《化工與材料科學(xué)》課件

化工與材料科學(xué)課程導(dǎo)言本課程將深入探討化工與材料科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)，為學(xué)生提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐技能，培養(yǎng)未來的化工與材料科學(xué)家?；づc材料科學(xué)的定義化工是指利用化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)過程進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化、分離、提純以及生產(chǎn)制造的過程。它涉及從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，涵蓋醫(yī)藥、化肥、塑料、橡膠等多個(gè)行業(yè)?；づc材料科學(xué)的歷史發(fā)展1古代人類就已利用簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)和材料來制作工具和器皿。218世紀(jì)，近代化學(xué)的興起為化工與材料科學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。319世紀(jì)，工業(yè)革命的推動(dòng)下，化工與材料科學(xué)取得了巨大進(jìn)步，為人類社會(huì)帶來了新的生產(chǎn)力和生活方式。420世紀(jì)，化工與材料科學(xué)進(jìn)入高速發(fā)展階段，合成材料、納米材料等新材料不斷涌現(xiàn)。5化工與材料科學(xué)的學(xué)科范疇化學(xué)工程化學(xué)反應(yīng)工程、分離工程、過程控制等材料科學(xué)與工程金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料等納米材料科學(xué)與技術(shù)納米材料制備、性能表征、應(yīng)用開發(fā)等生物材料科學(xué)與技術(shù)化工與材料科學(xué)的學(xué)習(xí)目標(biāo)1掌握化工與材料科學(xué)的基本理論和知識(shí)體系2培養(yǎng)學(xué)生分析和解決化工與材料科學(xué)問題的能力提高學(xué)生科研創(chuàng)新和實(shí)踐應(yīng)用的能力化工與材料科學(xué)的教學(xué)方法課堂講授，講解化工與材料科學(xué)的基本理論和知識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過動(dòng)手操作加深對(duì)理論知識(shí)的理解案例分析，結(jié)合實(shí)際案例，培養(yǎng)學(xué)生的分析解決問題能力課題研究，鼓勵(lì)學(xué)生參與科研項(xiàng)目，提高創(chuàng)新能力化工基礎(chǔ)知識(shí)1化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)速率、反應(yīng)平衡、催化等2化學(xué)熱力學(xué)焓變、熵變、吉布斯自由能等3物質(zhì)的性質(zhì)狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等物質(zhì)的狀態(tài)與變化固態(tài)物質(zhì)具有固定的形狀和體積，分子排列緊密，相互作用力較強(qiáng)。液態(tài)物質(zhì)具有流動(dòng)的性質(zhì)，形狀不定，體積固定，分子排列較松散，相互作用力中等。氣態(tài)物質(zhì)具有流動(dòng)性和壓縮性，形狀和體積不定，分子排列非常松散，相互作用力很弱。化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)離子鍵：由陰陽離子通過靜電吸引力形成的化學(xué)鍵。共價(jià)鍵：由原子之間共用電子對(duì)形成的化學(xué)鍵。金屬鍵：由金屬原子之間共用自由電子形成的化學(xué)鍵。范德華力：分子之間由于電荷分布不均勻而產(chǎn)生的弱相互作用力?；瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)速率及其影響因素的學(xué)科反應(yīng)速率常數(shù)、活化能、催化劑等概念反應(yīng)速率方程、反應(yīng)機(jī)理等研究?jī)?nèi)容化學(xué)平衡與相平衡化學(xué)平衡可逆反應(yīng)中正逆反應(yīng)速率相等的狀態(tài)1相平衡多相體系中各相處于平衡狀態(tài)2平衡常數(shù)反應(yīng)平衡狀態(tài)下各物質(zhì)濃度或分壓的比例3相規(guī)則描述多相體系平衡狀態(tài)的定律4化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)△H焓變反應(yīng)過程中熱量變化△S熵變反應(yīng)過程中體系混亂度變化△G吉布斯自由能變化反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程一級(jí)反應(yīng)r=k[A]二級(jí)反應(yīng)r=k[A]^2零級(jí)反應(yīng)r=k材料基礎(chǔ)知識(shí)材料的分類與性能金屬材料：具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑、航空航天等領(lǐng)域。陶瓷材料：具有高熔點(diǎn)、耐高溫、耐腐蝕等特性，應(yīng)用于電子、航空航天、能源等領(lǐng)域。高分子材料：具有輕便、柔韌、絕緣性好等特點(diǎn)，應(yīng)用于包裝、紡織、建筑等領(lǐng)域。復(fù)合材料：由兩種或多種材料復(fù)合而成，兼具多種材料的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域。材料的晶體結(jié)構(gòu)晶體：原子、離子或分子在空間按一定規(guī)律周期性排列而成的固體物質(zhì)。晶胞：晶體中最小的重復(fù)單元，決定了晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。晶格：晶胞在空間的無限重復(fù)排列形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。晶體類型：立方晶系、六方晶系、正方晶系等。材料的缺陷與擴(kuò)散1點(diǎn)缺陷：晶格中原子位置的空缺或雜質(zhì)原子。2線缺陷：晶格中原子排列的局部不規(guī)則，如位錯(cuò)。3面缺陷：晶格中原子排列的二維不規(guī)則，如晶界。4體缺陷：晶格中原子排列的三維不規(guī)則，如孔洞。材料的相變與相圖溫度(°C)固相液相氣相材料的機(jī)械性能強(qiáng)度強(qiáng)度材料抵抗外力破壞的能力硬度硬度材料抵抗局部變形的能力韌性韌性材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力塑性塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力材料的電磁性能導(dǎo)電性：材料傳遞電荷的能力，如金屬、石墨等。導(dǎo)磁性：材料導(dǎo)通磁力線的能力，如鐵、鈷、鎳等。介電性：材料抵抗電場(chǎng)的能力，如陶瓷、塑料等。材料的熱學(xué)性能1熱導(dǎo)率：材料傳遞熱量的能力，如金屬、金剛石等。2比熱容：材料升高單位溫度所需的熱量，如水、鋁等。3熱膨脹系數(shù)：材料受熱后體積膨脹的程度，如鋼、鋁等。4熔點(diǎn)：材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，如鐵、鋁等。材料的表面性能1表面能：材料表面原子排列不規(guī)則，導(dǎo)致能量升高。2表面張力：液體表面由于表面能的存在而產(chǎn)生的張力。3表面吸附：材料表面吸附氣體或液體，形成吸附層。4表面潤(rùn)濕：液體與固體接觸時(shí)，液體在固體表面鋪展的現(xiàn)象。金屬材料鐵鋼鐵材料、合金1銅電線、電纜2鋁航空航天3鈦醫(yī)療器械4鎂輕質(zhì)合金5金屬材料的組成與結(jié)構(gòu)純金屬：由單一金屬元素組成的金屬材料，如銅、鋁等。合金：由兩種或多種金屬元素組成的金屬材料，如黃銅、青銅等。金屬的晶體結(jié)構(gòu)：體心立方、面心立方、密排六方等。金屬材料的機(jī)械性能屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度材料開始發(fā)生永久變形的應(yīng)力抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率材料斷裂前發(fā)生的塑性變形程度金屬材料的熱處理退火：將金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻，目的是降低硬度，提高塑性和韌性。正火：將金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻，目的是細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。淬火：將金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后在水中或油中快速冷卻，目的是提高硬度和強(qiáng)度?；鼗穑簩⒋慊鸷蟮慕饘偌訜岬降陀诖慊饻囟鹊臏囟龋匾欢螘r(shí)間，然后緩慢冷卻，目的是降低硬度，提高韌性。鋼鐵材料碳鋼含碳量較低，強(qiáng)度、硬度較低，塑性和韌性較好，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械制造等領(lǐng)域。合金鋼在碳鋼中加入其他合金元素，如錳、硅、鉻等，提高強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性等性能，應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。有色金屬材料銅導(dǎo)電性好，耐腐蝕，應(yīng)用于電線、電纜、管道等。鋁輕質(zhì)，強(qiáng)度高，應(yīng)用于航空航天、建筑、交通等。鈦強(qiáng)度高，耐腐蝕，生物相容性好，應(yīng)用于醫(yī)療器械、航空航天等。陶瓷材料陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能陶瓷材料的結(jié)構(gòu)：離子鍵、共價(jià)鍵為主，原子排列緊密，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。陶瓷材料的性能：高熔點(diǎn)、耐高溫、耐腐蝕、硬度高、絕緣性好等。陶瓷材料的制備方法1粉末冶金法：將陶瓷粉末壓制成型，然后高溫?zé)Y(jié)。2溶膠-凝膠法：將無機(jī)鹽溶液制成溶膠，然后通過凝膠化、干燥、燒結(jié)等步驟制備陶瓷。3水熱法：在高溫高壓下，利用水作為反應(yīng)介質(zhì)，合成陶瓷材料。功能性陶瓷材料1電子陶瓷：用于電子器件，如半導(dǎo)體、集成電路等。2結(jié)構(gòu)陶瓷：用于高強(qiáng)度、耐高溫部件，如航空航天、能源等領(lǐng)域。3生物陶瓷：用于醫(yī)療器械、骨骼修復(fù)等領(lǐng)域。復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以纖維為增強(qiáng)體，如碳纖維、玻璃纖維等。1顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料以顆粒為增強(qiáng)體，如金屬顆粒、陶瓷顆粒等。2層狀復(fù)合材料由不同材料層疊而成，如木材、膠合板等。3復(fù)合材料的分類與性能高強(qiáng)度復(fù)合材料用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。耐高溫復(fù)合材料用于發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭等領(lǐng)域。輕質(zhì)復(fù)合材料用于汽車、船舶等領(lǐng)域。復(fù)合材料的制備技術(shù)手糊成型法：將樹脂與增強(qiáng)體混合，手工鋪層，然后固化。真空灌注法：在真空條件下，將樹脂灌注到增強(qiáng)體模具中，然后固化。熱壓成型法：在高溫高壓下，將樹脂與增強(qiáng)體壓制成型，然后固化。高分子材料高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能高分子材料的結(jié)構(gòu)：由許多小分子單體通過化學(xué)鍵連接而成的長(zhǎng)鏈狀分子。高分子材料的性能：輕便、柔韌、絕緣性好、耐腐蝕、成本低等。高分子材料的加工工藝1擠出成型：將高分子材料加熱熔融，通過模具擠出成型，如塑料管、塑料薄膜等。2注塑成型：將高分子材料加熱熔融，注入模具中，冷卻固化成型，如塑料制品、玩具等。3吹塑成型：將高分子材料加熱熔融，吹入模具中，形成空心制品，如塑料瓶、塑料袋等。納米材料納米材料：尺寸在1-100納米之間的材料。納米材料的特性：尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)等。納米材料的應(yīng)用：電子、醫(yī)藥、能源、環(huán)境等領(lǐng)域。納米材料的結(jié)構(gòu)與性能1納米顆粒：尺寸在1-100納米之間的顆粒。2納米線：直徑在1-100納米之間的線狀材料。3納米管：管狀納米材料，如碳納米管。4納米薄膜：厚度在1-100納米之間的薄膜。納米材料的應(yīng)用前景電