样品1
样品2
样品3
精选ppt
样品5
21
试样的红外光谱研究
图2 试样的红外光谱图
精选ppt
16
第二种：粒子表面引发接枝聚合改性
这是通过各种途径在粒子表面引入具有引发能力的活 性种子（自由基阴离子或阳离子），引发单体在粒子表面 聚合。 如用等离子体或辐射等方法，使粒子表面的羟基产生具有 引发能力活性种子，通过这些活性种子引发单体聚合； 在粒子表面偶联上一些有机基因（如-ROH,-RNH2-RSH 等基因），通过氧化还原反应或加热使粒子表面产生自由 基，引发单体聚合。
加入硅烷偶联剂后二氧化硅的
物 理 吸 附 水 量 和 Si-OH 基 减 少 （3400cm-1左右和1600cm-1 左右的的吸收峰减弱）；含有
明显的亚甲基和C－O键吸收峰， 但二氧化硅的特征吸收峰
（1101，797，471 cm-1） 没有明显变化，且Si-O键的伸 缩 振 动 吸 收 峰 （ 1100cm-1 、 820 cm-1左右）强度增强。说 明硅烷偶联剂的加入并未改变
精选ppt
17
第三种 是粒子表面活性基团与单体共聚
如用软质CaCO3悬浮液与丙烯酸，丙烯酸丁酯和乙 酸乙烯酯等接枝共聚改性，通过调节表面聚合改性单体配 比，进而控制共聚物及其与无机粒子界面层的结构和性质， 制成了无机含量高的高性能材料。
精选ppt
18
举例说明表面化学改性： 纳米二氧化硅的原位改性
精选ppt
19
硅烷偶联剂KH-560: RSi(OCH3)3 , R代表CH2 CH CH2 O(CH2)3
O
精选ppt
20
改性SiO2的透射电镜照片
样品1
样品2
样品3
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样品5
21
试样的红外光谱研究
图2 试样的红外光谱图
精选ppt
16
第二种：粒子表面引发接枝聚合改性
这是通过各种途径在粒子表面引入具有引发能力的活 性种子（自由基阴离子或阳离子），引发单体在粒子表面 聚合。 如用等离子体或辐射等方法，使粒子表面的羟基产生具有 引发能力活性种子，通过这些活性种子引发单体聚合； 在粒子表面偶联上一些有机基因（如-ROH,-RNH2-RSH 等基因），通过氧化还原反应或加热使粒子表面产生自由 基，引发单体聚合。
加入硅烷偶联剂后二氧化硅的
物 理 吸 附 水 量 和 Si-OH 基 减 少 （3400cm-1左右和1600cm-1 左右的的吸收峰减弱）；含有
明显的亚甲基和C－O键吸收峰， 但二氧化硅的特征吸收峰
（1101，797，471 cm-1） 没有明显变化，且Si-O键的伸 缩 振 动 吸 收 峰 （ 1100cm-1 、 820 cm-1左右）强度增强。说 明硅烷偶联剂的加入并未改变
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17
第三种 是粒子表面活性基团与单体共聚
如用软质CaCO3悬浮液与丙烯酸，丙烯酸丁酯和乙 酸乙烯酯等接枝共聚改性，通过调节表面聚合改性单体配 比，进而控制共聚物及其与无机粒子界面层的结构和性质， 制成了无机含量高的高性能材料。
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举例说明表面化学改性： 纳米二氧化硅的原位改性
清华大学化学系
清华大学化学系 材料与表面实验室 33
元素像
清华大学化学系 材料与表面实验室
形貌信息
34
背反射电子象
• 反射电子象中包含有元素的化学成分和表面形 貌的信息。 • 反射电子象与样品材料的原子序数有很大关系。 由于重元素的反射率大，图像的亮度也高，反 之轻元素的发射率小，图像也就暗。 • 此外，反射电子象也与样品表面的形状有很大 关系。突起的部分就亮，凹下去的部分则由于 反射电子的数量少，呈暗影。原则上反射电子 的强度越大，则反射电子象的分辨率将降低。
清华大学化学系
材料与表面实验室
26
充电现象
1. 当样品的导电性差时，在 样品表面可以积累电荷， 使表面产生电压降，入射 电子的能量将发生变化， 同时二次电子的产率也可 以发生变化。 2. 充电过程可以在样品表面 形成电场，不仅影响电子 束的扫描过程，还会改变 图像的亮度，对二次电子 象产生严重影响。
清华大学化学系 材料与表面实验室 12
表面电子信息
• 当高速电子照射到固体 样品表面时，就可以发 生相互作用，产生一次 电子的弹性散射，二次 电子，等信息。 • 这些信息与样品表面的 几何形状以及化学成份 等有很大的关系。 • 通过这些信息的解析就 可以获得表面形貌和化 学成份的目的。
清华大学化学系 材料与表面实验室 13
38
吸收电子象
• 样品表面的吸收电子的电流等于入射电子电流 减去反射电子和二次电子的电流。 • 吸收电子象的衬度的明暗正好与发射电子象中 的衬度相反。 • 此外，吸收电子象中同样也包含了样品的表面 化学成份和表面形貌信息。 • 对吸收电子的检测没有专门的检测器，主要是 对流经样品中的电流进行放大测量。通过改变 透镜激磁的大小能使吸收电流在10－6～10－2A 之间变化。
元素像
清华大学化学系 材料与表面实验室
形貌信息
34
背反射电子象
• 反射电子象中包含有元素的化学成分和表面形 貌的信息。 • 反射电子象与样品材料的原子序数有很大关系。 由于重元素的反射率大，图像的亮度也高，反 之轻元素的发射率小，图像也就暗。 • 此外，反射电子象也与样品表面的形状有很大 关系。突起的部分就亮，凹下去的部分则由于 反射电子的数量少，呈暗影。原则上反射电子 的强度越大，则反射电子象的分辨率将降低。
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材料与表面实验室
26
充电现象
1. 当样品的导电性差时，在 样品表面可以积累电荷， 使表面产生电压降，入射 电子的能量将发生变化， 同时二次电子的产率也可 以发生变化。 2. 充电过程可以在样品表面 形成电场，不仅影响电子 束的扫描过程，还会改变 图像的亮度，对二次电子 象产生严重影响。
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表面电子信息
• 当高速电子照射到固体 样品表面时，就可以发 生相互作用，产生一次 电子的弹性散射，二次 电子，等信息。 • 这些信息与样品表面的 几何形状以及化学成份 等有很大的关系。 • 通过这些信息的解析就 可以获得表面形貌和化 学成份的目的。
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38
吸收电子象
• 样品表面的吸收电子的电流等于入射电子电流 减去反射电子和二次电子的电流。 • 吸收电子象的衬度的明暗正好与发射电子象中 的衬度相反。 • 此外，吸收电子象中同样也包含了样品的表面 化学成份和表面形貌信息。 • 对吸收电子的检测没有专门的检测器，主要是 对流经样品中的电流进行放大测量。通过改变 透镜激磁的大小能使吸收电流在10－6～10－2A 之间变化。
《材料化学》PPT课件
R O H + M e 3 S i C l
R O S i M e 3酸醇 碱加 / H 水热 2 O 解 R O H
其他的硅醚保护基还有三乙基硅醚，三异丙基硅醚，叔丁基二甲基硅醚等。
编辑ppt
9
• （6）三苯甲基醚 • 三苯甲基醚在糖、核苷和甘油酯化学中广泛的用来保护一级羟基，
它的最大优点是在多羟基化合物中选择性的保护伯醇羟基。 • 制备时，以（单或二取代）三苯基氯甲烷在吡啶中与醇类作用，
• 羟基存在于许多有机化合物中，如碳水化合物、甾族化合 物、核苷、大环内酯以及多酚等。羟基是敏感易变的官能 团，容易发生氧化、烷化、酰化、卤化、消除以及分解 Grignard试剂等反应，常需加以保护。
• 醇羟基和酚羟基的常用保护基是醚类、酯类和缩醛、缩酮 等。它们已广泛应用于有机合成中。
编辑ppt
4
O/ H
HC CC 2OHH
C 2H 5MgBr
O OC2H CCHTHF O
① C2O HO2C CC HCOOH
② H 3O
OC2H CCMgB
其对碱、格氏试剂、烷基锂、氢化铝锂、烃化剂和酰化剂均稳定。缺点是：不能 用于在酸性介质中进行反应。此外，若用于旋光性醇，由于引入了一个新的手性 中心，将导致生成非对映异构体的混合物，分离困难，造成产率降低。
O H
O A c
A c2O /A cO N a/A cO H
O H O H
O A c O H
保护基的脱除方法很多，且各有特点。如：用K2CO3-CH3OH水溶液可将仲醇和 烯丙醇上的乙酰基脱去，收率很高；用KCN-C2H5OH溶液则可脱去对酸、碱敏感 化合物分子中的乙酰基。
ROH
Me2SO4 NaOH
材料化学-绪论ppt课件
McGraw-Hill Book Co., 2006 5. Brian S. Mitchell. An Introduction to Materials Engineering and Science. USA,
John Wiley & Sons, 2004. 6. William D, Callister J. Materials science and engineering: An introduction. 5th Ed.
➢ 芯片制造：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等 离子体刻蚀;
➢ 信息存储材料; ➢ 光电子材料; ➢ 光子晶体。
Chapter1 Introduction
21
环境和能源领域
➢ 清洁能源：光伏电池、太阳能电池、燃料电池 等；
➢ 可回收和可生物降解材料； ➢ 环境友好材料
结构材料领域
➢ 汽车和飞机：比以前更安全、轻便和省油； ➢ 特种涂料：具有防腐、保护、美化或其它用途
Chapter1 Introduction
8
Figure of materials development
Chapter1 Introduction
11
第一个合金材料： 铜锡合金（青铜）
含锡量1/6 —— 韧性好 —— 制造钟鼎
Allo y
含锡量2/5 —— 硬度高 —— 制造刀斧
结构与性能的关系
➢合成高分子（二十世纪初）
➢纳米材料（二十世纪80年代）
Chapter1 Introduction
16
1.2 材料的分类 Classification of Materials
按组成、结构特点分
Metallic Materials
Inorganic non-metallic Materials
John Wiley & Sons, 2004. 6. William D, Callister J. Materials science and engineering: An introduction. 5th Ed.
➢ 芯片制造：光致抗蚀剂、化学气相沉积法、等 离子体刻蚀;
➢ 信息存储材料; ➢ 光电子材料; ➢ 光子晶体。
Chapter1 Introduction
21
环境和能源领域
➢ 清洁能源：光伏电池、太阳能电池、燃料电池 等；
➢ 可回收和可生物降解材料； ➢ 环境友好材料
结构材料领域
➢ 汽车和飞机：比以前更安全、轻便和省油； ➢ 特种涂料：具有防腐、保护、美化或其它用途
Chapter1 Introduction
8
Figure of materials development
Chapter1 Introduction
11
第一个合金材料： 铜锡合金（青铜）
含锡量1/6 —— 韧性好 —— 制造钟鼎
Allo y
含锡量2/5 —— 硬度高 —— 制造刀斧
结构与性能的关系
➢合成高分子（二十世纪初）
➢纳米材料（二十世纪80年代）
Chapter1 Introduction
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1.2 材料的分类 Classification of Materials
按组成、结构特点分
Metallic Materials
Inorganic non-metallic Materials
材料化学PPT课件
硬质玻璃（硼硅）— 耐温、耐腐蚀、α小、耐较大温差； 瓷器皿（坩埚、瓷舟）— 化学稳定性好、价廉易得，易裂； 石英器皿— 工作温度1000C 左右，不易破裂； 金属容器（镍坩埚、铁坩埚） 铂器皿（铂坩埚）— 耐高温、导热好、化学性质稳定； 刚玉器皿— 耐高温、硬度大、耐腐蚀； 石墨器皿— 耐高温、强度大、耐腐蚀、导电好、α小、易加
工； 但耐氧化性差。 聚四氟乙烯— 化学稳定、热稳定性好。使用温度250C 。
11
5、低温的获得和控制 低温冷浴：
自来水冷浴（室温~12C 流动自来水；12C ~0 C 加入碎冰块）
冰-盐体系（盐溶解要吸热，适用0~ -25 C ） 非水冷浴—干冰、低沸点液体（液N2、液NH3） 相变冷浴： （表2.18）
2 研究结构与性能间的关系 例TiO2的光催化性能（金红石型、锐钛矿型）；
3 研制新型材料 例TiO2/CdS, TiO2/ZnS纳米核-壳材料；
4 研制特殊规格的材料 例 纳米材料（介孔颗粒，纳米丝，纳米棒等）。
8
四、材料制备条件 1、 原料 起始原料的选择：质量；成本 溶剂种类：水系 — 醇、醛、酮、醚 氨系 — 液氨、胺类、 溶剂提纯：无机溶剂 — 例水的蒸馏、离子交换 有机溶剂 — 除水（干燥）；
20
（2）名词解释
前驱体(precursor)：起始原料。例：金属醇盐、金属 盐的水溶液。
溶胶：纳米级固体颗粒（ 1~5nm）在液体介质中形 成的分散体系。 凝胶：溶胶失去部分介质液体的产物。 （半固态物质；固态粒子呈连续网络）
21
（3）S-G法的基本原理 1）前驱体 + 溶剂 → 溶液； 2）水解（醇解）反应 → 溶胶； 3）溶胶干燥 → 凝胶。 ∴应称 S-S-G 法。
工； 但耐氧化性差。 聚四氟乙烯— 化学稳定、热稳定性好。使用温度250C 。
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5、低温的获得和控制 低温冷浴：
自来水冷浴（室温~12C 流动自来水；12C ~0 C 加入碎冰块）
冰-盐体系（盐溶解要吸热，适用0~ -25 C ） 非水冷浴—干冰、低沸点液体（液N2、液NH3） 相变冷浴： （表2.18）
2 研究结构与性能间的关系 例TiO2的光催化性能（金红石型、锐钛矿型）；
3 研制新型材料 例TiO2/CdS, TiO2/ZnS纳米核-壳材料；
4 研制特殊规格的材料 例 纳米材料（介孔颗粒，纳米丝，纳米棒等）。
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四、材料制备条件 1、 原料 起始原料的选择：质量；成本 溶剂种类：水系 — 醇、醛、酮、醚 氨系 — 液氨、胺类、 溶剂提纯：无机溶剂 — 例水的蒸馏、离子交换 有机溶剂 — 除水（干燥）；
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（2）名词解释
前驱体(precursor)：起始原料。例：金属醇盐、金属 盐的水溶液。
溶胶：纳米级固体颗粒（ 1~5nm）在液体介质中形 成的分散体系。 凝胶：溶胶失去部分介质液体的产物。 （半固态物质；固态粒子呈连续网络）
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（3）S-G法的基本原理 1）前驱体 + 溶剂 → 溶液； 2）水解（醇解）反应 → 溶胶； 3）溶胶干燥 → 凝胶。 ∴应称 S-S-G 法。
材料化学第2章材料的结构PPT课件
-
31
(5) Van der Waals bonding-无方向性和饱和性
Johannes Diderik Van der Waals 1837 – 1923
电中性的分子之间的长程作用力 -orientation force, induction force and dispersion force
2.1.3 原子间的相互作用与键能
(1) 势能阱（Potential Energy Well）
吸引能（attractive energy，EA）： 源于原子核与电子云间的静电引力 排斥能（repulsive energy，ER）： 源于两原子核之间以及两原子的电
a EA rm
ER
b rn
离子：m=1 分子：m=6
I1
1 3.6 Z n2
2
❖ 同周期主族：从左至右，Z逐渐增大，I1也逐渐增大。稀有 气体I1最大。
❖ 同周期副族：从左至右，Z增加不多，原子半径减小缓慢， 其I1增加不如主族元素明显。
❖ 同一主族：从上到下，Z增加不多，但原子半径增加，所以 I1由大变小。
❖ 同一副族电离能变化不规则。
2/1/2021
n：排斥指数
子云之间相互排斥
惰性气 外层 n 惰性气 外层电子 n
体离子 电子
体离子 构型
核
构型
核
总势能（potential energy）：
吸引E能E 与A排斥ER能之和ramrbn
He Ne
1s2
5 Kr
2s22p6 7 Xe
3d104s24p6 10 4d105s25p6 12
Ar
3s23p6 9
-
相对丰度 300 300 250 220 200 150 132 80 15 4 0.5 0.1 0.005 0.005 0.003
第5课材料化学全英文课件
[21 10]
Transformation of indices
Transformation of 3 to 4 indices, or vice versa. Suppose we have a vector, whose 3 indices [U V W], and 4 indices [u v t w]. [U W], [u w].
1 1 4× + 2× 4 2 = 1.4 a2 2a2
1 1 3× + 3× 6 2 = 2.3 a2 3 2 a 2
atomic atomic planar density arrangement arrangement
c c´
(111)
b a a´ b´
(1 11)
4. The atomic arrangement and planar density of the important direction in cubic crystal.
plane indices
BCC
FCC
planar density
1 4× +1 4 = 2 a2 a2
z y x
bcals of the intercepts 1/x, 1/y, 1/z. Clear fractions but do not reduce to lowest integers. Enclose them in parentheses, (h k l) Example: 1/2,1,2/3 2,1,3/2 (423)
材料科学基础
Fundamental of Materials Science
Prof: Tian Min Bo
Tel: 62795426 ，62772851 E-mail: tmb@ Department of Material Science and Engineering Tsinghua University. Beijing 100084
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“夕阳”材料：石棉
近年来的研究表明石棉是一种致癌物质，欧美 国家许多癌症的病因，都曾与石棉污染有关。 目前这种状况正在向发展中国家转移。据保守 估计，今后30年中死于石棉污染者将达到100 万，其中大多数是制造含石棉的地板、天花板、 屋顶材料、接合剂和自动闸的工人。若进行大 规模楼层定向爆破、拆除等工作时，现场附近 人员不采取防护措施，也极可能被构成伤害。
友情提示
长期以来人们一直认为铝是无毒的，因此用起来 很放心。但是医学家经过长期研究后发现，人体摄 入过量的铝也会带来危害。
由于铝制品的大量使用，特别是铝制品盛放咸的、 酸性的或碱性的食物时，其表面的保护膜就会遭到 破坏，氧化铝就会被溶解，使人体摄入铝的量增加， 日积月累，对健康会产生影响。
一般说来，一种材料能否在一个时代引起 人们关注、得到广泛使用应该从以下几方 面加以分析
技术的进步让铝走出了首饰 店……
1886 年， 22 岁的美国人 Hall 发明了熔盐电解 法制取金属铝，此法投产后，金属铝的产量迅 速增长，价格则大幅度下降 ，从而把铝的大规 模生产变成了现实。这个年轻人组成了一个大 公司，这就是今天美国美铝公司 (Alcoa) 的前身。
将氧化铝 (A12O3) 溶解在熔融的冰晶石 (Na3AlF6) 中进行电 解(电解液温度接近 1000℃) 在 上可以找到很多关于铝以及铝合金的信 息
导体薄膜、耐磨涂层)
一维材料
纤维、晶须等 (光导纤维、高强纤维)
零维材料
粉 体
1.3 材料科学
20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得 大书特书的时期。20 世纪科学技术领域一系列惊 人的重大发现导致了原子能、航空航天、激光、信 息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有 力地促进了材料的发展，使得材料在 20 世纪中叶 发生了一次“革命性”的飞跃，这个飞跃的标志就 是“材料科学”的形成。
摘自：师昌绪主编《材料大辞典》前言
发展
新材料
成熟
衰退
传统材料
所谓的“材料科学”的主要研究对象是新 材料，或者是想方设法使传统材料获得新 生。
“夕阳”材料：石棉
石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸 盐，分为温石棉和青石棉两种，由于具有结实、 抗弯、绝缘、隔热、保温、耐酸碱腐蚀等优点， 所以被广泛用于建筑、造船、航天和交通机械 中隔热、保温、防火等领域。石棉经过加工后 制成的纺织、石棉水泥制品，具有耐磨、绝缘 等特点，还可制成防火材料、滤料、填料等。 据统计，石棉的各种用途已逾千种 。
铁器时代被认为是始于2000多年前，由铁制作的 农具、手工工具及各种兵器得以广泛应用，大大 促进了当时社会的发展。 钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会 开始从农业和手工业社会进入了工业社会。 本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用， 则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。
铝
铝是一种轻金属，密度 2.7 g/cm3,大约是铁的 1/3。 纯铝的拉伸强度只有 48 MPa，只有钢的1/10 左 右。因此在早期并未得到重视。 Al 在地壳中含量丰富，占 1/12，但主要以 Al2O3 的状态存在。18 世纪发现了 Al 元素的存在， 1825 年丹麦物理学家 Hans Oersted 第一次成功 地提炼出金属铝，但是提炼方法比较复杂，产量 很低，使得其价格极为昂贵。
材 料=物 质
Materials = Matter
水是材料？
冰是材料？
几乎所有的物质都可以称为是材料 并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注
那么下一个问题就是
什么样的材料值得我们关注？
先来看看材料的发展历史……
群居洞穴的猿人通过简单加工获得石器以狩猎、 护身和生存； 随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手 工业如制陶和纺织 青铜时代大约源于4000 ~ 5000年前。青铜是铜锡 铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低， 硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进 了农业和手工业的出现。
铝曾经比金银还要珍贵……
100多年前，为了表彰门捷列夫对化学的杰出 贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个比 黄金还要贵重的奖杯──铝杯，赠送给门捷列 夫。 法国皇帝拿破仑三世为了显示自己的尊贵， 用铝作了一顶头盔，成为轰动一时的新闻。 每逢盛大国宴，别人都用银制餐具，而他独 自使用一套铝制餐具。
同年，美国白宫发布美国国家关键技术项目 共6领域22项关键，材料为6领域之一。材料 合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材 料、高性能金属与合金5项为关键。 从1995年至2001年每两年更新一次的《美国 国家关键技术》报告中，特种功能材料和制 品技术占了很大的比例。
20 世纪 80 年代出现的新技术革命把新材料、信息技 术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。 2001年日本文部省发布的第七次技术预测研究 报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半 以上为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其 中绝大部分均为功能材料。
材料化学
Chemistry of Materials
龚江宏 清华大学材料科学与工程系
历史学家把某一类材料的特征及其广泛应 用作为人类文明史各个阶段的一种标志
旧石器时代 新石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代
我们现在所处的时代应该称为什么时代？
钢
硅
塑料 合成材料 半导体 精密陶瓷
资 能 环 经 质
源 源 保 济 量
新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在 的。事实上，每种材料都有其生命曲线
出现
发展
成熟
衰退
衰退主要是由于社会 发展和科学技术进步 导致的。
一个新材料的诞生，从实 验室研制出样品到工业上 的大规模实际使用，大概 需要 15 ~ 20 年时间。
出现
合金强化
在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成 所谓的铝合金以提高 Al 的强度。
时效硬化
把合金强化处理后形成的铝合金加热到一定温度以上进行 “熔解处理”，使合金处于均匀的单相状态，然后快速淬 火，保持其单相组织。此后再在稍高于室温的温度下加热， 使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的强度。
铝合金的出现，大大拓宽了铝的用途……
航天飞机、大型客机
铝门窗、铝活动建筑
铝细粉是一种火箭固体燃料
铝 箔
铝电缆 易拉罐
2000年，光美国就生产了1000亿个铝易拉罐。轻、 薄、耐腐蚀。易拉罐上的易拉扣，的确是一项高技 术，代表了铝材和铝加工的现代成就。
美国纽约的世界贸 易大厦是一个大量 使用铝合金贴面的 雄伟建筑。可惜已 经灰飞烟灭了。
在“9·11”事件中变成废墟的纽约世贸大厦的数十万吨废 钢铁被运往中国和印度，将在那里回炉后重新使用。从 这两座 100 多层的双子大厦废墟中回收的钢材数量相当 可观，估计多达 40 万吨。
材料中的“常青树”：陶瓷
1.2 材料的分类
按材料的组成分类
金属材料 (Metal)
钢铁材料、非铁材料、合金
材料
材料科学
材料化学
第一章 绪
论
1.1 什么是材料？
材料是可以用来制造有用的构件、器件 或物品的物质。
师昌绪主编：《材料大辞典》p.58
材料是“具有一定性能的物质, 可以用 来制成一些机器、器件、结构和产品” 。
美国科学院、美国工程院联合编写 《材料：人类的需求》
材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质
“夕阳”材料：石棉
专家估计，全世界每年约有20万人死于与石棉 有关的癌症，其中约25％死于肺癌，10％死于 恶性间皮瘤。
在欧盟的15个国家中，已有12个禁止使用石棉， 沙特阿拉伯也将它列在禁用之列，阿根廷、智 利等国也随之仿效。目前美国也不再生产石棉， 其石棉使用仅依靠进口。
“夕阳”材料工业：钢铁
美铝的生意是从一把铝壶开始的……
从铝壶做起，慢慢延伸到了烹调器具、锡箔纸、 电线和电缆……。 现在，美铝了成为公认的世界上最大的原铝、 铝加工产品和氧化铝生产商。美铝的产品广泛 的应用于航空航天、汽车、包装、建筑、商业 运输以及工业市场。
铝的应用市场的打开……
铝的应用市场的打开是从 20 世纪 30 年代开始 的。为了提高铝的比强度，当时关于铝的研究 有两个热门话题：
20 世纪中叶的几项成果
超音速飞机 (镍基超级合金)
计 算 机 (晶体管、半导体)
航天飞机 (高温结构陶瓷)
轻松一下
1947 年，在美国新墨西哥州哥西维尔地方，有 一艘外星来的宇宙飞船坠毁了。科学家们纷纷云集 此地，对这艘飞船进行了全方位的研究，于是地球 上就诞生了半导体、光纤、激光器等一系列对当代 文明产生了显著影响的新材料。后来美国政府将这 艘飞船隐匿起来了……
复合材料
纳米材料
……
材料成为了一个新的独立的科学门类。
这个新学科与物理、化学、力学、机械、冶
金、化工等传统科学门类水乳交融，但是具 有其独特的鲜明的个性。也正是因为与各个 传统科学门类水乳交融，材料学科在不同的 场合就被划分成了材料物理、材料化学、材
料力学、材料工程学等诸多分支。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
本课程所涉及的内容就属于材料化学这一分支。 而作为本课程的绪论，这里我们将首先来讨论 几个相关的名词：
一方面，材料是人类生存和生活必不可缺少 的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接 推动社会发展的动力。
另一方面，随着社会的发展，科学技术的进
步以及自然资源和能源的逐渐减少，人们所关注
的、所使用的材料种类也在发生着变化……
因此材料的定义可以发展为：
人类社会所能够接受的经 济地制造有用器件的物质
一个例子
哈哈哈哈！ 天方夜谭
20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领