《研究生材料化學(xué)》課件

研究生材料化學(xué)本課程旨在為研究生提供材料化學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識和前沿研究進(jìn)展。涵蓋材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、合成、表征和應(yīng)用等方面。課程概述課程目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生對材料化學(xué)的興趣，掌握材料化學(xué)的基本理論知識，為今后從事材料科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)工作打下基礎(chǔ)。教學(xué)內(nèi)容包括金屬材料、陶瓷材料、高分子材料等主要類型材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備、應(yīng)用以及材料表面工程、薄膜材料等前沿領(lǐng)域的內(nèi)容。材料化學(xué)研究的價(jià)值科技進(jìn)步的基石材料是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用是推動科技進(jìn)步的重要驅(qū)動力。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心材料產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，新材料的研發(fā)和應(yīng)用可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高國家競爭力。社會生活的改善新材料的應(yīng)用可以改善人們的生活質(zhì)量，例如：提高醫(yī)療水平、改善住房條件、提高交通效率等。材料化學(xué)的主要研究內(nèi)容材料的結(jié)構(gòu)與性能研究材料的結(jié)構(gòu)，包括晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織和表面結(jié)構(gòu)。例如，金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)會影響其強(qiáng)度和延展性。材料的制備與合成研究材料的制備方法，包括金屬材料的冶煉、陶瓷材料的燒結(jié)和高分子材料的聚合等。材料的性能研究研究材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，例如強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性、耐腐蝕性等。材料的應(yīng)用研究研究材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，例如航空航天、電子信息、生物醫(yī)藥等。材料化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)11.多學(xué)科交叉材料化學(xué)涉及化學(xué)、物理、材料科學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科。22.重視微觀結(jié)構(gòu)材料化學(xué)關(guān)注材料的原子、分子結(jié)構(gòu)和微觀形貌。33.應(yīng)用性強(qiáng)材料化學(xué)研究成果可應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)、制備、表征和應(yīng)用。44.發(fā)展迅速材料化學(xué)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)新理論、新技術(shù)、新材料。材料分類和性能金屬材料具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。廣泛用于結(jié)構(gòu)材料、電子材料等領(lǐng)域。陶瓷材料通常具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等特性。廣泛應(yīng)用于耐火材料、電子元器件等。高分子材料具有輕質(zhì)、可塑性好、絕緣性能好等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、紡織等領(lǐng)域。復(fù)合材料將兩種或多種材料結(jié)合在一起，以獲得優(yōu)異的綜合性能。應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。金屬材料概述金屬材料是人類最早應(yīng)用的材料之一。金屬材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)和生活中扮演著至關(guān)重要的角色。金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子以規(guī)則的方式排列，形成周期性重復(fù)的晶格結(jié)構(gòu)。常見金屬晶體結(jié)構(gòu)有面心立方、體心立方、密排六方等。晶體結(jié)構(gòu)決定了金屬的物理、化學(xué)、機(jī)械性能。金屬的力學(xué)性質(zhì)金屬材料的力學(xué)性能是金屬材料在承受外力作用時(shí)表現(xiàn)出的機(jī)械性質(zhì)，包括強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度等。100強(qiáng)度材料抵抗破壞的能力200硬度材料抵抗壓痕的能力300塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力400韌性材料抵抗斷裂的能力材料的力學(xué)性能與材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、加工工藝等因素有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)需要選擇具有不同力學(xué)性能的金屬材料。金屬合金的相變和微觀組織1固溶體原子排列方式相同2中間相新的晶體結(jié)構(gòu)3共晶兩種或多種相4共析一種相分解合金相變是指合金在一定溫度和壓力條件下，其成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化的過程。金屬合金的相變過程通常伴隨著微觀組織的變化，影響其性能。金屬腐蝕與防護(hù)腐蝕的本質(zhì)金屬與周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬表面被破壞的過程。腐蝕類型化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕腐蝕危害降低金屬材料強(qiáng)度，縮短金屬材料使用壽命，造成資源浪費(fèi)。防護(hù)方法涂層保護(hù)，電化學(xué)保護(hù)，改變金屬成分。陶瓷材料概述陶瓷材料是指以金屬氧化物、氮化物、碳化物等無機(jī)化合物為主要成分，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的材料。陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、絕緣性好等優(yōu)異性能，在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。陶瓷材料包括傳統(tǒng)陶瓷和新型陶瓷兩大類。傳統(tǒng)陶瓷包括日用陶瓷、建筑陶瓷等，新型陶瓷包括結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷等。陶瓷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料通常具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，包括離子鍵和共價(jià)鍵?；瘜W(xué)組成陶瓷材料由金屬和非金屬元素組成，例如氧化物、氮化物和碳化物。物理性質(zhì)陶瓷材料通常具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐化學(xué)腐蝕和絕緣性等優(yōu)良的物理性質(zhì)。陶瓷的制備工藝1粉末制備陶瓷材料的制備從粉末開始，通過研磨、混合等方法得到均勻的粉末。2成型粉末經(jīng)過成型工藝，制成所需的形狀，常見的成型方法有壓制、注漿、擠出等。3燒結(jié)在高溫下，粉末顆粒相互結(jié)合形成致密的陶瓷體，這個(gè)過程稱為燒結(jié)。4后處理燒結(jié)后的陶瓷體需要進(jìn)行表面處理、加工等操作，以滿足最終的應(yīng)用需求。先進(jìn)陶瓷材料應(yīng)用高性能刀具陶瓷刀具具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。發(fā)動機(jī)部件陶瓷材料的耐高溫、耐腐蝕性能使其成為發(fā)動機(jī)部件的理想材料，例如汽缸套、活塞、渦輪葉片等。高分子材料概述高分子材料是指由許多小分子單體通過化學(xué)鍵連接而成的長鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。高分子材料的種類繁多，應(yīng)用范圍廣泛，在我們的日常生活中隨處可見。例如，塑料、橡膠、纖維、涂料等都是常見的種類。高分子材料具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐熱性、絕緣性等，使其成為現(xiàn)代工業(yè)的重要材料。高分子的分子結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)1鏈狀結(jié)構(gòu)高分子鏈可以是線性的，分支的，或者交聯(lián)的，這會影響其物理性質(zhì)。2重復(fù)單元高分子由許多重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元組成，這些單元通過化學(xué)鍵連接在一起。3分子量高分子具有非常高的分子量，因此它們比小分子具有更大的尺寸和重量。4物理狀態(tài)高分子材料可以是固體，液體，或者氣體，具體取決于其分子結(jié)構(gòu)，溫度，和壓力。高分子的機(jī)械性能高分子材料的機(jī)械性能是指在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。這些性能對于材料的應(yīng)用至關(guān)重要，例如決定塑料的韌性，纖維的強(qiáng)度和彈性。不同的高分子材料具有不同的機(jī)械性能，例如聚乙烯的拉伸強(qiáng)度較低，但斷裂伸長率較高，而聚丙烯的拉伸強(qiáng)度較高，但斷裂伸長率較低。選擇合適的材料需要根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。高分子的熱學(xué)性質(zhì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)非晶態(tài)聚合物從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度熔點(diǎn)(Tm)結(jié)晶態(tài)聚合物從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度熱穩(wěn)定性聚合物在高溫下抵抗降解的能力熱塑性在加熱時(shí)軟化，冷卻時(shí)固化的聚合物熱固性在加熱時(shí)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，不可逆地固化的聚合物高分子的化學(xué)反應(yīng)聚合反應(yīng)單體分子通過化學(xué)反應(yīng)形成高分子鏈，形成新的高分子材料。降解反應(yīng)高分子鏈斷裂成更小的分子，改變材料的性能和壽命。交聯(lián)反應(yīng)高分子鏈之間形成化學(xué)鍵，提高材料的強(qiáng)度和硬度。高分子復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)塑料強(qiáng)度高，重量輕，耐腐蝕，熱膨脹系數(shù)低，廣泛應(yīng)用于航空航天，汽車等領(lǐng)域。玻璃纖維增強(qiáng)塑料價(jià)格低廉，強(qiáng)度較高，耐腐蝕，應(yīng)用范圍廣泛，例如船舶，建筑，家具等。樹脂基復(fù)合材料以樹脂為基體，增強(qiáng)材料包括玻璃纖維，碳纖維等，具有良好的強(qiáng)度，剛度和韌性，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。材料的表面工程表面改性改變材料表面的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)。例如，表面鍍層、離子注入、激光表面處理等。提高材料的耐腐蝕性、耐磨性、硬度、潤滑性等性能。表面涂層在材料表面形成一層薄膜，以改善材料的性能。例如，防腐涂層、耐磨涂層、光學(xué)涂層等。薄膜材料制備技術(shù)1物理氣相沉積真空環(huán)境中，將源材料氣化，沉積在基片上2化學(xué)氣相沉積氣體反應(yīng)生成薄膜3濺射沉積離子轟擊靶材，濺射出原子沉積在基片上4脈沖激光沉積激光照射靶材，蒸發(fā)材料沉積在基片上5溶液法溶液中物質(zhì)在基片上反應(yīng)生成薄膜材料的微納米結(jié)構(gòu)表征材料的微納米結(jié)構(gòu)表征是材料科學(xué)研究的重要組成部分。通過各種表征技術(shù)，例如掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)等，可以對材料的微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析。這些技術(shù)可以提供有關(guān)材料的形貌、尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷等信息，為深入理解材料的性能和設(shè)計(jì)新型材料提供重要的基礎(chǔ)。材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系11.晶體結(jié)構(gòu)材料的晶體結(jié)構(gòu)決定了原子排列方式，影響材料的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性等性能。22.微觀結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)包括晶粒大小、形狀、取向等，影響材料的力學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能等。33.相組成材料的相組成影響材料的熔點(diǎn)、密度、抗腐蝕性等性能。44.表面結(jié)構(gòu)材料的表面結(jié)構(gòu)影響材料的摩擦性能、潤滑性能、抗氧化性能等。材料的制備與應(yīng)用實(shí)例石墨烯石墨烯是單層碳原子以蜂窩狀結(jié)構(gòu)排列的二維材料。強(qiáng)度高導(dǎo)電性好熱導(dǎo)率高太陽能電池硅基太陽能電池是目前應(yīng)用最廣泛的太陽能電池。將光能轉(zhuǎn)化為電能環(huán)保清潔能源鈦合金鈦合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、生物相容性好等優(yōu)異性能。航空航天醫(yī)療器械LEDLED是一種高效節(jié)能的光源，具有壽命長、體積小、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。照明顯示屏材料科學(xué)前沿進(jìn)展新型材料的探索新型材料的研發(fā)是材料科學(xué)的核心目標(biāo)，包括納米材料、復(fù)合材料、生物材料等。材料的性能優(yōu)化對現(xiàn)有材料的性能進(jìn)行優(yōu)化，例如提高強(qiáng)度、耐熱性、導(dǎo)電性等，以滿足不斷變化的應(yīng)用需求。材料的模擬與計(jì)算利用計(jì)算機(jī)模擬和計(jì)算方法，預(yù)測材料的性能和結(jié)構(gòu)，從而指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)和研發(fā)。材料的制備工藝創(chuàng)新探索新的材料制備方法，例如3D打印、激光熔融等，提高材料制備效率和性能。材料化學(xué)研究方法實(shí)驗(yàn)研究材料化學(xué)研究中重要的環(huán)節(jié)。運(yùn)用各種儀器設(shè)備，進(jìn)行材料制備、性能測試和表征分析。理論計(jì)算結(jié)合量子化學(xué)、分子動力學(xué)等理論方法，模擬材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和反應(yīng)過程。數(shù)據(jù)分析利用統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，對實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容基本實(shí)驗(yàn)操作包括稱量、溶解、結(jié)晶、過濾、蒸發(fā)、干燥等，掌握基本實(shí)驗(yàn)儀器和操作方法。材料結(jié)構(gòu)表征運(yùn)用顯微鏡、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡等儀器，對材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)安全與環(huán)保了解實(shí)驗(yàn)室安全操作規(guī)程，并掌握材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)保意識，確保實(shí)驗(yàn)安全進(jìn)行。材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作學(xué)生需要掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，并能夠熟練操作各種實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，保證實(shí)驗(yàn)的安全性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行科學(xué)的