材料化学期末总结

1材料化学期末总结12/23/2014第一章1.1材料的定义：-由原料中取得，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、木材、皮革、塑料、天然纤维和化学纤维等-可为社会接受而又能经济的制造有用器件的物质离子键：一种静电型键，是由电荷相反的离子通过其过剩电荷的库伦引力所形成的。金属元素与非金属元素之间易形成，例如NaCl离子极化：在外电场作用下，离子中电子分布的重心会偏离原子核而导致离子变形，产生诱导偶极矩离子极化率：在外电场的作用下，电子云变形的能力。它主要取决于核电荷对外层电子吸引的强弱程度和外层电子的数目影响离子极化的因素：-离子半径：离子半径越大，极化率越大；一般负离子的半径较正离子大，所以负离子的极化率一般较大-离子价数：离子价数越高，极化率越大-离子的电子云构型：能带理论：金属半导体和绝缘体的能带特征：1.2本征半导体：半导体性质是由于电子从满带被激发到导带而产生的；高纯材料，它的载流子为激发到导带的电子和留在满带的空穴，且两者的浓度相等，其值完全受能带间隙的大小和温度支配杂质半导体：其电性能受外掺杂剂控制的一类半导体1.3缺陷的表示符号：电子缺陷：在固体晶格中，由于本征点缺陷或杂质点缺陷的存在，晶格的周期性势场局部地受到破坏，在这些局部地区，电子的能态同晶体中其他部分的能态有所不同，这类缺陷为电子缺陷施主杂质：有些杂质掺进去后，能提供给导带以电子，形成n型半导体受主杂质：有些杂质掺进去后，能接受满带的电子，满带中出现空穴，形成p型半导体载流子浓度对温度的依赖关系：电导率对温度的依赖关系：1.4晶子学硕与无规网络学说的观点和异同：双体概率分布函数的强度给出了材料的有序程度：晶态、非晶态、液态和气态材料的典型的双体概率分布函数1.52高分子：分子量高于1万单体：通常将生成高分子的那些低分子原料称为单体聚合度：聚合物分子中，单体单元的数目称为聚合度一级结构：单个大分子内与基本结构单元有关的结构，包括结构单元的化学组成、键接方式、构型、支化和交联以及共聚物的结构二级结构：若干链节组成的一段链或整根分子链的排列形状三级结构：在单个大分子二级结构基础上，许多这样的大分子聚集在一起而成的结构，也叫聚集态结构或超分子结构，包括结晶结构、非晶结构、液晶结构和取向结构高分子链的柔顺性和其结构影响因素：高分子链由于内旋转能够不断改变其构象的性质称为柔顺性影响因素：a.主链结构b.侧基c.分子链的长短d.分子间作用力第二章2.2陶瓷法含义（固相反应法）：在恒温条件下，通过固体原料化合物的直接反应来制备材料。可用于制备一般的陶瓷材料机理：固体原料化合物在一定的较强烈的反应条件下（如加热至1000~2000度甚至更高的温度），晶体的原料粉末互相混合，通过接触的晶面发生离子的自扩散或互扩散，或原有化学键的断裂和新化学键的形成及新物相的生成，晶体结构产生变化，这种变化向固体原料内部或深度扩散，最终导致一种新多相材料的生成陶瓷法的不足：（方法本身决定的，要彻底消除是不太可能的）-反应只能在相界面进行，随后的扩散过程也十分困难-反应最终得到的往往是反应物和产物的混合体系，极难分离或提纯-即使反应进行得再完全，也很难得到一个纯相的体系-存在反应容器污染产物的问题化学法：能得到高纯，均相的材料，制得的材料有很大的表面积，对于制备催化剂载体或其他很细的粉体材料非常有用前驱体法：-使反应物在原子级水平上混合，制备出有确定化学计量的单一化合物，这一固态物质成为前驱体，前驱体在加热之后能得到所设计的产物。-缺点：前驱体中化学计量与产物化学计量保持一致较困难局部氧化还原法：-插层法：当某些晶体结构具有一定程度的开放性，即它们允许一些外来的原子或离子扩散进入或逸出晶体结构，使原来晶体的结构和组成发生变化，生成新的晶体材料局部离子交换法：-具体一定程度的开放性并允许一些外来的原子或离子进入或逸出晶体，还可通过局部离子交换法制备新的晶体材料化学法特点：（前驱体法，局部氧化还原法，局部离子交换法）单晶材料的制备：3提拉法：（从熔体中生长晶体）过程：将原料熔于一无反应性的热坩埚中，熔体的温度调节到略高于原料的熔点，即将要生长的材料在坩埚中熔化，然后将籽晶插入到熔体里，达到热平衡后，籽晶既不熔掉也不长大，缓慢向上提拉籽晶，同时旋转籽晶，籽晶缓慢的在熔体中生长，当籽晶由熔体里缓慢地拉出时，在界面就连续地发生晶体生长优点：a）在生长过程中可以方便地观察晶体的生长状况b）晶体在熔体表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著地减少晶体的应力，并防止锅壁的寄生成核c）可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺。缩颈后配籽，其位错可大大减少，这样可使放大后生长出来的晶体，其位错密度降低实现成功的提拉必须满足的准则：a）晶体（或晶体掺杂物）熔化过程中不能分解，否则有可能引起反应物和分解产物分别结晶b）要求坩埚不污染熔体c）炉子及加热元件要保证能加热到熔点，该熔点要低于坩埚的熔点。坩埚熔点比工作温度必须高出200度左右d）要能够建立足以形成单晶材料的提拉速度与热梯度相匹配的条件Cvd法：半导体晶体生长的气相外延法：焰熔法的优点：焰熔法的缺点：2.3无定形材料的制备非晶态材料的基本特征：-各向同性。非晶态材料各个方向的性质，如硬度、弹性模量、折射率、热膨胀系数、导热率等都是相同的。是材料内部指点无序排列而呈统计均质结构的外在表现-介稳性。在一定的外界条件下，具有自发放热转化为内能较低的晶体的倾向-无固定熔点。玻璃台物质由固体转变为液体是在一定温度区间（转化温度范围内）进行的-物理、化学性质随温度变化的连续性和可逆性。非晶态材料由蓉蓉状态冷却转变为固体（玻璃体）是渐变的，需在一定温度范围内完成，其物理、化学性质的变化是连续、可逆的-没有任何长程有序，只存在小区间内的短程有序-衍射花纹是由较宽的晕和弥散环组成，在电子显微镜下看不到晶粒、晶界、晶格缺陷等•金属玻璃的制备方法-非晶态金属的性能特点，制备的一般原理）•玻璃具有那些优异的性能，玻璃中常见成分的作用（SiO2等待）：42.4聚合物材料的制备链式聚合反应的一般性特征：自由基聚合（链增长反应有两个特征，双基偶合和双基歧化）：阳离子聚合（常用的催化剂）：阴离子聚合（亲核引发和电子转移引发，“活”性聚合物）的各自包含哪些基元反应（离子聚合的特征：活性中心，离子聚合反应对单体有高度的选择性），成环反应的单体光纤优点：光学纤维分类：光导纤维的制备工艺：纳米：纳米效应：纳米材料特殊热，光，电，磁现象：第三章表面：指物体与真空或本身的蒸汽接触的面。由于绝对的真空并不存在，许多场合下，把固相与气相、液相与气相之间的分界面都称为表面弛豫表面：-固体表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直距离偏离固体内部的晶格常数，而其晶胞结构基本不变，这种情况称为弛豫-离子晶体中各个正负离子间的主要作用力是库伦静电力，这是一种远程力，所以其表面比较容易发生弛豫现象重构表面：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间间距与体内相同界面行为：在如何两相相交的界面上，质点所受的力不平衡，因而存在着界面张力，在界面张力作用下界面上会发生一系列物理化学过程：吸附、润湿、粘附、摩擦、封接吸附：处于气相的分子或原子与表面的结合，可以是物理吸附，或化学吸附产生吸附的原因：固体表面具有过剩的能量——表面自由焓；为了使固体表面自由焓降低，在一定的温度和压力下，固体表面可以自动地吸附那些降低其表面自由焓的物质物理吸附和化学吸附的含义及特点：5吸附热：吸附所释放出的能量近似地表征了吸附质点和吸附剂的结合的牢固性吸附平衡与吸附等温线：-吸附平衡式描述动态平衡，即单位时间内固体表面的吸附分子数与离开的分子数相等，表现出吸附速率为0-粘湿：在固体与液体接触之前，固体的表面实质上是固-气界面。当固体表面与液体接触后，原有的固-气界面和液-气界面都不存在，而生成新的固-液界面浸湿：将固体全部浸入液体之中，即固-液界面完全取代原有的固-气界面铺展：当液体在固体表面铺展开来形成均匀液膜时，不仅固-液界面取代了原来的固-气界面，并且原有的液-气界面也得以扩大以上三种各自的能量判据与接触角判据：粘附含义：粘附实质互相接触的两个表面之间互相吸引；这种相互吸引即可是范德华作用力，也可以是化学键合作用或机械连接固体表面催化：固体催化剂：催化剂组成：多相催化反应的过程：固体催化剂（特别是金属催化剂，其不同晶面的催化活性是不同的）：催化反应的几何对应原则与能量对应原则：固体酸和固体碱含义，分类：产生固体酸碱中心的催化反应机理：简单氧化物中形成酸、碱的一般机理（举例Al2O3）：二元氧化物混合物固体酸中心形成规则：表面改性：第四章等离子体：气体分子电离产生的带电粒子密度达到一定数值时，这种电离气体是有别于普通气体的一种新的物质聚集态，列为物质的第四态。无论气体是部分电离还是完全电离，其中的正负电荷总数在数值上总是相等的，故称为等离子体。-等离子体就是指电离气体，它是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体。6电离气体与普通气体的区别：-电离气体是带电粒子和中性粒子组成的集合体；普通气体是由电中性的分子或原子组成-电离气体是一种导电流体，能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性。电离气体中的带电粒子间存在库仑力（电离气体作为一个带电粒子系，其运动行为受到磁场的影响和支配），而普通气体分子间并不存在净电磁力。等离子的温度被定义为电子温度Te、离子温度Ti、和中性粒子温度Tg热平衡等离子体：Te=Ti时，成为热平衡等离子体，简称为热等离子体；特点：电子温度高，重粒子温度也高非平衡等离子体：TeTi-等离子体中，高温未必意味着非常热等离子体判据(三条)：等离子体鞘：如下，偏离电中性的薄层鞘层的形成：-当等离子体与容器壁接触时，表现出与普通气体截然不同的性质。等离子体不是直接接触器壁的，而是在与器壁表面的交界处，形成一个电中性被破坏了的薄层，实验表面，在这种情况下形成的薄层是一个负电位的区域，它把等离子体包围起来，如在放电管中发生辉光放电时，即可看到等离子体辉光被靠近器壁的一层“暗区”包围的现象-电极近旁的鞘层-浮置基板处的鞘层光化学反应的主要特点：-光化学反应是从物质吸收光子开始的（考）-一个有效订单光化学反应是激发态分子化学退激速度常数与物理退激速度常数相竞争的结果-与热化学反应相比，光化学反应的选择性更强-对于光化学反应来说，用光源辐照反应体系，不仅能提高化学反应速率，而且可以改变化学反应平衡状态-光化学反应产物和产物的产率与光源辐射波长密切相关初级过程：次级过程：化学退激：物理退激：光化学反应中适用的光：发光类型：量子产率定义（举例）：表征反应物吸收光经由光化反应生成产物的效率化学电源：一种能将化学能转接变成电能的储能或换能装置（考）燃料电池：两个电极的反应物和生成物不储存在电池内部，而是由外部连续不断地供给反应7物及时从电池内部排除生成物的电池，能连续的吧燃料的化学能直接转变成电能的装置（考）电池容量C：电池所输出的能量，它表明由电池中能取出的电量值，一般以安培小时为单位（考）电池能量密度：电池输出的电能与电池的重量或体积之比电池的功率密度：电池的输出功率与电池的质量或体积之比，分别称为质量功率和体积功率密度一次电池：一种经常处于可工作状态、放电后不能靠通入反向电流使两电极的活性物质恢复原来状态的电池（考）二次电池：一种电能的储存器，电池反应可以正向进行，也可以逆向进行。放电时，为一自发电池，充电时则为一电解池，充电后，电池容量得到恢复影响锌-锰电池性能的因素及防护措施：镍氢电池必须及时充电吗？必须经常定期彻底充放电。如果经常维持充满电或浅放电连续循环使用，会使电池的容量大大减小，寿命缩短。这是因为浅放充电过程中没有被使用的羟基清花镍会发生反应而改变性质，两极上的活性物质的结晶颗粒会自行长大而失去活性。只要多次地深放电到电池不能工作时立即充电，电池的全部容量都能得到恢复燃料电池的基本原理和特点：-原理：-特点：主机无运转部件，易建设，易维修，比功率高，污染少熔融碳酸盐燃料