材料化学导论第4章_材料制备化学
材料化学教材
材料化学教材材料化学是一门研究材料结构、性能和制备方法的学科，它涉及到多种材料的研究和应用，包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料等。
在现代科技发展的背景下，材料化学的研究和应用变得越来越重要。
本教材旨在系统地介绍材料化学的基本理论和实践应用，帮助学生全面了解材料化学的基本知识和最新研究进展。
第一章，材料的基本结构和性能。
材料的基本结构决定了其性能特点，本章将介绍材料的晶体结构、非晶结构以及晶体缺陷等内容。
通过对材料结构的深入了解，可以帮助学生理解材料的性能表现，并为后续的材料制备和改性提供基础知识。
第二章，材料的制备方法。
本章将介绍材料的制备方法，包括传统的冶金方法、陶瓷材料的制备工艺、高分子材料的合成方法等。
同时，还将介绍一些现代材料制备的新技术和新方法，如纳米材料的制备技术、材料表面处理技术等。
第三章，材料的性能测试与表征。
材料的性能测试与表征是材料化学研究的重要环节，本章将介绍常见的材料性能测试方法，如力学性能测试、热学性能测试、电学性能测试等。
同时，还将介绍材料表征技术，如X射线衍射、扫描电子显微镜等先进表征手段。
第四章，材料的应用与发展。
本章将介绍材料在各个领域的应用与发展，如材料在能源领域的应用、材料在环境保护中的应用、材料在生物医学领域的应用等。
同时，还将介绍一些材料化学领域的最新研究成果和发展趋势，帮助学生了解材料化学领域的前沿知识。
结语。
材料化学作为一门综合性学科，涉及面广泛，应用领域广泛。
本教材力求系统地介绍材料化学的基本理论和实践应用，帮助学生全面了解材料化学的基本知识和最新研究进展。
希望本教材能够成为材料化学领域的入门教材，为学生的学习和研究提供帮助。
材料化学教材
材料化学教材材料化学是一门研究材料结构、性能和制备方法的学科，它在现代科学技术中扮演着重要的角色。
本教材旨在系统地介绍材料化学的基本理论、实验方法和应用，帮助学生全面了解材料化学的基本知识和发展趋势。
首先，我们将介绍材料的基本分类和性能。
材料可以分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。
金属材料具有良好的导电、导热性能，广泛应用于工程领域；无机非金属材料包括陶瓷、玻璃等，具有优良的耐高温、耐腐蚀性能；有机高分子材料主要包括塑料、橡胶等，具有轻质、柔软、绝缘等特点。
不同材料的性能差异主要源于其微观结构和化学成分的差异。
其次，我们将介绍材料的制备方法和表征技术。
材料的制备方法包括物理方法、化学方法和生物方法等，其中化学方法是最常用的制备方法之一。
而材料的表征技术则包括X射线衍射、电子显微镜、质谱分析等，这些技术可以帮助我们了解材料的结构和性能。
接下来，我们将重点介绍材料的性能调控和应用。
材料的性能可以通过改变其组成、结构和形貌来进行调控，例如通过合金化、掺杂等方法来改变材料的导电性能；而材料的应用涉及到材料在能源、环境、医药、电子等领域的广泛应用，例如太阳能电池、催化剂、生物材料等。
最后，我们将展望材料化学的未来发展。
随着科学技术的不断进步，材料化学将会迎来更多的突破和创新，例如纳米材料、功能材料等将成为材料化学的研究热点，同时，材料的可持续发展和环保性能也将成为未来材料研究的重要方向。
总之，材料化学是一门重要的学科，它对于推动科学技术的发展和应用具有重要意义。
本教材将帮助学生全面了解材料化学的基本知识和发展趋势，为他们今后的学习和研究打下坚实的基础。
希望本教材能够对学生们的学习和研究有所帮助，也希望材料化学领域的研究能够取得更多的突破和进展。
材料化学专业主要学什么(附课程目录)
材料化学专业主要学什么(附课程目录)材料化学专业主要学什么？材料化学专业是一门研究材料的组成、结构、性质和制备方法的学科，它涵盖了广泛的知识领域。
学习材料化学的学生将会了解不同材料的性质、应用和制备过程，培养实验技能和科研能力，为未来在材料科学与工程领域发展打下坚实的基础。
本文将详细介绍材料化学专业的课程目录，并针对每门课程进行简要的描述和解释。
第一部分：基础课程（共4门课程）1. 无机化学基础：这门课程主要介绍无机化合物的基本性质和反应规律，包括无机化合物的结构、键合理论、酸碱性质以及氧化还原反应等。
学生将学习到常见无机化合物的制备方法，了解它们在材料制备中的应用。
2. 有机化学基础：有机化学是材料化学中不可或缺的一部分。
这门课程将介绍有机化合物的特性、功能基团和反应机理。
学生将学习有机化合物的命名规则，了解常见的有机合成方法，并掌握基本的有机合成实验技能。
3. 分析化学基础：分析化学是材料化学中重要的实验技术之一。
这门课程将介绍分析化学的基本原理和分析技术，包括定量分析和定性分析的方法和仪器。
学生将学习如何进行化学分析和材料表征实验，并掌握常见分析技术的操作和数据处理方法。
4. 物理化学基础：物理化学是材料化学研究的基础。
这门课程将介绍物理化学的基本原理和概念，包括热力学、动力学、量子化学和电化学等内容。
学生将了解各种物理化学现象和定律，并学习如何应用这些原理解释材料性质和反应过程。
第二部分：专业核心课程（共6门课程）1. 材料化学原理：这门课程将深入介绍材料化学的基本原理和概念，包括材料结构、相变、晶体缺陷和材料表征方法等。
学生将学习不同材料类型的特性和性质，并了解它们在各个领域的应用。
2. 材料制备技术：材料制备是材料化学研究的核心环节。
这门课程将介绍常见的材料制备方法，包括溶胶凝胶法、热处理、沉积技术和材料改性方法等。
学生将学习如何选择适合的制备方法，并掌握相应的实验操作技能。
3. 材料性能测试与表征：材料性能测试和表征是评价材料性能和质量的重要手段。
材料化学导论练习与思考题
《材料化学导论》练习与思考题第一章 绪论1. 讨论新材料与材料加工新技术的出现对现代工业的影响。
2. 举例说明新材料如何引导科技进步。
3. 列举几种你常见到过的和心目中的复合材料。
4. 列举几种正处于发展期的新材料。
5. 简述材料的不同分类方法。
6. 何谓航天高聚物?试举例说明之。
7. 我国在东汉制造出了（），她是中国文化的象征，极大地促进了世界文明。
（A）陶瓷（B）瓷器（C）青铜器（D）丝绸8. 从我国河南商遗址出土的司母戊鼎重8750N，是世界上最古老的大型（）。
（A）石器（B）瓷器（C）青铜器（D）铁器9. 工程材料一般可分为（）等四大类。
（A）金属、陶瓷、塑料、复合材料（B）金属、陶瓷、塑料、非金属材料（C）钢、陶瓷、塑料、复合材料（D）金属、陶瓷、高分子材料、复合材料判断题：10. 金属材料韧性好，应用广泛，是重要的工程材料。
（）11. 材料的加工性能有铸造性、压力加工性、焊接性、热处理性能、切削性能、硬度、强度等。
（）第二章 晶体学基础1. 为什么14种种点阵型式中有正交底心，而无四方底心，也没有立方底心型式？2. 0℃时，水和冰的密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3，如何解释这一现象？3. 方向为[111]的直线通过1/2，0，1/2点，则在此直线上的另外两点的坐标是什么？4. 画出立方晶系中下列晶面和晶向：（010），（011），（111），（231），（321）；[010]，[011]，[111]，[231]，[321]。
5. 在六方晶体中，绘出常见晶面：（1120），（0110），（1012），（1100），（1012）。
6. (a)在立方体系中，[100]方向和[211]方向的夹角是多少？(b)[011]方向和[111]方向的夹角是多少？7. 一平面与晶体两轴的截距为a=0.5,b=0.75,并且与Z轴平行，则此平面的米勒指标是什么？8. 一平面与三轴的截距为a=1,b=-2/3,c=2/3, 则此平面的米勒指标是什么？9. 立方晶体中的[001]方向是（）（A）二次对称轴（B）四次对称轴（C）六次对称轴10. 晶体的特性是（）（A）有确定的熔点，无各向异性；（B）有确定的熔点，有各向异性；（B）无确定的熔点，有各向异性；（D）无确定的熔点，无各向异性；11. 名词解释：（1）点群和空间群；（2）空间格子和晶胞第三章金属材料1. 当CN=6时，K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时，半径是多少？(b)CN=8时，半径是多少？若(按K+半径不变) 求负离子半径。
材料化学导论
LnxA-μA关系曲线会终止于 A在B中的饱和溶解度处， 要用LnxA=0处外插之后μA 的值，标准状态也变成了 假想标准状态。
4.固体的溶解度
• 固体与液体平衡时溶液中A 的化学势等于固体A的化学
• 物质A的溶解行为取决于固 体A的化学势大小和溶解过
2．课堂讨论 2 3．机动 2（复习及习题解答）
教学过程
1. 后次复习前次概念 2. 本次讲授内容的引入 3. 新教学内容的讲授过程 4. 小结 5. 思考题 6． 作业
教材及教学参考书
1. 《材料化学导论》 席慧智 哈尔滨工业大学出版社 2001 2. 《材料化学导论》 唐小真 高教出版社 1997 3. 《材料化学导论》 丁马太 厦门大学出版社出版 1995年 4. 《材料化学导论》 杨宏秀 高等教育出版社 1997 5. 《Introduction to Materials Chemistry》 Harry R. Allcock
•
P+为标准压力,G+为该压力 下n摩尔理想气体的标准自
•
由能，与压力无关，是温
温度较低时，单位压力气 体的化学势高于液体的化 学势，这时气体凝结；
度的函数
• 高温时则正好相反。
•
当气体压力保持一定时， 单纯理想气体的化学势随
•
温度达到Tb，气体和固体 的两条曲线相交，此时，
温度而变化。单位压力下
Tb温度下单位压力的气体
• 溶体平均每摩尔自由能g为：
2.混合气体化学势 • 把单纯理想气体的化学势表达式中的全压力p换成各成
分的分压，即可得到理想混合气体的化学势。 (理想气体) (对A成分而言)
材料化学-曾兆华-第四章课件-化学热力学
固体材料外表的润湿问题
➢固体的外表自由能〔又称外表张力〕 γSV越大，越易被一些液体所润湿。
➢对液体来说，一般液体的外表张力〔除
液态汞外〕都在100mN/m以下。一类是
高能外表，例如常见的金属及其氧化物
、硫化物、无机盐等，它们易为一般液
体润湿；另一类是低能外表，包括一般
的有机固体及高聚物，它们的外表自由
材料化学-曾兆华-第四章课 件-化学热力学
主要内容
• 化学热力学根底及应用 • 埃灵罕姆图〔Ellingham Diagrams〕及其应用 • 材料界面热力学 • 相平衡与相图
Chapter4 Chemical Thermodynamics of Materials
2
学习目的
• 体会化学热力学在材料研究中的一些运用； • 掌握界面热力学与材料性质的关系 • 能解读分析材料工艺中碰到的各种相图。
n
P93，例题4-4
27
外表现象根本规律
28
4.2.2 润湿和接触角
润湿:固体与液体接触时所发生的一种外表现象，属于固液 界面行为，是指固体外表上的一种液体取代另一种与之不想 混溶流体的过程。
润湿类型和润湿功
分为：沾湿(adhesion)、铺展(spreading) 和浸湿(dipping)
附着润湿
• 热力学第三定律——在绝对零度时，任何纯 物质的完整晶体S的S2熵98K 都S0K 等S 于0 零。
Chapter4 Chemical Thermodynamics of Materials
7
• 自由能〔Free Energy〕
GHTS dGdHTdS
G H T S
热力学第二定律 ——在任何自发变化过程中，自由能总是减少的
材料化学课程教学大纲
材料化学课程教学大纲一、课程简介本课程旨在为学生提供材料化学的基础知识和实践技能，让他们了解材料的组成、性质和应用。
通过本课程的学习，学生将能够深入掌握材料化学的基本理论，掌握材料的制备与分析技术，并能熟练运用所学知识解决实际问题。
二、教学目标1. 掌握材料化学的基本概念和原理，理解材料的结构与性质之间的关系。
2. 熟悉材料的制备、表征和性能测试方法，能够运用这些方法进行实验研究。
3. 能够分析材料的性能数据，并能根据需求设计和改进材料的配方和工艺。
4. 培养学生的创新意识和实践能力，使其具备进行材料科学研究和应用开发的基础。
三、教学内容和安排1. 材料化学基础知识1.1 材料的分类和特性1.2 材料的原子结构和晶体结构1.3 材料的微观与宏观性质1.4 材料的热力学性质1.5 材料的电子结构与导电性质2. 材料的制备与表征2.1 材料的合成方法与工艺2.2 材料的表面和界面特性分析2.3 材料的结构表征技术2.4 材料的物理和化学性质测试3. 材料性能与应用3.1 材料的力学性能和失效机理3.2 材料的热学性能和应用3.3 材料的光学和电磁性能3.4 材料在能源和环境领域的应用四、教学方法与手段1. 理论教学：课堂讲授、多媒体展示、案例分析等2. 实验教学：实验操作指导、实验报告撰写等3. 课外实践：课程设计、小组讨论、科研项目等4. 学科竞赛：参加材料化学相关竞赛活动，提高学生的创新和实践能力五、教材与参考资料1. 主教材：《材料化学导论》2. 参考书目：- 《材料科学与工程概论》- 《材料表面与界面工程》- 《材料失效分析与故障诊断》- 《材料在光子学中的应用》六、考核方式1. 平时成绩：课堂参与、作业完成情况、实验报告等2. 学期论文：根据指定的研究课题撰写学术论文3. 期末考试：综合考察学生对课程知识的掌握情况七、教学评价与改进本课程将定期进行教学评价，收集学生反馈意见并进行教学内容的改进与优化。
4-材料化学-热力学
➢ 相稳定性、相变方向及驱动能量；固态材料的熔化和凝固；固 态相变、相平衡关系和成分；材料中显微结构稳定性程度
郝士明等 化学工业出版社 2010
徐祖耀等 高等教育出版社 2009
郝士明译 化学工业出版社 2006
赵新兵等 浙江大学出版社 2009
4.1化学热力学基础及应用
➢内能 ➢焓 ➢熵 ➢吉布斯自由能 ➢反应的方向和进行的限度
U Q W
材料化学
一定压力下体积的变化
凝聚态 封闭体 系(固体)
dU dQ U Q
焓（H）——状态函数
H U PV dH dU d(PV )
dH dQ
H Q
d(PV)=0
凝 聚 态 封 闭 体 系
熵（S）——状态函数,衡量体系自由度或无规度
——可逆过程热效应（QR）与绝对温度的比值：
等 G H TS
温 等
dG dH TdS
压
G H TS
热力学第二定律 ——在任何自发变化过程中，自由能总是减少的
化学变化 G<0，化学反应过程能自发进行；
的趋动力 G>0，化学反应过程不能自发进行；
G
G=0，化学反应过程处于平衡状态。
化学反应平衡常数：
G=0时
ln K G0 / RT
4.2 化学热力学在材料研究中的应用
➢ 内能是体系总能量
体系总能量E = 内能 + 宏观动能 + 宏观势能 ——忽略体系宏观动能和势能
➢ 内能是状态函数,与过程无关 能量的变化ΔU : 体系从环境吸热Q(正)[或放热(负)]
体系对环境做功W(负) ΔU = Q - W－－热力学第一定律
热力学第一定律
能量具有各种不同的形式，能够从一种形式 转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物 体，而在转化及传递中，能量总量保持不变。
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厨房材料？
门把手：铝合金
金属
水槽、水龙头：不锈钢 材料
橱窗：玻璃 墙壁：瓷砖
无机非金 属材料
吊顶：塑料或合金 合成 橱门外层：涂料、漆 材料
厨房桌台面：人造大理石 复合 材料
传统化学材料的影响
• 在我们的衣食住行以及战胜疾病等方面，化工科 技的进步，为人类带来巨大的益处。
• 药品的发展有助治愈不少疾病，延长人类的寿命； • 聚合物科技创造新的制衣和建造材料； • 农药化肥的发展，控制了虫害，也提高了生产。 • 传统化学工业在产品制备的过程中产生了大量的
材料化学
材料制备化学
•尖晶石MgAl2O4 和反应物MgO结构中，氧负离 子均作面心立方密堆排列； •Al2O3的晶体结构中，氧负离子呈畸变的六方密 堆排列； •阳离子Al3+在Al2O3和尖晶石MgAl2O4 中占据氧 负离子的八面体空隙； •Mg2+在MgAl2O4 结构中占据氧负离子四面体配 位，而在MgO结构中却占据氧负离子八面体配位 孔隙。
激光二极管 发光二极管 透明导电体 透光压电体
铁氧体磁体
(Ba,Sr)O·6Fe2O3
存储元件
（Zn,M）Fe3O4 （M=Mo,Co,Ni,
Mg等）
轴承
Al2ON4
全息摄影 光通讯，计测
透明电极
GaP、GaAs GaAsP
SnO2,In2O3
压电磁器件 (Pb，La)(Zr，Ti)O3
通讯光缆
玻璃纤维
材料化学
材料制备化学
陶瓷法制备多晶材料的条件——高温 • 从热力学角度：吉布斯自由能变化判断 • 从动力学角度：决定反应进行的速度 设备：电弧炉，3000℃
CO2激光设备，4000℃
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材料化学
材料制备化学
例:以1：1摩尔比MgO和Al2O3的混合物反应生成 尖晶石讨论固体反应过程的影响因素。
材料化学
材料制备化学
1. 化学合成与材料制备 2. 晶体材料的制备 3. 微晶颗粒和团簇的制备 4. 无定型材料的制备 5. 晶体生长 6. 聚合物材料的制备
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材料化学
材料制备化学
1. 化学合成与材料制备 材料制备不是通常所说的化学合成或化学
制备，是一个极其复杂的化学和物理的综合变 化过程。
材料制备是一项横跨化学学科和物理学科 的制备技术。
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陶瓷
陶瓷（Ceramics）是一类无机非金属固体材料。 陶瓷的典型代表有：瓷器、耐火材料、水泥、玻璃 和研磨材料等。 近几十年来，制得了广泛应用在电子、能源诸多领 域的耐热性、机械强度、耐腐蚀性、绝缘性以及各 种电磁优越性能的新型陶瓷材料，称之为精细陶瓷 （Fine Ceramics）。 陶瓷材料有各种化学成分，包括硅酸盐、氧化物、 碳化物、氮化物及铝酸盐等。
2
材料制备的目的
1 ）为了获得某些特殊的性能而制备一系列材料 2）为研究材料结构与性能之间的关系而制备一系列 材料 3）制备一系列新种类的材料 4）制备一系列特殊规格的材料
化学合成与材料
化学合成是材料制备的基础，并非材料制备的全部。 材料制备是一个极其复杂的化学和物理的综合变化过程。 材料的物理结构及状态对材料的性能也有显著作用。
热力学和结构因素评价 从热力学上看，MgO和Al2O3的混合物反应生成尖晶 石的反应：
MgO(s) + Al2O3(s) → MgAl2O4(s) 的自由能允许反应正向自发进行。但固相反应实际上是反 应物晶体结构发生变化的过程。尖晶石MgAl2O4 和反应物 MgO、Al2O3的晶体结构有其相似性和差异性。
材料化学
材料制备化学
材料制备按目的分类 （1）制备一系列材料以研究材料的特殊性能 （2）制备一系列结构相关的材料以研究材料
的结构与性能之间关系 （3）制备一系列新种类的材料 （4）制备一系列特殊规格的材料
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材料化学
材料制备化学
2. 晶体材料的制备 2.1 陶瓷法 2.2 化学法 2.3 薄膜的制备和形成 2.4 其他方法
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尖晶石的制备
化学式： 通式AB2O4 ；MgAl2O4
晶体结构： 立方晶系，a＝0.808nm，Z＝8 空间格子： O2-是按立方密堆积的形式排列。二价离子A充
填1/8 四面体空隙，三价离子B充填于1/2八面 体空隙（正尖晶石结构）。 多面体： 〔MgO4〕、〔AlO6〕八面体之间是共棱相连， 八面体与四面体之间是共顶相连。
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2 晶体材料的制备
2.1 陶瓷法 • 经典方法(固态反应法)
恒温条件利用固体化合物反应制备材料。 • 多晶形固体制备法（固态形式直接反应法）
晶体物质互相混合，通过接触的界面发生离 子的自扩散和互扩散，或原有化学键的断裂和新 化学键的形成及新物相的生成，晶体结构产生变 化，这种变化向固体原料内部或深度扩散，导致 了一种新多晶材料的生成。
绿色化学的主要特点是：
①充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料； ②在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废物向环境排放； 如采用新型、高效、对环境友好、可回收的催化剂。 ③提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所 消纳，实现“零排放”；如采用无毒无害的溶剂、开发无溶剂 存在下的固态反应；应用水介质体系；以超临界流体做介质的 反应。 ④生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的 产品。
材料 电子材料
某些精细陶瓷的应用实例
特性
应用领域
用途
代表物质
压电性
点火元件、压电滤 波器、表面波器件， 压电变压器、压电
振动器
引燃器、FM、 TV，钟表、超 声波、手术刀
Pb(Zr,Ti)O3, ZrO,
LiNbO3, 水晶
半导体
热敏电阻、非线性 半导体，气体吸着
半导体
温度计，加热 Fe-Co-Mn-Si-O
废物，污染了环境？
现代化学材料的特点
现代的化学材料正在趋向与可持续的方向发展。 提出绿色化学概念，以保护环境为目标来设计、生产化学产品 从源头上阻止污染的化学，使化学成为环境的朋友。
绿色化学（Green Chemistry） 环境无害化学（Environmentally Benign Chemistry） 环境友好化学（Environmentally Friendly Chemistry） 清洁化学（Clean Chemistry）。
器，太阳电池， 气体传感器
BaTiO3 CdS-Cu2S
导电性 绝缘体
超导体 快离子导体
绝缘体
导电材料 固体电解质
集成电路衬底
YBa2Cu3O7-x Na-βAl2O3,
α-AgI
Al2O3, MgAl2O4
磁性材料
磁性 磁性
超硬材 料
耐磨耗 性
切削性
荧光性
光学材 料
透光性
透光偏 光性
导光性
硬质磁性体 软质磁性体