材料制備與合成(1)

1、材料制備與合成材料制備與合成 Preparation and Synthesis of Materials 材料科學與工程學院材料科學與工程學院 孫玉恒孫玉恒 2 第一章第一章 緒論緒論 3 什么是材料？其重要意義是什么？什么是材料？其重要意義是什么？ 世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，材料就是人們用來制成各種材料就是人們用來制成各種 機器、器件、結(jié)構(gòu)等具有某種特性的物質(zhì)實體機器、器件、結(jié)構(gòu)等具有某種特性的物質(zhì)實體。 材料是人類社會生活的物質(zhì)基礎，材料的發(fā)展引起材料是人類社會生活的物質(zhì)基礎，材料的發(fā)展引起 時代的變遷，推動人類文明和社會進步。時代的變遷，推動人類文明和社會進步。 在知識經(jīng)

2、濟新時代，在知識經(jīng)濟新時代，材料材料與與能源能源和和信息信息并列為現(xiàn)代并列為現(xiàn)代 科學技術的三大支柱，其作用和意義尤為重要?？茖W技術的三大支柱，其作用和意義尤為重要。 在人類社會的發(fā)展和進步過程中，材料在人類社會的發(fā)展和進步過程中，材料是一個帶有是一個帶有 時代和文明標志的基礎。時代和文明標志的基礎。 4 天然材料天然材料 陶瓷陶瓷 青銅青銅 鐵鐵 鋼鋼 有色金屬有色金屬 高分子材料高分子材料 復合材料復合材料 材料發(fā)展的歷史演進材料發(fā)展的歷史演進 5 （1 1）天然材料）天然材料 自然界當中大量存在，人類可以直接從自然中自然界當中大量存在，人類可以直接從自然中 獲取。獲取。 經(jīng)過簡單的加工就

3、可以為人類所利用。經(jīng)過簡單的加工就可以為人類所利用。 包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。 竹筷 骨針 石制品皮毛制品 6 典型典型的天然材料的天然材料石器石器 大約大約25000年前，人類就學會使用材料。年前，人類就學會使用材料。 人類只能利用巖石、樹木、獸皮、骨骼等天然材料人類只能利用巖石、樹木、獸皮、骨骼等天然材料 并進行粗糙加工，除此之外別無他物。并進行粗糙加工，除此之外別無他物。 從挖掘的人類當年所使用的各種用途的鋒利石片，從挖掘的人類當年所使用的各種用途的鋒利石片， 可想象人類遠祖的艱苦和聰明?？上胂笕祟愡h祖的艱苦和聰明。 石刀石刀石斧石斧石

4、針石針 7 據(jù)考古學家分析，距今約一萬年前就有陶器出現(xiàn)，據(jù)考古學家分析，距今約一萬年前就有陶器出現(xiàn)， 人們?nèi)藗冇谜惩粱蛞哉惩?、長石、石英為主的混合物，用粘土或以粘土、長石、石英為主的混合物， 經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度低于經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度低于1200），），得得 到堅硬的陶器。到堅硬的陶器。 陶是人類創(chuàng)造的第一種陶是人類創(chuàng)造的第一種“人造材料人造材料”，由于高溫燒，由于高溫燒 制產(chǎn)生物理化學變化，得到和粘土不一樣的新物質(zhì)制產(chǎn)生物理化學變化，得到和粘土不一樣的新物質(zhì) 。 黑陶豆黑陶豆 (公元前公元前3000一前一前2800年年) 陶體的黑色是因為煙熏滲入了碳陶體的黑色是因為煙熏滲入

5、了碳 （2）陶器（無機非金屬材料）陶器（無機非金屬材料） 8 我國陶器大我國陶器大 約出現(xiàn)在約出現(xiàn)在8000 年前，具有悠年前，具有悠 久的歷史。久的歷史。 半坡村出土半坡村出土 的碗、缽、釜、的碗、缽、釜、 罐、瓶等，甚罐、瓶等，甚 至還有吹氣能至還有吹氣能 發(fā)聲的陶塤。發(fā)聲的陶塤。 半坡變體鳥紋盆半坡變體鳥紋盆 半坡小口尖底瓶半坡小口尖底瓶 半坡陶盆半坡陶盆 陶塤陶塤 9 商 陶酒尊 陶的出現(xiàn)，陶的出現(xiàn)，人類可吃煮熟的谷物，喝煮開的水，可人類可吃煮熟的谷物，喝煮開的水，可 長時間儲存食物長時間儲存食物，促進人類進化促進人類進化。 陶器也是最初的耐火材料，陶器也是最初的耐火材料，為以后的銅、

6、鐵冶煉提為以后的銅、鐵冶煉提 供物質(zhì)條件供物質(zhì)條件。 唐三彩馬唐三彩馬 方韻紫砂壺方韻紫砂壺 10 陶器的不足是不致密、易滲陶器的不足是不致密、易滲 漏、強度也不高。漏、強度也不高。 3000多年前多年前的殷、周時期發(fā)的殷、周時期發(fā) 明了釉瓷。明了釉瓷。 爐窯溫度達到爐窯溫度達到1200，能能將將 金屬氧化物燒制成釉瓷，用金屬氧化物燒制成釉瓷，用 途更為廣泛，質(zhì)地比陶更為途更為廣泛，質(zhì)地比陶更為 細膩、外觀美觀。細膩、外觀美觀。 陶向瓷的過渡陶向瓷的過渡 商朝釉瓷商朝釉瓷 11 什么是瓷器？ 瓷土與陶土相比，瓷土與陶土相比，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO等助熔劑物等助熔劑物 質(zhì)明顯減少，質(zhì)明顯減少

7、，SiO2含量也降至含量也降至70以下，以下，Al2O3含量含量 顯著增加顯著增加。 瓷器制造工藝水平有很大改進，瓷器制造工藝水平有很大改進，燒結(jié)溫度提高到燒結(jié)溫度提高到 1200以上以上，反映人類改造自然能力的增強。，反映人類改造自然能力的增強。 釉釉是用礦物是用礦物(長石、方解石、石英等長石、方解石、石英等)和顏料按一定和顏料按一定 比例配制，高溫下釉料被熔融并均勻地覆蓋在瓷器比例配制，高溫下釉料被熔融并均勻地覆蓋在瓷器 表面，冷卻后質(zhì)地堅硬、光滑、不粘污，并可調(diào)配表面，冷卻后質(zhì)地堅硬、光滑、不粘污，并可調(diào)配 成各種顏色。成各種顏色。 12 江西景德鎮(zhèn)的江西景德鎮(zhèn)的薄胎瓷器薄胎瓷器被贊為潔

8、如玉、明如鏡被贊為潔如玉、明如鏡 、薄如紙、聲如磐。、薄如紙、聲如磐。 瓷器作為中華文明象征，大量流傳。瓷器作為中華文明象征，大量流傳。9世紀世紀傳傳 至阿拉伯國家，至阿拉伯國家，13世紀世紀傳到日本，傳到日本，15世紀世紀傳到傳到 歐洲，歐洲，以其以其福美絕倫征服西方。福美絕倫征服西方。 輝煌的瓷器之國 景德鎮(zhèn)四大名瓷景德鎮(zhèn)四大名瓷 青花、玲瓏、顏色釉、粉彩青花、玲瓏、顏色釉、粉彩 13 （3）青）青 銅銅 我國我國青銅青銅的冶煉在的冶煉在公元前公元前2140-1711年開始，目前年開始，目前 考察已可追溯到公元前考察已可追溯到公元前3600年。年。 晚于晚于埃及和西亞民族埃及和西亞民族（伊

9、朗、伊拉克）。（伊朗、伊拉克）。 發(fā)展快、水平高。發(fā)展快、水平高。 到殷、西周時期已經(jīng)發(fā)展到較高水平。到殷、西周時期已經(jīng)發(fā)展到較高水平。 青銅即銅錫合金，青銅即銅錫合金， 其冶煉溫度較低，制作其冶煉溫度較低，制作 器具的成型性好，是人器具的成型性好，是人 類最早大規(guī)模利用的金類最早大規(guī)模利用的金 屬材料。屬材料。 蘇美爾文明中的青銅塑像，出蘇美爾文明中的青銅塑像，出 現(xiàn)年代現(xiàn)年代-公元前公元前4000年年 14 銅爵銅爵高高30.5厘米、口徑厘米、口徑 17-18厘米，距今厘米，距今3600年年 河南堰師二里頭文化河南堰師二里頭文化 青銅錛青銅錛越絕書越絕書載：禹載：禹 穴之時，以銅為兵，以鑿

10、伊穴之時，以銅為兵，以鑿伊 闕，通龍門，東注入海闕，通龍門，東注入海 牛首獸面紋鼎牛首獸面紋鼎西周，器形西周，器形 端莊，文飾在商代基礎上進端莊，文飾在商代基礎上進 一步發(fā)展，是今已知我國最一步發(fā)展，是今已知我國最 大青銅器之一，大青銅器之一， 15 四羊紋銅尊四羊紋銅尊 商商 青銅器的最大歷史貢獻在于社會秩序的建立青銅器的最大歷史貢獻在于社會秩序的建立。 西周中晚期有嚴格的列鼎制度，用形狀花紋相同而大西周中晚期有嚴格的列鼎制度，用形狀花紋相同而大 小依次遞減的奇數(shù)組鼎來小依次遞減的奇數(shù)組鼎來代表貴族身份代表貴族身份。 春秋公羊傳春秋公羊傳記載：天子用記載：天子用9鼎，諸侯用鼎，諸侯用7鼎，卿

11、大鼎，卿大 夫用夫用5鼎，士用鼎，士用3鼎或鼎或1鼎。鼎。 人類文明第一次將人與工具二者的意義聯(lián)系起來人類文明第一次將人與工具二者的意義聯(lián)系起來。 青銅禮器青銅禮器 鼎鼎 周周 16 （4 4）鐵器）鐵器 鐵是地球上儲量居于第三的元素（前兩位為鐵是地球上儲量居于第三的元素（前兩位為 硅、鋁），來源于大型恒星的聚變。硅、鋁），來源于大型恒星的聚變。 中國同埃及、美索不達米亞等古國一樣，對中國同埃及、美索不達米亞等古國一樣，對 鐵的認識都是從鐵的認識都是從隕鐵隕鐵開始的。開始的。 隕鐵隕鐵 世界最早的鐵器世界最早的鐵器 赫梯鐵器赫梯鐵器 17 鐵器的廣泛使用，使人類的工具制造進入了一個全鐵器的廣泛

12、使用，使人類的工具制造進入了一個全 新的領域，生產(chǎn)力得到極大的提高。新的領域，生產(chǎn)力得到極大的提高。 鐵器使一些民族從原始社會發(fā)展到奴隸社會，也推鐵器使一些民族從原始社會發(fā)展到奴隸社會，也推 動一些民族脫離奴隸制的枷鎖而進入封建社會。動一些民族脫離奴隸制的枷鎖而進入封建社會。 戰(zhàn)國初期，中農(nóng)食五人；戰(zhàn)國晚期，中農(nóng)食七人；戰(zhàn)國初期，中農(nóng)食五人；戰(zhàn)國晚期，中農(nóng)食七人； 人口：夏朝人口：夏朝-1355萬，西漢萬，西漢-5959萬萬 糧食畝產(chǎn)：戰(zhàn)國糧食畝產(chǎn)：戰(zhàn)國-85斤，西漢斤，西漢-120斤，斤， 糧食年產(chǎn)：以人均口糧糧食年產(chǎn)：以人均口糧500斤計算，西漢糧食年產(chǎn)量達到斤計算，西漢糧食年產(chǎn)量達到 3

13、00億斤。億斤。 強漢盛唐強漢盛唐堅實的農(nóng)業(yè)基礎，很大程度依靠鐵制農(nóng)具和堅實的農(nóng)業(yè)基礎，很大程度依靠鐵制農(nóng)具和 工具的推廣使用。工具的推廣使用。 18 （5）鋼）鋼 含碳量在含碳量在0.0218%-2.11%之間的鐵碳合金稱之間的鐵碳合金稱 為鋼，強度較高，用途更廣。為鋼，強度較高，用途更廣。 距今距今1800年前出現(xiàn)年前出現(xiàn)兩步煉鋼兩步煉鋼技術，即先煉成技術，即先煉成 鐵，再煉成鋼，并一直沿用至今。但其工藝鐵，再煉成鋼，并一直沿用至今。但其工藝 復雜，未能大面積推廣。一直到復雜，未能大面積推廣。一直到19世紀前半世紀前半 期，人類始終生活在期，人類始終生活在“鐵器時代鐵器時代”。 19 我國

14、古代最早煉鋼法可追溯到我國古代最早煉鋼法可追溯到春秋戰(zhàn)國時期春秋戰(zhàn)國時期，以海，以海 綿狀塊煉鐵為原料再經(jīng)加熱滲碳，碳由表及里滲入綿狀塊煉鐵為原料再經(jīng)加熱滲碳，碳由表及里滲入 ，然后反復進行鍛打，形成，然后反復進行鍛打，形成滲碳鋼滲碳鋼。 這種方法不要特殊設備，也不要復雜的技術，易于這種方法不要特殊設備，也不要復雜的技術，易于 實現(xiàn)，成為中國最早的煉鋼方法。實現(xiàn)，成為中國最早的煉鋼方法。 河北易縣燕下都出土的一些滲碳鋼器物，如劍、戟河北易縣燕下都出土的一些滲碳鋼器物，如劍、戟 、矛等，經(jīng)檢驗均為含碳量不同的鋼制成。、矛等，經(jīng)檢驗均為含碳量不同的鋼制成。 燕下都遺址，今保定市燕下都遺址，今保定市

15、 易縣城東南易縣城東南 20 兩漢是中國古代煉鋼技術的大發(fā)展時期，如生鐵脫兩漢是中國古代煉鋼技術的大發(fā)展時期，如生鐵脫 碳鋼、炒鋼、碳鋼、炒鋼、百煉鋼百煉鋼等都是在這個時期發(fā)展的。等都是在這個時期發(fā)展的。 “何意百煉剛，化為繞指柔何意百煉剛，化為繞指柔”(晉劉琨詩，慷慨激晉劉琨詩，慷慨激 昂的韻調(diào)中透出無限凄涼的意緒，將英雄失落的百昂的韻調(diào)中透出無限凄涼的意緒，將英雄失落的百 端感慨表達得感人至深端感慨表達得感人至深) 漢軍主戰(zhàn)兵器漢軍主戰(zhàn)兵器-環(huán)首長刀（環(huán)首長刀（百煉鋼打制）百煉鋼打制） 21 現(xiàn)代煉鋼起始于現(xiàn)代煉鋼起始于1856年英國人年英國人HBessemer發(fā)明的發(fā)明的 底吹酸性轉(zhuǎn)爐底

16、吹酸性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，該法首次解決大規(guī)模生產(chǎn)液煉鋼法，該法首次解決大規(guī)模生產(chǎn)液 態(tài)鋼的問題，奠定近代煉鋼工藝方法的基礎。態(tài)鋼的問題，奠定近代煉鋼工藝方法的基礎。 由于空氣與鐵水直接作用，由于空氣與鐵水直接作用，Bessemer法具有很快法具有很快 的冶煉速度，成為當時主要的煉鋼方法。的冶煉速度，成為當時主要的煉鋼方法。 HBessemer 貝塞麥在舍菲爾德開辦的煉鋼廠貝塞麥在舍菲爾德開辦的煉鋼廠 22 艾菲爾鐵塔艾菲爾鐵塔 鋼的應用鋼的應用 建筑建筑 設備設備 不銹鋼容器不銹鋼容器 23 （6 6）有色金屬）有色金屬 近代以來，人們除了發(fā)展鋼鐵材料以外，還進一步近代以來，人們除了發(fā)展鋼鐵材料以外，

17、還進一步 發(fā)展了金、銀、銅、鈦、鋁、鎂、鉬等有色金屬及發(fā)展了金、銀、銅、鈦、鋁、鎂、鉬等有色金屬及 其合金材料。全世界每年金屬材料總產(chǎn)量約達八億其合金材料。全世界每年金屬材料總產(chǎn)量約達八億 噸，其中黑色金屬約占噸，其中黑色金屬約占95，有色金屬只占，有色金屬只占5。 有色金屬資源的開發(fā)和利用，不只是對鋼鐵材料的有色金屬資源的開發(fā)和利用，不只是對鋼鐵材料的 補充，更重要的是可發(fā)揮和開發(fā)鋼鐵材料不具備的補充，更重要的是可發(fā)揮和開發(fā)鋼鐵材料不具備的 各種特殊性能。各種特殊性能。 在特定領域中，還必須采用有色金屬才能最大限度在特定領域中，還必須采用有色金屬才能最大限度 滿足現(xiàn)代科學技術對各種材科性能所

18、提出的要求。滿足現(xiàn)代科學技術對各種材科性能所提出的要求。 24 鋁合金車體 鋁合金材料 鋁合金航空材料鋁合金輪轂 25 銅襯電路板稀土NdFeB永磁合金 鋯殼核燃料管 鎂合金發(fā)動機部件 26 （7) 高分子材料高分子材料 從人類文明出現(xiàn)以來，高分子材料就一直陪伴著人們。從人類文明出現(xiàn)以來，高分子材料就一直陪伴著人們。 天然高分子，如絲、皮、毛等從遠古開始就被人們發(fā)現(xiàn)天然高分子，如絲、皮、毛等從遠古開始就被人們發(fā)現(xiàn) 并利用。人們不斷改進加工技術，將木、棉、麻、絲、皮、并利用。人們不斷改進加工技術，將木、棉、麻、絲、皮、 毛等用于建筑、工具、用品、紡織、造紙、制衣制革、防毛等用于建筑、工具、用品、

19、紡織、造紙、制衣制革、防 寒制品；寒制品； 把植物體內(nèi)的把植物體內(nèi)的“樹脂樹脂”( (樹流出的油脂樹流出的油脂) )用于涂料、粘合用于涂料、粘合 劑、藥物和溶劑等。劑、藥物和溶劑等。 天然橡膠絲綢 波音波音787是世界上首款主體結(jié)構(gòu)采用是世界上首款主體結(jié)構(gòu)采用 碳纖維復合材料制造的大型客機碳纖維復合材料制造的大型客機 奔馳奔馳SLR跑車車身由碳纖維復合材跑車車身由碳纖維復合材 料制成，車速可達料制成，車速可達334公里公里/小時小時 PTFE材料材料尼龍產(chǎn)品尼龍產(chǎn)品 27 28 高分子材料發(fā)展之迅速，對人類生活各領域影響之高分子材料發(fā)展之迅速，對人類生活各領域影響之 深入和廣泛在當前各高新技術

20、中發(fā)揮作用之重大深入和廣泛在當前各高新技術中發(fā)揮作用之重大 ，是一般傳統(tǒng)材料難以比擬的是一般傳統(tǒng)材料難以比擬的。 沒有高分子材料，探測宇宙的空間飛船、高密度存沒有高分子材料，探測宇宙的空間飛船、高密度存 儲光盤、飛機跨越太平洋的不停站飛行、飛行器的儲光盤、飛機跨越太平洋的不停站飛行、飛行器的 紅外隱身，都只能是停留在腦子里的幻想。紅外隱身，都只能是停留在腦子里的幻想。 可以預言，在人類面臨能源和資源挑戰(zhàn)的可以預言，在人類面臨能源和資源挑戰(zhàn)的21世紀，世紀， 高分子材料將為人類社會做出更大的貢獻高分子材料將為人類社會做出更大的貢獻。 29 復合材料復合材料 20世紀人類進入新材料時代，衣、食、住

21、、行以及世紀人類進入新材料時代，衣、食、住、行以及 科學技術的發(fā)展都離不開新材料，同時出現(xiàn)了各種科學技術的發(fā)展都離不開新材料，同時出現(xiàn)了各種 材料的復合技術。材料的復合技術。 金屬與無機材料的復合金屬與無機材料的復合 金屬與高分子材料的復合金屬與高分子材料的復合 無機材料與高分子材料的復合無機材料與高分子材料的復合 金屬金屬/高分子復合材高分子復合材 料料-粘結(jié)粘結(jié)NdFeB磁體磁體 金屬金屬/無機復合材料無機復合材料- 景泰藍景泰藍 高分子高分子/無機復合材無機復合材 料料-絕緣板材絕緣板材 30 材料的分類： 按材料組成 和結(jié)構(gòu)特點 分類； 按材料的使 用性能分類； 按材料的用 途分類；

22、31 材料是人類一切生產(chǎn)和生活活動的材料是人類一切生產(chǎn)和生活活動的物質(zhì)基礎物質(zhì)基礎，歷，歷 來是來是生產(chǎn)力的標志生產(chǎn)力的標志，人類社會進步的，人類社會進步的里程碑里程碑。 人類文明的發(fā)展史就是一部利用材料、制造材人類文明的發(fā)展史就是一部利用材料、制造材 料和創(chuàng)造材料的歷史。料和創(chuàng)造材料的歷史。 對材料認識和利用的能力，決定社會形態(tài)和人類對材料認識和利用的能力，決定社會形態(tài)和人類 生活質(zhì)量生活質(zhì)量，所以人類從沒中斷過追求，所以人類從沒中斷過追求更好的材料更好的材料 ，讓材料具有，讓材料具有更優(yōu)異的性能更優(yōu)異的性能來滿足人類社會發(fā)展來滿足人類社會發(fā)展 中層出不窮的新需要和追求。中層出不窮的新需要和

23、追求。 32 制備與合成過程 使用性能 性質(zhì) 組 成 與 結(jié) 構(gòu) （化學） （工程） （物理學） 材料的組成材料的組成-結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-性質(zhì)性質(zhì)-工藝過程關系示意圖工藝過程關系示意圖 33 材料材料 固體物理、無機 化學、有機化學、 物理化學等 用于制造各種 結(jié)構(gòu)和功能器 件或物品 一切材料形成的 基礎和保障； 推動新材料發(fā)展 和創(chuàng)新的動力 34 材料制備與合成材料制備與合成: 指采用合理方法和手段獲得材料的指采用合理方法和手段獲得材料的 過程，二者在定義上存在一定差別過程，二者在定義上存在一定差別 。 材料合成材料合成：指促使原子分子結(jié)合而成材料的化學和指促使原子分子結(jié)合而成材料的化學和 物理過程

24、物理過程; ; 材料制備材料制備：指研究如何控制原子與分子使之構(gòu)成指研究如何控制原子與分子使之構(gòu)成有有 用的材料用的材料，這一點與材料合成的概念相同。但是材，這一點與材料合成的概念相同。但是材 料制備還包括在更為宏觀的尺度上或者以更大的規(guī)料制備還包括在更為宏觀的尺度上或者以更大的規(guī) 模?？刂撇牧系慕Y(jié)構(gòu)控制材料的結(jié)構(gòu)，使之具備所需的性能和使用效，使之具備所需的性能和使用效 能，即包括能，即包括材料的加工、處理、裝備和制造材料的加工、處理、裝備和制造。 35 材料制備與合成就是建立原子、分子的新材料制備與合成就是建立原子、分子的新 排列，從微觀到宏觀尺度對結(jié)構(gòu)予以控制，從而排列，從微觀到宏觀尺度對

25、結(jié)構(gòu)予以控制，從而 制造材料和零件的過程。制造材料和零件的過程。 u 研究材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關系、探索材料制研究材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關系、探索材料制 備與合成反應原理、熟練應用新型制備工藝制造新備與合成反應原理、熟練應用新型制備工藝制造新 材料是材料是“材料制備與合成材料制備與合成”學科的目的。學科的目的。 36 綠色化綠色化 低成本化低成本化 低維化低維化 功能化功能化 復合化復合化 高性能化高性能化 2121世紀材料世紀材料 制備技術制備技術 設計模擬、預測性設計模擬、預測性 能、控制形態(tài)結(jié)構(gòu)能、控制形態(tài)結(jié)構(gòu) 復合材料復合材料 各種形態(tài)各種形態(tài) 的功能材的功能材 料料 納米材料納米材料

26、納米線、管納米線、管 薄膜薄膜 減少資源浪費減少資源浪費 環(huán)保環(huán)保 減少環(huán)境污染減少環(huán)境污染 37 u超導材料、納米材料、特殊功能材料等的不斷出現(xiàn)都是超導材料、納米材料、特殊功能材料等的不斷出現(xiàn)都是 材料制備與合成工藝發(fā)展的杰出成果，材料制備工藝的突材料制備與合成工藝發(fā)展的杰出成果，材料制備工藝的突 破與新材料的出現(xiàn)是推動材料學科以及相鄰學科發(fā)展的主破與新材料的出現(xiàn)是推動材料學科以及相鄰學科發(fā)展的主 要動力；要動力； u國家中長期科學和技術和發(fā)展規(guī)劃納要國家中長期科學和技術和發(fā)展規(guī)劃納要中也已將材中也已將材 料設計與制備的新原理與新方法列入面向國家重大戰(zhàn)略需料設計與制備的新原理與新方法列入面向

27、國家重大戰(zhàn)略需 求的基礎研究；求的基礎研究； u 目前隨著材料制備與合成工藝的發(fā)展和進步，國際上幾目前隨著材料制備與合成工藝的發(fā)展和進步，國際上幾 乎每天都有數(shù)十萬種的新化合物和新物相被制備與合成出乎每天都有數(shù)十萬種的新化合物和新物相被制備與合成出 來，而且仍將繼續(xù)下去。來，而且仍將繼續(xù)下去。 38 教學安排教學安排 教材：教材： 張以河主編，化學工業(yè)出版社張以河主編，化學工業(yè)出版社材料制備化學材料制備化學 第一章第一章 緒論緒論 第二章第二章 零維（球狀）納米材料的制備零維（球狀）納米材料的制備 第三章第三章 一維、二維納米材料的制備一維、二維納米材料的制備 39 第四章第四章 超分子材料的

28、制備超分子材料的制備 第五章第五章 碳材料的制備碳材料的制備 第六章第六章 稀土發(fā)光材料的制備稀土發(fā)光材料的制備 第七章第七章 非線性光學晶體材料的制備非線性光學晶體材料的制備 第八章第八章 無機無機/無機復合材料的制備無機復合材料的制備 第九章第九章 無機無機/有機復合材料的制備有機復合材料的制備 第十章第十章 工業(yè)固體廢物綜合利用綠色制備化學工業(yè)固體廢物綜合利用綠色制備化學 40 宏觀領域：宏觀領域：下限，下限， 人的肉眼可見的人的肉眼可見的 最小物體；上限，最小物體；上限， 無限大的宇宙天無限大的宇宙天 體。體。 微觀領域：微觀領域： 上限，分子、上限，分子、 原子；下限，原子；下限，

29、無限領域。無限領域。 介觀領域：介觀領域： 介于宏觀介于宏觀 和微觀之和微觀之 間。間。 亞微米亞微米 體系體系 納米納米 體系體系 團簇團簇 納納 米米 材材 料料 41 納米材料的定義納米材料的定義 納米材料：納米材料： 狹義上，有關原子團簇、納米顆粒、納米線、納狹義上，有關原子團簇、納米顆粒、納米線、納 米薄膜和納米固體的總稱。米薄膜和納米固體的總稱。 廣義上，晶?；蚓Ы绲蕊@微結(jié)構(gòu)能達到納米尺寸廣義上，晶粒或晶界等顯微結(jié)構(gòu)能達到納米尺寸 水平的材料。水平的材料。 指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體。廣指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體。廣 義地，納米材料是指三維空間中至少有一維處

30、于納義地，納米材料是指三維空間中至少有一維處于納 米尺度范圍或由它們作為單元構(gòu)成的材料。米尺度范圍或由它們作為單元構(gòu)成的材料。 42 按照結(jié)構(gòu)分類按照結(jié)構(gòu)分類 三維結(jié)構(gòu)通常是指立體三維結(jié)構(gòu)通常是指立體 的空間結(jié)構(gòu)。的空間結(jié)構(gòu)。 - 納米粒子在三個方向上納米粒子在三個方向上 不規(guī)則的延伸；不規(guī)則的延伸； - 形成具有精細特征的復形成具有精細特征的復 雜的枝狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。雜的枝狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 二維結(jié)構(gòu)通常是指片狀二維結(jié)構(gòu)通常是指片狀 的納米結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)。 -納米粒子沿著兩個不同納米粒子沿著兩個不同 方向延伸至微米量級，方向延伸至微米量級， 而第三個方向仍保持數(shù)而第三個方向仍保持數(shù) 十納米；十納米

31、； - 可以看做是獨立的薄皮?？梢钥醋鍪仟毩⒌谋∑?。 按結(jié)構(gòu)分類 一維是指管狀或線狀的一維是指管狀或線狀的 納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)。 其尺寸沿一維方向伸；其尺寸沿一維方向伸； -可視為分立的線。可視為分立的線。 指準球形或球形的納米指準球形或球形的納米 粒子。粒子。 -其尺寸在空間上并無其尺寸在空間上并無 特定的取向；特定的取向； 可視為離散的點?？梢暈殡x散的點。 43 納米材料的特性納米材料的特性 1. 1. 小尺寸效應小尺寸效應 2. 2. 表面與界面效應表面與界面效應 3. 3. 量子尺寸效應量子尺寸效應 4. 4. 介電限域效應介電限域效應 5. 5. 宏觀量子隧道效應宏觀量子隧道效應 4

32、4 納米材料的制備方法納米材料的制備方法 納米材料的合成與制備一直是納米科學領域的一個納米材料的合成與制備一直是納米科學領域的一個 重要研究課題，材料制備工藝過程的研究與控制對納重要研究課題，材料制備工藝過程的研究與控制對納 米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響。在所有納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響。在所有納 米材料的制備方法中，最終目的是所制得的納米顆粒米材料的制備方法中，最終目的是所制得的納米顆粒 具有均一的大小和形狀。一旦形成了納米顆粒，則要具有均一的大小和形狀。一旦形成了納米顆粒，則要 防止其團聚和聚結(jié)。防止其團聚和聚結(jié)。 45 由上到下由上到下:由大到小，由大到小， 將塊材破

33、碎成納米粒將塊材破碎成納米粒 子，或?qū)⒋竺娣e刻蝕子，或?qū)⒋竺娣e刻蝕 成納米圖形等。成納米圖形等。 由下到上由下到上:由小到大，由小到大， 將原子，分子按需要將原子，分子按需要 生長成納米顆粒，納生長成納米顆粒，納 米絲，納米膜或納米米絲，納米膜或納米 粒子復合物等粒子復合物等 納米材料的制備方法可分為兩大類納米材料的制備方法可分為兩大類 46 由下到上，由下到上， 如在制備過程中不產(chǎn)生化學反應，就稱物理法。常用的有霧如在制備過程中不產(chǎn)生化學反應，就稱物理法。常用的有霧 化法，濺射法，蒸發(fā)法，非晶晶化法等?；?，濺射法，蒸發(fā)法，非晶晶化法等。 如在制備過程中產(chǎn)生化學反應的就稱為化學法，常用的有金

34、如在制備過程中產(chǎn)生化學反應的就稱為化學法，常用的有金 屬有機化學氣相沉積法屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)，溶膠，溶膠-凝膠法凝膠法(sol-gel)，水，水 熱法，共沉淀法等。熱法，共沉淀法等。 由上到下，由上到下， 如機械破碎法、非晶晶化法、原子法等如機械破碎法、非晶晶化法、原子法等 47 根據(jù)制備狀態(tài)的不同，制備納米微粒的方法可以分為根據(jù)制備狀態(tài)的不同，制備納米微粒的方法可以分為 氣相法、液相法和固相法等氣相法、液相法和固相法等; 根據(jù)是否發(fā)生化學反應，納米微粒的制備方法通常分根據(jù)是否發(fā)生化學反應，納米微粒的制備方法通常分 為三大類：化學方法、化學物理法及物理法；或者：為三大類：化學方

35、法、化學物理法及物理法；或者： 化學方法、物理法及其它?；瘜W方法、物理法及其它。 按反應物狀態(tài)分為干法和濕法。按反應物狀態(tài)分為干法和濕法。 大部分方法具有粒徑均勻，粒度可控，操作簡單等優(yōu)大部分方法具有粒徑均勻，粒度可控，操作簡單等優(yōu) 點；有的也存在可生產(chǎn)材料范圍較窄，反應條件較苛點；有的也存在可生產(chǎn)材料范圍較窄，反應條件較苛 刻，如高溫高壓、真空等缺點刻，如高溫高壓、真空等缺點。 納米微粒的制備方法分類納米微粒的制備方法分類 48 納納 米米 粒粒 子子 制制 備備 方方 法法 氣相法氣相法 液相法液相法 沉淀法沉淀法 水熱法水熱法 溶膠凝膠法溶膠凝膠法 冷凍干燥法冷凍干燥法 噴霧法噴霧法 氣

36、體冷凝法氣體冷凝法 氫電弧等離子體法氫電弧等離子體法 濺射法濺射法 真空沉積法真空沉積法 加熱蒸發(fā)法加熱蒸發(fā)法 混合等離子體法混合等離子體法 共沉淀法共沉淀法 化合物沉淀法化合物沉淀法 水解沉淀法水解沉淀法 納納 米米 粒粒 子子 合合 成成 方方 法法 分分 類類固相法固相法 粉碎法粉碎法 干式粉碎干式粉碎 濕式粉碎濕式粉碎 化學氣相反應法化學氣相反應法 氣相分解法氣相分解法 氣相合成法氣相合成法 氣固反應法氣固反應法 物理氣相法物理氣相法 熱分解法熱分解法 其它方法其它方法 固相反應法固相反應法 49 納納 米米 粒粒 子子 制制 備備 方方 法法 物理法物理法 化學法化學法 粉碎法粉碎法 構(gòu)筑法構(gòu)筑法 沉淀法沉淀法 水熱法水熱法 溶膠凝膠法溶膠凝膠法 冷凍干燥法冷凍干燥法 噴霧法噴霧法 干式粉碎干式粉碎 濕式粉碎濕式粉碎 氣體冷凝法氣體冷凝法 濺射法濺射法 氫電弧等離子體法氫電弧等離子體法 共沉淀法共沉淀法 均相沉淀法均相沉淀法 水解沉淀法水解沉淀法 納納 米米 粒粒 子子 合合 成成 方方 法法 分分 類類 氣相反應法氣相反應法 液相反應法液相反應法 氣相分解法氣相分解法 氣相合成法氣相合成法 氣固反應法氣固反應法 化學物理法化學物理法(如球磨法如球磨法) 50 物理法物理法 1 1真空冷凝法真空冷凝法 用真