序言及現(xiàn)代無機(jī)材料概述

無機(jī)材料結(jié)構(gòu)表征技術(shù)主講人：張霞張霞，女，博士，教授。1993年畢業(yè)于北京師范大學(xué)化學(xué)系，獲學(xué)士學(xué)位，保送直接攻讀碩士學(xué)位。1996年8月碩士畢業(yè)后，到東北大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系任教師。2004年8月，獲得材料物理與化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。從事納米金屬氧化物材料的制備、性能和形成機(jī)理的研究。曾作為主要參加人參加了國家自然科學(xué)基金，863和973項(xiàng)目研究工作。遼寧省自然科學(xué)學(xué)術(shù)成果獎2次。在《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》、《高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)》等一級雜志上發(fā)表論文16篇。組織了東北大學(xué)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革，積累了豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。曾獲校教學(xué)成果一等獎1次，二等獎1次，主編了《無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》（冶金工業(yè)出版社，2009年），參編《大學(xué)化學(xué)》（冶金工業(yè)出版社，2005年8月）。承擔(dān)省級教改立項(xiàng)1項(xiàng)，校級教改立項(xiàng)3項(xiàng)。課程開設(shè)目的已經(jīng)或者正在學(xué)習(xí)化學(xué)分析技術(shù)：FT-IRAASGCMS解決化學(xué)成分、分子結(jié)構(gòu)分析問題。遇到無機(jī)材料，如何確定組成？結(jié)構(gòu)？表面形貌？晶體與非晶體？……………課程教學(xué)目的及考核方式。參考書籍1、《納米材料和納米結(jié)構(gòu)》，張立德牟季美著，科學(xué)出版社。234主要內(nèi)容現(xiàn)代無機(jī)材料概述1形貌分析2界面分析5成分分析4結(jié)構(gòu)分析3粒度分析6熱分析7第1章現(xiàn)代無機(jī)材料概述金屬材料材料家族（組成結(jié)構(gòu)）有機(jī)高分子材料無機(jī)材料復(fù)合材料現(xiàn)代無機(jī)材料概述氧化物、氮化物、碳化物及各種無機(jī)非金屬化合物為原料，經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制備而成的、具有一系列優(yōu)異性能的新材料。

先進(jìn)陶瓷無機(jī)納米特種玻璃人工晶體現(xiàn)代無機(jī)材料概述先進(jìn)陶瓷各種結(jié)構(gòu)部件耐高溫耐腐蝕耐磨損1結(jié)構(gòu)陶瓷2功能陶瓷品種多產(chǎn)量大功能全應(yīng)用廣民用為主3生物陶瓷人造骨人造關(guān)節(jié)固定酶載體催化劑現(xiàn)代無機(jī)材料概述結(jié)構(gòu)陶瓷1.氧化鋁陶瓷（人造剛玉）主要特性①高熔點(diǎn)；②高硬度；③可制成透明陶瓷；④無毒、不溶于水，強(qiáng)度高；⑤對人體有較好的適應(yīng)性

主要用途高級耐火材料，剛玉球磨機(jī)；高壓鈉燈的燈管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造關(guān)節(jié)等現(xiàn)代無機(jī)材料概述結(jié)構(gòu)陶瓷Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、氣動陶瓷配件現(xiàn)代無機(jī)材料概述結(jié)構(gòu)陶瓷氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁熱電偶套管現(xiàn)代無機(jī)材料概述結(jié)構(gòu)陶瓷2.氮化硅陶瓷主要特性①超硬度，耐磨損；②抗腐蝕，高溫時(shí)也抗氧化；③抗冷熱沖擊而不碎裂；④耐高溫且不易傳熱；⑤本身具有潤滑性

主要用途制造軸承、汽輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。用于制造柴油機(jī)中發(fā)動機(jī)部件的受熱面等現(xiàn)代無機(jī)材料概述結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷軸承現(xiàn)代無機(jī)材料概述結(jié)構(gòu)陶瓷3.碳化硅陶瓷主要特性高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。

主要用途用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等?，F(xiàn)代無機(jī)材料概述結(jié)構(gòu)陶瓷SiC軸承

碳化硅陶瓷坩堝

現(xiàn)代無機(jī)材料概述功能陶瓷透明陶瓷現(xiàn)代無機(jī)材料概述功能陶瓷現(xiàn)代無機(jī)材料概述結(jié)構(gòu)陶瓷

高壓鈉燈內(nèi)溫度高達(dá)1400℃，氧化鋁陶瓷又叫人造剛玉，是一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，可以抵御鈉蒸汽的強(qiáng)烈腐蝕性。現(xiàn)代無機(jī)材料概述功能陶瓷1986年，設(shè)在瑞士蘇黎士的美國IBM公司的研究中心報(bào)道了一種氧化物（鑭－鋇－銅－氧）具有35K的高溫超導(dǎo)性，打破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起世界科學(xué)界的轟動。超導(dǎo)陶瓷現(xiàn)代無機(jī)材料概述功能陶瓷超導(dǎo)陶瓷1987年2月，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。超導(dǎo)電流沿底部的銅氧黃色平面流動。現(xiàn)代無機(jī)材料概述功能陶瓷壓電效應(yīng)：晶體偶極矩的變化帶來晶體表面電荷的改變?？赡孀兓ｂ佀徜^（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。鈦酸鋇壓電陶瓷現(xiàn)代無機(jī)材料概述功能陶瓷鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300℃以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）現(xiàn)代無機(jī)材料概述功能陶瓷現(xiàn)代無機(jī)材料概述生物陶瓷人造骨骼材料現(xiàn)代無機(jī)材料概述生物陶瓷人造關(guān)節(jié)現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃新型玻璃：采用精致、高純或新型原料，或采用新工藝在特殊條件下，形成的具有特殊性能和功能的玻璃或無機(jī)非晶態(tài)材料。氧化物名稱所起作用增加降低二氧化硅熔融溫度、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度密度、熱膨脹系數(shù)氧化鈉熱膨脹系數(shù)化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性、熔融溫度、析晶傾向、退火溫度、韌性氧化鈣硬度、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、析晶傾向、退火溫度耐火性三氧化二鋁熔融溫度、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度析晶傾向氧化鎂耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、退火溫度析晶傾向、韌性現(xiàn)代無機(jī)材料概述光導(dǎo)纖維特種玻璃現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃光在光纖中的傳輸原理階躍型光學(xué)纖維梯度型光學(xué)纖維光信號在光線中反復(fù)進(jìn)行全反射，以最小衰減，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸?，F(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃表2光學(xué)纖維的分類芯包層制法階躍型石英系SiO2SiO2+B2O3

SiO2+GeO2SiO2CVD+熔融大火焰熔融多組分鈉鈣硼鈉鈣硼硅體系硅酸鹽酸鹽棒管法、單坩堝法、雙坩堝法梯度型石英系SiO2+GeO2

SiO2+B2O3CVD+熔融多組分Tl2O+Na2O+PbO+SiO2

Tl2O+Na2O+B2O3+SiO2離子交換

Li2O+Al2O3+SiO2

Li2O+CaO+SiO2

現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃現(xiàn)代通信用光纜現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃光纖光纜

普通電纜

信息量大，信息量大，每根光纜上理論上可同時(shí)通過10億路電話

8管同軸電纜每條通話1800路

原料來源廣（石英玻璃），節(jié)約有色金屬

資源較少

質(zhì)量小，每km27g，不怕腐蝕，鋪設(shè)方便

每km1.6t成本低，每km10000元左右

普通光纜每km200000元左右

性能好，抗電磁干擾保密性強(qiáng)

，能防竊聽，不發(fā)生電輻射

現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃光學(xué)纖維胃鏡現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃光導(dǎo)纖維手術(shù)頭燈現(xiàn)代無機(jī)材料概述新型中紅外透過玻璃：

特種玻璃軍事偵察，制導(dǎo)系統(tǒng)，衛(wèi)星遙感，資源探測等對3000cm-1中紅外線透過率80%，高強(qiáng)度。現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃隱形玻璃：玻璃經(jīng)過加工處理，將反射影像移到人的視野以外，或者不反射的制品稱為隱形玻璃。將玻璃彎曲成適當(dāng)?shù)那?，或者利用鍍膜的方法鍍以多層干涉膜，達(dá)到無反射的程度，使人覺察不到玻璃的存在。現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃隱形玻璃：現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃微晶玻璃：加入一定的晶核劑（不加也可），經(jīng)一定的溫度制度和溫度分布使玻璃成品過程中產(chǎn)生微晶體。微晶玻璃機(jī)械強(qiáng)度高，高化學(xué)穩(wěn)定性，質(zhì)地細(xì)密，不透氣，不吸水，耐熱性好，低導(dǎo)電率，低膨脹率、具有機(jī)械加工性。現(xiàn)代無機(jī)材料概述特種玻璃微晶大理石：將玻璃粉末燒結(jié)成整體，然后再加熱成流體，之后析晶生長，制成。具有和大理石一樣的裝飾效果，性能優(yōu)于大理石，可鋪設(shè)地面，可加工?，F(xiàn)代無機(jī)材料概述人工晶體人造水晶現(xiàn)代無機(jī)材料概述人工晶體人造寶石的種類寶石類型顏色著色劑剛玉系合成寶石紅寶石紅色Cr2O32~3%藍(lán)寶石藍(lán)色TiO20.5%,Fe2O31.5%黃寶石黃色NiO0.5~1%白寶石無色/紫寶石紫色TiO20.5%,Fe2O31.5%,Cr2O30.1%尖晶石系寶石綠寶石淺綠色CoO0.05~0.1%,MnO0.5~1%海藍(lán)寶石海水色CoO0.5~1%金紅石系寶石金紅石深藍(lán)色/金紅石橘紅色Cr2O30.5%現(xiàn)代無機(jī)材料概述人工晶體裝飾品，精密機(jī)械工業(yè)，電器儀表等現(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米

納米（nm）如同厘米、分米和米一樣，是度量長度的單位，具體地說，一納米等于十億分之一米，20納米相當(dāng)于1根頭發(fā)絲的三千分之一。將一納米的物體放到乒乓球上，就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般。納米到底是什么我們把度量單位按大小排列如下：

米→厘米→毫米→微米→納米

1米=1000個(gè)毫米，1毫米=1000個(gè)微米，1微米=1000個(gè)納米。

納米約4倍原子大小，萬分之一頭發(fā)粗細(xì)?，F(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米根據(jù)具有納米尺度的維數(shù)，可以將納米材料劃分為：

(1)零維(原子團(tuán)簇和超微粒子)；

(2)一維(納米管、線)；

(3)二維(納米薄膜、多層膜)；

(4)三維塊體材料(由原子團(tuán)簇及超微粒子組成)．廣義的納米材料則主要包括：

(1)納米晶體和納米玻璃材料；

(2)金屬，半導(dǎo)體，或聚合物納米管和納米薄膜；

(3)金屬鍵，共價(jià)鍵或分子組元構(gòu)成的納米復(fù)合材料；

(4)人造超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)；

(5)半結(jié)晶聚合物和聚合物混合物。現(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米當(dāng)微粒小于100nm時(shí)，物質(zhì)的很多性能將發(fā)生質(zhì)變，從而呈現(xiàn)不同于宏觀物質(zhì)的奇異現(xiàn)象：

(1)低熔點(diǎn)、高比熱容、高膨脹系數(shù)；

(2)高反應(yīng)活性、高擴(kuò)散率；

(3)高強(qiáng)度、高韌性；

(4)奇特磁性；

(5)極強(qiáng)的吸波性。納米材料的性能：例如：納米相陶瓷是摔不碎的，且具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點(diǎn)；納米相銅的強(qiáng)度比普通銅高5倍?，F(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米納米材料應(yīng)用舉例：含鉛汽油中的鉛很容易通過血液長期蓄積于人的肝、腎、脾、肺和大腦中，從而導(dǎo)致人的智能發(fā)育障礙和血色素制造障礙等后果。汽車尾氣的處理：加入納米級的復(fù)合稀土氧化物后，對尾氣的凈化特別明顯，尾氣中的CO、NOx幾乎完全轉(zhuǎn)化。現(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米特種半導(dǎo)體納米材料使海水淡化；納米TiO2可以用來降解有機(jī)磷，降解毛紡染整廢水，降解石油……現(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米紐約大學(xué)制造的納米機(jī)器人，是幾百個(gè)原子、分子組成的顆粒，尺寸只有幾十個(gè)納米，表面活性很大，可進(jìn)入血管中，清除過多的脂質(zhì)和有害物質(zhì)，激發(fā)血細(xì)胞的活性，完成醫(yī)生不能完成的血管修補(bǔ)等工作?？茖W(xué)家還制備出了由78個(gè)原于構(gòu)成的分子馬達(dá)，可用作生物導(dǎo)彈和納米機(jī)器人的驅(qū)動器。

現(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米碳納米管是直徑非常細(xì)的中空管狀納米材料，它能夠大量地吸附氫氣，成為許多個(gè)“納米鋼瓶”。研究表明，約2/3的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來。據(jù)預(yù)測，到2010年，就可以生產(chǎn)出氫氣汽車，只需攜帶1.5升左右的儲氫納米碳管，即可行駛500km?，F(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米因納米碳管既輕又強(qiáng)度極高，是鋼的10—100倍，用它來作防彈衣就像用羽絨做成的防寒服一樣，既可折來疊去，又能抵御強(qiáng)大的子彈的沖擊力?，F(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米吸波：納米ZnO對雷達(dá)電磁波具有很強(qiáng)的吸收能力，所以可以做隱形飛機(jī)的重要涂料?，F(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米納米藥物：

比如說中藥的有效成分中有很多是能夠治療心腦血管疾病的，像亞麻酸、亞油酸。如果我們把這種東西納米化之后，來清理我們的血管，就有可能做到。

因?yàn)樗奈锢砘钚砸簿褪撬谋砻娣e，尺度下降了三個(gè)數(shù)量級，它的物理活性表面積就提高了六個(gè)數(shù)量級，六個(gè)數(shù)量級就是一百萬倍，也就是說它的物理活性提高了這么多，其療效就會提高一百萬倍。本來要吃進(jìn)去一噸的中藥湯，這時(shí)候只需要把中藥湯提煉成一克，注射到血液當(dāng)中去，就可以了。這不是神話?，F(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。根據(jù)Kubo公式計(jì)算Ag微粒在1K時(shí)出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)的臨界粒徑da，納米粒子基本理論：現(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米根據(jù)：Ag的電子數(shù)密度n1＝6×1022cm-3得到：（K·cm3）當(dāng)T＝1K，能級最小間距帶入上式，得出：d＝20nm現(xiàn)代無機(jī)材料概述無機(jī)納米小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)?，F(xiàn)