《无机材料科学基础》绪论-2013PPT课件
合集下载
无机材料科学基础课件_ppt课件
Hari Bala
HPU
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。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
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。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
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
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
HPU
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。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
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。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
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
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
第一章 材料科学基础 绪论PPT课件
❖ 功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、 热学、声学、力学、化学和生物学功能及 其相互转化的功能，被用于非结构目的的 高技术材料。
1.4.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为建筑 材料、信息材料、航空航天材料、能源材 料、生物医用材料等。
❖ 火箭发动机的燃烧室与喷嘴， 需要承受2000℃的高温而不 氧化，它是用石墨表面喷涂 一层二硅化钼材料制成。石 墨已被大量用作核能工业的 “减速剂”。雷达中大型电 子管外壳，既要耐高温，又 要有优良的超高频和绝缘性 能，它是用氧化铝高频陶瓷 制成。核反应堆外部的防护 层是用一种含钡的特种水泥 筑成的。
是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同， 但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热 工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材 料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁 矿、白云母等）为原料制造的。
按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、 橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊 耐火材料；
等系统的材 料科学知识
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
1.4.4 材料按结晶状态分类
单晶材料 多晶材料 非晶态材料 准晶材料
单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的 材料，如单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性 能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。
材料科学基础PPT精品课件幻灯片
❖ 材料发展动力： ▪ 社会需求（市场拉动） ▪ 技术发展（技术推动） ▪ 科学发展（对物质的了 解，是创新的源泉）
• 硅时代（1950年）
• 20新20/材12/1料9 时代（1990年材、料科特学征与工是程多学院种材材料学料教研并室存）
8
2020/12/19
材料科学与工程学院材料学教研室
9
材料的历史：300,000 BC—3,500 BC
川徐家岭楚墓出土。龙首、虎颈、虎身、虎尾、
编钟：春秋中期，1978年河南淅川出土， 龟足，张口吐舌，牙齿犀利。龙首上附六条蛇
最大钟通高120.4厘米，舞修52.3厘米，
形龙。脊背上有有一方座，座上有一神兽也为
铣间59.7厘米。该钟一组26件，形制相同， 龙首，口衔一条龙，龙 首。通身饰动物纹和
大2小02依0/1次2/递19减。
2020/12/19
材料科学与工程学院材料学教研室
3
提到“材料”，同学们会想到什么？列举一下现 代生活中用到了哪些材料？给材料下个定义。
请同学们能不能根据材料的发展来划分历史？如 果能，是怎样划分的？ 材料科学与材料工程有什么区别？
请问同学们材料是怎样分类的？
如何认识材料的科学问题？ （链接）
2020/12/19
•
由于材料的重要性，历史学家常常根据人类使用的材料来划分
人类社会发展的历史阶段。从古代到现在人类使用材料的历史共经
历了七个时代，其中的有些时代持续了几个世纪，各时代的开始时
间：
• 旧、新石器时代（公元前10万年） • 陶器时代 • 青铜器时代（公元前3000年） • 铁器时代（公元前1000年） • 水泥时代（公元0年） • 钢时代（1800年）
6
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
0《材料科学基础》绪论(下)
研究制造材料产品
解决“怎样做”
制造角度 理论角度
《材料科学》
指导
《材料工程》
补充完善
奠定工艺基础 提供理论依据 专业理论训练
奠定工业基础 工程实际训练
内容
Fundamentals of Materials Science
第一篇 结构与性质
第一章 晶体学基础 第二章 晶体结构 第三章 晶体结构缺陷 第四章 非晶态结构
Compositions and structure
成分与结构
Properties性ຫໍສະໝຸດ 质Synthyses and processing 合成与加工
Four components of materials
例子
等轴晶
定向凝固
单晶
通过改变凝固方式来提高发动机叶片的高温强度
学科目 标二者
学科目 标
研究“为什么”
•
2、阅读一切好书如同和过去最杰出的 人谈话 。00:2 9:3300: 29:3300 :2912/ 10/2020 12:29:33 AM
•
3、越是没有本领的就越加自命不凡。 20.12.1 000:29: 3300:2 9Dec-20 10-Dec-20
•
4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的 错儿。 00:29:3 300:29: 3300:2 9Thursday, December 10, 2020
第二篇 热力学平衡
第五章 相平衡和相图
第三篇 动力学过程
第六章 固体中的扩散 第七章 材料中的相变 第八章 材料制备中的固态反应 第九章 材料的烧结
2020/12/10
•
1、有时候读书是一种巧妙地避开思考 的方法 。20.1 2.1020. 12.10Thursday, December 10, 2020
《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。
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。
无机材料科学基础第二章PPT课件
第一章 结晶学基础
晶胞 晶系和十四种布拉菲格子
晶向指数和晶面指数
晶格：阵点用一系列相互平行的 直线连接起来形成的空间格架
晶胞；构成晶格的基本单元
2.5.1单位平行六面体的划分
1、划分原则
（1）所选平行六面体的对称性应符合整个空 间点群的对称性。 （2）在（1）基础上，选棱间直角关系最多 的平行六面体。 （3）在（1）、（2）基础上选体积最小的。 （4）当棱间交角不为直角时，选结点间距小 的行列作为平行六面体的棱，且棱间交角接近 于直角的平行六面体。
(4)将u，v，w加方括号内就得到晶向指数[uvw]
几点说明：
• 一个晶向指数代表相互平行、方向一致的
所有晶向
• 两晶向相互平行且方向相反，则晶向指数
中的数字相同而符号相反。如[112] [112]
• 晶体中原子排列情况相同，但空间位向不
同的一组晶向称为晶向族，用<u v w>表示
立方晶系<111> ： [111]、[111]、 [111]、 [111]、 [111]、 [111]、 [111]、 [111]
➢各晶系晶胞参数
a、立方晶系： a=b=c, α=β=γ=90o (简单立方、面心立方、体心立方)
b、四方晶系：a=bc，===90o （简单四方、体心四方）
c、正交晶系：abc，===90o
（简单正交、体心正交、底心正交、面心正交）
d、三方晶系：a=b=c，==90o
e、六方晶系： a=bc，==90o，=120o
1、等大球体的最紧密堆积及其空隙：
（2）立方最紧密堆积：ABCABC …… 紧密堆积方式，密排面平行于（111）。
(3)、等径球体堆积的空隙：
空隙有四面体空隙和八面体空隙，若 有n个等大球体作最紧密堆积时必有n个 八面体空隙和2n个四面体空隙。
晶胞 晶系和十四种布拉菲格子
晶向指数和晶面指数
晶格：阵点用一系列相互平行的 直线连接起来形成的空间格架
晶胞；构成晶格的基本单元
2.5.1单位平行六面体的划分
1、划分原则
（1）所选平行六面体的对称性应符合整个空 间点群的对称性。 （2）在（1）基础上，选棱间直角关系最多 的平行六面体。 （3）在（1）、（2）基础上选体积最小的。 （4）当棱间交角不为直角时，选结点间距小 的行列作为平行六面体的棱，且棱间交角接近 于直角的平行六面体。
(4)将u，v，w加方括号内就得到晶向指数[uvw]
几点说明：
• 一个晶向指数代表相互平行、方向一致的
所有晶向
• 两晶向相互平行且方向相反，则晶向指数
中的数字相同而符号相反。如[112] [112]
• 晶体中原子排列情况相同，但空间位向不
同的一组晶向称为晶向族，用<u v w>表示
立方晶系<111> ： [111]、[111]、 [111]、 [111]、 [111]、 [111]、 [111]、 [111]
➢各晶系晶胞参数
a、立方晶系： a=b=c, α=β=γ=90o (简单立方、面心立方、体心立方)
b、四方晶系：a=bc，===90o （简单四方、体心四方）
c、正交晶系：abc，===90o
（简单正交、体心正交、底心正交、面心正交）
d、三方晶系：a=b=c，==90o
e、六方晶系： a=bc，==90o，=120o
1、等大球体的最紧密堆积及其空隙：
（2）立方最紧密堆积：ABCABC …… 紧密堆积方式，密排面平行于（111）。
(3)、等径球体堆积的空隙：
空隙有四面体空隙和八面体空隙，若 有n个等大球体作最紧密堆积时必有n个 八面体空隙和2n个四面体空隙。
无机材料科学基础第一章化学键与电子结构ppt课件
电子进入分子轨道后，假设体系能量降低，即能成键，反之， 那么不能成键。
分子轨道波函数
在组合构成的分子轨道中，比组合前原子轨道能量低的 称为成键分子轨道，用ψ1表示；能量高于组合前原子轨道的 称为反键分子轨道，用ψ2 表示。
成键分子轨道 (bonding)
反键分子轨道(antibonding)
以A+B→AB为例：
在金刚石中，C原子以sp³杂化轨道和相邻C原子一同构成按四面体 向排布的4个C—C单键，共同将C原子结合成无限的三维骨架，可以 说一粒金刚石晶体就是一个大分子。
1.2.2 共价键的极性
共价键极性构成缘由： 分子轨道是由原子前线轨道线性组合而成。假设A原子的电负
性比B原子大，那么其前线轨道能级比B原子前线轨道能级低。在 构成共价键过程中，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〕能级那么与原来的B原子前线轨道能级更接近，那么其 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原子那么占据了更多的电子，共价键的极性就 这样产生了。 实际推导：利用分子轨道波函数 和 可近似计算AB原子的电 离能，从而推断极性的存在。推导过A 程见b p9-10。
晶体几何构造有关的常数。
波恩-兰德公式的实践运用：当某一离子晶体的构造和离子
间距等参数经过构造分析确定后，可利用该公式计算结合能。
§ 1.2 共价键与分子轨道实际
§ 1.21 共价键的根本性质 共价键本质 两原子相互接近时，由于原 子轨道重叠，两原子共用自 旋相反的电子对，使体系能 量降低，而构成化学键。
分子轨道波函数
在组合构成的分子轨道中，比组合前原子轨道能量低的 称为成键分子轨道，用ψ1表示；能量高于组合前原子轨道的 称为反键分子轨道，用ψ2 表示。
成键分子轨道 (bonding)
反键分子轨道(antibonding)
以A+B→AB为例：
在金刚石中，C原子以sp³杂化轨道和相邻C原子一同构成按四面体 向排布的4个C—C单键，共同将C原子结合成无限的三维骨架，可以 说一粒金刚石晶体就是一个大分子。
1.2.2 共价键的极性
共价键极性构成缘由： 分子轨道是由原子前线轨道线性组合而成。假设A原子的电负
性比B原子大，那么其前线轨道能级比B原子前线轨道能级低。在 构成共价键过程中，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〕能级那么与原来的B原子前线轨道能级更接近，那么其 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原子那么占据了更多的电子，共价键的极性就 这样产生了。 实际推导：利用分子轨道波函数 和 可近似计算AB原子的电 离能，从而推断极性的存在。推导过A 程见b p9-10。
晶体几何构造有关的常数。
波恩-兰德公式的实践运用：当某一离子晶体的构造和离子
间距等参数经过构造分析确定后，可利用该公式计算结合能。
§ 1.2 共价键与分子轨道实际
§ 1.21 共价键的根本性质 共价键本质 两原子相互接近时，由于原 子轨道重叠，两原子共用自 旋相反的电子对，使体系能 量降低，而构成化学键。
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。
无机材料科学基础课件
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 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
2021/3/9与工程（MSE，Material Scie授课n：cXeXX 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。
实例
材料
强度范围 MPa 比强度 MPa2021/3/9
压气机叶片 铝合金 150－450 55－160
压气机机 飞机尾翼 匣
硼纤维铝合金板 和管
钛合金
碳纤维复合材料 硼纤维增强铝合 金
12
2021/3/9
授课：XXX
13
2021/3/9
授课：XXX
14
2021/3/9
授课：XXX
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。
《无机材料科学基础》
《Foundations of Inorganic Materials Science》
2021/3/9
主讲人：陈玉萍 2013.09
授课：XXX
1
绪论
一、《无机材料科学基础》的基本概念 二、《无机材料科学基础》的地位 三、学习《无机材料科学基础》的意义 四、《无机材料科学基础》的内容 五、课程特点及如何学好《无机材料科学基础》
材料科学
工艺
结构
性能
材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会
所能接受地控制材料的结构、性能和形状。它包括下面的五个环
节。
材料工程
设备
工艺
结构
性能
构件行为
（三） 材料的分类
通常根据材料的结构和用途来分类。结构材料是以强 度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能 为特征的材料。功能材料是以声，光，电，磁，热等物 理性能为特征的材料。
种类
使用的材料
存储容量
软盘 CD－RW
MO(磁光盘)
DVD－RW
2021/3/9
氧化铁
以ZnS等为主的陶 瓷材料
TbFeCo合金磁光 材料
ZnS等为主的陶瓷 材料
1.44 Mb 650 Mb
650 Mb，1.3G
单面单层为4.7 Gb 授课：XXX
特点 容量小，文本文件存储 CD光盘，价低，用量大
需专用驱动器，价格高，局限 在广告图形用户 CD－RW和CD光盘，用量大
2021/3/9
授课：XXX
2
《无机材料科学基础》的基本概念
材料是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。
材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料
应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱， 是当今世界的带头学科之一。
无机材料科学基础主要是从无机非金属材料领域内的各种材料制品的工艺技术
高分子材料：塑料、橡胶合成纤维
复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料
2功021/3能/9 材料：电子材料、光电子材授课料：XXX、超导材料
11
（四）材料的应用
•计算机与材料 1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代 2、个人电脑移动存储器的比较 材料科学的发展是计算机飞速发展的基础
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。
2021/3/9
授课：XXX
3
《无机材料科学基础》的地位
2021/3/9
授课：XXX
10
结构材料实际上是一种按结合键种类来分类的方 法。由此可将材料分为金属、无机非金属材料、高 分子和由金属、无机非金属材料和高分子分别组合 成的各种复合材料材料。
金属材料：黑色金属材料（钢铁）、有色黑色金属材料（除钢铁
以外的）
无机非金属材料：陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料、人工晶体等
授课：XXX
7
（二）材料科学与材料工程的关系
• 材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于20世 纪60年代，1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相 继建立十余个材料科学研究中心，自此开始，“材料科学”一 词广泛应用。
• 一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎 么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向， 为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料 提供理论基础。
授课：XXX
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
2021/3/9
材料在人类科学发展中的重要意义
• 现代科学技术的三大支柱： 材料、能源、信息
• 新技术革命的主要标志： 新型材料、信息技术、生物技术
材料是人类赖以生存和发展的物质基础
2021/3/9
授课：XXX
4
《无机材料科学基础》的地位
人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在 人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间： • 石器时代（公元前10万年） • 青铜器时代（公元前3000年） • 铁器时代（公元前1000年） • 水泥时代（公元0年） • 钢时代（1800年） • 硅时代（1950年） • 新材料时代（1990年）
2021/3/9
授课：XXX
5
学习《无机材料科学基础》的意义
（一）材料科学的内涵
材料科学是一个跨物理、化 学等的学科。材料科学的核心 问题是材料的组织结构 （Structure）和性能 （Property）以及它们之间的 关系。右图为材料科学与工程 四要素。所以，先要了解材料 的结构是什么？
2021/3/9