吐血整理材料化学专业APS面试中德双语讲课稿.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。吐血整理，材料化学专业，APS面试中德双语-1.材料化学由材料化学基础知识，材料化学导论：介绍:材料化学是研究材料的制备，组成，结构，性质及其应用的一门学科。，内涵：采用新技术和工艺方法制备新材料。即指采用新的制造技术，把金属，无机物或者有机物这些材料单独加工或组合在一起，使之产生具有新的性能，功能和用途的材料。材料组成和微观结构的表征材料性能的测试分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料，复合材料高温材料化学冶炼：高温下元素的分离浓缩，实质是从氧化物硫化物构成的矿石中分离提取某种有用金属。过程包括矿

2、石粉碎，刷选，获得精矿；，高温物理化学处理（氧化还原，四氧化三铁到铁），获得粗金属，再进行精炼，提纯。金属高温氧化（防腐中介绍）和自曼燃合成：利用反应热自加热达到合成材料的目的。点火有电弧，加热，激光，高频等，例子1合成质地优良的TILI金属间化合物。（反应流程图）优点：生产简单，合成迅速，节能，集合成和烧结与一体，广泛用于合成金属，陶瓷和复合材料。金属相变不看了材料电化学一次电池,只能用一次不能充电的电池。具有高能力密度，使用方便例子1：锌锰电池分为锰电池和碱性锰电池两种，锌负，MNO2正，电压1.5V，锂电池，锂负，反应看图，碱性锰电池中锌粒，是为了防止反应进行时，锌表面生成ZNO钝化膜，

3、阻碍电流，而钢制容器在环境中会被钝化，保证电池不漏液。锂电池，电极反应，二次化学电池，可充电的电池，阳极阴极反应具有可逆性，且充电时能一直产生氢或氧。所以其反应电位必须比氢或氧相差很大，所以可利用的仅有Pb,Cd,Zn,Ag等金属。电动势1.9V例子2铅蓄电池：氢氧燃料电池，写几个燃料电极反应式比如CH4等电动势是对电源而说的，它就是电源将单位正电荷从负极经电源内部移到正极时，非静电力所做的功。电压是对一般电路而说的，即某段电路两端的电压，也就单位正电荷，从某点沿电路移到另一点时，电场力所做的功。等离子体原理，现象，特征。化学气象沉积，光化学反应的应用材料四要素及其相互关系：四要素为材料的结构

4、与成分，合成和加工，性质和现象，以及使用性能。当一种材料被创造，发现和生产出来的时候，该材料所表现的性质和现象是人们所关心的中心问题，而材料的性质和现象取决于成分和各种层次上的结构，而材料的结构又是合成和加工的结果。也就是说，最终得到的材料制成品必须能够完成某一指定的任务为目标。任何人造材料的设计和诞生过程，都是遵循材料的四要素原则的。比如，服装：羊毛的纤维结构为两种不同的细胞组成，呈螺旋状卷曲。羊毛纤维表面被膜状角质层覆盖，具有吸收湿气和扩散水分的作用，所以穿起冬暖夏凉，为了得到羊毛的效果，人们就制造纯棉，棉组织用PEG（聚已二醇溶液处理），PEG附着在织品纤维上，在21时融解软化，吸收体热

5、，身体就会觉得凉：软化的PEG在0左右又会凝结成固态，散发热量，身体就会觉得暖。这样，纯棉就达到了羊毛的效果。还有鞋子的空气减震系统，气垫，是将合成橡胶和塑料分子结合的鞋底，置入载满气体的透明胶囊，脚跟用力时，产生压力压缩气体胶囊，脚跟离地时，压力消除，反作用力反弹，反弹力将脚跟往上提，使人在跑步，跳跃时感到轻便。还有眼镜片的发展，从玻璃镜片到树脂镜片，球面镜片到非球面镜面，加硬加膜镜片，隐形眼镜（新型非离子甲基丙基甘油水凝胶）。建筑材料，从土木石到砖瓦，钢筋混泥土，金属合金橡皮塑料刀人工复合材料。航空事业，铝合金，钛合金喷射引擎高温材料。例子1:材料的发展概况：新石器时代，陶器时代，青铜时代

6、，铁器时代，多元材料时代。陶钵，陶壶，土陶器，由枝条编制，外面涂抹泥土的容器偶然掉进火里，枝条烧掉了，泥壳烧成了硬质器皿。陶器，实际上第一种人造材料，为人类提供盛装液体的容器和煮食物的陶罐，未用完的东西可以存储，为人类定居打下了基础，人类进一步发展了农牧业，人类文明向更高层次发展。所以，陶器是划时代的伟大发明。之后是釉的发明，陶器向前跃进一大步。把釉涂在陶胚表面，经过烧炼，陶器像玻璃一样又光又滑。釉的发明即预示着瓷器的诞生。瓷器：纯净的粘土（高岭土）和石英，长石等原料配成泥浆，制成毛胚，烧好粗胚，再上釉，在1300左右高温下，经过复杂的化学变化，胚体和釉紧密结合，形成质地细致，半透明，不吸水的

7、瓷器。我想，瓷器是中国人对世界最伟大的贡献之一。她体现了人类对智慧的追求，对美的热爱。瓷器融合使用与审美于一天。在唐宋时期，中国的陶瓷业发展到一个高峰，最为著名的是唐三彩。中国各地都有有名的瓷器，尤其以景德镇的瓷器为最。中国人喜爱瓷器，一件好的瓷器卖价可能是几十万元。唐三彩：一种低温铅釉的陶器，采用黄绿褐等色彩构成花朵，斑点或不规则的图案，以色彩斑斓著世。采用二次烧成法，第一次素烧，1000烧胚。第二次上釉，800烧成。改变呈色剂和其他化学元素含量比，可配出五彩斑斓的色彩。青铜：铜锡合金。含锡1/6韧性好，制钟鼎.2/6，硬度高，制刀剑。铜熔点1083，锡23285%铜和15%锡，熔点960，

8、合金较铜更坚硬，耐磨，韧性高。青铜镜：铜铅合金，铅熔点327，铅比重增加，合金熔点下降。黄铜：铜锌合金铁器时代：铁碳合金。铁制刀剑，枪炮，船舰，材料技术的精进。说说铸剑技术：锤炼和锻造加工将钢中的杂质打散，形成一种合成组织。剑身条纹是金属颗粒因受局部锤炼而产生的扭曲现象。一般铸剑都是加热锻造，淬火硬化处理。日本剑的处理手法独特，刀口在一般加热时，覆上一层耐热材料保护，当加热，淬火硬化时，即将此保护层除去。所以日本剑的性能很优越。而对于枪械，坦克等武器和一般制造业，我认为德国的制造业在世界上一直是处于领先地位的。新材料时代：高分子材料（塑料，橡胶等），复合材料，生物医学材料，智能材料等例子：2.

9、无烟锅的原理和选择4.材料电化学:一次二次电池，极化的应用（金属防腐介绍）5.新型材料：半导体材料，掺杂，单晶硅，晶体管6.金矿石浮选线2.材料物理和无机材料基础材料的结构与缺陷：晶格，晶体和晶体结构缺陷计算物质通常有三类聚集形态：固液气。而固体按照原子或分子排列的规律性又可分为：晶体，非晶体。晶体，原子有规则的周期性的排列。非晶体，原子无规则排列。原子排列在固态材料中起着很重要的作用。金属，陶瓷，高分子的一系列特性都与原子排列有关，例如面心立方体结构的金属CUAL通常都有优异的延展性，密排六方晶体结构的金属如ZnCd等则较脆，具有线性分子链的橡胶兼具弹性，强韧和耐磨之特点，而具有三维网络分子

10、链的热固性树脂一旦受热固化便不能再改变形状，但具有耐热，耐蚀性能，硬度也较高。因此，研究固态物质内部结构，掌握材料原子，分子排列规律，就能从内部找到改善和发展新材料的途径。将实际晶体结构理想化，将排列与空间的几何点称为阵点，整个排列就是点阵。而取其中一个最具代表性的基本单元（最小重复单元），就是晶胞。（画图,一个正方体空间结构，里面有若干原子）将晶胞做三维重复堆砌构成了空间点阵。边长abc和夹角表示。由边长和角度不同，总共分为7种晶系（见课文）密勒指数（Miller）晶向指数和晶面指数，晶带，晶面间距,晶胞中的原子数等的计算和表示方法见课文三种典型晶体结构及点阵常数a/半径R计算：面心立方结构

11、fccAlCuNiAg体心立方结构bccCrVMoCs密排六方结构hcpBeMgZnCd点阵常数a主要通过X射线衍射分析求得。不同金属点阵类型可以相同，但是各元素电子结构和原子间结合情况不同，因而有各自的点阵常数材料力学性质：增韧机理，应力应变，位错和位错的滑移位错：1934年Taylor,Orowan和polanyi几乎同时提出晶体位错概念，他们认为晶体实际滑移过程并不是所有原子同时做整体滑动，而是通过晶体中存在的称为位错的线缺陷来进行的，位错在较低应力作用下就开始移动，使滑移区逐渐扩大，直到整个滑移面上的原子都发生了相对位移。位错分为：用位错线来表示（位错滑动时，）刃型位错晶面上有凸出来或

12、者凹下去，所以垂直方向滑移，是线缺陷，畸变是狭长的管道。位错线和滑移方向垂直（作图）螺旋位错不是上下滑移，是晶面左右滑移，也可看做两层原子之间的平行滑移，是几个原子宽度的线缺陷，是面状的。位错线与滑移方向平行（作图）混合位错由刃型和螺旋位错两个分量构成，可以形成位错环。由此可以看出，单一的位错线都不能终止于晶体内部，而只能露于晶体表面（晶界）。如果他要终止于晶体内部，则必须与其他位错线相链接，在晶体内形成封闭线，也叫位错环。柏氏矢量（1939年Burgers提出）的确定和计算看书本在受外力下各种位错的滑移：正应力，压扁T；切应力，平移。逐步实现。例如，一左一右两个切应力，如课文图，会造成位错线

13、滑移。垂直方向位错的攀移：原子或空位的扩散。位错攀移需要热激活，大多数材料在常温下很难发生。应用：高温淬火，冷变性加工。位错生成：生长中生成，凝固过程不均匀；温度梯度，浓度梯度，机械震动等影响；相邻晶粒间发生碰撞或者液流冲击及冷却时体积变化产生热应力。自高温较快凝固，有大量空位，聚集形成位错。晶界上热应力和组织应力作用，应力集中，发生局部滑移。位错的克服：材料的相变：相图的基本概念（水的相图单相系统，相的概念:系统内部物理和化学性质完全均匀的一部分，可以不一定只含一种物质。比如气相空气，食盐水溶液等）组分c，相中的化学纯物质。自由度F：相中的变量。相数P。F=C-P+2ZrO2相图分析增韧机理

14、（图）无机材料基础P165ZrO2是制作特种陶瓷的重要原料。从低温到高温，四方ZrO2冷却到1200度时转变为单斜ZrO2，伴随明显的体积变化，约7-9%的体积膨胀，造成ZrO2制品容易开裂。所以在ZrO2材料中加入稳定剂，如CaO，那么在1500度以上四方ZrO2可以和稳定剂形成立方晶型固溶体，在冷却过程中，这些固溶体不会发生晶型转变，没有体积效应，因而可以避免ZrO2制品的开裂。2CaOCazr+Ca+OoP72固溶体：含有外来杂质原子的晶体，通过掺杂和溶解形成，是均匀单相。分为置换型固溶体和间隙性固溶体。置换型：两种晶体结构相近，离子半径相近。如MgO-CoO固溶体，Mg2+无限被Co2

15、+取代。还有MgO和NiO。PbTiO3和PbZrO3间隙型：不等价离子置换或生成间隙离子，还会出现离子空位结构。如MgO在AL2O3中有一定的溶解度，当Mg2+进入Al2O3晶格时，它占据Al3+的位子，Mg2+比Al3+低一价，为保持电中性，在Al2O3中产生O空位，反应：2MgO2MgAl+Vo“+2Oo看一下缺陷方程式的书写重点P56-60占据时有多种可能，符号的解释。马氏体，奥氏体:奥氏体为母相，马氏体为转变相。马氏体转变Martensite：早在战国时期，人们就已经知道用淬火，将刚加热到高温后淬入水中或者油中急冷的方法提高钢的硬度。经过淬火的宝剑削铁如泥，但当时的人们并不知道淬火能

16、提高钢的硬度的原因。十九世纪末，德国冶金学家Martens研究发现，钢在加热与冷却过程中，内部相组成发生了很大的变化，从而硬起钢性能的改变。所以将淬火后所得的高硬度相称为马氏体，并且把高温淬火转变过程称为马氏体转变。经过一个世纪的发展，人们发现在铁镍合金和铁锰合金等中也存在马氏体转变，所以，凡是相变基本特征属于马氏体的型产物的都统称为马氏体。近年来，由于实验技术的进一步发展，（X射线衍射结构分析，电子显微镜研究马氏体组织等），使人们对马氏体结构和马氏体转变的特征有了进一步了解（母体奥氏体含碳量0.3%以下为板条状马氏体，1.0%以上为片状马氏体，0.3-1%的为混合马氏体），对许多现象的认识也

17、有了很大的进步，并因此推动了热处理新工艺及新材料的发展。如形状记忆合金（材料在变形后再加热，会恢复回原状，变形量一般为6-8%，最高可达百分之十几，但是变形过大时不能完全回复。如Ni-Ti合金制作的航天天线。该金属母相为贝塔相，很硬，在母相状态下制作成天线，然后冷却至低温，使其转变为马氏体。Ni-Ti的马氏体很软，极易折叠成团状，放入卫星中便于发射。卫星进入轨道后，团状天线被弹出，在太阳光照射下，马氏体变化为奥氏体，团状天线自动张开回复原状，但是，记忆材料的马氏体必须满足：热弹性马氏体，亚结构为孪晶或层错外力下形成择优取向，母相有序化便于回复）。特种陶瓷。经过碰撞不容易碎裂。材料溶化温度和发生

18、马氏体转变的温度都高于室温，在陶瓷中加入特种材料后，陶瓷材料的熔点和马氏体转变温度都会被降低。其中，熔点高于室温，马氏体转变温度低于室温，故在受到外在应力时，材料会发生马氏体相变，随即引发体积效应和形状效应吸收大量能量，并且产生相对的应压力，以减少外在压力的作用，阻止裂纹的产生，从而达到增韧的目的。但是，马氏体转变时成分不发生改变，仅仅是空间点阵发生改组，这种貌似简单的马氏体转变是相当复杂的，目前还有许多问题很不清楚，有待于人们进一步研究。P/N型半导体，能带理论（结合教材）：前提：假定金属中价电子成为自由电子，彼此之间没有相互作用，各自独立的在离子和其他电子建立的平均势场中运动，即电子在金属

19、中分布是均匀的。E/K抛物线关系，公式推导。由E=h2/2m入2符合条件的波长带入E=n2h2/2ml2（入=L/n,n=1,2,3）E=（K空间，n2用空间表示为K2，K空间球面等能面）当正入射时k=n/a，两个原子的反射波就会有相同的位相，它们相互加强，使前进波受到干扰，正方向更正，负方向更负，能量高的状态能量提高，能量低的状态能量降低，中间空出的一段，即为禁带。，连续的为允带。布里渊区与能带交叠。第一，第二，第三布里渊区，电子不会穿越边界，不同布里渊区E/K抛物线被干扰不同，有不同的禁带，故三维布里渊区会有能带叠加。固体能带理论的一个主要贡献就是成功的说明了为什么有些晶体是导体，有些却是

20、绝缘体或者半导体。在没有电场时，在一定温度下，无论满带还是不满带晶体（电子填充到能带之中），他们能量在两个方向上都是大小相等，方向相反的（图）电子电路中电流为0。在有电场时，满带中所有电子的运动状态相同，电子的运动不改变布里渊区电子的分布情况，一边出去的电子，就在另一边填补进来。所以，对于一个所有状态都被电子充满的能带，即使有电场，晶体中也没有电流，满带晶体不导电。在不满带时，由于电场的作用，电子在布里渊区的分布不再是对称的（图），由于电子的运动，可以产生电流，故导电。所以，导电不导电可以结合原子核外的电子排布1S2S2P3S来看满不满（中级无机），但注意是要为晶体物质。（其中，Mg存在能带交

21、叠，3S2中部分电子占据能量较高的带，故为金属）能带分为允带和禁带，允带又分为导带和价带对于绝缘体，它的价电子刚好把价带填满（如S晶体），而更高的许可带与价带之间隔着很宽的禁带。对于半导体，与绝缘体相似，但是禁带较窄，可依靠热激发，把满带（价带）里的电子激发到空的许可带，于是导电。而对于导体，即允带（导带）不满，或者存在能带交叠。3.高分子物理：（结构与性能关系研究）结构：长链、柔性、缠结、链段运动性能：质轻、易着色、韧性、耐腐蚀、易加工、减震、生物兼容、易剪裁A:高分子链的近程结构共聚物的序列结构:统计(无规）共聚物Randomcopolymer，Poly(A-ran-B)交替共聚物Alte

22、rnatingcopolymer,Poly(A-alt-B)嵌段共聚物Poly(A-block-B)接枝共聚物Poly(A-g-B)旋光异构Thepolymerizationofamono-substitutedethylene,suchasavinylcompound,leadstopolymersinwhicheveryothercarbonatomsisachiralcenter手性中心.几何异构主链上有双键顺反宏观结构大分子链的几何形状:线形高分子,支化高分子,交联或网状高分子,星形高分子高分子链的远程结构：高分子的大小、高分子的构象高分子链的内旋转构象交叉式Staggeredposi

23、tion，Moststable，能量低叠同式Eclipsedposition，Leaststable，能量高高分子链的柔顺性：高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能称为高分子链的柔顺性。高分子链能形成的构象数越多，柔顺性越大。均方末端距计算方法：自由连接链（理想模型）：假定分子由足够多的不占有体积的化学键自由结合而成，内旋转时没有键角限制和位垒障碍，其中每个键在任何方向取向的几率相等。假定自由连接链由n个键组成，每个键的长度为l，若n个键的方向完全一致，则整个链为一条直线，长度为nl其末端距的平方为：h2=nl2内旋转阻力小（大）内旋转容易（难）可旋转的单键多（少）构象数多（少）链段短（长

24、）柔顺性好（差）B:高分子也可以看做拥有晶体结构：PE/PP晶胞结构，结构单元结晶出单晶：从极稀的高聚物溶液90%。2.溶液聚合是将单体和引发剂溶于适当溶剂中，在溶液状态下进行的聚合反应。生成的聚合物溶于溶剂的叫均相溶液聚合；聚合产物不溶于溶剂的叫非均相溶液聚合。优点：（i）聚合热易扩散，聚合反应温度易控制；（ii）体系粘度低，自动加速作用不明显；反应物料易输送；（iii）体系中聚合物浓度低，向高分子的链转移生成支化或交联产物较少，因而产物分子量易控制，分子量分布较窄；（iv）可以溶液方式直接成品。缺点：（i）单体被溶剂稀释，聚合速率慢，产物分子量较低；（ii）消耗溶剂，溶剂的回收处理，设备利

25、用率低，导致成本增加；（iii）溶剂很难完全除去；（iv）存在溶剂链转移反应，因此必须选择链转移常数小的溶剂，否则链转移反应会限制聚合产物的分子量；（v）溶剂的使用导致环境污染问题。3.悬浮聚合是通过强力搅拌并在分散剂的作用下，把单体分散成无数的小液珠悬浮于水中由油溶性引发剂引发而进行的聚合反应。在悬浮聚合体系中，单体不溶或微溶于水，引发剂只溶于单体，水是连续相，单体为分散相，是非均相聚合反应。但聚合反应发生在各个单体液珠内，对每个液珠而言，其聚合反应机理与本体聚合一样，因此悬浮聚合也称小珠本体聚合。单体液珠在聚合反应完成后成为珠状的聚合产物。在悬浮聚合过程不溶于水的单体依靠强力搅拌的剪切力作

26、用形成小液滴分散于水中，单体液滴与水之间的界面张力使液滴呈圆珠状，但它们相互碰撞又可以重新凝聚，即分散和凝聚是一个可逆过程。为了阻止单体液珠在碰撞时不再凝聚，必须加入分散剂，分散剂在单体液珠周围形成一层保护膜或吸附在单体液珠表面，在单体液珠碰撞时，起隔离作用，从而阻止或延缓单体液珠的凝聚。悬浮聚合分散剂主要有两大类：(i)水溶性的高分子：如聚乙烯醇、明胶、羟基纤维素等；(ii)难溶于水的无机物：如碳酸钙、滑石粉、硅藻土等。由于悬浮聚合过程中存在分散-凝聚的动态平衡，随着聚合反应的进行，一般当单体转化率达25%左右时，由于液珠的粘性开始显著增加，使液珠相互粘结凝聚的倾向增强，易凝聚成块，在工业生

27、产上常称这一时期为“危险期”，这时特别要注意保持良好的搅拌。由于悬浮聚合在液珠粘性增大后易凝聚成块而导致反应失败，因此，该方法不适于制备粘性较大的高分子，如橡胶等。优点：（i）聚合热易扩散，聚合反应温度易控制，聚合产物分子量分布窄；（ii）聚合产物为固体珠状颗粒，易分离、干燥。缺点：（i）存在自动加速作用；（ii）必须使用分散剂，且在聚合完成后，很难从聚合产物中除去，会影响聚合产物的性能（如外观、老化性能等）；（iii）聚合产物颗粒会包藏少量单体，不易彻底清除，影响聚合物性能。4.乳液聚合是在乳化剂的作用下并借助于机械搅拌，使单体在水中分散成乳状液，由水溶性引发剂（K2S2O8/Fe2+）引发

28、而进行的聚合反应。乳化剂：能使油水混合物变成乳状液的物质成为乳化剂。通常是一些兼有亲水的极性基团和疏水（亲油）的非极性基团的表面活性剂。按其结构可分三大类（按其亲水基类型）：（i）阴离子型：亲水基团一般为-COONa,-SO4Na,-SO3Na等，亲油基一般是C11C17的直链烷基，或是C3C6烷基与苯基或萘基结合在一起的疏水基；（ii）阳离子型：通常是一些胺盐和季铵盐（iii）非离子型：聚乙烯醇，聚环氧乙烷等。乳液聚合最常使用的是阴离子型乳化剂，而非离子型乳化剂一般用做辅助乳化剂与阴离子型乳化剂配合使用以提高乳液的稳定性。乳化剂的作用主要有三点：（i）降低表面张力，便于单体分散成细小的液滴，

29、即分散单体；（ii）在单体液滴表面形成保护层，防止凝聚，使乳液稳定；（iii）增溶作用：当乳化剂浓度超过一定值时，就会形成胶束（micelles)，胶束呈球状或棒状，胶束中乳化剂分子的极性基团朝向水相，亲油基指向油相，能使单体微溶于胶束内。乳液聚合机理：在乳液聚合体系中存在单体液滴、微溶有单体的增溶胶束、空胶束以及以分子状态分散在水中的单体和乳化剂分子。典型的乳液聚合可分为三个阶段：（i）M/P乳胶粒的形成：反应开始时，水中的引发剂分解产生的初级自由基扩散到增溶胶束内，引发其中的单体进行聚合，从而形成同时含单体与聚合物的增溶胶束，称M/P乳胶粒，随着胶束中单体的消耗，胶束外的单体分子逐渐地扩散进胶束内，使聚合反应持续进行。在此阶段，单体增溶胶束与M/P乳胶粒并存，M/P乳胶粒逐渐增加，聚合速率加快，直至单体转化率10%转入第二阶段；-增速期（ii）单体液滴与M/P乳胶粒并存阶段：单体转化率1050%，随着引发剂和单体增溶胶束的消耗，M