材料化学导论
材料化学导论
材料是时代进步的标志
邓小平：科学技术是 第一生产力。
政治学家：生产力的 进步是社会发展的根 本原因，而劳动工具 的发展是生产力进步 的主要因素。
材料学家：材料是时 代进步的标志。
认识工具材料 制造工具 使用工具
石 器 时代
青 铜 器 时代
青铜（主要为Cu、Sn合金）
青铜器（战国）错金犀牛尊
材料的发展史
• 3．利用物理与化学原理合成材料的阶段： 这一阶段以合成高分子材料的出现为开端， 一直延续到现在，而且仍将继续下去。除 合成高分子材料以外，人类也合成了一系 列的合金材料和无机非金属材料。超导材 料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶 段的杰出代表。
• 4．材料的复合化阶段 • 5．材料的智能化阶段
• 第五，复合材料的发展，将各种材料有机地联成 了一体。复合材料在多数情况下是不同类型材料 的组合，通过材料科学的研究，可以对各种类型 材料有一个更深入的了解，为复合材料的发展提 供必要的基础。
材料科学与材料工程的关系
w 一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决 “怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方 向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新 材料提供理论基础。 w 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者 说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因 此，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料 科学与工程（MSE，Material Science and Engineering）
• 5．材料的智能化阶段
材料的发展史
• 5．材料的智能化阶段：自然界中的材料都 具有自适应、自诊断合自修复的功能。如 所有的动物或植物都能在没有受到绝对破 坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料 目前还不能做到这一点。但是近三四十年 研制出的一些材料已经具备了其中的部分 功能。这就是目前最吸引人们注意的智能 材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等 等。
材料化学导论第1章绪论
铜 器 材 料
石 器 材 料
复 合 材 料
ห้องสมุดไป่ตู้
⑴材料的使用程度是人类社会发展的里程碑 从人类社会发展来看，使用材料经历了三大里程碑： 石器时代：以石头制造工具。可以划分为旧石器时代（公元前2~3百 万年至约1万年），从原始部落到母系社会；中石器时代（公元前约1万 年至7~8千年）；新石器时代（公元前7~8千年至6千年）。这期间，我们 的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了矿石，发明了火， 制造了第1种人造材料——陶，并在烧陶过程中发展了冶铜术，开创了冶 金技术。 铜器时代：人类大量制造和使用第2种人造材料——“红铜”和“青 铜”。 “红铜”时代约在公元前4~5前年，即原始社会到奴隶社会初期； “青铜”时代约在我国商周时代和私有制建立的前夜。 铁器时代：人类制造和使用第3种人造材料——铸铁，嗣后是钢铁 工业的迅猛发展,成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。人类社会 发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为发明之母 和产业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半 导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。在当前新技术革 命涉及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个材料革命的新时代。
1.2材料的分类 ⑴按照材料的化学属性可以分为4类： 黑金属 金属材料 有色金属 无机非金属材料 单晶形态 多晶形态。烧结成型，制陶工艺。 新型陶瓷材料（New Ceramics）或精细陶瓷（Fine Ceramics）。 有机高分子材料 以脂肪族或芳香族的C-C共价键为基础结构的大分子组成。 一般又分为塑料、橡胶和纤维。 复合材料 金属、无机非金属和有机高分子材料有机结合
怎样定义材料？
●借助两个英语词组来说明材料的含义： 在英语中，有2个短语来表示制造、制成，但其有明显的区分： “ made of ” 指构成或制成物品后，其物质的原质没有发生变化； “ made from ” 指构成或制成物品后，其物质的原质已经发生变化， 即失去了原质。 可以如此来定义材料： 经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对 象称为材料。 例子：钢铁
材料化学导论重点
第一章1、冶炼过程的定义、实质、步骤？定义：高温下元素的分离和浓缩过程。
实质：从由氧化物、硫化物构成的矿石以及其他精制原料中分离提取某种有用金属，再经过精炼后制成金属的物理化学过程。
步骤：(1)把矿石粉碎分离，经过筛选获得含有某种金属的高品位精矿，这一过程称为选矿过程；(2)对精矿进行高温物理化学处理，提取某种金属(粗金属)的冶炼过程；(3)去除粗金属中杂质的精炼、提纯过程。
2、说出熔化-凝固、离子交换、电解溶液与析出法精炼工艺原理？熔化-凝固：利用物质的熔点差，通过冷凝或者熔化过程去除杂质，从而获得较高纯度的某一物质。
离子交换：利用物质的选择系数差，通过离子交换过程去除杂质，提取所需的物质。
电解溶解与析出：利用物质的电解电压差，通过电解去除杂质，提取所需的物质。
3、详细分析区域精炼、挥发精炼的工艺原理？利用溶液中析出固体的现象，使其中一种成分浓缩、富聚的方法叫做区域精炼。
如图：*的液相和在温度T*下二元系的固相和液相处于平衡时，系统中溶质浓度C溶质浓度C S*的固相处于平衡且共存。
这时由于C L*> C S*，因此浓度为C L*的液相凝固时，在固-液界面析出浓度为C S*的固相。
这说明凝固过程中存在着溶质浓度升高(或降低)的可能性，从而造成明显的不均匀，即产生偏析。
当偏析系数1或者1时，就可以通过熔化或凝固过程去除杂质(精炼)从而获得较高纯度的某一物质。
4、ΔGθ－T图的应用，为何炼钢时，Si先氧化，C后氧化？杂质氧化去除而精炼金属不被氧化时为何杂质成分平衡线必须处于精炼金属下方，而且越远越好？铁熔化后的初始温度约为1300℃左右，由图可知，在这一温度下SiO2的位置比CO低，因此SiO2比CO稳定，反应初期Si优先氧化。
随着Si的氧化，温度不断升高，C的平衡线和Si的平衡线相交后，CO反而变得稳定，这时才开始被氧化。
利用氧化反应精炼金属时，最理想的结果应该是只把杂质成分氧化掉，而精炼的金属本身不被氧化。
材料化学导论第6章_新型结构材料(2).
材料化学
新型结构材料
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维
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材料化学
新型结构材料
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材料化学
新型结构材料
按力学性能分类 高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。
普通型
高强度型
高弹性模量型
碳纤维的结构模型 Polymer Matrix Composites，PMC
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材料化学
新型结构材料
碳纤维的特点： •强度和模量高、密度小； 具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值 具有很好的耐高温蠕变性能，一般碳纤维在1900℃ 以上才呈现出永久塑性变形。 摩擦系数小、润滑性好、导电性高。 碳纤维的缺点： 价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上 抗氧化能力较差，高温有氧存在时会生成二氧化碳。
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材料化学
新型结构材料
主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、 Al-Mg-Li系。 用途：轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂 合金，飞机重量可以减轻8％～16％。 如：B737将可减重2178kg B747SP可减重4200kg B747—200可减重5200kg A310可减重2600kg A340可减重3900kg
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材料化学
新型结构材料
(2)镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。 镍基超耐热合金基体：镍，镍含量＞50% 使用范围：700~1000℃ 镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。 实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部 采用镍基合金制造
材料化学
新型结构材料
2. 轻型结构材料 2.1 铝锂合金 定义：以铝为基添加锂（一般为3wt％左右） 及其它元素组成的合金称作铝锂合金。 特点：密度低、高强度、高模量以及高比强 度和比刚度等。 原因：锂的密度为0.534gcm-3，是铝的1／5， 钢的1／15。在铝合金中增加少量锂可 使密度显著降低。
材料化学导论
LnxA-μA关系曲线会终止于 A在B中的饱和溶解度处， 要用LnxA=0处外插之后μA 的值，标准状态也变成了 假想标准状态。
4.固体的溶解度
• 固体与液体平衡时溶液中A 的化学势等于固体A的化学
• 物质A的溶解行为取决于固 体A的化学势大小和溶解过
2．课堂讨论 2 3．机动 2（复习及习题解答）
教学过程
1. 后次复习前次概念 2. 本次讲授内容的引入 3. 新教学内容的讲授过程 4. 小结 5. 思考题 6． 作业
教材及教学参考书
1. 《材料化学导论》 席慧智 哈尔滨工业大学出版社 2001 2. 《材料化学导论》 唐小真 高教出版社 1997 3. 《材料化学导论》 丁马太 厦门大学出版社出版 1995年 4. 《材料化学导论》 杨宏秀 高等教育出版社 1997 5. 《Introduction to Materials Chemistry》 Harry R. Allcock
•
P+为标准压力,G+为该压力 下n摩尔理想气体的标准自
•
由能，与压力无关，是温
温度较低时，单位压力气 体的化学势高于液体的化 学势，这时气体凝结；
度的函数
• 高温时则正好相反。
•
当气体压力保持一定时， 单纯理想气体的化学势随
•
温度达到Tb，气体和固体 的两条曲线相交，此时，
温度而变化。单位压力下
Tb温度下单位压力的气体
• 溶体平均每摩尔自由能g为：
2.混合气体化学势 • 把单纯理想气体的化学势表达式中的全压力p换成各成
分的分压，即可得到理想混合气体的化学势。 (理想气体) (对A成分而言)
第一章-材料化学导论
学势。
5．纯物质的蒸发及化学势
气体压力p保持一定时，该气体的 化学势随温度而变化。 单位压力下气体的μg等于μ+，g。 温度较低时，单位压力气体的化学 势高于液体的化学势，这时气体凝 结；高温时则正好相反。
温度达到Tb，气体和固体的两条曲 线相交，此时 μ+, g = μl (1-10)
组分、相和系之间的关系如图1-1所示。
1.1.2 纯物质热力学
1. 纯物质的自由能和化学势 热力学稳定性最基本的概念: 自由能。 纯物质的自由能决定因素： 物质的化学性质，物质数量 ，物质的聚集状态(固体、液 体、气体)，温度和压力。 自由能(G)值越小，物质的状 态越稳定。 设n摩尔物质的自由能为G， 则平均1摩尔的自由能: g = G/n (1-1)
Chapter1 Introduction
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Examples
Chapter1 Introduction
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无机非金属材料（Inorganic Materials）
无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。
单质材料：单晶硅、金刚石、石墨等。 以陶瓷为主。可用作结构材料、光学材料、电子材料等。
Equations
Fe3C FeO 4Fe CO
Chapter1 Introduction
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第八世纪的 "Carolingian"剑
东方曲剑" Persian "
Swor ds
土耳其的 "Damascus" 剑
日本剑的锋口部份
Chapter1 Introduction 13
早期：纯粹凭经验工艺。 近现代： 基本化学原理 物质微结构
材料化学导论
材料化学导论
材料化学导论是一门研究材料的物理、化学和结构性质的学科。
它是材料科学的重要基础，涉及到物质的制备、结构和性质的探究、
以及材料在各种应用领域中的应用。
材料化学导论主要包括材料的基
本分类、制备技术、结构和性质等方面的内容。
在材料化学导论中，材料通常可以分为金属材料、无机非金属材
料以及有机材料三类。
金属材料包括纯金属、合金、复合材料等，常
常被用于可靠的结构件、导电部件和传热部件等。
无机非金属材料包
括陶瓷、玻璃、半导体材料等，具有高度的热、电、光学性能，广泛
应用于电子、航空、建筑等领域。
有机材料如塑料、橡胶、纤维素等，具有高度的柔韧性和可塑性，是医药、日用品和纺织品等领域的重要
材料。
在材料的制备技术方面，包括物理和化学制备方法两种。
物理制
备方法主要包括热加工、冷加工、粉末冶金、液相法等，而化学制备
方法则包括溶胶-凝胶法、水热法、气相沉积等。
在结构和性质方面，
材料的微观结构和宏观结构对其性能的影响非常重要。
材料的性能包
括机械性能、物理性能、化学性质、热性能、电性能和光学性能等。
总之，材料化学导论是一门非常重要的学科，它为材料科学的进
一步发展提供了深刻的理论基础和实践指导。
材料化学导论
一．1.何谓冶炼过程？从矿石中提炼金属一般经历那几个过程？答：是指高温下元素的分离和浓缩的过程；1）把矿质粉碎分离，经历筛选获得含有某种金属的高品位精矿，这一过程称为选矿过程；2）对精矿进行高温物理化学处理，提取某种金属（粗金属）的冶炼过程；3）去除粗金属中杂质的精炼、提纯过程。
2.了解熔点、沸点附近纯物质化学势随温度变化的情况？答：化学势随温度上升而降低熔点附近：高温时，液相化学势低于固相化学势，低温相反，在熔点时相等，此时固液两相共存；沸点附近：高温时，液相化学势高于气相化学势，低温相反，在沸点时相等，此时气体液体处于平衡。
3.工业上提炼金属一般有哪几种方法？答：PPT上：1）热分解法2）热还原法3）电解法补充：1）活泼金属：熔岩电解2）以含氧的阴离子或二氧化物存在的：电解或化学还原3）以硫化矿存在的：焙烧使之变成氧化物，然后用热分解或热还原4）容易分解的化合物：热分解法4.金属精炼方法有哪几种？答：1）区域精炼2）挥发精炼和蒸馏精炼3)气相精炼4）电解精炼5.了解锌的精炼，了解挥发精炼与蒸馏精炼的区别。
答：锌的精炼：在粗制锌锭中，含有Pb，Cd，Cu，Fe等杂志。
这些杂志的蒸气压和锌的蒸气压相差很大，可用两端蒸馏法进行精炼。
在第一蒸馏塔内，使Zn，Cd蒸馏，在第二蒸馏塔内对蒸馏后的Zn，Cd进行挥发精炼除去Cd。
挥发精炼：液体中杂质成分B的浓度降低, 而液体A的纯度增高。
蒸馏精炼：分离后气相析出，可提高A的纯度6.基本概念：熔体；区域精炼；气相精炼。
答：熔体：两种或两种以上成分构成的相叫做熔体。
区域精炼：利用溶液中析出固体的现象,使其中一种成分浓缩、富聚的方法叫做区域精炼。
气相精炼：是使挥发性金属化合物的蒸气热分解或还原，而由气相析出金属的蒸发方法。
二．1.在铁的冶炼过程中，在高炉中药加入焦炭，焦炭的作用是什么？答：1）还原剂 2）载热体 3）使熔融的铁赠碳的媒介2.比较炼铁和炼钢的目的和原理。
材料化学导论第1章绪论
四、材料与新技术革命
新材料的每次使用都引起人类社会的巨大变革和 生产力革命。18世纪以来世界范围内的生产力变革和 技术革命都以新材料使用为龙头：
第一次技术革命——产业革命：始于18世纪的英 国产业革命，使得以手工技术为基础的资本主义工场 手工业过渡到采用机器大生产的资本主义工厂制度。 这场工业革命的物质基础是钢铁材料，而伴随的新技 术则是蒸汽机的发明；
例如，没有半导体材料就没有计算机技术；没有 耐高温、高强度的特殊材料就没有航天技术；没有光 导纤维就不会有现代通讯；没有合成材料，今天的生 活还会这么丰富多彩吗？
3.材料的使用程度是人类社会发展的里程碑 从人类社会发展来看，使用材料经历了五大里程碑：
石器时代 陶器时代 铜器时代
铁器时代 复合材料
（1）石器时代 石头是人类使用的第一种材料，因此人类历史的最
第二次技术革命——电气革命：1879年爱迪生发明 了电灯，把电力革命的曙光带给了人类，一系列电气 材料相继诞生与广泛应用，产生了巨大的生产力变革；
第三次技术革命——电子革命：20世纪中叶，新导 电、导磁材料和半导体材料的发明和应用，使大规 模集成块问世，带来了计算机的广泛应用，以及原 子能的利用，大大发展了生产力和科学技术； 第四次技术革命——有人说目前正处在第四次技术 革命的前夜。这次技术革命以信息技术、新材料技 术、新能源技术和生物工程技术为基础。亦有人把 材料、能源和信息科学看作是现代科学技术的三大 支柱，而材料科学技术成为三大科学技术支柱之首。
三、材料的发展过程
第一代为天然材料 在原始社会生产技术水平低下， 人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物， 主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器。 第二代为烧炼材料 烧炼材料是烧结材料和冶炼材 料的总称。人类用天然的矿土烧结砖瓦和陶瓷，制 出了玻璃和水泥，这些都属于烧结材料；从各种天 然的矿石中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料； 第三代材料为合成材料 在20世纪初期出现了化工 合成产品，其中合成塑料、合成橡胶和合成纤维已 广泛地是用于生产和生活中。从1907年第一个小型 酚醛树脂厂建立，到1927年第一个热塑性聚氯乙烯
材料化学导论范文
材料化学导论范文材料化学是研究材料的组成、性质、结构和合成方法的学科。
它是化学学科的一个重要分支，涵盖了无机材料、有机材料和生物材料等不同类型的材料。
材料化学研究的对象包括金属、非金属、聚合物、复合材料等各种不同的材料。
材料化学的发展受益于化学和物理学的进步。
随着化学实验技术的不断提高，人们能够更好地理解材料的组成和结构。
通过分析材料的组成和结构，可以预测材料的性质并进行有针对性的合成。
同时，材料化学还借鉴了物理学的概念和方法，例如材料的能带结构和电子结构的研究，帮助人们更好地理解材料的电学、磁学和光学性质。
材料化学在现代科技领域的应用非常广泛。
它为新材料的开发和应用提供了有力的支持。
例如，在能源领域，材料化学的发展推动了新型电池、锂离子电池和太阳能电池的研究，提高了能源的利用效率。
在信息技术领域，材料化学的研究促进了半导体材料的发展，推动了电子设备的迅速发展。
在医学领域，材料化学的进展有助于新型药物的研发和生物材料的制备，提升了医学诊断和治疗的水平。
材料化学的研究内容包括材料的合成、改性和表征等方面。
材料的合成是指制备具有特定性能的材料的过程。
通过选择适当的合成方法和条件，可以控制材料的组成和结构，从而调控材料的性质。
例如，金属材料的合成可以通过熔融、溶液合成和气相沉积等方法来完成；聚合物材料的合成则可以通过聚合反应来实现。
材料的改性是指对已有材料进行结构或组成的调整，以获得更好的性能。
常见的改性方法包括材料的掺杂、表面修饰和功能组团的引入等。
材料的表征是指对材料进行结构和性能分析的过程。
常用的表征方法包括X射线衍射、电子显微镜、热重分析和光谱分析等。
在材料化学的研究中，要解决的一个重要问题是材料的结构与性能之间的关系。
材料的性能受其组成和结构的影响，而结构又决定了材料的性质。
因此，为了改善材料的性能，必须深入了解材料的结构，并利用结构的优化来实现。
例如，通过控制材料的晶体结构和晶格缺陷的引入，可以改善材料的光学、电学和磁学性能。
材料化学导论知识点汇总
1.材料的进展水平（5代）：天然材料、烧炼材料、合成材料、可设计材料、智能材料。
2.材料的分类（5类）：金属材料、非金属材料、合成材料、复合材料、功能材料。
3.非晶体与晶体的要紧区别：非晶体结构具有长程无序、短程有序的特点，而且非晶体所属的状态属于热力学的亚稳固态。
而晶体的原子平稳位置形成一个平移的周期阵列，这种原子的位置显示生长程序。
4.晶体的宏观特点（4点）：规那么的几何外形、晶面角守恒、有固定熔点、物理性质的各向异性。
5.空间点阵的概念：空间点阵是实际晶体结构的数学抽象，是一种空间几何构图，它突出了晶体结构中微粒排列的周期性这一大体特点。
6.晶体的宏观对称性中心 3种最大体的对称元素：转轴、镜面、反演中心；8种大体对称元素：1、2、3、4、6、i、m、4̅；n度旋转轴：一个晶体若是绕一轴旋转2π/n角度后能恢复，那么称那个轴为n度旋转轴。
7.晶体点阵缺点的分类（4种）：点缺点（①肖特基缺点：原子离开正常晶格的格点位置移动到晶体表面的正常位置，在原格点上留下空位。
②间隙原子：一个原子从正常表面上的位置挤进完整晶格中的间隙位置。
③夫伦科尔缺点：原子离开正常晶体的格点位置而移动到间隙位置，形成空位和间隙原子。
）、线缺点、面缺点、体缺点。
8.位错：①刃位错（是最简单的一种大体类型的位错，是在研究金属的范性中提出的。
它是在滑移面上局部滑移区的边界，且位错的方向与滑移方向垂直；从原子排列的状况来看，就犹如垂直于滑移面插紧了一层原子的刃上）②螺位错（是一种大体类型的位错，可看成是局部滑移区的边界，其特点是位错和滑移的方向是彼此平行的）。
9.固溶体的概念：合金中那些化学成份和晶体结构完全相同，且界面彼此分开又彼此独立存在的均匀组成部份，称为合金相。
合金相又分为固溶相和中间相，其中固溶体又称为混晶，存在着广漠的固溶区范围，同时不符合化合物的定组分定律。
（若是碳原子挤到铁的晶格中去，又不破坏铁所具有的晶体结构，如此的物质成为固溶体）10.奥氏体（不锈钢材料）的概念：组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：910℃以下，为具有体心立方晶格结构的α-铁，而910℃以上为具有面心立方的γ-铁。
材料化学导论第四章 材料制备化学
13
共沉淀法的缺陷： • 两种或几种反应物在水中溶解度相差很多时，会发生 分步沉淀，造成沉淀成分不均匀； • 反应物沉淀时速率不同，也会造成分步沉淀； • 常形成饱和溶液等。所以，制备高纯度的精确化学计 量比的物相，采用下面单一化合物相前驱物就要好得多。
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(2)化合物前驱体法 用一个化学计量与产物的化学计量一致的单一的 化合物作为前身物，就可以克服共沉淀法的缺点。譬 如，制备NiFe2O4尖晶石时，是以镍和铁的碱式双醋酸 盐和吡啶反应形成中间物Ni3Fe6(CH3COO)17O3OH· 5H5N， 12C 其中Ni：Fe的比例精确为1：2，并且可以从吡啶中重 结晶，可将此前身物晶体缓慢加热到200至300℃，以 除去有机物质，然后在空气中-1000℃加热2-3天得到 尖晶石相。
第四章
材料制备化学
1
对材料来说，尤其是本书中一直侧重的固体材料， 原则上讲，全部固体物质的制备和合成方法均可以应 用于其制备中。但是，我们应当清醒地意识到，材料 不等于固体化学物质，材料的物理形态往往对材料的 性质起着相当大的，有时甚至是决定性的作用。因此， 化学合成方法并不是材料合成与制备的全部，材料还 有其本身特殊的合成和制备手段。正因无如此，我们 在这里不再一一列举经典的固体合成方法，而是局限 介绍材料合成领域的一些基本的和特殊的方法。
12
（1）共沉淀法 设计所要合成的固体的成分，以其可溶性盐配 成确定比例的溶液，选择合适的沉淀剂，共沉淀得 到固体。有时共沉淀颗粒细小，混合均一化程度更 高。我们仍以合成ZnFe2O4尖晶石为例，可用锌和铁 的可溶性硝酸盐作为反应物，以1：2的摩尔比溶解 在水中，将溶液加热，加入草酸，使锌和铁的草酸 盐逐渐共沉淀在一起，即是ZnFe2O4的前身物。它包 含的正离子以在原子水平上均匀混合，并符合1：2 的摩尔比。加热、除去水分，得到固体细粉。将沉 淀焙烧，由于混合物的均一化程度高，反应所需的 温度明显低于陶瓷法，仅1000℃左右。 Fe2((COO)2)3+Zn(COO)2→ZnFe2O4+4CO+4CO2(-1000℃)
材料化学专业导论课程思政
材料化学专业导论课程思政材料化学是一门研究材料结构、性质与应用的学科，是物理学、化学和工程学的交叉学科。
材料化学专业导论课程则是介绍和阐述材料化学这一学科的基本概念和知识体系，同时也要在思想上引领学生树立正确的价值观和世界观。
一、材料化学的价值观材料化学专业从事的是创新性科学研究和技术开发工作，其价值观可以概括为以下几点：1. 崇尚真理，追求科学材料化学是一门严谨的科学，在工作中要始终坚持实事求是的科学精神，追求真理和完美。
2. 团结协作，共同创新材料化学涉及多学科知识，需要各专业领域之间的紧密合作，所以要倡导团结协作，共同推进科技创新。
3. 诚信正直，严谨自律材料化学研究和技术开发往往涉及到商业和政治等各方面的利益，因此要保持诚信正直的态度，严格自律，防止违反科学道德和法律法规。
二、材料化学的思想体系材料化学专业导论课介绍的知识体系主要包括以下几个方面：1. 材料化学的基本概念与原理介绍材料化学的基本概念、分类、结构特征以及物理和化学性质等方面的基本原理。
2. 材料化学的实验方法和技术介绍材料化学实验室的基本设备、试剂和实验方法等，使学生了解材料化学实验室的基本操作技能和安全知识。
3. 材料化学和环境保护的关系讲述材料化学产生的废弃物和排放物对环境的影响、环保监管政策以及材料化学研究和技术发展如何促进环境保护。
4. 材料化学在产业和科技发展中的应用介绍材料化学在电子、新能源、医疗、航空、军工、环保等领域中的应用及相关研究和技术发展情况。
三、思政教育中的材料化学专业材料化学专业导论课程是一门重要的思政课程，可以通过以下几个方面进行引领：1. 弘扬科学精神，树立正确的人生观、价值观和世界观。
通过材料化学学科的知识传授和实践环节的锻炼，引导学生在科学的基础上树立正确的人生观、价值观和世界观，培养正确的利他主义精神。
2. 引导学生关注国家战略，追求创新创业。
引导学生了解国家的科技政策和材料领域的发展环境，促进学生主动参与科技创新和创业创新，培养创新创业精神。
材料化学导论第2章-完美晶体的结构
材料化学导论第2章-完美晶体的结构第２章完美晶体的结构绝⼤多数材料以固体形态使⽤。
因此研究固体的结构⼗分重要。
固体可以划分为如下种类：⽆定形体和玻璃体[固体中原⼦排列近程有序、远程⽆序](Amorphous and Glassy)固体(Solid states) 完美晶体[原⼦在三维空间排列⽆限延伸（Perfect crystals）有序，并有严格周期性]晶体（Crystals）缺陷晶体[固体中原⼦排列有易位、错（Defect crystals）位以及本体组成以外的杂质] 由于晶体结构是固体结构描述的基础，我们在本章中描述完美晶体的结构，下⼀章则讲授缺陷晶体的结构。
§2.1 晶体的宏观特征和微观结构特点§2.1.1晶体的宏观特征晶体的宏观特征主要有四点：1．规则的⼏何形状所有晶体均具有⾃发地形成封闭的⼏何多⾯体外形能⼒的性质。
规则的⼏何多⾯体外形表明晶体内部结构是规则的。
当然晶体的外形由于受外界条件的影响，往往同⼀晶体物质的各种不同样品的外形可能不完全⼀样。
因此，晶体的外形不是晶体品种的特征因素。
例如，我们⼤家熟知的⾷盐晶体在正常结晶条件下呈⽴⽅晶体外形，当在含有尿素的母液中结晶时，则呈现出削取顶⾓的⽴⽅体甚或⼋⾯体外形。
2．晶⾯⾓守恒在适当条件下晶体能⾃发地围成⼀个凸多⾯体形的单晶体。
围成这样⼀个多⾯体的⾯称作晶⾯。
实验测试表明，同⼀晶体物质的各种不同样品中，相对应的各晶⾯之间的夹⾓保持恒定，称作晶⾯⾓守恒。
例如，⽯英晶体根据结晶条件不同，可有各种⼏何外形，但对应晶⾯之间的夹⾓却是不变。
晶体的晶⾯相对⼤⼩和外形都是不重要的，重要的是晶⾯的相对⽅向。
所以，可以采⽤晶⾯法线的取向表征晶⾯的⽅位，⽽共顶点的晶⾯法线的夹⾓表⽰晶⾯之间的夹⾓。
3．有固定的熔点晶体熔化过程是晶体长程序解体的过程。
破坏长程序所需的能量就是熔化热。
所以晶体具有特定的熔点。
反之，也说明晶体内部结构的规则性是长程有序的。
材料化学导论第6章-固体的磁性和磁性材料
96第6章 固体的磁性和磁性材料§6.1 固体的磁性质及磁学基本概念6.1.1 固体的磁性质某些无机固体并不像其他所有物质那样表现出抗磁性（Diamaganetism ）,而是呈现出磁效应。
这些无机固体往往是以存在不成对电子为特征的，这些不成对电子又常常是处在金属阳离子中。
因此，磁行为主要限制在过渡金属和镧系金属元素的化合物上。
它们中许多金属原子具有不成对的d 和f 电子，就可能具有某些磁效应。
我们知道，电子有自旋，形成自旋磁矩。
在不同的原子中，不成对电子可以随机取向，此时材料就是顺磁的（Paramagnetic ）；如果不成对的电子平行地排成一列，材料就有净的磁矩，这是材料是铁磁性的（iferromagnetic ）；相反，不成对电子反平行排列，总磁矩为零，材料就呈现反铁磁性为（Antiferromagnetic ）；如果自旋子虽是反平行排列，但两种取向的数量不同，会产生净的磁矩，材料就具有亚铁磁性（Ferrimagnetic ）。
图6.1就说明这些情形。
(b)(d)(c)图6.1 成单电子自旋取向和材料的磁性a 抗磁性b 铁磁性c 反铁磁性d 亚铁磁性磁性材料广泛地应用在电器、电声、磁记录和信息存储各方面，可以说，现代社会离不开磁性材料。
6.1.2 磁学基本概念1．物质在磁场中的行为97首先，我们讨论不同材料在磁场中的行为。
如果磁场强度为H ，样品单位体积的磁矩为I ，那么样品的磁力线密度，即所谓磁通量 （Magnetic induction ）B 为：B = H + 4πI 6.1.1导磁率（Permeability ）P 和磁化率（Susceptinity ）K 定义为： P = HB = 1 + 4πK 6.1.2 K = HI 6.1.3 摩尔磁化率χ为χ= dM κ 6.1.4 式中M 是分子量，d 式样品密度。
根据、K 、χ及其与温度和磁场的依赖关系可以区分不同种类的磁行为，这总结在表6.1中。
材料化学导论第2章_材料化学的理论基础
体的对称性，这种几何操作为对
称操作。
在晶体对称操作过程中，若至少
有一点保持不变，这种对称操作
称为点对称操作，晶体的这种对
称性称为点对称性或宏观对称性。
对称图形举例
34
一、旋转对称性
以一个假想直线为轴，绕此直线旋转一定的角度可使图
形相同部分重合。直线称为对称轴，以L表示，分为n重
旋转轴，其中n＝360/α, α为旋转角度。受点阵结构的
限制，晶体中只存在1，2，3，4，6几种旋转轴，用L1，
L2 ，L3，L4，L6 表示。
n= 1: 平庸对称性，单位对称操作，所有晶体均具有的对称性
n= 2:
n= 4:
n= 3:
n= 6:
35
旋转轴—— 1.2.3.4.6重轴
36
镜面m和倒反操作i
例如，1ｓ、2ｓ能带，最多容纳 2N个电子。
2ｐ、3ｐ能带，最多容纳 6N个电子。
电子排布时，应从最低的能级排起。
有关能带被占据情况的几个名词：
1．满带（排满电子）
2．价带（能带中一部分能级排满电子）
亦称导带
3．空带（未排电子） 亦称导带
4．禁带（不能排电子）
54
导体和绝缘体
（conductor ．insulator）
晶 晶体内部的粒子基本上保持其特
体 有的排列规律。
如单晶冰糖、单晶硅、宝石、金刚石
多
晶
体
由很多单晶微粒杂乱无规则地聚
结而成的。
各向异性的特征消失，使整体一
般不表现各向异性。
多数金属和合金都是多晶体。
9
固体材料按其质点的聚集状态可分为：
晶体：金属与合金、大部分无机材料，某
材料化学导论
材料化学导论导论材料化学是研究材料的组成、性质、结构和功能的学科领域。
它涵盖了从基础研究到应用研究的各个方面，是现代材料科学的重要组成部分。
本文将对材料化学的概念、研究方法和应用领域进行介绍，并探讨其在科学研究和工程应用中的重要性。
1. 材料化学的概念材料化学是一门跨学科的科学，它结合了化学、物理学和工程学的原理和方法，以研究材料的微观和宏观性质。
它关注材料的制备、成分、结构、性能和功能，旨在开发新材料、改进现有材料的性能，并解决材料在不同环境下的稳定性和可靠性问题。
2. 材料化学的研究方法材料化学的研究方法包括实验室合成、材料表征和性能测试等。
实验室合成是通过控制各种反应条件来制备材料，如溶胶-凝胶法、溶液法、气相沉积法等。
材料表征主要通过各种物理和化学手段来分析材料的结构和组成，如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等技术。
性能测试是用来评估材料的力学、光学、电学、热学和化学性能，如硬度测试、电阻测试、热导率测试等。
3. 材料化学的应用领域材料化学的研究成果广泛应用于各个领域，包括电子、能源、环境、医药等。
在电子领域，材料化学的研究推动了新型半导体材料的开发，如钙钛矿太阳能电池、有机发光二极管和量子点显示器等。
在能源领域，材料化学的研究促进了新能源材料的开发和应用，如锂离子电池、燃料电池和太阳能催化剂等。
在环境领域，材料化学的研究有助于开发高效的吸附剂和催化剂，以净化大气和水体中的有害物质。
在医药领域，材料化学的研究促进了药物控释系统、生物医用材料和组织工程的发展。
4. 材料化学的重要性材料化学在科学研究和工程应用中具有重要的地位和作用。
首先，材料化学为新材料的设计和制备提供了基础。
通过深入了解材料的结构和性质，能够合理设计新材料的组成和结构，从而实现所需的功能和性能。
其次，材料化学推动了材料性能的改进。
通过对材料的微观和宏观特性的研究，可以发现材料的瓶颈和问题，并针对性地进行优化和改进。
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教学方法
1. 采用启发式、归纳类比法等传统教学方法。 2. 采用ppt课件、网络教学课件进行教学。 3. 注重理论联系实际及培养学生分析问题、解 决问题的能力。 4. 正确处理《功能材料化学》与基础课、专业 课的关系：即利用基础课所学过的知识来讲 授《功能材料化学》 ，结合专业特点讲授 《功能材料化学》 。 5. 采用教学与习题相结合同步进行的教学计划 实现学生对知识的消化。
学时分配（总学时32）
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 材料高温化学（4） 金属的相变与折出（2） 材料电化学（4） 材料表面化学（4） 材料激发化学（4） 硅酸盐材料化学（4） 高分子化合物的合成（4） 聚合物的化学反应（4） 典型高分子材料简介（2）
教学过程
第一章 材料高温化学
一、教学目的及要求 二、主要内容 三、学时安排 四、教学重点 五、教学过程 六、思考题 七、教学参考书
教学目的及要求
使学生了解精练工艺中的化学过程如区 域精练、挥发精练等，高温冶炼下化学平衡 热力学，高温氧化及平衡氧势与温度的关系， 自蔓燃合成概念等。
主要内容
冶炼过程与提纯方法；纯物质、理想溶 体的热力学，氧化物系的吉布斯自由能与温 度图；纯金属和合金的高温氧化，平衡氧势 与温度的关系；自蔓燃合成概念与金属间化 合物的自蔓燃合成过程。
教学参考书
1．《物理化学》 傅献彩 高等教育出版社出版 1990 2．《无机化学》(第三版) 宋天佑 高等教育出版社 1980年 3．《金属学》 胡庚祥 上海科技出版社 1980年 4．《金属学教程》卢光熙 机械工业出版社 1985年 5．《材料科学基础》 马泗春 陕西科学技术出版社 1998年
讲授内容
4. 《功能材料化学》 杨宏秀 高等教育出版社 1997
5. 《Introduction to Materials Chemistry》 Harry R. Allcock Viley 2008 6 . 《Introduction to Materials Chemistry》 Ken Suslick Course Syllabus 2008
1.1 冶炼与提纯 1.2 高温氧化 1.3 自蔓燃合成
1.1.1
冶炼过程
• 冶炼过程——指高温下元素的分离和浓缩过程。其实质是从 由氧化物、硫化物构成的矿石以及其他精制原料中分离提取 某种有用金属，再经过精炼后制成的物理化学过程。
矿石
选矿 过程
精矿
冶炼 过程
粗金属
精炼 过程
金属
• 冶炼中常用的化学方法
与其它课程的关系
“功能材料化学”是以化学、物理、物理 化学、材料力学、高分子材料为基础的课程， 在学习时应联系上述基础课程的有关内容，以 加深对本课程内容的理解。同时本课程是材料 科学与工程的基础，在今后学习有关专业课程 时，还应经常联系本书的有关内容，以便进一 步掌握所学的知识。
教学指导思想
1. 从材料科学与工程材料应用的角度出发讲授《材 料化学导论》，体现21世纪教学理念、教学改革 精神和世界工程教育思想。 2. 严格按《功能材料化学》教学大纲进行教学，注 意课程内容的准确定位和整体优化。 3. 通过课堂教学、课堂讨论及习题培养学生联系实 际考虑问题的方法和分析、解决问题的能力，为 后续课程的学习或进一步深造以及从事本领域的 科学研究工作打下坚实的基础。
FUNCTIONAL MATERIAL CHEMISTRY
主讲 傅俊祥
目
• • • • • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
录
材料高温化学 金属的相变与折出 材料电化学 材料表面化学 材料激发化学 硅酸盐材料化学 高分子化合物的合成 聚合物的化学反应 典型高分子材料简介
课程性质及教学目的
• 《功能材料化学》是为材料化学专业开设的一门重要技术基础 课，可为培养材料科学人才提供捷径。材料化学是研究材料的 化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系及变化规律的 一门科学。
• 材料化学的任务是采用新的制造技术，把金属、无机物或有机 物这些材料单独加工或组合在一起，使之产生出具有新的性能、 功能和用途的材料。 • 本课程的任务是采用多媒体教学，将复杂、抽象的材料高温化 学、电化学、表面化学、硅酸盐材料化学、聚合物的合成、化 学反应及典型高分子材料的有关理论知识以简单明了的方式向 学生作介绍，实现多学科知识的交叉与渗透；并将理论知识与 实际应用联系起来，扩大学生知识面，并培养学生的理论知识 与实际运用相结合的能力。 • 学习本课程的目的是为后续专业课打下牢固的基础，同时为将 来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础。
教学重点
1. 化学平衡热力学 2. 相变与析出动力学 3．电极电位与极化 4．表面分析方法 5．材料激发化学 6．硅酸盐材料化学 7．高分子化合物的基本概念 8．聚合物的化学反应
教学难点
1. 高温氧化 2. 相变与析出动力学 3．电极电位及极化 4．表面热力学 5．等离子体化学 6．硅酸盐热力学 7．聚合反应类型 8．聚合物的化学反应
前 言
• 材料:具有使其能用于机械、结构、设备和产品的性质的 物质；与其功能及该功能所赋予的用途相关联。材料是一 切科学和技术发展的基石。 • 材料化学：从分子水平到宏观尺度认识与控制结构与性能 或功能的基本关系；是关于材料制备、加工和分析的化学； 是改进材料的组成、结构以及合成方法，开发具有突出性 能或特殊功能的新型材料。
•
G = H - TS dS/dT = C/T S一般随温度升高而增大
3.纯物质的相变(熔化)及化学势
G = nsμ s +nlμ l G+dG=(ns -dn)μ s+(nl+dn )μ
l
(1) dG/dn<0，μl < μs，表 明自由能下降，反应自发 由左向右进行； (2) dG/dn>0，μl > μs ，反 应从右向左进行； (3) dG/dn=0时，系统处于平衡， 固体和液体同时共存，此 时对应的温度即为熔点。 当温度低于熔点时，固体 的化学势低于液体化学势， 但同时熵也较小，如果提 高温度，固、液两相的化 学势曲线互相趋近，达到 熔点时曲线交为一点。
教学重点
冶炼过程与提纯方法的基本原理；纯 物质和理想溶液的热力学；氧化物系的 吉布斯自由能与温度图；平衡氧势与温 度的关系，金属间化合物的自蔓燃合成。
教学过程
一 讲授内容 二 小结 三 思考题
思考题
1．什么是区域精炼?什么是挥发精炼?什么是 偏析? 2．如何根据氧化物的标准生成吉布斯自由能 与温度的关系图来进行金属铁的冶炼与 提纯？ 3. 什么是自蔓燃合成？简单介绍金属间化合 物TiNi的自蔓燃合成的工艺流程。
•
物质A和B并非在所有组成 范围内都能相互溶解，即 溶体常常在某一限定成分 范围内才能形成。 LnxA-μA关系曲线会终止于 A在B中的饱和溶解度处， 要用LnxA=0处外插之后μA 的值，标准状态也变成了 假想标准状态。
4.固体的溶解度 • 物质A的溶解行为取决于固 体A的化学势大小和溶解过 程中溶质A的化学势大小。 与溶液中溶质的标准化学 势相比，固体溶质的化学 势越高也就越容易溶解。
3.溶体中的化学势 • 理想溶体的化学势（μAΦ 为溶体中物质A的标准化学 势）： (1) 所有xA值时恒成立，为完 全理想溶体；μAΦ和溶体 的其他性质无关，等于纯 物质A的摩尔自由能。
•
(2) xA值很小时才成立，为理 想稀薄溶体。μAΦ和纯物 质A的化学势不再相等， μAΦ随溶入A的溶剂而变化。
• 典型金属冶炼方法
• 成分、相、系
相—— 成分、结 构及性能 相同并与 其他部分 有界面分 开的宏观 均匀组成 部分。
1.1.2 纯物质热力学
1. 纯物质的自由能G和化学势μ • G决定于以下因素：物质的化学性质，物质数量，物质的 聚集状态，温度和压力。G越小，物质的状态越稳定。 化学势μ为平均1摩尔的自由能（摩尔自由能g），是温度、 压力一定时，所研究的某相中物质（成分）的固有量。
温度较低时，单位压力气 体的化学势高于液体的化 学势，这时气体凝结； 高温时则正好相反。 温度达到Tb，气体和固体 的两条曲线相交，此时， Tb温度下单位压力的气体 和液体处于平衡，因此温 度Tb称为标准沸点。
5. 纯物质蒸气压和温度的关系
• 压力增高时曲线位置高 于μ+,g ，压力降低时曲 线位置低于μ+,g 。 图中同时给出了液体化 学势的变化曲线，利用 该图可以确定液体与不 同压力气体之间的平衡 温度。例如，曲线和p＜ 1的曲线之间的交点，即 为压力值低于单位压力 的气体和液体间的平衡 温度。平衡温度。
4. 纯物质的蒸发及化学势
• 对气体来说压力对自由能 的影响不可忽略
•
•
P+为标准压力,G+为该压力 • 下n摩尔理想气体的标准自 由能，与压力无关，是温 度的函数 • 当气体压力保持一定时， • 单纯理想气体的化学势随 温度而变化。单位压力下 气体的μg等于μ+,g，为标 准化学势,其与温度的函数 关系如右图
课程内容
材料化学作为材料科学的一门主要分支，其内容主 要包括无机材料化学和高分子科学，这也是本课程的两 大部分。 本课程特点： （1）体系结构新颖，能满足宽口径专业的教学需要； （2）取材新：新材料，新理论，新方法 （3）内容精练：适合课时少教学，实用为主原则 （4）融合性大：涉及冶金、金属、无机非金属、高分 子材料的基础理论
• 功能材料化学：是材料专业的一门主要的专业基础课程。 课程比较概要地介绍了材料化学的基本理论及研究方法。 是研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间 关系及变化规律的一门科学。主要包括无机非金属材料和 高分子材料两部分内容。
总 纲
• • • • • • • • • • • • • 一、课程性质及教学目的 二、课程内容 三、与其它课程的关系 四、教学对象：12化工1班，2班，12应化1班 五、教学时间：星期四（1，2） 1-16周 六、教学地点：黄金2202 七、教学指导思想 八、教学重点 九、教学难点 十、教学方法 十一、学时分配 十二、教学过程 十三、教材及教学参考书