第四章化学与材料教学目的与要求：1.了解化学与材料的关系，材料的分类。

2.理解晶体结构的特点，掌握四种基本类型晶体的特点，了解几种典型的晶体材料和非晶体材料。

3.掌握金属材料的特点、了解化学腐蚀和电化学腐蚀的基本原理，掌握防止金属腐蚀的方法。

4.理解无机非金属材料的组织结构，了解传统的硅酸盐材料和新型无机非金属材料。

5.掌握高分子合成的加聚反应和缩聚反应的原理。

了解高分子材料结构与性能的关系。

6.了解纳米材料的特性及制备方法。

教学重点与难点重点：晶体材料难点：晶体、高分子的结构特点第一节材料科学的发展概况一、材料科学体系材料是指人类用来制作各种产品的物质。

材料学科是用化学组成和结构的原理来阐明材料性能的规律性，进而研究和开发具有指定性能的新材料。

材料科学体系则是在化学、物理、冶金学等学科的基础上，以金属材料、无机非金属材料和合成高分子材料为主体的完整的材料体系。

二、化学与材料科学的关系化学是材料发展的基础和源泉，材料的发展离不开化学；而材料学科的发展又扩展了化学的研究领域，促进了化学的发展。

故两者是相互依存，共同促进和发展。

三、材料的分类方法1.按照材料的特性和化学成分可分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料2.按照材料所起作用可分为：（1）结构材料：利用材料的力学性能，制备承受载荷，起支撑作用的构件的材料。

（2）功能材料：利用材料的物理或化学性能，为达到特定的功能，所采用特殊性能的材料。

3.按照材料使用历史可分为：（1）传统材料：生产工艺成熟，使用历史悠久的材料（2）新型材料：新工艺制成或正在发展中的材料4. 按照材料内部原子排列得有序程度分为：晶体材料与非晶体材料第二节晶体与非晶体材料一、晶体与非晶体的区别晶体与非晶体通常有三大差别:（1）晶体具有规整的几何外形，而非晶体则无固定形状。

（2）晶体有确定的熔点。

非晶体的熔化是由固态逐渐软化，最终变为可流动的熔体。

这一过程涉及一个较大的温度区间。

（3）晶体有各向异性，非晶体则为各向同性。

晶体与非晶体结构的区别：晶体结构具有周期性和对称性，而非晶体则无。

因此晶体以其结构具有周期性和对称性，并且具有固定的熔点和各向异性而区别于非晶体。

二、晶体结构1.晶胞晶胞是一个平行六面体，是晶体的基本结构单位。

整个晶体是由晶胞按其周期性在三维空间重复并置堆砌而成。

晶胞的两个基本要素：（1）晶胞的大小和形状，可用晶胞参数表示；由晶胞参数a，b，c，α，β，γ表示，a，b，c 为六面体边长，α，β，γ分别是bc ，ca , ab 所组成的夹角。

按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系晶系边长夹角晶体实例立方晶系 a = b = c α=β=γ= 900NaCl三方晶系 a = b = cα=β=γ≠900Al2O3四方晶系 a = b≠cα=β=γ= 900SnO2六方晶系 a = b≠cα=β= 900,γ= 1200AgI正交晶系a≠b≠cα=β=γ= 900HgCl2单斜晶系a≠b≠cα=β= 900,γ≠900KClO3三斜晶系a≠b≠cα≠β≠γ≠900CuSO4·5H2O（2）晶胞中原子的种类、数目、坐标位置，可用分数坐标表示。

例如：CsCl晶体结构：a=b=c ，α=β=γ＝90º的立方晶胞，其中8个Cl 原子位于晶胞顶点，但每个顶点实际为8个晶胞共有，所以晶胞中含8×1/8=1个Cl 原子。

Cs 原子位于晶胞中心，它们的分数坐标分别是：Cl －（0,0,0），Cs ＋（1/2,1/2,1/2）。

例：表示NaCl 晶体的二要素。

（1）晶胞参数：a =b =c = 562.8pm ，α = β = γ = 90º（2）晶胞中各原子的位置：Na +:体心：1， 棱心： Cl -:顶点： 面心： 各离子的分数坐标：Na +:(0,0,0) (1/2,0,0) (0,1/2,0) (0,0,1/2)Cl -: (1/2,1/2,1/2) (1/2,1/2,0) (1/2,0,1/2) (0,1/2,1/2)2.结构基元：晶体结构中周期性重复的具体的内容。

结构基元必须满足：化学组成相同、空间结构相同、排列取向相同和周围环境相同。

晶胞中若只含有一个结构基元为素晶胞；如：CsCl 晶胞只含有一个CsCl 为素晶胞。

晶胞中含有2个以上结构基元的称为复晶胞，如：NaCl 晶胞中含有4个NaCl 结构基元，为复晶胞。

3.晶格：将晶体中的结构基元抽象成一个结点,就可以得到一组无限有规律的点,即为空间点阵,它可以用来表示晶体结构重复周期的大小和变化规律。

为了便 31241=⨯3621=⨯1881=⨯于研究晶体的几何结构，将晶体中的微粒(原子、离子或分子)抽象地看成几何上的点(称为结点)。

这些点的总和就称为晶格(或点阵)。

事实证明，不同类型的晶体微粒在空间排列的规律性(即晶格类型)是不同的。

对于同一类型的晶体，这种规律性是相同的。

故晶体结构= 空间点阵+ 结构基元空间点阵根据一定的原则可以划分为7种形状，14种型式的晶格。

晶格是晶体所属点阵结构的代表。

晶格的7种形状和晶胞的形状正好对应，故称为7大晶系。

14种晶格根据点的位置可分为四种晶格，即P : 简单格子；I : 体心格子；F：面心格子；C : 底心格子。

三、晶体的基本类型四种晶体，晶格结点上微粒的种类、微粒间的作用力、主要物理性质四、晶体缺陷定义：实际晶体中存在空位、位错、杂质原子等缺陷，这些因素促使实际晶体偏离理想的周期性重复排列，人们称之为晶体缺陷。

晶体缺陷可以影响晶体材料的性质。

并且对于不同的晶体其影响也各不相同。

如：对于离子晶体，空位缺陷会使其电导率增高；对于金属晶体，则因其内部缺陷浓度的增加导致电阻率增高。

杂质对晶体，特别是半导体材料电学性能的影响十分显著：1. N型半导体：掺入杂质能够提供导电电子而改变半导体的导电性能，若半导体中，电子载流子的数目很多，主要靠电子导电，叫做电子半导体，简称N型半导体。

2. P型半导体:掺入杂质能够接受半导体中的价电子，产生同数量的空穴，从而改变了半导体的导电性能，若半导体内几乎没有自由电子，主要靠空穴导电，则叫做空穴半导体，简称p型半导体。

五、晶体材料1.超硬晶体材料——金刚石金刚石的结构：典型的共价键晶体，属立方晶系，每个碳原子以SP3杂化轨道与相邻的4个碳原子形成正四面体。

金刚石的典型结构决定了金刚石具有高的硬度，高熔点和低导电与导热性。

石墨与金刚石是同素异型体，均由碳元素组成。

石墨为层状结构；金刚石为立体网状结构。

从成键的角度看，石墨中碳原子采取sp2杂化；金刚石中每一个碳原子和四个C 等价结合，采用sp3杂化轨道。

通过高温高压的方式，可以将石墨转换为金刚石。

2. BGO 闪烁晶体BGO是Bi2O3-GeO2系化合物锗酸铋的总称，目前往往特指其中的Bi4Ge3O12。

这是一种闪铄晶体，无色透明；当一定能量的电子、γ射线或带电粒子进入时，它能发出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置，就能计算出入射电子等粒子的能量和位置。

这就是BGO的“眼睛”作用，即可用作高能粒子的“探测器”。

其反应如下：在高能粒子的撞击下，能将高能粒子的动能变为光能而发出荧光的晶体，称为闪烁晶体。

闪烁晶体在核医学、高能物理、核技术、空间物理及石油勘探等领域具有广泛的应用。

3. Y AG激光晶体激光晶体就是能够发射出激光的晶体。

最早使用的激光晶体是掺铬的红宝石晶体（Cr:Al2O3），现在用得最多的是掺钕的钇铝石榴石(Nd:Y AG)。

4.会唱歌的晶体--压电晶体当对某些晶体挤压或拉伸时，该晶体的两端就会产生不同的电荷，这种晶体就叫压电晶体。

压电晶体只有按照一定的方向切割，才具有压电效应。

切割方向不同，对晶体的压电效应影响很大。

如果在特定方向的压电晶片上镀上电极，加上交流电，则压电晶片会作周期性的伸长或缩短，产生振荡，如同人唱起歌来一样。

5.光学晶体有宽的光谱透过能力的晶体，称为光学晶体。

主要用作光学仪器中的各种光学窗口、棱镜透镜、滤光和偏光元件等。

如氟化钙可用作导弹的头罩。

氟化钙能够搜集导弹欲攻击目标发出的红外线，因此可以追踪攻击目标。

六、非晶体材料金属及合金极易结晶，传统的金属材料都以晶态形式出现。

但如将某些金属熔体，以极快的速率急剧冷却，例如每秒钟冷却温度大于100万度，则可得到一种崭新的材料。

由于冷却极快，高温下液态时原子的无序状态，被迅速“冻结”而形成无定形的固体，这称为非晶态金属；因其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃。

从结构上讲非晶态金属与普通玻璃相近1.分类:玻璃体、聚合物、凝胶体和非晶态薄膜4大类。

2.非晶态合金的优良性能与应用（1）优异的耐磨性能研究表明，非晶态合金的强度、韧性和耐磨性明显高于普通钢铁材料，用非晶态材料和其它材料可以制备成复合材料，也可以单独制成耐磨器件，时至九十年代，我们在日常生活中接触的非晶态材料已经很多，如采用非晶态合金制备的高耐磨音频视频磁头在高档录音、录相机中广泛应用；而采用非晶丝复合强化的高尔夫球杆、钓鱼杆已经面市。

（2）优异的磁学特性与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的导磁率、低的损耗，是优良的软磁材料，代替硅钢、坡莫合金（铁镍合金）和铁氧体等作为变压器铁芯、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。

非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低60-80％，被誉为节能的“绿色材料”。

非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。

（3）优异的化学性能研究表明，非晶态合金对某些化学反应具有明显的催化作用，可以用作化工催化剂；某种非晶态合金通过化学反应可以吸收和释放出氢，可以用作储氢材料。

由于其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷和不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。

非晶态合金比晶态合金更加耐腐蚀，因此，它可以成为化工、海洋等一些易腐蚀的环境中应用设备的首选材料。

第三节金属材料各种纯金属及合金。

（又可分为：黑色金属材料和有色金属材料）一、金属材料的组成结构1.金属的特点（1）金属表面呈现特有的金属光泽，不透明；（2）具有延展性，在应力作用下，可变形，但有很大的抗断裂性；（3）具有良好的导电传热性；（4）可以形成优良性质的合金。

2.金属键（1）自由电子理论：在金属晶体中金属原子外层价电子受原子核束缚较小，易失去价电子变为金属正离子。

而脱离原子束缚的电子成为自由电子，在整个金属中自由运动，把在空间按一定方式周期性重复排列的金属正离子紧紧地胶合在一起，形成金属晶体。

自由电子和由金属正离子组成的晶格之间的相互作为就是金属键。