材料化学第5章材料的制备ppt课件
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高中化学人教版(2019)必修第二册课件：第5章 第3节 无机非金属材料 (1)
探究任务2 探究新型无机非金属材料
【问题引领】
1.利用二氧化硅制备高纯硅涉及的三个化学反应,是否都是氧化还原反 应?
提示:利用二氧化硅制备高纯硅,涉及的主要化学反应为:SiO2+2C
Si+2CO↑,Si+3HCl
SiHCl3+H2,SiHCl3+H2
Si+3HCl。三个反应都是氧化还原反应。
2.高纯硅的制备过程中,能循环利用的物质是什么?
自主预习·新知导 学
一、硅酸盐材料 1.陶瓷。 (1)陶瓷是以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料,经高温烧结 而成的。 (2)陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。广 泛应用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。 2.玻璃。 (1)普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。 (2)普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑 中熔融,发生复杂的物理和化学变化而制成的。 (3)玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿,还可制造玻璃纤维 用于高强度复合材料等。
【典型例题】
【例题2】 下列对晶体硅的有关叙述正确的是( )。 A.晶体硅和金刚石的物理性质相似 B.晶体硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应 C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但是它的提炼工艺复杂,价格昂贵,没 有被广泛使用 D.晶体硅具有金属光泽,故它属于金属材料,可以导电 答案:A 解析:晶体硅的结构与金刚石相似,是具有正四面体形的空间立体网状结 构,所以物理性质与金刚石相似,熔点、沸点高,硬度大;硅的化学性质不活 泼,但常温下可与F2、氢氟酸和强碱等反应;晶体硅是一种良好的半导体材 料,被广泛使用;晶体硅是一种非金属单质,虽然它具有金属光泽。
《材料科学基础》课件——第五章相平衡与相图第一节第二节第三节第四节
相和相平衡
Байду номын сангаас四、自由度与相律
1、自由度：平衡系统中独立可变的因素
自由度数：独立可变的强度变量的最大数目
(强度变量与广度变量的区别）
2、相律：自然规律
在平衡系统中由于受平衡条件的制约，系统内
存在的相数有一定限制。 组元数 相数P≥1
吉布斯相律：不可为负数
f=c-p+n
外界影 响因素
通常外界影响因素只考虑T、P，所以f=c-p+2
• 掌握匀晶，包晶，共晶相图的特点，进而了解二元合金的一些平衡凝固，固 相转变的规律。
• 重点难点： • 二元系相图的建立，杠杆定律 • 包晶相图，共晶相图，共晶合金 • 相图分析，各种液固，固相转变的判断
材料的性能决定于内部的组织结构，而组织结构
又由基本的相所组成。
相：均匀而具有物理特性的部分，并和体系的其他 部分有明显界面。
晶型转变过程都是在恒温下进行，并伴随有体 积、密度的变化。 2、SiO2系统相图 α-石英与β-石英相变相当慢， β-石英常因冷却过快而被保留 到室温，在常压下，低于573℃
单元系相图
β-石英很稳定，所以自然界或低温时最常见的是 β-石英。晶型转变时，体积效应特别显著。 Al2O3、ZrO2也具有多晶型转变。 3、聚合物相图 （1）状态由分子间作用力决定，分子间约束力弱
共晶相图，平衡凝固，共晶合金，包晶相图，形成化合物的相图，含有双液 共存区的相图，熔晶相图等 ，二元相图的几何规律 ，单相，双相及三相共 存区，相图特征 ，二元系相图的分析，分析的方法与步骤，分析举例。
• 教学目的： • 学习相平衡与相图的基本知识，了解相图在材料科学学习中的重要性，学会
相图的使用。
第五章第2节高分子材料第2课时 课件 2021-2022学年高二化学人教版（2019）选择性必修3
B.CH2==CH—COOH
C.CH3—CH(OH)—COOH D.H2N—CH2—COOH
随堂巩固
3.X是一种性能优异的高分子材料，其结构简式为
，
已被广泛应用于声、热、光的传感等方面，它是由HC≡CH、(CN)2、CH3COOH三种 单体通过适宜的反应形成的。由X的结构简式分析合成过程中发生反应的类型有
很难溶解，但往往有一定程 度的胀大
性能
具有热塑性，无固定熔点
具有热固性，受热不熔化
强度大、绝缘性好、有可塑 特性 强度大、可拉丝、吹薄膜、绝缘性好
性
常见 物质
聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡胶
酚醛树脂、硫化橡胶
小结
随堂巩固
1.手术缝合线、人造器官等人体用的功能高分子要求无毒且与人体有较好的相容性。
根据有关化合物的性质及生物学知识可知，下列高分子不宜用作手术缝合线或人造
②合成新的带有强亲水基团的高分子。
如CH2==CH—COONa —一交—定联—条—剂件→
聚丙烯酸钠(网状结构)
学习任务三：高吸水性树脂
3.性能： 不溶于水，也不溶于有机溶剂，与水接触后在很短的 时间内溶胀，可吸收其本身质量的数百倍甚至上千倍 的水，同时保水能力要强，还能耐一定的挤压作用。
《时代周刊》评出20世纪最伟 大的100项发明，其中“尿不 湿”榜上有名
器官材料的是 A.聚乳酸
B.聚氨酯
C
C.氯纶
D.聚乙烯醇
随堂巩固
2.用高分子塑料骨钉取代钛合金骨钉是医学上的一项新技术，这种塑料骨钉不仅具
有相当的强度，而且可在人体内水解，使骨科病人免遭拔钉的痛苦。合成这种塑料
骨钉的原料能与强碱溶液反应，也能在浓硫酸条件下形成环酯。则合成这种塑料骨
材料概论：第5章 十种产品生产过程概述5-1、5-2
• 现已→机械化、自动化如平板玻璃、玻璃容器、灯壳、电 子管、显像管等。造型复杂、批量小的产品，才手工成型。
(一)玻璃发展简史
1 起源 天然玻璃：黑耀岩 人造玻璃：古埃及，公元前1500年前，出现 稳定的玻璃工业 2、玻璃工业的两次飞跃 公元13世纪，意大利，工艺、日用玻璃
泥罐熔融 铁管吹制 威尼斯煤代木 政治经济因素：奴隶制终结
27
七、 玻璃中各种氧化物的分类及作用
NF的作用 1.SiO2 构成硅酸盐玻璃网络骨架，隔离[BO4] 2.P2O5 磷酸盐玻璃骨架。
硅酸盐中：核化剂、乳浊剂 3.B2O3 硼酸盐玻璃骨架
硅酸盐中少量可得较特殊玻璃
磷酸盐中可形成[BPO4] ，结构变为架状
28
七、 玻璃结构中氧化物的分类及作用
二）网络外体氧化物network modifier（NM） • 单键能<60kcal/mol • 不能单独成玻 • 离子半径大电荷小 • 离子键 如：Li+、Na+、K+、Ca2+、Sr2+ (小场强) 、
材料概论
第五章 十种产品生产过程概述
5.1 玻璃的生产
玻璃的发展历史(＞5000年，我国≥3000年) 玻璃的生产工艺
5.2 陶瓷的生产
陶瓷的概念与分类及发展历史 普通陶瓷的基本制备工艺 特种陶瓷生产的基本工艺过程
*5.3 水泥的生产 5.4 黑色金属的生产 *5.5 有色金属的生产
➢ 玻璃的发展历史
R+的扩散系数下降。 效应强弱：BaO>PbO>CaO>CdO>ZnO>MgO
两类 碱土金属（惰性气体型） ZnO、 CdO、 PbO（18，18+2电子构型）
(一)玻璃发展简史
1 起源 天然玻璃：黑耀岩 人造玻璃：古埃及，公元前1500年前，出现 稳定的玻璃工业 2、玻璃工业的两次飞跃 公元13世纪，意大利，工艺、日用玻璃
泥罐熔融 铁管吹制 威尼斯煤代木 政治经济因素：奴隶制终结
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七、 玻璃中各种氧化物的分类及作用
NF的作用 1.SiO2 构成硅酸盐玻璃网络骨架，隔离[BO4] 2.P2O5 磷酸盐玻璃骨架。
硅酸盐中：核化剂、乳浊剂 3.B2O3 硼酸盐玻璃骨架
硅酸盐中少量可得较特殊玻璃
磷酸盐中可形成[BPO4] ，结构变为架状
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七、 玻璃结构中氧化物的分类及作用
二）网络外体氧化物network modifier（NM） • 单键能<60kcal/mol • 不能单独成玻 • 离子半径大电荷小 • 离子键 如：Li+、Na+、K+、Ca2+、Sr2+ (小场强) 、
材料概论
第五章 十种产品生产过程概述
5.1 玻璃的生产
玻璃的发展历史(＞5000年，我国≥3000年) 玻璃的生产工艺
5.2 陶瓷的生产
陶瓷的概念与分类及发展历史 普通陶瓷的基本制备工艺 特种陶瓷生产的基本工艺过程
*5.3 水泥的生产 5.4 黑色金属的生产 *5.5 有色金属的生产
➢ 玻璃的发展历史
R+的扩散系数下降。 效应强弱：BaO>PbO>CaO>CdO>ZnO>MgO
两类 碱土金属（惰性气体型） ZnO、 CdO、 PbO（18，18+2电子构型）
第五章高分子材料ppt课件
当外力不是静力，而是交变力（即应力大小呈周期性变化）时，应力和应变的关系就会呈现出滞后现象。所谓滞后现象，是指应变随时间的变化一直跟不上应力随时间的变化的现象。当应力与应变有相位差时，每一次循环变化过程中要消耗功，称为力学损耗或内耗。链段运动跟得上外力变化，则内耗很小，反之完全跟不上也小；当链段运动稍微滞后于外力的变化，内耗最大。
能结晶；160C
能结晶；160C
不结晶；75C
双烯类高分子主链上存在双键。由于取代基不能绕双键旋转，因而内双键上的基团在双键两侧排列的方式不同而有顺式构型和反式构型之分，称为几何异构体。以聚1,4-丁二烯为例，有顺1,4和反1,4两种几何异构体。反式结构重复周期为0.51nm（图b），比较规整，易于结晶，在室温下是弹性很差的塑料；反之顺式结构重复周期为0.91nm（图a），不易于结晶，是室温下弹性很好的橡胶。类似地聚1,4-异戊二烯也只有顺式才能成为橡胶(即天然橡胶)。对于聚丁二烯，还可能有1,2加成，双键成为侧基。因而与单烯类高分子一样，有全同（图d）和间同（图c）两种有规旋光异构体。
1.缨状微晶胞模型
2.折叠链结晶模型 基于的实验事实：电子衍射研究结果表明高分子单晶都具有一般共同的形态，即厚度约10纳米，长、宽约几微米尺寸的薄片晶，而且高分子链方向垂直于片晶平面。
3.聚合物结晶度： 结晶度即结晶部分的含量；利用比容、量热法、X射线衍射、红外光谱法。 影响结晶度的因素： 1.聚合物结构：规整结构的聚合物可以达到很高结晶度，分支、结构不规整的聚合物结晶度较； 2.结晶条件：缓慢降温比急冷更容易高的结晶度。
高分子柔顺性与单链内旋转难易程度有关。原子间的联结作用阻碍了单键的内旋转，使大分子链的运动以相连接的链段运动来实现。链段越短柔顺性越大。 高分子链的柔顺性是高聚物许多性质不同于低分子物质的重要原因，尤其对高聚物的弹性和塑性有重要影响。
第5章聚合物无机纳米复合材料
第5章聚合物无机纳米复合材料聚合物无机纳米复合材料是一种由聚合物基质和无机纳米颗粒组成的新型复合材料。
这种材料具有聚合物的柔韧性和无机纳米颗粒的特殊性能，广泛应用于各个领域。
聚合物无机纳米复合材料的制备方法分为物理法和化学法两种。
物理法主要是通过机械混合的方式将聚合物和无机纳米颗粒混合在一起，然后经过加热或其他处理使它们相互结合成为复合材料。
化学法则是通过化学反应将聚合物和无机纳米颗粒连接在一起，形成固体复合材料。
聚合物无机纳米复合材料具有一系列优异的性能。
首先，由于无机纳米颗粒在复合材料中的分散性和界面相容性良好，使得聚合物基体的强度和刚度得到显著提高。
其次，无机纳米颗粒的独特性能也使复合材料具有特殊的性能，如高导热性、高阻燃性、耐腐蚀性等。
此外，聚合物无机纳米复合材料还具有较好的可加工性，可以通过注塑、挤出、压延等工艺加工成不同形状的制品。
聚合物无机纳米复合材料在各个领域有着广泛的应用。
在电子领域，它可以作为高导热的封装材料，提高电子器件的散热性能；在汽车制造领域，它可以制备耐高温、耐腐蚀的复合材料，用于制造汽车发动机等部件；在医药领域，它可以作为载药材料，提高药物的缓释性能；在建筑领域，它可以作为阻燃材料，提高建筑物的耐火性能。
然而，聚合物无机纳米复合材料在制备过程中仍存在一些问题。
首先，制备过程中的分散性和界面相容性控制是一个关键问题，直接影响着复合材料的性能。
其次，无机纳米颗粒的添加量和分散度对复合材料的性能也有着重要影响，需要进行合理的设计和控制。
此外，复合材料在使用过程中的耐久性和稳定性也需要进行进一步的研究和改进。
总的来说，聚合物无机纳米复合材料是一种具有广泛应用前景的材料，其独特的性能使其在各个领域都有着潜在的应用价值。
随着制备工艺的不断改进和性能的进一步提高，相信聚合物无机纳米复合材料将会在未来发展中得到更加广泛的应用。
高中化学第五章进入合成有机高分子化合物的时代5.3.1功能高分子材料课件新人教选修5.ppt
你知道吗？
分离膜具有神奇的魔术师般的本领，从下 面的实验中不难领会。将一瓶含酒精4.5％的 普通啤酒用水稀释成两瓶，然后倒入玻璃容 器内，只要将这种溶液通过薄薄的一层分离 膜，就能够在几分钟内提取出酒精浓度达 93 ％的乙醇。这种乙醇用一根火柴就能点燃。 这个实验中在分离膜的表面施加了高频电场， 促使乙醇溶解、扩散、和水分离，所耗电能 仅为蒸馏法的十分之一。在过去要从液体中 分离另一种液体，只能使用蒸馏法。
用有高吸水性的高分子材料制作的，可吸收自重几百倍的水，但 仍保持干爽。
成分：聚乙烯醇、聚丙烯酸盐交联可得。
［启示］ 食品保鲜、人造皮肤、防止土壤沙漠化。
（请你想一想）角膜接触镜，俗称隐形 眼镜。目前大量使用的软质隐形眼镜， 它常用以下哪种材料制成的（D）
（A）有机玻璃
（B）硅氧烷和丙烯酸酯的共聚物
二、复合材料
1．复合材料：指两种或两种以上材料组合 成的一种新型材料。其中一种做为基体，另 外材料做为增强剂。
2．复合材料的性能：具有强度高、质量轻、 耐高温、耐腐蚀等优异性能，在综合性能上 超过了单一材料。
复合材料－玻璃钢
三、有机高分子材料的发展趋势
1．对重要的通用有机高分子材料继续进行 改进和推广，使他们的性能不断提高，应 用范围不断扩大。如新型导电和电磁屏蔽 材料。 2 ．与人类自身密切相关、具有特殊功能的 材料的研究也在不断加强，并且取得了一 定的进展，如仿生高分子材料、高分子智 能材料等。
解答：A、D。
启示：高分子材料的研究方面是一方面对重要的通用有机高分 子材料继续改进和推广。另一方面研究与人类自身密切相关，具有 特殊功能材
练习：
1、下列物质不属于有机高分子化合物的是( C )
A、淀粉 B、蛋白质 C、酒精 D、电木
高中学习课件：高分子材料
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(2)常见的合成纤维 ①聚酯纤维——涤纶(聚对苯二甲酸乙二酯纤维)，制备原理：
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②聚酰胺纤维——锦纶66、尼龙66，制备原理：
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3．合成橡胶 (1)橡胶的分类 橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶的主要成分是 __顺__式__聚__异__戊__二__烯____。 (2)顺丁橡胶 以1，3-丁二烯为原料，在催化剂作用下发生加聚反应得到的以顺式结构为 主的聚合物，制备原理：
聚合反应条件
左右，使用引发剂
100 ℃、使用催化剂
高分子链的结构 含有较多支链(支链型结构) 支链较少(线型结构)
相对分子质量
较低
较高
密度/(g·cm－3) 软化温度/℃
较低(0.91～0.93) 较低(105～120)
较高(0.94～0.97) 较高(120～140)
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②酚醛树脂
返回导航
2．合成纤维 (1)纤维的分类
接，构成一条很长的卷曲状态的 共价键交联起来，形成三维空
“链”
间网状结构
溶解性
能缓慢溶解于适当溶剂
不溶于一般溶剂，但往往有一 定程度的胀大
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线型高分子
网状高分子
性能
具有热塑性，无固定熔点
具有热固性，受热不能软化或 熔融
强度大、可拉丝、吹薄膜、绝缘
特性
强度大、绝缘性好，有可塑性
性好
常见 物质
聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡胶
返回导航
解析：A.生物高分子材料、隐身材料、液晶高分子材料等都属于功能高分 子材料，选项A正确； B.高分子分离膜可用于海水淡化、分离工业废水、浓缩天然果汁等，选项B 正确； C.用于制造CPU芯片的良好半导体材料单晶硅属于传统无机非金属材料， 选项C不正确； D.在淀粉、纤维素的主链上再接入带有强亲水基团的支链，可提高它们的 吸水能力，选项D正确。
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❖ 5.1.2.1 水溶液法
❖ 原理：通过控制合适的 降温速度，使溶液处于 亚稳态并维持适宜的过 饱和度，从而结晶。
❖ 制备单晶的关键：
➢ 消除溶液中的微晶； ➢ 精确控制温度。
5/13/2020
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生长容器
5/13/2020
水溶液法制备的KH2PO3晶体（历时一年）
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5.1.2.2 水热法
Hydrothermal Method
correction block
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晶体生长过程
开始阶段
径向生长阶段
垂直生长阶段
Байду номын сангаас
5/13/2020
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Crystal-500 晶体生长炉得到的晶体
5/13/2020
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5.1.1.2 坩埚下降法
❖ 装有熔体的坩埚缓慢通 过具有一定温度梯度的 温场，开始时整个物料 熔融，当坩埚下降通过 熔点时，熔体结晶，随 坩埚的移动，固液界面 不断沿坩埚平移，至熔 体全部结晶。
5/13/2020
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5.1.2 溶液生长法
❖ 主要原理：使溶液达到过饱和的状态而结晶。 ❖ 过饱和途径：
➢ 利用晶体的溶解度随温度改变的特性，升高或降低 温度而达到过饱和；
➢ 采用蒸发等办法移去溶剂，使溶液浓度增高。
❖ 介质：
✓ 水、熔盐（制备无机晶体） ✓ 丙酮、乙醇等有机溶剂（制备有机晶体）
5/13/2020
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❖ 控制晶体品质的主要因素：
➢ 固液界面的温度梯度 ➢ 生长速率 ➢ 晶转速率 ➢ 熔体的流体效应
5/13/2020
4-inch的LiNbO3单晶
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自动提拉技术
Crystal-500 晶体生长炉
5/13/2020
1. 供料器feeder 2. 晶体生长室growth chamber 3. 坩埚crucible 4. 底加热器bottom heater 5. 气阀gas valve 6. 熔面调校器melt-level regulator 7. 探头probe 8. 电脑 9. 温度校正单元 temperature-
❖ 有时也会固定加热器而移动原料棒。
5/13/2020
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区熔法
5/13/2020
水平区熔法示意图
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包含化合物生成的区熔法
InP单晶的合成
CdTe单晶的合成
5/13/2020
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长200mm、直径 75mm的未掺杂 GaAs单晶及晶片
100mm直径的 InP单晶及晶片
5/13/2020
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5.1.1.4 焰熔法
❖ 水热法——在高压釜 中，通过对反应体系 加热加压（或自生蒸 汽压），创造一个相 对高温、高压的反应 环境，使通常难溶或 不溶的物质溶解而达 到过饱和、进而析出 晶体
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水热法种类
➢ 水热氧化法 ➢ 水热沉淀法
Classification
➢ 水热合成法 ➢ 水热分解 ➢ 水热晶化法
焰熔法生长宝石
5/13/2020
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焰熔法
焰熔法生长金红石
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金红石晶体
5.1.1.5液相外延法
❖ 料舟中装有待沉积的熔体，移动料舟经过单晶 衬底时，缓慢冷却在衬底表面成核，外延生长 为单晶薄膜。
❖ 在料舟中装入不同成分的熔体，可以逐层外延 不同成分的单晶薄膜。
5/13/2020
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• 提拉法 • 坩埚下降法 • 区熔法 • 焰熔法 • 液相外延法
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5.1.1.1 提拉法(丘克拉斯基法，CZ法，Czochralski method)
✓ 可以在短时间内生长大 而无错位晶体
✓ 生长速度快，单晶质量 好
✓ 适合于大尺寸完美晶体 的批量生产
提拉法单晶生长
5/13/2020
5/13/2020
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5/13/2020
坩埚下降法晶体生长示意图
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坩埚下降法
采用冷却棒的结晶炉示意图和理想的温度分布
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5.1.1.3区熔法
❖ 狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区 域，原料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下 降而形成单晶。
❖ 随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却 结晶的过程，最后形成单晶棒。
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学习目的
➢ 学习几种材料制备技术，掌握其基本原理，理解相 关工艺过程。
➢ 了解各种制备技术的特点、适用范围、优缺点等。
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5.1 晶体生长技术
❖ 熔体生长法 ❖ 溶液生长法
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5.1.1 熔体生长法
—将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到 一定的过冷而形成单晶
液相外延法
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液相外延系统示意图
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液相外延法优点：
❖ 生长设备比较简单； ❖ 生长速率快； ❖ 外延材料纯度比较高； ❖ 掺杂剂选择范围较广泛； ❖ 外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； ❖ 成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好； ❖ 操作安全。
缺点：
❖ 当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难； ❖ 由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料； ❖ 外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。
料锤1周期性地敲打装在料斗3里的粉末 原料2，粉料从料斗中逐渐地往下掉， 落到位置6处，由入口4和入口5进入的 氢氧气形成氢氧焰，将粉料熔融。熔体 掉到籽晶7上，发生晶体生长，籽晶慢 慢往下降，晶体就慢慢增长。
➢能生长出很大的晶体（长达1m） ➢适用于制备高熔点的氧化物 ➢缺点是生长的晶体内应力很大
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Application of Hydrothermal Method
Monocrystal Growth
Application (1) Monocrystal Growth
利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长，从而避免了晶 体相变引起的物理缺陷
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5/13/2020
Chapter 5 Preparation of Materials 材料的制备
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材 料 化学合成 制 工艺技术 备
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主要内容
❖ 5.1 晶体生长技术 ❖ 5.2 气相沉积法 ❖ 5.3 溶胶-凝胶法 ❖ 5.4 液相沉淀法 ❖ 5.5 固相反应 ❖ 5.6 插层法和反插层法 ❖ 5.7 自蔓延高温合成法 ❖ 5.8 非晶材料的制备
水热法生长的单晶
水热法生长单晶装置
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KTP单晶
杜邦用来生长KTP晶体的装置
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Powder Preparation
粉体晶粒发育完整；
粒径很小且分布均匀；
团聚程度很轻；