序言及现代无机材料概述

无机材料结构表征技术主讲人：张霞张霞，女，博士，教授。1993年毕业于北京师范大学化学系，获学士学位，保送直接攻读硕士学位。1996年8月硕士毕业后，到东北大学理学院化学系任教师。2004年8月，获得材料物理与化学专业博士学位。从事纳米金属氧化物材料的制备、性能和形成机理的研究。曾作为主要参加人参加了国家自然科学基金，863和973项目研究工作。辽宁省自然科学学术成果奖2次。在《物理化学学报》、《高等学校化学学报》等一级杂志上发表论文16篇。组织了东北大学大学化学实验的改革，积累了丰富的实验经验。曾获校教学成果一等奖1次，二等奖1次，主编了《无机化学实验》（冶金工业出版社，2009年），参编《大学化学》（冶金工业出版社，2005年8月）。承担省级教改立项1项，校级教改立项3项。课程开设目的已经或者正在学习化学分析技术：FT-IRAASGCMS解决化学成分、分子结构分析问题。遇到无机材料，如何确定组成？结构？表面形貌？晶体与非晶体？……………课程教学目的及考核方式。参考书籍1、《纳米材料和纳米结构》，张立德牟季美著，科学出版社。234主要内容现代无机材料概述1形貌分析2界面分析5成分分析4结构分析3粒度分析6热分析7第1章现代无机材料概述金属材料材料家族（组成结构）有机高分子材料无机材料复合材料现代无机材料概述氧化物、氮化物、碳化物及各种无机非金属化合物为原料，经特殊的先进工艺制备而成的、具有一系列优异性能的新材料。

先进陶瓷无机纳米特种玻璃人工晶体现代无机材料概述先进陶瓷各种结构部件耐高温耐腐蚀耐磨损1结构陶瓷2功能陶瓷品种多产量大功能全应用广民用为主3生物陶瓷人造骨人造关节固定酶载体催化剂现代无机材料概述结构陶瓷1.氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性①高熔点；②高硬度；③可制成透明陶瓷；④无毒、不溶于水，强度高；⑤对人体有较好的适应性

主要用途高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等现代无机材料概述结构陶瓷Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件现代无机材料概述结构陶瓷氧化铝陶瓷坩埚氧化铝热电偶套管现代无机材料概述结构陶瓷2.氮化硅陶瓷主要特性①超硬度，耐磨损；②抗腐蚀，高温时也抗氧化；③抗冷热冲击而不碎裂；④耐高温且不易传热；⑤本身具有润滑性

主要用途制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等现代无机材料概述结构陶瓷陶瓷轴承现代无机材料概述结构陶瓷3.碳化硅陶瓷主要特性高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。

主要用途用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。现代无机材料概述结构陶瓷SiC轴承

碳化硅陶瓷坩埚

现代无机材料概述功能陶瓷透明陶瓷现代无机材料概述功能陶瓷现代无机材料概述结构陶瓷

高压钠灯内温度高达1400℃，氧化铝陶瓷又叫人造刚玉，是一种高温结构陶瓷，可以抵御钠蒸汽的强烈腐蚀性。现代无机材料概述功能陶瓷1986年，设在瑞士苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧－钡－铜－氧）具有35K的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。超导陶瓷现代无机材料概述功能陶瓷超导陶瓷1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。超导电流沿底部的铜氧黄色平面流动。现代无机材料概述功能陶瓷压电效应：晶体偶极矩的变化带来晶体表面电荷的改变。可逆变化。钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。钛酸钡压电陶瓷现代无机材料概述功能陶瓷锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。

锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）现代无机材料概述功能陶瓷现代无机材料概述生物陶瓷人造骨骼材料现代无机材料概述生物陶瓷人造关节现代无机材料概述特种玻璃新型玻璃：采用精致、高纯或新型原料，或采用新工艺在特殊条件下，形成的具有特殊性能和功能的玻璃或无机非晶态材料。氧化物名称所起作用增加降低二氧化硅熔融温度、化学稳定性、热稳定性、机械强度密度、热膨胀系数氧化钠热膨胀系数化学稳定性、耐热性、熔融温度、析晶倾向、退火温度、韧性氧化钙硬度、机械强度、化学稳定性、析晶倾向、退火温度耐火性三氧化二铝熔融温度、化学稳定性、机械强度析晶倾向氧化镁耐热性、化学稳定性、机械强度、退火温度析晶倾向、韧性现代无机材料概述光导纤维特种玻璃现代无机材料概述特种玻璃光在光纤中的传输原理阶跃型光学纤维梯度型光学纤维光信号在光线中反复进行全反射，以最小衰减，实现远程传输。现代无机材料概述特种玻璃表2光学纤维的分类芯包层制法阶跃型石英系SiO2SiO2+B2O3

SiO2+GeO2SiO2CVD+熔融大火焰熔融多组分钠钙硼钠钙硼硅体系硅酸盐酸盐棒管法、单坩埚法、双坩埚法梯度型石英系SiO2+GeO2

SiO2+B2O3CVD+熔融多组分Tl2O+Na2O+PbO+SiO2

Tl2O+Na2O+B2O3+SiO2离子交换

Li2O+Al2O3+SiO2

Li2O+CaO+SiO2

现代无机材料概述特种玻璃现代通信用光缆现代无机材料概述特种玻璃光纤光缆

普通电缆

信息量大，信息量大，每根光缆上理论上可同时通过10亿路电话

8管同轴电缆每条通话1800路

原料来源广（石英玻璃），节约有色金属

资源较少

质量小，每km27g，不怕腐蚀，铺设方便

每km1.6t成本低，每km10000元左右

普通光缆每km200000元左右

性能好，抗电磁干扰保密性强

，能防窃听，不发生电辐射

现代无机材料概述特种玻璃光学纤维胃镜现代无机材料概述特种玻璃光导纤维手术头灯现代无机材料概述新型中红外透过玻璃：

特种玻璃军事侦察，制导系统，卫星遥感，资源探测等对3000cm-1中红外线透过率80%，高强度。现代无机材料概述特种玻璃隐形玻璃：玻璃经过加工处理，将反射影像移到人的视野以外，或者不反射的制品称为隐形玻璃。将玻璃弯曲成适当的曲面，或者利用镀膜的方法镀以多层干涉膜，达到无反射的程度，使人觉察不到玻璃的存在。现代无机材料概述特种玻璃隐形玻璃：现代无机材料概述特种玻璃微晶玻璃：加入一定的晶核剂（不加也可），经一定的温度制度和温度分布使玻璃成品过程中产生微晶体。微晶玻璃机械强度高，高化学稳定性，质地细密，不透气，不吸水，耐热性好，低导电率，低膨胀率、具有机械加工性。现代无机材料概述特种玻璃微晶大理石：将玻璃粉末烧结成整体，然后再加热成流体，之后析晶生长，制成。具有和大理石一样的装饰效果，性能优于大理石，可铺设地面，可加工。现代无机材料概述人工晶体人造水晶现代无机材料概述人工晶体人造宝石的种类宝石类型颜色着色剂刚玉系合成宝石红宝石红色Cr2O32~3%蓝宝石蓝色TiO20.5%,Fe2O31.5%黄宝石黄色NiO0.5~1%白宝石无色/紫宝石紫色TiO20.5%,Fe2O31.5%,Cr2O30.1%尖晶石系宝石绿宝石浅绿色CoO0.05~0.1%,MnO0.5~1%海蓝宝石海水色CoO0.5~1%金红石系宝石金红石深蓝色/金红石橘红色Cr2O30.5%现代无机材料概述人工晶体装饰品，精密机械工业，电器仪表等现代无机材料概述无机纳米

纳米（nm）如同厘米、分米和米一样，是度量长度的单位，具体地说，一纳米等于十亿分之一米，20纳米相当于1根头发丝的三千分之一。将一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。纳米到底是什么我们把度量单位按大小排列如下：

米→厘米→毫米→微米→纳米

1米=1000个毫米，1毫米=1000个微米，1微米=1000个纳米。

纳米约4倍原子大小，万分之一头发粗细。现代无机材料概述无机纳米根据具有纳米尺度的维数，可以将纳米材料划分为：

(1)零维(原子团簇和超微粒子)；

(2)一维(纳米管、线)；

(3)二维(纳米薄膜、多层膜)；

(4)三维块体材料(由原子团簇及超微粒子组成)．广义的纳米材料则主要包括：

(1)纳米晶体和纳米玻璃材料；

(2)金属，半导体，或聚合物纳米管和纳米薄膜；

(3)金属键，共价键或分子组元构成的纳米复合材料；

(4)人造超晶格和量子阱结构；

(5)半结晶聚合物和聚合物混合物。现代无机材料概述无机纳米当微粒小于100nm时，物质的很多性能将发生质变，从而呈现不同于宏观物质的奇异现象：

(1)低熔点、高比热容、高膨胀系数；

(2)高反应活性、高扩散率；

(3)高强度、高韧性；

(4)奇特磁性；

(5)极强的吸波性。纳米材料的性能：例如：纳米相陶瓷是摔不碎的，且具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点；纳米相铜的强度比普通铜高5倍。现代无机材料概述无机纳米纳米材料应用举例：含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果。汽车尾气的处理：加入纳米级的复合稀土氧化物后，对尾气的净化特别明显，尾气中的CO、NOx几乎完全转化。现代无机材料概述无机纳米特种半导体纳米材料使海水淡化；纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛纺染整废水，降解石油……现代无机材料概述无机纳米纽约大学制造的纳米机器人，是几百个原子、分子组成的颗粒，尺寸只有几十个纳米，表面活性很大，可进入血管中，清除过多的脂质和有害物质，激发血细胞的活性，完成医生不能完成的血管修补等工作。科学家还制备出了由78个原于构成的分子马达，可用作生物导弹和纳米机器人的驱动器。

现代无机材料概述无机纳米碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶”。研究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。据预测，到2010年，就可以生产出氢气汽车，只需携带1.5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km。现代无机材料概述无机纳米因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的10—100倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。现代无机材料概述无机纳米吸波：纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。现代无机材料概述无机纳米纳米药物：

比如说中药的有效成分中有很多是能够治疗心脑血管疾病的，像亚麻酸、亚油酸。如果我们把这种东西纳米化之后，来清理我们的血管，就有可能做到。

因为它的物理活性也就是它的表面积，尺度下降了三个数量级，它的物理活性表面积就提高了六个数量级，六个数量级就是一百万倍，也就是说它的物理活性提高了这么多，其疗效就会提高一百万倍。本来要吃进去一吨的中药汤，这时候只需要把中药汤提炼成一克，注射到血液当中去，就可以了。这不是神话。现代无机材料概述无机纳米量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。根据Kubo公式计算Ag微粒在1K时出现量子尺寸效应的临界粒径da，纳米粒子基本理论：现代无机材料概述无机纳米根据：Ag的电子数密度n1＝6×1022cm-3得到：（K·cm3）当T＝1K，能级最小间距带入上式，得出：d＝20nm现代无机材料概述无机纳米小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。现