無機物理化學風-0緒論

無機材料物理化學

（硅酸鹽物理化學）授課教師：王海風聯(lián)系方式：辦公地點：材料樓C1782023/1/1811.材料及其應(yīng)用

世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。2023/1/1822023/1/183材料是當代文明的三大支柱之一：材料、能源、信息是當代社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱，是人類社會進步和科學技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。

材料是全球新技術(shù)革命的四大標志之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)）。2023/1/1842、材料的分類按化學組成（或基本組成）分類金屬材料：單質(zhì)及合金；無機非金屬材料：傳統(tǒng)的（普通的）無機非金屬材料和新型的（先進的）兩大類；高分子材料（聚合物）：由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。復(fù)合材料：是由兩種或兩種以上化學性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。2023/1/185根據(jù)材料的性能分類

根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的響應(yīng)不同，材料可分為：結(jié)構(gòu)材料：具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學性能（強度和韌性等），用于結(jié)構(gòu)目的的材料。用于機械制造材料、建筑材料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級結(jié)構(gòu)材料。功能材料：具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。2023/1/186按服役的領(lǐng)域分類信息材料航空航天材料能源材料生物醫(yī)用材料等等。2023/1/187按結(jié)晶狀態(tài)分類單晶材料是由一個比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅；多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。

2023/1/188按材料的尺寸分類零維材料：即超微粒子，亞微米級或大小為1—100nm的納米粒子。一維材料：如光導(dǎo)纖維；脆性塊狀材料在變成細絲后便增加了韌性；碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。二維材料：如金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜。三維材料：即塊狀材料。2023/1/18910①金屬結(jié)構(gòu)材料②陶瓷結(jié)構(gòu)材料③碳/碳結(jié)構(gòu)材料④高分子結(jié)構(gòu)材料⑤超導(dǎo)材料⑥生物材料⑦磁性材料⑧光/聲材料⑨電子材料⑩催化材料⑾機電材料冶金化工材料①⑦⑾

金屬材料制備加工的冶金過程及其相關(guān)有機、無機材料制備、合成的化學過程及其相關(guān)

材料加工、制備、合成、測試、表征、總體②⑤⑥⑦⑧⑨④③⑩

當前的材料從使用要求：多樣化、復(fù)合化、智能化、高性能從應(yīng)用：結(jié)構(gòu)材料—功能材料—結(jié)構(gòu)/功能一體化材料從材料：金屬（合金）--金屬間化合物—金屬/非金屬化合物—金屬/非金屬復(fù)合材料—非金屬復(fù)合材料從組織結(jié)構(gòu)：多晶—單晶—微晶—納米晶—非晶從形態(tài)尺度：塊體—薄膜—線材（一維）

現(xiàn)材料已發(fā)展到成千上萬種，涉及社會經(jīng)濟生活的幾乎所有方面。

2023/1/18113、無機非金屬材料的發(fā)展

20世紀前半葉，美國材料學科教育主要在冶金系，以金屬材料為主，二戰(zhàn)后，在教學計劃中加入了“廣泛材料”基礎(chǔ)理論及非金屬材料課程。60至70年代，原設(shè)置冶金系的大學逐步將系名更改為材料系或冶金與材料系。80年代美國大學相應(yīng)系多以材料科學與工程命名(MSE)。歷史上看，材料系多由冶金系演進而來。60年代之后隨著非金屬材料發(fā)展化學化工系也部分轉(zhuǎn)向材料。2023/1/1812地殼中的化學元素分布排列：2023/1/1813

20世紀40年代后非金屬材料有了新的發(fā)展，1945年晶體管的出現(xiàn)，半導(dǎo)體材料異軍突起。無機非金屬材料的種類：玻璃陶瓷水泥耐火材料2023/1/1814

材料科學與工程的定義是：研究有關(guān)材料成份/結(jié)構(gòu)、制備/合成、性能/使用效能及其關(guān)系的科學技術(shù)與生產(chǎn)。

材料的結(jié)構(gòu)與成分應(yīng)更著重于包括原子的類型及所觀察尺度范圍（納米、介觀、微觀、宏觀）內(nèi)原子的排列組合。

使原子（原子團），分子可得到特定排列組合的合成與加工；

由不同原子（原子團）、分子及其排列組合所得到的使材料具有值得研究和使用的性能；

考慮經(jīng)濟和社會效益的材料使用服役實際條件及其有效性的度量。

4、材料科學與工程概述2023/1/1815合成與制備過程使用效能性質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)（化學）（工程）（物理學）組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間的關(guān)系2023/1/1816

四要素是一個整體，內(nèi)部有機聯(lián)系是其核心與活力所在。組成——指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布；除主要組成以外，雜質(zhì)及對無機非金屬材料結(jié)構(gòu)與性能有重要影響的微量添加物亦不能忽略。結(jié)構(gòu)——則指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括納米以下、納米、微米、毫米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次。2023/1/1817

材料科學與工程的任務(wù)在于針對實際需要，使宏微觀緊密結(jié)合，在原子/分子的層次上將成分/組織的設(shè)計與合成加工綜合起來，通過合成與加工過程的精確控制有效地安排與控制原子/分子的特定排列組合，達到控制組織結(jié)構(gòu)，控制形狀進而達到所需的使用性能。2023/1/1818控性控構(gòu)控形力學性能物理性能化學性能近終形表面完整性尺寸精度宏觀組織（晶粒形態(tài)與尺寸）微觀組織（亞晶界、枝晶間距、次生相）強化相的形態(tài)、尺寸及分布多相合金的相結(jié)構(gòu)組織均勻性成分均勻性（宏觀與微觀偏析）組織致密性夾雜、氣孔等應(yīng)力、變形、開裂等晶體結(jié)構(gòu)缺陷（點缺陷、位錯、孿晶等）非晶、微晶、納米晶及非平衡晶設(shè)計（成分組織）合成材料科學與工程加工2023/1/18195、無機材料物理化學學科內(nèi)容適應(yīng)專業(yè)：硅酸鹽工程類，材料工程類

硅酸鹽物理化學——無機材料物理化學：用物理化學的方法去研究硅酸鹽的結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)之間的規(guī)律和關(guān)系，（硅酸鹽包括晶體，玻璃體、熔體，固溶體）。2023/1/1820硅物化工藝指導(dǎo)補充完善理論角度制造角度奠定工藝基礎(chǔ)提供理論依據(jù)專業(yè)理論訓練奠定工業(yè)基礎(chǔ)工程實際訓練研究制造無機材料產(chǎn)品（如玻璃、陶瓷、新材料）目標2023/1/1821無機材料加工過程中的物化過程：擴散、相變、固相反應(yīng)、燒結(jié)等原料產(chǎn)品熱過程

晶體（缺陷）熔體玻璃條件相圖熱力學動力學2023/1/1822晶體結(jié)構(gòu)與晶體中的缺陷熔體內(nèi)容硅物化內(nèi)容：固體表面與界面相平衡擴散固相反應(yīng)相變燒結(jié)玻璃體2023/1/1823課程目的、意義

本課程闡述無機材料的化學組成、晶體和非晶體結(jié)構(gòu)與各種物性間的關(guān)系；并對無機材料制造過程中各種化學和物理變化作熱力學和動力學分析，說明諸工藝因素和添加物對這些過程的影響規(guī)律，從而培養(yǎng)學生對無機材料的設(shè)計、制備、改性和選材的能力。2023/1/1824學科設(shè)置學習物理化學所具備的基礎(chǔ)《物理化學》《硅酸鹽巖相學》《無機非金屬材料學》后續(xù)課程：《無機材料物理性能》以及《無機材料工藝學》

硅酸鹽物理化學是在物理化學在基礎(chǔ)上，總結(jié)了硅酸鹽工藝的共性規(guī)律而形成的。

2023/1/1825參考教材《無機材料科學基礎(chǔ)》——《硅酸鹽物理化學》陸佩文主編武漢工業(yè)大學出版社《硅酸鹽物理化學》丁子上等主編中國建筑工業(yè)出版社《無機材料物理化學》葉瑞倫主編天津大學《怎樣看硅酸鹽相圖》沈鶴年《玻璃物理化學導(dǎo)論》P.貝爾塔等著

中國建筑工業(yè)出版社《陶瓷導(dǎo)論》W.D.Kingery中國建筑工業(yè)出版社2023/1/1826課程考核方式考核方式：平時作業(yè)+期末書面考試考核成績：平時作業(yè)：25％；講解作業(yè)：5%；期末考試：70％。2023/1/1827無機材料工藝過程：原料產(chǎn)品熱過程粉磨、均化成型2023/1/1828配料燒結(jié)或熔融2023/1/18293個球構(gòu)成一個三角形空隙，每個球有1/3個，每個球周圍有6個三角形空隙，因此每個球就有61/3=2個空隙。一層最密堆積中球數(shù):三角形空隙數(shù)目=1:2（1）等徑球的密堆積堆積結(jié)構(gòu)2023/1/18302023/1/18302layers半數(shù)的三角形空隙上方放了球四面體空隙另一半的三角形空隙上方是第二層的空隙八面體空隙2023/1/1831最緊密堆積中的空隙①

四面體空隙：四個球圍成的空隙②八面體空隙：六個球圍成的空隙2023/1/18323layersABAHexagonalclose-packing(HCP)ABCCubicclose-packing(CCP)把第三層放在與第一層一樣的位置把第三層放在堵住頭二層漏光的三角形空隙上2023/1/1833化學式為：C晶體結(jié)構(gòu)為：立方晶系，a＝0.356nm空間格子：C原子組成立方面心格子(Fd3m)金剛石結(jié)構(gòu)碳原子位于所有立方面心的結(jié)點和4個小立方體中心，每個碳周圍都有4個碳，碳原子之間形成共價鍵。晶體結(jié)構(gòu)2023/1/1834晶胞圖性質(zhì)：硬度最高，導(dǎo)熱性極好，半導(dǎo)體性能。應(yīng)用：高硬度切割材料、磨料、鉆頭；集成電路中的散熱片；高溫半導(dǎo)體材料。2023/1/1835晶體結(jié)構(gòu)：

六方晶系（3R）

a＝0.146nm，c＝0.670nm結(jié)構(gòu)：C原子組成層狀排列，層內(nèi)C原子成六方環(huán)狀排列，上下相鄰層的碳六方環(huán)通過平行網(wǎng)面方向相互位移后再疊置形成層狀結(jié)構(gòu)。上下兩層的碳原子之間距離比同一層內(nèi)的碳之間的距離大得多（層內(nèi)C-C間距=0.142nm，層間C-C間距=0.340nm）石墨結(jié)構(gòu)2023/1/1836性質(zhì)：碳原子有一個電子可以在層內(nèi)移動，平行于層的方向具有良好的導(dǎo)電性。石墨的硬度低，有滑膩感，熔點高，導(dǎo)電性好。應(yīng)用：潤滑劑；發(fā)熱體和電極；類似材料：六方BN。工藝過程與物質(zhì)狀態(tài)2023/1/1837過冷液體玻璃快冷慢冷晶體abcdefhTg1Tg2TMTV、Q物質(zhì)體積與內(nèi)能隨溫度變化示意圖2023/1/1838固體的表面能表面能Gs：增加單位表面積時體系自由能的增量，單位J/m2=N.m/m2=N/m表面張力γ：擴張表面單位長度所需的力，單位N/m。固體的表面能和表面張力與液體的類似，但也有重要差別；液體的表面自由能和表面張力數(shù)值相等。