材料化学1
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机械加工（镜片、光学玻璃）
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2、水泥制造 ●粘土、石灰石等原材料粉磨 ●预分解（石灰石） ●粘土（含SiO2 、Al2O3 ）、石灰石(CaO) 、铁粉(Fe2O3 )
等经煅烧，生成C2S、C3S、C3A、C4AF等矿物 ●急冷 使高温矿物相稳定 ●粉磨 使其充分发挥水化活性
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2、新材料 单相陶瓷、复相陶瓷。
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三、高分子材料
1、合成塑料 热塑性塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、 聚氯乙烯等。 热固性塑料：酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯
2、合成纤维 晴纶、丙纶、尼龙、聚丙烯纤维 3、合成橡胶 具有弹性的聚合物 4、涂料 水性涂料和溶剂型涂料。
树脂：苯丙、纯丙、硅丙、氟碳、环氧树脂
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第三节 材料的分类
●金属材料 ●无机非金属材料 ●高分子材料 ●复合材料 ●功能材料
第5页/共91页
一、金属材料 1、传统金属材料
一般的钢铁及各种合金材料。 2、新型金属材料
金属玻璃、定向共晶合金、微晶、低维 合金、纳米合金等。
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二、无机非金属材料
1、传统材料 单晶材料—单晶硅、金刚石、碳化硅、 氮化硅、刚玉、水晶等。 一般材料—水泥、玻璃、陶瓷、混凝 土、石膏等
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四、复合材料
将两种或两种以上性能不同的材料进行有效 复合得到的复合型材料。主要包括以下内容： 1、宏观复合类
肉眼可分辨相界。如混凝土、钢筋混凝土、 纤维增强混凝土、玻璃钢材料等 2、细观或微观复合类
肉眼无法分辨相界。微粒、分子尺度的复合。 如有机硅、金属陶瓷、微晶玻璃、骨骼等。
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在基体材料中渗入的第二相呈梯度分布。
第11页/共91页
五、功能材料
一般指具有声、光、热、电、磁等突出性 能的一类非结构材料。
半导体材料、发光材料、磁性材料、压电 材料、记忆材料、光导材料、超导材料等
第12页/共91页
材料制备范例：
1、玻璃制备
●Na2O、SiO2等加热熔融，经化学反应生成硅酸盐熔体 （化学反应过程） ●澄清 除去熔体中的气泡、消除缺陷、提高透明度 ●成型 使之成为方便使用的形状 ●退火 消除热应力、提高强度 ● 加工 热处理（钢化玻璃）
第一章 绪论
●材料化学的研究对象 ●材料的发展历程 ●材料的分类
第1页/共91页
第一节 材料化学的研究对象
简单而言，材料化学就是研究材料中的化学问 题的科学。 化学科学与材料科学相互依存、相互促进。 材料化学包含如下内容： ●材料的制备方法与技术； ●材料性能的表征； ●材料性能的测试； ●材料的腐蚀与老化问题。
第二章 材料化学的结构基础理论
第一节 晶体与非晶体
熔体冷却后得到固体，一种形态为晶体， 一种为非晶体．
一、晶体的宏观特征
１、规则的几何外形
２、晶面角守恒
３、各向异性
体现有序性
４、有固定的熔点
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晶面角守恒定律
晶面角守恒的概念： 实验测定表明：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。 晶面角守恒定律:
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主要参考Baidu Nhomakorabea料
1、曹茂盛等，材料化学导论，哈尔滨工业大学出版社，1999 2、程传煊，表面物理化学，科学技术文献出版社，1995 3、赵化仿，等离子体化学与工艺，中国科技大学出版社，1993 4、江玉和，非金属材料化学，科学技术文献出版社，1992 5、王恩信，材料化学原理，东南大学出版社，1999 6、孙秋霞等，材料腐蚀与防护，冶金工业出版社，2001 7、徐瑛等，建筑材料化学，化学工业出版社，2005
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第二节 材料的发展历程
材料的发展是人类物质文明发展的标志和里程碑。 ●天然材料 50万年前，动物、植物和矿物。
旧石器和新石器 ●烧制材料 约1万年前，陶器、瓷器。
7千年前，青铜器，5千年前，铁器。 1百多年前，水泥。 ●合成材料 上世纪初，合成高分子材料，合成 塑料、合成橡胶、合成纤维等。 ●复合材料 各种有机、无机功能材料、复合材料 ●智能材料 形状记忆材料、电致变色材料等。
但这种转化由于存在一定的转化势垒，实 际转化是比较困难的。晶体之间亦是如此。
如玻璃难以析晶，金刚石难以转化为石墨， 鳞石英难以转化为石英。
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第二节 晶体的微观结构
一、空间点阵 晶体中的粒子（包括原子、离子或分子等）
在三维空间作有序排列，即相同部分—晶胞具 有直线周期平移的特点。为了概括晶体结构的 周期性，引入了点阵学说。
属于同一晶种的晶体，两个对应晶面间的 夹角恒定不变。可以用晶面法线之间的夹角来 表征。
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二、非晶体的宏观特征
１、无确定的外形
２、介稳性
３、各向同性
体现无序性
４、无固定的熔点—转变温度
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非晶态的 熔化温度 受冷却速 率影响
第18页/共91页
三、非晶体与晶体的转化
从热力学上讲，非晶体的势能高，属于不 稳定状态，有转变为晶体的趋势。
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第三节 晶体的能带理论
●自由电子（共有电子）理论的缺陷 该理论认为金属的价电子处于一个均匀的
势场中。这可解释导电、导热现象，但无法解 释电阻、比热与温度之间的关系。 ●晶体势场是不均匀的，呈周期变化的。研究电 子在这个周期变化势场的能量分布，其结果是 带状结构。关于这方面的理论称为能带理论。
将晶体结构中粒子在空间排列的几何特征 抽象为纯数学概念—空间点阵。
晶体结构＝点阵＋基元
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二、晶胞—晶体基本有序单位
晶胞有大晶胞 和小晶胞之分。
右图为金刚石晶 胞。 晶胞参数： ３个坐标轴、 ３个夹角。
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三、晶面及其取向
晶面—晶体中分布有粒子的几何面。 晶向—晶面有不同的取向。晶面参数表示。 晶面密度—晶面上粒子占有的面积分数。
●纤维增强材料 将各种纤维掺入金属、非金属、高分子材
料中形成纤维复合材料。 常用的纤维有：聚丙烯纤维、尼龙纤维、
玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、钢纤维等。 ●颗粒弥散型复合材料
以基体材料为连续相，均匀掺入第二相颗 粒材料形成的复合材料。
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无机—无机，两种陶瓷复合，增强、增韧。 有机—无机，塑料中加入无机填料、纳米粒子。 金属—无机等方式。 ●梯度复合材料
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2、水泥制造 ●粘土、石灰石等原材料粉磨 ●预分解（石灰石） ●粘土（含SiO2 、Al2O3 ）、石灰石(CaO) 、铁粉(Fe2O3 )
等经煅烧，生成C2S、C3S、C3A、C4AF等矿物 ●急冷 使高温矿物相稳定 ●粉磨 使其充分发挥水化活性
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2、新材料 单相陶瓷、复相陶瓷。
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三、高分子材料
1、合成塑料 热塑性塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、 聚氯乙烯等。 热固性塑料：酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯
2、合成纤维 晴纶、丙纶、尼龙、聚丙烯纤维 3、合成橡胶 具有弹性的聚合物 4、涂料 水性涂料和溶剂型涂料。
树脂：苯丙、纯丙、硅丙、氟碳、环氧树脂
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第三节 材料的分类
●金属材料 ●无机非金属材料 ●高分子材料 ●复合材料 ●功能材料
第5页/共91页
一、金属材料 1、传统金属材料
一般的钢铁及各种合金材料。 2、新型金属材料
金属玻璃、定向共晶合金、微晶、低维 合金、纳米合金等。
第6页/共91页
二、无机非金属材料
1、传统材料 单晶材料—单晶硅、金刚石、碳化硅、 氮化硅、刚玉、水晶等。 一般材料—水泥、玻璃、陶瓷、混凝 土、石膏等
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四、复合材料
将两种或两种以上性能不同的材料进行有效 复合得到的复合型材料。主要包括以下内容： 1、宏观复合类
肉眼可分辨相界。如混凝土、钢筋混凝土、 纤维增强混凝土、玻璃钢材料等 2、细观或微观复合类
肉眼无法分辨相界。微粒、分子尺度的复合。 如有机硅、金属陶瓷、微晶玻璃、骨骼等。
第9页/共91页
在基体材料中渗入的第二相呈梯度分布。
第11页/共91页
五、功能材料
一般指具有声、光、热、电、磁等突出性 能的一类非结构材料。
半导体材料、发光材料、磁性材料、压电 材料、记忆材料、光导材料、超导材料等
第12页/共91页
材料制备范例：
1、玻璃制备
●Na2O、SiO2等加热熔融，经化学反应生成硅酸盐熔体 （化学反应过程） ●澄清 除去熔体中的气泡、消除缺陷、提高透明度 ●成型 使之成为方便使用的形状 ●退火 消除热应力、提高强度 ● 加工 热处理（钢化玻璃）
第一章 绪论
●材料化学的研究对象 ●材料的发展历程 ●材料的分类
第1页/共91页
第一节 材料化学的研究对象
简单而言，材料化学就是研究材料中的化学问 题的科学。 化学科学与材料科学相互依存、相互促进。 材料化学包含如下内容： ●材料的制备方法与技术； ●材料性能的表征； ●材料性能的测试； ●材料的腐蚀与老化问题。
第二章 材料化学的结构基础理论
第一节 晶体与非晶体
熔体冷却后得到固体，一种形态为晶体， 一种为非晶体．
一、晶体的宏观特征
１、规则的几何外形
２、晶面角守恒
３、各向异性
体现有序性
４、有固定的熔点
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晶面角守恒定律
晶面角守恒的概念： 实验测定表明：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。 晶面角守恒定律:
第2页/共91页
主要参考Baidu Nhomakorabea料
1、曹茂盛等，材料化学导论，哈尔滨工业大学出版社，1999 2、程传煊，表面物理化学，科学技术文献出版社，1995 3、赵化仿，等离子体化学与工艺，中国科技大学出版社，1993 4、江玉和，非金属材料化学，科学技术文献出版社，1992 5、王恩信，材料化学原理，东南大学出版社，1999 6、孙秋霞等，材料腐蚀与防护，冶金工业出版社，2001 7、徐瑛等，建筑材料化学，化学工业出版社，2005
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第二节 材料的发展历程
材料的发展是人类物质文明发展的标志和里程碑。 ●天然材料 50万年前，动物、植物和矿物。
旧石器和新石器 ●烧制材料 约1万年前，陶器、瓷器。
7千年前，青铜器，5千年前，铁器。 1百多年前，水泥。 ●合成材料 上世纪初，合成高分子材料，合成 塑料、合成橡胶、合成纤维等。 ●复合材料 各种有机、无机功能材料、复合材料 ●智能材料 形状记忆材料、电致变色材料等。
但这种转化由于存在一定的转化势垒，实 际转化是比较困难的。晶体之间亦是如此。
如玻璃难以析晶，金刚石难以转化为石墨， 鳞石英难以转化为石英。
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第二节 晶体的微观结构
一、空间点阵 晶体中的粒子（包括原子、离子或分子等）
在三维空间作有序排列，即相同部分—晶胞具 有直线周期平移的特点。为了概括晶体结构的 周期性，引入了点阵学说。
属于同一晶种的晶体，两个对应晶面间的 夹角恒定不变。可以用晶面法线之间的夹角来 表征。
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二、非晶体的宏观特征
１、无确定的外形
２、介稳性
３、各向同性
体现无序性
４、无固定的熔点—转变温度
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非晶态的 熔化温度 受冷却速 率影响
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三、非晶体与晶体的转化
从热力学上讲，非晶体的势能高，属于不 稳定状态，有转变为晶体的趋势。
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第三节 晶体的能带理论
●自由电子（共有电子）理论的缺陷 该理论认为金属的价电子处于一个均匀的
势场中。这可解释导电、导热现象，但无法解 释电阻、比热与温度之间的关系。 ●晶体势场是不均匀的，呈周期变化的。研究电 子在这个周期变化势场的能量分布，其结果是 带状结构。关于这方面的理论称为能带理论。
将晶体结构中粒子在空间排列的几何特征 抽象为纯数学概念—空间点阵。
晶体结构＝点阵＋基元
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二、晶胞—晶体基本有序单位
晶胞有大晶胞 和小晶胞之分。
右图为金刚石晶 胞。 晶胞参数： ３个坐标轴、 ３个夹角。
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三、晶面及其取向
晶面—晶体中分布有粒子的几何面。 晶向—晶面有不同的取向。晶面参数表示。 晶面密度—晶面上粒子占有的面积分数。
●纤维增强材料 将各种纤维掺入金属、非金属、高分子材
料中形成纤维复合材料。 常用的纤维有：聚丙烯纤维、尼龙纤维、
玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、钢纤维等。 ●颗粒弥散型复合材料
以基体材料为连续相，均匀掺入第二相颗 粒材料形成的复合材料。
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无机—无机，两种陶瓷复合，增强、增韧。 有机—无机，塑料中加入无机填料、纳米粒子。 金属—无机等方式。 ●梯度复合材料