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1、1,環(huán)境功能材料,environment functional materials,2,課件下載地址,百度網(wǎng)盤(pán) 賬戶: 密碼:wangchuan437 王川主樓329,3,環(huán)境功能材料,本課程中指能夠凈化、治理、修復(fù)環(huán)境的材料,與環(huán)境工程材料的涵義基本相當(dāng),包括環(huán)境凈化材料、環(huán)境治理材料、環(huán)境修復(fù)材料等。 注意與本科課程環(huán)境材料的概念的區(qū)別,4,環(huán)境功能材料用途,化學(xué)污染控制:水、大氣、固廢 物理污染控制:噪聲、輻射、電磁波 環(huán)境修復(fù) : 水、大氣、土壤,5,1馮玉杰環(huán)境功能材料化學(xué)工業(yè)出版社 2華堅(jiān)環(huán)境污染控制工程材料化學(xué)工業(yè)出版社,6,講 授 內(nèi) 容,一、材料學(xué)基
2、礎(chǔ) 二、各種環(huán)境功能材料,7,課程特點(diǎn),針對(duì)某一種環(huán)境功能材料,泛泛概述性的內(nèi)容僅占一小部分,主要目的是幫助同學(xué)回憶基本概念,基本原理。 會(huì)選擇某一類(lèi)中最常用的材料做詳細(xì)介紹,既包含材料在環(huán)境中的應(yīng)用,也包含材料本身的制備過(guò)程等。 重視材料學(xué)基礎(chǔ),從材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)等解釋功能特性。從材料的專(zhuān)業(yè)角度去看待環(huán)境過(guò)程,8,第一章 材料學(xué)基礎(chǔ),一、材料的發(fā)展史及分類(lèi) 二、材料的成分與組織結(jié)構(gòu),9,第一節(jié) 材料的發(fā)展史及分類(lèi),10,一、材料的定義,材料是指人類(lèi)社會(huì)可接受、能經(jīng)濟(jì)地制造有用器件或物品的固體物質(zhì),11,二、材料的發(fā)展史,材料是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的里程碑,12,人類(lèi)使用材料的七個(gè)時(shí)代,1石器
3、時(shí)代:公元前10萬(wàn)年 2青銅器時(shí)代:公元前3000年 3鐵器時(shí)代:公元前1500年 4陶器時(shí)代:公元元年 5鋼時(shí)代:1800年 6硅時(shí)代:1950年 7新材料時(shí)代:1990年,13,1.石器時(shí)代,公元前10萬(wàn)年 舊石器時(shí)代:工具制作粗糙,用途尚未分化 新石器時(shí)代:對(duì)石料進(jìn)行加工,得到不同用途的石器,14,2.青銅器時(shí)代,公元前3000年 出現(xiàn)了添加錫、鉛的銅合金 熔點(diǎn)低,鑄造性能良好 用作武器、生活用具、生產(chǎn)工具等,15,3.鐵器時(shí)代,公元前1500年 高溫下用木炭還原鐵礦石生產(chǎn)鐵 強(qiáng)度較高,可加工性能良好 用作武器和器件,16,4.陶器時(shí)代,粘土制作簡(jiǎn)單的陶器 在公元元年左右,高溫?zé)铺掌鞫?/p>
4、形成瓷器 瓷器由于局部熔化而變得更加致密堅(jiān)硬,克服了陶器多孔與透水的缺點(diǎn),17,5.鋼時(shí)代,1800年左右 鋼:含碳量0.2% - 2.11% 高溫下具有高強(qiáng)度蒸汽機(jī) 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì) 導(dǎo)致了大規(guī)模的機(jī)械化生產(chǎn),引起了第一次產(chǎn)業(yè)革命,即工業(yè)革命,18,6.硅時(shí)代,1950年 愛(ài)迪生效應(yīng)二極管,三極管電子管時(shí)代 硅、鍺半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)晶體管取代電子管進(jìn)入硅時(shí)代 單晶硅生產(chǎn)集成電路微型化,19,7.新材料時(shí)代,1990年 具有一般傳統(tǒng)材料所不可比擬的優(yōu)異性能和特定性能 特征: 由多種材料決定社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展 以人造為特征 為了特定的需要設(shè)計(jì)和加工而成,20,三、材料科學(xué)與工程,21,材料
5、科學(xué),通過(guò)材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解等方面的研究,提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型,以及解釋材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系的科學(xué),22,材料工程,有關(guān)材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝和性能與用途之間有關(guān)知識(shí)和應(yīng)用的科學(xué)。把基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于材料的研制、生產(chǎn)、改性和應(yīng)用,以完成特定的社會(huì)任務(wù),23,材料科學(xué)四要素,1)成分/結(jié)構(gòu)(Composition/Structure):影響其性質(zhì)的直接因素,成分/結(jié)構(gòu),合成/加工,性質(zhì),效能,4)效能(Performance)(使用性能或效果):是指材料在使用條件下的表現(xiàn),包括環(huán)境影響、受力狀態(tài)、材料特征曲線,乃至壽命估計(jì)等,3)性質(zhì)(Properties) (性能):力學(xué)性質(zhì)、物
6、理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì),2)合成/加工(Synthesis/Processing):改變材料的組織結(jié)構(gòu)而影響其性質(zhì),24,四、材料的分類(lèi),1按化學(xué)成分、生產(chǎn)過(guò)程、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)分類(lèi),1)金屬材料:以金屬元素為基礎(chǔ)的材料,優(yōu)良的力學(xué)性能,特別是高強(qiáng)度和高韌性;優(yōu)良的可加工性,a.鐵及鐵基合金 b.非鐵金屬及其合金,25,2)有機(jī)高分子材料,一類(lèi)由一種或幾種分子或分子團(tuán)(結(jié)構(gòu)單元或單體)以共價(jià)鍵結(jié)合成具有多個(gè)重復(fù)單元的大分子材料,特點(diǎn):種類(lèi)多、密度小,比強(qiáng)度大,電絕緣性、耐腐蝕性好、加工容易,可符合多種、特種用途的要求,26,27,3)無(wú)機(jī)非金屬材料,除金屬材料、有機(jī)高分子材料以外的幾乎所有材料,特點(diǎn):
7、耐高溫、高硬度、抗腐蝕,以及優(yōu)良的介電、壓電、光學(xué)、電磁性能及其功能轉(zhuǎn)換特性等,28,4)復(fù)合材料,由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類(lèi)不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的材料,1)按基體可分為金屬基、有機(jī)高分子基、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料 (2)按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料,29,2按使用性能分類(lèi),1)結(jié)構(gòu)材料:以力學(xué)性能為主的材料的統(tǒng)稱(chēng) 2)功能材料:以特殊物理性能或化學(xué)性能為主的材料的統(tǒng)稱(chēng),30,4按物理性質(zhì)分類(lèi),導(dǎo)電材料 半導(dǎo)體材料 絕緣材料 高溫材料,高強(qiáng)度材料 磁性材料 超導(dǎo)材料 透光材料,31,6按用途分類(lèi),電子材料 研磨材料 電工材料 光學(xué)材料,建筑材料 感光材料 耐酸材料 包
8、裝材料,32,第二節(jié) 材料的成分與組織結(jié)構(gòu),33,一、材料的成分與結(jié)構(gòu),材料的成分:指組成材料的元素種類(lèi)及其含量 通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)()或粒子數(shù)分?jǐn)?shù)(x)表示,34,材料的結(jié)構(gòu),指材料中原子(離子或分子等)的排列方式 材料原子、離子和分子間的結(jié)合鍵決定材料的性質(zhì),35,晶體,晶體:由許多質(zhì)點(diǎn)(包括原子、離子或分子)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列而形成的固體,近程有序、遠(yuǎn)程有序,36,非晶體,非晶體:質(zhì)點(diǎn)在三維空間不呈周期性的規(guī)則排列 近程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序,37,晶體與非晶體的區(qū)別,質(zhì)點(diǎn)是否在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列(晶體具有自范性) 晶體熔化時(shí)具有固定的熔點(diǎn),而非晶體無(wú)明顯熔點(diǎn),只存在一
9、個(gè)軟化溫度范圍 晶體具有各向異性,非晶體呈各向同性,38,單晶體與多晶體,單晶體:質(zhì)點(diǎn)按同一取向排列,由一個(gè)核心(晶核)生長(zhǎng)而成的晶體,多晶體:由許多不同位向的小晶體(晶粒)所組成的晶體 各向同性假等向性,39,c,晶體的幾個(gè)定義,1)陣點(diǎn):將構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)(原子、離子、分子)抽象成純粹的幾何點(diǎn)稱(chēng)為陣點(diǎn),2)空間點(diǎn)陣(簡(jiǎn)稱(chēng)為點(diǎn)陣):陣點(diǎn)在空間呈周期性規(guī)則排列,并具有等同的周?chē)h(huán)境的模型,3)晶格:作許多平行的直線把陣點(diǎn)連接起來(lái),構(gòu)成一個(gè)三維的幾何格架稱(chēng)為晶格,4)晶胞:晶格中能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元稱(chēng)為晶胞。通常是在晶格中取一個(gè)最小的平行六面體作為晶胞,5)晶胞參數(shù):晶胞三條棱邊
10、(晶軸)的邊長(zhǎng)a、b、c及晶軸之間的夾角、稱(chēng)為晶胞參數(shù),b,a,40,晶系與布拉菲點(diǎn)陣,根據(jù)晶胞的外形,即晶軸長(zhǎng)度和晶軸夾角將晶體分為七大晶系: 立方、四方、正交、六方、單斜、三斜、三方(菱方) 十四種布拉菲點(diǎn)陣: 立方:簡(jiǎn)單立方,體心立方,面心立方 四方:簡(jiǎn)單四方,體心四方 正交:簡(jiǎn)單正交,底心正交,體心正交,面心正交 六方:簡(jiǎn)單六方 單斜:簡(jiǎn)單單斜,底心單斜 三斜:簡(jiǎn)單三斜 三方(菱方):簡(jiǎn)單三方(菱方,41,三斜:abc 90o,單斜:abc =90o,正交:abc =90o,四方:a=bc =90o,菱方:a=b=c =90o,六方:a=bc =90o,=120o,立方:a=b=c =
11、90o,底心,體心,面心,42,體心立方,簡(jiǎn)單立方,面心立方,三種立方晶體結(jié)構(gòu),43,晶體形成的途徑,熔融態(tài)物質(zhì)凝固 溶質(zhì)從溶液中析出 氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固(凝華,44,晶體的組成,多元晶體:由兩種或更多元素組成 組成方式:固溶體和化合物 固溶體:加盟組元(溶質(zhì))原子占據(jù)基本組元原子晶體中所占位置的一部分或它們之間的某些空隙,而仍保持基本組元(溶劑)的晶體結(jié)構(gòu),化合物:加盟組元與基本組元以一定的比值重新組合形成新的晶體結(jié)構(gòu),45,晶體的缺陷,晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類(lèi)型: 1. 點(diǎn)缺陷:零維缺陷 2. 線缺陷:一維缺陷,位錯(cuò) 3. 面缺陷:二維缺陷,46,點(diǎn)缺陷,指原子應(yīng)占而未占的空位或間隙中不
12、該存在而存在的間隙原子而導(dǎo)致的缺陷。缺陷尺寸很小,僅引起幾個(gè)原子范圍的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的不完整,a)空位,b)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn),c)間隙質(zhì)點(diǎn),47,線缺陷,線缺陷:晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象,刃位錯(cuò),螺位錯(cuò),48,面缺陷,在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷,如晶界、相界等,49,二、材料的組織,在光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到,能反映各組成相形態(tài)、尺寸及分布的圖像,50,三、材料成分和組織結(jié)構(gòu)的檢測(cè),高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM) 掃描電子顯微鏡(SEM) 掃描探針顯微鏡/掃描隧道顯微鏡(SPM/STM) 原子力顯微鏡(AFM) X射線衍射(XRD) 熱重
13、/差熱分析/差示掃描量熱法(TG/DTA/DSC) BET氣體吸附表面積測(cè)量和孔結(jié)構(gòu)分析(BET法,51,高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM,高壓電子束穿過(guò)很薄的樣品,阻止電子通過(guò)的樣品區(qū)域呈現(xiàn)出圖像 分辨率可達(dá)0.1nm,放大倍數(shù)在150萬(wàn)倍以上,52,透射電鏡的成像原理類(lèi)似于醫(yī)學(xué)X光片子,53,透射電子顯微鏡:線粒體,54,大腸桿菌,55,珊瑚沙,56,鐵納米顆粒,57,納米纖維,58,掃描電子顯微鏡(SEM,電子束在試樣表面掃描,用探測(cè)器收集相關(guān)信息,逐點(diǎn)逐行地在顯像管上顯示出來(lái) 分辨可達(dá)0.6nm,59,紅細(xì)胞,60,舌乳頭,61,胃壁腺體,62,63,64,65,66,67,68,掃
14、描隧道顯微鏡(STM,將探針靠近導(dǎo)電樣品表面對(duì)其進(jìn)行掃描, 樣品和探頭之間的隧道電流可連續(xù)監(jiān)測(cè), 獲得其表面圖像。 橫向分辨本領(lǐng)高達(dá)0.10.2nm,而深度分辨率為0.01nm。 可以在超高真空,真空,大氣,液體中無(wú)損傷地直接觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)。直接觀察和移動(dòng)原子,GBinnig和HRohrer于1981年發(fā)明,獲得1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),69,掃描隧道顯微鏡(STM,STM image of oxygen atom lattice on rhodium single crystal; part of study of electrocatalysis. 4nm scan Source: Pu
15、rdue University,70,掃描隧道顯微鏡(STM,STM image showing single-atom defect in iodine adsorbate lattice on platinum. 2.5nm scan,71,原子力顯微鏡(AFM,利用針尖和試樣原子間的相互微弱作用力來(lái)獲得試樣表面的形貌圖像 可用于研究絕緣體,半導(dǎo)體及導(dǎo)體,也可對(duì)DNA分子進(jìn)行切割,72,X射線衍射(XRD,X射線與晶體相遇時(shí)能發(fā)生衍射現(xiàn)象。當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí),原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)有相同數(shù)量級(jí),故由不同原子散射的X射線相互干涉,在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射,衍射線在空間分
16、布的方位和強(qiáng)度,與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān) 通過(guò)晶體的衍射探測(cè)其結(jié)構(gòu),73,1SiO2 2 CaCO3,建筑垃圾的XRD圖譜,74,方沸石及混合物的XRD圖譜,75,熱重/差熱分析(TG/DTA,熱重法(TG):在溫度程序控制下,測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度之間關(guān)系的技術(shù) 差熱分析(DTA):在溫度程序控制下,測(cè)量物質(zhì)的溫度和參比物溫度差和溫度關(guān)系的一種技術(shù),76,熱重曲線(TG,CaCO3的熱重曲線,77,DTA曲線,78,BET氣體吸附表面積測(cè)量和孔結(jié)構(gòu)分析(BET法,Brunauer-Emmett-Teller三人提出多分子層理論的公式簡(jiǎn)稱(chēng)為BET公式 利用壓力和氮?dú)馕搅康年P(guān)系繪圖,就可以通過(guò)氮?dú)獾膯螌?/p>
17、物理吸附計(jì)算出樣品的比表面積,也能測(cè)定孔徑分布,孔容積,79,其它的方法,紅外光譜(IR) 紫外可見(jiàn)光光譜(UVVis) X射線光電子能譜(XPS) 俄歇能譜(AES) 核磁共振(NMR,80,作 業(yè),1.試述環(huán)境學(xué)科與材料學(xué)科之間的關(guān)系。 2.通過(guò)對(duì)材料學(xué)科的認(rèn)識(shí)和了解,你認(rèn)為會(huì)對(duì)你的研究方向帶來(lái)怎樣的啟示,81,END,82,83,84,85,86,問(wèn)題 1,什么叫材料? 人類(lèi)社會(huì)可接受、能經(jīng)濟(jì)地制造有用器件或物品的固體物質(zhì),87,問(wèn)題 2,人類(lèi)使用材料經(jīng)歷了哪七個(gè)時(shí)代? 1石器時(shí)代 2青銅器時(shí)代 3鐵器時(shí)代 4水泥時(shí)代 5鋼時(shí)代 6硅時(shí)代 7新材料時(shí)代,88,問(wèn)題 3,材料科學(xué)四要素是什么,成分/結(jié)構(gòu),合成/加工,性質(zhì),效能,89,問(wèn)題 4,材料按化學(xué)成分、生產(chǎn)過(guò)程、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)分為哪四類(lèi)? 金屬材料 有機(jī)高分子材料 無(wú)機(jī)非金屬材料 復(fù)合材料,90,問(wèn)題 5,材料按照使用性能分為哪兩類(lèi)? 結(jié)構(gòu)材料 功能材料,91,問(wèn)題 6,材料按照結(jié)構(gòu)分為哪三類(lèi)? 晶態(tài)材料 非晶態(tài)材料 準(zhǔn)晶態(tài)材料,92,問(wèn)題 7,什么叫材料的結(jié)構(gòu)? 指材料中原子(離子或分子等)的排列方式,93,問(wèn)題 8,試述晶體與非晶體的區(qū)別。 質(zhì)點(diǎn)是否在三
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