材料化学1

●急冷 使高温矿物相稳定
●粉磨 使其充分发挥水化活性
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
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: 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。
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。 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
二、晶胞—晶体基本有序单位
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
材料的制备范例：
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
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
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。
主要参考资料
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
●点缺陷的记号 ① 空位；VM，如VK+。 ② 填隙原子；Mi,如Ca+2。 ③ 置换原子；LM，如Ca+2Mg+2。 ④ 自由电子和电子空穴；e′,h●。 ⑤ 带电缺陷；Ca●K+、O〞i（不同于O-2）。
● 缺陷反应式 ① 位置关系； ② 质量平衡；③ 电平衡 例如： Fe2O3 FeO 2Fe●Fe+2 + V″Fe+2 + 3 O O 2ZrO2 Y2O3 2Zr Y● + Oi ″ + 3OO
第二节 材料的发展过程
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
●烧制材料 ●合成材料
50万年前，动物、植物和矿物。
旧石器和新石器 约1万年前，陶器、瓷器。 7千年前，青铜器，5千年前，铁器。 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。
●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。
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 在基体材料中渗入的第二相呈梯度分布。
二、径向分布函数 由于X射线衍射用于研究非晶态效果 不佳，一般采用原子的径向分布函数来 描述。
第三章 聚合物的结构特征
聚合物是由成百上千个原子组成的一种大 分子，是由一种或两种以上的小分子连接成链 状或网状的结构而形成的。这一概念在上世纪 20~50年代形成。
第一节 聚合物的微观结构 一、聚合物的主要特征 它比常见的低分子化合物的结构复杂得多。 ●大分子链是由许多（一般大于103）结构单元 以共价键连接而成； ●大分子链的几何形状可以是线形、支链形、梯 形、网状和体形等； ●其单键若无位阻，可以内旋转，呈现出无数的 构象，使聚合物具有柔顺性； ●分子链间靠范德华力和氢键聚集在一起，可以 成为晶态、非晶态、取向态、液晶态或织态结 构等。
能带理论相似于分子轨道理论，但前者的 电子是离域的，为整个晶体，后者局限于分子 中。 ●能级与能带 能带—同类电子能级组成的能量连续区域， 称为能带（布里渊区）。 禁带—能带之间的区域，能量不连续，称为 禁带。禁带的宽度决定了导体或绝缘体。
费米 能级
导带
●费米能级—能带中充满电子的能级与空能级之 间的界面能级。 ●能带理论的应用 金属材料的导电原因—存在半充满的能带（导 带）。可以解释导热、金属光泽等现象。
导电的条件： （１）未充满电子的能带； （２）能带发生重叠。
金属钠的能级与能带

金刚石和石墨的能级图及能带图
第四节 缺陷和非整比化合物
一、晶体点阵缺陷分类 按几何尺度划分： ● 点缺陷 ● 线缺陷—位错 ● 面缺陷 ● 体缺陷 按杂质原子的位置划分： 置换型、填隙型和空位等。
二、点缺陷
根据点缺陷在晶格中的位置分为三类： ① 空位：正常晶格上的原子缺失。 ② 填隙原子：正常晶格中本无原子的空隙。 ③ 杂质原子：其他原子以置换或填隙的方 式进入晶格。
2、面缺陷—晶界 晶粒之间的交界处称为晶界。它具有 如下化学、物理现象： ●晶界的反应控制机制 ●晶界的扩散 ●晶界的电位 ●晶界的高电阻现象
第五节 非晶态结构的几何特征
一、非晶态的结构特点 通过X-射线衍射分析表明，非晶态的结构长 程无序，但近程有序。 其无序性表现在两个方面： ●原子在空间位置上排列的无序，即拓扑无序； ●原子分布的无规、随机性，即成分无序。
四、材料缺陷的化学处理方法
●掺杂
SrTiO3 BaTiO3 SrBa+ TiTi+ 3Oo P Si P Si● + e′ n型半导体 B Si B Si′ + h● p型半导体
●控制氧气分压
2ZrO2
Y2O3
2Zr
Y
●
+ Oi ″+ 3 O
O
五、非整比化合物晶体
非整比化合物也叫做非计量化合物。
●● ●● 2 1/6
●●
③典型的有UO2+x。 ④典型的有Fe1-xO、Cu2-xO。 FeO的氧化反应如下：
2FeFe + 1/2 O2（g） 2FeFe● +
VFe
〞+
Oo
六、点缺陷对材料性质的影响
●影响晶格的原子扩散 ●影响材料的颜色 ●影响材料的导电性
七、线缺陷和面缺陷
１、线缺陷—位错 位错的概念1934年由泰勒提出，直 到1950年才被实验所证实。 ●刃位错 ●螺位错 位错具有吸附、点缺陷源、活性中 心的特点。
2、聚合物链的远程结构 包括单键的键内旋转与大分子的构象、聚合物 链的柔顺性等。 所谓构象不同于构型，它是随着时间而改变的。 聚合物的长链结构决定了它含有数目很大的构 象数，这是其具有柔顺性、高弹性的根本原因。
3、聚合物的聚集态结构 包括分子间的相互作用，物态与相态。 ●聚合物大分子之间主要由范德华力、氢键将其 聚集在一起。 ●存在型态：晶态、非晶态、取向态和液晶态 晶态—有序结构，比低分子物质的有序性低。 非晶态—无序结构，比低分子物质的无序性高。
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
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。
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 2、新材料 单相陶瓷、复相陶瓷。
《材料化学》课程讲义
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Materials Chemistry
材料科学与工程学院建材系
教师姓名：
张智强
第一章 绪论
●材料化学的研究对象 ●材料的分类 ●材料的发展过程
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。
主要有四种类型： ① 由于负离子缺位，金属离子过剩 ② 由于填隙正离子，金属离子过剩 ③ 由于填隙负离子，负离子过剩 ④ 由于正离子空位，负离子过剩
n型半导体 n型半导体 p型半导体 p型半导体
例子：
①典型的有TiO2-x，ZrO2-x, NaCl1-x , WO3-x 等。 2TiO2 – 1/2O2 2TiTi′+ Vo + 3Oo [Vo ] ∝ 1/ [Po ] ②典型的有Zn1+xO、Cd1+xO。 ZnO Zni + 2e′+1/2O2（g）
根据产生缺陷的原因分为三类：
① 热缺陷，又称为本征缺陷；由于热运动 产生。 ② 杂质缺陷；由于外来原子进入而产生的 缺陷。 ③ 非整比化合物缺陷；有一些化合物， 它们的组成会明显地随周围气氛、性质 和压力的变化而发生偏离化学计量组成 的现象。这种缺陷与材料的半导体性质、 色心现象有关。
三、缺陷反应式
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
非晶态的 熔化温度 受冷却速 率影响
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。 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。
取向态—指大分子链在一维或二维方向上有序的 一种结构状态。通常聚合物被拉伸时形 成的一种聚集状态。 液晶态—具有刚性链的聚合物从各向同性液体到 晶体之间的过渡状态。可制成高模量、 高强度材料。
第二节 聚合物的织态结构
聚合物微米级水平的亚微观相态即织态结构。 由于单纯的聚合物种类不多，则采用共聚、共 混、填充、增强等方法将两种或两种以上的不同 组分混合，制成各种新材料。其织态结构对其性 能有很大的影响。
二、聚合物结构的三个层次：（其结构的研究方 法） 1、聚合物链的近程结构 包括链的化学组成、单体的键接次序，结构单 元的空间构型等。 近程结构主要指几十个纳米尺度范围的微观结 构，其研究方法为： ●化学方法：化学转化、降解，分析其衍生物或 降解产物； ●物理方法：红外光谱、质谱、色谱、热分析技 术等。
按混合组分不同的类型：
1、聚合物合金 两种或两种以上的聚合物通过机械共混或 溶液共混或熔体共混等方法制得的共混物。一 般不包括组分间完全互溶的体系。 2、聚合物-填充体系 在聚合物中掺入粉状或纤维状填料的复合 材料。 3、聚合物-助剂体系 在聚合物中掺入增塑剂和发泡剂的材料。
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。
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。
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。
●退火 ● 加工
使之成为方便使用的形状
消除热应力、提高强度 热处理（钢化玻璃） 机械加工（镜片、光学玻璃）
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