材料化学复习.docx
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材料化学复习
第一章(绪论)
(1)材料的分类:
金属、无机非金属、高分子、复合
(2)材料四特性:
结构、性能、制备和应用
第三章
(1)水热法
原理:
通过对高压釜加热、加压产生相对高温、高压的反应环境,使难溶或不溶物质溶解而达到不饱和,从而析出晶体。
(2)溶胶-凝胶法(sol-gel)
原理:
通过凝胶前驱体的水解缩聚制备金属氧化物材料。
前驱体:
一般是无机盐和金属醇盐
步骤:
前驱体的水解、缩合——形成三维空间网络结构的凝胶——干燥、烧结固化
应用:
制备颗粒、纤维、表面涂膜和块状材料
(3)液相沉淀法
类型:
直接沉淀法:
在金属盐溶液中直接加入沉淀剂
共沉淀法:
在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂,全部沉淀。
均匀沉淀法:
利用化学反应使构晶离子缓慢均匀的释放出来。
(4)固相反应(凡是有固相参与的化学反应都称作固相反应)
特点:
固态直接参与化学反应。
一般包括相界面上的反应和物质迁移
反应开始温度常常远低于反应物熔点。
矿化剂的影响(作用)
1、改变反应机制,降低反应活化能。
2、影响晶核的生产速率。
3、影响结晶速率及晶格结构。
4、降低系统的共熔点,改善液相性质。
(5)插层法与反插层法
插层法:
把一些新原子导入晶体材料的空位。
反插层法:
将晶体材料的某些原子有选择性的移除。
应用:
固态锂离子电池的阴极材料
石墨基质(石墨层间化合物GIC)
(6)自蔓延高温合成法
原理:
利用反应物间化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料。
平衡机制:
燃烧反应与结构化同步进行。
非平衡机制:
化学反应与结构化不同步。
(7)非晶材料的制备
制备需解决的两个问题:
1、形成原子或分子混乱排列的状态:
2、将热力学的亚稳态在一定的温度范围保存下来,使之不发生晶态转变。
液相骤冷制备
原理:
使熔体急速降温,使晶体生长来不及成核,从而把熔体中无序结构保留下来,得到无序的固体材料。
主要方法:
喷枪法、活塞法、抛射法。
第四章
(1)耐氧化性
1、化学腐蚀:
金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗。
电化学腐蚀:
金属和电解质组成两个电极,组成腐蚀原电池,损耗材料。
阳极保护:
在金属材料上加入较活泼的金属作阳极,而被保护的金属作为阴极,发生电化学腐蚀时阳极被腐蚀,金属材料得以保护。
2、耐有机溶剂性
热塑性高分子材料(物质在加热时能发生流动变形,冷却后可以保持一定形状的性质)在有机溶剂中溶解。
热固性高分子材料(加热时不能软化和反复塑制)在有机溶剂中溶胀。
3、高分子材料抗氧化剂
光屏蔽剂:
屏蔽光辐射源
紫外线吸收剂:
吸收并消散紫外线辐射。
(2)力学性能
1、应力:
单位截面积承受的力(σ=F/A)
应变:
材料受力发生的形变(ε=(L-L。
)/L)
弹性形变:
σ=Eε(E是弹性模量)
2、应力应变曲线中四个参数:
弹性极限:
σe,表示材料保持完全弹性变形的最大应力。
屈服强度:
σs,表示材料开始发生明显塑性形变的抗力。
极限强度:
σb,表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。
断裂强度:
σk,材料对塑性的极限抗力。
3、塑性材料:
伸长率δ大于等于5%。
脆性材料:
伸长率小于5%
伸长率δ=Lf-L0/L0(Lf是试样拉断后的长度,L0是原长)
(3)硬度
1、布氏硬度、维氏硬度和洛氏硬度。
2、三大材料硬度分析:
A:
金属材料硬度受其结构影响,形成固溶体或合金时,硬度显著提高.
B:
无机非金属材料由离子键和共价键构成,两种键强度均较高,一般具有较高硬度。
C:
高分子材料分子链以共价键结合,分子链之间以范德华力和氢键结合,键力较弱,硬度较低。
(4)热学性能
1、三大材料导热机理:
A:
金属材料导热性能最佳,通过自由电子运动实现。
B:
无机非金属材料自由电子较少,导热靠原子热振动来完成,导热性能差。
C:
高分子材料依靠分子链及链段的运动实现传热。
2、热膨胀性
体膨胀:
物质的体积随温度升高而增大。
线膨胀:
物质的长度随温度升高而变长。
三大材料热膨胀性能差异原因:
结合键越强,原子间作用力越大,原子离开平衡位置所需的能量越高,膨胀性能差。
结构紧密的晶体的热膨胀系数比结构松散的非晶体热膨胀系数大。
共价键材料与金属相比,热膨胀系数低。
离子键与金属相比,热膨胀系数较高,高分子材料和金属及陶瓷相比,热膨胀系数较大。
3、热容:
1mol材料的温度升高1K时所需要的热量称为热容。
比热容:
单位质量的材料温度升高1K所需要的能量。
(5)电学性能
包括:
导电性、压电性、介电性和铁电性能。
1、导电性
定义:
材料传导电流的能力。
三大材料导电性:
金属材料导电性最好。
陶瓷材料大多数是良好的绝缘体。
半导体:
常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料
N-型半导体:
自由电子,供体。
P-型半导体:
自由空穴,受体。
2、介电性:
在电场作用下,材料表现出对静电能的储蓄和损耗的性质。
3、压电性:
晶体材料与所施加的机械应力成比例产生电荷的能力。
正压电效应:
由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。
逆压电效应:
对晶体施加交变电场引起晶体机械变形。
4、铁电性:
电滞回线中三个参数(最大极化强度,剩余极化强度,矫顽电场),高于居里温度点,铁电性消失
(6)磁学性能
磁滞回线中三个参数:
饱和磁感应强度、剩余磁感应强度和矫顽磁场强度。
高于居里温度点,铁磁性消失
弱磁:
抗磁性和顺磁性
强磁:
铁磁性反铁磁性和亚铁磁
铁磁性:
外磁场去除后,仍保持部分极化状态。
(7)光学性能
定义:
各种材料在光学性能上的差异主要是其对光的反射、吸收和透过程度不同。
1、光的吸收与透过(透明与不透明):
金属:
电磁波可激发电子到能量较高的未填状态而被吸收,但光波只能进入金属100nm处,故不透明。
半导体及无机非金属材料:
取决于能隙Eg
Eg>3.1eV时,λ<380nm,不能吸收可见光,故无色透明。
Eg<1.59eV,λ>780,所有可见光都被吸收,不透明。
1.59Ev 2、光的反射与折射(材料颜色) 金属: 颜色取决于反射波长 无机非金属: 反射受介质折射率差影响。 第五章 (1)黑色金属: 铁锰铬及其合金 有色金属: 钢铁除外的所有金属 有色金属: 轻有色金属: 密度小于4.5 有色金属: 密度大于4.5 贵金属: 金银铜 准金属: 稀有金属: 自然界含量很少、分布 (2)金属晶体的结构 FCC(A1)BCC(A2)HCP(A3) (3)合金的基本结构 1、合金类型: 机械混合物、固溶体和金属间化合物 2、固溶体类型: 置换固溶体、间隙固溶体和缺位固溶体 空隙越大,越容易形成间隙固溶体。 3、金属化合物类型 定义: 两组元组成的合金中,在形成有限固溶体的情况下,溶质含量超过溶解度,会出现新相,新相不同于任一组元。 正常价化合物、电子化合物和间隙化合物 (4)铁碳相图中各成分分类 固溶体: 奥氏体(碳与γ-Fe)铁素体(碳与α-Fe)马氏体(碳与α-Fe) 金属化合物: 渗碳体(FeC3) 机械混合物: 珠光体(铁素体和渗碳体)莱氏体(珠光体、渗碳体与共晶渗碳体) (5)金属材料热处理 退火、正火、回火和淬火 细晶强化: 晶界使变形晶粒中的位错在晶界处受阻,而且各晶粒间存在位向差,必然有多滑移,产生交割,两者共同作用大大提高金属材料的强度。 而晶粒越多,晶界也越多,强化效果更好. (6)储氢合金 储氢原理: 可以大量吸氢,且吸放氢气过程可逆。 吸氢放热,加热放热。 吸氢过程: 超过固溶度后 吸附在 氢气————含氢固溶体——————金属氢化物———过饱和氢化物 吸放氢与温度的关系: P123 (7)形状记忆合金 1、定义: 材料在某一温度下受外力而变形,当外力撤去后,仍保持变形后的形状,当温度上升到某数值时,材料会自动恢复到变形前原有的形状。 2、分类 单程: 材料加热后恢复原形,再改变温度,形状不发生改变。 双程: 物体的形状自动随温度变化在高温、低温形状间变化。 全程: 除具有可逆记忆的特点外,当温度较低时,物体的形状向与高温形状相反的方向变化。 3、工作原理 (8)其他合金材料 1、超塑性合金: 在700-1200C高温下仍能长时间保持所需力学性能,具有抗氧化、抗腐蚀能力,能满足工作条件的金属材料。 2、超塑性合金 细晶超塑性: 晶粒一般为微小等轴晶粒。 相变超塑性: 相变超塑性不要求金属有超细晶粒组织,但要求金属由固态相变特性。 第六章 无机非金属材料 分类: 传统、新型(特种) 硅酸盐 1、结构分类 A: 岛状,四面体,桥氧数0 B: 组群状,双四面体,三、四、六节环,桥氧数1、2 C: 链状桥氧数23 D: 层状桥氧数3 F: 架状桥氧数4 (1)水泥 1、水硬性胶凝材料: 能将散状材料或纤维材料胶结在一起,经物理、化学作用,由浆体而成固体的人造石材的材料称为胶凝材料,浆体不仅能在空气中凝结、硬化而且能在水中硬化增长强度的称为水硬性胶凝材料。 2、主要原料: 粘土、石灰石铁质校正原料。 3、制备流程: 两磨一烧 4、石膏作用: 调节硬化时间 5、主要成分: 硅酸三钙(C3S)硅酸二钙(C2S)铝酸三钙(C3A)铁铝酸四钙(C4AF) 6、硬化三阶段: 溶解、胶化、硬化 (2)陶瓷 传统陶瓷的主要原料: 粘土、石英、长石 结构陶瓷: 氧化铝、碳化硅、六方氯化硅 结构: 多相结构,晶相、玻璃相和气孔。 并非所有陶瓷都包含玻璃相。 (3)玻璃 最显著特点: 非结晶性 主要原料: 石英砂、石灰石、纯碱、长石
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