材料化学绪论讲解
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材料化学绪论曾兆华版pdf•绪论•材料化学的基础知识•材料化学的研究方法与技术目•材料化学的应用领域与发展趋势•材料化学的挑战与机遇录01绪论材料化学的定义与重要性材料化学的定义材料化学是一门研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用的科学。
材料化学的重要性材料化学是材料科学的基础,对于新材料的发现、设计和应用具有重要意义。
同时,材料化学也是化学、物理、工程等多学科交叉的领域,对于推动科学技术的发展具有重要作用。
材料化学的研究对象与任务材料化学的研究对象材料化学的研究对象包括金属、陶瓷、高分子、复合材料等各类材料。
材料化学的任务材料化学的主要任务是探索新材料的制备方法、研究材料的组成与结构、揭示材料的性质与性能之间的关系,以及开发具有特定功能的新材料。
材料化学的发展可以追溯到古代,人们通过经验和试错的方式制造各种材料。
随着科学技术的进步,人们开始运用化学和物理的原理来研究和制造材料,逐渐形成了材料化学这一学科。
材料化学的现状目前,材料化学已经成为一个十分活跃的领域,新材料层出不穷,应用领域不断拓展。
同时,随着计算机模拟和人工智能等技术的发展,材料化学的研究方法和手段也在不断更新和完善。
材料化学的发展历史材料化学的发展历史与现状VS02材料化学的基础知识原子结构与元素周期表原子结构原子由原子核和核外电子组成,原子核位于原子中心,由质子和中子组成,核外电子绕核运动。
元素周期表元素周期表是按照原子序数从小到大排序的化学元素列表。
它将化学元素按照其原子序数(即核内质子数)进行排序,具有相同的电子排布的元素被归入同一族,而具有相同外层电子数的元素则按原子序数递增的顺序排列成周期。
化学键与分子结构化学键化学键是指分子内或晶体内相邻两个或多个原子(或离子)间强烈的相互作用力的统称。
分子结构分子结构,或称分子立体结构、分子、分子几何,建立在光谱学数据之上,用以描述分子中原子的三维排列方式。
分子结构在很大程度上影响了化学物质的性质、色泽、密度、硬度等。
第一章绪论1.基本概念材料化学:化学与材料科学两者结合,从分子水平到宏观尺度认识与控制结构与性能或功能的基本关系;是关于材料制备、加工和分析的化学,它的作用是改进材料的组成、结构以及合成方法,开发具有突出性能或特殊功能的新型材料。
2.材料的分类(1)按组成、结构特点分:金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料(2)按使用性能分:结构材料(主要利用材料的力学性能)功能材料(主要利用材料的物理和化学性能)(3)按状态分:单晶材料、多晶材料、非晶态材料、复合材料3.材料的构成要素当一种材料被创造、发现和生产出来时,该材料所表现出来的性质和现象是人们关心的中心问题,而材料的性质和现象取决于成分和各种层次上的结构,材料的结构又是合成和加工的结果,最终得到的材料制品必须能够、并且以经济和社会可以接受的方式完成某一指定的任务。
习题:1.什么是材料化学,应该从哪些角度来认识材料?2.你如何认识材料的结构与性能之间的关系?举例说明。
第二章材料化学的理论基础1.晶体的宏观特征:规则的几何外形、晶面角守恒、物理性质的各向异性、有固定的熔点。
2.晶体与非晶体之间的转化a 热力学:非晶态的吉布斯自由能高,是一种亚稳状态。
b 动力学:动力学上难以转化,(势垒高)如金刚石和石墨。
c 转化方法:机械能使晶体非晶化。
3.点阵:按连结任意两点所得向量进行平移后能够复原的一组点。
4.点阵的二个必要条件:(1)点数无限多;(2)各点所处环境完全相同。
5.平面点阵(晶面)指标(h k l)定义:一平面点阵在三个晶轴的倒易截数之比。
意义:用来标记一组互相平行且间距相等的平面点阵面与晶轴的趋向关系。
6.晶面间距d(hkl)定义:晶面指标为(h k l)的一组平面点阵中相邻的两平面点阵面间的垂直距离。
意义:每一种晶体物质都有一套特征d(hkl),是晶体物相分析的重要依据。
7.群:在一非空集合G中,当某种代数运算规定后,若集合同时满足封闭性、单位元素、逆元素、结合规律四个条件,则G构成一个群。
材料力学(材料化学专业)目的和要求材料力学课程的目的是使学生可以独立进行在比较简单的受力状态下材料的受力状况分析,并准确计算出该情况下材料的内力、变形等,并能够对材料的强度、刚度等性能指标作出准确的校核,以便最准确、安全和有效地利用材料。
基本内容及学时分配(共54学时)第一章绪论(4学时)1、材料力学的任务2、变形固体的基本假设3、内力、应力和截面法4、位移、变形和应变5、杆件变形的基本形式第二章拉伸、压缩和剪切(6学时)1、轴向拉伸与压缩的概念和实例2、拉伸或压缩时的内力和截面上的应力3、材料拉伸时的力学性能4、材料压缩时的力学性能5、失效、安全系数和强度计算6、轴向拉伸或压缩的变形7、轴向拉伸或压缩的变形能8、拉伸、压缩静不定问题9、温度应力和装配应力10、应力集中的概念11、剪切和挤压的实用计算第三章扭转(6学时)1、扭转的概念和实例2、外力偶矩的计算扭矩和扭矩图3、纯剪切4、圆轴扭转时的应力5、圆轴扭转时的变形6、扭转变形能7、圆柱形密圈螺旋弹簧8、矩形截面杆扭转理论简介第四章平面图形的几何性质(4学时)1、静矩和形心2、惯性矩和惯性半径3、惯性积4、平行移轴公式5、转轴公式主惯性轴第五章弯曲内力(10学时)1、弯曲的概念和实例2、梁的支座和载荷的简化3、剪力和弯矩4、剪力方程和弯矩方程剪力图和弯矩图5、载荷集度、剪力和弯矩间的关系第六章弯曲应力(6学时)1、梁的纯弯曲2、纯弯曲时的正应力3、横力弯曲时的正应力4、弯曲切应力5、提高弯曲强度的措施第七章弯曲变形(8学时)1、工程问题中的弯曲变形挠度和转角2、挠曲线的近似微分方程3、用积分法求弯曲变形4、用叠加法求弯曲变形5、弯曲变形能6、简单静不定梁7、提高弯曲刚度的措施第八章应力状态分析和强度理论(6学时)1、应力状态概述单向拉伸时斜截面上的应力2、二向和三向应力状态的实例3、二向应力状态分析4、二向应力状态的应力圆5、三向应力状态简介6、广义胡克定律7、复杂应力状态的变形比能8、强度理论概述9、四种常用的强度理论第九章组合变形(2学时)1、组合变形和叠加原理2、拉伸或压缩与弯曲的组合3、斜弯曲4、扭转与弯曲的组合第十章压杆稳定(2学时)1、压杆稳定的概念2、两端铰支细长压杆的临界压力3、其他支座条件下压杆的临界压力4、欧拉公式的适用范围经验公式5、压杆的稳定较核6、提高压杆稳定性的措施科技文献检索与利用(原化学文献)共18学时科技文献检索与利用课程的目的是使学生明确认识到科技文献的重要性,以及其在科学研究中的重要地位。
第一章(绪论)(1)材料的分类:金属、无机非金属、高分子、复合(2)材料四特性:结构、性能、制备和应用第三章(1)水热法原理:通过对高压釜加热、加压产生相对高温、高压的反应环境,使难溶或不溶物质溶解而达到不饱和,从而析出晶体。
(2)溶胶-凝胶法(sol-gel)原理:通过凝胶前驱体的水解缩聚制备金属氧化物材料。
前驱体:一般是无机盐和金属醇盐步骤:前驱体的水解、缩合——形成三维空间网络结构的凝胶——干燥、烧结固化应用:制备颗粒、纤维、表面涂膜和块状材料(3)液相沉淀法类型:直接沉淀法:在金属盐溶液中直接加入沉淀剂共沉淀法:在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂,全部沉淀。
均匀沉淀法:利用化学反应使构晶离子缓慢均匀的释放出来。
(4)固相反应(凡是有固相参与的化学反应都称作固相反应)特点:固态直接参与化学反应。
一般包括相界面上的反应和物质迁移反应开始温度常常远低于反应物熔点。
矿化剂的影响(作用)1、改变反应机制,降低反应活化能。
2、影响晶核的生产速率。
3、影响结晶速率及晶格结构。
4、降低系统的共熔点,改善液相性质。
(5)插层法与反插层法插层法:把一些新原子导入晶体材料的空位。
反插层法:将晶体材料的某些原子有选择性的移除。
应用:固态锂离子电池的阴极材料石墨基质(石墨层间化合物GIC)(6)自蔓延高温合成法原理:利用反应物间化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料。
平衡机制:燃烧反应与结构化同步进行。
非平衡机制:化学反应与结构化不同步。
(7)非晶材料的制备制备需解决的两个问题:1、形成原子或分子混乱排列的状态:2、将热力学的亚稳态在一定的温度范围保存下来,使之不发生晶态转变。
液相骤冷制备原理:使熔体急速降温,使晶体生长来不及成核,从而把熔体中无序结构保留下来,得到无序的固体材料。
主要方法:喷枪法、活塞法、抛射法。
第四章(1)耐氧化性1、化学腐蚀:金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗。
电化学腐蚀:金属和电解质组成两个电极,组成腐蚀原电池,损耗材料。
材料化学习题汇总材料化学知识要点与习题解答汇总第⼀章绪论1.材料:⼈类社会所能够接受的经济地制造有⽤器件的物质。
(可以⽤来制造有⽤的构件、器件或物品的物质。
)或材料是具有满⾜指定⼯作条件下使⽤要求的形态和物理性状的物质。
2.材料化学:在分⼦结构层次上研究材料的合成、制备、理论,以及分⼦结构和聚集态结构、材料性能之间关系的科学。
3.智能材料:能够随着环境、时间的变化改变⾃⼰的性能或状态⼀类新型功能材料。
4.在先进材料、电⼦信息技术、⽣物技术三⼤未来⾼技术领域中,先进材料中的先进陶瓷和⾼分⼦基质材料将于今后25年内在世界上发挥重⼤作⽤,并可能是美国在国际⽣产和技术竞争中保持强⼒地位的关键技术领域。
5.在第四代材料(可设计材料)中,最具代表性的是复合材料。
6.按照材料的化学组成材料可以分为哪⼏类?答:按照材料化学组成,可以分为⾦属材料、⽆机⾮⾦属材料、有机⾼分⼦材料、复合材料。
7.按照材料的性能材料可以分为哪⼏类?答:按照材料的性能,可以分为(结构材料)和(功能材料)。
8.材料的结构分为哪⼏个层次?请举例说明。
答:材料的有效性总体上可以分为分⼦结构、分⼦聚集态结构和构成材料的外形结构等三个层次。
分⼦结构:属于原始基础结构,决定材料所具有的潜在功能;分⼦聚集态结构:决定材料所具有的可表现的实际功能;构成材料的外形结构:决定材料具有某种特定的有效功能。
例如贝克,贝壳的基本性质由构成它的碳酸钙和多糖基质(材料的分⼦结构)的结构决定,但⼆者通过有序组装(材料的聚集态结构)构成的复合材料决定了它的基本材料性质。
⽽且只有当这种材料构成⼀定的壳状结构(材料的外形结构)时,它才能起到贝壳的作⽤。
9.何为材料科学研究的四要素?答:材料科学研究的四要素是指材料的“基本性质”、“结构与成分”、“合成与加⼯”、“使⽤性能”。
基本性质:主要指材料的物理和化学性能等,⽤以确定材料功能特性和效⽤的描述;结构与成分:主要指材料的化学组成,物理和化学结构,⽤以确定制造每种特定材料所采取的合成和加⼯的结果;合成与加⼯:主要指建⽴原⼦、分⼦和分⼦团的新排列,在所有尺⼨上(从原⼦尺⼨到宏观尺⼨)对结构的控制,以及⾼效⽽有竞争⼒地制造材料和零件的演变过程;使⽤性能:主要指材料固有性质同产品设计、⼯程能⼒和⼈类需求相融合要⼀起的⼀个要素。
材料化学绪论知识点总结一、材料化学的基本概念1.1 材料化学的定义材料化学是一门研究材料结构、性能和制备方法的学科。
它涉及材料的原子结构、晶体结构、材料的物理性质和化学性质等方面。
材料化学旨在探索材料的内在规律,促进新材料的开发和应用。
1.2 材料化学的发展历史材料化学的研究可以追溯到古代,如金属冶炼、陶瓷制作等。
随着化学、物理学等学科的发展,材料化学逐渐成为一个独立的学科。
20世纪末以来,材料化学得到了迅速发展,取得了许多重大突破,如纳米材料、功能材料等的研究。
1.3 材料化学的研究内容材料化学主要包括材料性能的研究、结构与性能的关系、材料的制备与加工等内容。
在这些研究领域中,涉及了很多基本概念和原理,我们将在后续章节中详细介绍。
二、材料的结构与性能2.1 材料的晶体结构晶体是由规则排列的原子或分子组成的固体结构,具有长程有序性。
晶体结构对材料的性能有着重要影响。
常见的晶体结构有离子晶体、共价晶体、金属晶体等。
2.2 材料的物理性质材料的物理性质包括热学性质、电学性质、光学性质等。
这些性质的表现取决于材料的结构和成分。
2.3 材料的化学性质材料的化学性质反映了材料在化学反应中的行为和特性。
主要包括化学稳定性、化学活性等。
对于材料的应用和稳定性有重要意义。
2.4 结构与性能的关系材料的结构和性能之间存在着密切的关系。
通过了解材料的结构,可以预测材料的性能;通过改变材料的结构,可以调控材料的性能。
三、材料的制备方法3.1 化学合成法化学合成法是指通过化学反应合成材料的方法。
例如,通过溶液法、气相法合成各种无机化合物、高分子化合物等材料。
3.2 物理制备法物理制备法是指通过物理手段制备材料,如溅射法、磁控溅射法等。
这些方法适用于各种材料的制备,得到的材料通常具有较高的纯度和均匀的结构。
3.3 生物制备法生物制备法是指利用生物体或生物体制造材料的方法。
如利用微生物合成高分子材料、利用植物提取天然产物等。
化学绪论知识在材料科学中的应用有哪些关键信息项:1、化学绪论知识的具体范畴2、材料科学的主要领域3、化学绪论知识在各材料科学领域的具体应用方式4、应用过程中的影响因素5、应用所带来的优势和局限性6、未来可能的发展趋势和研究方向1、引言11 化学绪论知识是化学学科的基础,涵盖了化学的基本概念、原理和方法。
12 材料科学作为一门交叉学科,与化学密切相关。
13 探讨化学绪论知识在材料科学中的应用具有重要意义。
2、化学绪论知识的范畴21 化学元素与原子结构211 元素周期表的规律和特性212 原子的电子构型和化学键的形成22 化学热力学与动力学221 热力学定律在化学反应中的应用222 反应速率和反应机制的研究23 溶液化学与化学平衡231 浓度、溶解度和酸碱平衡232 沉淀溶解平衡和配位平衡3、材料科学的主要领域31 金属材料311 钢铁、铝合金等的性能和制备312 金属的腐蚀与防护32 无机非金属材料321 陶瓷、玻璃和水泥的组成与结构322 新型无机非金属材料的研发33 高分子材料331 塑料、橡胶和纤维的合成与性能332 高分子材料的改性和应用34 复合材料341 纤维增强复合材料的特点和制备342 层状复合材料的性能优化4、化学绪论知识在金属材料中的应用41 利用原子结构知识优化合金成分411 根据元素的电子构型选择合适的合金元素,改善金属的性能。
412 控制杂质元素的含量,提高金属的纯度和质量。
42 依据化学热力学和动力学原理改进金属的制备工艺421 优化反应条件,提高金属的提取效率和纯度。
422 研究金属的相变过程,控制金属的组织结构。
43 通过溶液化学和化学平衡知识进行金属的表面处理431 电镀、化学镀等方法增加金属表面的防护层。
432 利用酸碱处理改善金属表面的粗糙度和润湿性。
5、化学绪论知识在无机非金属材料中的应用51 基于元素周期表选择合适的无机非金属元素511 制备具有特定性能的陶瓷材料。