无机材料科学基础课件_ppt课件
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无机材料科学基础相图热力学基本原理及相平衡PPT课件
第6页/共124页
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％
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％
无机材料科学基础非晶态固体新PPT课件
• （2）二价金属氧化物 RO • 二价金属氧化物对粘度的影响很复杂，它们一方面和R2O一样能使硅氧负离子团解
聚；另一方面它们电价较高，而半径又不大，因此其离子势较大，能夺取硅氧负离 子团中的O2-来包围自己，导致硅氧负离子图聚合。使粘度增加。综合这两个相反 的效应R2-降低粘度的次序是：Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+。
大，对粘度其主要作用的是[SiO4]中的Si-O键，这时，加入的正离子半径越小，降 低粘度的作用越大。 次序是：Li+＞Na+＞K+＞Rb+＞Cs+
第13页/共88页
• ②当熔体中碱含量高时， O/Si比值 较大时，硅氧四面体接近于岛状， [SiO4]之间主要靠R-O键连接，这时 作用力矩最大的Li+就具有较大的粘度 了。因此，在这种情况下一价碱金属 氧化物的影响 次序是：
3、模型有助于理解熔体结构中聚合物的多样性和 复杂性，从而得出熔体结构特点是近程有序而远程无 序。
第26页/共88页
硅酸盐熔体的结构特征： 1.基本结构单元－ [SiO4] 四面体 2.基本结构单元在熔体中存在状态－聚合体 基本结构单元在熔体中组成形状不规则、大小不同的聚合离子团,在这些离子团间存在
•
即急冷后成玻璃体结构为近程有序远程无序。
第5页/共88页
强度 I
气体 熔体
玻璃
晶体
sinθ λ
X射线衍射图相似 表明了液体中某一质点最邻近的几个质点的排列
形式与间距和晶体中的相似。这体现了液体结构中 的近程有序和远程无序的特征。
第6页/共88页
• （三）硅酸盐熔体 • 因为硅酸盐晶体是以[SiO4]形式存在，Si-O键结合力强，在转变成熔体时难
无机材料科学基础(共117张PPT)
无机材料科学基础
29
四次旋转反伸轴
L
4 i
无机材料科学基础
L
4 i
A
B
C
D
30
六次旋转反伸轴
L
6 i
L
6 i
无机材料科学基础
三方柱
31
5 、旋转反映轴——映转轴（Lsn）
映转轴由一根假想的直线和垂直于直线的一个平面构成， 即图形绕此直线旋转一定角度后并对此平面进行反映后，相 同部分重复出现。 旋转反映轴有：L1s、L2s、L3s、L4s、L6s。
2、《硅酸盐物理化学》 浙江大学等 建工出版社
3、《结晶学》
翁臻培等
建工出版社
4、《陶瓷导轮》
W.D. 金格瑞等 建工出版社
5、《如何看硅酸盐相图》 沈鹤年·
轻工出版社
6、《固体材料结构基础》 张孝文等
建工出版社
7、《无机材料物理化学》 叶瑞伦等
建工出版社
无机材料科学基础
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6
第一章 结晶学基础
何谓结晶学？
23
一个晶体中可以有对称面，也可以没有对称面；可以有一个，也可 以有多个，但最多不能超过9个。
1P
5P
无机材料科学基础
24
3 、对称轴（Ln）：通过晶体中心的一条假想的直线，绕这 条直线旋转一定的角度后，能使图形相 同的部分重复出现
对应的对称操作：绕对称轴的旋转 轴次（n）：旋转一周重复的次数 基转角（）：重复时所旋转的最小角度
7
§1-1 晶体的基本概念与性质
一、 晶体的基本概念
1、晶体的基本概念
以NaCl晶体为例
Cl Na
0.563nm
晶体：内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体； 或具有格子构造的固体。
无机材料科学基础PPT课件
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
非化学计量化合物：实际化合物中负离子与正离子 的比例不符合定比或倍比定律的化合物。
特点： 1）产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关； 2）可看作是本身高低氧化态之间的固溶体；
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
根据质量物作是用P型定半律导体K。 [OiP'O']2[1h/2•]2
为什么TiO2-x是一种n型半导体？
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
色心、色心的产生及恢复
“色心”——由于电子补偿而引起的一种缺陷。
F-色心：负离子空位＋电子
X、γ、中子或电子射线辐照某些晶体会产生颜色。 原因：由于辐照破坏晶格，产生了各类点缺陷。为在缺 陷区域保持电中性，过剩电子或电子空穴处于缺陷位置上。 点缺陷上的电荷具有一系列分离的允许能级，相当于在可见 光谱区域的光子能级，能吸收一定波长的光，使材料呈现某 种颜色。 把经辐照而变色的晶体加热，能使缺陷扩散掉，使辐照 破坏得到修复，晶体失去颜色。
[e]
P6 O2
1
PZn
P2 O2
1
Zn不完全电离时：
[e]
P4 O2
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
实测ZnO电导率与氧
-2.1
分压的关系支持了单电荷
间隙模型，即后一种是正
-2.3
确的。
logσ
-2.5
-2.7
0.6
1.0
1.4
1.8
2.2
Log PO2 (mmHg)
3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
非化学计量化合物：实际化合物中负离子与正离子 的比例不符合定比或倍比定律的化合物。
特点： 1）产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关； 2）可看作是本身高低氧化态之间的固溶体；
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
根据质量物作是用P型定半律导体K。 [OiP'O']2[1h/2•]2
为什么TiO2-x是一种n型半导体？
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
色心、色心的产生及恢复
“色心”——由于电子补偿而引起的一种缺陷。
F-色心：负离子空位＋电子
X、γ、中子或电子射线辐照某些晶体会产生颜色。 原因：由于辐照破坏晶格，产生了各类点缺陷。为在缺 陷区域保持电中性，过剩电子或电子空穴处于缺陷位置上。 点缺陷上的电荷具有一系列分离的允许能级，相当于在可见 光谱区域的光子能级，能吸收一定波长的光，使材料呈现某 种颜色。 把经辐照而变色的晶体加热，能使缺陷扩散掉，使辐照 破坏得到修复，晶体失去颜色。
[e]
P6 O2
1
PZn
P2 O2
1
Zn不完全电离时：
[e]
P4 O2
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
实测ZnO电导率与氧
-2.1
分压的关系支持了单电荷
间隙模型，即后一种是正
-2.3
确的。
logσ
-2.5
-2.7
0.6
1.0
1.4
1.8
2.2
Log PO2 (mmHg)
无机材料科学基础23页PPT
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
无机材料科学基础
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢
无机材料科学基础
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢
《无机材料科学基础》绪论PPT课件
12
2021/3/12
13
2021/3/12
14
2021/3/12
15
• 飞机和材料
从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快 和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重 之比。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发 展，轻质和高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材 料等得到愈来愈多的采用。
6
材料结构关系
• 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观
结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才
能实现控制结构的目的。
• 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。
• 其内部结构包括 四个层次：①原 子结构；②结合 键；③原子的排 列方式；④显微 组织
2021/3/12
• 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说
各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，
后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料科学
2021/3/1与2 工程（MSE，Material Science and Engineering）
8
材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了 解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以 及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核 心是结构和性能。
实践中总结出来的共同规律而形成的一门课程。该课程是把基础科学理论，特别是物理 化学、无机化学、结构化学、结晶化学、固体物理中的基本理论，具体应用到无机非金 属材料的制备和性能研究上，成为介于基础科学和专业技术之间的一门重要的专业基础 理论课程。
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• 飞机和材料
从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快 和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重 之比。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发 展，轻质和高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材 料等得到愈来愈多的采用。
6
材料结构关系
• 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观
结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才
能实现控制结构的目的。
• 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。
• 其内部结构包括 四个层次：①原 子结构；②结合 键；③原子的排 列方式；④显微 组织
2021/3/12
• 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说
各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，
后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料科学
2021/3/1与2 工程（MSE，Material Science and Engineering）
8
材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了 解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以 及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核 心是结构和性能。
实践中总结出来的共同规律而形成的一门课程。该课程是把基础科学理论，特别是物理 化学、无机化学、结构化学、结晶化学、固体物理中的基本理论，具体应用到无机非金 属材料的制备和性能研究上，成为介于基础科学和专业技术之间的一门重要的专业基础 理论课程。
无机材料概论PPT课件
复合材料是多相材料，主要包括：基本相和增强相。 ➢ 基体相：为连续相材料，将改善性能的增强相材料固结成一体， 并起传递应力的作用； ➢ 增强相：起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合 材料）的作用。
复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使 各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。
property-technics process
第一章 无机材料概论
What is Materials?
资源加工与生物工程学院
世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构 件、工具、装置等物品的物质。 材料存在于我们周围，与我们的生活、我们的 生命息息相关。
第一章 无机材料概论
第6章：凝聚多相系统相平衡——从相平衡的观点，介绍凝聚单 元系统到四元系统相图的基本知识、基本类型和有关实际相图， 重点讨论凝聚三元系统相图的规律性及其在无机材料研究和生产 等方面的应用；
第一章 无机材料概论
资源加工与生物工程学院
第7~10章：过程动力学——重点介绍无机材料研究和制备 中物理化学变化过程（扩散、固相反应、相变、烧结）的 机理、过程的动力学以及影响因素
第一章 无机材料概论
资源加工与生物工程学院
复合材料种类繁多，目前无统一分类方法，一般可根据复 合材料三要素分类。
按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料， 水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料 等；
按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状增强复合材料； 按性能可分为结构复合材料和功能复合材料。
准晶材料：指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然 是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位 置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准 晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十 二次对称轴。 准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实 际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围 较窄的金属间化合物。
复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使 各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。
property-technics process
第一章 无机材料概论
What is Materials?
资源加工与生物工程学院
世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构 件、工具、装置等物品的物质。 材料存在于我们周围，与我们的生活、我们的 生命息息相关。
第一章 无机材料概论
第6章：凝聚多相系统相平衡——从相平衡的观点，介绍凝聚单 元系统到四元系统相图的基本知识、基本类型和有关实际相图， 重点讨论凝聚三元系统相图的规律性及其在无机材料研究和生产 等方面的应用；
第一章 无机材料概论
资源加工与生物工程学院
第7~10章：过程动力学——重点介绍无机材料研究和制备 中物理化学变化过程（扩散、固相反应、相变、烧结）的 机理、过程的动力学以及影响因素
第一章 无机材料概论
资源加工与生物工程学院
复合材料种类繁多，目前无统一分类方法，一般可根据复 合材料三要素分类。
按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料， 水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料 等；
按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状增强复合材料； 按性能可分为结构复合材料和功能复合材料。
准晶材料：指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然 是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位 置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准 晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十 二次对称轴。 准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实 际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围 较窄的金属间化合物。
无机材料科学基础第二章PPT课件
国际上通用的是密勒指数（Miller）
➢晶向指数：点阵中一维方向结点连线－行列：
行列平行方向－晶向（如：晶棱方向）
(1)建立坐标系，原点在待标晶向上
(2)选取该晶向上原点
以外的任一点P(xa，yb，zc)
zc
P
(3)将xa，yb，zc化简为互质
O
整数比u，v，w，且
yb
xa
u∶v∶w = xa∶yb∶zc
离子半径：离子中心到其作用力所及的有 效范围的距离。正、负离子都看成球体。离 子半径是衡量键性、键强、配位关系及极化 的重要数据。
2.6.2 球体紧密堆积原理
1、等大球体的最紧密堆积及其空隙：
【 紧密堆积结构】
Close-packed structures
ABABA.. packing
hcp ＆ fcc
2、晶胞的分类
初级晶胞： 简单晶胞，只在平行六面体的八个角顶有阵点。
复合晶胞： 除角顶外，在其体心、面心或低心位置上也有 阵点。
3、描述晶胞的形状大小
晶胞的表示－晶胞参数
三条晶轴：a，b，c 轴间夹角：α，β，γ
4、晶系和布拉菲点阵
分类依据：棱长、夹角 七种类型：七大晶系 布拉菲点阵：14种
六方紧密堆积
hcp structure
（hexagonally-close packed）
ABCABC.. packing
立方紧密堆积
fcc structure
（face-centered cubic, 面心立方）
1、等大球体的最紧密堆积及其空隙：
（1）六方最紧密堆积：ABAB……紧密堆积 方式，密排面平行于（0001）。
• {100}=(100)+(010)+(001)
➢晶向指数：点阵中一维方向结点连线－行列：
行列平行方向－晶向（如：晶棱方向）
(1)建立坐标系，原点在待标晶向上
(2)选取该晶向上原点
以外的任一点P(xa，yb，zc)
zc
P
(3)将xa，yb，zc化简为互质
O
整数比u，v，w，且
yb
xa
u∶v∶w = xa∶yb∶zc
离子半径：离子中心到其作用力所及的有 效范围的距离。正、负离子都看成球体。离 子半径是衡量键性、键强、配位关系及极化 的重要数据。
2.6.2 球体紧密堆积原理
1、等大球体的最紧密堆积及其空隙：
【 紧密堆积结构】
Close-packed structures
ABABA.. packing
hcp ＆ fcc
2、晶胞的分类
初级晶胞： 简单晶胞，只在平行六面体的八个角顶有阵点。
复合晶胞： 除角顶外，在其体心、面心或低心位置上也有 阵点。
3、描述晶胞的形状大小
晶胞的表示－晶胞参数
三条晶轴：a，b，c 轴间夹角：α，β，γ
4、晶系和布拉菲点阵
分类依据：棱长、夹角 七种类型：七大晶系 布拉菲点阵：14种
六方紧密堆积
hcp structure
（hexagonally-close packed）
ABCABC.. packing
立方紧密堆积
fcc structure
（face-centered cubic, 面心立方）
1、等大球体的最紧密堆积及其空隙：
（1）六方最紧密堆积：ABAB……紧密堆积 方式，密排面平行于（0001）。
• {100}=(100)+(010)+(001)
无机材料科学基础第五章 固溶体PPT课件
金属和金属形成的固溶体都是置换式的。如， Cu-Zn系中的α和η固溶体都是置换式固溶体。
在金属氧化物中，主要发生在金属离子位 置 上 的 置 换 ， 如 ： MgO-CaO ， MgO-CoO ， PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。
C3S的固溶体C54S16MA2.相当于18个Si中有两个被置换。
可编辑课件PPT
18
实例
在面心立方结构中，例如MgO中，氧八面体间 隙都已被Mg离子占满，只有氧四面体间隙是空的。 在TiO2中，有二分之一的八面体空隙是空的。在萤 石结构中，氟离子作简单立方排列，而正离子Ca2+ 只占据了有立方体空隙的一半，在晶胞中有一个较 大的间隙位置。在沸石之类的具有网状结构的硅酸 盐结构中，间隙就更大，具有隧道型空隙。 因此， 对于同样的外来杂质原子，可以预料形成填隙式固 溶体的可能性或固溶度大小的顺序将是沸石>萤石 >TiO2>MgO。实验证明是符合的。
SrO、BaO，使他们形成正硅酸盐。或
添加B2O3、P2O5、Cr2O3为稳定剂，使他 们形成[BO4]、[PO4]、[CrO4]置换[SiO4] 而形成固溶体。
可编辑课件PPT
9
2、晶体结构类型的影响
若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连 续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而 不是充分必要条件。
二、置换型固溶体
三、间隙型固溶体
四、形成固溶体后对晶体性质的影响
五、固溶体的研究方法
可编辑课件PPT
1
第一节 固溶体的分类
一、根据外来组元在主晶相中所处位置 ，可分 为置换固溶体和间隙固溶体。
二、按外来组元在主晶相中的固溶度，可分为 连续型(无限型)固溶体和有限型固溶体。
在金属氧化物中，主要发生在金属离子位 置 上 的 置 换 ， 如 ： MgO-CaO ， MgO-CoO ， PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。
C3S的固溶体C54S16MA2.相当于18个Si中有两个被置换。
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实例
在面心立方结构中，例如MgO中，氧八面体间 隙都已被Mg离子占满，只有氧四面体间隙是空的。 在TiO2中，有二分之一的八面体空隙是空的。在萤 石结构中，氟离子作简单立方排列，而正离子Ca2+ 只占据了有立方体空隙的一半，在晶胞中有一个较 大的间隙位置。在沸石之类的具有网状结构的硅酸 盐结构中，间隙就更大，具有隧道型空隙。 因此， 对于同样的外来杂质原子，可以预料形成填隙式固 溶体的可能性或固溶度大小的顺序将是沸石>萤石 >TiO2>MgO。实验证明是符合的。
SrO、BaO，使他们形成正硅酸盐。或
添加B2O3、P2O5、Cr2O3为稳定剂，使他 们形成[BO4]、[PO4]、[CrO4]置换[SiO4] 而形成固溶体。
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2、晶体结构类型的影响
若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连 续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而 不是充分必要条件。
二、置换型固溶体
三、间隙型固溶体
四、形成固溶体后对晶体性质的影响
五、固溶体的研究方法
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第一节 固溶体的分类
一、根据外来组元在主晶相中所处位置 ，可分 为置换固溶体和间隙固溶体。
二、按外来组元在主晶相中的固溶度，可分为 连续型(无限型)固溶体和有限型固溶体。
无机材料科学基础教程课件
第一章 晶体几何基础
晶体与材料
组成材料的物质（包括天然的固态物质）按其 原子（分子）的聚集状态可分为晶体与非晶体。 晶体可以有单晶体和多晶体，其构成的材料分 别为单晶材料和多晶材料。 单晶材料有人造半导体材料单晶硅和锗、金刚 石、红宝石等，多晶材料包括金属及陶瓷等。 晶体固有的性质对材料的性质具有重要的决定 作用。
晶体与材料
金属和陶瓷等很大一部分材料主要是由晶体 组成的晶质材料。在晶质材料中，晶体本身的性 质是影响材料性质的最主要因素之一。 例如构成耐火材料的主晶相一般具有较高的 熔点；氮化铝陶瓷良好的导热性，是因为氮化铝 晶粒具有高的热导率，等等。Fra bibliotek晶体与材料
一般来讲，一种晶体具有一定的物质组成和一 定的内部结构，物质组成确定后，晶体的性质主要 与其内部结构（或者说内部质点的排列方式）有关。 例如，金刚石和石墨，都是由碳构成的，由于 碳的排列方式（内部结构）不同，金刚石具有很高 的硬度，而石墨则很软。当然，不同的物质成分， 也可具有相同的排列方式。 本章就是关于晶体内部质点排列规律性及由此 决定的晶体宏观形态规律性的认识。
晶体与材料
组成材料的物质（包括天然的固态物质）按其 原子（分子）的聚集状态可分为晶体与非晶体。 晶体可以有单晶体和多晶体，其构成的材料分 别为单晶材料和多晶材料。 单晶材料有人造半导体材料单晶硅和锗、金刚 石、红宝石等，多晶材料包括金属及陶瓷等。 晶体固有的性质对材料的性质具有重要的决定 作用。
晶体与材料
金属和陶瓷等很大一部分材料主要是由晶体 组成的晶质材料。在晶质材料中，晶体本身的性 质是影响材料性质的最主要因素之一。 例如构成耐火材料的主晶相一般具有较高的 熔点；氮化铝陶瓷良好的导热性，是因为氮化铝 晶粒具有高的热导率，等等。Fra bibliotek晶体与材料
一般来讲，一种晶体具有一定的物质组成和一 定的内部结构，物质组成确定后，晶体的性质主要 与其内部结构（或者说内部质点的排列方式）有关。 例如，金刚石和石墨，都是由碳构成的，由于 碳的排列方式（内部结构）不同，金刚石具有很高 的硬度，而石墨则很软。当然，不同的物质成分， 也可具有相同的排列方式。 本章就是关于晶体内部质点排列规律性及由此 决定的晶体宏观形态规律性的认识。
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L
v
S
图4.2.1沾湿过程
拉 开 固 液 界 面 , 外 界 对 体 系 做 的 功 为附着功，表示将单位截面积的液固界面拉开所作 的功。 注：生产中，通常采用化学性能相近的两相系统， 可以降低 γ SL ，以便提高粘附功。
3、铺展（图4.2.3） 置一液滴于一固体表面。恒温恒压下，若此液 滴在固体表面上自动展开形成液膜，则为铺展润 湿。 体系自由能的变化为：
3. 若θ＝00，液体对毛细管完全润湿，液面是凹面。
P 2 γM 1 ⋅ ⇒ P凹 < P0 则 ln = − ρRT r P0
毛细管凝结：蒸汽压对平面液体未达饱和，但对管内凹 面液体已呈饱和，此蒸汽在毛细管内会凝聚成液体。
举例：陶瓷生坯中的水，水泥地面冻裂
4.开尔文公式适用于固体溶解度
2 γ SL M c ln = c0 dRTr
4.1.2 晶体表面结构 表面力的存在使固体表面处于较高能量状 态。系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的 能量，这就导致表面质点的极化、变形、重排并 引起原来晶格的畸变。 威尔（Weyl）等人基于结晶化学原理，研究 了晶体表面结构，认为晶体质点间的相互作用， 键强是影响表面结构的重要因素，提出了晶体的 表面双电层模型，如图4.1.6、4.1.7所示。。
2. 弯曲液面上的饱和蒸气压
开尔文公式
P 2 γM 1 ln = ⋅ P0 ρ RT r
γM 1 1 P ln = ( + ) P0 ρRT r1 r2
讨论： 1.开尔文公式同样适用于不同曲率半径下固体 表面上蒸汽压的计算。 凸面蒸气压＞平面＞凹面;
2. 开尔文公式应用于毛细血管内液体：
P 2 γM 1 ln = − ⋅ cos θ ρRT r P0
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孟哈日巴拉
相律应用必须注意以下四点： 1.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 和压力。如果研究的体系为固态物质，可以忽略
压力的影响，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 或 0 以上的正值。
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相平衡的研究方法
相图即平衡状态图，反映的是体系所处的热力学平衡状态, 与达平衡所需的时间无关。 平衡态 一个不随时间而发生变化的状态。 相图是在实验结果的基础上制作的，所以测量方法、测试 的精度等都直接影响相图的准确性和可靠性。 研究凝聚系统相平衡，有二种基本方法：动态法和静态法。
相
系统中具有相同物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。
特点： 1、相与相之间有界面。各相可以用机械方法
加以分离，越过界面时性质发生突变。 2、 一个相必须在物理性质和化学性质上都是均匀的， 这里的“均匀”是指一种微观尺度的均匀，但一个相不 一定只含有一种物质。 3、一种物质可以有几个相。同一个相不一定连续。
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相数(P)：一个系统中所含相的数目，叫做相数，以P表示。 按照相数的不同，系统可分为： 单相系统（P＝1） 二相系统（P＝2） 三相系统（P＝3）等等。 含有两个相以上的系统，统称为多相系统。
1、气体 不论有多少种气体都只可能有一个气相。 对于系统中的气体，因其能够以分子形式按任何比例互相均 匀混合。
##
注意：指的平衡不是在高压条件
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2、液体 对于系统中液体，纯液体是一个相。 混合液体则视其互溶程度而定，能完全互溶形成真溶液的， 即为一相；若出现液相分层便不止一相。
3、固体 1）形成机械混合物 几种固态物质形成的机械混合物，不管其粉磨得多细，都 不可能达到相所要求的微观均匀，因而都不能视为单相。有 几种物质就有几个相。 在硅酸盐系统中，在低共熔温度下从具有低共熔组成的液相 中折出的低共熔混合物是几种晶体的机械混合物。因而，从 液相中析出几种晶体，即产生几种新相。
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独立组元
系统中每一个能单独分离出来并能独立存在的化学纯物质 称为物种或组元。 足以表示形成平衡系统中各相组成所需要的最少数目的物 种（组元）称为独立组元。它的数目，称为独立组元数，以 符号C表示。
C= 组元数－独立化学反应数目－浓度限制条件
通常把具有n个独立组元的系统称为n元系统。 按照独立组分数目的不同，可将系统分为 单元系统（C＝1） 二元系统（C＝2） 三元系统（C＝3）等。
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自由度
在一定范围内，可以任意改变而不引起旧相消失或新相产 生的独立变量称为自由度，平衡系统的自由度数用 f 表示。 这些变量主要指组成（即组分的浓度）、温度和压力等。 一个系统中有几个独立变量就有几个自由度。
##
注意：对于给定的相平衡系统，在保持系统中相的数目和 相的状态不发生变化的条件下，并不是温度、压力、组分的 浓度等所有的变量都可以任意改变。
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2）生成化合物 固态物质间每生成一个新的化合物，则形成一种新的固态 物质，即产生一个新相。 总结： 3）形成固溶体 气相只能一个相，不论多少种气体混在一起 由于在固溶体晶格上各物质的化学质点是随机均匀分布的， 都一样形成一个气相。 其物理性质和化学性质符合相的均匀性要求，因而几个物质 液体可以是一个相，也可以是两个相（互溶 程度有限时）。 间形成的固溶体为一个相。 固体如果是连续固溶体为一相；其它情况下， 4）同质多晶现象 一种固体物质是一个相。 在硅酸盐物系中，这是极为普遍的现象。同一物质的不同 晶型(变体)虽具有相同化学组成，但由于其晶体结构和物理性 质不同，因而分别各自成相。有几种变体，即有几个相。
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动态法
最普通的动态法是热分析法。这种方法主要是观察系统中 的物质在加热和冷却过程中所发生的热效应。当系统以一定 速度加热或冷却时，如系统中发生某了相变。则必然伴随吸 热或放热的能量效应，测定此热效应产生的温度，即为相变 发生的温度， 常用的有 加热或冷却（步冷）曲线法； 差热分折法。 此外还有 热膨胀曲线法； 电导（电阻）法。
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6.1 相平衡及其研究方法 一、相平衡的基本概念 1、系统 2、相 3、独立组元 4、自由度 5、外界影响因素 二、相律 三、相平衡的研究方法 1、动态法 2、静态法 四、应用相图时应注意的几个问题
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相平衡的基本概念
系 统
系统：选择的研究对象称为系统。 环境：系统以外的一切物质都称为环境。
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外界影响因素
影响系统平衡状态的外界因素包括：温度、压力、电场、
磁场、重力场等等。外界影响因素的数目称为影响因素数， 用符号 n 表示。在一般情况下只考虑温度和压力对系统平衡 状态的影响，即n＝2。
##
注意：影响凝聚系统平力对陶瓷系统中相平衡的影响 并不总是可以忽略不计的，在非常高的温度或在加压下研究 系统时，压力必须做为变量予以考虑。
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（1）加热或冷却（步冷）曲线法
这种方法是将一定组成的体系，均匀加热至完全熔 融或加热完全溶解后，使之均匀冷却，测定体系在每一 时刻下的温度。作出时间一温度曲线，这样的曲线称为 加热曲线或步冷曲线。如果系统在均匀加热或冷却过程 中不发生相变化，则温度的变化是均匀的，曲线是圆滑 的；反之，若有相变化发生，则因有热效应产生，在曲 线上必有突变和转折。曲线的转折程度和热效应的大小 有关，相变时热效应小，曲线出现一个小的转折点，相 变时热效应大，曲线上便会出现一个平台。
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相 律
相平衡的一般规律 吉布斯(W.Gibbs) 1876年导出了多相平衡系统的普遍规律— 相律。 相律的数学表达式为： f＝ C - P + n （6－1） 一般情况下，只考虑温度和压力对系统的平衡状态的影响， 即n＝2，则相律表达式为： f＝ C - P + 2 （6－2） 凝聚系统的相律公式为： f＝ C - P + 1
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相律应用必须注意以下四点： 1.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 和压力。如果研究的体系为固态物质，可以忽略
压力的影响，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 或 0 以上的正值。
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相平衡的研究方法
相图即平衡状态图，反映的是体系所处的热力学平衡状态, 与达平衡所需的时间无关。 平衡态 一个不随时间而发生变化的状态。 相图是在实验结果的基础上制作的，所以测量方法、测试 的精度等都直接影响相图的准确性和可靠性。 研究凝聚系统相平衡，有二种基本方法：动态法和静态法。
相
系统中具有相同物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。
特点： 1、相与相之间有界面。各相可以用机械方法
加以分离，越过界面时性质发生突变。 2、 一个相必须在物理性质和化学性质上都是均匀的， 这里的“均匀”是指一种微观尺度的均匀，但一个相不 一定只含有一种物质。 3、一种物质可以有几个相。同一个相不一定连续。
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相数(P)：一个系统中所含相的数目，叫做相数，以P表示。 按照相数的不同，系统可分为： 单相系统（P＝1） 二相系统（P＝2） 三相系统（P＝3）等等。 含有两个相以上的系统，统称为多相系统。
1、气体 不论有多少种气体都只可能有一个气相。 对于系统中的气体，因其能够以分子形式按任何比例互相均 匀混合。
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注意：指的平衡不是在高压条件
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2、液体 对于系统中液体，纯液体是一个相。 混合液体则视其互溶程度而定，能完全互溶形成真溶液的， 即为一相；若出现液相分层便不止一相。
3、固体 1）形成机械混合物 几种固态物质形成的机械混合物，不管其粉磨得多细，都 不可能达到相所要求的微观均匀，因而都不能视为单相。有 几种物质就有几个相。 在硅酸盐系统中，在低共熔温度下从具有低共熔组成的液相 中折出的低共熔混合物是几种晶体的机械混合物。因而，从 液相中析出几种晶体，即产生几种新相。
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独立组元
系统中每一个能单独分离出来并能独立存在的化学纯物质 称为物种或组元。 足以表示形成平衡系统中各相组成所需要的最少数目的物 种（组元）称为独立组元。它的数目，称为独立组元数，以 符号C表示。
C= 组元数－独立化学反应数目－浓度限制条件
通常把具有n个独立组元的系统称为n元系统。 按照独立组分数目的不同，可将系统分为 单元系统（C＝1） 二元系统（C＝2） 三元系统（C＝3）等。
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自由度
在一定范围内，可以任意改变而不引起旧相消失或新相产 生的独立变量称为自由度，平衡系统的自由度数用 f 表示。 这些变量主要指组成（即组分的浓度）、温度和压力等。 一个系统中有几个独立变量就有几个自由度。
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注意：对于给定的相平衡系统，在保持系统中相的数目和 相的状态不发生变化的条件下，并不是温度、压力、组分的 浓度等所有的变量都可以任意改变。
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2）生成化合物 固态物质间每生成一个新的化合物，则形成一种新的固态 物质，即产生一个新相。 总结： 3）形成固溶体 气相只能一个相，不论多少种气体混在一起 由于在固溶体晶格上各物质的化学质点是随机均匀分布的， 都一样形成一个气相。 其物理性质和化学性质符合相的均匀性要求，因而几个物质 液体可以是一个相，也可以是两个相（互溶 程度有限时）。 间形成的固溶体为一个相。 固体如果是连续固溶体为一相；其它情况下， 4）同质多晶现象 一种固体物质是一个相。 在硅酸盐物系中，这是极为普遍的现象。同一物质的不同 晶型(变体)虽具有相同化学组成，但由于其晶体结构和物理性 质不同，因而分别各自成相。有几种变体，即有几个相。
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动态法
最普通的动态法是热分析法。这种方法主要是观察系统中 的物质在加热和冷却过程中所发生的热效应。当系统以一定 速度加热或冷却时，如系统中发生某了相变。则必然伴随吸 热或放热的能量效应，测定此热效应产生的温度，即为相变 发生的温度， 常用的有 加热或冷却（步冷）曲线法； 差热分折法。 此外还有 热膨胀曲线法； 电导（电阻）法。
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6.1 相平衡及其研究方法 一、相平衡的基本概念 1、系统 2、相 3、独立组元 4、自由度 5、外界影响因素 二、相律 三、相平衡的研究方法 1、动态法 2、静态法 四、应用相图时应注意的几个问题
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相平衡的基本概念
系 统
系统：选择的研究对象称为系统。 环境：系统以外的一切物质都称为环境。
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外界影响因素
影响系统平衡状态的外界因素包括：温度、压力、电场、
磁场、重力场等等。外界影响因素的数目称为影响因素数， 用符号 n 表示。在一般情况下只考虑温度和压力对系统平衡 状态的影响，即n＝2。
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注意：影响凝聚系统平力对陶瓷系统中相平衡的影响 并不总是可以忽略不计的，在非常高的温度或在加压下研究 系统时，压力必须做为变量予以考虑。
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（1）加热或冷却（步冷）曲线法
这种方法是将一定组成的体系，均匀加热至完全熔 融或加热完全溶解后，使之均匀冷却，测定体系在每一 时刻下的温度。作出时间一温度曲线，这样的曲线称为 加热曲线或步冷曲线。如果系统在均匀加热或冷却过程 中不发生相变化，则温度的变化是均匀的，曲线是圆滑 的；反之，若有相变化发生，则因有热效应产生，在曲 线上必有突变和转折。曲线的转折程度和热效应的大小 有关，相变时热效应小，曲线出现一个小的转折点，相 变时热效应大，曲线上便会出现一个平台。
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相 律
相平衡的一般规律 吉布斯(W.Gibbs) 1876年导出了多相平衡系统的普遍规律— 相律。 相律的数学表达式为： f＝ C - P + n （6－1） 一般情况下，只考虑温度和压力对系统的平衡状态的影响， 即n＝2，则相律表达式为： f＝ C - P + 2 （6－2） 凝聚系统的相律公式为： f＝ C - P + 1