无机材料科学课程报告

1、绪论

材料学即是研究材料的学科，其研究内容包括材料的性能，材料的组成结构，材料的形成变化过程，材料的研究、制造方法及设备，以及它们之间的相互关系。其核心是材料的性能，其他均是为了材料性能的有效控制。

材料是人类社会赖以生存的物质基础和科学技术发展的技术核心与先导。材料按其化学特征可划分为无机非金属材料、无机金属材料、有机高分子（聚合物）材料和复合材料四大类。其中无机材料因原料资源丰富，成本低廉，生产过程能耗低，产品应用范围广，能在许多场合替代金属或有机高分子材料，使材料的利用更加合理和经济，从而日益受到人们的重视，成为材料领域研究和开发的重点。

2、无机材料

无机材料可分为传统型和新型两大类。传统无机材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种，新型无机材料则包括新型陶瓷、特种玻璃、人工晶体、半导体材料、薄膜材料、无机纤维、多孔材料等，特点为，其质点间结合力以离子健、共价键或离子－共价混合键为主，表现出高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性，并具有宽广的导电性、导热性、透光性以及良好的铁电性、铁磁性和压电性和高温超导性；其化学组成不再局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、III－V族及II－VI族化合物等；其形态和形状趋于多样化，薄膜、纤维、纳米材料，多孔，单晶和非晶材料日显重要；

在制备上普遍要求高纯度、高细度的原料并在化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构上能精确加以控制。

无机材料的结构取决于组成以及合成和制备条件，并决定无机材料的性质和用途；无机材料的性能是结构的外在反映，对无机材料的使用效能有决定性影响，而使用效能又与无机材料的使用环境密切相关。无机材料的结构可以从原子及电子结构、原子的空间排列、组织结构或相结构等层次上来描述。无机材料的合成和制备方法决定了无机材料的结构和性能，无机材料的性能变化及性能衰减又与无机材料所处的条件及使用环境密切相关。无机材料科学与工程就是研究合成与制备、组成与结构、性能与使用效能四者之间相互关系与制约规律的科学。无机材料的选用遵循使用性能、工艺性能、经济性及环境协调性原则。

无机材料作为工业和建设所必需的基础材料，现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础和技术核心，在促进科学技术的发展，推动工业及社会的进步，巩固国防和发展军用技术，推动生物医学发展方面发挥着重要作用，而成为当今材料学科领域中发展最为迅速的一大类材料。

在人民的日常生活中，在基本建设工程中，在各种工业生产中，在现代国防和现代科学技术中，无机材料都有着各式各样的用途，其用量之大居于所有人造材料首位。因此在无机材料的生产过程中，如何合理地使用原材料，提高产品质量，改善产品性能，缩短生产周期，减少能源消耗，降低生产成本，对于提高人民生活水平和促进国民经

济和科学技术发展，具有十分重要的意义。

3、晶体结构

空间点阵、晶胞等是定性描述晶体中质点排列周期性的基本概念。晶胞参数、晶面指数、晶向指数等是定量描述晶体中质点周期性、规则性排列的基本概念，它们与描述晶体对称性的宏观及微观对称要素一起构成描述晶体结构的结晶学基础知识。

晶体化学主要研究晶体组成－结构－性质三者之间的相互关系和制约规律。晶体化学基本原理是通过质点之间结合力和结合能、原子或离子半径、球体紧密堆积、配位数、离子极化和鲍林规则等方面阐述它们对研究晶体结构及性质的意义。

晶体中质点依靠相互结合力结合在一起，根据结合力的本质不同，有离子键、共价键、金属键、范德华键（分子键）等，分别对应典型的离子晶体、共价晶体、金属晶体及分子晶体。对于没有方向性和饱和性的离子晶体及金属晶体而言，质点间堆积符合球体的最紧密堆积原理。而典型的共价晶体，质点间堆积不符合最紧密堆积原理。对于大多数晶体来说，结合力的性质是属于综合性的。实际晶体中的键可以用键型四面体来表征。

决定晶体结构的内在因素有质点的相对大小、配位数、以及离子极化等。影响晶体结构的外在因素有压力、温度等。晶体结构与它的化学组成、质点的相对大小和极化性质有关。但并非所有化学组成不同的晶体都有不相同的结构，而完全相同的化学组成的晶体也可以出现不同的结构。这就是晶体中有同质多晶和类质同晶之分的原因。鲍

林在研究了离子晶体结构的基础上，归纳出五条离子晶体结构形成的规则。其中重要的三条为：（1）配位多面体规则；（2）电价规则，是离子晶体中较严格的规则，它使晶体保持总的电性平衡，还可用于求得阴离子的配位数；（3）配位多面体连接方式规则。

考察无机晶体结构时，通常从离子或原子的堆积方式、配位数与配位多面体及其连接方式，晶胞分子数、空隙填充情况、空间格子构造、同晶取代（质点置换）等方面来揭示、理解晶体的微观结构及其与晶体性质之间的关系。对于结构较复杂的硅酸盐晶体，通常从基本结构单元的构造（包括配位数与配位多面体及其连接方式）、基本结构单元之间的连接、晶胞分子数、空隙填充情况、同晶取代（质点置换）等方面来描述、揭示晶体的微观结构及其与晶体宏观性质之间的关系。

4、晶体结构缺陷

固体在热力学上最稳定的状态是处于0K时的完整晶体状态，此时，其内部能量最低。在高于0K任何温度下的实际晶体，由于质点的热运动，或在形成过程中环境因素的作用，或在合成、制备过程中由于原料纯度等因素的影响，或者在加工、使用过程中由于外场的物理化学作用等，使得晶体结构的周期性势场发生畸变，出现各种结构不完整性，此即结构缺陷。晶体的结构缺陷不等于晶体的缺点，实际上，正是由于晶体结构缺陷的存在，才赋予晶体各种各样的性质或性能。结构缺陷的存在及其运动规律，对固体的电学性质、机械强度、扩散、烧结、化学反应性、非化学计量组成以及材料的物理化学性能

都密切相关。只有在理解了晶体结构缺陷的基础上，才能阐明涉及到质点迁移的速度过程，因而掌握晶体缺陷的知识是掌握无机材料科学的基础。

缺陷按几何形态分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。这种分类方法符合人们认识事物的基本规律，易建立起有关缺陷的空间概念。缺陷按其产生的原因分为：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、电荷缺陷和辐照缺陷等。此种分类方法有利于了解缺陷产生的原因和条件，有利于实施对缺陷的控制和利用。

点缺陷是材料中最常见的一种缺陷，包括热缺陷、组成缺陷、非化学计量缺陷、色心等。材料中的点缺陷始终处于产生与复合动态平衡状态，它们之间可以像化学反应似地相互反应。书写组成缺陷反应方程式时，杂质中的正负离子对应地进入基质中正负离子的位置。离子间价态不同时，若低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子；若高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有负电荷，保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。

固溶体按照外来组元在基质晶体中所处位置不同，可分为置型换固溶体和间隙型固溶体。外来组元在基质晶体中的固溶度，可分为连续型（无限型）固溶体和有限型固溶体。形成固溶体后，继之晶体的结构变化不大，但性质变化却非常显著，据此可以对材料进行改性。当材料中有变价离子存在，或晶体中质点间的键合作用比较弱时，材料与介质之间发生物质交换成非化学计量化合物，此类化合物是一种