材料化学导论第4章_材料制备化学

材料化学
材料制备化学
材料制备按目的分类 （1）制备一系列材料以研究材料的特殊性能 （2）制备一系列结构相关的材料以研究材料
的结构与性能之间关系 （3）制备一系列新种类的材料 （4）制备一系列特殊规格的材料
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材料化学
材料制备化学
2. 晶体材料的制备 2.1 陶瓷法 2.2 化学法 2.3 薄膜的制备和形成 2.4 其他方法
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尖晶石的制备
化学式： 通式AB2O4 ；MgAl2O4
晶体结构： 立方晶系，a＝0.808nm，Z＝8 空间格子： O2-是按立方密堆积的形式排列。二价离子A充
填1/8 四面体空隙，三价离子B充填于1/2八面 体空隙（正尖晶石结构）。 多面体： 〔MgO4〕、〔AlO6〕八面体之间是共棱相连， 八面体与四面体之间是共顶相连。
激光二极管 发光二极管 透明导电体 透光压电体
铁氧体磁体
(Ba,Sr)O·6Fe2O3
存储元件
（Zn,M）Fe3O4 （M=Mo,Co,Ni,
Mg等）
轴承
Al2O3，B4C
车刀
Al2O3， Si3N4
全息摄影 光通讯，计测
透明电极
GaP、GaAs GaAsP
SnO2,In2O3
压电磁器件 (Pb，La)(Zr，Ti)O3
厨房材料？
门把手：铝合金
金属
水槽、水龙头：不锈钢 材料
橱窗：玻璃 墙壁：瓷砖
无机非金 属材料
吊顶：塑料或合金 合成 橱门外层：涂料、漆 材料
厨房桌台面：人造大理石 复合 材料
传统化学材料的影响
• 在我们的衣食住行以及战胜疾病等方面，化工科 技的进步，为人类带来巨大的益处。
• 药品的发展有助治愈不少疾病，延长人类的寿命； • 聚合物科技创造新的制衣和建造材料； • 农药化肥的发展，控制了虫害，也提高了生产。 • 传统化学工业在产品制备的过程中产生了大量的
绿色化学的主要特点是：
①充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料； ②在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废物向环境排放； 如采用新型、高效、对环境友好、可回收的催化剂。 ③提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所 消纳，实现“零排放”；如采用无毒无害的溶剂、开发无溶剂 存在下的固态反应；应用水介质体系；以超临界流体做介质的 反应。 ④生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的 产品。
材料 电子材料
某些精细陶瓷的应用实例
特性
应用领域
用途Baidu Nhomakorabea
代表物质
压电性
点火元件、压电滤 波器、表面波器件， 压电变压器、压电
振动器
引燃器、FM、 TV，钟表、超 声波、手术刀
Pb(Zr,Ti)O3, ZrO,
LiNbO3, 水晶
半导体
热敏电阻、非线性 半导体，气体吸着
半导体
温度计，加热 Fe-Co-Mn-Si-O
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材料制备的目的
1 ）为了获得某些特殊的性能而制备一系列材料 2）为研究材料结构与性能之间的关系而制备一系列 材料 3）制备一系列新种类的材料 4）制备一系列特殊规格的材料
化学合成与材料
化学合成是材料制备的基础，并非材料制备的全部。 材料制备是一个极其复杂的化学和物理的综合变化过程。 材料的物理结构及状态对材料的性能也有显著作用。
器，太阳电池， 气体传感器
BaTiO3 CdS-Cu2S
导电性 绝缘体
超导体 快离子导体
绝缘体
导电材料 固体电解质
集成电路衬底
YBa2Cu3O7-x Na-βAl2O3,
α-AgI
Al2O3, MgAl2O4
磁性材料
磁性 磁性
超硬材 料
耐磨耗 性
切削性
荧光性
光学材 料
透光性
透光偏 光性
导光性
硬质磁性体 软质磁性体
通讯光缆
玻璃纤维
材料化学
材料制备化学
陶瓷法制备多晶材料的条件——高温 • 从热力学角度：吉布斯自由能变化判断 • 从动力学角度：决定反应进行的速度 设备：电弧炉，3000℃
CO2激光设备，4000℃
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材料化学
材料制备化学
例:以1：1摩尔比MgO和Al2O3的混合物反应生成 尖晶石讨论固体反应过程的影响因素。
热力学和结构因素评价 从热力学上看，MgO和Al2O3的混合物反应生成尖晶 石的反应：
MgO(s) + Al2O3(s) → MgAl2O4(s) 的自由能允许反应正向自发进行。但固相反应实际上是反 应物晶体结构发生变化的过程。尖晶石MgAl2O4 和反应物 MgO、Al2O3的晶体结构有其相似性和差异性。
材料化学
材料制备化学
1. 化学合成与材料制备 2. 晶体材料的制备 3. 微晶颗粒和团簇的制备 4. 无定型材料的制备 5. 晶体生长 6. 聚合物材料的制备
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材料化学
材料制备化学
1. 化学合成与材料制备 材料制备不是通常所说的化学合成或化学
制备，是一个极其复杂的化学和物理的综合变 化过程。
材料制备是一项横跨化学学科和物理学科 的制备技术。
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2 晶体材料的制备
2.1 陶瓷法 • 经典方法(固态反应法)
恒温条件利用固体化合物反应制备材料。 • 多晶形固体制备法（固态形式直接反应法）
晶体物质互相混合，通过接触的界面发生离 子的自扩散和互扩散，或原有化学键的断裂和新 化学键的形成及新物相的生成，晶体结构产生变 化，这种变化向固体原料内部或深度扩散，导致 了一种新多晶材料的生成。
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陶瓷
陶瓷（Ceramics）是一类无机非金属固体材料。 陶瓷的典型代表有：瓷器、耐火材料、水泥、玻璃 和研磨材料等。 近几十年来，制得了广泛应用在电子、能源诸多领 域的耐热性、机械强度、耐腐蚀性、绝缘性以及各 种电磁优越性能的新型陶瓷材料，称之为精细陶瓷 （Fine Ceramics）。 陶瓷材料有各种化学成分，包括硅酸盐、氧化物、 碳化物、氮化物及铝酸盐等。
废物，污染了环境？
现代化学材料的特点
现代的化学材料正在趋向与可持续的方向发展。 提出绿色化学概念，以保护环境为目标来设计、生产化学产品 从源头上阻止污染的化学，使化学成为环境的朋友。
绿色化学（Green Chemistry） 环境无害化学（Environmentally Benign Chemistry） 环境友好化学（Environmentally Friendly Chemistry） 清洁化学（Clean Chemistry）。
材料化学
材料制备化学
•尖晶石MgAl2O4 和反应物MgO结构中，氧负离 子均作面心立方密堆排列； •Al2O3的晶体结构中，氧负离子呈畸变的六方密 堆排列； •阳离子Al3+在Al2O3和尖晶石MgAl2O4 中占据氧 负离子的八面体空隙； •Mg2+在MgAl2O4 结构中占据氧负离子四面体配 位，而在MgO结构中却占据氧负离子八面体配位 孔隙。