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1、第四章 实用无机材料 第一节 非晶材料（amorphous, glass, noncrystalline, vitreous） 非晶态固体物理学，【美】R. 泽仑，黄畇等译，章立源校，北京大学出版社，1988 一、制备1、固体的冷却,t: 弛豫时间 V: 体积 T: 温度,2、非晶态固体的制备如果冷却得足够快和足够低，几乎所有的材料都能够制备成非晶态固体1）Tg,2）相图,3）制备方法,二、结构1、长程序和短程序,2、结构的描述1）径向分布函数（RDF）r (r) 给出在距离为 r 及 r+dr 之间找到一个近邻原子的概率晶体： r (r) zi(r)d(r-ri) ; 气体： r (r) 4
2、pnr2 z-配位数；n-平均密度,2）多面体蜂房泡沫不同多面体的统计分布,3）无规密堆积实际可能形成的单一多面体不一定能够堆满空间（12面体），必然出现多种多面体实验：球体的堆积Bernal结构0.7405*860.637；理论：堆满空间的多面体的分布（统计、拓扑）,4）无规网络,*实验测试与拟合（1）X射线衍射分析,新型重闪烁体PbWO4的EXAFS研究戚泽明a 施朝淑a 周东方a 刘涛 b 胡天斗ba. 中国科学技术大学国家同步实验室 合肥 230029 b. 中国科学院高能物理所 北京 100039摘 要本文利用EXAFS方法对新型重闪烁体PbWO4微晶进行了研究。通过测量Pb和W的
3、L吸收边的EXAFS谱，主要研究了PbWO4中Pb2+和W6+的近邻结构。结果表明，WO配位层氧离子的配位数和键长没有显著变化，而PbO配位数则显著增加，键长增大，说明其中可能有间隙氧存在。同时也简要讨论了间隙氧对PbWO4发光的影响。 关键词： EXAFS；PbWO4；配位数,R ( ),R ( ),图1.Pb L吸收边EXAFS谱的径向结构函数 图2.W L吸收边EXAFS谱的径向结构函数,(2)扩展X射线吸收谱精细结构（EXAFS）X射线吸收谱中 原子内层电子激发吸收后随着光子能量变化而振荡的精细结构，可以分辨不同原子周围的径向分布函数。,5) 无规线团（醉鸟）=ri ri+ ri rj
4、1/2=N1/2b,6) 逾渗,7) 分形线性尺度放大L倍，容量增大Ld倍，线性尺度变为1/L, 图形可分成同样形状Ld=N个小的图形，Hausdorff维数：d=logN/logL , N-相似小图形的个数；L-大尺度与小尺度之比（相似比）醉鸟踪迹的维数： 1/2=N1/2b, N1/2b1， N(1/b)2，分形维数2 (拓扑维数1),三、性质1、更高的综合力学性能，对于脆性材料可以重新具备延性；对于延性材料可获得更高的弹性刚度和超常的屈服强度。2、物理性能显著政变，具有软磁性能，高磁导率，高电阻率和低磁损及低声波衰减率。3、由于无晶界和线缺陷(如位错)而具有良好的耐蚀性，尤其是耐点蚀性强
5、。4、由于无结构，某些非晶台金具备耐辐射性。,第二节 功能材料 一、功能材料(functional materials)以物理性能为主的工程材料的统称。剐指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质或者在其作用下表现出特殊功能的材料。例如：磁性材料(硬磁、软磁、磁流体等)；电子材料(半导体、绝缘、超导、介电等材料)；信息记录材料(磁记录、光记录等)；光学材料(特种光学玻璃、发光、感光、吸波、光纤、激光材料等)；敏感材料(压敏、光敏、热敏、温敏、气敏等)；能源材料(核燃料、火炸药、推进剂、太阳能光电转换材料，贮能材料、固体电池材料等)，还有阻尼材料、形状记忆材料、生物技术材料、催化材料、特种功能薄膜
6、材料等。每一种功能材料都以一定的科学原理为基础，其物理特性往往取决于材料内的电于状态或原子核结构，因此与材料科学和近代物理学有密切的关系。功能材料对制备技术、质量控制和性能检测等都有十分严格的要求，往往需采用高新技术和尖端设备。与结构材料不同，功能材料常用于制造各种装备中具有独特功能的核心部件，起着十分重要的作用，在自动控制、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、仪器仪表、航空航天、同防等部门均有重要的用途。在科技高度发达的当代，某些高新技术的发展在很大程度上依依赖于新的更高性能的功能材料，因此功能材料在经济建设特别是在高新技术中占有重要的地位。 材料大辞典 师昌绪 主编 化学工业出版
7、社 1994 北京,二、例子光盘存储材料1. 光盘存储材料光盘存储材料(optical disk storage materials) 一种且有记录(写入)、存储和读出功能的材料。光盘的存储介质与聚焦的激光束相互作用，产生物理和化学反应，形成记录点，其性质与周围介质不问，产生一个反差，由此可以读出信号。如果物理和化学变化是不可逆的，这是只读式(ROM)和一文写入多次读出(WORM)光盘材料。变化是可逆的材料用来制作可擦重写光盘(ERS)。根据激光和材料相互作用的物理和化学反应的不同，光盘存储材料可分为烧蚀型、态变型、磁光型、相变型、光色型、电子俘获型、光子选通型等。前两类主要用于一次写入和多次
8、读出(WORM)光盘，后五类为实用化和正在开发中的可擦重写(ERS)光盘存储材料。一般用磁控溅射和电子束蒸镀法制成光盘存储薄膜，厚度在2050nm。主要特征性能为：(1)对写入、读出和擦除激光的敏感性，用单模激光束聚焦后(焦斑45dB，(5)原始误码率10-4。,2. 例子CD-R光盘存储材料 1） CD-R光盘,第六届中国国际光存储技术交流会, Mr. Tim Parks Meng (Ciba),2） CD-R光盘染料,花菁类化合物：直链共轭结构，虽然具有容易写入和读出，对各种型号CD-R驱动器都有很高适应性等特点，但稳定性差，不能长期保存信息。,酞菁类化合物：大环共轭结构，在通常情况下对光
9、、热的稳定性好，能长期保存信息（光记录特性综合性能指标好于花菁）,CD-R染料的基本要求 1、在专用溶剂中有足够大的溶解度（旋涂工艺的要求） 2、旋涂膜具有适当的光学参数（适当的复折射率：足够大的折射率及适当的吸收系数) 3、适当的热稳定性（保证写入灵敏度及读出和保存稳定性） 4、在日常光、热及化学环境下的保存稳定性,3） CD-R酞菁染料(1) 合成,(2) 结构,(3) 性质光谱 (光学常数-复折射率),a 甲苯 b 乙二醇单乙醚 c 乙二醇单乙醚/聚乙二醇/甲基环己烷,溶解度,热稳定性 (温度区间、失重率),化学稳定性,系列1、2、3、4分别在 溶液配制后2、4、6、24 小时测试,经济
10、效益 成本：4045元/每克 预期售价：83元/每克（按目前略低于市场进口产品计） 设计产量：300公斤/年 产值：2490万元 利税：1140万元,应用,第三节金属材料 一、金属材料：钢铁材料，非铁金属材料黑色金属：铁、铬、锰，有色金属钢铁工业：黑色金属的开采、冶炼、压延加工机械制造：,二、制备1、冶金1）火法冶金利用高温从矿石中提取金属或其它化合物的冶炼方法炉料准备、熔炼、精炼高温化学反应（1）熔炼炉料：矿物原料（精矿）、熔剂、还原剂炉温：13001600K（产物）：粗金属或金属富集物、熔融炉渣 (因互溶度很小和密度差异而分离）i 氧化熔炼（例铜的冶炼氧化/还原）：硫化物的熔炼：MeS(s
11、,l)+O2(g)=Me(l)+SO2(g)MeS(s,l)+1.5O2(g)=MeO(l)+SO2(g)MeS(l)+MeO(l)=MeS(l)+MeO(l)设备：鼓风炉，反射炉，电炉 工艺：闪速，熔池，旋涡，热风，富氧，自热,ii 还原熔炼（例炼铁）MeO+C=Me+COMeO+CO=Me+CO2CO2+C=2CO主还原剂为CO（C是固体，反应慢，CO是气体，C过量）（2）精炼i 化学精炼氧化（造渣或挥发），硫化（粗其铅、锡、锑除铁、铜），氯化（造渣），碱性（造渣，粗铜除镍，粗铅除砷、锑、锡，粗锑除砷）ii 物理精炼精馏（粗锌精炼），真空（升华，脱气），熔析（变温）2）湿法冶金（例炼金）利
12、用浸出剂将矿石中有价值的金属组分溶解变为溶液或以新的固相析出浸出，液固分离，溶液净化，金属提取，废水处理 （1）浸出浸出剂 酸、碱、盐浸出；化学反应氧化、还原浸出；方式堆、就地、渗滤、搅拌、热球磨、管道、流态化浸出；压力常压、加压浸出,研究高温加压（加快反应）、超细振动研磨（能耗和效率平衡）、活化浸取（硫化矿，晶相预转变）、外场（电脉冲振荡、超声、微波）、高效无毒浸出剂（非氰化浸金）（2）固液分离沉降溢流，过滤，离心（3）溶液净化结晶降温、蒸发、真空、盐析；蒸馏（锌、镉、汞、锂、镓、铷、铯）；沉淀水解、中和、硫化、成盐、离子浮选（表面活性剂，泡沫）、共沉淀。（4）萃取溶剂（有机相/水相，液液萃
13、取）；离子交换（交换速度/扩散）；膜分离（反渗透、超滤、微孔过滤压力差，扩散渗析浓度差，液膜分离溶解度)3）电冶金（例电解铝）（1）电化学冶金电解精炼粗金属阳极电解提取惰性阳极,水溶液电解电解精炼（槽电压低，效率高）；电解提取（槽电压高，效率低，纯度低，优点不用粗金属阳极）熔盐电解不能用C或H2还原，析出电极电位低于析氢电位的金属碱金属、铝、镁、稀有金属20余种氟化物、氯化物、氟氯化物电解质（2）电热冶金电弧、电阻、感应、电子束、等离子.2、凝固（浇铸、铸造）、塑性加工（轧钢、锻造）热处理（退火、正火、淬火、回火）3、设备（例钢铁的冶炼）,三、结构 （例钢）1、FeC 相图（局部）,a 体心立
14、方，910以下稳定C含量0.02 g 面心立方，910-1400 稳定C含量2.06 d 体心立方，1400-1534 稳定C含量0.1结构钢C含量0.2-0.3,珠光体：从奥氏体冷至723550 ，a和Fe3C晶体并肩生长成片状织构（多晶结构中晶粒呈择优取向的排列），或铁素体保持奥氏体晶粒而渗碳物呈球状（奥氏体形成不完全） 贝氏体：从奥氏体快冷至550 以下，针状铁素体与粒状或短续条装碳化物的机械混合物 马氏体：快冷形成变形奥氏体结构（回火可能得到细微的珠光体结构） 一般的，钢的硬度依赖于很硬的碳化物的晶粒大小、含量与分布，较精细织构形成较硬的钢（可通过马氏体回火得到）,珠光体：从奥氏体冷至
15、723550 ，a和Fe3C晶体并肩生长成片状织构（多晶结构中晶粒呈择优取向的排列），或铁素体保持奥氏体晶粒而渗碳物呈球状（奥氏体形成不完全） 贝氏体：从奥氏体快冷至550 以下，针状铁素体与粒状或短续条装碳化物的机械混合物 马氏体：快冷形成变形奥氏体结构（回火可能得到细微的珠光体结构）,四、性质,五、应用 结构钢、工具钢、高强度钢（火箭外壳，飞机起落架、机身骨架、蒙皮，高压容器，常规武器零件）、弹簧钢、轴承钢、不锈钢、桥梁钢、罗纹钢、钢筋钢、船用钢、锚链钢、气门钢、 例：,第四节 陶瓷材料（无机非金属材料）陶瓷 pottery and porcelain；ceramic 以无机非金属天然矿物
16、或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。分为陶器和瓷器两大类，合称陶瓷。其显微结构由结晶相和玻璃相组成，两者的比例视不同品种而异。具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、电绝缘、强度大、硬度高等优良性能。几干年来，陶瓷主要用于生活方面。从无釉的多孔陶器到有釉的质地致密的瓷器，这是陶瓷科学技术发展的第一个飞跃。促进这个飞跃主要因素是：(1)以含铝成分较高的瓷士或高岭土为原料；(2)高温技术的发展，烧成窑炉的改进；(3)釉的发明。随着现代科学技术的进步，陶瓷的制造工艺和用途不断得到发展。出现各种具有特异性能的结构陶瓷、功能陶瓷及生物陶瓷，统称先进陶瓷、高新技术陶瓷或特种陶瓷。它们
17、在原料上，采用各种微米级或亚微米级高纯人工合成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、硫化物等无机非金属物质为原料，在成型上采用热压铸、压力浇注、干压、冷等静压、注射成形、流涎法、气相沉积、浸渍法等新工艺，在烧成上采用各种持殊设计的工艺，如热压烧结、无压烧结、反应烧结、气氛加压烧结、重烧结、热等静压烧结、微波烧结、自蔓燃烧结、等离子烧结等，使烧成后材料的晶粒、晶界处于微米级水平。在烧成后还要进行精密加工、镀膜、极化等处理步骤。在性能上具有压电、铁电、导电、半导体、磁性、湿敏、气敏、压敏、高强度、高硬度、高韧性等特异功能。广泛应用于电子、计算机、激光、核反应、宇航等现代尖端科学技术领域。这是陶瓷科学技术发展的第二飞跃。陶瓷科学技术发展的第三飞跃是从本世纪90年代开始的，即从微米级先进陶瓷进入纳米级陶瓷。所谓纳米陶瓷首先是使用的原料是纳米量级的粒度，其次是它的显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔、缺陷等均处于纳米级的尺度水平。纳米陶瓷的出现已引起陶瓷工艺、陶瓷科学、材料性能及其使用效能等方面的变革性进展。例如陶瓷材料的“超塑性”、低温快速烧成行为、异常重结晶等。纳米陶瓷的研究正方兴未艾，已成为当前陶瓷研究的三大发展趋势之一。,
