材料化学第5章材料的制备
大学材料科学基础 第五章材料的相结构和相图(1)
弗兰克尔空位
肖脱基空位
2) 为了保持电中性，离子间数量不等的置换会 在晶体内部形成点缺陷。 如：2Ca2+→Zr4+ ，形成氧离子空缺。 3) 陶瓷化合物中存在变价离子，当其电价改变 时，也会在晶体中产生空位。 如：方铁矿中，部分Fe2+被氧化为Fe3+时， 2FeO+O → Fe2O3中，产生阳离子空缺。 同理，TiO2中，部分Ti4+被还原为Ti3+时，产 生阴离子空缺。 这种由于维持电中性而出现的空位，可以 当作电子空穴。欠缺或多出的电子具有一定的 自由活动性，因而降低了化合物的电阻。这种 现象在材料的电性能方面有重要意义。
3．陶瓷材料中的固溶方式
陶瓷材料——一般不具备金属特性，属无机非金属。 无机非金属化合物可以置换或间隙固溶的方式溶入其 它元素而形成固溶体，甚至无限固溶体，但是一般形 成有限固溶体。 如：Mg[CO3] → (Mg,Fe)[CO3] →(Fe,Mg)[CO3] →Fe[CO3] 菱镁矿 含铁菱镁矿 含镁菱铁矿 菱铁矿 不改变原来的晶格类型，晶格常数略有改变。
(3) 多为金属间或金属与类金属间的化合物， 以金属键为主，具有金属性，所以也称金属 间化合物。 (4) 晶体结构复杂。 (5) 在材料中是少数相，分布在固溶体基体 上，起到改善材料性能、强化基体的作用。 中间相可分为以下几类： 正常价化合物；电子化合物；间隙相；间隙 化合物；拓扑密堆相。
1. 正常价化合物 • 通常是由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、 Ⅵ族元素形成，它们具有严格的化合比， 成分固定不变，符合化合价规律，常具有 AB、AB2、A2B3分子式。 • 它的结构与相应分子式的离子化合物晶体 结构相同，如分子式具有AB型的正常价化 合物其晶体结构为NaCl型。正常价化合物 常见于陶瓷材料，多为离子化合物。如 Mg2Si、Mg2Pb、MgS、AuAl2等。 • 在合金材料中，起弥散强化的作用。
高中化学人教版(2019)必修第二册课件：第5章 第3节 无机非金属材料 (1)
探究任务2 探究新型无机非金属材料
【问题引领】
1.利用二氧化硅制备高纯硅涉及的三个化学反应,是否都是氧化还原反 应?
提示:利用二氧化硅制备高纯硅,涉及的主要化学反应为:SiO2+2C
Si+2CO↑,Si+3HCl
SiHCl3+H2,SiHCl3+H2
Si+3HCl。三个反应都是氧化还原反应。
2.高纯硅的制备过程中,能循环利用的物质是什么?
自主预习·新知导 学
一、硅酸盐材料 1.陶瓷。 (1)陶瓷是以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料,经高温烧结 而成的。 (2)陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。广 泛应用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。 2.玻璃。 (1)普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。 (2)普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑 中熔融,发生复杂的物理和化学变化而制成的。 (3)玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿,还可制造玻璃纤维 用于高强度复合材料等。
【典型例题】
【例题2】 下列对晶体硅的有关叙述正确的是( )。 A.晶体硅和金刚石的物理性质相似 B.晶体硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应 C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但是它的提炼工艺复杂,价格昂贵,没 有被广泛使用 D.晶体硅具有金属光泽,故它属于金属材料,可以导电 答案:A 解析:晶体硅的结构与金刚石相似,是具有正四面体形的空间立体网状结 构,所以物理性质与金刚石相似,熔点、沸点高,硬度大;硅的化学性质不活 泼,但常温下可与F2、氢氟酸和强碱等反应;晶体硅是一种良好的半导体材 料,被广泛使用;晶体硅是一种非金属单质,虽然它具有金属光泽。
第五章第三节无机非金属材料讲义高一下学期化学人教版必修第二册
第三节无机非金属材料【学习目标】1、了解无机非金属材料、金属材料和高分子材料的特点以及它们在生产和生活中的广泛应用；2、了解常见无机非金属材料、金属材料和高分子材料的生产原理。
【知识点梳理】一、硅酸盐材料硅酸盐工业：以含硅物质为原料，经过加热制成硅酸盐产品的工业。
如制造陶瓷、玻璃、水泥等。
1．陶瓷（1）生产原料：黏土等。
（2）生产过程：混合→成型→干燥→烧结→冷却。
（3）陶瓷种类：土器、陶器、炻器、瓷器等。
（4）性能及优点：抗氧化、耐酸碱、耐高温，绝缘，易加工成型等。
（5）特种陶瓷：精细陶瓷（高强度、耐高温、耐腐蚀，并具有声、电、光、热、磁等方面的特殊功能）。
2．玻璃（1）生产原料：纯碱、石灰石和石英石少（含硅物质）。
（2）生产设备：玻璃窑。
（3）生产过程：把原料粉碎，按适当的比例混合放入玻璃窑中加强热熔化，冷却后即得普通玻璃。
高温高温（4）主要反应：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑，CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。
（5）主要成分：普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔化在一起所得到的混合物。
（6）重要性质：玻璃在常温下虽呈固态，但不是晶体，称为玻璃态物质。
没有固定的熔点，受热只能慢慢软化。
3．水泥（1）生产原料：石灰石、黏土和其他辅料（如石膏）。
（2）生产设备：水泥回转窑。
（3）生产过程：将原料以一定比例混合，磨细成生料，在窑中烧至部分熔化、冷却成块状熟料。
再加入适量石膏磨成细粉，即得普通水泥。
（概括为：“两磨一烧加石膏”）（4）主要成分：硅酸三钙（3CaO ·SiO 2）、硅酸二钙（2CaO ·SiO 2）、铝酸三钙（3CaO ·Al 2O 3）、铁铝酸四钙（4CaO ·Al 2O 3·Fe 2O 3）等的混合物。
（5）重要性质：水泥具有水硬性，而且在水中也可硬化。
贮存时应注意防水。
（6）主要用途：制成水泥砂浆、混凝土等建筑材料。
材料化学教材
材料化学教材材料化学是一门研究材料结构、性能和制备方法的学科，它在现代科学技术中扮演着重要的角色。
本教材旨在系统地介绍材料化学的基本理论、实验方法和应用，帮助学生全面了解材料化学的基本知识和发展趋势。
首先，我们将介绍材料的基本分类和性能。
材料可以分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。
金属材料具有良好的导电、导热性能，广泛应用于工程领域；无机非金属材料包括陶瓷、玻璃等，具有优良的耐高温、耐腐蚀性能；有机高分子材料主要包括塑料、橡胶等，具有轻质、柔软、绝缘等特点。
不同材料的性能差异主要源于其微观结构和化学成分的差异。
其次，我们将介绍材料的制备方法和表征技术。
材料的制备方法包括物理方法、化学方法和生物方法等，其中化学方法是最常用的制备方法之一。
而材料的表征技术则包括X射线衍射、电子显微镜、质谱分析等，这些技术可以帮助我们了解材料的结构和性能。
接下来，我们将重点介绍材料的性能调控和应用。
材料的性能可以通过改变其组成、结构和形貌来进行调控，例如通过合金化、掺杂等方法来改变材料的导电性能；而材料的应用涉及到材料在能源、环境、医药、电子等领域的广泛应用，例如太阳能电池、催化剂、生物材料等。
最后，我们将展望材料化学的未来发展。
随着科学技术的不断进步，材料化学将会迎来更多的突破和创新，例如纳米材料、功能材料等将成为材料化学的研究热点，同时，材料的可持续发展和环保性能也将成为未来材料研究的重要方向。
总之，材料化学是一门重要的学科，它对于推动科学技术的发展和应用具有重要意义。
本教材将帮助学生全面了解材料化学的基本知识和发展趋势，为他们今后的学习和研究打下坚实的基础。
希望本教材能够对学生们的学习和研究有所帮助，也希望材料化学领域的研究能够取得更多的突破和进展。
第五章 无机胶凝材料
工业副产石膏
2、磷石膏 磷石膏是洗衣粉厂和磷肥厂等制造磷酸时的废渣，是 磷灰石（或氟磷灰石）和硫酸反应生成磷酸及石膏。 反应如下： Ca5F(PO4)3+5 H2SO4+10H2O=3H3PO4+5[CaSO4·2H2O]+ HF↑ 磷石膏主要成分为二水石膏，含量可达85％以上。常 含有2％左右的磷、氟、有机物等杂质。磷石膏的结 晶与天然二水石膏很接近。多数呈菱形板状，部分呈 长板状，少量为燕尾双晶。
什么是胶凝材料cementing material
又称胶结料。在物理、化学作用下，能 从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其 他物料，制成有一定机械强度的复合固 体的物质。分为水硬性胶凝材料和气硬 性胶凝材料两大类。
1、水硬性胶凝材料 和水成浆后，既能在空气中硬化，又能在水中硬化 的胶凝材料。这类材料通称为水泥，如硅酸盐水泥、 铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。 2、气硬性胶凝材料 不能在水中硬化但能在空气中或其他条件下硬化的 胶凝材料。分为无机的（包括石灰、建筑石膏、水 玻璃和菱苦土）和有机的（如沥青、树脂等）两种。 一般用途的有石灰、石膏等。
2、普通纸面石膏板
1)定义：是以半水石膏和护面纸为胶凝材料，掺加适 量纤维、胶粘剂、促凝剂、缓凝剂，经料浆配制、成 型、切割、烘干而成的轻质薄板。 2)特点：具有质轻、保温、防火、吸声、抗冲击，调 节室内温度湿度等性能，可锯、可钉、可钻，并可以 用钉子、螺栓和石膏为基材的粘结剂粘结。 3)应用：主要适用于室内隔断和吊顶，而且要求环境 干燥。不适用于厨房、卫生间以及空气相对湿度大于 70%的潮湿环境。
图4.1
普通纸面石膏板的棱边
3、装饰石膏板
1)定义：装饰石膏板是以建筑石膏为胶凝材料，加入 适量的纤维增强材料、胶粘剂、改性剂等辅料，与水 拌和成料浆，经成型、干燥而成的不带护面的装饰板 材。 2)特点：它具有质轻、强度高、图案饱满、细腻、色 泽柔和、美观、吸音、防火、隔热、变形小及可调节 室内湿度等优点，并具有施工方便，加工性能好，可 锯、可钉、可刨、可粘贴等特点，是较理想的顶棚吸 音板及墙面装饰板材。
第五章第2节高分子材料第2课时 课件 2021-2022学年高二化学人教版（2019）选择性必修3
B.CH2==CH—COOH
C.CH3—CH(OH)—COOH D.H2N—CH2—COOH
随堂巩固
3.X是一种性能优异的高分子材料，其结构简式为
，
已被广泛应用于声、热、光的传感等方面，它是由HC≡CH、(CN)2、CH3COOH三种 单体通过适宜的反应形成的。由X的结构简式分析合成过程中发生反应的类型有
很难溶解，但往往有一定程 度的胀大
性能
具有热塑性，无固定熔点
具有热固性，受热不熔化
强度大、绝缘性好、有可塑 特性 强度大、可拉丝、吹薄膜、绝缘性好
性
常见 物质
聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡胶
酚醛树脂、硫化橡胶
小结
随堂巩固
1.手术缝合线、人造器官等人体用的功能高分子要求无毒且与人体有较好的相容性。
根据有关化合物的性质及生物学知识可知，下列高分子不宜用作手术缝合线或人造
②合成新的带有强亲水基团的高分子。
如CH2==CH—COONa —一交—定联—条—剂件→
聚丙烯酸钠(网状结构)
学习任务三：高吸水性树脂
3.性能： 不溶于水，也不溶于有机溶剂，与水接触后在很短的 时间内溶胀，可吸收其本身质量的数百倍甚至上千倍 的水，同时保水能力要强，还能耐一定的挤压作用。
《时代周刊》评出20世纪最伟 大的100项发明，其中“尿不 湿”榜上有名
器官材料的是 A.聚乳酸
B.聚氨酯
C
C.氯纶
D.聚乙烯醇
随堂巩固
2.用高分子塑料骨钉取代钛合金骨钉是医学上的一项新技术，这种塑料骨钉不仅具
有相当的强度，而且可在人体内水解，使骨科病人免遭拔钉的痛苦。合成这种塑料
骨钉的原料能与强碱溶液反应，也能在浓硫酸条件下形成环酯。则合成这种塑料骨
第5章聚合物无机纳米复合材料
第5章聚合物无机纳米复合材料聚合物无机纳米复合材料是一种由聚合物基质和无机纳米颗粒组成的新型复合材料。
这种材料具有聚合物的柔韧性和无机纳米颗粒的特殊性能，广泛应用于各个领域。
聚合物无机纳米复合材料的制备方法分为物理法和化学法两种。
物理法主要是通过机械混合的方式将聚合物和无机纳米颗粒混合在一起，然后经过加热或其他处理使它们相互结合成为复合材料。
化学法则是通过化学反应将聚合物和无机纳米颗粒连接在一起，形成固体复合材料。
聚合物无机纳米复合材料具有一系列优异的性能。
首先，由于无机纳米颗粒在复合材料中的分散性和界面相容性良好，使得聚合物基体的强度和刚度得到显著提高。
其次，无机纳米颗粒的独特性能也使复合材料具有特殊的性能，如高导热性、高阻燃性、耐腐蚀性等。
此外，聚合物无机纳米复合材料还具有较好的可加工性，可以通过注塑、挤出、压延等工艺加工成不同形状的制品。
聚合物无机纳米复合材料在各个领域有着广泛的应用。
在电子领域，它可以作为高导热的封装材料，提高电子器件的散热性能；在汽车制造领域，它可以制备耐高温、耐腐蚀的复合材料，用于制造汽车发动机等部件；在医药领域，它可以作为载药材料，提高药物的缓释性能；在建筑领域，它可以作为阻燃材料，提高建筑物的耐火性能。
然而，聚合物无机纳米复合材料在制备过程中仍存在一些问题。
首先，制备过程中的分散性和界面相容性控制是一个关键问题，直接影响着复合材料的性能。
其次，无机纳米颗粒的添加量和分散度对复合材料的性能也有着重要影响，需要进行合理的设计和控制。
此外，复合材料在使用过程中的耐久性和稳定性也需要进行进一步的研究和改进。
总的来说，聚合物无机纳米复合材料是一种具有广泛应用前景的材料，其独特的性能使其在各个领域都有着潜在的应用价值。
随着制备工艺的不断改进和性能的进一步提高，相信聚合物无机纳米复合材料将会在未来发展中得到更加广泛的应用。
高分子材料加工原理第五章
(2)纺丝流体从喷丝孔中的剪切流动
向纺丝线上的拉伸流动的转化
(3)流体丝条的单轴拉伸流动
(4)纤维的固化
（二）纤维成型过程中成纤聚合物的变化
(1)几何形态变化 (do (2)物理形态变化 ①宏观状态参数 T-X (温度场) Ci-X (浓度场) ②微观状态参数 取向度 结晶度 网络结构 V-X (速度场) P-X (应力场) dx)
ρxAxVx=常数
T(x)：由补偿式接 触温度计、红外线 拍照等确定 ρ(T) ① 高速摄影法 不发生 结晶时
ρx ≈ K Vx
dx： ②取样器取样法确定
③ 激光衍射法
έ(x) =
dVx dx
Test stand for temperature and velocity measurement: Infrared Camera and Laser Doppler Anemometer
(3)化学结构变化
（三）纺丝过程的基本规律
1.在纺丝线的任何一点上，聚合物的流动是稳态 和连续的.
纺丝线:熔体挤出细流和固化初生纤维的总称. 稳态： , T , Ci , P, 0
t
连续：在稳态纺丝条件下，纺程上各点
每一瞬时所流经的聚合物质量相等（流动
连续性方程) : 熔体纺丝 溶液纺丝 ρxAxVx=常数 ρxAxVxCix=常数
2.纺丝线上的主要成形区域内，占支配地位的形变是单轴拉伸
3.纺丝过程是一个状态参数连续 变化的非平 衡态动力学过程 同 一时间不同位置V 、 T 、 Ci 、 P 等连续变化.
4.纺丝动力学包括几个同时进行并相互联系的单元过程
动能传递、传热、传质、结构参数变化等.
(四)纺丝流体的可纺性
《稀土材料及其应用A》-第五章-热还原制备稀土金属
稀土氧化物氟化炉及旋转机构
1-HF气瓶；2-喷射室；3－电磁线圈；4-压力计；5-联接件；6-四氟乙烯通用密封 件；7-Ni基合金外管；8一Ni基合金内管；9-电炉；l0-收尘器；11-链轮；12-Ni基 合金进口管； 13－水冷吸气剂；14－中和槽； 15－苏打中和液；16－pH计；7－ 连结pH计的控制阀；18－阀；19－电动机； 20－连接管；21－轴承支撑件；22 －四氟乙烯密封件
氟化氢铵氟化法的基本特点是氟化率很高，一般可达99％ 以上。另外，工艺过程和设备都比较简单，易于操作，反 应温度较低，设备寿命长，劳动条件较好。
RE2O3NH4F.HF氟化炉
1-Ni基合金管；2－电阻炉；3－热电偶；4－干燥空气进口；
5－Ni基合金挡板；6－装有料的容器；7－Ni基合金挡板；8一废气出口
近年来，有人认为要制备高纯无水稀土氟化物，工业上所 用的传统工艺将被淘汰。最佳工艺是将无水氟化氢气体在 低温下与稀土氧化物反应，然后，将得到的氟化物在氩气 和氟化氢混合气氛下在铂坩埚内熔融。
还原剂
稀土金属钙热还原的还原剂常用金属钙，这也是钙热还原的工艺名称的来由。 为制取纯度较高的稀土金属，还原剂钙要进行净化处理，一般制备工业纯稀 土金属，使用蒸馏钙即可满足要求。常用的净化处理采用真空蒸馏的方法， 最后纯度达质量百分数99.9％，其氧、氮等杂质含量要低。但对其具体杂质 含量要求，应视被还原金属的纯度而定。
(G / T) T P
H T2
如参加反应的物质均处于标准态，将范特霍夫等温方程式代入，平衡 常数K与压力无关,并忽略压力对反应热影响。
d ln K H dT RT 2
上式表明温度对平衡常数的影响与反应热有关。
第5章 立方氮化硼
5.1.2 原料要求和处理方法
主要原料：六方氮化硼、催化剂(降低合成温度和压力)、 叶腊石(传压密封介质) 1. 六方氮化硼的制备
原理及方法 合成方法大致有固相法和气相法(主要用于制备HBN粉末、 薄膜或涂层)。固相法主要有： 硼砂-氯化铵法 化合或还原-化合法 硼砂-尿素法 硼酸-磷酸三钙法
高温自蔓延合成法
六方氮化硼工业生产的工艺流程
硼 酸
磷酸钙
煅烧 烧结物
粉碎 过筛 加入NH4Cl
通NH3
1273K
氮
化
氮化硼粉
干燥 BN
加HCl
BN+CaO
制备工艺对六方氮化硼质量的影响
原料的影响 无论选用哪种原料，其统纯度必须在99%以上，重金属含量必须少于 10ppm。在立方氮化硼合成过程中，重金属作为夹杂相残留于晶面，使晶体
立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的，
是继人造金刚石问世后出现的又一种新型高新技术产品。它 具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性，以及良好的透红外
形和较宽的禁带宽度等优异性能，它的硬度仅次于金钢石，
但热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有较大的化学稳 定性。
立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六
3. 传压密封介质
5.1.3 设备与工装 5.1.4 立方氮化硼合成工艺、提纯及检测 1. 工艺流程
催化剂制备 HBN粗料 水洗 碱处理 研磨 筛分 称料 混料 HBN精料 烘干 煮沸 称料 水洗 合成球磨棒 高温高压合成 组装 称料 压柱
酸处理
水洗
烘干
人教版(2019)高中化学选择性必修3有机化学基础第五章 第二节 高分子材料
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使用聚苯乙烯等材料制成的一次性饭盒，会造成严重的白色污染。最近研
制出一种可降解塑料，其结构简式为
(代号
3HB)，具有良好的生物适应性，能在自然界中自行降解。
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(1)你认为“3HB”属于线型高分子，还是网状高分子？ 提示：线型高分子。 (2)“3HB”降解后的单体是什么？其单体是如何聚合成高分子的？
提示：“3HB”降解后的单体为
，通过缩聚反应聚合成高分
子。
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(3)线型结构和网状结构的有机高分子在性质上有何不同？ 提示：线型结构的高分子能溶于适当溶剂，具有热塑性；网状结构的高分 子不溶于一般溶剂，具有热固性。
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高分子的结构与性质
线型高分子
网状高分子
结构
分子中的原子以共价键相互连 分子链与分子链之间还有许多
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3．(2022·枣庄高二期末)某高分子由三种单体在一定条件下聚合而成(同时 还生成水)，其结构如图所示： 下列物质不是其单体的是( )
√
解析：由高分子的结构可知其由苯酚、苯胺和甲醛通过分子间脱水反应形
成，其单体中不含甲醇，故C符合题意。
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02
知识点二
知识点二 功能高分子材料
1．概念：具有某些特殊化学、物理及医学功能的高分子材料。例如，高 吸水性树脂、高分子分离膜和高分子药物等。 2．高吸水性树脂 (1)结构特点 ①含_强__亲__水___基团(如—OH、—COOH等)的支链。 ②具有_网__状__结构。
第五章 合成高分子
第二节 高分子材料
[素养发展目标] 1．认识塑料、合成橡胶、合成纤维的组成和结构特点，能从微观层面理解 高分子的线型结构、支链型结构、网状结构和性质的关系。 2．通过实验探究了解酸性条件和碱性条件下酚醛树脂制备方法的不同，培 养科学探究与创新意识的学科核心素养。 3．能参与材料选择与使用、垃圾处理等社会性议题的讨论，并作出科学的 判断、评价及决策，培养科学态度与社会责任的学科核心素养。
第5章 高强高模高分子材料
专用于纤维的概念介绍
(2) 断裂强度与相对断裂强度：是指测定纤维在标准 状态下受恒速增加的负荷作用直至断裂时的负荷值。 如果负荷是以纤维单位面积所受力的大小表示，断 裂强度的单位为帕（Pa）或千帕（kPa）。如果负 荷是以纤维的单位线密度所受的力的大小表示，则 测定的断裂强度称为“相对断裂强度”，法定计量 单位为牛顿/特（N/tex），过去常用的（非法定计 量单位）单位为克/旦。
模量/Gpa 模 量 密 度 熔点/℃ /cN/dtex /g.cm-3
14-17 1.38-1.40 255-265
4.9-5.7 4.4-5.7 3.1-4.5 2.8-5.3 2.6-3.5 0.33 0.40 0.61
26-40 28-42 15-20 12-20 17-22 580 640 660 620 10-24
数值 160 500 无强度损失 无强度损失 3170 2720 无模量损失
性能 在空气中高温下长期使用的温度℃ 分解温度℃ 拉伸强度MPa 在室温下16个月 在50℃空气中2个月 在100℃空气中
拉伸弹性模量GPa
在200℃空气中 在室温下16个月
在50℃空气中2个月
在100℃空气中 在200℃空气中 收缩率％ 热膨胀系数（10－6×℃－1） 纵向0－1000℃ 横向0－1000℃ 室温比热容（J/g.℃） 室温下导热系数[W/(m.K)] 垂直于纤维方向 平行于纤维方向 燃烧热（KJ/g）
无模量损失
113.6 110.3 4×10－4 －2 50 1.42 4.110×10－2 4.816×10－2 34.8
5.2.1.3 用途
表5-6
用途分类 产业用纺织品
Kevlar纤维的用途
具体说明 缆绳、编织线绳、编织带、织物（过滤布、 蓬布等）、非织造布 （耐热毡）、土工布 （增强材料） 防弹衣、切割料（安全手套、安全围裙等）、 防腐蚀衣 帘子线或帘子布、动力带、胶管（高压软管、 耐热软管等）、复合材料（航空机部件、压 力容器、体育用品、塑料增强等） 摩擦材料、密封材料、工业用纸（耐热绝缘 纸、工业特种纸） 建筑材料（幕墙、地基屋顶材料）、补强材 料（钢筋替代材料、筒管基材等）
材料科学基础第五章 材料的相结构及相图
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学 2）尺寸因素
化学与材料科学学院
溶质原子溶入溶剂晶格会引起晶格点阵畸变，使晶体能量升高。 晶格畸变能
能量越高，晶格越不稳定。
单位体积畸变能的大小与溶质原子溶入的数量及溶质原子的相对尺寸有关：
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
1）晶体结构因素
溶质与溶剂的晶格结构相同→固溶度大。 例如：具有面心立方结构的Mn、Co、Ni、Cu，在γ-Fe中 固溶度较大，而在α－Fe中固溶度较小。 溶质与溶剂的晶格结构相同是形成无限固溶体的必要条件。
贵州师范大学
化学与材料科学学院
1）无限固溶体
无限固溶体都是置换固溶体？ 2）有限固溶体 间隙固溶体只能是有限固溶体？
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
按溶质原子分布分类 1）有序固溶体 2）无序固溶体
贵州师范大学
化学与材料科学学院
基本概念
组元：组成材料的最基本的、独立的物质，简称元。
金属元素：Cu、Al、Fe 非金属元素：C、N、O 化合物： Al2O3, MgO, Na2O, SiO2 单一组元组成：纯金属、 Al2O3晶体等 材料： 二元合金 多组元组成，含合金 三元合金
组元：
纯元素
合金：指由两种或两种以上的金属或金属与非金属 经熔炼或其它方法制成的具有金属特性的物质。
新人教版 化学 必修第二册第五章第三节无机非金属材料课件
光导纤维
水晶、玛瑙饰品
化学仪器
硅酸H2SiO3
高中化学唯一难溶性酸，酸性比碳酸还弱
硅酸
聚合
硅酸凝胶
干燥脱水
硅酸干凝胶
“硅胶”
硅胶的用途： 食品、药品的干燥剂 催化剂的载体
3.新型陶瓷
SiC(金刚砂) 陶瓷
结构 碳原子和硅原子通过共价键连接
硬度大 砂纸和砂轮பைடு நூலகம்磨料
性能
耐高温结构材料
高温抗氧化 耐高温半导体材料
1．保存NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？ SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O 有粘性
2．SiO2既能与HF酸反应又能和NaOH反应，所以它是两性 氧化物？ 错。因为SiO2＋4HF＝SiF4 ↑＋2H2O，生成的SiF4 不属于盐。
二、二新.新型型无无机机非非金金属属材材料 料
SiO2+Na2CO3 SiO2+CaCO3
Na2SiO3+CO2↑ CaSiO3+CO2↑
主要成分
Na2SiO3 CaSiO3
SiO2
玻璃无固定的熔沸点。
2. 玻璃
应用
生产建筑材料、光学仪器和各种器皿、还可制造玻璃 纤维用于高强度符合材料等。
用含铅的原料制 造的光学玻璃
加入一些金属氧化物或盐可以 得到彩色玻璃，常用于建筑和 装饰
新人教版 化学 必修第二册
第三节 无机非金属材料
硅酸盐材料 新型无机非金属材料
材料的分类
材料 （按化学组成 和特性来分）
金属单质 金属材料
合金
无机非金属材料
传统无机非金属材料 新型无机非金属材料
高分子材料： 塑料、合成橡胶、合成纤维
材料化学 李奇 陈光巨 编写 第五章 课后答案
第5章习题答案1.高分子结构通常分为链结构和聚集态结构两个部分，请解释链结构和聚集态结构。
答：链结构是指单个高分子化合物分子的结构和形态，所以链结构又可分为近程和远程结构。
近程结构属于化学结构，也称一级结构，包括链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、结构单元的排列顺序、支链类型和长度等。
远程结构是指分子的尺寸、形态，链的柔顺性以及分子在环境中的构象，也称二级结构。
聚集态结构是指高聚物材料整体的内部结构，包括晶体结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构等有关高聚物材料中分子的堆积情况，统称为三级结构。
2.简述近程相互作用和远程相互作用的含义及它们对高分子链的构象有何影响。
答：所谓“近程”和“远程”是根据沿大分子链的走向来区分的，并非为三维空间上的远和近。
事实上，即使是沿高分子长链相距很远的链节，也会由于主链单键的内旋转而会在三维空间上相互靠得很近。
高分子链节中非键合原子间的相互作用——近程相互作用，主要表现为斥力，如—CH2—CH2—中两个C上的两个H的范德华半径之和为0.240nm，当两个H为反式构象时，其间的距离为0.247nm，处于顺式构象时为0.226nm。
因此，氢原子间的相互作用主要表现为斥力，至于其他非键合原子更是如此。
近程相互排斥作用的存在，使得实际高分子的内旋转受阻，使之在空间可能有的构象数远远小于自由内旋转的情况。
受阻程度越大，构象数越少，高分子链的柔性就越小。
远程相互作用可为斥力，也可为引力。
当大分子链中相距较远的原子或原子团由于单键的内旋转，可使其间的相互作用在距离小于范德华半径时表现为斥力，大于范德华半径时为引力。
无论哪种力都使内旋转受阻，构象数减少，柔性下降，末端距变大。
3.何为晶态高聚物？高聚物可形成哪些形态的晶体？答：晶态高聚物是由晶粒组成，晶粒内部具有三维远程有序结构，但呈周期性排列的质点不是原子，整个分子或离子，而是结构单元。
由于结晶条件不同，结晶性高聚物可以形成形态不同的宏观或亚微观晶体，单晶，树枝晶，伸直链晶体，纤维状晶体，串晶等。
材料合成与制备
鸽血红（纯红色）红宝石 粉红色红宝石 蓝色蓝宝石 黄色蓝宝石 绿色蓝宝石 紫色蓝宝石 帕德马蓝宝石 变色蓝宝石
Cr3+ Ｃr3+ /Fe/Ti Fe2+/Ti4+ Fe3+、色心 Fe3+、Fe3+/ Ti4+ Cr3+/Fe2+/Ti4+、 Fe2+/Fe3+ 色心/Cr3+、 Fe3+ Fe、Ti、Cr
火，会出现晶粒的反常长大。这个过程就像在再结晶 后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长 大，故又称之为“二次再结晶”。
异常长大后(20min) 异常长大前(5min) Fe-3%Si合金在1100℃退火组织
晶粒的异常长大
二次再结晶特征：
❖驱动力来自界面能或表面能的降低。 ❖不需要重新形核，是以一次再结晶后的某
退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
1.1.1 形变再结晶理论
冷变形后材料经重新加热进行退火之后， 其组织和性能会发生变化。观察在不同加热温 度下变化的特点可将退火过程分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段。
回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结 构和性能变化的阶段；
2. 晶粒长大
晶粒长大可以通过现存 晶粒在退火时的生长或 通过新晶粒成核，然后 在退火时生长的方式发 生，焊接一颗大晶粒到 多晶试样上，并且是大 晶粒吞并临近的小晶粒 而生长，就可以有籽晶 的固-固生长，即
形核-焊接-吞并
再结晶后的晶粒长大
再结晶刚完成后，得到的是细小的等轴晶粒。如果 继续提高退火温度或延长保温时间，便会发生晶粒互 相吞并而长大的现象，称为“晶粒长大”。
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6/15/2020
4-inch的LiNbO3单晶
自动提拉技术
Crystal-500 晶体生长炉
6/ 2. 晶体生长室growth chamber 3. 坩埚crucible 4. 底加热器bottom heater 5. 气阀gas valve 6. 熔面调校器melt-level regulator 7. 探头probe 8. 电脑 9. 温度校正单元 temperature-
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5.1.2 溶液生长法
主要原理：使溶液达到过饱和的状态而结晶。 过饱和途径：
➢ 利用晶体的溶解度随温度改变的特性，升高或降低温度而 达到过饱和；
➢ 采用蒸发等办法移去溶剂，使溶液浓度增高。
介质：
✓ 水、熔盐（制备无机晶体） ✓ 丙酮、乙醇等有机溶剂（制备有机晶体）
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坩埚下降法晶体生长示意图
坩埚下降法
采用冷却棒的结晶炉示意图和理想的温度分布
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5.1.1.3区熔法
狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原 料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下降而形成单晶 。
随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的 过程，最后形成单晶棒。
Chapter 5 Preparation of Materials 材料的制备
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主要内容
材 料
化学合成
制 工艺技术 备
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5.1 晶体生长技术 5.2 气相沉积法 5.3 溶胶-凝胶法 5.4 液相沉淀法 5.5 固相反应 5.6 插层法和反插层法 5.7 自蔓延高温合成法 5.8 非晶材料的制备
Application of Hydrothermal Method
Monocrystal Growth
Application (1) Monocrystal Growth
利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长，从而避免了晶体相 变引起的物理缺陷
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水热法生长的单晶 水热法生长单晶装置
水热法——在高压釜中， 通过对反应体系加热加压 （或自生蒸汽压），创造 一个相对高温、高压的反 应环境，使通常难溶或不 溶的物质溶解而达到过饱 和、进而析出晶体
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水热法种类
➢ 水热氧化法 ➢ 水热沉淀法 ➢ 水热合成法 Classification ➢ 水热分解 ➢ 水热晶化法
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液相外延系统示意图
液相外延法优点：
生长设备比较简单； 生长速率快； 外延材料纯度比较高； 掺杂剂选择范围较广泛； 外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； 成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好； 操作安全。
缺点：
当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难； 由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料； 外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。
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KTP单晶 杜邦用来生长KTP晶体的装置
Powder Preparation
粉体晶粒发育完整； 粒径很小且分布均匀； 团聚程度很轻；
(2) Powder preparation
易得到合适的化学计量物和晶粒形态； 可以使用较便宜的原料； 省去了高温锻烧和球磨，从而避免了杂质和
correction block
晶体生长过程
开始阶段
径向生长阶段
垂直生长阶段 6/15/2020
Crystal-500 晶体生长炉得到的晶体
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5.1.1.2 坩埚下降法
装有熔体的坩埚缓慢通过具 有一定温度梯度的温场，开 始时整个物料熔融，当坩埚 下降通过熔点时，熔体结晶 ，随坩埚的移动，固液界面 不断沿坩埚平移，至熔体全 部结晶。
料锤1周期性地敲打装在料斗3里的粉末原 料2，粉料从料斗中逐渐地往下掉，落到位 置6处，由入口4和入口5进入的氢氧气形成 氢氧焰，将粉料熔融。熔体掉到籽晶7上， 发生晶体生长，籽晶慢慢往下降，晶体就 慢慢增长。
➢能生长出很大的晶体（长达1m） ➢适用于制备高熔点的氧化物 ➢缺点是生长的晶体内应力很大
焰熔法生长宝石
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焰熔法
焰熔法生长金红石
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金红石晶体
5.1.1.5液相外延法
料舟中装有待沉积的熔体，移动料舟经过单晶衬底 时，缓慢冷却在衬底表面成核，外延生长为单晶薄 膜。
在料舟中装入不同成分的熔体，可以逐层外延不同 成分的单晶薄膜。
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液相外延法
• 提拉法 • 坩埚下降法 • 区熔法 • 焰熔法 • 液相外延法
5.1.1.1 提拉法(丘克拉斯基法，CZ法，Czochralski method)
✓ 可以在短时间内生长大而无 错位晶体
✓ 生长速度快，单晶质量好 ✓ 适合于大尺寸完美晶体的批
量生产
提拉法单晶生长
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控制晶体品质的主要因素：
5.1.2.1 水溶液法
原理：通过控制合适的降 温速度，使溶液处于亚稳 态并维持适宜的过饱和度 ，从而结晶。
制备单晶的关键：
➢ 消除溶液中的微晶； ➢ 精确控制温度。
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生长容器
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水溶液法制备的KH2PO3晶体（历时一年）
5.1.2.2 水热法 Hydrothermal Method
有时也会固定加热器而移动原料棒。
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区熔法
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水平区熔法示意图
包含化合物生成的区熔法
InP单晶的合成
CdTe单晶的合成 6/15/2020
长200mm、直径 75mm的未掺杂 GaAs单晶及晶片
100mm直径的 InP单晶及晶片
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5.1.1.4 焰熔法
学习目的
➢ 学习几种材料制备技术，掌握其基本原理，理解相关工 艺过程。
➢ 了解各种制备技术的特点、适用范围、优缺点等。
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5.1 晶体生长技术
熔体生长法 溶液生长法
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5.1.1 熔体生长法
—将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定 的过冷而形成单晶
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