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1、2020 6 3 第一章绪论 1 1固体化学的研究内容1 2固体物质概述1 3材料概述1 41 5固体化学发展的若干前沿领域 现代材料科学的若干热点领域 2020 6 3 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 1 1固体化学的研究内容 固体特性 2020 6 3 1 1固体化学的研究内容 定义 固体化学是主要研究固体物质的合成 反应 组成和性能及其相关现象与规律的科学 研究内容 固体物质的合成 固体的组成与结构 固相化学反
2、应 固体缺陷 固体表面化学 固体的性质 新材科等 固体化学与固体物理 固体物理侧重研究构成固体物质的原子 离子及电子的运动和相互作用 提出各种模型和理论 以阐明固体结构和物性 固体化学则侧重研究固体物质的合成方法 化学反应 单晶生长 化学组成和晶体结构 研究固体中缺陷形成及其对固体的物理化学性质的影响等 2020 6 3 1 2固体物质概述 固体物质 材料固体物质的分类 按照其原子排列的有序程度可分为晶态和非晶态 晶态物质具有长程有序的点阵结构 非晶态物质的结构基元处于长程无序 短程有序状态 按照固体中原子之间结合的化学键来给固体物质分类 可把固体物质分为离子晶体 共价晶体 金属晶体 分子晶体
3、和氢键晶体等 各类晶体物质均具有各自在结构与性质方面的典型特点 2020 6 3 各类晶体的特征 结构 正负离子最紧密堆积 靠静电力结合 键能较高 800kJ mol 性质 熔点高 强度高 硬度大 质地脆 低温下为绝缘体 熔体导电 某些晶体有离子导电现象 大多为无色透明 折射率较高 结构 组成原子之间靠共价键结合 键能由中到高 80kJ mol 性质 熔点高 强度和硬度由中到高 质地脆 绝缘体或半导体 熔体不导电 透明晶体具有高折射率 离子晶体 共价晶体 2020 6 3 各类晶体的特征 结构 正离子最紧密堆积 以自由电子为结合力 键无方向性 键能约80kJ mol 性质 熔点由低到高 热传导
4、性良好 具有各种强度和硬度 压延性好 固体和熔体均为良电导体 金属不透明 折射率高 结构 组成分子之间靠范德华力结合 键能低 8 40kJ mol 性质 熔点低 热膨胀率高 强度低 可以压缩 硬度低 固体和熔体均为绝缘体 呈现组成分子的性质 金属晶体 分子晶体 2020 6 3 各类晶体的特征 氢键晶体 结构基元H3BO3靠氢键结合 形成层状结构 熔点较低 强度和硬度较低 硼酸晶体呈片状 有解理性 可作为润滑剂 是形成玻璃的主要成分 在热水中部分氢键断裂而溶解度增大 混合键晶体 在石墨晶体中 每一层内的每个碳原子以三个电子与邻近的三个碳原子以共价键结合 组成片状六角形的平面蜂巢结沟 另一个价电
5、子为该层内所有碳原子所共有 形成金属踺 层与层之间则以范德华力相互作用 因此石墨晶体中既包含有共价键 也包含金属键和范德华力 从而使石墨表现出固体物质的多重性质 氢键晶体 分子晶体 2020 6 3 0 1 1材料按化学组成分类0 1 2根据材料的性能分类0 1 3材料按应用领域来分类0 1 4材料按结晶状态分类0 1 5材料按材料的尺寸分类 0 1材料分类 1 3材料概述 2020 6 3 1 3材料概述 分类1 从材料的化学组成来分 主要分金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料及复合材料 分类2 若按照材料的使用性能可分为结构材料和功能材料两大类 结构材料主要使用材料的力学性能 功能材料
6、则主要使用光 电 磁 热 声等功能特性 分类3 从材料的应用对象可分为信息材料 智能材料 能源材料 建筑材料 生物材料 航天航空材料等 2020 6 3 按物理性质可分为 导电材料 绝缘材料 半导体材料 磁性材料 透光材料 高强度材料 高温材料 超硬材料等 按物理效应分为 压电材料 热电材料 铁电材料 非线性光学材料 磁光材料 电光材料 声光材料 激光材料等 按用途分为 电子材料 电工材料 光学材料 感光材料 耐酸材料 研磨材料 耐火材料 建筑材料 结构材料 包装材料等 1 3材料概述 2020 6 3 材料分类 2020 6 3 1 4现代材料科学的若干热点领域 光电信息功能材料 现代信息技
7、术迫切需要各种性能优异的光电信息功能材料 以实现大容量 高灵敏的信息处理 包括信息的产生 传输 收集 存贮和显示等技术环节 光电能量转换材料 在新能源领域 为利用射到地面上的太阳光能量 需要制备出更稳定高效的光电能量转换材料 为开发推广绿色太阳能技术提供材料技术基础 纳米材料 纳米材料是介于宏观物质与微观原子 分子中间的新的研究领域 具有许多不同于宏观物质的性质 它开拓了人们认识物质世界的新层次 将逐渐在众多技术领域获得重要应用 半导体材料 半导体材料在发展现代微电子 光电子技术方面起到关键性基础作用 已有的硅 锗等传统半导体依然具有巨大的产业需求 砷化镓 磷化铟等化合物半导体正在进入日益广阔
8、的应用领域 碳化硅单晶等开发具有引人入胜的应用前景 2020 6 3 1 5固体化学发展的若干前沿领域 1 固体无机化合物与材料的新合成方法软化学合成 近年来提出的软化学合成方法最为引人注目 它力求在中低温或溶液中使反应物在分子状态上均匀混合 进行可控的反应步骤 经过生成前驱体或中间体 最后生成具有特定组成 结构和形貌的材料 软化学法可用于合成多种发光材料 磁性材料 金属间化合物 玻璃陶瓷 高温结构材料等 组合合成 该方法可以一次性成批量获得很大数量的类似化合物 化合物库 以供高通量筛选 寻找先导化物 采用这种方法 可以大大增加寻找具有特殊功能新化合物的机会 因而成为一种新的提供筛选底物的有效
9、途径 如采用此方法已经成功地从25000个化合物中合成出一种具有一维链状结构的新型发光材料 Sr2CeO4 2020 6 3 1 5固体化学发展的若干前沿领域 2 低温固相化学反应近10年来忻新泉等对室温或低热下固相反应进行了系统研究 探讨了低热温固 固反应的机理 用实验证实了固相反应的四个阶段 即扩散 反应 成核 生长 总结了固相反应的特有规律 利用低温固相反应将可能合成新的化物 并为新材料制备提供新的途径 可能成为绿色合成化学的重要合成手段 2020 6 3 1 5固体化学发展的若干前沿领域 3 超微粒子与纳米相功能材料超微粒子或纳米晶是在原子和分子范畴与凝聚态固体之间的一类由纳米尺寸的微
10、粒构成的固体 这类材料具有持殊的结构和性质 特别是表现出与常见凝聚态固体不同的性质 纳米晶的出现开拓了人们认识物质世界的新层次 而成为很有发展前途的新领域 随着研究开发的深入 纳米材料逐渐在众多技术领域获得重要应用 此类材料被视为21世纪具有极大开发潜力的新材料 2020 6 3 1 5固体化学发展的若干前沿领域 4 层状化合物与高温超导材料继80年代发现高温超导体镧钡铜氧 证实此化合物的组成为 La1 XBa 2CuO4 属于层状的K2NiF4结构 全球掀起了寻找高温超导体的热潮 1987年继而发现了钇系高温超导体YBa2Cu3O7 x 临界温度跃至液氮温区的90K 研究发现YBa2Cu3O
11、7 x是一个非化学计量比的 具有氧缺位的ABO3型钙钛矿型层状结构的化合物 由于三价稀土离子和二价碱土金属离子在A位的不等价取代 导致B位的铜产生Cu2 和Cu3 的混合价态 离域的载流子沿层状的CuO面输运而产生超导现象 成为空穴型的高温超导体 随后还发现了铋系 铊系和汞系等层状高温超导体 高温超导材料的应用正在带来工业技术的重要革新 目前超导材料已经获得许多新的实际应用 如超导列车 超导核磁共振仪 超导线材等 2020 6 3 1 5固体化学发展的若干前沿领域 5 原子簇化合物与C601985年Kroto等发现了稳定的碳原子团簇 C60是由60个碳原子构成的球形三十二面体 内含多个不饱和双
12、键 高度共轭的C60易于发生加成反应 借此引入许多新的特性 如导电性 超导性和催化性能等 继笼状结构的碳团簇C60 C70 C84 还制备出管状 层状 片状 洋葱状等特殊形状的团簇 90年代以来国内外学者还开展了碳纳米管的研究 碳纳米管是具有纳米级管径的一维量子材料 它具有很大的表面 极高的强度 导热率及导电性 该类材料已经成为功能材料的研究热点 我国学者在纳米管的研究方面具有较大学术影响 特别是在纳米管的制备技术方面获得了独具特色的研究成果 如首次在硅衬底上实现碳纳米管阵列的自组装生长 利用化学气相法制备纯净碳纳米管 合成出大面积定向纳米管阵列 2020 6 3 1 5固体化学发展的若干前沿
13、领域 6 生物无机固体化学生物无机固体化学是生命科学 材料科学和固体化学的新兴交叉学科 它研究在生物体系中无机物质的结构 性质与功能之间的关系 特别是生物矿化过程的机理的研究 将为探索新型功能无机生物材料提供重要的学术借鉴 如模拟生物体中的矿化过程 可能获得具有光 电 磁 热 声等功能的特殊生物材料 2020 6 3 1 6其它 国家重点实验室培育基地 无机光电功能晶体材料的分子设计与制备以固体功能物质的分子工程学与晶体工程学为核心研究课题 设计和合成结构新颖 具有功能性质的化合物 应用现代测试技术对化合物进行结构与性能的表征 遴选出具有应用价值的化合物进行单晶材料的制备 开展晶体生长 晶体的
14、微观缺陷 宏观性能和晶体质量的多维关系的研究 探索晶体材料的生长规律 开展若干具有重要应用前景功能晶体制备的研究 本研究方向将力图在探索新型功能材料的分子设计方面获得高水平的原创性学术成果 发展优质大尺寸光电单晶材料的生长技术 为晶体材料在光电器件方面的应用奠定基础 2020 6 3 1 6其它 国家重点实验室培育基地 有机 聚合物光电功能材料本研究方向的研究重点为 1 窄能带共轭体系的结构与性能 研究醌式共轭结构中 电子的流动性与共轭长度的关系 调节分子平面形构象以达到分子间通过 轨道最大重叠而产生强相互作用的目的 引入分子自组装技术 使共轭单元作有序化排列 在超分子层面上优化材料的功能性与
15、可加工性 2 新型低维聚合物功能材料的设计 制备与应用 以多相聚合物体系为对象 用新的物理手段获得周期性微带结构 探索微带结构形成过程中的热力学与动力学机制 以实现对特定结构的设计与控制 研究微带结构的特殊性质 开发其在纳微电子器件制造方面的应用 2020 6 3 1 6其它 国家重点实验室培育基地 微纳米磁性功能材料及其制备根据国际上磁性材料研究发展趋势 以宁波市乃至浙江省磁性材料行业的需求为导向 探索新型磁性功能化合物及其制备科学问题 研究纳米晶磁性材料晶粒尺寸变化对磁性能的影响规律 不同相之间的磁交换耦合作用 介观系统的电子输运等科学问题 研究各向异性纳米晶块体的制备科学问题 研究尺寸均
16、匀可控的纳米晶粒的粉体和块体的制备科学问题 对现有微米晶磁性材料重点开展制备新技术的应用基础研究 2020 6 3 1 6其它 国家重点实验室培育基地 新型光学功能材料及其制备以现代光通信技术为主要应用背景 开展新型光学功能材料的研究 解决光信息处理过程所涉及的关键材料科学问题 制备新型特种光学功能材料 通过对这些材料的组成 结构 光谱以及激光特性的研究 遴选具有优异性能的光纤放大器 光纤激光器 光波导放大器 光纤传感器的基质材料 研究玻璃预制棒制备 光纤拉制的核心技术 对光纤传输的相关机理进行理论分析和数字模拟 设计光纤 放大器和传感器的结构 研究相关光学器件的性能 本研究方向力图开发出新型光学功能材料与器件的制备技术 为迅速发展光通信技术提供所需要的关键功能材料 推动地方以光通信为主的电子信息产业的技术进步 2020 6 3 1 6其它 学术会议 2020 6 3 2020 6 3 1 6其它 学术期刊 AdvancedMaterialsChemistryofMaterialsCrystalGrowth DesignJ SolidStateChemistryJ MaterialsS
