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《材料化学》PPT课件

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《金属材料化学》课件

《金属材料化学》课件

镁：广泛应用于汽车、 电子、机械等行业
稀有金属：广泛应用 于电子、化工、机械
等行业
功能金属材料：具有特 殊物理、化学性质的金 属材料
应用领域：电子、航空 航天、医疗、能源等
案例分析：金属材料 在电子行业的应用
案例分析：金属材料在 航空航天行业的应用
案例分析：金属材料 在医疗行业的应用
案例分析：金属材料 在能源行业的应用
等
化学处理：通 过化学反应改 变金属表面的 性质，如磷化、
钝化等
防锈剂：在金 属表面涂覆防 锈剂，防止水 分和氧气进入， 如油性防锈剂、 水性防锈剂等
热处理：通过加热 和冷却改变金属材 料的物理和化学性 能
相变：金属材料在 热处理过程中发生 的固态相变
相变类型：固态相 变包括马氏体相变 、奥氏体相变等
金属材料的化学成 分和组织结构
微量元素：铜、锌、铝、硼、 铌、锆等
合金元素：铬、镍、钼、钨、 钒、钛等
主要元素：铁、碳、硅、锰、 磷、硫等
非金属元素：氧、氮、氢、 硫、磷等
化合物：氧化物、硫化物、 氮化物、碳化物等
杂质元素：铅、锡、砷、锑、 镉等
金属材料的晶体结构：体心立方、面心立方、密排六方等 金属材料的相图：相图是描述金属材料在不同温度和压力下，其组织结构和化学成分变化的图 相图的应用：预测金属材料的性能、选择合适的加工工艺等 相图的类型：二元相图、三元相图等 相图的绘制：利用实验数据、理论计算等方法绘制相图
焊接方法：电弧焊、气焊、激光焊等 焊接工艺：预热、焊接、后热处理等 热处理方法：淬火、回火、正火、退火等 热处理目的：提高金属材料的强度、硬度、耐磨性等性能
粉末冶金：将金属 粉末通过压制、烧 结等工艺制成金属 材料

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（3）景深
（4）衬度
• 表面形貌衬度 在试样表面凸凹不平的部位，入射电子束作用产生的二次电子信号的强度 要比在试样表面平坦的部位产生的信号强度大，从而形成表面形貌衬度。
• 原子序数衬度
原子序数越大，图像越亮。 完整版课件ppt
13
扫描电子显微镜的样品制备
扫描电镜试样一般要求具有以下特点： （1）导电性好，以防止表面积累电荷而影响成像；
（2）具有抗辐射损伤的能力，在高能电子轰击下不分解、不 变形；
（3）具有高的二次电子和背散射电子系数，以保证图像良 好的信噪比。
对不满足以上要求的试样（陶瓷、玻璃、塑料等绝缘材料，导 电性差的半导体，热稳定性不好的有机材料，二次电子、背散 射电子系数较低的材料等），需要表面涂层处理。
表面涂层处理的常用方法有真空蒸发和离子溅射镀膜法。
(3) Lewis酸性
由于金属上存在空轨道， 缺电子金属有机化合物都是
Lewis酸。
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6
无机材料常用测试技术
SEM（扫描电镜）
AES（俄歇 电子能谱）
EDS（能谱）
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7
TEM（透射电镜）
透射电子 二次电子
直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射电子用于透射 电镜(TEM)的成像和衍射
金属环多烯化合物
金属－环多烯化合物：环多烯含电子的离域π轨道和金属的 d轨道作用形成金属有机化合物
金 属
C3Ph3+ C8H82-
环
多
烯
C4H42-
C5H5-
C6H6
C7H7+
金属环多烯化合物:
环戊二烯配合物
平行
交错
不对称交错结构 不对称交错结构发生滑移

材料化学课件-第六章纳米材料

材料化学课件-第六章纳米材料
优点是能获得粒径均匀、尺寸可控以 及50nm的超细粉末。粉末可以是晶态也 可以是非晶态，缺点是原料价格较高， 且对设备要求高。
(3)固相化学反应法
固相化学反应法又可分为高温和室温固相反应法。 高温固相反应法是将反应原料按一定比例充分混合研 磨后进行煅烧，通过高温下发生固相反应直接制成或 再次粉碎制得超微粉。
纳米粉体的制备方法大致可分为物理和化学方法。 1、物理制备方法
(1)传统粉碎法
传统粉碎法是用各种超微粉碎机将原料直接粉碎研磨成超 微粉。此法由于具有成本低、产量高以及制备工艺简单易行 等优点，在一些对粉体的纯度要求不太高的场合仍然适用。 (2)惰性气体冷凝法
惰性气体冷凝法主要是将装有待蒸发物质的容器抽到高真 空，充入惰性气体，然后加热蒸发源，使物质蒸发成雾状原 子，承受气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度粒子刮 下，收集，即得到纳米粉体。
(5)特殊的力学性质
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性， 这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原 子的排列相当混乱。原子在外力作用下容易迁移，因此表现 出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学 性能。这就是目前一些所谓摔不碎的陶瓷碗的原因。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷 材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列 是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳 的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报 道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的 牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等 复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十 分宽广。

《无机固体材料化学》PPT课件

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• （5）对称性
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12
§ 1- 3 晶体的微观特征
• （1）晶体的点阵结构 • 晶体结构=点阵+结构基元 • 一维点阵，结构基元：(-CH2)2
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13
二维点阵,结构基元：[B(OH)3]2
点阵参数 a, b,
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14
NaCl结构类型的晶胞
点阵参数： a, b, c, , ,
• （a）长程无序 • 无平移对称性
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24
• 衍射为弥散的晕 • 和宽化的衍射带
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25
（b）短程有序
lim g (r ) 1
r
• 双体概率分布函数： lim g (r ) 0
r 0
g(r) = r/o
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26
例：石英玻璃的结构 • r(Si-O) = 1.62Å;r(O-O) = 2.65Å
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10
§ 1- 2 晶体的宏观特征 （1）自范性： F(晶面数）+V（顶点数） = E (晶棱数） +2
晶面夹角（或交角）守恒定律
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11
• （2）晶体的均匀性，来源于晶体中原子 排布的周期性规则，宏观观察中分辨不 出微观的不连续性。
• （3）物理性质的异向性
• （4）稳定性，晶体有固定的熔点。
• 分子或原子不停地，自由地作长距离运 动即流动性。气体和液体具有流动性。
• 气体：无确定的体积和形状 • 液体：有一定的体积但无确定的形状 • 固体：分子或原子处于完全确定的平衡
位置作热振动。具有确定的形状和稳定 的结构即固体性。
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硬质玻璃（硼硅）— 耐温、耐腐蚀、α小、耐较大温差； 瓷器皿（坩埚、瓷舟）— 化学稳定性好、价廉易得，易裂； 石英器皿— 工作温度1000C 左右，不易破裂； 金属容器（镍坩埚、铁坩埚） 铂器皿（铂坩埚）— 耐高温、导热好、化学性质稳定； 刚玉器皿— 耐高温、硬度大、耐腐蚀； 石墨器皿— 耐高温、强度大、耐腐蚀、导电好、α小、易加
工； 但耐氧化性差。 聚四氟乙烯— 化学稳定、热稳定性好。使用温度250C 。
11
5、低温的获得和控制 低温冷浴：
自来水冷浴（室温~12C 流动自来水；12C ~0 C 加入碎冰块）
冰-盐体系（盐溶解要吸热，适用0~ -25 C ） 非水冷浴—干冰、低沸点液体（液N2、液NH3） 相变冷浴： （表2.18）
2 研究结构与性能间的关系 例TiO2的光催化性能（金红石型、锐钛矿型）；
3 研制新型材料 例TiO2/CdS, TiO2/ZnS纳米核-壳材料；
4 研制特殊规格的材料 例 纳米材料（介孔颗粒，纳米丝，纳米棒等）。
8
四、材料制备条件 1、 原料 起始原料的选择：质量；成本 溶剂种类：水系 — 醇、醛、酮、醚 氨系 — 液氨、胺类、 溶剂提纯：无机溶剂 — 例水的蒸馏、离子交换 有机溶剂 — 除水（干燥）；
20
（2）名词解释
前驱体(precursor)：起始原料。例：金属醇盐、金属 盐的水溶液。
溶胶：纳米级固体颗粒（ 1~5nm）在液体介质中形 成的分散体系。 凝胶：溶胶失去部分介质液体的产物。 （半固态物质；固态粒子呈连续网络）
21
（3）S-G法的基本原理 1）前驱体 + 溶剂 → 溶液； 2）水解（醇解）反应 → 溶胶； 3）溶胶干燥 → 凝胶。 ∴应称 S-S-G 法。

材料化学(第2版)作者曾兆华、杨建文编著第一章课件全

材料化学(第2版)作者曾兆华、杨建文编著第一章课件全
Chapter1 Introduction
52
实践性：
生物医药领域生物相容性材料：例如设计特殊的金属合金和聚合物涂层，以保护人体组织不与人工骨头置换体或其他植入物相排斥;人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等;药物、蛋白质及基因的控制释放。
Chemicals：the utility lies primarily in their consumption.Materials: can be used repeatedly or continuously for an application that does not irreversibly convert them to something else.
Chapter1 Introduction
1.1 材料与化学
Materials and Chemistry
—— connected with function and, through that function, utilities.
11
Distinguish between
Chemicals and Materials
Chapter1 Introduction
12
Materials Science and Chemistry
Atomic-molecular level interaction
Macroscopic perspective
Chapter1 Introduction
13
材料的发展
美国海军用0.5马力陶瓷发动机
广州新电视塔摩天轮的16个“水晶”观光球舱，壳体采用新型高分子材料，晶莹剔透，能保证舱内游客对塔外景色一览无余。
美国最新型隐身战斗机F-22使用吸波材料和吸波涂层

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氨解（氨化）反应
概述
一、氨解反应及其重要性 氨解指的是氨与有机物发生复分解反应而生成伯胺 的反应。氨解反应通式可简单地表示如下：
式中R可以是脂基或芳基，Y可以是羟基、卤基、磺 酸基或硝基。
而氨与双键加成生成胺的反应叫胺化。通常将氨解 与胺化称为氨基化。广义上，氨解和胺化还包括所生成 的伯胺进一步反应生成仲胺和叔胺的反应。 脂肪族伯胺的制备主要采用氨解和胺化法。其中最重要 的是醇羟基的氨解和胺化法.
液氨的临界温度是132.9℃，这是氨能保持液态的最高温 度。但是，液氨在压力下可以溶解于许多液态有机化合 物中。因此，如果有机化合物在反应温度下是液态的， 或者氨解反应要求在无水有机溶剂中进行，则需要使用 液氨作氨解剂。另外，有机反应物在过量的液氨中也有 一定的溶解度。液氨主要用于需要避免水解副反应的氨 解过程。例如，2-氰基-4-硝基氯苯氨解制2-氰基-4-硝 基苯胺时，为了避免氰基的水解，要用液氨在甲苯溶剂 中进行氨解。 用液氨进行氨解反应的缺点是：操作压力高，过量的液 氨较难再以液态氨的形式回收。
（3）用氨基碱氨解 当氯苯用KNH2在液氨中进行氨解反应时， 产物中有将近一半的苯胺，其氨基连接与原来的氯互为邻位的碳原 子：
该反应首先发生消除反应，氨基负离子形成氨和负碳离子，负 碳离子再失去卤离子而形成苯炔，产生的苯炔迅速与亲核试剂加成， 产生负碳离子。该反应历程表示如下：
由于苯炔历程中，标记的碳和它相邻的碳等同，所以NH2－能等 同的加成到任意一个碳原子上。
3. 氨基置换硝基 由于向芳环上引入硝基的方法已经比较成熟，因此 近年来利用硝基作为离去基团在有机合成中的应用发展 较快。硝基作为离去基团被其它亲核质点置换的活泼性 与卤化物相似。氨基置换硝基的反应按加成-消除反应历 程进行。
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R O H + M e 3 S i C l
R O S i M e 3酸醇 碱加 / H 水热 2 O 解 R O H
其他的硅醚保护基还有三乙基硅醚，三异丙基硅醚，叔丁基二甲基硅醚等。
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9
• （6）三苯甲基醚 • 三苯甲基醚在糖、核苷和甘油酯化学中广泛的用来保护一级羟基，
它的最大优点是在多羟基化合物中选择性的保护伯醇羟基。 • 制备时，以（单或二取代）三苯基氯甲烷在吡啶中与醇类作用，
• 羟基存在于许多有机化合物中，如碳水化合物、甾族化合 物、核苷、大环内酯以及多酚等。羟基是敏感易变的官能 团，容易发生氧化、烷化、酰化、卤化、消除以及分解 Grignard试剂等反应，常需加以保护。
• 醇羟基和酚羟基的常用保护基是醚类、酯类和缩醛、缩酮 等。它们已广泛应用于有机合成中。
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4
O/ H
HC CC 2OHH
C 2H 5MgBr
O OC2H CCHTHF O
① C2O HO2C CC HCOOH
② H 3O
OC2H CCMgB
其对碱、格氏试剂、烷基锂、氢化铝锂、烃化剂和酰化剂均稳定。缺点是：不能 用于在酸性介质中进行反应。此外，若用于旋光性醇，由于引入了一个新的手性 中心，将导致生成非对映异构体的混合物，分离困难，造成产率降低。
O H
O A c
A c2O /A cO N a/A cO H
O H O H
O A c O H
保护基的脱除方法很多，且各有特点。如：用K2CO3-CH3OH水溶液可将仲醇和 烯丙醇上的乙酰基脱去，收率很高；用KCN-C2H5OH溶液则可脱去对酸、碱敏感 化合物分子中的乙酰基。
ROH
Me2SO4 NaOH
ROMe
BF3/RSH 或 Me3SiI
ROH
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5
• (2)形成苄基醚（Bn）保护基
• 苄基醚的稳定性与甲基醚类似，对于多数酸和碱以及 氧化剂都非常稳定，形成保护的反应条件也温和，操 作简单，作为反应物的苄基溴或者苄基氯便宜易得。
CH2Br
ROH
NaOH
ROCH2
1、 形成醚类衍生物
(1)形成甲基醚类 ROCH3
常用甲基化试剂：MeI、Me2SO4、CH2N2。 对于酚类的甲醚化，MeI/K2CO3、 Me2SO4 /K2CO3较好；对于醇，则选用强 碱为宜，如MeI/KOH，Me2SO4 /KOH或NaOH。 甲基醚稳定性高，对强碱、亲核试剂、有机金属试剂、氧化剂、氢化物还 原剂、催化氢化等均不受影响。采用BF3/RSH、AlBr3或AlCl3/EtSH等试剂 可在温和条件(如室温)下脱除甲基。
P 2 O 5
H C l
C H 3 O C H 2 C l+ R O HR O C H 2 O C H 3 C H 3 O C H 2 C l+ R O H
C H 3 O H
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7
（4）四氢吡喃醚（THP醚）
THP醚是有机合成中非常有用的保护基，由二氢吡喃醚与醇在酸催化下制备。三氟 化硼醚化物、对甲苯磺酸及吡啶-对甲苯磺酸盐都是可供选用的有效催化剂。THP醚 在中性或碱性条件下是稳定的，对多数非质子酸试剂也有一定稳定性，在酸性水溶 液中易于去保护。
苄 基 醚
H3+O ROH+
H2
ROH+
Pd
CH2OH CH3
常用苄基化试剂为PhCH2Cl或PhCH2Br／KOH或NaH。脱除苄基的方 法很多，其中最常用脱除苄基的方法是Pd-C催化氢解，兰尼镍 也是常用的催化剂。编辑ppt Nhomakorabea6
• （3）甲氧基甲醚
• 在强碱NaH或Pr2NEt等存在下，氯甲基甲醚与醇反应可得到MOM醚。采 用P205、TsOH、Me3SiI或CH2＝CHCH2SiMe3等为催化剂，MoM醚对亲核试 剂、有机金属试剂、氧化剂、氢化物还原剂等均稳定。MOM醚对酸的 稳定性不如前述的甲醚、苄醚，通常去保护可用盐酸的甲醇溶液或 THF-H2O溶液。
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8
（5）三甲基硅醚（TMS）及其它硅醚保护基 醇和酚的羟基经硅烷化后生成(烃基)硅醚，三甲基硅醚是常见的硅醚保 护基，但极不稳定，遇水分解，制备时需严格无水操作，常用于羧基 的临时性保护。三甲基硅烷化试剂有三甲基氯硅烷、六甲基二硅烷胺、 双三甲基硅基尿素、三甲硅基咪唑、三甲基硅基二乙胺等。去保护容 易，常用酸和碱水解，也常用氟化钾-甲醇-水体系，氟离子对硅有较强 的亲和力，Si-F键能＞Si-O键能。
而以 4-二甲胺基吡啶（4-dimethyl aminopyridine, DMAP）为催 化剂。
R O H + P h 3 C C l R O C P h 3
• 三苯甲基（trityl group）是一较大的基团，脱去时用酸反应， 或锂金属处理。
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10
• 2、 形成酯类衍生物
• 酯类保护基是常用且有效的羟基保护基。主要有乙酸酯、苯甲酸酯、 氯乙酸酯、新戊酸酯等。它们广泛应用于核苷、寡糖、肽、甾体和多 元醇的合成中。酯类保护基常用醇和相比的酸酐或酰氯在吡啶或三乙 胺存在下反应制得。
•总的说来，保护基应满足下列四点要求： •1. 它容易引入所要保护的分子（引入条件温和）; •2. 它与被保护基形成的结构在所要发生的反应中保持稳定; •3. 它可以在不损及分子其余部分的条件下除去（除去条件温 和）; •4.保护基自身不含手性中心，保护时不产生新的手性中心。
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3
一、羟基的保护
官能团的保护
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1
官能团的保护
• 一、保护基的基本条件 • 二、羟基的保护 • 三、羰基的保护 • 四、氨基的保护 • 五、羧基的保护 • 六、活泼碳氢键和碳碳键的保护
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2
官能团的保护指在化合物分子中为使特定基团发生预期 反应，对其它基团或位置进行暂时性保护的过程，待反应完 成后再将保护基团除去。
• 去保护通常采用碱水解或碱醇解法，但多种酯由于结构差异其水解敏 感性也不同，水解能力次序大致为：ClCH2COOR＞MeCOOR＞PhCOOR＞ tBuCOOR。
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（1） 醋酸酯保护基 乙酸酯的制备和去保护既方便又经济，是最常用的保护基。反应通常使用醋酸酐 在吡啶溶液中进行，也可用醋酸酐在无水醋酸钠中进行。进行有机金属试剂、催 化氢化、硼氢化物还原、氧化反应时可采用乙酸酯保护。当底物醇含伯、仲、叔 醇羟基或羟基的立体位阻有差异时，控制适宜的反应条件，常可实现乙酸酯的选 择性保护和去保护。