环境功能材料--材料基础知识课件

1环境功能材料environment functional materials1环境功能材料environment functional 2环境功能材料环境功能材料本课程中指能够净化、治理、修复环境的材料，与环境工程材料的涵义基本相当，包括环境净化材料、环境治理材料、环境修复材料等。注意与本科课程环境材料的概念的区别。2环境功能材料本课程中指能够净化、治理、修复环境的材料，与环3环境功能材料用途环境功能材料用途化学污染控制：水、大气、固废物理污染控制：噪声、辐射、电磁波环境修复 ：水、大气、土壤3环境功能材料用途化学污染控制：水、大气、固废4参考书参考书参考书参考书1 1冯玉杰环境功能材料化学工业出版社冯玉杰环境功能材料化学工业出版社2 2华华坚坚环环境境污污染染控控制制工工程程材材料料化化学学工工业业出出版版社社4参考书1冯玉杰环境功能材料化学工业出版社5讲讲 授授 内内 容容 一、材料学基础二、各种环境功能材料5讲 授 内 容 一、材料学基础6课程特点1.针对某一种环境功能材料，泛泛概述性的内容仅占一小部分，主要目的是帮助同学回忆基本概念，基本原理。2.会选择某一类中最常用的材料做详细介绍，既包含材料在环境中的应用，也包含材料本身的制备过程等。3.重视材料学基础，从材料的化学成分、组织结构等解释功能特性。从材料的专业角度去看待环境过程。6课程特点针对某一种环境功能材料，泛泛概述性的内容仅占一小部7第一章第一章 材料学基础材料学基础 一、材料的发展史及分类二、材料的成分与组织结构7第一章 材料学基础 一、材料的发展史及分类8第一节第一节 材料的发展史及分类材料的发展史及分类8第一节 材料的发展史及分类9一、材料的定义一、材料的定义 材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质。9一、材料的定义 材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用10二、材料的发展史二、材料的发展史材料是人类社会进步的里程碑 10二、材料的发展史材料是人类社会进步的里程碑 11人类使用材料的七个时代人类使用材料的七个时代 1石器时代：公元前10万年2青铜器时代：公元前3000年 3铁器时代：公元前1500年 4陶器时代：公元元年5钢时代：1800年6硅时代：1950年 7新材料时代：1990年 11人类使用材料的七个时代 1石器时代：公元前10万年121.1.石器时代石器时代 公元前10万年旧石器时代：工具制作粗糙，用途尚未分化新石器时代：对石料进行加工，得到不同用途的石器 121.石器时代 公元前10万年132.2.青铜器时代青铜器时代 公元前3000年出现了添加锡、铅的铜合金熔点低，铸造性能良好用作武器、生活用具、生产工具等 132.青铜器时代 公元前3000年143.3.铁器时代铁器时代 公元前1500年高温下用木炭还原铁矿石生产铁 强度较高，可加工性能良好 用作武器和器件 143.铁器时代 公元前1500年154.4.陶器时代陶器时代 粘土制作简单的陶器在公元元年左右，高温烧制陶器而形成瓷器瓷器由于局部熔化而变得更加致密坚硬，克服了陶器多孔与透水的缺点 154.陶器时代 粘土制作简单的陶器165.5.钢时代钢时代 1800年左右 钢：含碳量0.2%-2.11%高温下具有高强度蒸汽机 农业经济社会进入工业经济社会 导致了大规模的机械化生产，引起了第一次产业革命，即工业革命 165.钢时代 1800年左右 176.6.硅时代硅时代 1950年 爱迪生效应二极管，三极管电子管时代 硅、锗半导体材料的出现晶体管取代电子管进入硅时代 单晶硅生产集成电路微型化 176.硅时代 1950年 187.7.新材料时代新材料时代 1990年具有一般传统材料所不可比拟的优异性能和特定性能 特征：由多种材料决定社会和经济发展以人造为特征为了特定的需要设计和加工而成187.新材料时代 1990年19三、材料科学与工程三、材料科学与工程 19三、材料科学与工程 20材料科学材料科学 通过材料本质的发现、分析和了解等方面的研究，提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释材料结构与性能之间的关系的科学。20材料科学 通过材料本质的发现、分析和了解等方面的研究，提21材料工程材料工程 有关材料成分、结构、工艺和性能与用途之间有关知识和应用的科学。把基础知识应用于材料的研制、生产、改性和应用，以完成特定的社会任务21材料工程 有关材料成分、结构、工艺和性能与用途之间有关知22材料科学四要素材料科学四要素 1 1）成分）成分/结构结构(Composition/Structure)Composition/Structure)：影响其性质的直接因素影响其性质的直接因素成分成分/结构结构合成合成/加工加工性质性质效能效能4 4）效能）效能(Performance)Performance)（使用性能或效果）：是指材料在使用条件下使用性能或效果）：是指材料在使用条件下的表现，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线，乃至寿命估计等的表现，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线，乃至寿命估计等 3 3）性质）性质(Properties)Properties)（性能）性能）：力学性质、物理性质和化学性质力学性质、物理性质和化学性质2 2）合成）合成/加工加工(Synthesis/Processing)Synthesis/Processing)：改变材料的组织结构而影响改变材料的组织结构而影响其性质其性质22材料科学四要素 1）成分/结构(Composition23四、材料的分类四、材料的分类 1 1按按化化学学成成分分、生生产产过过程程、结结构构及及性性能能特特点分类：点分类：1 1）金属材料：以金属元素为基础的材料）金属材料：以金属元素为基础的材料优良的力学性能，特别是高强度和高韧性；优良的可加工性a.铁及铁基合金b.非铁金属及其合金23四、材料的分类 1按化学成分、生产过程、结构及性能特点242）有机高分子材料有机高分子材料 一类由一种或几种分子或分子团（结构单元或单体）以共价键结合成具有多个重复单元的大分子材料 特点：种类多、密度小，比强度大，电绝缘性、耐腐蚀性好、加工容易，可符合多种、特种用途的要求242）有机高分子材料 一类由一种或几种分子或分子团（结构2525263）无机非金属材料无机非金属材料 除金属材料、有机高分子材料以外的几乎所有材料 特点：耐高温、高硬度、抗腐蚀，以及优良的介电、压电、光学、电磁性能及其功能转换特性等 263）无机非金属材料 除金属材料、有机高分子材料以外的几274）复合材料复合材料由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的材料 （1）按基体可分为金属基、有机高分子基、无机非金属基复合材料（2）按用途可分为结构复合材料和功能复合材料274）复合材料由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料282 2按使用性能分类按使用性能分类 1）结构材料：以力学性能为主的材料的统称2）功能材料：以特殊物理性能或化学性能为主的材料的统称 282按使用性能分类 1）结构材料：以力学性能为主的材料的294 4按物理性质分类按物理性质分类 导电材料半导体材料绝缘材料高温材料高强度材料磁性材料超导材料透光材料 294按物理性质分类 导电材料高强度材料306 6按用途分类按用途分类 电子材料研磨材料电工材料光学材料建筑材料感光材料耐酸材料包装材料 306按用途分类 电子材料建筑材料31第二节第二节 材料的成分与组织结构材料的成分与组织结构 31第二节 材料的成分与组织结构 32一、材料的成分与结构一、材料的成分与结构材料的成分：指组成材料的元素种类及其含量通常用质量分数（）或粒子数分数（x）表示32一、材料的成分与结构材料的成分：指组成材料的元素种类及其33材料的结构材料的结构 指材料中原子（离子或分子等）的排列方式材料原子、离子和分子间的结合键决定材料的性质 33材料的结构 指材料中原子（离子或分子等）的排列方式34晶体晶体 晶体：由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间作有规律的周期性重复排列而形成的固体近程有序、远程有序 34晶体 晶体：由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间35非晶体非晶体 非晶体：质点在三维空间不呈周期性的规则排列近程有序、远程无序晶体晶体SiO2 非晶体非晶体SiO2 35非晶体 非晶体：质点在三维空间不呈周期性的规则排列晶体S36晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别 质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列（晶体具有自范性）晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体无明显熔点，只存在一个软化温度范围晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性 36晶体与非晶体的区别 质点是否在三维空间作有规则的周期性37单晶体与多晶体单晶体与多晶体 单晶体：质点按同一取向排列，由一个核心（晶核）生长而成的晶体 多晶体:由许多不同位向的小晶体(晶粒)所组成的晶体各向同性假等向性 37单晶体与多晶体 单晶体：质点按同一取向排列，由一个核心38 c 晶体的几个定义晶体的几个定义 1 1）阵阵点点：将将构构成成晶晶体体的的实实际际质质点点（原原子子、离离子子、分分子子）抽抽象象成成纯粹的几何点称为阵点。纯粹的几何点称为阵点。2 2）空空间间点点阵阵（简简称称为为点点阵阵）：阵阵点点在在空空间间呈呈周周期期性性规规则则排排列列，并具有等同的周围环境的模型。并具有等同的周围环境的模型。3 3）晶晶格格：作作许许多多平平行行的的直直线线把把阵阵点点连连接接起起来来，构构成成一一个个三三维维的的几何格架称为晶格。几何格架称为晶格。4 4）晶晶胞胞：晶晶格格中中能能够够完完全全反反映映晶晶格格特特征征的的最最小小几几何何单单元元称称为为晶晶胞。通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。胞。通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。5 5）晶晶胞胞参参数数：晶晶胞胞三三条条棱棱边边（晶晶轴轴）的的边边长长a、b、c及及晶晶轴轴之之间间的夹角的夹角、称为晶胞参数。称为晶胞参数。b a 38 c 晶体的几个定义 1）阵点39晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵 根根据据晶晶胞胞的的外外形形，即即晶晶轴轴长长度度和和晶晶轴轴夹夹角角将将晶晶体体分分为为七七大晶系：大晶系：立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、三方（菱方）立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、三方（菱方）十四种布拉菲点阵：十四种布拉菲点阵：立方：简单立方，体心立方，面心立方立方：简单立方，体心立方，面心立方四方：简单四方，体心四方四方：简单四方，体心四方正交：简单正交，底心正交，体心正交，面心正交正交：简单正交，底心正交，体心正交，面心正交六方：简单六方六方：简单六方单斜：简单单斜，底心单斜单斜：简单单斜，底心单斜三斜：简单三斜三斜：简单三斜三方（菱方）：简单三方（菱方）三方（菱方）：简单三方（菱方）39晶系与布拉菲点阵 根据晶胞的外形，即晶轴长度和晶轴夹角40三斜：三斜：abc 90o 单斜：单斜：abc=90o 正交：正交：abc=90o 四方：四方：a=bc=90o 菱方：菱方：a=b=c=90o 六方：六方：a=bc=90o，=120o 立方：立方：a=b=c=90o 底心底心 体心体心 面心面心 40三斜：abc 90o 单斜：abc 41体心立方体心立方简单立方简单立方面心立方面心立方三种立方晶体结构三种立方晶体结构41体心立方简单立方面心立方三种立方晶体结构42晶体形成的途径晶体形成的途径熔融态物质凝固熔融态物质凝固溶质从溶液中析出溶质从溶液中析出气态物质冷却不经液态直接凝固气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华凝华)42晶体形成的途径熔融态物质凝固43晶体的组成晶体的组成 多元晶体：由两种或更多元素组成组成方式：固溶体和化合物固溶体：加盟组元（溶质）原子占据基本组元原子晶体中所占位置的一部分或它们之间的某些空隙，而仍保持基本组元（溶剂）的晶体结构化合物：加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成新的晶体结构（单质）（单质）（置换型固溶体）（置换型固溶体）（间隙型固溶体）（间隙型固溶体）43晶体的组成 多元晶体：由两种或更多元素组成化合物：加盟组44晶体的缺陷晶体的缺陷 晶体结构缺陷的类型：1.点缺陷：零维缺陷 2.线缺陷：一维缺陷，位错 3.面缺陷：二维缺陷44晶体的缺陷 晶体结构缺陷的类型：45点缺陷点缺陷 指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的间隙原子而导致的缺陷。缺陷尺寸很小，仅引起几个间隙原子而导致的缺陷。缺陷尺寸很小，仅引起几个原子范围的点阵结构的不完整原子范围的点阵结构的不完整(a)空位空位(b)杂质质点杂质质点(c)间隙质点间隙质点45点缺陷 指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的46线缺陷线缺陷 线缺陷：晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象刃位错刃位错 螺位错螺位错 46线缺陷 线缺陷：晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律47面缺陷面缺陷 在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，如晶界、相界等47面缺陷 在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列48二、材料的组织二、材料的组织 在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各组成相形态、尺寸及分布的图像 48二、材料的组织 在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能49三、材料成分和组织结构的检测三、材料成分和组织结构的检测 高分辨率透射电子显微镜（高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）扫描探针显微镜扫描探针显微镜/扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（SPM/STM）原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）X射线衍射（射线衍射（XRD）热重热重/差热分析差热分析/差示扫描量热法（差示扫描量热法（TG/DTA/DSC）BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法）法）49三、材料成分和组织结构的检测 高分辨率透射电子显微镜（50高分辨率透射电子显微镜高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）高压电子束穿过很薄的样品，阻止电子通过的样品区域呈现出图像分辨率可达0.1nm，放大倍数在150万倍以上50高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）高压电子束穿过很薄的51透射电镜的成像原理类似于医学X光片子 20nmB51透射电镜的成像原理类似于医学X光片子 20nmB52透射电子显微镜：线粒体52透射电子显微镜：线粒体53大肠杆菌53大肠杆菌54珊瑚沙54珊瑚沙55铁纳米颗粒55铁纳米颗粒56纳米纤维56纳米纤维57扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）电子束在试样表面扫描，用探测器收集相关信息，逐点逐行地在显像管上显示出来分辨可达0.6nm57扫描电子显微镜（SEM）电子束在试样表面扫描，用探测器收58红细胞 58红细胞 59舌乳头59舌乳头60胃壁腺体60胃壁腺体61616262636364646565666667扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）将探针靠近导电样品表面对其进行扫描,样品和探头之间的隧道电流可连续监测,获得其表面图像。横向分辨本领高达0.10.2nm，而深度分辨率为0.01nm。可以在超高真空，真空，大气，液体中无损伤地直接观察物质表面结构。直接观察和移动原子GBinnig和和HRohrer于于1981年发明，年发明，获得获得1986年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖（恒电流模式）（恒电流模式）（恒高度模式）（恒高度模式）67扫描隧道显微镜（STM）将探针靠近导电样品表面对其进行扫68扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）STM image of oxygen atom lattice on rhodium single crystal;part of study of electrocatalysis.4nm scanSource:Purdue University.4 nm68扫描隧道显微镜（STM）STM image of o69扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）STM image showing single-atom defect in iodine adsorbate lattice on platinum.2.5nm scan 69扫描隧道显微镜（STM）STM image showin70原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）利用针尖和试样原子间的相互微弱作用力来获得试样表面的形貌图像可用于研究绝缘体，半导体及导体，也可对DNA分子进行切割Field of view 30 mm x 30 mmMetallic glass surfaceField of view 2 m mm x 2 m mmpolystyrene microspheres70原子力显微镜（AFM）利用针尖和试样原子间的相互微弱作71X射线衍射（射线衍射（XRD）X X射线与晶体相遇时能发生衍射现象。当一束单色射线与晶体相遇时能发生衍射现象。当一束单色X X射线入射到晶体时，射线入射到晶体时，原子间距离与入射原子间距离与入射X X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X X射线射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强相互干涉，在某些特殊方向上产生强X X射线衍射，衍射线在空间分布的射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关方位和强度，与晶体结构密切相关通过晶体的衍射探测其结构 71X射线衍射（XRD）X射线与晶体相遇时能发生衍射现象。721SiO22 CaCO3建筑垃圾的XRD图谱721SiO2建筑垃圾的XRD图谱73方沸石及混合物的XRD图谱73方沸石及混合物的XRD图谱74热重热重/差热分析（差热分析（TG/DTA）热重法热重法(TG):TG):在温度程序在温度程序控制下，测量物质质量控制下，测量物质质量与温度之间关系的技术与温度之间关系的技术差热分析差热分析(DTA)DTA)：在温度在温度程序控制下，测量物质程序控制下，测量物质的温度和参比物温度差的温度和参比物温度差和温度关系的一种技术和温度关系的一种技术74热重/差热分析（TG/DTA）热重法(TG):在温度程75热重曲线（TG）CaCO3的热重曲线75热重曲线（TG）CaCO3的热重曲线76DTA曲线76DTA曲线77BET气体吸附表面积测量和孔结构气体吸附表面积测量和孔结构分析（分析（BET法）法）Brunauer-Emmett-Teller三人提出多分子层理论的公式简称为BET公式 利用压力和氮气吸附量的关系绘图，就可以通过氮气的单层物理吸附计算出样品的比表面积，也能测定孔径分布，孔容积77BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法）Bru78其它的方法其它的方法 红外光谱（IR）紫外可见光光谱（UVVis）X射线光电子能谱（XPS）俄歇能谱（AES)核磁共振（NMR）78其它的方法 红外光谱（IR）79作 业1.试述环境学科与材料学科之间的关系。2.通过对材料学科的认识和了解，你认为会对你的研究方向带来怎样的启示。79作 业1.试述环境学科与材料学科之间的关系。80END!80END!818182828383848485问题问题 1 1 什么叫材料？人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质85问题 1 什么叫材料？86问题问题 2 2 人类使用材料经历了哪七个时代？1石器时代2青铜器时代 3铁器时代 4水泥时代5钢时代6硅时代7新材料时代86问题 2 人类使用材料经历了哪七个时代？87问题问题 3 3 材料科学四要素是什么？成分成分/结构结构 合成合成/加工加工 性质性质 效能效能 87问题 3 材料科学四要素是什么？成分/结构 合成/加88问题问题 4 4 材料按化学成分、生产过程、结构及性能特点分为哪四类？金属材料有机高分子材料无机非金属材料复合材料88问题 4 材料按化学成分、生产过程、结构及性能特点分为89问题问题 5 5 材料按照使用性能分为哪两类？结构材料功能材料89问题 5 材料按照使用性能分为哪两类？90问题问题 6 6 材料按照结构分为哪三类？晶态材料非晶态材料准晶态材料90问题 6 材料按照结构分为哪三类？91问题问题 7 7 什么叫材料的结构？指材料中原子（离子或分子等）的排列方式91问题 7 什么叫材料的结构？92问题问题 8 8 试述晶体与非晶体的区别。质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体无明显熔点，只存在一个软化温度范围晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性92问题 8 试述晶体与非晶体的区别。93问题问题 9 9 晶体有哪七大晶系？93问题 9 晶体有哪七大晶系？94三斜：三斜：abc 90o 单斜：单斜：abc=90o 正交：正交：abc=90o 四方：四方：a=bc=90o 菱方：菱方：a=b=c=90o 六方：六方：a=bc=90o，=120o 立方：立方：a=b=c=90o 底心底心 体心体心 面心面心 94三斜：abc 90o 单斜：abc 95问题问题 10 10 结构材料的失效形式有哪四种？过量变形 断裂 磨损 腐蚀95问题 10 结构材料的失效形式有哪四种？96问题问题 11 11 材料的性质指哪三种性质？力学性质 物理性质 化学性质96问题 11 材料的性质指哪三种性质？97第第1 1讲结束讲结束谢谢！谢谢！97第1讲结束