无机材料科学基础
无机材料科学基础
无机材料科学基础无机材料科学是研究无机材料的结构、性能、制备和应用的学科领域，无机材料是指在化学成分中不含碳元素或者含碳元素量极少的材料。
无机材料科学基础是无机材料科学研究的基础，它包括了无机材料的基本概念、结构特点、物理性质和化学性质等内容。
本文将从无机材料的基本概念、结构特点、物理性质和化学性质等方面展开介绍。
首先，无机材料是指在化学成分中不含碳元素或者含碳元素量极少的材料，包括金属、合金、陶瓷、玻璃等。
无机材料的基本概念主要包括了无机材料的定义、分类、特点和应用等内容。
无机材料具有高熔点、硬度大、导电性能好等特点，广泛应用于电子、建筑、化工、冶金等领域。
无机材料的分类主要包括了金属材料、陶瓷材料、玻璃材料等，每种材料都有其独特的性质和应用。
其次，无机材料的结构特点是指无机材料的晶体结构、晶体缺陷、晶体生长等方面的特点。
无机材料的晶体结构是指无机材料的原子排列方式，包括了立方晶系、四方晶系、六方晶系等不同的晶体结构类型。
晶体缺陷是指晶体内部的缺陷或者杂质，它会影响晶体的性能和应用。
晶体生长是指晶体在凝固过程中的生长规律，它决定了晶体的形貌和尺寸。
再次，无机材料的物理性质是指无机材料在外界作用下所表现出的物理性质，包括了热学性质、光学性质、电学性质等。
无机材料的热学性质是指无机材料在加热或者冷却过程中所表现出的性质，包括了热膨胀系数、热导率等。
光学性质是指无机材料对光的吸收、反射、透射等性质，包括了折射率、透明度等。
电学性质是指无机材料在外加电场下所表现出的性质，包括了导电性、介电常数等。
最后，无机材料的化学性质是指无机材料在化学反应中所表现出的性质，包括了化学稳定性、化学反应性等。
无机材料的化学稳定性是指无机材料在化学环境中所表现出的稳定性，包括了耐酸碱性、耐腐蚀性等。
化学反应性是指无机材料与其他物质发生化学反应的性质，包括了氧化性、还原性等。
综上所述，无机材料科学基础是无机材料科学研究的基础，它包括了无机材料的基本概念、结构特点、物理性质和化学性质等内容。
胡志强无机材料科学基础笔记
胡志强无机材料科学基础笔记第一章绪论1.1 无机材料科学概述无机材料科学是研究无机材料的组成、结构、性能及其应用的科学，包括金属材料、非金属材料、陶瓷材料、玻璃材料、矿物材料等。
1.2 胡志强无机材料科学的研究背景和意义随着科技的发展，无机材料在各个领域的应用越来越广泛，如建筑、电子、航空、航天、能源、生物医学等。
因此，对无机材料科学的研究具有重要意义。
1.3 笔记内容的目的和方法本笔记的目的在于帮助读者系统地掌握无机材料科学的基础知识，包括无机材料的结构、性质、制备方法、应用等。
笔记采用图文并茂的方式，结合实际案例，使读者能够更好地理解和应用所学知识。
第二章无机材料的结构2.1 晶体结构无机材料的结构包括晶体、非晶体和准晶体。
晶体结构的主要类型有金刚石型、共价型、金属型和离子型。
了解不同类型无机材料的晶体结构是理解其性质的关键。
2.2 无机材料的缺陷无机材料的晶体结构中可能存在缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
这些缺陷对材料的性能有重要影响。
第三章无机材料的性质3.1 物理性质物理性质包括密度、熔点、沸点、电导性、热导性等。
这些性质取决于材料的晶体结构、化学键类型等。
3.2 力学性质力学性质包括硬度和强度、塑性和韧性等。
这些性质与材料的晶体结构和缺陷有关。
3.3 化学性质化学性质包括氧化还原性、稳定性等。
无机材料的化学性质取决于其组成元素的化学性质。
第四章无机材料的制备方法4.1 传统的制备方法传统的制备方法包括烧结法、熔融法、电解法等。
这些方法适用于制备具有一定结构和性能的化合物材料。
4.2 先进的制备方法先进的制备方法包括溶胶-凝胶法、微乳液法、喷雾热解法等。
这些方法可以制备具有特殊结构和性能的材料，如纳米材料、生物陶瓷等。
4.3 制备过程中的影响因素和优化策略在制备过程中，温度、压力、时间等因素对材料结构和性能的影响很大。
优化制备过程可以获得具有优异性能的材料。
第五章无机材料的应用领域5.1 建筑领域无机材料在建筑领域的应用广泛，如混凝土、玻璃、陶瓷等。
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
第一章1、结晶学的发展，从其研究内容看主要包括以下几个方面：（1）晶体生长学：研究天然及人工晶体的形成，生长和变化的过程与机理以及控制和影响它们的因素。
（2）几何结晶学：研究晶体外表几何多面体的形状及其间的规律（3）晶体结构学：研究晶体内部结构中质点排列的规律性以及晶体结构的不完整性（4）晶体化学：研究晶体的化学组成以及晶体结构与性质之间关系及其规律（5）晶体物理学：研究晶体的各项物理性质及其产生的机理2、晶体：晶体是内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体,或者说晶体是格子构造的固体。
3、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不是晶体。
4、晶体的基本性质：（1）结晶均一性：由于晶体内部结构的特征，因此，晶体在其任一部位上都具有相同的性质。
（2）各向异性：晶体在不同的方向上表现出性质的差异称为晶体的各向异性。
（3）自限性：晶体能自发的形成封闭的凸几何多面体外形的特征，称为晶体的自限性或自范性。
（4）对称性：晶体中的相同部分（包括晶面、晶棱）以及晶体的性质能够在不同的方向或位置上有规律的重复出现（5）最小内能性：在相同的热力学条件下，晶体与同组成的气体、液体及非晶质固体相比其内能最小。
因此，晶体最稳定。
5、对称：是指液体中相同部分之间的有规律重复。
6、对称操作：是指能使对称物体中各相同部分做有规律重复的变换动作, 又称对称变换。
7、晶体的对称要素：（1）对称中心（符号C）（2）对称面（符号P）（3）对称轴（符号L n）（4）倒转轴(Li n)（5）映转轴（Lsn）8、对称型（32种）：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。
9、三大晶族、七个晶系：P710、整数定律：若以平行于三根不共面晶棱的直线为坐标轴，则晶体上任意两个晶面在三个坐标轴上截距的比值之比为一简单整数比。
10、单行：是指能借助于对称性之全部对称要素的作用而相互联系起来的一组晶面的组合。
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。
无机材料科学基础复习知识点总结
无机材料科学与基础1.名词解释二八面体：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体结构。
三八面体：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体结构。
稳态扩散：扩散质点浓度不随时间变化。
不稳态扩散：扩散质点浓度随时间变化，扩散通量与位置有关。
互扩散：有浓度差的空间扩散。
自扩散：没有浓度差的扩散。
顺扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散叫顺扩散，又称下坡扩散。
逆扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散叫逆扩散，又称上坡扩散。
本征扩散：不含有不含有任何杂质的物质中由于热起伏引起的扩散。
非本征扩散：非热能引起，如由杂质引起的扩散。
刃型位错：滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。
螺型位错：位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错热缺陷：在没有外来原子时，当晶体的热力学温度高于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正常的平衡位置，造成缺陷，这种由于原子热振动而产生的缺陷称为热缺陷。
杂质缺陷：由于杂质进入晶体而产生的缺陷。
点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度）的缺陷。
线缺陷：是指晶体内部结构中沿着某条线（行列）方向上的周围局部范围内所产生的晶格缺陷。
它的表现形式主要是位错。
弗兰克尔缺陷：在晶格内原子振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这样的缺陷称为弗兰克尔缺陷。
肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
类质同晶：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其他离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。
同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
一致熔融化合物：是一种稳定的化合物，它与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时所产生的液相与化合物组成一致，故称一致熔融化合物。
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 (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。
无机材料科学基础第一章化学键与电子结构
共价键极性形成原因： 分子轨道是由原子前线轨道线性组合而成。若A原子的电负性比B原子大，则其前线轨道能级比B原子前线轨道能级低。在形成共价键过程中，能量低的成键轨道（Bonding Orbital）的能级与先前的A原子前线轨道能级更接近，故此成键轨道主要由A原子的前线轨道构成；而能量较高的反键轨道（Anti-Bonding Orbital）能级则与原来的B原子前线轨道能级更接近，则其主要由B原子的前线轨道构成。由于电子优先分布于成键轨道，所以，电负性较大的A原子则占据了更多的电子，共价键的极性就这样产生了。 理论推导：利用分子轨道波函数 可近似计算AB原子的电离能，从而推断极性的存在。推导过程见p9-10。
1.3.2 固体中电子的能带结构
1.电子的共有化
能带的形成
1
设有N个原子结合成晶体，原来单个原子时处于1s能级的2N个电子现在属于整个原子系统(晶体)所共有，根据泡利不相容原理，不能有两个或两个以上电子具有完全相同的量子态( n ,l ,ml ,ms ),因而就不能再占有一个能级，而是分裂为2N个微有不同的能级。由于N是一个很大的数，这些能级相距很近，看起来几乎是连续的，从而形成一条有一定宽度E的能带。
以A+B→AB为例：
式中 通过变分球体系能量最低法可得对应于上式分子轨道所对应的能量： 式中 结论：分子轨道的稳定性近似地取决于： 因此，为了形成足够稳定的分子轨道，须满足一定条件。
1.能量相近（相似）条件
能量相差悬殊的原子轨道不能够有效地组成分子轨道；
2.电子云最大重叠条件
原子轨道的重叠越大，组合形成的分子轨道越稳定越 有效。
原子的电离能大小取决于它的电子构型。
理解电离能需注意的问题
定义：当一个气态中性原子X得到一个电子变成一个负离子所放出的能量I-。
无机材料科学基础
无机材料科学基础无机材料科学基础是材料科学的重要组成部分，它研究的是无机材料的结构、性质和制备方法。
无机材料是指不含碳的材料，主要包括金属、陶瓷和玻璃等。
无机材料科学基础的研究对于材料工程、能源领域、生物医学等领域都具有重要意义。
首先，无机材料科学基础的研究对象包括金属材料。
金属材料是一类具有金属性质的材料，具有良好的导电性、导热性和机械性能。
金属材料的研究主要包括金属的晶体结构、晶体缺陷、金属的力学性能等方面。
金属材料的应用非常广泛，包括航空航天、汽车制造、建筑等领域。
其次，无机材料科学基础的研究对象还包括陶瓷材料。
陶瓷材料是一类非金属无机材料，具有高硬度、高耐磨性和高耐高温性能。
陶瓷材料的研究主要包括陶瓷的晶体结构、烧结工艺、陶瓷的力学性能等方面。
陶瓷材料的应用包括电子器件、化工设备、医疗器械等领域。
另外，无机材料科学基础的研究对象还包括玻璃材料。
玻璃材料是一类非晶态无机材料，具有透明、坚固和化学稳定性好的特点。
玻璃材料的研究主要包括玻璃的成分、结构、制备工艺等方面。
玻璃材料的应用包括建筑玻璃、光学器件、玻璃容器等领域。
无机材料科学基础的研究方法包括实验研究和理论研究。
实验研究主要包括材料的制备、性能测试等方面，而理论研究主要包括材料的结构模拟、性能预测等方面。
无机材料科学基础的研究方法需要借助于材料科学、化学、物理学等学科的知识，采用先进的分析测试技术和计算模拟方法。
无机材料科学基础的研究对于推动材料科学的发展具有重要意义。
通过对无机材料的结构和性能进行深入研究，可以为材料工程提供新的理论基础和实验依据，为新材料的设计和制备提供指导。
同时，无机材料科学基础的研究也为解决能源、环境、医疗等方面的重大问题提供了新的思路和方法。
总之，无机材料科学基础是材料科学领域的重要组成部分，它的研究对于推动材料科学的发展、促进技术创新具有重要意义。
通过对金属、陶瓷、玻璃等无机材料的结构、性能和制备方法进行深入研究，可以为材料工程、能源领域、生物医学等领域的发展做出重要贡献。
无机材料科学基础要点
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
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
第一章 无机材料的化学键与电子结构
1.1 离子键与离子晶体
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
1.2 共价键与分子轨道理论
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. [SiO]4是结构基础 b. Si4＋间不直接相键，通过O2-来实现 c. [SiO]4每个顶点，最多能被2个[SiO]4所共用 d. 两个相邻的[SiO]4之间可以共顶，而不以共棱、
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
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。
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。
无机材料科学基础复习题
无机材料科学基础复习题一、选择题1. 无机材料的分类包括以下哪些选项？A. 金属材料B. 陶瓷材料C. 玻璃材料D. 所有以上选项答案：D2. 陶瓷材料的主要成分是什么？A. 金属元素B. 非金属元素C. 有机元素D. 金属和非金属元素答案：B3. 玻璃材料的制造过程中，以下哪个步骤是必不可少的？A. 熔融B. 冷却C. 固化D. 所有以上步骤答案：D二、填空题1. 无机材料的强度通常与其______结构有关。
答案：晶体2. 陶瓷材料的硬度通常比金属材料______。
答案：高3. 玻璃材料的透光性是由其______结构决定的。
答案：无定形三、简答题1. 简述无机材料的一般特性。
答案：无机材料通常具有高硬度、高熔点、良好的化学稳定性和热稳定性等特点。
2. 描述陶瓷材料在现代工业中的应用。
答案：陶瓷材料在现代工业中广泛应用于电子、化工、航空航天、医疗等领域，如电子器件的绝缘体、化工设备的耐腐蚀材料、航空航天器的热防护材料以及医疗领域的人工骨骼等。
3. 阐述玻璃材料的制造过程。
答案：玻璃材料的制造过程主要包括原料的混合、高温熔融、成型、退火和冷却等步骤。
四、论述题1. 论述无机材料科学在新材料研究中的重要性。
答案：无机材料科学是研究无机材料的组成、结构、性能及其加工工艺的科学，它在新材料研究中具有重要的地位。
无机材料的广泛应用推动了材料科学的发展，同时新材料的不断涌现也为无机材料科学提供了新的研究领域和挑战。
2. 分析无机材料在环境友好型材料开发中的作用。
答案：无机材料在环境友好型材料开发中起着至关重要的作用。
例如，陶瓷材料和玻璃材料可以替代一些对环境有害的材料，减少污染。
此外，无机材料的回收和再利用也是环境友好型材料开发的重要组成部分。
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第二章晶体结构与晶体结构中的缺陷2-1 氯化铯（CsCl）属萤石结构，如果Cs+离子半径为0.170nm，Cl-离子半径为0.181nm，计算球状离子所占据的空间分数（堆积系数）。
假设Cs+和Cl-离子沿立方对角线接触。
2-2 （a）MgO具有NaCl结构。
根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm，计算球状离子所占据的空间分数（堆积系数）。
（b）计算MgO的密度。
2-3 氧化锂（Li2O）的晶胞结构构成：O2-离子呈面心立方堆积，Li+离子占据所有四面体空隙。
计算：（a）晶胞常数；（b）Li2O的密度；（c）O2-离子密堆积的结构格子，其空隙所能容纳的最大正离子半径是多大？（d）有0.01mol%SrO溶于Li2O中的固溶体的密度。
（注：Li+离子半径：0.74? ，O2-离子半径：1.40?）2-4 ThO2 具有CaF2结构。
Th4+离子半径为0.100 nm。
O2-离子半径为0.140 nm。
（a）实际结构中的Th4+正离子配位数与预计配位数是否一致？（b）结构遵循鲍林规则否？2-5 石墨、云母和高岭石具有相似的结构。
说明他们的结构区别及由此引起的性质上的差异。
2-6（a）在氧离子立方密堆中，画出适合于阳离子位置的间隙类型和位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为多少？四面体间隙位置数与氧离子数之比为多少？（b）用键强度和鲍林规则来解释，对于获得稳定的结构各需要何种价离子，其中：1）所有八面体间隙位置均填满，2）所有四面体间隙位置均填满，3）填满一半八面体间隙位置，4）填满一半四面体间隙位置并对每一种举出一个结构类型名称和正负离子配位数。
2-7 很简明地说明下列名词的含义：类质同晶现象，同质多象现象，多型现象，反结构（如反萤石结构），倒反结构（如反尖晶石结构）。
2-8 Si 和Al的原子量非常接近（分别为28.09和26.98），但SiO2及Al2O3的密度相差很大（分别为2.65及3.96）。
运用晶体结构及鲍林规则说明这一差别。
2-9（a）计算三重配位时阳离子和阴离子半径比的下限。
（b）对B3+（r0=0.20?），O2-（r0=1.40?）。
试预测其配位数。
（c）通常实验中观察到的是三角配位，试做出解释。
2-10 （a）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。
（b）如果MgO晶体中，含有百万分之一的Al2O3杂质，则在1600℃时，MgO晶体是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。
2-11? 对某晶体的缺陷测定生成能为84 kJ/mol，计算该晶体在1000K和1500K时的缺陷浓度。
2-12 ?试述晶体结构中点缺陷的类型。
以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。
试举例写出CaCl2中Ca2+置换KCl中K+或进入到KCl间隙中去的两种点缺陷反应表示式。
2-13? 非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的分压，非化学计量化合物Fe1-xO及Zn1+xO的密度将发生怎样的变化？增大？减小？为什么？2-14 对于MgO、Al2O3和Cr2O3,其正负离子半径分别为0.47、0.36和0.40。
Al2O3和Cr2O3形成连续固溶体。
（a）这个结果可能吗？为什么？（b）试预计，在MgO—Cr2O3系统中的固溶度是有限还是很大的？为什么？第三章熔体和玻璃体名词解释：晶子假说和无规则网络假说；网络形成剂和网络变形剂；单键强2试分析影响熔体粘度的因素有哪些？3简述玻璃的通性。
4简述随着Na2O加入量的增加，SiO2熔体的粘度将如何变化？并根据熔体结构理论解释其原因。
（6分）5试比较硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃在结构与性能上的差异。
6玻璃的组成是13 mol%Na2O、13 mol%CaO、74 mol%SiO2，计算结构参数。
7试计算Na2O·SiO2玻璃的结构参数。
8有两种不同配比的玻璃器组成如下：序号Na2O(wt%) Al2O3(wt%) SiO2(wt%)1 8 12 802 12 8 80试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？9一种熔体在1300℃的粘度是3100dPa·s，在800℃是108 dPa·s，在1050℃其粘度为多少？在此温度下急冷能否形成玻璃？10某熔体粘度在727℃时是108dPa·s，在1156℃时是104dPa·s，在什么温度下它是107dPa·s？求该熔体的粘性流动活化能？11有一组二元硅酸盐熔体，其R值变化规律如下，写出熔体一系列性质的变化规律（用箭头表示：R=2；2.5；3；3.5；4增大∙游离碱含量；∙O/Si比；∙低聚物数量；∙熔体粘度；∙形成玻璃能力；∙析晶能力。
第四章表面与界面1何谓表面张力和表面能？在固态和液态二者有何差别？2解释泥浆的稳定性与触变性。
3粘土的很多性能与吸附阳离子种类有关，指出粘土吸附下列不同阳离子后的性能变化规律（以箭头表示：大小）H┾ Al3┾ Ba2┾ Sr2┾ Ca2┾ Mg2┾ NH4┾ K┾ Na┾ Li┾（1）阳离子置换能力；（2）粘土的δ电位；（3）粘土的结合水；（4）泥浆的流动性；（5）泥浆的稳定性；（6）泥浆的触变性；（7）泥团的可塑性；4.试比较用Na2CO3和Na2SiO3分别稀释同一种粘土泥浆，当电解质加入量相同时，两种泥浆的稳定性和流动性有何差别？5. 在真空中条件下Al2O3的表面张力为0.9N/m，液态铁的表面张力为1.72N/m，同样条件下液体铁与固体氧化铝的界面张力为2.3N/m，问液态铁能否润湿氧化铝表面？如何提高润湿性能？6. 具有面心立方晶格的晶体，其（110）、（100）、（111）面上表面原子密度分别为0.55，0.785，0.907，试回答哪一个晶面上固-气表面能将是最低的，为什么？7. MgO-Al2O3-SiO2系统的低共熔物放在Si3N4陶瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为0.9N/m，液体与固体的界面能为0.6N/m，测得接触角为70.52o。
8. 求Si3N4的表面张力。
9. 把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测试其热腐蚀的槽角为60o，求Si3N4的晶界能？10. 氧化铝瓷件需要被银，已知1000oC时，，，问液态银能否润湿氧化铝瓷件表面？可以用什么方法改善它们之间的润湿性？11. 试解释粘土结构水、结合水（牢固结合水、松结合水）和自由水的区别，分析后两种水在胶团中的作用范围及其对工艺性能的影响？12. 影响粘土可塑性的因素有哪些？生产上可以采用什么措施来提高或降低粘土的可塑性以满足成型工艺的需要？第六章相平衡6-1简述SiO2的多晶转变现象，说明为什么在硅酸盐产品中SiO2经常以介稳状态存在。
6-2 如图6-1，绘出在低共熔点以上有多晶转变的二元系统的不同组成试样的冷却曲线，并在冷却曲线的不同阶段标明系统中所存在的平衡相。
图6-1 图6-2 图6-36-3 如图6-2，具有不一致熔融化合物的二元系统，在低共熔点E发生如下析晶过程：L ? A＋AmBn? E点B 含量为20％。
化合物AmBn含B量为64％。
今有C1和C2两种配料，C1中B含量是C2中B含量的1.5倍，且高温熔融冷却析晶时，从该二配料中析出的初晶相含量相等。
试计算C1和C2的组成。
6-4如图6-3，用蓝线标出熔体2冷却结晶过程液相状态点的变化途径，用红线标出固相状态点的变化途径。
说明结晶过程各阶段系统所发生的相变化。
6-5 在三元系统的浓度三角形上画出下列配料的组成点，并分析其变化规律。
①A=10% B=70% C=20%；②A=10% B=20% C=70%；③A=70% B=20% C=10%。
今有配料①3Kg，配料②2Kg配料①5Kg，若将此三配料混合加热至完全熔融，试依据杠杆规则用作图方法求熔体的组成点。
6-6凝聚系统三元相图中液相面、分界曲线其自由度是多少？哪些变量可以改变？6-7纯物质在任意指定温度下，固、液、气三相可以平衡共存，请用相律说明这个结论是否正确？请举例说明。
6-8试完成图6-4料点1、2、3的结晶路程(表明液、固相组成点的变化及结晶过程各阶段系统中发生的相变化)。
图6-4 图6-56-9 图6-5为生成一个三元化合物的三元相图1、判断三元化合物N的性质。
2、标出边界曲线的温降方向（转熔界线用双箭头）。
3、指出无变量点K、L、M的性质。
4、分析点1、2的结晶路程。
6-10在图6-6所示的相图中完成下面各个问题。
（1）画出此相图的副三角形并说明根据什么？（2）画出各个界线的温度下降方向并说明根据什么？（3）找出一致分界曲线和不一致分界曲线？说明根据什么？（4）判断最低共熔点，双升点（单转熔点），双降点（双转熔点）？并说明根据什么？（5）写出P点的析晶路线？（6）P点的最后析晶产物是什么？根据什么判断？图6-6 图6-76-11图6-7是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：（1）在图上划分副三角形、用箭头表示各条界线上温度下降方向及界线的性质；（2）判断化合物D、M的性质；（3）写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式；（4）写出组成点G在完全平衡条件下的冷却结晶过程；（5）写出组成点H在完全平衡条件下进行加热时，开始出现液相的温度和完全熔融的温度；写出完全平衡条件下进行冷却，结晶结束时各物质的百分含量（用线段比表示）。
6-12图6-8是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：（1）在图上划分副三角形、用箭头表示各条界线上温度下降方向及界线的性质；（2）判断化合物S1、S2、S3的性质；（3）写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式；（4）写出组成点G在完全平衡条件下的冷却结晶过程；（5）写出组成为H的混合物在完全平衡条件下进行加热时，开始出现液相的温度和完全熔融的温度；写出组成H的混合物在完全平衡条件下进行冷却，结晶结束时各物质的百分含量（用线段比表示）。
6-13如图6-9为A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：（1）在图上划分副三角形、用箭头表示各条界线上温度下降方向及界线的性质；（2）判断化合物F、G、H 的性质；（3）写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式；（4）写出组成点M1在完全平衡条件下的冷却结晶过程；（5）写出组成点M2在完全平衡条件下进行加热时，开始出现液相的温度和完全熔融的温度；写出完全平衡条件下进行冷却，结晶结束时各物质的百分含量（用线段比表示）。
图6-8 图6-96-14 A-B-C三元相图如图6-10所示，试分析：（1）划分付三角形；（2）标出界线的性质（共熔界线用单箭头，转熔界线用双箭头）；（3）指出三元化合物S的性质；（4）说明M、L、K点的性质，并列出相变式；（5）分析点1和点2的析晶路程（表明液、固相组成点的变化，并在液相变化的路径中注明各阶段的相变化和自由度数）。