1、薛 昊Email：,无机非金属材料的概念狭义：硅酸盐材料(SiO2+MxOy):M为Na、K、Mg、Al、Fe等，如玻璃、陶瓷、耐火材料、胶凝材料（水泥等）、磨料以及无机单晶体，主原料为硅酸盐等矿物 广义：还包括不含硅的其它氧化物（如Al2O3、BaTiO3)、氮化物（Si3N4、BN、AlN等）、硼化物（ZrB2、LaB6、TiB2等）、卤素化合物（BeF2、ZrCl2)、硫系化合物（CeS、ThS）、碳素化合物（人造碳素制品、人造金刚石）、非金属单质（Se等)、陶瓷基复合材料,第一章 绪论,现代科学技术的三大支柱：材料、能源、信息 新技术革命的主要标志：新型材料、信息技术、生物技术,材料是
2、人类赖以生存和发展的物质基础,材料在人类科学发展中的重要意义,材料发展史,几个发展过程： 无机材料作为分时代标志：石器青铜器铁器纳米 天然材料合成新材料 历程：简单复杂、经验知识，全部消耗自然资源合成再生材料 人类使用材料的一个明显标志：传统材料消弱优异性能、特殊功能的新材料壮大,1.1 材料的分类,物理化学属性：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料 应用领域：电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、环境材料、生物材料等 功能特征：结构材料、功能材料结构材料：以力学性能为基础，制造受力构件所用材料功能材料：主要利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等,既是结构又是功能
3、材料：铁、铜、铝,技术成熟程度及发展前景：传统材料与新型材料传统材料：基础材料已批量生产并大量应用的材料钢铁、水泥、塑料新型材料：先进材料正在发展，且具有优异性能和应用前景 相对而言：传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后成为传统材料,传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往推动传统材料的进一步发展。,1.2 无机材料合成概述,“材料科学”的形成：固体物理、无机化学、有机化学和物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的了解 之前，金属材料、高分子材料、无机非金属材料自成体系 冶金学、金
4、属学、陶瓷学与高分子科学的发展也使材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构与性能以及它们之间的相互关系的研究更深入，为材料科学的形成打下了比较坚实的基础,材料科学包含的内容：研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律基础研究面向实际而为经济建设服务应用科学,研究和发展材料的目的在于应用，而材料又必须通过合理 的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来，通过批量 生产才能成为工程材料提出材料科学与工程的概念,工程：研究材料制备过程中的工艺和工程技术问题材料科学与工程概念：研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能与用途的关系和知识的产生及其应用组成结构生产过程材料性能与使用效能及它们
5、之间的关系,英国Pergamon1986年出版第一部材料科学与工程百科全书，美国麻省理工学院主编：,四大要素 四面体 组成与结构（composition-structure） 合成与生产过程（synthesisprocessing）、 性质（properties）、 使用效能（performance）,材料合成（制备）在材料科学与工程中占有重要的地位。,材料合成与加工的重要性,（1）新材料的发展与合成、加工技术进步的关系密切 半导体材料的发现和大规模集成电路工艺的发展计算机技术 精密锻造、定向凝固与单晶技术、粉末冶金、弥散强度等工艺的发展高强度、高温、轻质结构材料航空航天科技 分子束外延、液相
6、外延、化学气相沉积等新合成技术的发展，才使得人工合成材料如：超晶格、薄膜异质结等成为可能 当出现一种新工艺和新技术，材料的发展就出现一次飞越 （2）材料合成与加工中没有解决的问题就会影响新技术的使用：太阳能的利用就因为光电转换材料的合成与加工没有取得突破而停滞不前。,(3)研究某种材料时需了解材料的合成与加工 即使化学成分完全相同的样品也会因为合成与加工的途径不同而呈现不同的性质 材料的物理化学行为取决于材料中的缺陷，而缺陷的类型和密度又取决于制备和后续加工过程,1.3 无机材料合成,无机材料合成：通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原料中得到化学上及性能上不同于原材料的无机新材料 （
7、1）研究新型无机材料的合成 （2）研究已知无机材料的新合成方法及新合成技术,趋势：制定节能、洁净、经济的合成路线以及开发新型结构和新型功能的材料,任何一种新材料的发现到应用于实际，必须经过适宜的制备工艺才能成为工程材料：高温超导自1986年发现以后到目前已有近20年的历史，但仍不能普遍适用于电力，主要是因为没有找到价廉而稳定的生产线材的工艺。传统材料需不断改进生产工艺和流程，提高竞争能力：分子束外延技术的出现，可以控制薄膜的生长精确到几个原子的厚度，从而实现了“原子工程”或“能带工程”，为原子、分子涉及提供有效手段,1.3.1 极端条件下的材料合成,无机材料的现代合成工艺或技术往往与极端条件密
8、切相关：应用极端条件下的合成方法与技术来实现通常条件下无法得到的新材料：例：（1）模拟宇宙空间的高真空、微重力的情况下，可进行无容器加工，合成出无位错的高纯度化合物；（2）在超高压下许多物质的禁带宽度及内外层轨道的距离均会发生变化，从而使元素的稳定价态与通常条件下有很大差别。,（3）水热与溶剂热合成化学在材料领域的广泛应用：在高温高压下，水或其他溶剂处于临界或超临界状态，反应活性提高。物质在溶剂中的物性和化学反应性能均有很大改变，因此溶剂热化学反应异于常态。一系列中、高温高压水热反应的开拓及在此基础上开发出来的水热合成，已成为目前多数无机功能材料、特种组成与结构的无机化合物以及特种聚集态材料，
9、如纳米粒子、溶胶与凝胶、非晶态、无机膜、单晶等合成的重要途径。,1.3.2 软化学合成：在温和的条件下功能无机材料的合成与晶化,虽然苛刻或极端条件下的合成可以导致具有特定结构与性能材料的生成，但是由于其苛刻条件对实验设备的依赖与技术上的不易控制性，以及化学上的不易操作性而减弱了材料合成的定向程度 软化学合成：设备要求简单、化学上的易控性和可操作性-,在材料合成中通过软化学基础性规律研究，探讨与开发温和条件下的合成反应与合成技术，实现具有特殊结构与功能的无机固体材料的合成研究，既具有理论与学科发展意义又具有实用价值,1.3.3 仿生合成技术：酶参加的生物合成法,特点：高选择性、条件温和、副产品少
10、 一般常规方法难于进行的非常复杂的合成仿生技术可将其变为高效、有序、自动进行的合成 仿生技术有利于获得接近或超过生物材料优异性能的新材料,1.4 无机材料合成发展趋势,新型材料的三个趋势： 设计和合成系列化合物，研究它们特定的物性，筛选出最佳性能的物种 制备具有非正常价态和非正常键合方式的化合物，探索其结构和性质 制备已知化合物的指定形态或指定结构产物,合成方法的发展趋势：,(1)目前掌握具有严谨的、立体结构的分子进行熟练地处置、定位和诱导其发生反应的技术的，还仅处于开发的初始阶段，需要进一步开发和掌握这种组装技术，以利用其设计和组装一些迄今为止采用其他方法还无法合成的材料 (2)依靠动力学控
11、制组装过程的合成方法很可能成为今后开发的重点。对反应路线的理解和涉及，使得人们对物质的新亚稳态进行配方设计和调控。,(3)在无机材料合成过程中，非共价相互作用力影响将会得到更广泛的利用。这些大量的微弱的相互作用力的协同作用的结果最终决定了材料合成过程中构建基元的组合和进行方式。这种性质使得依赖于这种协同影响的自我组装机制将会有更为广泛的用途。模板法的运用将会精确到专一的程度，甚至达到生物学家满意的水平,1.5 无机材料合成前沿课题,（1）低温固体合成化学新的研究领域低温固相合成：室温或近室温（40)条件下固固反应优点：有利于合成一些热力学不稳定产物或动力学控制的化合物（如簇合物等生物活性材料、非线性光学材料、催化剂、纳米材料等）；节约能耗、减少三废排放,（2）溶胶凝胶合成法液相合成法的一种崭新方法 优点：工艺过程温度低，制品纯度高，均匀性好 研究热点：廉价的无机盐取代金属有机化合物降低成本合成结构均匀的纳米材料、无裂纹的膜材料及复合材料,（3）无机合成材料的颗粒尺寸及形貌控制无机材料的性能很大程度上取决于材料的颗粒大小和形貌 颗粒尺寸控制：气相液相固相 外形控制：化学法、模板法、物理法例：晶种诱导、添加剂诱导及乳液调节物理场作用（微波、超声波、激光、辐射、等离子体等）研究热点：控制纳米微粒的生长和组装一维纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带二维薄膜、三维结构材料,
