材料化学总结.

第一章绪论

●材料和化学药品

化学药品的用途主要基于其消耗；

材料是可以重复或连续使用而不会不可逆地变成别的物质。

●材料的分类

按组成、结构特点分：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料

按使用性能分：Structural Materials ——主要利用材料的力学性能；Functional Materials ——主要利用材料的物理和化学性能

按用途分：导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、电子信息材料、感光材料等等●材料化学的主要内容：结构、性能、制备、应用

第二章材料的结构

2.1 元素和化学键

●了解元素的各种性质及其变化规律：第一电离能、电子亲和势、电负性、原子及离子半径

●注意掌握各种结合键的特性及其所形成晶体材料的主要特点

●了解势能阱的概念：

吸引能（attractive energy，EA）：源于原子核与电子云间的静电引力

排斥能（repulsive energy，ER）：源于两原子核之间以及两原子的电子云之间相互排斥

总势能（potential energy）：吸引能与排斥能之和

总势能随原子间距离变化的曲线称为势能图（势能阱）

较深的势能阱表示原子间结合较紧密，其对应的材料就较难熔融，并具有较高的弹性模量和较低的热膨胀系数。

2.2 晶体学基本概念

●晶体与非晶体（结构特点、性能特点、相互转化）

晶体：原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成（长程有序）

非晶体：原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成（长程无序、短程有序）

晶态与非晶态之间的转变

• 非晶态所属的状态属于热力学亚稳态，所以非晶态固体总有向晶态转化的趋势，即非晶态固体在一定温度下会自发地结晶，转化到稳定性更高的晶体状态。

• 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态。

●晶格、晶胞和晶格参数

周期性：同一种质点在空间排列上每隔一定距离重复出现。

周期：任一方向排在一直线上的相邻两质点之间的距离。

晶格（lattice）：把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架。

结点（lattice points）：质点的中心位置。

空间点阵（space lattice）：由这些结点构成的空间总体。

晶胞（unit cell）：构成晶格的最基本的几何单元。

●晶系

熟记7个晶系的晶格参数特征

了解14种空间点阵类型

●晶向指数和晶面指数

理解晶面和晶向的含义

晶面——晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面，即结晶多面体上的面。

晶向——点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组（晶列），晶列所指方向就是晶向。

晶列 晶面簇

掌握晶向指数和晶面指数的确定

晶向指数与晶面指数：国际上统一采用密勒指数（Miller indices ）来进行标定。

[uvw]为OP 的晶向指数，用（hkl ）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。

晶面间距——掌握较简单晶系的晶面间距计算 正交晶系 立方晶系 2.3 晶体材料的结构

2.3.1 金属晶体

● 理解金属晶体的堆积模型

A1型最密堆积（面心立方fcc ）和A3型最密堆积（六方hcp ），A2型密堆积（体心立方bcc ）0.68

● 掌握单位晶胞原子数、配位数的确定

Structure CN n ξ

bcc 8 2 0.68

fcc 12 4 0.74

hcp 12 6 0.74

● 掌握原子堆积系数的计算

原子堆积系数 =单位晶胞内原子体积/单位晶胞体积

2.3.2 离子晶体

● 鲍林规则

理解鲍林规则

鲍林第一规则── 在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，正离子的配位数取决于离子半径比。

鲍林第二规则——在离子的堆积结构中必须保持局域的电中性。

鲍林第三规则——稳定结构倾向于共顶连接

鲍林第四规则──若晶体结构中含有一种以上的正离子，则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势

鲍林第五规则──同一结构中倾向于较少的组分差异，也就是说，晶体中配位多面体类型倾向于最少。 运用鲍林规则分析晶体结构

● 二元和三元离子晶体

了解各种离子晶体的结构特点

关注某些较有特点的离子晶体的结构与性能关系（如课件中提及的内容）

CaF2与NaCl 的性质对比：F －半径比Cl －小，Ca2+半径比Na+稍大，综合电价和半径两因素，萤石中质点间的键2222221hkl

h k l d a b c =++0222hkl a d h k l =++

力比NaCl中的键力强，反映在性质上，萤石的硬度为莫氏4级，熔点1410℃，密度3.18，水中溶解度0.002；而NaCl熔点808℃，密度2.16，水中溶解度35.7。

• CaF2晶体结构中，8个F-之间形成的八面体空隙都没有被填充，成为一个“空洞”，结构比较开放，有利于形成负离子填隙，也为负离子扩散提供了条件。

• 立方ZrO2属萤石型结构，具有氧离子扩散传导的机制，在900~1000 ℃间O2-电导率可达0.1 S/cm。

2.3.3 硅酸盐结构

●硅酸盐结构特点

基本结构单元：硅氧四面体[SiO4]

四面体连接方式：共顶连接

●硅酸盐结构类型

岛状、环状/链状、层状、网架状

各种类型的代表性硅酸盐及其性能特点

岛状硅酸盐：镁橄榄石Mg2[SiO4]

环状硅酸盐：绿宝石Be3Al2[Si6O18] 链状硅酸盐：透辉石CaMg[Si2O6]结构

层状硅酸盐：滑石Mg3[Si4O10](OH)2

2.4 晶体缺陷

●基本概念：晶体中原子偏离理想的周期性排列的区域称作晶体缺陷

●缺陷的种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷

2.4.1 点缺陷

●种类：空位、间隙原子、置换式杂质原子、间隙式杂质原子

●热缺陷和杂质缺陷的主要区别：晶体的杂质缺陷浓度仅取决于加入到晶体中的杂质含量，而与温度无关

●肖特基缺陷

原子或离子移动到晶体表面或晶界的格点位上，在晶体内部留下相应的空位

●弗伦克尔缺陷

原子或离子离开平衡位置后，挤入晶格间隙中，形成间隙原子离子，同时在原来位置上留下空位

●点缺陷的表示方法

主符号表明缺陷的主体；空位V，正离子M、负离子X、杂质原子L（对于具体原子用相应的元素符号）。

下标表示缺陷位置；间隙位用下标i表示，M位置的用下标M表示，X位置的用下标X表示；

上标表示缺陷有效电荷：正电荷用“•”（小圆点）表示，负电荷用“’”（小撇）表示，零电荷用“×”表示（可省略）。

●点缺陷对材料性能的影响

力学性质：晶体的机械强度大大降低

催化性能：成为催化反应发生的活性中心

电学性质：掺杂形成半导体

光学性质、颜色

2.4.2 线缺陷和位错

位错：线缺陷的具体形式

柏格斯矢量的确定

从一个原子出发，移动n个晶格矢量，然后顺时针转向再移动m个晶格矢量，再顺时针转向移动n个晶格矢量，最后顺时针转向移动m个晶格矢量，到达终点原子。从柏格斯回路的终点到起点画出的矢量就是柏格斯矢量b 刃型位错和螺型位错

相同点：二者都是线缺陷

不同点：

①刃型位错具有一个额外的半原子面，而螺型位错无；