先进无机材料的基本理论
无机材料科学基础名词解释
名词解释肖特基缺陷：正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体表面，晶体内正常格点上留下空位弗伦克尔缺陷：晶格热振动时，能量足够大的原子离开平衡位置，挤到晶格间隙中，形成间隙原子，原来位置上形成空位空间群：晶体结构中一切对称要素的集合称为空间群。
本征扩散:指空位来源于晶体结构中本征热缺陷而引起质点的迁移的扩散方式；非本征扩散是由不等价杂质离子取代造成晶格空位，由此而引起的质点迁移。
固溶体：在固态条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。
烧结与熔融：烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的，熔融时全部组元都转变为液相，而烧结时至少有一组元是固态的。
等同点：在晶体结构中占据相同的位置和具有相同的环境的点点阵（空间点阵）：空间点阵，一系列在三维空间按周期性排列的几何点结点间距：行列中两个相邻结点间的距离晶体：内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体，具有格子构造的固体基本性质：结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、最小内能性对称：物体中相同部分之间的有规律的重复宏观晶体的对称要素：对称轴、对称中心、对称面、倒转轴对称变换（对称操作）:使对称物体中各相同部分作有规律重复的变换动作对称型（点群）：宏观晶体中对称要素的集合，包含了宏观晶体中全部对称要素的总和以及它们相互间的组合关系晶胞：晶体结构中的平行六面体单位，其形状大小与对应的空间格子中的平行六面体一致。
单位晶胞：能够充分反映整个晶体结构特征的最小结构单位，其形状大小与对应的单位平行六面体完全一致。
配位数：晶体结构中，原子或离子的周围，与它直接相邻结合的原子个数或所有异号离子的个数。
固相反应：广义：固相参与的化学反应；狭义：固体与固体发生化学反应生成新的固体。
固相反应速度较慢、需要高温烧结：一种或多种固体粉末经过成型，在加热到一定温度后开始收缩，在低于熔点的温度下变成致密、坚硬的烧结体的过程，包括粉末颗粒表面的粘结和粉末内部物质的传递与迁移。
无机材料的热力学性质研究
无机材料的热力学性质研究无机材料是一类在化学组成上不包含碳元素的物质，具有广泛的应用领域。
研究无机材料的热力学性质对于深入理解其物理化学性质以及应用于材料科学和工程领域具有重要的意义。
本文将探讨无机材料的热力学性质及其在材料研究中的应用。
一、热力学基础知识热力学是研究能量转化和能量传递的科学，对于无机材料的热力学性质研究而言，有几个基本的概念需要了解。
1. 熵（Entropy）：熵是描述系统混乱程度的物理量，通常用符号 S 表示。
熵是一个状态函数，和系统的状态有关，而与系统的具体路径无关。
在无机材料的热力学性质研究中，熵常用于描述材料的有序程度和热稳定性。
2. 焓（Enthalpy）：焓是系统在常压下的内能和对外界做的功之和，通常用符号H 表示。
焓变（ΔH）是指系统在一定条件下的焓的变化量，是研究无机材料热反应的重要参数。
3. 自由能（Free Energy）：自由能是系统能量在恒温恒压的条件下的变化量，通常用符号 G 表示。
自由能变化（ΔG）对于无机材料的相变和反应性有着重要的指导意义。
二、无机材料的热力学性质研究方法无机材料的热力学性质研究方法主要包括实验方法和计算方法。
实验方法包括热容法、差示扫描量热法、热重—差示扫描量热法等；计算方法主要包括分子模拟、密度泛函理论等。
1. 实验方法（1）热容法：热容法是通过测量材料在恒定温度和压力下的热容来研究其热力学性质。
通过测量材料在不同温度下的热容，可以得到材料的热稳定性和热膨胀性等信息。
（2）差示扫描量热法：差示扫描量热法是通过比较样品和参比物的热量差异来研究材料的热力学性质。
通过差示扫描量热法可以测量材料的热变化、热反应和相变等热力学参数。
（3）热重—差示扫描量热法：热重—差示扫描量热法是通过测量样品的质量和温度随时间变化的关系来研究材料的热力学性质。
通过热重—差示扫描量热法可以得到材料的热分解、热反应动力学和热稳定性等信息。
2. 计算方法（1）分子模拟：分子模拟是通过计算机模拟分子和材料的结构和性质来研究其热力学性质。
无机材料科学基础
无机材料科学基础无机材料科学是材料科学的一个重要分支，主要研究无机材料的结构、性能和应用。
无机材料是指不含碳元素或含碳量极少的材料，包括金属、陶瓷、玻璃和半导体等。
在现代科技和工业生产中，无机材料发挥着重要作用，广泛应用于电子、建筑、能源、医疗等领域。
首先，无机材料的基本结构对其性能和应用具有重要影响。
无机材料的结构可以分为晶体结构和非晶体结构两种。
晶体结构是指原子或离子按照一定的规则排列而成的有序结构，具有明确的晶体面和晶体方向，如金属和陶瓷材料。
非晶体结构则是指原子或离子无规则排列，缺乏明显的晶体面和晶体方向，如玻璃材料。
不同的结构决定了材料的密度、硬度、导电性和光学性质等。
其次，无机材料的性能与其化学成分密切相关。
无机材料的化学成分包括元素种类、原子结构和化学键等。
例如，金属材料的主要成分是金属元素，具有良好的导电性和机械性能；陶瓷材料主要由氧化物、碳化物和氮化物等组成，具有优异的耐磨性和耐高温性能。
化学成分的不同会导致无机材料性能的差异，因此在材料设计和制备过程中需要充分考虑化学成分的影响。
另外，无机材料的应用领域多种多样。
金属材料广泛应用于机械制造、航空航天和汽车工业；陶瓷材料被用于建筑材料、电子器件和生物医药领域；玻璃材料则被广泛应用于建筑、家居和光学仪器等方面。
此外，半导体材料在电子器件和光电子器件中有着重要的应用，如集成电路、太阳能电池和激光器等。
总之，无机材料科学基础是材料科学研究的重要组成部分，对于推动材料科学的发展和应用具有重要意义。
通过深入研究无机材料的结构、性能和应用，可以不断拓展材料的应用领域，提高材料的性能和功能，推动材料科学和工程技术的进步。
希望本文能够对无机材料科学感兴趣的读者有所启发，也欢迎大家积极参与无机材料科学的研究和应用工作，共同推动材料科学的发展。
无机材料科学基础相图热力学基本原理及相平衡PPT课件
3、自由度 (f) 定义: 温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中， 可以在一定范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的 独立变量的数目 具体看一个二元系统的自由度。
L f=2
L＋A f=1
f =0 E L＋B f=1
A＋B f=1
A
B
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相律应用必须注意以下四点： 1. 相律是根据热力学平衡条件推导而得，因而只能处理真实 的热力学平衡体系。 2. 相律表达式中的“2”是代表外界条件温度和压强。 如果电场、磁场或重力场对平衡状态有影响，则相律中的 “2”应为“3”、“4”、“5”。如果研究的体系为固态物质，可以 忽略压强的影响，相律中的“2”应为“1”。 3. 必须正确判断独立组分数、独立化学反应式、相数以及限 制条件数，才能正确应用相律。 4. 自由度只取“0”以上的正值。如果出现负值，则说明体系可 能处于非平衡态。
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2. 介稳态 即热力学非平衡态，经常出现于硅酸盐系统中。
如：
α－石英
870 ℃
573℃
α－鳞石英 163℃
1470℃ α－方石英 180～270℃
β－石英
β－鳞石英 117℃
β－方石英
γ－鳞石英
说明：介稳态的出现不一定都是不利的。由于某些介稳态具有 所需要的性质，因而创造条件(快速冷却或掺加杂质) 有意把它保存下来。 如：水泥中的β －C2S，陶瓷中介稳的四方氧化锆 ; 耐火材料硅砖中的鳞石英以及所有的玻璃材料。
B％
B
(1) T1： 固相量 S% = 0 ; 液相量 L％=100%;
(2) T2： S% = M2L2/S2L2 ×100％ ；L％ ＝M2S2/S2L2 ×100％
基于分子动力学的无机材料热稳定性分析
基于分子动力学的无机材料热稳定性分析随着科技的不断发展，无机材料的应用越来越广泛，关于无机材料的研究也越来越深入。
无机材料的热稳定性是一个非常重要的参数，它直接关系到无机材料在使用过程中的性能和寿命。
而分子动力学则是其中一种理论计算方法，可以用于研究无机材料的热稳定性。
一、基本原理分子动力学是一种模拟凝聚态物理的方法，基于牛顿运动定律和位形空间。
该方法的基本思想是将物质看成由大量微观粒子组成的系统，并通过数值计算模拟粒子在外力作用下的运动变化。
在无机材料研究中，分子动力学可以通过模拟丰富的温度和压力范围，完整地描述无机材料的结构、稳定性和性能等方面的信息。
二、应用举例1.分子动力学模拟铁氧体的热稳定性铁氧体是一种重要的无机材料，广泛应用于磁性、催化、传感等领域。
通过分子动力学模拟分析，可以获得铁氧体超晶格结构的动态变化过程，并定量计算出铁氧体的热稳定性。
通过分析计算结果，可以发现铁氧体在低温下呈现出非常好的稳定性，但是在高温下则容易出现氧离子的剥离，对材料的性能产生不利影响。
2.分子动力学模拟氧化铝的热稳定性氧化铝是一种十分重要的无机材料，广泛应用于催化、传感、涂料等领域。
在高温、高压等复杂条件下，氧化铝的热稳定性会受到非常大的影响，而分子动力学可以模拟这些复杂条件下材料的结构和性能。
通过分析计算结果，可以发现氧化铝在高温下容易出现结构相变和氧化铝晶格的扭曲变形，对材料的稳定性产生不利影响。
三、分子动力学模拟的优缺点分子动力学模拟有很多优点，比如可以高效精准地计算材料的结构和性质等信息。
同时，分子动力学模拟可以模拟很多复杂的物理过程，比如材料的相变过程、材料的热膨胀过程等。
不过，分子动力学模拟也有一定的局限性，比如计算消耗大、计算时间长等方面的问题。
四、发展趋势未来，随着计算机技术的日益发展，无机材料的热稳定性分析将越来越多地借助于分子动力学模拟等计算方法。
同时，还需要针对分子动力学模拟存在的问题进行改进和优化，进一步提高分子动力学模拟的计算效率和精确度。
无机石材原理
无机石材原理
无机石材是一种由自然矿物质组成的石质材料，其原理主要包括以下几个方面：
1. 矿物质成分：无机石材主要由矿物质组成，如石英、长石、云母等。
这些矿物质具有高硬度、高耐磨性和高耐久性的特点。
2. 结晶结构：矿物质通常以某种特定的化学组合形式存在，并形成具有特定结晶结构的晶体。
这种结晶结构赋予无机石材高强度和抗压性能。
3. 物理性能：无机石材具有一系列独特的物理性能，如高温稳定性、耐酸碱性、耐候性等。
这些性能使得无机石材适用于各种特殊环境和工程应用。
4. 制造工艺：无机石材的制造过程通常包括矿石开采、粉碎、筛选、烧结等工艺。
通过控制这些工艺参数和原料组分，可以获得不同种类和性能的无机石材。
综上所述，无机石材的原理是基于矿物质成分、结晶结构、物理性能和制造工艺等方面的特点，通过合理的组成和工艺处理，使得无机石材具有一系列独特的性能和用途。
应用无机化学：第一章 新型无机材料概述
✓ 粉体原料的粒度是纳米量级的，显微结构中的晶粒、晶界、气孔、缺陷分布均在纳米尺度。 ✓ 纳米陶瓷表面和界面非常大，晶界对材料性能其主导影响作用 ✓ 纳米陶瓷是当前陶瓷研究的一个重要趋向，将促使陶瓷从性能到应用都提高到崭新的阶段 9
现代社会的合成材料
钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透 明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维 等
金 属
高温结构陶瓷
高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等 难熔化合物
材
超硬材料
碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等
料
人工晶体
铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等
生物陶瓷
长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的
载体等
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无机复合材料
陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料
对人体有较好的适应性
心瓣膜、人造关节等
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硬度大、耐磨损
高温炉管
透明、耐高压 氧化铝陶瓷制品
高
压
钠
灯
熔点高
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氧化铝陶瓷球磨罐
星式氧化铝陶瓷球磨机
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高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色 金白，在它的灯光下看物清晰，不刺眼。平均 寿命长达1万小时～2万小时，比高压汞灯寿命 长2倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命 最长的灯。早在20世纪30年代初，人们就已经 知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源， 但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经 不断发展改进，才得以实际应用。
2014级本科生选修课程
应用无机化学
课程内容
第一章 新型无机材料概述
• 新型无机材料发展概况 • 新型无机材料特点 、分类 • 新型无机材料应用领域
无机材料科学基础 第3章 熔体和玻璃体
第三章熔体和玻璃体§3-1 熔体的结构-聚合物理论一、聚合物的形成硅酸盐熔体聚合物的形成可分为三个阶段：（一）、石英颗粒分化熔体化学键分析：离子键与共价键性(约52％)混合。
Si-O键：σ、п 故具有高键能、方向性、低配位特点；R-O键：离子键键强比Si-O键弱 Si4+能吸引O2-；在熔融SiO2中，O/Si比为2：1，[SiO4]连接成架状。
若加入Na2O则使O/Si比例升高，随加入量增加，O/Si比可由原来的2：1逐步升高到4：1，[SiO4]连接方式可从架状变为层状、带状、链状、环状直至最后断裂而形成[SiO4]岛状，这种架状[SiO4]断裂称为熔融石英的分化过程。
由于Na+的存在使Si-O-Na中Si-O键相对增强，与Si相联的桥氧与Si的键相对减弱，易受Na2O的侵袭，而断裂，结果原来的桥氧变成非桥氧，形成由两个硅氧四面体组成的短链二聚体[Si2O1]脱离下来，同时断链处形成新的Si-O-Na键。
邻近的Si-O键可成为新的侵袭对象，只要有Na2O存在，这种分化过程将会继续下去。
分化的结果将产生许多由硅氧四面体短链形成的低聚合物，以及一些没有被分化完全的残留石英骨架，即石英的三维晶格碎片[SiO2]n 。
（二）、各类聚合物缩聚并伴随变形由分化过程产生的低聚合物，相互作用，形成级次较高的聚合物，同时释放出部分Na2O，这个过程称为缩聚。
[Si04]Na4+[Si2O7]NA6=[Si3O10]Na8+Na2O（短链）2[Si3O10]Na8=[SiO3]6Na12+2Na2O（三）、在一定时间和一定温度下，聚合⇌解聚达到平衡缩聚释放的Na2O又能进一步侵蚀石英骨架，而使其分化出低聚物，如此循环，最后体系出现分化⇌缩聚平衡。
熔体中存在低聚物、高聚物、三维晶格碎片、游离碱及石英颗粒带入的吸附物，因而熔体是不同聚合程度的聚合物的混合物，这些多种聚合物同时存在便是熔体结构远程无序的实质。
无机材料的定义性质及应用范围
无机材料的定义性质及应用范围无机材料是指其组成原子间以离子键、共价键或金属键相互连接而构成的物质。
相较于有机材料，无机材料具有许多独特的性质和广泛的应用范围。
定义性质化学稳定性无机材料通常具有较高的化学稳定性，能够在高温、高压、强酸或强碱等恶劣环境下保持其结构和性能的稳定性。
这使得无机材料在诸如耐火材料、电池、催化剂、光催化剂等领域应用广泛。
物理性质无机材料具有多种物理性质，如高硬度、高熔点、低热膨胀系数等。
这些性质使得无机材料能够在材料加工、电子器件、涂层材料等领域发挥重要作用。
导电性和光学性质部分无机材料具有优异的导电性和光学性质。
例如，金属材料和某些半导体材料具有良好的导电性能，被广泛应用于电子器件制造和能源领域。
而染料、荧光体和半导体材料等则具有出色的光学性质，在显示技术、激光器和光电子器件等领域得到广泛应用。
应用范围电子材料无机材料在电子器件制造领域中发挥着重要作用。
金属材料（如铜、铝）被广泛应用于导线、连接器和散热器等部件制造。
半导体材料（如硅、镓）则是电子器件（如晶体管、集成电路）的关键组成部分。
此外，无机材料还用于制造储能设备（如锂离子电池、超级电容器）和太阳能电池等。
光学材料无机材料具有优异的光学性能，广泛应用于光学领域。
例如，二氧化硅被用作光纤的基础材料，用于实现光信号传输。
钙钛矿型材料在太阳能电池中作为高效光吸收层材料，用于太阳能的转化。
其他无机材料如玻璃、晶体、透明导电氧化物等也在光学器件（如镜片、透镜、激光器）和光学传感器中发挥重要作用。
催化剂无机材料在催化领域中具有广泛的应用。
许多无机材料，如贵金属、金属氧化物和过渡金属化合物等，具有优异的催化活性和选择性。
它们被广泛应用于化学工业中的催化反应，如催化裂化、催化加氢、催化氧化等。
催化剂的应用促进了化学工业的发展和环境友好型生产的实现。
其他领域无机材料还广泛应用于其他领域。
耐火材料，如陶瓷和高温合金，具有优异的耐高温性能，被广泛应用于航空航天、冶金和石油化工等领域。
无机材料科学基础(陆佩文)
无机材料科学基础概论一. 研究对象与学习目的自古以来,材料的发展一直是人类文明的里程碑.材料、能源、•信息被公认为是现代文明的三大支柱.新材料已成为各个高技术领域的突破口.材料主要包括：金属材料、有机材料、无机非金属材料.本课程研究的对象是无机非金属材料.无机非金属材料的最大特点是耐高温、耐腐蚀,这些特点是其它材料无法比拟的.无机非金属材料的发展在国民经济中的重要作用是显而易见.研究的对象是"无机非金属材料〞,从化学组成上看：包含硅酸盐,和各种氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、氟化物等.从物质结构上看：可以包括单晶体、多晶体或无定形体.本专业主要研究多晶、多相无机非金属材料,也可称为"陶瓷".从材料形态上看：不仅包括块体材料,还包括粉体材料、纤维材料、晶须材料和薄膜材料.从所属的工业产品来看：可分为传统材料和现代陶瓷,所属的工业产品涉与各个领域.传统材料主要包括陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、磨料、砖瓦等.现代陶瓷按其功能又可分为两大部分：高温结构陶瓷：能在高温条件下承受各种机械作用的陶瓷材料.如：陶瓷发动机的部件、切削工具、耐磨轴承、火箭燃气喷嘴、各种密封环〔石墨〕、能承受超高温作用的结构部件.功能陶瓷：具有声、光、•电、•磁、•热等功能的陶瓷制品.•如:•压电陶瓷〔PbTiO3系>、热敏陶瓷、陶瓷基片、光电陶瓷、生物陶瓷、超导材料、核燃料、磁性材料、化学电池〔β-Al2O3>材料等.我们学习无机材料科学基础的目的是：从理论上定性的了解无机非金属材料的组成、结构与性能之间的关系和变化规律,了解控制材料性能的基本和共性规律.至于如何具体从技术上实现这些,则属于工艺课的范畴.二.学习的内容分为四大部分：材料的结构：晶体结构晶体缺陷玻璃体和熔体固体表面过程热力学和动力学：热力学应用相图相图的热力学推导扩散相变材料制备原理：硅酸盐晶体结构坯料制备与成型的理论基础固相反应烧结材料的制备实验：包括基础实验和选作实验两部分,独立设课三.学习要求材料科学基础对无机非金属材料的性能与生产过程中的一些共性问题从理论上做了系统的讨论.该课程是后续工艺课的理论基础课,同样也是今后指导实际工作,进行理论研究的理论基础.其重要性显而易见.学习过程中实现思维方式的两个转变：--从微观结构的角度考虑问题如：扩散原高浓度—低浓度现为什么在不同的物质中扩散速度不同—结构决定--建立工程意识科学教育—是与非；工程教育—是否可行、是否有效、是否最优.谈到某一因素的影响时既有有利一面又有不利一面.应结合具体情况进行综合考虑.材料科学基础研究无机非金属材料的共性问题,是一门新兴学科,一些理论和学说仍在发展之中,这使我们更容易了解这些理论和学说建立的过程,从中可学习到材料科学的一些研究方法和研究思路.材料科学基础是以物理、化学、物化等学科的知识为基础.要求在学习过程中与时复习所涉与到的有关内容.材料科学基础是一门新兴学科,有些理论尚不成熟.在某些问题上不同学派存在不同观点,为了广泛了解这些观点授课内容不只限于选用教材.所以要求同学们课上做好笔记,课下多看参考书.为了加强同学们独立分析解决问题的能力,习题的选择有一定的难度.某些习题是课堂授课内容的延伸.希望能独立、认真地完成,以收到良好的学习效果.第一章晶体无机非金属材料所用原料与其制品大多数是以结晶状态存在的物质.然而不同的晶体结构具有不同的性质.例如 ,TiO2光催化材料可以在太阳光的照射下降解污染物,TiO2有金红石、锐钛矿、板钛矿等几种晶体结构,锐钛矿型TiO2材料的光催化性能优于金红石型；陶瓷行业中常用的粘土,由于晶体结构不同,工艺性能也表现出很大的差异；α－Al2O3是良好的绝缘材料,而β－Al2O3可作为电池中的电解质以离子导电的方式传递电荷.人们对晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开始的,1912年X射线晶体衍射实验的成功,使人们对晶体的研究从晶体的外部进入到了晶体的内部,使得对晶体的认识有了质的变化.晶体所具有的性质是由晶体中质点排列方式所决定,结构发生变化,性质随之发生变化.然而晶体结构又取决于晶体的化学组成,组成晶体的质点不同意味着质点间键的作用形式和排列方式发生改变.所以,本章主要研究晶体的组成、空间结构和性质之间的关系.本章主要介绍了几何结晶学、晶体化学的基本概念和原理.从这些基本原理出发,介绍了描述晶体结构的方法,包括：i 从几何结晶学角度——空间格子ii 从球体堆积角度——负离子做堆积,正离子填充空隙iii 用鲍林规则分析——多面体堆积iv 取晶胞,晶胞中质点的具体位置以通过这些方法掌握NaCl型、CsCl 型、闪锌矿型、萤石型、刚玉型的晶体结构,并了解纤锌矿型、金红石型、碘化镉CdI2型、钙钛矿型和尖晶石型结构.在此基础上,了解晶体的组成、空间结构和性质之间的关系.第一节几何结晶学基本概念一、晶体的定义1、定义晶体是内部质点在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体,是具有格子构造的固体.晶体的这一定义表明,不论晶体的组成如何不同,也不论其表观是否具有规则的几何外形,晶体的共同特征是内部质点在三维空间按周期性的重复排列.不具备这一特征的物体就不是晶体.以NaCl晶体为例.NaCl的晶胞结构2、空间点阵〔空间格子〕在三维空间按周期性重复排列的几何点的集合称为空间点阵〔空间格子〕.空间点阵〔空间格子〕中的结点是抽象的几何点并非实际晶体中的质点.阵点或结点：空间点阵中的几何点称为阵点或结点.等同点：同一套空间格子中的结点叫等同点.实际晶体是由组成晶体的离子或原子去占据一套或几套穿插在一起的空间格子的结点位置而构成.实际晶体的内部质点是有实际内容的原子或离子.实际晶体中化学组成相同、结晶化学环境相同的质点占据的结点构成一套等同点.所谓结晶化学环境相同是指质点周围在相同方位上离开相同距离有相同的质点.晶体中有几套空间格子就有几套等同点,判断晶体中有几套空间格子的方法是看晶体中有几套等同点.NaCl晶体有2套空间格子,Na+ 离子和Cl-离子各构成一套空间格子.CsCl晶体有2套空间格子,Cs+ 离子和Cl-离子各构成一套空间格子.CaF2 晶体有3套空间格子,Ca2+离子构成一套空间格子；F-离子有两套空间格子. 3、晶体的性质：结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、最小内能性.二、晶系：根据晶体的对称性,将晶体分为三大晶族、七大晶系.高级晶族：立方晶系〔等轴晶系〕中级晶族：六方晶系、三方晶系〔菱方晶系〕、四方晶系〔正方晶系〕低级晶族：斜方晶系〔正交晶系〕、单斜晶系、三斜晶系三、晶胞晶胞是晶体中重复出现的最小结构单元,它包含了整个晶体的特点.对应于七大晶系,晶胞形状有七种.四、空间格子的类型：〔14种布拉维空间格子〕以等同点为基准取晶胞,根据七大晶系,晶胞的形状共有7种. 等同点在晶胞的位置可以有以下几种：1.原始式：等同点占据晶胞的各个角顶2.体心式：等同点占据晶胞的各个角顶和体心3.面心式：等同点占据晶胞的各个角顶和面心4.底心式：等同点占据晶胞的各个角顶和上下底面中心根据某一套等同点为基准所取晶胞的形状和该套等同点在晶胞中的位置可以判断该套等同点构成的空间格子类型,共有十四种空间格子类型,通常称为十四种布拉维空间格子〔布拉维空间点阵〕.晶胞种类等同点在晶胞的位置立方晶胞原始式体心式面心式六方晶胞底心式三方晶胞原始式四方晶胞原始式体心式斜方晶胞原始式体心式面心式底心式单斜晶胞原始式体心式三斜晶胞原始式如：①NaCl晶体是由一套Na+离子立方面心格子和一套Cl-离子立方面心格子穿插而成.②CsCl晶体是由一套Cl-离子立方原始格子和一套Cs+离子立方原始格子穿插而成.CsCl晶体结构③立方ZnS〔闪锌矿〕晶体是由一套S2-离子立方面心格子和一套Zn2+离子立方面心格子穿插而成.④CaF2〔萤石〕晶体是由一套Ca2+离子立方面心格子和两套F-离子立方面心格子穿插而成.⑤TiO2〔金红石〕晶体是由两套Ti4+离子四方原始格子和四套O2-离子四方原始格子穿插而成.第二节晶体化学基础一、晶体中键的形式：1. 典型键型化学键：原子或离子结合成为分子或晶体时,相邻原子或离子间的强烈的吸引作用称为化学键.分子键：分子间较弱的相互作用力.电负性〔X〕可衡量电子转移的情况,因而可用来判断化学键的键型.原子的X越大,越易得到电子,X 大于2,呈非金属性；原子的X越小,越易失去电子,X小于2,呈金属性.化学键的类型：离子键：凡是X值相差大的不同种原子作用形成离子键.X值小的原子易失电子形成正离子,X值大的原子易得电子形成负离子.如：碱土金属与氧原子结合.离子键无饱和性和方向性.共价键：凡是X值较大的同种或不同种原子组成共价键.共价键有饱和性和方向性.金属键：凡是X值都较小的同种或不同种原子组成金属键,被给出的电子形成自由电子气,金属离子浸没其中.金属键无饱和性和方向性.分子键的类型：范德华键：分子间由于色散、诱导、取向作用而产生的吸引力的总和.氢键：X—H…Y,可将其归入分子键.氢键键键力 > 范德华键键力一般的情况下各种键的强度顺序如下：共价键最强,离子键很强,金属键较强,三种化学键的键力远大于分子键,分子键中氢键的键力大于范德华键.2.键型的过渡性凡是X值有相当差异、但差异并不过大的原子之间形成离子键和共价键之间的过渡键型.如：Si-O键〔共价键和离子键成份各占50%〕.依据鲍林公式计算过渡键型中离子键占的百分数P：P=1-exp[-1/4〔xA-xB〕2]二离子半径：对于独立存在的离子,它的离子半径是不确定的,但在离子晶体中,设离子为点电荷 ,根据库仑定律,正、负离子之间的吸引力：F∝<q1q2>/r2随着离子的相互靠近,电子云之间的斥力出现并迅速增大.当引力=斥力时处于平衡,平衡间距r=r0.r0为正离子中心到负离子中心的距离,即正、负离子都可以近似看成球形,各有一个作用圈半径,平衡间距就是相邻的正、负离子相互接触时半径之和.对于存在于离子晶体中的离子,它有确定的离子半径.r0=r++ r-三、球体的堆积方式：1. 球体的最紧密堆积原理假设球体是刚性球,堆积密度越大,堆积体的内能越小,结构越稳定.球体的堆积倾向于最紧密方式堆积.2. 等径球体的堆积方式：〔1〕最紧密堆积①六方最紧密堆积：ABAB……〔ACAC……〕每两层重复一次,其球体在空间的分布与六方格子相对应,堆积体中有两套六方底心格子.其密排面//〔0001〕②立方最紧密堆积：ABCABC……〔ACBACB……〕每三层重复一次,球体分布方式与立方面心格子相对应,堆积体中有一套立方面心格子.其密排面//〔111〕除上述这两种常见的最紧密堆积方式,最紧密堆积也可能出现ABACABAC……,每四层重复一次,或ABABCABABC……,每五层重复一次,等等.密堆率〔堆积系数〕：晶胞中含有的球体体积与晶胞体积之比.最紧密堆积密堆率都是74.05%,空隙率25.95%.最紧密堆积体中是有空隙的,空隙类型有：①四面体空隙：处于四个球体包围之中的空隙,四个球体中心连线形成一个四面体.②八面体空隙：处于六个球体包围之中的空隙,六个球体中心连线形成一个八面体.空隙半径〔空隙中内切球半径〕：八面体>四面体有n个球体作最紧密堆积：①每个球周围有四面体空隙8个,每个四面体空隙为4个球共有,每个球占有四面体空隙数8*1/4=2②每个球周围有八面体空隙6个,每个八面体空隙为6个球共有,每个球占有八面体空隙数6*6/1=1n个球体作最紧密堆积的堆积体中,有2 n个四面体空隙,有n个八面体空隙.〔2〕简单立方堆积简单立方堆积不是最紧密堆积.球体分布方式与立方原始格子相对应,密堆率为52%.堆积体中只形成立方体空隙〔8个球包围,其球心连线形成一个立方体〕.同理可知,n 个球做简单立方堆积有n个立方体空隙.〔3〕不等径球体的堆积不等径球体的堆积可看成较大的球体作等径球体的最紧密堆积,较小的球填充于堆积体的空隙中.在离子晶体中,负离子一般较大,负离子通常作最紧密堆积,正离子较小,填充于堆积体的四面体空隙或八面体空隙中,如果正离子太大,八面体空隙也填不下,则要求负离子改变堆积方式,作简单立方堆积,产生较大的立方体空隙,正离子填充于堆积体的立方体空隙中.用这种方式描述离子晶体结构,虽不严密但有助于我们想象.如：NaCl ：n个Cl-离子做立方最紧密堆积,产生n 个八面体空隙,Na+离子填充全部八面体空隙.CsCl：Cl-做简单立方堆积,Cs+离子填充于全部的立方体空隙当中.ZnS：S2-做立方最紧密堆积,Zn2+填充一半的四面体空隙.CaF2：F-做简单立方堆积,Ca2+填充一半的立方体空隙.不等径球体堆积达到的密堆率可以大于等径球体的密堆率.四、配位数〔CN〕：定义在离子晶体中,每个离子都被与其电荷相反的异名离子相包围,则异名离子的数量就是这个离子的配位数.如：NaCl,Na+周围有6个Cl-,则Na+的CN=62.配位多面体配位数决定了配位多面体的形态.配位数：8——配位多面体：立方体；配位数：4——配位多面体：四面体假设离子是刚性球,正离子的配位数由R+/R-决定：在最紧密堆积体中,八面体空隙内切球的半径：设：堆积球的半径为R,八面体空隙内切球的半径为r,连接四个堆积球的球心为正方形, 所以, 2〔2R〕2=〔2R+2r〕2解得,1.414R=R+r 所以, r/ R=0.414可见,当R+/ R-=0.414 时,正离子恰好填入八面体空隙,此时正离子的配位数为6.同理,当R+/ R-=0.225时,正离子恰好填入四面体空隙,此时正离子的配位数为4.当R+/ R-=0.732 时,正离子恰好填入立方体空隙,此时正离子的配位数为8.实际上,离子晶体中的R+/ R-很少恰好是这些数值,当R+/ R-在两临界值之间时,配位数取下限值.正离子的配位数与R+/ R-的关系如下：R+/ R- <0.155≤R+/ R- <0.225≤R+/ R- <0.414≤ R+/ R- <0.732≤ R+/ R- <1≤ R+/ R-配位数 2 3 4 6 8 12 注意：当配位数为12 相当于等径球体的最紧密堆积.3. 离子的极化对晶体结构的影响在外电场作用下离子被极化,产生偶极矩.离子晶体中每个离子都有双重能力,既有极化别的离子的能力,又有被别的离子极化的能力.极化率〔极化系数〕α：离子被极化的难易程度〔α越大,变形程度越大；α越小,变形程度越小〕极化力β：离子极化其它离子的能力,主极化.一般地,只考虑正离子对负离子的极化作用,而对于最外层电子是18、18+2型正离子,除考虑正离子对负离子的极化作用外,还必须考虑负离子对正离子的极化,因为最外层电子为18、18+2型离子不仅β大.而且α也大,总的极化作用大大加强,晶体结构类型可能因此而改变.* 例：离子极化对卤化银晶体结构的影响AgClAgBrAgIR+/R-0.6350.5870.523实际配位数664〔理论为6〕理论结构类型NaClNaClNaC l实际结构类型NaClNaCl立方ZnS五、决定离子晶体结构的因素——结晶化学定律离子晶体结构取决其组成质点的数量关系、大小关系和极化性能.数量关系：正负离子的比例,如：NaCl中为1:1〔两套立方面心格子〕,CaF2中为1:2〔三套立方面心格子〕大小关系：NaCl中,R+/R-=0.95/1.81=0.52,CN=6.CsCl 中,R+/R-=1.69/1.81=0.93,CN=8.极化性能：AgCl,CN=6；AgI,CN=4.六、晶格能1.定义：把1mol离子晶体中各离子拆散至气态时所需要的能量.对于二元离子晶体U=W1W2e2N0A<1-1/n>/r0其中：W1W2——正负离子的电价, e——电子电荷,r0——平衡间距,N0——阿佛加德罗常数,A——马德伦常数, n——波恩指数.2.晶格能的意义：对于二元晶体,晶格类型相同,且离子间的极化作用不太强烈时,由晶格能大小可比较晶体有关的物理性质如：MgO、CaO、SrO、BaO二元晶体,结构类型为NaCl型,故：晶格能UMgO>U CaO >U SrO >UBaO故熔点 MgO>CaO>SrO>BaO硬度 MgO>CaO>SrO>BaO在利用晶格能比较晶体物理性质时必须注意极化的影响,如ZrO2、CeO2、ThO2均为CaF2型二元晶体,且RZr<RCe<RTh晶格能U ZrO2>U CeO2>U ThO2实际熔点为：2710℃<2750℃<3050℃,熔点ZrO2最低而ThO2最高.七从多面体堆积角度认识晶体——鲍林规则1 第一规则：关于组成负离子多面体的规则在每个正离子周围都形成一个负离子多面体,正负离子间距取决于它们的半径之和,正离子的配位数取决于正负离子半径之比.2 第二规则：电价规则在一个稳定的离子化合物结构中,每一负离子的电价等于或近似等于从邻近的正离子至该负离子各静电强度的总和.W-=∑Si〔偏差不超过1/4价〕其中：Si—静电键强度〔中心正离子分配给每个负离子的电价分数〕〔1〕对于二元晶体可推断其结构〔已知结构稳定〕如：NaClR+/R-=0.95/1.81=0.52,形成[NaCl6]八面体,Si=1/6∴W-=1=∑Si=1/6*i 推出i=6即：每个Cl-周围有6个Na+,或每个Cl-是6个[NaCl6]八面体的共用顶点.〔2〕判断结构是否稳定〔已知结构〕如：镁橄榄石〔Mg2SiO4〕已知结构中,一个[SiO4]四面体和三个[MgO6]八面体共用一个O顶点∴∑Si=1*4/4+3*2/6=2= W- 故结构稳定3第三规则：关于负离子配位多面体共用顶点规则在一个配位结构中,两个负离子多面体以共棱方式特别是共面方式存在时,结构稳定性较低,对于电价高而配位数小的正离子此效应尤为显著.阴离子多面体存在方式不连共顶共棱共面阴离子多面体共用顶点123随着顶点共用数增加,导致两个正离子中心距减小,如在八面体中以点、棱、面相连时,两中心正离子之间的距离以1：0.71：0.58的比例减小,而四面体以点、棱、面相连时,两中心正离子之间的距离以1：0.58：0.33的比例减小.正离子间距减小,排斥力增大,不稳定程度增大.4、第四规则：不同种类配位多面体之间的连接规则在含有不同种类正离子的晶体中,电价高而配位数小的正离子的配位多面体趋向于相互不共用顶点.该规则的物理基础与第三规则相同.5、第五规则：节约规则八、典型无机化合物的结构* 描述晶体结构的方法：i 从几何结晶学角度——空间格子ii 从球体堆积角度——负离子做堆积,正离子填充空隙iii 用鲍林规则分析——多面体堆积iv 取晶胞,晶胞中质点的具体位置1、AX型〔1〕NaCl型方法i：一套Cl-和一套Na+的立方面心格子穿插而成.方法ii：Cl-做立方最紧密堆积,Na+填充全部的八面体空隙.方法iii：第一规则：RNa+/RCl-=0.52,形成[NaCl6]八面体.第二规则：已知结构稳定,W-=1=∑Si在[NaCl6]八面体中,Si=1/6 ∴1=1/6*i 推出：i=6即：每个Cl-是6个[NaCl6]八面体的共用顶点.第三规则：最高连接方式是共棱连接,结构稳定.方法iv：Cl-为基准取晶胞,立方晶胞：Cl- <0,0,0>,<1/2,0,1/2>,<0,1/2,1/2>,<1/2,1/2,0>Na+ <1/2,1/2,1/2>NaCl晶胞中含有的式量分子数：Na+：体心,各边心 1+1/4*12=4Cl- ：各角顶,各面心 1/8*8+1/2*6=4即：每个晶胞中含有4个式量分子.〔"分子〞〕碱土金属氧化物MgO、CaO、SrO、BaO具有NaCl型晶体结构.〔其中的Mg2+、Ca2+、Cs2+、Ba2+相当于NaCl中的Na+离子,而O离子相当于Cl-离子〕〔2〕CsCl型方法i：由一套Cl-和一套Cs+离子的立方原始格子穿插而成.方法ii：Cl-做简单立方堆积,Cs+填充全部立方体空隙.方法iii：第一规则：RCs+/RCl-=0.167/0.181=0.93,形成[CsCl8]立方体第二规则：W-=1=∑Si在[CsCl8]立方体中,Si=1/8 ∴1=1/8*i 推出：i=8即：每个Cl-是8个[CsCl8]立方体的共用顶点.方法iv：立方晶胞：Cl-：<0,0,0>Cs+：<1/2,1/2,1/2>晶胞中含有的式量分子数：Cs+：体心 1Cl-：角顶 1/8*8=1即：每个晶胞中含有1个CsCl式量分子.属于该类型结构的晶体有CsBr、CsI、TlCl、NH4Cl等〔3〕闪锌矿型〔立方ZnS〕方法i：由一套S2-和一套Zn2+的立方面心格子穿插而成.方法ii：S2-做立方最紧密堆积,Zn2+填充1/2的四面体空隙.方法iii：R Zn2+/R S2-=0.44,理论上为[ZnO6]八面体,实际为[ZnO4]四面体.W-=2=∑Si Si=2/4=1/2 ∴1/2*i=2 推出：i=4即：每个S2-是4 个[ZnO4]四面体的共用顶点.最高连接方式为共顶连接.立方晶胞中S2-：<0,0,0>,<0,1/2,1/2>,<1/2,0,1/2>,<1/2,1/2,0>Zn2+：<1/4,1/4,3/4>,<1/4,3/4,1/4>,<3/4,1/4,1/4>,<3/4,3/4,3/4> 晶胞中含有的式量分子数：S2-：各角顶,各面心 1/8*8+1/2*6=4Zn2+：各1/8小立方体的体心 8*1/2=4即：每个晶胞含有4个ZnS"分子".β-SiC、GaAs、AlP、InSb等具有该类型结构.〔4〕纤锌矿型〔六方ZnS〕由2套S2-和2套Zn2+的六方底心格子穿插而成.2. AX2型〔1〕CaF2〔萤石型〕方法i：由一套Ca2+和2套F-的立方面心格子穿插而成.方法ii：F-做简单立方堆积,Ca2+填充一半的立方体空隙.方法iii：R Ca2+/R F-=0.112/0.131=0.85,形成[CaF8]立方体W-=1=∑Si Si=2/8=1/4 ∴1/4*i=1 推出：i=4即：4个[CaF8]立方体共用1 个顶点最高连接方式为共棱连接.方法iv：立方晶胞：Ca2+：<0,0,0>,<1/2,1/2,0>,<1/2,0,1/2>,<0,1/2,1/2>F-：<1/4,1/4,1/4>,<3/4,3/4,1/4>,<3/4,1/4,3/4>,<1/4,3/4,3/4>,<3/4,3/4,3/4>,<1/4,1/4,3/4>,<1/4,3/4,1/4>,<3/4,1/4,1/4> 晶胞中含有的式量分子数：Ca2+：各角顶、各面心 1/8*8+6*1/2=4F-：各1/8小立方体体心 8即：每个晶胞中含有4个CaF2式量分子.该类型结构晶体有ZrO2、UO2、ThO2等* 反萤石结构：与萤石结构相反,正、负离子位颠倒的结构,阴离子做立方最紧密堆积,阳离子填充全部的四面体空隙.晶体举例：碱金属氧化物Li2O、Na2O、K2O〔2〕TiO2〔金红石型〕方法i：由2套Ti4+和4套O2-的四方原始格子穿插而成.方法ii：O2-做六方最紧密堆积,Ti4+填充一半的八面体空隙.方法iii：R Ti4+/R O2-=0.06/0.125=0.46,形成[TiO6]八面体W-=2=∑Si Si=4/6=2/3 ∴2/3*i=2 推出：i=3即：每个O2-是三个[TiO6]八面体的共用顶点.最高连接方式为共棱连接.方法v：四方晶胞：Ti4+：各角顶、体心 1/8*8+1=2O2-：2个1/8立方体体心、4个小立方体底心 2+4*1/2=4即：每个晶体中含有2个TiO2式量分子.晶体举例：GeO2、SnO2、PbO2、MnO2等.* TiO2变体：①金红石型：八面体之间共用棱边数为2条②板钛矿型：八面体之间共用棱边数为3条③锐钛矿型：八面体之间共用棱边数为4条〔3〕CdI2型I-做近似的六方最紧密堆积,Cd2+填充一半的八面体空隙.填充方式为I-形成的层间一层填满一层不填,形成层状结构晶体.两片I-离子夹一片Cd2+离子,电价饱和,层之间靠范德华力连接.方法iii：R Cd2+/R I-=0.095/0.22=0.44,形成[CdI6]八面体W-=1=∑Si Si=2/6=1/3 ∴1/3*i=1 推出：i=3即：每个I-是三个[CdI6]八面体的共用顶点.晶体举例：Mg<OH>2、Ca<OH> 23. A2X3型：α-Al2O3〔刚玉型〕——三方晶系O2-做近似六方最紧密堆积,Al3+填充2/3的八面体空隙.晶胞中存在6个八面体空隙,Al3+填充4个,故不可避免出现八面体共面现象,但α-Al2O3是稳定的,因为Al-O键很强, Al3+配位数高,比4配位时斥力小的多.R Al3+/R O2-= 0.057/0.13 5 = 0.40,形成[AlO6]八面体W-=2=∑Si Si=3/6=1/2 ∴1/2*i=2 推出：i=4即：每个O2-是4个[AlO6]八面体的共用顶点.晶体举例：α-Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3等.4、ABO3型：〔1〕 CaTiO3〔钙钛矿型〕Ca2+：个角顶 O2-：个面心 Ti4+：体心——[TiO6]Ti4+：个角顶 Ca2+：体心 O2-：各边边心——[CaO12]可视做Ca2+、 O2-〔较大的Ca2+〕做立方最紧密堆积〔2〕钛铁矿：FeTiO3〔A离子较小〕O2-做立方最紧密堆积,Fe2+、Ti4+共同填充八面体空隙.〔3〕络阴离子团的ABO3：CaCO3〔B离子较小〕5、AB2O4型：MgAl2O4〔镁铝尖晶石〕O2-做立方最紧密堆积,Al3+填充一半的八面体空隙,Mg2+填充1/8的四面体空隙.将一个晶胞分为8个小立方体〔4个为A,4个为B〕其中A：O2-：各角顶、各面心 Al3+：6条边边心 Mg2+：2个小立方体体心B：O2-：各角顶、各面心 Al3+：另6条边边心和体心无Mg2+* 正尖晶石：二价离子填充四面体空隙,三价离子填充八面体空隙.反尖晶石：一半三价离子填充四面体空隙,另一半三价离子和二价离子填充八面体空隙.第二章晶体缺陷固体在热力学上最稳定的状态是处于0K温度时的完整晶体状态,此时,其内部能量最低.晶体中的原子按理想的晶格点阵排列.实际的真实晶体中,在高于0K的任何温度下,都或多或少的存在着对理想晶体结构的偏离,即存在着结构缺陷.结构缺陷的存在与其运动规律,对固体的一系列性质和性能有着密切的关系,尤其是新型陶瓷性能的调节和应用功能的开发常常取决于对晶体缺陷类型和缺陷浓度的控制,因此掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础.晶体缺陷从形成的几何形态上可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类.其中点缺陷按形成原因又可分为热缺陷、组成缺陷〔固溶体〕和非化学计量化合物缺陷,点缺陷对材料的动力性质具有重要影响.本章对点缺陷进行重点研究,对线缺陷的类型和基本运动规律进行简要的介绍,面缺陷的内容放在表面和界面一章中讲解.第一节热缺陷一.热缺陷定义当晶体的温度高于绝对0K时,由于晶格内原子热振动,使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷.由于质点热运动产生的缺陷称为热缺陷.二.热缺陷产生的原因当温度高于绝对温度时,晶格中原子热振动,温度是原子平均动能的度量,部分原子的能量较高,大于周围质点的约束力时就可离开其平衡位置,形成缺陷.三.热缺陷的基本类型1.肖特基缺陷。
无机材料科学基础复习
相律以及相图中的一些基本概念 水型物质相图的特点（固液界线的斜率为负） 单元系统相图中可逆与不可逆多晶转变的特点 SiO2相图中的多晶转变（重建型转变、位移型转变） 一致熔化合物和不一致熔化合物的特点 形成连续固溶体的二元相图的特点（没有二元无变量点） 相图的坐标系统由什么来决定（相平衡系统中的最大自由度） 界线、连线的概念，以及他们的关系
01
等含量规则、线规则、切线规则、重心规则。
03
独立析晶（非平衡析晶）
04
三元相图析晶路径的分析
05
判断化合物的性质
06
划分副三角形
07
标出界线上的温度走向和界线的性质
08
确定无变量点的性质
09
分析具体的析晶路程
第六章、扩散与固相反应
1、固体中扩散的特点 2、菲克定律（宏观现象） 菲克第一定律：稳态扩散 菲克第二定律：不稳态扩散 3、扩散系数是一个什么样的参数 4、扩散推动力（化学位梯度） 5、扩散系数的一般热力学关系式 6、质点的扩散方式（五种、其中空位最常见，所需能量最小） 7、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，分析、计算 8、萤石结构的ZrO2中Zr4+和O2-哪个扩散的活化能大？ Zr4+
第七章、相变
1、相变的概念（相的概念等） 2、相变的分类 3、一级相变、二级相变 4、固态相变 马氏体相变、有序－无序相变 5、相变过程中的亚稳态 6、晶核的形成条件、临界晶核rk。（要有△T） 7、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 8、均匀成核、非均匀成核，选择成核剂的要求。 9、晶体生长速率 10、成核与晶体生长相比，需要更大的△T
无机材料科学基础教学大纲
《无机材料科学基础》教学大纲英文课程名称: Foundation of Inorganic Material Science课程编号：0711305总学时：88（其中理论课学时：74 实验学时：14）总学分：5.5先修课程：物理化学、晶体学适用专业：无机非金属材料工程开课单位：材料科学与工程学院无机非金属材料工程教研室执笔人：梁忠友审校人：来启辉一、课程教学内容绪论材料的发展动向及本课程的重要地位；本课程的特色及基本要求。
第一章晶体化学基本原理原子半径和离子半径；球体紧密堆积原理，六方堆积和立方堆积；配位数和配位多面体；离子的极化对化学键和结构的影响；电负性，估计化学键；鲍林规则。
第二章晶体结构与晶体中的缺陷第一节典型结构类型氯化钠型、金刚石型、氯化铯型、闪锌矿型、纤锌矿型、萤石型、金红石型、碘化镉型、刚玉型、钙钛矿型、尖晶石型。
第二节硅酸盐晶体结构岛状结构、组群状结构、链状结构、层状结构、架状结构。
第三节晶体结构缺陷，点缺陷、固溶体、非化学计量化合物，固溶体研究方法；线缺陷，包括螺旋位错和刃位错。
第三章熔体与玻璃体第一节熔体结构——聚合物理论，第二节熔体性质粘度和表面张力。
第三节玻璃通性各向同性；介稳性；熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性；熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化的连续性。
第四节玻璃的形成玻璃态物质的形成方法简介；玻璃形成的热力学、动力学，结晶化学条件；第四节玻璃的结构晶子学说；无规则网络学说。
第五节常见玻璃类型硅酸盐玻璃；硼酸盐玻璃。
第四章表面与界面第一节固体的表面固体的表面特征；晶体表面结构；固体表面能；第二节界面行为，润湿与粘附；吸附与表面改姓；第三节晶界晶界结构与分类；多晶体的组织；晶界应力。
第四节粘土—水系统胶体化学粘土的荷电性；离子吸附与交换；电动性质；胶体性质；瘠性料的悬浮与塑化。
第五章相平衡。
第一节硅酸盐系统相平衡的特点热力学平衡态与非平衡态；硅酸盐系统中的组分、相及相律。
无机材料科学基础-第三章-熔体和玻璃体
② 影响熔体中聚合物种类与数量的因素 温度的影响:： ☆ 温度的影响 ： 温度上升，低聚物浓度上升，高聚物浓度下降。 温度上升，低聚物浓度上升，高聚物浓度下降。
组成的影响： ☆ 组成的影响： O/Si增大，非桥氧增多，低聚物增多。 增大，非桥氧增多，低聚物增多。 增大 各种聚合物的数量(浓度 是可以定量计算出来的。根据 各种聚合物的数量 浓度)是可以定量计算出来的。 浓度 是可以定量计算出来的 Masson法对 法对Na2O﹒SiO2熔体进行聚合物浓度计算后，可以画出 熔体进行聚合物浓度计算后， 法对 ﹒ 熔体进行聚合物浓度计算后 的聚合物结构模型（ 的聚合物结构模型（见P84,图3-12）。 图 ）。
（2） 二价金属氧化物的加入还要考虑离子极化对黏度的影响 ） 降低粘度的次序： 降低粘度的次序：Pb2+>Ba2+>Cd2+>Zn2+>Ca2+>Mg2+
（3）Al2O3和 B203对熔体粘度的影响 Al2O3/R2O > 1，Al2O3作为网络变性体 代替SiO 补网”作用，粘度提高。 Al2O3/R2O ≤ 1， Al2O3 代替SiO2 起 “ 补网” 作用， 粘度提高。 的加入， 开始使粘度升高， 硼含量继续增加， B203 的加入 ， 开始使粘度升高 ， 硼含量继续增加 ， 结构网 变得疏松，粘度下降。 变得疏松，粘度下降。 （4）SiO2和ZrO2的影响 都起“补网”作用，使粘度提高。 SiO2 和 ZrO2 都起“补网”作用，使粘度提高。
二、影响熔体粘度的主要因素 1、温度 、 温度对硅酸盐熔体粘度影响很大， 温度对硅酸盐熔体粘度影响很大，它与一般金属和 盐类的差别： 盐类的差别： η η
一般金属或盐类 T
无机材料是什么
无机材料是什么简介无机材料是指由非生物起源的材料，以无机化合物为主要组成成分的材料。
无机材料可用于各种领域，包括建筑材料、电子材料、能源材料、环境材料等等。
本文将从无机材料的基本特性、应用领域、制备方法和发展趋势几个方面进行阐述。
特性无机材料与有机材料相比具有一些独特的特性。
首先，无机材料的化学结构稳定，可以在各种环境下保持其性能稳定性。
其次，无机材料的热稳定性好，可以在高温环境下使用。
此外，无机材料的机械强度高，可以承受较大的载荷。
另外，无机材料往往具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性能。
应用领域无机材料在各个领域都有广泛的应用。
在建筑行业中，无机材料常被用于建筑结构、装饰材料等方面。
例如，水泥是一种常见的无机材料，被广泛应用于混凝土建筑中。
在电子行业中，无机材料可用于制造电路、电池、半导体器件等。
例如，二氧化硅常被用于制造集成电路中的绝缘层。
能源领域中，无机材料可以用于制备电池材料、储能材料等。
此外，无机材料还可用于环保领域，如用于河水净化、废水处理等。
制备方法无机材料的制备方法多种多样，常见的方法包括溶液法、气相法、固相法等。
溶液法是指通过溶液中的化学反应来制备无机材料。
气相法是指通过气相中的化学反应来制备无机材料。
固相法是指直接将反应物在高温环境下进行反应，形成无机材料。
此外，还有其他一些特殊的制备方法，如熔盐法、水热法等。
发展趋势随着科技的不断发展，无机材料领域也在不断进步。
未来，随着纳米科技的发展，无机材料的性能有望进一步提升。
例如，纳米材料具有较大的比表面积，可以提高材料的催化性能和吸附性能。
此外，无机材料的制备技术也将更加精密和高效，以满足各个领域的需求。
另外，人们对无机材料的研究也将越来越深入，有望发现更多的新材料和新应用。
结论无机材料是一类非常重要的材料，在各个领域都有广泛的应用。
它们具有稳定性好、耐高温、机械强度高等特点。
无机材料的制备方法多种多样，包括溶液法、气相法、固相法等。
无机材料科学基础 (1)
即低聚物、高聚物、三维碎片、游离碱、
吸附物。
三、熔体结构的影响因素 A. 温度
当熔体组成不变时，随着温度升高，低聚 物数量增加；否则反之。
某硼硅酸盐熔体中聚合物分布随温度的变化
B. 组成
当温度不变时，熔体组成的O/Si比(R)高，则 表示碱性氧化物含量较高，分化作用增强，从而 Onb增多，低聚物也增多。
B. 熔体形成过程 以Na2O—SiO2熔体为例。
(1) 石英的分化
分化过程示意图：
结果
1处的化学键加强！2处的化学键减弱！ Na2O “进攻”弱点——石英骨架“分
化”——形成各级聚合物。
(2) 升温和无序化： 以SiO2结构作为三维聚合物、二维聚合物及
线性聚合物。在熔融过程中随时间延长，温度上 升，熔体结构更加无序化。 (3) 缩聚与解聚的可逆平衡：
R－O键：以离子键 为主。
R－O键的作用：Si4+能把R－O上的氧离子吸 引到自己周围，使Si－O键的键强、键长等发
生改变，最终使桥氧断裂。
R=O/Si比升高，[SiO4]之间连接方式可以从 石英的架状——层状——链状——岛状。
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第一讲 熔体的结构
一、熔体结构描述——“聚合物理论”
① 硅酸盐熔体中有多种负离子集团同时存在：如 Na2O-SiO2熔体中有：[Si2O7]6-（二聚体）、 [Si3O10]8-（三聚体）……[SinO3n+1](2n+2)-；
② 此外还有“三维晶格碎片”[SiO2]n，其边缘有 断键，内部有缺陷。
[SiO4]四面体在各种聚合物中的分布与R的关系
无机材料科学基础
无机材料科学基础无机材料科学是一门研究无机材料的结构、合成、性能、制备及应用的学科。
无机材料包括金属、陶瓷、无机玻璃以及无机纳米材料等。
无机材料科学的发展对于现代工业、能源、环境保护以及生物医学等领域的发展有着重要的影响。
无机材料的特点是具有高硬度、高熔点、耐磨耗，同时也具有良好的导电性和热导性。
无机材料除了具有传统材料的性质外，还可以通过改变其微观结构和形貌来调控其性能。
因此，无机材料科学的基础研究对于新材料的设计和制备具有重要意义。
无机材料的结构研究是无机材料科学的关键领域之一、通过研究无机材料的晶体结构，可以揭示其物理性质和化学性质之间的关系。
常用的结构表征方法包括X射线衍射、电子显微镜和扫描探针显微镜等。
基于结构研究的探索，可以发现新材料的结构规律和优化设计材料的结构。
无机材料的合成是另一个重要的研究领域。
合成方法的选择和优化对于材料的性能和应用有着重要的影响。
常用的合成方法包括溶剂热法、溶胶凝胶法、水热合成和溶液法等。
通过合成方法的调控，可以制备出具有特殊结构和性能的无机材料。
无机材料的性能研究是无机材料科学的核心内容之一、包括物理性能、化学性能、机械性能以及光电性能等。
例如，研究材料的导电性能可以指导材料的电子器件的应用，研究材料的光电性能可以指导光电器件的设计和制备。
因此，性能研究是无机材料科学的重要研究领域之一无机材料的制备是无机材料科学的重要环节。
无机材料的制备方法可以分为物理制备和化学制备两类。
物理制备方法包括磁控溅射、蒸发、激光熔融等，化学制备方法包括溶液法、凝胶法、水热法等。
合适的制备方法可以提高材料的纯度和结晶度，同时还可以控制其形貌和尺寸。
无机材料的应用涵盖了众多领域。
例如，金属材料广泛用于机械、航空，能源等领域；陶瓷材料被广泛应用于建筑、电子、医疗等方面；无机纳米材料则在微电子、光电子、生物医学等领域有着重要的应用价值。
总之，无机材料科学是研究无机材料的结构、合成、性能、制备及应用的学科。
无机材料物理化学_图文
势ψδ称为 Stern电势。在Stern层内，电势由表面电势ψ0直 线下降到 ψδ。Stern层以外，反离子呈扩散态分布，称为扩
散层。扩散层中的电势呈曲线下降。
Stern模型的双 电层结构
2、ζ电位及其影响因素
在固体表面总有一定数量的溶剂分子与其紧密 结合，电动现象中这些溶剂分子及其内部的反离 子与离子将作为一个整体运动，这样在固-液两 相发生相对移动时存在一个滑动面。滑动面的确 切位置并不知道，但可以合理地认为它在Stern 层之外，并深入到扩散层之中。滑动面上的电势 称为ζ-电位或Zeta电位。
当电解质浓度足够大时，可使滑动电位ζ等于零 ，此时状态称为等电点。具体见图
离子价数 如果反号离子的价数由原来的1价变为2价，而其他条件
不变，则由于带电的胶粒对单个离子的吸引力加大了一倍 ，所以反号离子更接近于胶粒表面，使双电层厚度减小。 所以，价数高的反号离子使胶粒的ζ-电位降低得更剧烈。
小结： 电解质浓度的增加，ζ-电位降低； 电价越高，ζ-电位越小； 参考：课本图2-4-3和2-4-4
“渗透”吸收结合水是结构水化层转入自由水的过 渡层。其上限与粘土颗粒周围充分发育的扩散层相 当，但其下限并不与扩散层的下限一致，而要略高 一些。
物体由于外因（载荷、温度变化等）而变形时，在它 内部任一截面的两方出现的相互作用力，称为“内力” 。内力的集度，即单位面积上的内力称为“应力”。应 力可分解为垂直于截面的分量，称为“正应力”或“法 向应力”；相切于截面的分量称为“剪切应力”。
四、加入电解质时悬液的粘度骤然降低 ，而胶体颗粒的电泳活动性却增高，这说 明粘度的降低并不是由于ζ -电位降低导致 结合水变成自由水的缘故。
《无机材料科学基础》课程介绍
《无机材料科学基础》课程介绍一、课程简介《无机材料科学基础》是材料科学与工程、材料物理专业、复合材料与工程专业的承前启后的专业基础理论课，其主要任务是使学生掌握本专业的基础理论、基本知识和基本技能。
通过本科程学习，要求学生掌握无机材料的结构、性能和物理化学变化规律及它们之间的相互联系，为后续专业课的学习以及从事无机材料领域的生产和科研奠定坚实的理论基础；在掌握本课程所涉及的物理、化学、物理化学、固体物理及量子化学等理论的基础上，学习科学思维方法和研究问题的方法，达到开阔思路、激发探索和创新精神、增强理论分析能力与实践能力的目的。
课程的主要教学内容包括：1、晶体的几何外形规律与晶体结构要求学生掌握晶体的基本特性、生长规律和对称特点；晶体的理想形态与典型的晶体结构，硅酸盐晶体结构及实际晶体中的结构缺陷等内容。
需要建立丰富的空间想象力。
2、硅酸盐聚集系统的结构和性质了解玻璃体结构、性质及玻璃的形成；了解固体表面、界面行为。
3、热力学应用及相平衡掌握热力学有关计算；学会看相图，重点掌握三元相图的分析与应用。
4、过程动力学了解各种扩散机制、扩散规律及影响扩散的因素；固相反应的特点及动力学方程的应用；了解固－液相变机理、核化、晶化过程及影响因素；了解烧结的各种传质机理、烧结速率方程表达式及影响烧结的因素。
本课程的实验教学内容共有2个验证性实验、4个综合性实验和一个设计性实验，具体内容见实验教学。
通过本课的教学，要求掌握晶体结构的特点、结构与性质的关系、实际晶体的缺陷；玻璃体结构、玻璃体与晶体性质差异、玻璃的形成；固体表面、界面行为；热力学有关计算，学会分析与使用相图；各种扩散机制、扩散规律及影响因素；固相反应特点，化学反应与扩散控制的动力学关系与应用；相变的规律，固-液相变的核化、晶化机理和影响因素；固相烧结的各种传质机理、烧结速率方程的表达式与应用。
对材料的组成—工艺—结构—性质之间的关系，对无机材料生产过程中的一些共性和规律有较全面和系统的理解与认识，并具有初步应用的能力。
无机材料专业基础学什么
无机材料专业基础学什么在现代科技飞速发展的时代背景下，无机材料作为一门重要的学科，日益引起人们的关注。
无机材料专业培养的是掌握无机材料基础知识和技能的人才，他们将在材料科学和工程领域发挥着重要的作用。
那么，无机材料专业基础学什么呢？首先，无机材料专业的基础学科包括无机化学、材料科学与工程基础、结构化学等。
无机化学是无机材料专业的核心基础学科，它涉及无机化合物的合成、结构、性质和应用等方面，为无机材料的研究和应用奠定了坚实的基础。
材料科学与工程基础是无机材料专业人员必备的知识，它包括材料的基本性能、制备方法、性能优化技术等。
结构化学主要研究无机材料的结构和晶体缺陷等，为无机材料的性能改进和控制提供了理论支持。
其次，无机材料专业还需要学习物理学、化学工程基础、材料物理等相关学科知识。
物理学是自然科学的基础，它为无机材料的性质和行为提供了解释和预测的方法。
化学工程基础主要介绍化学过程工程的基本原理和技术，为无机材料的生产和应用提供了技术支持。
材料物理是无机材料专业的重要分支学科，它研究材料的物理性质和行为，为无机材料的设计和应用提供了理论指导。
此外，无机材料专业还需要学习数学、计算机基础、英语等其他学科知识。
数学是自然科学的基础，它为无机材料的模拟和计算提供了数学方法。
计算机基础是现代科学技术的基础，它为无机材料的数据处理和模拟研究提供了技术支持。
英语是一种国际通用语言，掌握英语能力对无机材料专业人员进行国际交流和学术合作至关重要。
除了专业知识，无机材料专业还需要培养学生的实践能力和创新意识。
实践能力包括实验技能、数据处理、问题解决能力等，它是无机材料专业人员进行科研和工程设计的基础。
创新意识是无机材料专业人员在科学研究和工程实践中发现和解决问题的能力，它是无机材料领域取得突破性成果的重要因素。
总之，无机材料专业的基础学科包括无机化学、材料科学与工程基础、结构化学等。
此外，还需要学习物理学、化学工程基础、材料物理等相关学科知识，掌握数学、计算机和英语等其他学科的基本知识。
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先进无机材料的基本理论
无机材料是无机非金属材料的简称。
传统的无机材料:由硅酸盐化合物为主要组分制成的材料,包括日用陶瓷、普通工业用陶瓷、一般玻璃、水泥、耐火材料等。
先进无机材料:由氧化物、氮化物、碳化物、硅化物以至各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。
无机材料的分类
分类:
从结晶程度上:多晶体的陶瓷、单晶体、无定形体或玻璃体;
从形态上:块状材料、纤维材料和薄膜材料;
从用途上:不仅深入到人们日常生活和各个工业领域,而且与高技术的发展紧紧地联系在一起。
1.先进陶瓷
陶瓷:从传统工艺的含意来说陶瓷是指将粘土一类的物料经过高温处理变成坚硬有用的多晶材料。
现代陶瓷:广泛含义则还包括玻璃、人工晶体、无机涂层和薄膜等。
先进陶瓷:是为有别于传统陶瓷而言的。
先进陶瓷有时也称为精细陶瓷(Fine Ceramics)、新型陶瓷(New Ceramics)、高技术陶瓷(Migh-tech.Ceramics)等。
先进陶瓷从性能上可分为:结构陶瓷和功能陶瓷两大类。
结构陶瓷:是以力学机械性能为主的一大类陶瓷。
特别适用于高温下应用的则称之为高温结构陶瓷。
功能陶瓷:利用材料的电、磁、光、声、热和力等性能及其耦合反应,如铁电、压
电陶瓷、正(或负)温度系数陶瓷(PTC或NTC)、敏感陶瓷、快离子导体陶瓷等等。
④显微结构分析上的进步,使人们更精细的了解陶瓷材料的结构及其组成,从而可控制地做到工艺-显微结构-性能关系的统一,对陶瓷技术起到了指导作用。
⑤陶瓷材料性能的研究使新的性能的不断出现,大大开拓了陶瓷材料的应用范围。
⑥陶瓷材料无损评估技术发展,加强了使用上的可靠性。
⑦相邻学科的发展对陶瓷科学的进步起到了推动的作用。
2.先进陶瓷材料研究的趋势
①纳米陶瓷:所谓纳米陶瓷,首先所用原料的粒度是纳米量级的粉体,其次在显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔和缺陷分布也都处在纳米级水平。
纳米陶瓷的出现将引起陶瓷工艺、陶瓷科学、陶瓷材料的性能和应用的变革性发展。
颗粒和晶粒降到纳米级水平,由于表面与界面非常大,陶瓷中的晶粒相与晶界相在量的方面几乎处在同等的水平,晶界对材料性能的影响相对成为主导的因素,这些使现有的陶瓷工艺以及陶瓷科学的理论都将不能完全适应。
纳米陶瓷的发展是当前陶瓷研究的一个重要趋向,它将促使陶瓷材料的研究从工艺到理论,从性能到应用都提高到一个崭新的阶段。
②多相复合陶瓷:陶瓷材料本质上是一个多相结构。
在传统陶瓷中是以多组分的晶粒相和晶界相为主的复相结构。
到先进陶瓷阶段,则趋向于单组分的晶粒相和细微的晶界相组成。
而当前的研究趋向则又回复到多相复合结构。
多相复合陶瓷的类型:
①纤维或晶须补强陶瓷复合材料。
它是以陶瓷为基体,以各种组分的纤维(或晶须)作为补强剂所形成的多项结构的复合材料。
②颗粒弥散型复合陶瓷。
他是在陶瓷集体中加入弥散不同化学组成的第二相颗粒
所组成的复相陶瓷。
③两种晶型复合的复相陶瓷。
它是由同一种化学组成的物质,但采取适当的工艺控制,得到不同晶型和不同的晶粒形貌的复相陶瓷,以期达到自补强的目的。