无机材料科学基础要点精品文稿.ppt

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1、无机材料科学基础要点第1 页，本讲稿共20 页主要参考书无机材料科学基础 陆佩文主编，武汉工业大学出版社无机材料科学基础 曾燕伟主编，武汉理工大学出版社第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 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特征及离子晶体一般特性：熔点高、硬度大、质脆、延展性差、熔融状态可导电 熔融状态可导电熔点高、强度高、硬度高、导电性能差 导电性能差 P8第3 页，本讲稿共20 页2.1 晶体的周期结构2.2 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

2、结构第4 页，本讲稿共20 页1、晶体的基本特性 质点在三维空间成周期性重复 周期性重复排列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 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第5 页，本讲稿共20 页2、点阵、格子、元胞与复胞 P16-173、晶面(Miller)指数、晶向指数的含义与计算4、对称：物体中的相同部分作有规律的重

3、复 宏观对称要素：对称/反映面 对称中心 对称中心 旋转轴n（惯用符号：L1、L2、L3、L4、L6、C C、P）旋转反轴 旋转反轴 4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: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5、对称型（点群）结构基元:周期重复的最小单元。对称性操作不变性 P20第6 页，本讲稿共20 页32个对称型（点群）P23-2423-24 晶体形态中，全部对称要素的组合，称为该晶体形态的对称型 或 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

4、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，推导出宏观晶体中可能出现的对称型（点群）是非常有限的，仅有32个。第7 页，本讲稿共20 页6、空间点阵及 14种布拉维格子（P、I、F、C格子）7、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（230种）在微观对称操作中都包含有平移动作 9、球体紧密堆积原理（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 11、典型晶体结构（描述：晶胞参数、堆积填充、配位）CaF2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 12、

5、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结构特点 结构特点 a.a.SiOSiO4 4是结构基础 是结构基础b.b.SiSi4 4 间不直接相键，通过间不直接相键，通过OO2-2-来实现来实现 c.c.SiO SiO4 4每个顶点，最多能被每个顶点，最多能被22个个SiOSiO44所共用所共用 d d.两个相邻的 两个相邻的SiO SiO44之间可以共顶，而不以共棱、之间可以共顶，而不以共棱、共面相共面相连接连接第9 页，本讲稿共20 页4.1 热力学平衡态点缺陷4.2 非热力学平衡态点缺陷4.3 点缺陷与化学方程式4.4 离子晶体中的点缺陷与色

6、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、缺陷的概念 2、热缺陷（弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷）热缺陷是一种本征缺陷、高于0 K就存在，热缺陷浓度的计算 影响热缺陷浓度的

7、因数：温度和热缺陷形成能（晶体结构）3、杂质缺陷、固溶体4、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5、连续置换型固溶体的形成条件 6、影响形成间隙型固溶体的因素7、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）缺陷浓度的计算、与热缺陷的比较 淬火 淬火 退火工艺非平衡态点缺陷 P P120-122 120-122区别 固溶体、混合物 混合物、化合物 相数 单相 多相 多相 单相 组成 可变 可变 可变 确定第12 页，本讲稿共20 页8、缺陷反应方程和固溶式 9、固溶体的研究与计算 写出缺陷反应方程 固溶式、算出晶胞的体积和重量 理论密

8、度（间隙型、置换型）和实测密度比较 10、位错概念 刃位错：滑移方向与位错线垂直，伯格斯矢量b与位错线垂直 螺位错：滑移方向与位错线平行，伯格斯矢量b与位错线平行 第13 页，本讲稿共20 页特点：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。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有着重要的影响。相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界 固体材料中存在的界面界面包括相界和晶界界面界面和和表面表面(interface(interface a

9、ndand surface 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1、界面的分类与特点，固体是如何降低其表面能的？2、晶体表面弛豫与重构，表面的TLK模型3、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）、改变表面粗糙度、降低固液界面能 5、决定晶界构型的因素（界面能与晶界能的相互关系）6、粘土荷电的原因、粘土与水的作用、电动电位7*、泥浆胶溶的原理与条件、粘土泥浆属于塑性流动 8*、泥浆发生触变的原因 第15 页，本讲稿共20 页第六章、相平衡1、相律

10、以及相图中的一些基本概念：相、独立组分、自由度等 2、水型物质相图的特点（固液界线的斜率为负）3、SiO2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、一致熔化合物和不一致熔化合物的特点5、形成连续固溶体的二元相图的特点（没有二元无变量点）6、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、连线规则、切线规则、重心规则。8、三元相图析晶路径的分析 判断化合物的性质 划分副三角形 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 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1、固体中扩散的特点 各向异性、扩散速率低2、菲克定律（

11、宏观现象）与扩散系数 菲克第一定律：稳态扩散 菲克第二定律：不稳态扩散3、扩散推动力（化学位梯度）4、扩散系数的一般热力学关系式 5、质点的扩散方式（五种、其中空位最常见，所需能量最小）6、本征扩散、非本征扩散及其相应的扩散系数D 产生本征扩散与非本征扩散的原因7、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2、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=各个分阻力之和）4、固相反应的特点（化学反应动力学范围、扩散动力学范围）5、杨德尔方程 G0.3 6、金斯特林格方程 G0.8 7、影响固相反应的因素8、如果要合成MgAl2O4，可提供选择的原料为

12、MgCO3、Mg(OH)2、MgO、Al2O33H2O、-Al2O3、-Al2O3,从提高反应速率的角度出发，选择什么原料较好？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1、相变的概念 2、相变的分类，无扩散型相变的特点3、一级相变、二级相变、马氏体相变、有序无序相变 4、相变过程中的亚稳态 5、晶核的形成条件、临界晶核rk。（要有T）6、影响成核速率的因素：核坯的数目、质点加到核坯上的速率 Iv=PD7、均匀成核与非均匀成核的区别8、影响晶体生长速率的因素：温度(过冷度)和浓度(过饱和度)等结构起伏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1、烧结的概念2、烧成与烧结、烧结与固相反应3、烧结的推动力（过剩的表面能G）4、经典烧结模型5、液相烧结与固相烧结的异同点6、蒸发-凝聚传质过程的特点(L/L=0)7、晶粒生长与二次再结晶的概念（烧结中后期）8、影响烧结的因素第20 页，本讲稿共20 页