環(huán)境功能材料1材料基礎(chǔ)知識(shí)

1、環(huán)境功能材料environment functional materials1課件下載地址百度網(wǎng)盤(pán)賬戶(hù)：密碼：wangchuan437王川主樓3292環(huán)境功能材料環(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。3環(huán)境功能材料用途環(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41 1馮玉杰環(huán)境功能材料化學(xué)工業(yè)出版社馮玉杰環(huán)境功能材料化學(xué)工業(yè)出版社2 2華堅(jiān)環(huán)境污染控制工程材料化學(xué)工業(yè)出華堅(jiān)環(huán)境污

2、染控制工程材料化學(xué)工業(yè)出版社版社5講講 授授 內(nèi)內(nèi) 容容 一、材料學(xué)基礎(chǔ)二、各種環(huán)境功能材料6課程特點(diǎn)1.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。2.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。3.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。7第一章第一章 材料學(xué)基礎(chǔ)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)8第一節(jié)第一節(jié) 材料的發(fā)展史及分類(lèi)材料的發(fā)展史及分類(lèi)9一、材料的定義一、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

3、器件或物品的固體物質(zhì)。 10二、材料的發(fā)展史二、材料的發(fā)展史材料是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的里程碑 11人類(lèi)使用材料的七個(gè)時(shí)代人類(lèi)使用材料的七個(gè)時(shí)代 1石器時(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 121.1.石器時(shí)代石器時(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 132.2.青銅器時(shí)代青銅器時(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 143.3.鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代

4、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 154.4.陶器時(shí)代陶器時(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纬纱善鞔善饔捎诰植咳刍兊酶又旅軋?jiān)硬，克服了陶器多孔與透水的缺點(diǎn) 165.5.鋼時(shí)代鋼時(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 176.6.硅時(shí)代硅時(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 187.7.新材料時(shí)代

5、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19三、材料科學(xué)與工程三、材料科學(xué)與工程 20材料科學(xué)材料科學(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)。21材料工程材料工程 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)22材料科學(xué)四要素材料科學(xué)四要素 1 1）成分）成分/ /結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)( (Composition/Structure)Compos

6、ition/Structure)：影響其性質(zhì)的直接因素影響其性質(zhì)的直接因素成分成分/結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合成合成/加工加工性質(zhì)性質(zhì)效能效能4 4）效能）效能( (Performance)Performance)（使用性能或效果）：是指材料在使用條件下使用性能或效果）：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 3）性質(zhì)）性質(zhì)( (Properties) Properties) （性能）性能）：力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)2 2）合成）合成/ /加工加工( (Synthesis/

7、Processing)Synthesis/Processing)：改變材料的組織結(jié)構(gòu)而影響改變材料的組織結(jié)構(gòu)而影響其性質(zhì)其性質(zhì)23四、材料的分類(lèi)四、材料的分類(lèi) 1 1按化學(xué)成分、生產(chǎn)過(guò)程、結(jié)構(gòu)及性能特按化學(xué)成分、生產(chǎn)過(guò)程、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)分類(lèi)：點(diǎn)分類(lèi)： 1 1）金屬材料：以金屬元素為基礎(chǔ)的材料）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242）有機(jī)高分子材料有機(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

8、容易，可符合多種、特種用途的要求25263）無(wú)機(jī)非金屬材料無(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)：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 274）復(fù)合材料復(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282 2按使用性能分類(lèi)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) 294 4按物理性質(zhì)分類(lèi)按物理性質(zhì)分類(lèi) 導(dǎo)電材料半導(dǎo)體材料

9、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 306 6按用途分類(lèi)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裝材料 31第二節(jié)第二節(jié) 材料的成分與組織結(jié)構(gòu)材料的成分與組織結(jié)構(gòu) 32一、材料的成分與結(jié)構(gòu)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33材料的結(jié)構(gòu)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) 34晶體晶體 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 35非晶體非晶體 非晶體：質(zhì)點(diǎn)在三維

10、空間不呈周期性的規(guī)則排列近程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序晶體晶體SiO2 非晶體非晶體SiO2 36晶體與非晶體的區(qū)別晶體與非晶體的區(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)，只存在一個(gè)軟化溫度范圍晶體具有各向異性，非晶體呈各向同性 37單晶體與多晶體單晶體與多晶體 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 38 c 晶體的幾個(gè)定義晶體的幾個(gè)定義 1 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）陣點(diǎn)：將構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、分子）

11、抽象成純粹的幾何點(diǎn)稱(chēng)為陣點(diǎn)。純粹的幾何點(diǎn)稱(chēng)為陣點(diǎn)。2 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，）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。并具有等同的周?chē)h(huán)境的模型。3 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）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。幾何格架稱(chēng)為晶格。4 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）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。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 5）晶胞參數(shù)

12、：）晶胞參數(shù)：晶胞三條棱邊（晶軸）的邊長(zhǎng)晶胞三條棱邊（晶軸）的邊長(zhǎng)a、b、c及晶軸之間及晶軸之間的夾角的夾角、稱(chēng)為晶胞參數(shù)。稱(chēng)為晶胞參數(shù)。b a 39晶系與布拉菲點(diǎn)陣晶系與布拉菲點(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：大晶系：立方、四方、正交、六方、單斜、三斜、三方（菱方）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：十四種布拉菲點(diǎn)陣：立方：簡(jiǎn)單立方，體心立方，面心立方立方：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，面心正交正交：簡(jiǎn)單

13、正交，底心正交，體心正交，面心正交六方：簡(jiǎn)單六方六方：簡(jiǎn)單六方單斜：簡(jiǎn)單單斜，底心單斜單斜：簡(jiǎn)單單斜，底心單斜三斜：簡(jiǎn)單三斜三斜：簡(jiǎn)單三斜三方（菱方）：簡(jiǎn)單三方（菱方）三方（菱方）：簡(jiǎn)單三方（菱方） 40三斜：三斜：abc 90o 單斜：?jiǎn)涡保篴bc =90o 正交：正交：abc =90o 四方：四方：a=bc =90o 菱方：菱方：a=b=c =90o 六方：六方：a=bc =90o，=120o 立方：立方：a=b=c =90o 底心底心 體心體心 面心面心 41三種立方晶體結(jié)構(gòu)三種立方晶體結(jié)構(gòu)42晶體形成的途徑晶體形成的途徑 熔融態(tài)物質(zhì)凝固熔融態(tài)物質(zhì)凝固 溶質(zhì)從溶液中析出溶質(zhì)從溶液中析出

14、氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固( (凝華凝華) )43晶體的組成晶體的組成 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)（單質(zhì)）（單質(zhì)） （置換型固溶體）（置換型固溶體） （間隙型固溶體）（間隙型固溶體） 44晶體的缺陷晶體的缺陷 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45點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 指原子應(yīng)占而未占的空位或間隙中不

15、該存在而存在的指原子應(yīng)占而未占的空位或間隙中不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)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)的不完整原子范圍的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的不完整(a)空位空位(b)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(c)間隙質(zhì)點(diǎn)間隙質(zhì)點(diǎn)46線缺陷線缺陷 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)刃位錯(cuò) 螺位錯(cuò)螺位錯(cuò) 47面缺陷面缺陷 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48二、材料的組織二、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 49三、材料成分和組織結(jié)構(gòu)的檢測(cè)三、

16、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（高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）掃描電子顯微鏡（掃描電子顯微鏡（SEM）掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡/掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（SPM/STM）原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）X射線衍射（射線衍射（XRD）熱重?zé)嶂?差熱分析差熱分析/差示掃描量熱法（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（氣體吸附表面積測(cè)量和孔結(jié)構(gòu)分析（BET法）法）50高分辨率透射電子顯微鏡（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

17、以上51透射電鏡的成像原理類(lèi)似于醫(yī)學(xué)X光片子 20nmB52透射電子顯微鏡：線粒體53大腸桿菌54珊瑚沙55鐵納米顆粒56納米纖維57掃描電子顯微鏡（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)0.6nm58紅細(xì)胞 59舌乳頭60胃壁腺體61626364656667掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（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?？梢栽诔哒婵?，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

18、子GBinnig和和HRohrer于于1981年發(fā)明，年發(fā)明，獲得獲得1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（恒電流模式）（恒電流模式） （恒高度模式）（恒高度模式） 68掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM） STM image of oxygen atom lattice on rhodium single crystal; part of study of electrocatalysis. 4nm scanSource: Purdue University. 4 nm69掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM）STM image showing single-atom defect

19、 in iodine adsorbate lattice on platinum. 2.5nm scan 70原子力顯微鏡（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Field of view 30 mm x 30 mmMetallic glass surfaceField of view 2 m mm x 2 m mmpolystyrene microspheres71X射線衍射（射線衍射（XRD） X 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 X

20、射線入射到晶體時(shí)，射線入射到晶體時(shí)，原子間距離與入射原子間距離與入射X X射線波長(zhǎng)有相同數(shù)量級(jí)，故由不同原子散射的射線波長(zhǎng)有相同數(shù)量級(jí)，故由不同原子散射的X X射射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X X射線衍射，衍射線在空間分布射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)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) 51015202530354045500100020003000400050006000700014.79.624.127.3 Intensity2 (degrees)721020304050607080預(yù)熱處理后221

21、1111-SiO22-CaCO32 / degreeintensity / cps1預(yù)熱處理前1SiO22 CaCO3建筑垃圾的XRD圖譜73方沸石及混合物的XRD圖譜74熱重?zé)嶂?差熱分析（差熱分析（TG/DTA） 熱重法熱重法( (TG):TG):在溫度程序在溫度程序控制下，測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量控制下，測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度之間關(guān)系的技術(shù)與溫度之間關(guān)系的技術(shù)差熱分析差熱分析( (DTA)DTA)：在溫度在溫度程序控制下，測(cè)量物質(zhì)程序控制下，測(cè)量物質(zhì)的溫度和參比物溫度差的溫度和參比物溫度差和溫度關(guān)系的一種技術(shù)和溫度關(guān)系的一種技術(shù)02004006008001000707580859095100Temper

22、ature Difference ( oC) Weight (%)Temperature ( oC)-8-6-4-202TGDTA 75熱重曲線（TG） CaCO3的熱重曲線76DTA曲線77BET氣體吸附表面積測(cè)量和孔結(jié)構(gòu)氣體吸附表面積測(cè)量和孔結(jié)構(gòu)分析（分析（BET法）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)獾膯螌游锢砦接?jì)算出樣品的比表面積，也能測(cè)定孔徑分布，孔容積78其它的方法其它的方法 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）79作 業(yè)1.試述環(huán)境學(xué)科與