无机材料科学基础要点.ppt

无机材料科学基础复习,南华大学化学化工学院,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,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,熔点高、强度高、硬度高、导电性能差 P8,2.1 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 常见的晶体结构,1、晶体的基本特性 质点在三维空间成周期性重复排列,各向异性同一晶体在不同方向上的性质差异 anisotropy 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、 大小、取向都相同的微观足够大， 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,2、点阵、格子、元胞与复胞 P16-17 3、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复 宏观对称要素：对称/反映面 对称中心 旋转轴n （惯用符号：L1、L2、L3、L4、L6、C、P） 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 P20,32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？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。,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 P25 8、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、硅酸盐晶体结构、硅酸盐晶体结构分类的依据,硅酸盐晶体结构特点 a. SiO4是结构基础 b. Si4间不直接相键，通过O2-来实现 c. SiO4每个顶点，最多能被2个SiO4所共用 d. 两个相邻的SiO4之间可以共顶，而不以共棱、 共面相连接,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,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。,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 退火工艺非平衡态点缺陷 P120-122,区别 固溶体、混合物、化合物 相数 单相 多相 单相 组成 可变 可变 确定,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,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包括相界和晶界,界面和表面(interface and surface),界面是指两相接触的约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,第六章、相平衡,1、相律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（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,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MgCO3、Mg(OH)2、MgO、Al2O3·3H2O、-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=P·D 7、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,