環(huán)境功能材料材料基礎知識.pptVIP

1、1,環(huán)境功能材料,environment functional materials,2,課件下載地址,百度網(wǎng)盤 賬戶： 密碼：wangchuan437 王川主樓329,3,環(huán)境功能材料,本課程中指能夠凈化、治理、修復環(huán)境的材料，與環(huán)境工程材料的涵義基本相當，包括環(huán)境凈化材料、環(huán)境治理材料、環(huán)境修復材料等。 注意與本科課程環(huán)境材料的概念的區(qū)別,4,環(huán)境功能材料用途,化學污染控制：水、大氣、固廢 物理污染控制：噪聲、輻射、電磁波 環(huán)境修復 ： 水、大氣、土壤,5,1馮玉杰環(huán)境功能材料化學工業(yè)出版社 2華堅環(huán)境污染控制工程材料化學工業(yè)出版社,6,講 授 內(nèi) 容,一、材料學基

2、礎 二、各種環(huán)境功能材料,7,課程特點,針對某一種環(huán)境功能材料，泛泛概述性的內(nèi)容僅占一小部分，主要目的是幫助同學回憶基本概念，基本原理。 會選擇某一類中最常用的材料做詳細介紹，既包含材料在環(huán)境中的應用，也包含材料本身的制備過程等。 重視材料學基礎，從材料的化學成分、組織結(jié)構(gòu)等解釋功能特性。從材料的專業(yè)角度去看待環(huán)境過程,8,第一章 材料學基礎,一、材料的發(fā)展史及分類 二、材料的成分與組織結(jié)構(gòu),9,第一節(jié) 材料的發(fā)展史及分類,10,一、材料的定義,材料是指人類社會可接受、能經(jīng)濟地制造有用器件或物品的固體物質(zhì),11,二、材料的發(fā)展史,材料是人類社會進步的里程碑,12,人類使用材料的七個時代,1石器

3、時代：公元前10萬年 2青銅器時代：公元前3000年 3鐵器時代：公元前1500年 4陶器時代：公元元年 5鋼時代：1800年 6硅時代：1950年 7新材料時代：1990年,13,1.石器時代,公元前10萬年 舊石器時代：工具制作粗糙，用途尚未分化 新石器時代：對石料進行加工，得到不同用途的石器,14,2.青銅器時代,公元前3000年 出現(xiàn)了添加錫、鉛的銅合金 熔點低，鑄造性能良好 用作武器、生活用具、生產(chǎn)工具等,15,3.鐵器時代,公元前1500年 高溫下用木炭還原鐵礦石生產(chǎn)鐵 強度較高，可加工性能良好 用作武器和器件,16,4.陶器時代,粘土制作簡單的陶器 在公元元年左右，高溫燒制陶器而

4、形成瓷器 瓷器由于局部熔化而變得更加致密堅硬，克服了陶器多孔與透水的缺點,17,5.鋼時代,1800年左右 鋼：含碳量0.2% - 2.11% 高溫下具有高強度蒸汽機 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟社會進入工業(yè)經(jīng)濟社會 導致了大規(guī)模的機械化生產(chǎn)，引起了第一次產(chǎn)業(yè)革命，即工業(yè)革命,18,6.硅時代,1950年 愛迪生效應二極管，三極管電子管時代 硅、鍺半導體材料的出現(xiàn)晶體管取代電子管進入硅時代 單晶硅生產(chǎn)集成電路微型化,19,7.新材料時代,1990年 具有一般傳統(tǒng)材料所不可比擬的優(yōu)異性能和特定性能 特征： 由多種材料決定社會和經(jīng)濟發(fā)展 以人造為特征 為了特定的需要設計和加工而成,20,三、材料科學與工程,21,材料

5、科學,通過材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解等方面的研究，提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系的科學,22,材料工程,有關(guān)材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝和性能與用途之間有關(guān)知識和應用的科學。把基礎知識應用于材料的研制、生產(chǎn)、改性和應用，以完成特定的社會任務,23,材料科學四要素,1）成分/結(jié)構(gòu)(Composition/Structure)：影響其性質(zhì)的直接因素,成分/結(jié)構(gòu),合成/加工,性質(zhì),效能,4）效能(Performance)（使用性能或效果）：是指材料在使用條件下的表現(xiàn)，包括環(huán)境影響、受力狀態(tài)、材料特征曲線，乃至壽命估計等,3）性質(zhì)(Properties) （性能）：力學性質(zhì)、物

6、理性質(zhì)和化學性質(zhì),2）合成/加工(Synthesis/Processing)：改變材料的組織結(jié)構(gòu)而影響其性質(zhì),24,四、材料的分類,1按化學成分、生產(chǎn)過程、結(jié)構(gòu)及性能特點分類,1）金屬材料：以金屬元素為基礎的材料,優(yōu)良的力學性能，特別是高強度和高韌性；優(yōu)良的可加工性,a.鐵及鐵基合金 b.非鐵金屬及其合金,25,2）有機高分子材料,一類由一種或幾種分子或分子團（結(jié)構(gòu)單元或單體）以共價鍵結(jié)合成具有多個重復單元的大分子材料,特點：種類多、密度小，比強度大，電絕緣性、耐腐蝕性好、加工容易，可符合多種、特種用途的要求,26,27,3）無機非金屬材料,除金屬材料、有機高分子材料以外的幾乎所有材料,特點：

7、耐高溫、高硬度、抗腐蝕，以及優(yōu)良的介電、壓電、光學、電磁性能及其功能轉(zhuǎn)換特性等,28,4）復合材料,由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的材料,1）按基體可分為金屬基、有機高分子基、無機非金屬基復合材料 （2）按用途可分為結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料,29,2按使用性能分類,1）結(jié)構(gòu)材料：以力學性能為主的材料的統(tǒng)稱 2）功能材料：以特殊物理性能或化學性能為主的材料的統(tǒng)稱,30,4按物理性質(zhì)分類,導電材料 半導體材料 絕緣材料 高溫材料,高強度材料 磁性材料 超導材料 透光材料,31,6按用途分類,電子材料 研磨材料 電工材料 光學材料,建筑材料 感光材料 耐酸材料 包

8、裝材料,32,第二節(jié) 材料的成分與組織結(jié)構(gòu),33,一、材料的成分與結(jié)構(gòu),材料的成分：指組成材料的元素種類及其含量 通常用質(zhì)量分數(shù)（）或粒子數(shù)分數(shù)（x）表示,34,材料的結(jié)構(gòu),指材料中原子（離子或分子等）的排列方式 材料原子、離子和分子間的結(jié)合鍵決定材料的性質(zhì),35,晶體,晶體：由許多質(zhì)點（包括原子、離子或分子）在三維空間作有規(guī)律的周期性重復排列而形成的固體,近程有序、遠程有序,36,非晶體,非晶體：質(zhì)點在三維空間不呈周期性的規(guī)則排列 近程有序、遠程無序,37,晶體與非晶體的區(qū)別,質(zhì)點是否在三維空間作有規(guī)則的周期性重復排列（晶體具有自范性） 晶體熔化時具有固定的熔點，而非晶體無明顯熔點，只存在一

9、個軟化溫度范圍 晶體具有各向異性，非晶體呈各向同性,38,單晶體與多晶體,單晶體：質(zhì)點按同一取向排列，由一個核心（晶核）生長而成的晶體,多晶體:由許多不同位向的小晶體(晶粒)所組成的晶體 各向同性假等向性,39,c,晶體的幾個定義,1）陣點：將構(gòu)成晶體的實際質(zhì)點（原子、離子、分子）抽象成純粹的幾何點稱為陣點,2）空間點陣（簡稱為點陣）：陣點在空間呈周期性規(guī)則排列，并具有等同的周圍環(huán)境的模型,3）晶格：作許多平行的直線把陣點連接起來，構(gòu)成一個三維的幾何格架稱為晶格,4）晶胞：晶格中能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。通常是在晶格中取一個最小的平行六面體作為晶胞,5）晶胞參數(shù)：晶胞三條棱邊

10、（晶軸）的邊長a、b、c及晶軸之間的夾角、稱為晶胞參數(shù),b,a,40,晶系與布拉菲點陣,根據(jù)晶胞的外形，即晶軸長度和晶軸夾角將晶體分為七大晶系： 立方、四方、正交、六方、單斜、三斜、三方（菱方） 十四種布拉菲點陣： 立方：簡單立方，體心立方，面心立方 四方：簡單四方，體心四方 正交：簡單正交，底心正交，體心正交，面心正交 六方：簡單六方 單斜：簡單單斜，底心單斜 三斜：簡單三斜 三方（菱方）：簡單三方（菱方,41,三斜：abc 90o,單斜：abc =90o,正交：abc =90o,四方：a=bc =90o,菱方：a=b=c =90o,六方：a=bc =90o，=120o,立方：a=b=c =

11、90o,底心,體心,面心,42,體心立方,簡單立方,面心立方,三種立方晶體結(jié)構(gòu),43,晶體形成的途徑,熔融態(tài)物質(zhì)凝固 溶質(zhì)從溶液中析出 氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固(凝華,44,晶體的組成,多元晶體：由兩種或更多元素組成 組成方式：固溶體和化合物 固溶體：加盟組元（溶質(zhì)）原子占據(jù)基本組元原子晶體中所占位置的一部分或它們之間的某些空隙，而仍保持基本組元（溶劑）的晶體結(jié)構(gòu),化合物：加盟組元與基本組元以一定的比值重新組合形成新的晶體結(jié)構(gòu),45,晶體的缺陷,晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型： 1. 點缺陷：零維缺陷 2. 線缺陷：一維缺陷，位錯 3. 面缺陷：二維缺陷,46,點缺陷,指原子應占而未占的空位或間隙中不

12、該存在而存在的間隙原子而導致的缺陷。缺陷尺寸很小，僅引起幾個原子范圍的點陣結(jié)構(gòu)的不完整,a)空位,b)雜質(zhì)質(zhì)點,c)間隙質(zhì)點,47,線缺陷,線缺陷：晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象,刃位錯,螺位錯,48,面缺陷,在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，如晶界、相界等,49,二、材料的組織,在光學顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到，能反映各組成相形態(tài)、尺寸及分布的圖像,50,三、材料成分和組織結(jié)構(gòu)的檢測,高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM） 掃描電子顯微鏡（SEM） 掃描探針顯微鏡/掃描隧道顯微鏡（SPM/STM） 原子力顯微鏡（AFM） X射線衍射（XRD） 熱重

13、/差熱分析/差示掃描量熱法（TG/DTA/DSC） BET氣體吸附表面積測量和孔結(jié)構(gòu)分析（BET法,51,高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM,高壓電子束穿過很薄的樣品，阻止電子通過的樣品區(qū)域呈現(xiàn)出圖像 分辨率可達0.1nm，放大倍數(shù)在150萬倍以上,52,透射電鏡的成像原理類似于醫(yī)學X光片子,53,透射電子顯微鏡：線粒體,54,大腸桿菌,55,珊瑚沙,56,鐵納米顆粒,57,納米纖維,58,掃描電子顯微鏡（SEM,電子束在試樣表面掃描，用探測器收集相關(guān)信息，逐點逐行地在顯像管上顯示出來 分辨可達0.6nm,59,紅細胞,60,舌乳頭,61,胃壁腺體,62,63,64,65,66,67,68,掃

14、描隧道顯微鏡（STM,將探針靠近導電樣品表面對其進行掃描, 樣品和探頭之間的隧道電流可連續(xù)監(jiān)測, 獲得其表面圖像。 橫向分辨本領(lǐng)高達0.10.2nm，而深度分辨率為0.01nm。 可以在超高真空，真空，大氣，液體中無損傷地直接觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)。直接觀察和移動原子,GBinnig和HRohrer于1981年發(fā)明，獲得1986年諾貝爾物理學獎,69,掃描隧道顯微鏡（STM,STM image of oxygen atom lattice on rhodium single crystal; part of study of electrocatalysis. 4nm scan Source: Pu

15、rdue University,70,掃描隧道顯微鏡（STM,STM image showing single-atom defect in iodine adsorbate lattice on platinum. 2.5nm scan,71,原子力顯微鏡（AFM,利用針尖和試樣原子間的相互微弱作用力來獲得試樣表面的形貌圖像 可用于研究絕緣體，半導體及導體，也可對DNA分子進行切割,72,X射線衍射（XRD,X射線與晶體相遇時能發(fā)生衍射現(xiàn)象。當一束單色X射線入射到晶體時，原子間距離與入射X射線波長有相同數(shù)量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強X射線衍射，衍射線在空間分

16、布的方位和強度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān) 通過晶體的衍射探測其結(jié)構(gòu),73,1SiO2 2 CaCO3,建筑垃圾的XRD圖譜,74,方沸石及混合物的XRD圖譜,75,熱重/差熱分析（TG/DTA,熱重法(TG):在溫度程序控制下，測量物質(zhì)質(zhì)量與溫度之間關(guān)系的技術(shù) 差熱分析(DTA)：在溫度程序控制下，測量物質(zhì)的溫度和參比物溫度差和溫度關(guān)系的一種技術(shù),76,熱重曲線（TG,CaCO3的熱重曲線,77,DTA曲線,78,BET氣體吸附表面積測量和孔結(jié)構(gòu)分析（BET法,Brunauer-Emmett-Teller三人提出多分子層理論的公式簡稱為BET公式 利用壓力和氮氣吸附量的關(guān)系繪圖，就可以通過氮氣的單層

17、物理吸附計算出樣品的比表面積，也能測定孔徑分布，孔容積,79,其它的方法,紅外光譜（IR） 紫外可見光光譜（UVVis） X射線光電子能譜（XPS） 俄歇能譜（AES) 核磁共振（NMR,80,作 業(yè),1.試述環(huán)境學科與材料學科之間的關(guān)系。 2.通過對材料學科的認識和了解，你認為會對你的研究方向帶來怎樣的啟示,81,END,82,83,84,85,86,問題 1,什么叫材料？ 人類社會可接受、能經(jīng)濟地制造有用器件或物品的固體物質(zhì),87,問題 2,人類使用材料經(jīng)歷了哪七個時代？ 1石器時代 2青銅器時代 3鐵器時代 4水泥時代 5鋼時代 6硅時代 7新材料時代,88,問題 3,材料科學四要素是什么,成分/結(jié)構(gòu),合成/加工,性質(zhì),效能,89,問題 4,材料按化學成分、生產(chǎn)過程、結(jié)構(gòu)及性能特點分為哪四類？ 金屬材料 有機高分子材料 無機非金屬材料 復合材料,90,問題 5,材料按照使用性能分為哪兩類？ 結(jié)構(gòu)材料 功能材料,91,問題 6,材料按照結(jié)構(gòu)分為哪三類？ 晶態(tài)材料 非晶態(tài)材料 準晶態(tài)材料,92,問題 7,什么叫材料的結(jié)構(gòu)？ 指材料中原子（離子或分子等）的排列方式,93,問題 8,試述晶體與非晶體的區(qū)別。 質(zhì)點是否在三