《材料化学引言》PPT课件
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和实验手段，认识了物质的结构与性能之间的关系 和规律，合成制备了数以千万计的化学物质。面对 材料科学、信息科学等其它学科迅猛发展的挑战和 人类对认识和改造自然提出的新要求，化学在不断 开拓新的研究领域和思路的同时，不断地创造出新 的物质和品种来满足人民的物质文化生活，造福国 家，造福人类。当前，资源的有效开发利用、环境 保护与治理、社会和经济的可持续发展、新型材料 的开发和应用等是科学工作者关注的重大问题。
晶体还可分为单晶（single crystals）和多晶
（ multicrystal）。 单晶是由一个晶核沿各个方向均匀生长的
各向异性的均匀物体，其晶体内部粒子基本上 按一定规则整齐排列。具有一定的熔点。
多晶由许多单晶颗粒杂乱聚结而成，所以
尽管每颗晶粒是各向异性，但由于晶粒排列杂 乱，各向异性互相抵消，整个晶体便失去了各 向异性的特征。
NaCl型结构:自然界有几百种化合物都属于 NaCl型结构，有氧化物MgO，CaO，SrO，BaO， CdO，MnO，FeO，CoO，NiO；氮化物里TiN， LaN，ScN，CrN，ZrN；碳化物TiC，VC，ScC等； 所有的碱金属硫化物和卤化物（CsCl，CsBr，CsI 除外）也都具有这种结构。
2. AB2型化合物结构
a. CaF2(萤石)型结构:CaF2属立方晶系，面 心立方点阵，Fm3m空间群，正负离子数比为 1:2。
b. TiO2(金刚石)型结构:金红石是TiO2的一 种稳定型结构，属四方晶系，p*4/m*n*m空间 群。
1. 负离子配位多面体规则
位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之 和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。 这是鲍林第一规则。将离子晶体结构视为由负离子配 位多面体按一定方式连接而成，正离子则处于负离子 多面体的中央，故配位多面体才是离子晶体的真正结 构基元。
晶体还可分为单晶（single crystals）和多晶
（ multicrystal）。 单晶是由一个晶核沿各个方向均匀生长的
各向异性的均匀物体，其晶体内部粒子基本上 按一定规则整齐排列。具有一定的熔点。
多晶由许多单晶颗粒杂乱聚结而成，所以
尽管每颗晶粒是各向异性，但由于晶粒排列杂 乱，各向异性互相抵消，整个晶体便失去了各 向异性的特征。
NaCl型结构:自然界有几百种化合物都属于 NaCl型结构，有氧化物MgO，CaO，SrO，BaO， CdO，MnO，FeO，CoO，NiO；氮化物里TiN， LaN，ScN，CrN，ZrN；碳化物TiC，VC，ScC等； 所有的碱金属硫化物和卤化物（CsCl，CsBr，CsI 除外）也都具有这种结构。
2. AB2型化合物结构
a. CaF2(萤石)型结构:CaF2属立方晶系，面 心立方点阵，Fm3m空间群，正负离子数比为 1:2。
b. TiO2(金刚石)型结构:金红石是TiO2的一 种稳定型结构，属四方晶系，p*4/m*n*m空间 群。
1. 负离子配位多面体规则
位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之 和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。 这是鲍林第一规则。将离子晶体结构视为由负离子配 位多面体按一定方式连接而成，正离子则处于负离子 多面体的中央，故配位多面体才是离子晶体的真正结 构基元。
绪论材料化学ppt课件
材料是人们可用来制作物品的宇宙中物质的子集。
人类已经发现的材料已达800余万种，每年还以25万种的速度增长着，具有实际工业价值的也有8万余种。
*
2.材料化学
二、 材料分类
来源
天然材料
人工材料
用途
功能材料
结构材料
是研究材料制备、组成、结构、性质及其应 用的一门科学。 它既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科和边缘学科的性质，并且是材料科学的核心部分。
*
绪 论
第一节 材料化学的定义及材料的分类
有用的并能用来制造物品（件）的物质；一般系指固态的、可用于工程上的物质；作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件或物品的人造物质。
一、材料化学的定义
1. 材料
*
材料是人类社会所能接受的、可经济地用于制造生活和生产中使用的机器、构件、器件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。
*
7. 材料的表征与评价，发展具有高空间分辨、成分分辨、时间分辨和能量分辨的测试和表征方法。 8. 材料制备与加工的新与展望
一、材料发展史
人类文明进化的时代就是以某种材料的使用来 划分的。
人类使用材料的6个时代的开始时间
新材料时代
硅时代
钢时代
铁器时代
青铜器时代
石器时代
1990年
1950年
1800年
公元前1000年
公元前3000年
公元前10万年
*
*
化学组成
金属材料
无机非金属材料
高分子材料
工程材料
无机材料（金属、 金属间化合物、 无机非金属材料）
有机材料（有机天然材料、有机合成高 分子材料）
人类已经发现的材料已达800余万种，每年还以25万种的速度增长着，具有实际工业价值的也有8万余种。
*
2.材料化学
二、 材料分类
来源
天然材料
人工材料
用途
功能材料
结构材料
是研究材料制备、组成、结构、性质及其应 用的一门科学。 它既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科和边缘学科的性质，并且是材料科学的核心部分。
*
绪 论
第一节 材料化学的定义及材料的分类
有用的并能用来制造物品（件）的物质；一般系指固态的、可用于工程上的物质；作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件或物品的人造物质。
一、材料化学的定义
1. 材料
*
材料是人类社会所能接受的、可经济地用于制造生活和生产中使用的机器、构件、器件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。
*
7. 材料的表征与评价，发展具有高空间分辨、成分分辨、时间分辨和能量分辨的测试和表征方法。 8. 材料制备与加工的新与展望
一、材料发展史
人类文明进化的时代就是以某种材料的使用来 划分的。
人类使用材料的6个时代的开始时间
新材料时代
硅时代
钢时代
铁器时代
青铜器时代
石器时代
1990年
1950年
1800年
公元前1000年
公元前3000年
公元前10万年
*
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化学组成
金属材料
无机非金属材料
高分子材料
工程材料
无机材料（金属、 金属间化合物、 无机非金属材料）
有机材料（有机天然材料、有机合成高 分子材料）
《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
材料化学的理论基础培训教程PPT课件( 69张)
36
什么材料可能成为半导体？
❖ 1948年晶体管的发明诱发了对类似于硅和 锗的单质半导体的探索；1952年出现了 III-V 族化合物，随后又出现了一系列其它的化合 物，大大拓宽了半导体的选择余地。 ❖ 物理学家用固体物理的能带理论来计算， 试图发现新的半导体材料；但是计算是十分 繁琐的。
37
❖ 从化学角度寻找半导体可以应用 Mooser 和 Pearson 提出的一个经验公式，满足了这个经验的 化合物都可能是半导体。
8
特鲁德模型的基本假设 I
在没有发生碰撞时，电子与电子、电子与离 子之间的相互作用可以忽略。在无外场作用 时，电子作匀速直线运动；在外场作用下， 电子的运动服从牛顿定律。
忽略了电子与电子之间相互作用的近似称为独 立电子近似
忽略了电子与离子之间相互作用的近似称为自 由电子近似
所以这样假设称为独立自由电子近似
32
化合物半导体
化合物半导体一般是由围绕 周期表中IV族对称位置的元 素组成的。
GaAs
33
砷化镓具有闪锌矿结构。也就是和硅、锗具有相 似的结构。
优点：工作温度较高，承受的电压较大，可以在 更高的频率下工作，有较好的抗辐射能力等
缺点：提纯和制备 GaAs 单晶比硅困难得多， GaAs 的寿命也比较短。
完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净 半导体称为本征半导体。
在 0K 下，大多数纯净完整的半导体的晶体都是 绝缘体。但在适当的温度下，高纯半导体呈现本征 导电性。在 0K 时，本征半导体的导带是空的，价带 是充满的。在导带和价带之间隔着一个禁带，其宽 度为 Eg。禁带宽度是价带的最高点与导带的最低点 之间的能量差。
由直线的斜率即可算出禁带宽度。
❖对温度十分敏感：随着温度的升高，电导 率呈指数增大
什么材料可能成为半导体？
❖ 1948年晶体管的发明诱发了对类似于硅和 锗的单质半导体的探索；1952年出现了 III-V 族化合物，随后又出现了一系列其它的化合 物，大大拓宽了半导体的选择余地。 ❖ 物理学家用固体物理的能带理论来计算， 试图发现新的半导体材料；但是计算是十分 繁琐的。
37
❖ 从化学角度寻找半导体可以应用 Mooser 和 Pearson 提出的一个经验公式，满足了这个经验的 化合物都可能是半导体。
8
特鲁德模型的基本假设 I
在没有发生碰撞时，电子与电子、电子与离 子之间的相互作用可以忽略。在无外场作用 时，电子作匀速直线运动；在外场作用下， 电子的运动服从牛顿定律。
忽略了电子与电子之间相互作用的近似称为独 立电子近似
忽略了电子与离子之间相互作用的近似称为自 由电子近似
所以这样假设称为独立自由电子近似
32
化合物半导体
化合物半导体一般是由围绕 周期表中IV族对称位置的元 素组成的。
GaAs
33
砷化镓具有闪锌矿结构。也就是和硅、锗具有相 似的结构。
优点：工作温度较高，承受的电压较大，可以在 更高的频率下工作，有较好的抗辐射能力等
缺点：提纯和制备 GaAs 单晶比硅困难得多， GaAs 的寿命也比较短。
完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净 半导体称为本征半导体。
在 0K 下，大多数纯净完整的半导体的晶体都是 绝缘体。但在适当的温度下，高纯半导体呈现本征 导电性。在 0K 时，本征半导体的导带是空的，价带 是充满的。在导带和价带之间隔着一个禁带，其宽 度为 Eg。禁带宽度是价带的最高点与导带的最低点 之间的能量差。
由直线的斜率即可算出禁带宽度。
❖对温度十分敏感：随着温度的升高，电导 率呈指数增大
《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
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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
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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
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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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18
举例说明表面化学改性： 纳米二氧化硅的原位改性
《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。
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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。
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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学习教案
人类社会所能够接受的经 济地制造有用器件的物质
第5页/共33页
6
2、 材料科学及其发展
第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物 第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥；
冶炼：铜铁 第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品，塑料、
橡胶、纤维等已广泛用于生活。 第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需
❖ 美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料 科学作为一个学科对待。
第9页/共33页
❖ 美国：50年代末美国政府就制定了全国材料发展规划， 70 ~ 80 年代又进行了多次的补充和修正，把重点放 在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶 瓷上。
❖ 日本：在 1980 年开展了为期 10 年耗资 4 亿美元的新 材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、 复合材料、生物材料等。
第25页/共33页
26
新材料的发展方向
❖ 结构功能的复合化
❖ 功能材料的智能化
❖ 材料与器件的集成化
❖ 制备和使用工程的绿色
化
第26页/共33页
27
我国的新材料研究
形成了一支 40 万人的研究与生产 队伍，其中科研人员近 10 万人。 研究单位有 300 多个，新材料生产 工厂 1000 多个。各类大学有 150 多个与材料有关的专业，毕业生的 数量与美国相近。
金属材料（纯金属、合金）：优良力学性能（强度、塑性）； 可加工性；优异的物理性能。
高分子材料（天然、合成）：密度小；比强度大；绝缘性好； 耐腐蚀；易加工。
无机非金属材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）： 耐高温；抗腐蚀；高硬度；优良 介电、压电、光学、磁学性能。
复合材料（玻璃钢，碳纤维聚合物，陶瓷基、金属基）： 两种以上；特殊方法。
第5页/共33页
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2、 材料科学及其发展
第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物 第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥；
冶炼：铜铁 第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品，塑料、
橡胶、纤维等已广泛用于生活。 第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需
❖ 美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料 科学作为一个学科对待。
第9页/共33页
❖ 美国：50年代末美国政府就制定了全国材料发展规划， 70 ~ 80 年代又进行了多次的补充和修正，把重点放 在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶 瓷上。
❖ 日本：在 1980 年开展了为期 10 年耗资 4 亿美元的新 材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、 复合材料、生物材料等。
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新材料的发展方向
❖ 结构功能的复合化
❖ 功能材料的智能化
❖ 材料与器件的集成化
❖ 制备和使用工程的绿色
化
第26页/共33页
27
我国的新材料研究
形成了一支 40 万人的研究与生产 队伍，其中科研人员近 10 万人。 研究单位有 300 多个，新材料生产 工厂 1000 多个。各类大学有 150 多个与材料有关的专业，毕业生的 数量与美国相近。
金属材料（纯金属、合金）：优良力学性能（强度、塑性）； 可加工性；优异的物理性能。
高分子材料（天然、合成）：密度小；比强度大；绝缘性好； 耐腐蚀；易加工。
无机非金属材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）： 耐高温；抗腐蚀；高硬度；优良 介电、压电、光学、磁学性能。
复合材料（玻璃钢，碳纤维聚合物，陶瓷基、金属基）： 两种以上；特殊方法。
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
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
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 。
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）。
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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。
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O
（3）氧化-还原引发体系
(a)水溶性氧化-还原引发体系
这类体系的氧化剂有过氧化氢、过硫酸盐、氢过氧化
物等；而还原剂则有无机还原剂(Fe2+、Cu+，NaHSO3，
Na2SO3，Na2S2O3等)和有机还原剂(醇，胺，草酸，葡
萄糖等
编辑ppt
15
( b )油溶性氧化-还原引发体系
用作这一体系的氧化剂有氢过氧化物、过氧化二烷基、
2.2 自由基链式聚合反应 2.2.1 自由基聚合的基元反应 链引发、链增长、链终止。 终止反应有偶合终止和歧化终止两种方式。 两链自由基的独电子相互结合成共价键的终止反应称做偶合
终止。
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12
C H 2 C H+C H C H 2
C H 2 C H C H C H 2
XX
偶 合 XX
增长链
死聚合物
自由基聚合、阳离子聚合、阴离子聚合
编辑ppt
11
a. 聚合过程一般由多个基元反应组成，各基元反应的反应 速率和活化能差别大；
b. 单体只能与活性中心反应生成新的活性中心，单体之间 不能反应；
c. 链式聚合反应一般都是放热反应。 d. 链式聚合反应一般必须由引发剂引发后才能聚合。 e. 瞬间生成高分子。
过氧化二酰基等，用作还原剂的有叔胺、环烷酸盐、硫醇、
有机金属化合物〔A1(C2H5)3、B(C2H5)3等〕。过氧化二苯
甲酰—N，N-二甲基苯胺是常用的引发体系。
CH3 N+ CH3
OO CC
OO
CH3 N+ CH3
O CO +
O CO
编辑ppt
16
(4)光引发剂
OOH
h
O
OH
Ph CCHPh
PhC + HCPh
（1）均聚 （2）共聚
编辑ppt
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4）按聚合方法分类 自由基聚合的聚合方法有： （1）本体聚合 （2）溶液聚合 （3）悬浮聚合 （4）乳液聚合 缩聚反应的聚合方法有： （1）熔融缩聚 （2）溶液缩聚 （3）界面缩聚 （4）固相缩聚 还可分为：均相聚合、 非均相聚合 或者：气相聚合、 固相聚合、 液相聚合
聚(亚胺基六亚甲基亚胺基己二酰)
2）. 通俗命名法(或称习惯命名法)
编辑ppt
7
二、分子量和分子量分布
编辑ppt
8
三、聚合反应
1 定义：由低分子单体合成聚合物的反应 2 聚合反应的类型 1）按聚合物链结构分类 （1）加聚反应 （2）缩聚反应 2）按聚合机理分类 （1）链式聚合 （2）逐步聚合 3）按反应单体来自类编辑ppt10
第二节 链式聚合反应
2.1 一般性特征
链引发：
分 解
I
或 离 解
引 发 剂
引 发 活 性 种 R*
链增长：
R*+ H2C CH X
R CH2 CH* X
链 增 长 活 性 中 心
RC H 2 C H *+H 2 CC H
X
X
… …
C H 2 C H * X
增 长 链
链终止
CH2 CH* X
1 引发剂种类 引发剂是容易分解成自由基的化合物。 (1)偶氮类引发剂
C H 3 C H 3 H 3 CCNNCC H 3
C N C N
C H 3 2H 3 CC + N 2
C N
编辑ppt
14
(2)过氧化物引发剂
OO CC
OO
O CO
O
2
CO
+ CO2
OO OSOOSO
OO
O 2 OSO
向低分子转移的结果，使聚合物分子量降低。
向大分子转移一般形成支链。
自由基向某些物质转移后，形成稳定的自由基。
“诱导期”
阻聚作用
阻聚剂。
编辑ppt
13
自由基聚合的特征概括如下。 ①慢引发、快增长，速终止。 ②在聚合全过程中，聚合度变化较小。 ③延长聚合时间主要是提高转化率，对分子量影响较小。 ④少量阻聚剂足以使自由基聚合反应终止。
安 息 香 酸
光引发的特点： （1）易控制，重现性好； （2）选择性强； （3）低温聚合。
编辑ppt
17
2 引发分解动力学
半衰期： t1/2
编辑ppt
18
3 引发剂效率f 引发聚合的部分引发剂占引发剂分解或消耗总量的分率称做
引发剂效率，以表示。
(1)诱导分解
OO P h C O O C P h + P h
绝热近似
轨道近似
密度泛函理论
HK定理
KS方程
编辑ppt
3
固体能带理论
基本假设
布洛赫定理
化学键方法
分子动力学模拟
蒙特卡罗模拟
实验研究
水热法
燃烧法
溶胶-凝胶法
固相反应
气相沉积
高通量筛选
编辑ppt
4
材料化学研究中的突出问题
尺度和维度
宏观、微观，介观
设计
设计、合成新方法
纳米结构与晶体结构相关性
(2) 笼蔽效应
O
O
P h C O P h + P h C O
C H 3 C H 3 H 3CCNNCC H 3
C N C N
C H 3 2H 3CC +N 2
复合结构的构筑
功能
结构与功能的关系
复合与功能的关系
交叉性
编辑ppt
5
第二章 高分子材料化学导论
第一节 概述 一、高分子的定义、基本概念、分类和命名 1 定义 2 基本概念
1）主链 2）侧链或侧基 3）单体 4）单体单元 5）结构重复单元（链节） 6）聚合度 3 分类 按高分子主链结构可分为：（1）碳链高分子、（2） 杂链高分子、（3）元素有机高分子、（4）无机高分子
某链自由基夺取另一自由基的氢原子或其他原子的终止反应， 则称做歧化终止。
C H 2 C H+C H C H 2
C H 2 C H 2+H C C H
XX
歧 化 X X
链转移反应: 链自由基有可能从低分子或大分子上夺取—个原 子而终止，并使这些失去原子的分子成为自由基，继续新链的 增长，使聚合反应继续进行下去。
编辑ppt
6
按用途可分为： 塑料、橡胶(弹性体)、纤维。涂料、粘合剂和功能高分子。
按来源可分为： 天然高分子、 合成高分子、 半天然高分子。 按分子的形状可分为：
线形高分子、支化高分子和交联(网状)高分子。 按单体组成可分为：
均聚物、共聚物、高分子共混物(高分子合金)。 4 命名 1）.系统命名法 聚(1-氯代乙烯)
材料化学引言
粉冶院 李笃信
编辑ppt
1
第一章 前言
一、材料化学的内涵 二、材料化学的重要性 三、材料化学展望 （一）材料科学发展的趋势 （二） 材料科学中的硬化学和软化学 四、材料化学的内容及学习要求
编辑ppt
2
材料化学基本研究方法
元素周期表
原子半径
电负性
理论研究
第一性原理
多粒子系统薛定谔议程
（3）氧化-还原引发体系
(a)水溶性氧化-还原引发体系
这类体系的氧化剂有过氧化氢、过硫酸盐、氢过氧化
物等；而还原剂则有无机还原剂(Fe2+、Cu+，NaHSO3，
Na2SO3，Na2S2O3等)和有机还原剂(醇，胺，草酸，葡
萄糖等
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( b )油溶性氧化-还原引发体系
用作这一体系的氧化剂有氢过氧化物、过氧化二烷基、
2.2 自由基链式聚合反应 2.2.1 自由基聚合的基元反应 链引发、链增长、链终止。 终止反应有偶合终止和歧化终止两种方式。 两链自由基的独电子相互结合成共价键的终止反应称做偶合
终止。
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12
C H 2 C H+C H C H 2
C H 2 C H C H C H 2
XX
偶 合 XX
增长链
死聚合物
自由基聚合、阳离子聚合、阴离子聚合
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a. 聚合过程一般由多个基元反应组成，各基元反应的反应 速率和活化能差别大；
b. 单体只能与活性中心反应生成新的活性中心，单体之间 不能反应；
c. 链式聚合反应一般都是放热反应。 d. 链式聚合反应一般必须由引发剂引发后才能聚合。 e. 瞬间生成高分子。
过氧化二酰基等，用作还原剂的有叔胺、环烷酸盐、硫醇、
有机金属化合物〔A1(C2H5)3、B(C2H5)3等〕。过氧化二苯
甲酰—N，N-二甲基苯胺是常用的引发体系。
CH3 N+ CH3
OO CC
OO
CH3 N+ CH3
O CO +
O CO
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(4)光引发剂
OOH
h
O
OH
Ph CCHPh
PhC + HCPh
（1）均聚 （2）共聚
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4）按聚合方法分类 自由基聚合的聚合方法有： （1）本体聚合 （2）溶液聚合 （3）悬浮聚合 （4）乳液聚合 缩聚反应的聚合方法有： （1）熔融缩聚 （2）溶液缩聚 （3）界面缩聚 （4）固相缩聚 还可分为：均相聚合、 非均相聚合 或者：气相聚合、 固相聚合、 液相聚合
聚(亚胺基六亚甲基亚胺基己二酰)
2）. 通俗命名法(或称习惯命名法)
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二、分子量和分子量分布
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三、聚合反应
1 定义：由低分子单体合成聚合物的反应 2 聚合反应的类型 1）按聚合物链结构分类 （1）加聚反应 （2）缩聚反应 2）按聚合机理分类 （1）链式聚合 （2）逐步聚合 3）按反应单体来自类编辑ppt10
第二节 链式聚合反应
2.1 一般性特征
链引发：
分 解
I
或 离 解
引 发 剂
引 发 活 性 种 R*
链增长：
R*+ H2C CH X
R CH2 CH* X
链 增 长 活 性 中 心
RC H 2 C H *+H 2 CC H
X
X
… …
C H 2 C H * X
增 长 链
链终止
CH2 CH* X
1 引发剂种类 引发剂是容易分解成自由基的化合物。 (1)偶氮类引发剂
C H 3 C H 3 H 3 CCNNCC H 3
C N C N
C H 3 2H 3 CC + N 2
C N
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(2)过氧化物引发剂
OO CC
OO
O CO
O
2
CO
+ CO2
OO OSOOSO
OO
O 2 OSO
向低分子转移的结果，使聚合物分子量降低。
向大分子转移一般形成支链。
自由基向某些物质转移后，形成稳定的自由基。
“诱导期”
阻聚作用
阻聚剂。
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自由基聚合的特征概括如下。 ①慢引发、快增长，速终止。 ②在聚合全过程中，聚合度变化较小。 ③延长聚合时间主要是提高转化率，对分子量影响较小。 ④少量阻聚剂足以使自由基聚合反应终止。
安 息 香 酸
光引发的特点： （1）易控制，重现性好； （2）选择性强； （3）低温聚合。
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2 引发分解动力学
半衰期： t1/2
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3 引发剂效率f 引发聚合的部分引发剂占引发剂分解或消耗总量的分率称做
引发剂效率，以表示。
(1)诱导分解
OO P h C O O C P h + P h
绝热近似
轨道近似
密度泛函理论
HK定理
KS方程
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3
固体能带理论
基本假设
布洛赫定理
化学键方法
分子动力学模拟
蒙特卡罗模拟
实验研究
水热法
燃烧法
溶胶-凝胶法
固相反应
气相沉积
高通量筛选
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4
材料化学研究中的突出问题
尺度和维度
宏观、微观，介观
设计
设计、合成新方法
纳米结构与晶体结构相关性
(2) 笼蔽效应
O
O
P h C O P h + P h C O
C H 3 C H 3 H 3CCNNCC H 3
C N C N
C H 3 2H 3CC +N 2
复合结构的构筑
功能
结构与功能的关系
复合与功能的关系
交叉性
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第二章 高分子材料化学导论
第一节 概述 一、高分子的定义、基本概念、分类和命名 1 定义 2 基本概念
1）主链 2）侧链或侧基 3）单体 4）单体单元 5）结构重复单元（链节） 6）聚合度 3 分类 按高分子主链结构可分为：（1）碳链高分子、（2） 杂链高分子、（3）元素有机高分子、（4）无机高分子
某链自由基夺取另一自由基的氢原子或其他原子的终止反应， 则称做歧化终止。
C H 2 C H+C H C H 2
C H 2 C H 2+H C C H
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歧 化 X X
链转移反应: 链自由基有可能从低分子或大分子上夺取—个原 子而终止，并使这些失去原子的分子成为自由基，继续新链的 增长，使聚合反应继续进行下去。
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6
按用途可分为： 塑料、橡胶(弹性体)、纤维。涂料、粘合剂和功能高分子。
按来源可分为： 天然高分子、 合成高分子、 半天然高分子。 按分子的形状可分为：
线形高分子、支化高分子和交联(网状)高分子。 按单体组成可分为：
均聚物、共聚物、高分子共混物(高分子合金)。 4 命名 1）.系统命名法 聚(1-氯代乙烯)
材料化学引言
粉冶院 李笃信
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1
第一章 前言
一、材料化学的内涵 二、材料化学的重要性 三、材料化学展望 （一）材料科学发展的趋势 （二） 材料科学中的硬化学和软化学 四、材料化学的内容及学习要求
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2
材料化学基本研究方法
元素周期表
原子半径
电负性
理论研究
第一性原理
多粒子系统薛定谔议程