[工学] 现代无机合成原理 第一章 绪论.ppt

1,现代无机合成原理,1,一、材料的含义,第一节 基本概念,材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、 工具、装置等物品的物质。,2,第一章 绪论,3,（1）材料是一切科学技术发展的先导与物质基础； （2）是改善人民生活质量所必需的一个重要方面； （3）反映着一个国家的综合国力,二、研发材料的意义,材料科学四面体,结构,固有特性,制作方法,测定性能,使用性能,性能价格比Cost (price) performance,4,三、材料科学,4,3.1 材料测定性质 材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应 主要决定于材料的组成与结构。 3.2 材料使用性能： 材料在使用状态下表现的行为，与材料设计、工程环境密切相关。 使用性能包括可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等,5,3.3 制作方法 传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等， 新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺。,6,材料按化学组成（或基本组成）分类 根据材料的性能分类 材料按服役的领域来分类 材料按结晶状态分类 材料按材料的尺寸分类 纳米材料 ,四、材料的分类,7,8,无机非金属材料,有机高分子材料,黑金属,有色金属,金属材料,复合材料,4.1 根据材料的化学组成,8,（1）金属材料,金属材料是由化学元素周期表中的金属 元素组成的材料。 由一种金属元素构成的单质（纯金属） 由两种或两种以上的金属元素或金属与 非金属元素构成的合金；,9,（2）无机非金属材料,由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等 原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、 硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备 而成的材料。,10,（3）有机高分子材料（高聚物）,高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。 来源：天然、合成； 性能和用途：橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。,11,（4）复合材料,复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织 结构不同的材料组合而成，包括基本相和增强相。,12,13,复合材料= 增强材料+ 基体 骨胶原质+ 磷灰石 贝壳碳酸钙+基质胶原,13,14,4.2 按材料的性能分类,材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同 结构材料（Structural material）：以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能的材料。 功能材料（Functional material）：具有优良的电 学、磁学、光学、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目的的高技术材料。,14,4.3 材料按服役的领域来分类,信息材料 航空航天材料 能源材料 生物医用材料,15,氮化硅结构陶瓷被 用作航天飞机的防热瓦,B-2隐形轰炸机 除主体结构是钛复合 材料外，其它部分均 由碳纤维和石墨等复 合材料构成,4.4 材料按结晶状态分类,单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅； 多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。 非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。,16,17,五、 纳米材料 三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或 由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 分类：维度、材料的性质、结构、性能,17,17,18,纳米材料的发现是人类从宏观到微观认识层次的一次飞跃,18,19,纳米尺度大小的比较,19,20,5.1 维数,0维： 空间3维尺度均 在纳米尺度 1维：空间有两维处于 纳米尺度 2维：空间中有1维在 纳米尺度 3维：纳米固体，由纳米 微粒组成的体相材料,20,20,21,0维： 指在空间3维尺度均在纳米尺度,21,1985年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了C60团簇，也叫巴基球，C60直径大约是1纳米。,22,1维：指在空间有两维处于纳米尺度 纳米管 纳米线 纳米棒,22,23,2维：指在空间中有1维在纳米尺度,23,粘土,24,3维：纳米块体材料 由纳米微粒组成的体相材料 由大量纳米微粒在保持表（界）面清洁条件 下组成的三维系统，其界面原子所占比例很高 单相微粒组成的纳米相材料； 两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料,24,25,表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应,5.3 纳米材料的基本性质,物理性能,化学性能,表面活性及敏感性 催化性能,25,26,粒度减小比表面积增大 粒度减小表面原子所占比例增大 表面原子比物质内部原子具有更高比表面积和 比表面能 表面原子比物质内部原子具有更高活性和化学反应性,表面原子所占比例增大,表面能增大,【例】纳米材料的表面效应,27,平滑表面,“莲花效应”表面,植物中表面效应,27,27,28,特性： 1) 粒度细 2) 比表面积大 3) 分布均匀 4) 表面活性高,应用广： 高档涂料 新型陶瓷 微电子及信息材料 添加剂,28,5.4 纳米粉体,纳米微粒是指尺度处于1100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称。,28,29,研究内容： 合成与制备技术 性能研究 分级技术 分离 干燥技术 分散技术 表面改性技术 粒子复合技术 测量技术 安全技术 超微粉体与超微技术的应用等,5.5 纳米粉体应用技术的研究内容,制备与使用超微粉体及其相关的技术,29,29,无机合成：研究单质及无机化合物的制备原理、方 法及技术。 组成-结构-性质-工艺,30,第二节 无机合成基础,一、近代无机合成的发展 氟化学、硼氢化物、稀有元素 固体化学：固相反应和固体化合物 无机聚合物：分子结构为无机的聚合物（ 硅酸盐、聚硅 酮、聚合的金属配位化合物 有机金属化合物 ：构成无机化学与有机化学之间交界的研究领域。,31,2.1 极端条件合成 超高压、超高温、超低温、超高真空、激光、等离子、强磁场与电场、微重力合成等,二、 现代无机合成的几个主要方向,2.2 软化学合成 在温和的反应条件以及缓慢的反应进程中以可控制 的步骤，逐步进行化学反应以制备材料。 溶胶-凝胶法 水热法 前驱体法 共沉淀法 离子交换法及插入反应法,2.3 绿色合成 2.4 仿生合成 模仿无机物在有机物调制下形成的机理,合成具有 一定形状的有组织的无机材料。 2.5 特种功能材料的分子设计与合成研究 2.6 计算机辅助合成化学,3.1 合成与制备 合成：促使原子、分子结合而构成材料的化学与 物理过程。 新合成方法、技术 新材料的合成、已有材料的新合成方法 【例】液相沉淀反应：晶核形成、晶核生长,35,三、 合成原理概述,制备：在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和适用效能， 即包括材料的加工、处理、装配和制造。 合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程。,36,3.2 组成与结构 2.1 组成：构成材料物质的原子、分子及其分布 2.2 结构：组成原子、分子在不同层次上彼此结合 的形式、状态和空间分布 原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结 构、表面与晶界结构、缺陷结构等； 在尺度上则包括纳米以下、纳米、微米、毫米及更宏观的 结构层次。,37,1、热力学基础理论 研究热和其它形式能量之间的转换关系以及系统宏 观性质变化之间关系的一门科学。 热力学第一定律：能量守恒与转化定律 热力学第二定律：研究热与功的相互转化,三、热力学基础,38,热力学基本方程,热力学基本方程,麦克斯韦关系式,吉布斯-亥姆霍兹方程,克拉佩龙方程,关系式,热力学关系式的推导证明,应用,热力学第二定律,数学表达式-克劳修斯不等式,熵函数S,亥姆霍兹函数A,吉布斯函数G,文字表述,定义、性质、 计算、应用,表示,应用,热力学第一定律: 可逆过程热力学第二定律: TdS dU pdV +W=0 W=0 dU = TdS pdV,41,2. 热力学基本方程,石墨转化成金刚石,42,利用热力学第一定律研究变化中的能量转换 利用热力学第二定律研究化学变化的方向和限度， 建立化学平衡与相平衡的理论,3、化学热力学的应用,反应的可能性 热力学数据 对于有新物质参加的反应借助一些经验公式作近似计算 化学平衡 反应进行的程度、平衡条件及平衡移动 温度、压力、催化剂、增加某种反应物使反应能够得到更多的生成物。,研究参加反应的各物质的浓度、反应温度、压力及催化剂等因素对化学反应速率的影响。 反应速率和反应时间 反应机理,四、动力学基础,浓度的影响 温度的影响 溶剂的影响 溶剂的作用、溶剂化效应 ,45,范