无机材料科学基础要点精.ppt

无机材料科学基础要点第1页，本讲稿共20页主要参考书主要参考书无机材料科学基础无机材料科学基础 陆佩文主编，武汉工业大学出版社陆佩文主编，武汉工业大学出版社无机材料科学基础无机材料科学基础 曾燕伟主编，曾燕伟主编，武汉武汉理工大学出版社理工大学出版社第2页，本讲稿共20页1.1 离子键与离子晶体1.2 共价键与分子轨道理论 第一章第一章 无机材料的化学键与电子结构无机材料的化学键与电子结构化学键是决定材料结构与性能的最基本因素离子键离子键特征特征及离子及离子晶体一般特性晶体一般特性：熔点高、硬度大、质脆、延展性差、熔点高、硬度大、质脆、延展性差、熔融状态可导电熔融状态可导电熔融状态可导电熔融状态可导电熔点高、强度高、硬度高、熔点高、强度高、硬度高、导电性能差导电性能差导电性能差导电性能差 P8第3页，本讲稿共20页2.1 2.1 晶体的周期结构晶体的周期结构2.2 2.2 晶体的宏观对称性晶体的宏观对称性2.3 点阵结构的微观对称性第二章 晶体结构及常见晶体结构类型2.4 常见的晶体结构第4页，本讲稿共20页1、晶体的基本特性、晶体的基本特性 质点在质点在三维三维空间成空间成周期性重复周期性重复周期性重复周期性重复排列排列 各向异性各向异性各向异性各向异性同一晶体在不同方向上的性质差异 anisotropyanisotropy 抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度自范性 具有自发形成封闭的多面体的性质宏观均匀性晶体中任意两个形状、晶体中任意两个形状、大小、大小、取向取向都相同的微观足够大，都相同的微观足够大，宏观足够小的体积元，性质相同。宏观足够小的体积元，性质相同。对称性饱和溶液中球形明矾晶种的生长饱和溶液中球形明矾晶种的生长第5页，本讲稿共20页2 2、点阵、格子、元胞与复胞、点阵、格子、元胞与复胞 P16-173 3、晶面晶面(Miller)指数、晶向指数的含义与计算指数、晶向指数的含义与计算4 4、对称：、对称：物体中的相同部分作有规律的重复 宏观宏观对称要素：对称对称要素：对称/反映面面 对称中心对称中心对称中心对称中心 旋转轴旋转轴n （惯用符号：（惯用符号：L L1 1、L L2 2、L L3 3、L L4 4、L L6 6、C C C C、P P）旋转反轴旋转反轴旋转反轴旋转反轴 4 4次倒转轴不能被其他的对称要素及其组合取代次倒转轴不能被其他的对称要素及其组合取代 P23 对称操作对称操作:使对称图形中相同部分重复的操作 对称要素的组合必须满足晶体的整体对称要求，不是无限的对称要素的组合必须满足晶体的整体对称要求，不是无限的5、对称型（点群）、对称型（点群）结构基元:周期重复的最小单元。对称性对称性操作不变性操作不变性 P20第6页，本讲稿共20页32个对称型（点群）P23-24 晶体形态中，全部对称要素的组合，称为该晶体形晶体形态中，全部对称要素的组合，称为该晶体形态的态的对称型对称型 或或 点群点群。一般来说，当强调对称要素时称对称型，强调对称操作时称点群。为什么叫点群？为什么叫点群？因为对称型中所有对称操作可构成一个群，符合数学中群的概念，并且在操作时有一点不动，所以称为点群。根据晶体中可能存在的对称要素及其组合规律，推根据晶体中可能存在的对称要素及其组合规律，推导出导出宏观晶体宏观晶体中可能出现的中可能出现的对称型对称型（点群）是非常有（点群）是非常有限的，仅有限的，仅有32个个。第7页，本讲稿共20页6、空间点阵及空间点阵及 14种布拉维格子（种布拉维格子（P、I、F、C格子）格子）7、晶体及晶族分类、晶胞参数晶体及晶族分类、晶胞参数 P258、微观对称要素的特征、空间群的概念（微观对称要素的特征、空间群的概念（230种）种）在微观对称操作中都包含有平移动作在微观对称操作中都包含有平移动作 9 9、球体紧密堆积原理、球体紧密堆积原理 （六方密堆、立方密堆）（六方密堆、立方密堆）10、决定晶体结构的因素：组成、质点大小、极化性质决定晶体结构的因素：组成、质点大小、极化性质 1111、典型晶体结构（描述：晶胞参数、典型晶体结构（描述：晶胞参数、堆积堆积填充、配位）填充、配位）CaF2结构、金刚石结构、金红石结构、刚玉结构、结构、金刚石结构、金红石结构、刚玉结构、钙钛矿结构、尖晶石结构钙钛矿结构、尖晶石结构 12、硅酸盐晶体结构、硅酸盐晶体结构分类的依据、硅酸盐晶体结构、硅酸盐晶体结构分类的依据 第8页，本讲稿共20页硅酸盐晶体硅酸盐晶体硅酸盐晶体硅酸盐晶体结构特点结构特点结构特点结构特点a.SiOSiO4 4是结构基础是结构基础b.Si4间不直接相键，通过间不直接相键，通过O2-2-来实现来实现c.SiO4 4每个顶点，最多能被每个顶点，最多能被每个顶点，最多能被每个顶点，最多能被2 2个个个个SiOSiO4 4所共用所共用 d d.两个相邻的两个相邻的两个相邻的两个相邻的SiOSiO4之间可以共顶，而不以共棱、之间可以共顶，而不以共棱、共面共面相连接相连接第9页，本讲稿共20页4.1 4.1 热力学平衡态点缺陷热力学平衡态点缺陷4.2 4.2 非热力学平衡态点缺陷非热力学平衡态点缺陷4.3 点缺陷与化学方程式点缺陷与化学方程式4.4 离子晶体中的点缺陷与色心4.6 晶体的线缺陷位错4.5 掺杂与非化学计量化合物第四章、晶体结构缺陷第四章、晶体结构缺陷第10页，本讲稿共20页缺陷偏离理想晶体周期性或平移对称性的结构形式。可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷缺陷 defects 小尺寸缺陷引起的畸变局限在几个原子间距范围内，可看成零维的点，称作点缺陷：它可以是固有的，也可以是外来的杂质原子引起的；前者称作本征缺陷，后者则为非本征缺陷。点缺陷可分为热缺陷(点阵空穴和填隙原子)、组成缺陷、电荷缺陷和非化学计量缺陷。第11页，本讲稿共20页1 1、缺陷的概念、缺陷的概念 2 2、热缺陷、热缺陷 （弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷）（弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷）热缺陷是一种本征缺陷、高于热缺陷是一种本征缺陷、高于0 K就存在，热缺陷浓度的计算就存在，热缺陷浓度的计算 影响热缺陷浓度的因数：温度和热缺陷形成能（晶体结构）影响热缺陷浓度的因数：温度和热缺陷形成能（晶体结构）3 3、杂质缺陷、固溶体、杂质缺陷、固溶体4 4、非化学计量化合物结构缺陷（半导体）、非化学计量化合物结构缺陷（半导体）种类、形成条件、缺陷的计算等种类、形成条件、缺陷的计算等5 5、连续置换型固溶体的形成条件、连续置换型固溶体的形成条件 6 6、影响形成间隙型固溶体的因素、影响形成间隙型固溶体的因素7 7、组分缺陷（补偿缺陷）：不等价离子取代、组分缺陷（补偿缺陷）：不等价离子取代 形成条件、特点（浓度取决于掺杂量和固溶度）形成条件、特点（浓度取决于掺杂量和固溶度）缺陷浓度的计算、与热缺陷的比较缺陷浓度的计算、与热缺陷的比较 淬火淬火淬火淬火 退火工艺非平衡态点缺陷 P P120-122120-122区别区别 固溶体、固溶体、混合物混合物混合物混合物、化合物、化合物 相数相数 单相单相 多相多相多相多相 单相单相 组成组成 可变可变 可变可变可变可变 确定确定第12页，本讲稿共20页8 8、缺陷反应方程缺陷反应方程和固溶式和固溶式 9 9、固溶体的研究与计算、固溶体的研究与计算 写出缺陷反应方程写出缺陷反应方程 固溶式、算出晶胞的体积和重量固溶式、算出晶胞的体积和重量 理论密度（间隙型、置换型）理论密度（间隙型、置换型）和实测密度比较和实测密度比较 1010、位错概念、位错概念 刃位错：滑移方向与位错线刃位错：滑移方向与位错线垂直垂直，伯格斯矢量，伯格斯矢量b b与位错线与位错线垂直垂直 螺位错：滑移方向与位错线平行，伯格斯矢量螺位错：滑移方向与位错线平行，伯格斯矢量b b与位错线平行与位错线平行 第13页，本讲稿共20页特点：特点：表面结构复杂，性质相差悬殊，研究固体表面比研表面结构复杂，性质相差悬殊，研究固体表面比研究液体表面困难，难以定量描述。究液体表面困难，难以定量描述。表面可以由一系列的物理化学数据来描述（表面积、表面组成、表面表面可以由一系列的物理化学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组成和结构对其性能张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组成和结构对其性能有着重要的影响。有着重要的影响。相界相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面晶界晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界 固体材料中存在的固体材料中存在的界面界面包括包括相界相界和和晶界晶界界面界面和表面(interface(interface and surface)界面是指两相接触的约几个分子厚度的几个分子厚度的几个分子厚度的几个分子厚度的过渡区.两相中的一相为气体时的界面通常称为表面。第14页，本讲稿共20页第五章、表面与界面第五章、表面与界面1 1、界面的分类与特点，、界面的分类与特点，固体是如何降低其表面能的？固体是如何降低其表面能的？2 2、晶体表面弛豫与重构，表面的、晶体表面弛豫与重构，表面的TLK模型模型3 3、润湿的概念、定义、润湿的概念、定义 改善润湿的方法：去除表面吸附膜（提高固体表面能）、改善润湿的方法：去除表面吸附膜（提高固体表面能）、改变表面粗糙度、降低固液界面能改变表面粗糙度、降低固液界面能 5 5、决定晶界构型的因素、决定晶界构型的因素 （界面能与晶界能的相互关系）（界面能与晶界能的相互关系）6 6、粘土荷电的原因、粘土与水的作用、电动电位、粘土荷电的原因、粘土与水的作用、电动电位7*7*、泥浆胶溶的原理与条件、粘土泥浆属于塑性流动、泥浆胶溶的原理与条件、粘土泥浆属于塑性流动 8*8*、泥浆发生触变的原因、泥浆发生触变的原因 第15页，本讲稿共20页第六章、相平衡第六章、相平衡1 1、相律以及相图中的一些基本概念：相、独立组分、自由度等、相律以及相图中的一些基本概念：相、独立组分、自由度等 2 2、水型物质相图的特点（固液界线的斜率为负）、水型物质相图的特点（固液界线的斜率为负）3 3、SiOSiO2 2相图中的可逆与不可逆多晶转变（重建型转变、位移型转变）相图中的可逆与不可逆多晶转变（重建型转变、位移型转变）4 4、一致熔化合物和不一致熔化合物的特点、一致熔化合物和不一致熔化合物的特点5 5、形成连续固溶体的二元相图的特点（没有二元无变量点）、形成连续固溶体的二元相图的特点（没有二元无变量点）6 6、界线、连线的概念及相互关系、界线、连线的概念及相互关系7、等含量规则、等比例规则、背向规则、杠杆规则、等含量规则、等比例规则、背向规则、杠杆规则、连线规则、切线规则、重心规则。连线规则、切线规则、重心规则。8、三元相图析晶路径的分析、三元相图析晶路径的分析 判断化合物的性质判断化合物的性质 划分副三角形划分副三角形 标出界线上的温度走向和界线的性质标出界线上的温度走向和界线的性质 确定无变量点的性质确定无变量点的性质 分析具体的析晶路程分析具体的析晶路程第16页，本讲稿共20页第七章、固体中质点的扩散第七章、固体中质点的扩散1 1、固体中扩散的特点、固体中扩散的特点 各向异性、扩散速率低各向异性、扩散速率低2 2、菲克定律（宏观现象）与扩散系数、菲克定律（宏观现象）与扩散系数 菲克第一定律：稳态扩散菲克第一定律：稳态扩散 菲克第二定律：不稳态扩散菲克第二定律：不稳态扩散3 3、扩散推动力（化学位梯度）、扩散推动力（化学位梯度）4 4、扩散系数的一般热力学关系式、扩散系数的一般热力学关系式 5 5、质点的扩散方式（五种、其中空位最常见，所需能量最小）、质点的扩散方式（五种、其中空位最常见，所需能量最小）6 6、本征扩散、非本征扩散及其相应的扩散系数、本征扩散、非本征扩散及其相应的扩散系数D D 产生本征扩散与非本征扩散的原因产生本征扩散与非本征扩散的原因7 7、扩散的影响因素扩散的影响因素第17页，本讲稿共20页1、固相反应的定义、泰曼温度、固相反应的定义、泰曼温度2、固相反应的转化率、固相反应的转化率 3、固相反应的一般动力学关系（反应的总阻力、固相反应的一般动力学关系（反应的总阻力=各个分阻力之和）各个分阻力之和）4、固相反应的特点、固相反应的特点（化学反应动力学范围、扩散动力学范围）（化学反应动力学范围、扩散动力学范围）5、杨德尔方程、杨德尔方程 G0.3 6、金斯特林格方程、金斯特林格方程 G0.8 7、影响固相反应的因素、影响固相反应的因素8、如果要合成、如果要合成MgAl2O4，可提供选择的原料为，可提供选择的原料为MgCO3、Mg(OH)2、MgO、Al2O33H2O、-Al2O3、-Al2O3,从提高反应速率的角度出发，选择什从提高反应速率的角度出发，选择什么原料较好？么原料较好？第八章、固相化学反应第八章、固相化学反应第18页，本讲稿共20页第九章、固态相变第九章、固态相变1 1、相变的概念、相变的概念 2 2、相变的分类，、相变的分类，无扩散型相变的特点无扩散型相变的特点3 3、一级相变、二级相变、马氏体相变、有序无序相变、一级相变、二级相变、马氏体相变、有序无序相变 4 4、相变过程中的亚稳态、相变过程中的亚稳态 5 5、晶核的形成条件、临界晶核、晶核的形成条件、临界晶核rkrk。（要有。（要有TT）6 6、影响成核速率的因素：、影响成核速率的因素：核坯的数目、质点加到核坯上的速率核坯的数目、质点加到核坯上的速率 Iv=PD Iv=PD7 7、均匀成核与非均匀成核的区别、均匀成核与非均匀成核的区别8 8、影响晶体生长速率的因素：、影响晶体生长速率的因素：温度温度(过冷度过冷度)和和浓度浓度(过饱和度过饱和度)等等结构起伏结构起伏是产生晶核的结构基础。是产生晶核的结构基础。第19页，本讲稿共20页第十章、固态烧结第十章、固态烧结1 1、烧结的概念、烧结的概念2 2、烧成与烧结、烧结与固相反应、烧成与烧结、烧结与固相反应3 3、烧结的推动力（过剩的表面能、烧结的推动力（过剩的表面能 G G）4 4、经典烧结模型、经典烧结模型5 5、液相烧结与固相烧结的异同点、液相烧结与固相烧结的异同点6 6、蒸发、蒸发-凝聚传质过程的特点凝聚传质过程的特点(L/L=0)(L/L=0)7 7、晶粒生长与、晶粒生长与二次再结晶二次再结晶的概念（烧结中后期）的概念（烧结中后期）8 8、影响烧结的因素、影响烧结的因素第20页，本讲稿共20页