环境功能材料1材料基础知识

1环境功能材料environmentfunctionalmaterials2课件下载地址•百度网盘•账户：[e-mail]•密码：wangchuan437•王川15598249510主楼3293环境功能材料本课程中指能够净化、治理、修复环境的材料，与环境工程材料的涵义基本相当，包括环境净化材料、环境治理材料、环境修复材料等。注意与本科课程环境材料的概念的区别。4环境功能材料用途化学污染控制：水、大气、固废物理污染控制：噪声、辐射、电磁波环境修复：水、大气、土壤5参考书1．冯玉杰．环境功能材料．化学工业出版社2．华坚．环境污染控制工程材料．化学工业出版社6讲授内容一、材料学基础二、各种环境功能材料7课程特点1.针对某一种环境功能材料，泛泛概述性的内容仅占一小部分，主要目的是帮助同学回忆基本概念，基本原理。2.会选择某一类中最常用的材料做详细介绍，既包含材料在环境中的应用，也包含材料本身的制备过程等。3.重视材料学基础，从材料的化学成分、组织结构等解释功能特性。从材料的专业角度去看待环境过程。8第一章材料学基础一、材料的发展史及分类二、材料的成分与组织结构9第一节材料的发展史及分类10一、材料的定义材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质。11二、材料的发展史材料是人类社会进步的里程碑12人类使用材料的七个时代1．石器时代：公元前10万年2．青铜器时代：公元前3000年3．铁器时代：公元前1500年4．陶器时代：公元元年5．钢时代：1800年6．硅时代：1950年7．新材料时代：1990年131.石器时代公元前10万年旧石器时代：工具制作粗糙，用途尚未分化新石器时代：对石料进行加工，得到不同用途的石器142.青铜器时代公元前3000年出现了添加锡、铅的铜合金熔点低，铸造性能良好用作武器、生活用具、生产工具等153.铁器时代公元前1500年高温下用木炭还原铁矿石生产铁强度较高，可加工性能良好用作武器和器件164.陶器时代粘土制作简单的陶器在公元元年左右，高温烧制陶器而形成瓷器瓷器由于局部熔化而变得更加致密坚硬，克服了陶器多孔与透水的缺点175.钢时代1800年左右钢：含碳量0.2%-2.11%①高温下具有高强度→蒸汽机②农业经济社会进入工业经济社会③导致了大规模的机械化生产，引起了第一次产业革命，即工业革命186.硅时代1950年①爱迪生效应－二极管，三极管－电子管时代②硅、锗半导体材料的出现－晶体管取代电子管－进入硅时代③单晶硅生产集成电路－微型化197.新材料时代1990年具有一般传统材料所不可比拟的优异性能和特定性能特征：•由多种材料决定社会和经济发展•以人造为特征•为了特定的需要设计和加工而成20三、材料科学与工程21材料科学通过材料本质的发现、分析和了解等方面的研究，提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释材料结构与性能之间的关系的科学。22材料工程有关材料成分、结构、工艺和性能与用途之间有关知识和应用的科学。把基础知识应用于材料的研制、生产、改性和应用，以完成特定的社会任务23材料科学四要素1）成分/结构(Composition/Structure)：影响其性质的直接因素成分/结构合成/加工性质效能4）效能(Performance)（使用性能或效果）：是指材料在使用条件下的表现，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线，乃至寿命估计等3）性质(Properties)（性能）：力学性质、物理性质和化学性质2）合成/加工(Synthesis/Processing)：改变材料的组织结构而影响其性质24四、材料的分类1．按化学成分、生产过程、结构及性能特点分类：1）金属材料：以金属元素为基础的材料优良的力学性能，特别是高强度和高韧性；优良的可加工性a.铁及铁基合金b.非铁金属及其合金252）有机高分子材料一类由一种或几种分子或分子团（结构单元或单体）以共价键结合成具有多个重复单元的大分子材料特点：种类多、密度小，比强度大，电绝缘性、耐腐蚀性好、加工容易，可符合多种、特种用途的要求26273）无机非金属材料除金属材料、有机高分子材料以外的几乎所有材料特点：耐高温、高硬度、抗腐蚀，以及优良的介电、压电、光学、电磁性能及其功能转换特性等284）复合材料由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的材料（1）按基体可分为金属基、有机高分子基、无机非金属基复合材料（2）按用途可分为结构复合材料和功能复合材料292．按使用性能分类1）结构材料：以力学性能为主的材料的统称2）功能材料：以特殊物理性能或化学性能为主的材料的统称304．按物理性质分类导电材料半导体材料绝缘材料高温材料高强度材料磁性材料超导材料透光材料316．按用途分类电子材料研磨材料电工材料光学材料建筑材料感光材料耐酸材料包装材料32第二节材料的成分与组织结构33一、材料的成分与结构材料的成分：指组成材料的元素种类及其含量通常用质量分数（ω）或粒子数分数（x）表示34材料的结构指材料中原子（离子或分子等）的排列方式材料原子、离子和分子间的结合键决定材料的性质35晶体晶体：由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间作有规律的周期性重复排列而形成的固体近程有序、远程有序36非晶体非晶体：质点在三维空间不呈周期性的规则排列近程有序、远程无序晶体SiO2非晶体SiO237晶体与非晶体的区别质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列（晶体具有自范性）晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体无明显熔点，只存在一个软化温度范围晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性38单晶体与多晶体单晶体：质点按同一取向排列，由一个核心（晶核）生长而成的晶体多晶体:由许多不同位向的小晶体(晶粒)所组成的晶体各向同性－假等向性39βαγc晶体的几个定义1）阵点：将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子）抽象成纯粹的几何点称为阵点。2）空间点阵（简称为点阵）：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周围环境的模型。3）晶格：作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的几何格架称为晶格。4）晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。5）晶胞参数：晶胞三条棱边（晶轴）的边长a、b、c及晶轴之间的夹角α、β、γ称为晶胞参数。ba40晶系与布拉菲点阵根据晶胞的外形，即晶轴长度和晶轴夹角将晶体分为七大晶系：立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、三方（菱方）十四种布拉菲点阵：立方：简单立方，体心立方，面心立方四方：简单四方，体心四方正交：简单正交，底心正交，体心正交，面心正交六方：简单六方单斜：简单单斜，底心单斜三斜：简单三斜三方（菱方）：简单三方（菱方）41三斜：a≠b≠cα≠β≠γ≠90o单斜：a≠b≠cα=γ=90o≠β正交：a≠b≠cα=β=γ=90o四方：a=b≠cα=β=γ=90o菱方：a=b=cα=β=γ≠90o六方：a=b≠cα=β=90o，γ=120o立方：a=b=cα=β=γ=90o底心体心面心42体心立方简单立方面心立方三种立方晶体结构43晶体形成的途径•熔融态物质凝固•溶质从溶液中析出•气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)44晶体的组成多元晶体：由两种或更多元素组成组成方式：固溶体和化合物固溶体：加盟组元（溶质）原子占据基本组元原子晶体中所占位置的一部分或它们之间的某些空隙，而仍保持基本组元（溶剂）的晶体结构化合物：加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成新的晶体结构（单质）（置换型固溶体）（间隙型固溶体）45晶体的缺陷晶体结构缺陷的类型：1.点缺陷：零维缺陷2.线缺陷：一维缺陷，位错3.面缺陷：二维缺陷46点缺陷指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的间隙原子而导致的缺陷。缺陷尺寸很小，仅引起几个原子范围的点阵结构的不完整(a)空位(b)杂质质点(c)间隙质点47线缺陷线缺陷：晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象刃位错螺位错48面缺陷在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，如晶界、相界等49二、材料的组织在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各组成相形态、尺寸及分布的图像50三、材料成分和组织结构的检测高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）扫描电子显微镜（SEM）扫描探针显微镜/扫描隧道显微镜（SPM/STM）原子力显微镜（AFM）X射线衍射（XRD）热重/差热分析/差示扫描量热法（TG/DTA/DSC）BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法）51高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）高压电子束穿过很薄的样品，阻止电子通过的样品区域呈现出图像分辨率可达0.1nm，放大倍数在150万倍以上52透射电镜的成像原理类似于医学X光片子20nmB53透射电子显微镜：线粒体54大肠杆菌55珊瑚沙56铁纳米颗粒57纳米纤维58扫描电子显微镜（SEM）电子束在试样表面扫描，用探测器收集相关信息，逐点逐行地在显像管上显示出来分辨可达0.6nm59红细胞60舌乳头61胃壁腺体62636465666768扫描隧道显微镜（STM）将探针靠近导电样品表面对其进行扫描,样品和探头之间的隧道电流可连续监测,获得其表面图像。横向分辨本领高达0.1－0.2nm，而深度分辨率为0.01nm。可以在超高真空，真空，大气，液体中无损伤地直接观察物质表面结构。直接观察和移动原子G．Binnig和H．Rohrer于1981年发明，获得1986年诺贝尔物理学奖（恒电流模式）（恒高度模式）69扫描隧道显微镜（STM）STMimageofoxygenatomlatticeonrhodiumsinglecrystal;partofstudyofelectrocatalysis.4nmscanSource:PurdueUniversity.4nm70扫描隧道显微镜（STM）STMimageshowingsingle-atomdefectiniodineadsorbatelatticeonplatinum.2.5nmscan71原子力显微镜（AFM）利用针尖和试样原子间的相互微弱作用力来获得试样表面的形貌图像可用于研究绝缘体，半导体及导体，也可对DNA分子进行切割Fieldofview30mmx30mmMetallicglasssurfaceFieldofview2mmx2mmpolystyrenemicrospheres72X射线衍射（XRD）X射线与晶体相遇时能发生衍射现象。当一束单色X射线入射到晶体时，原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关通过晶体的衍射探测其结构51015202530354045500100020003000400050006000700014.79.624.127.3Intensity2(degrees)731020304050607080预热处理后2211111-SiO22-CaCO32/degreeintensity/cps1预热处理前1……SiO22……CaCO3建筑垃圾的XRD图谱74方沸石及混合物的XRD图谱10203040506070801111111intensity2/degree1-Analcime2-Magnetite122ZCFMZC75热重/差热分析（TG/DTA）热重法(TG):在温度程序控制下，测量物质质量与温度之间关系的技术差热分析(DTA)：在温度程序控制下，测量物质的温度和参比物温度差和温度关系的一种技术02004006008001000707580859095100TemperatureDifference(oC)Weight(%)Temperature(oC)-8-6-4-202TGDTA76热重曲线（TG）•CaCO3的热重曲线77DTA曲线78BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法）Brunauer-Emmett-Teller三人提出多分子层理论的公式简称为BET公式利用压力和氮气吸