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1、材料学基础实验实 验 指 导 书叶原丰 编著金陵科技学院材料工程学院监制 二零一一年九月前 言材料科学基础以材料科学和工程专业本科生为对象的一门专业基础课程，它以物理学、物理化学、化学等为基础，涉及材料晶体结构、材料热力学、材料动力学、材料性能等系统的材料科学知识。实验课程内容分为三部分：1)材料内部的微观结构，包括原子态到聚合态，从理想的完整结构到存在各种缺陷的不完整晶体结构，原子和分子在固体中的运动，以及材料在受力变形时组织结构的变化和恢复过程；2)材料合成；3)学习用理论模拟方法研究材料的性质。学生通过本课程的学习，可以全面了解材料的结构和性能、材料制造过程中的热力学过程和动力学过程，为
2、今后学习各种材料及其制备打下基础。目 录实验一 晶体定向及晶面符号1实验二 偏光显微镜的使用4实验三 利用Gaussview进行化学建模7实验四 溶胶的制备14实验一 晶体定向及晶面符号实验学时：4学时实验类型：验证实验要求：必修一、 实验目的1、明确各晶体定向的原则及定向的意义；2根据晶体定向原则和整数定律，确定晶体上个晶面的空间位置关系；3确定个晶面指数及其规律。二、实验内容1晶体定向即选定坐标轴及单位面，并确定轴单位比值（轴率），其方法如下：（1）找出晶体中全部对称要素，划分晶族、晶系和对称型；（2）根据晶体所属晶系和对称型，依各晶系晶体的定向原则确定坐标轴（见表1）。表1 各晶系晶体的
3、定向晶系晶体的选择晶轴的安置轴单位 轴角需要计算的晶体常数三斜以任何三个不在同一平面内的可能晶棱之方向作为Z、Y及X轴。一般以最发育的晶棱之方作为Z 轴，其次为Y轴及X轴，并使三者尽可能接近相互垂直。Z：上下直立Y：左右，向右倾X：前后，向前倾abc90,单斜L2 或P之法线为Y轴，两个垂直Y轴的可能晶棱之方向为Z及X轴,一般选择较发育之晶棱且使两者尽可能接近于垂直。Y：左右水平Z：上下直立X：前后，向前倾abc=9090a：b：c斜方三个相互垂直的L2 作为X、Y、Z轴，在L2 P对称型中则以L2 为Z轴，两个P之法线为X及Y轴。Z：上下直立X：左右水平Y：前后水平abc=a：b：c四方以主
4、轴，唯一的高次轴作为Z轴，两个相互垂直的L2为X轴及Y轴，如无L2 时则选择相当于它们的方向P之法线或晶棱方向为X轴及Y轴。Z：上下直立X：左右水平Y：前后水平abc=90a：c三方和六方以主轴唯一的高次轴作为Z轴，三个夹角为60的L2为X、Y、U轴（总共四个轴）如无L2 时，则选择相当它们的方向P之法线或晶棱的方向为X、Y和U轴Z：上下直立Y：左右水平X和U：水平，针对着前方，向或右偏斜各30a=bc=90=120a：c等轴三个相互垂直的L4（无L4 时则为L2 或为L4）作为X、Y、Z轴，在任何一个轴均可取作为X轴或Y轴或Z轴。Z：上下Y：左右X：前后a=b=c=902确定晶面符号由整数定
5、律知道：A/a ：B/b：C/c=p：q：r，因此对单位面而言，其轴单位之比为a：b：c，表轴系数之比为n：n：n=1:1:1。通常采用标轴系数的倒数比值置于小括号（）内作为晶面的符号，这种符号有称为米氏符号。单位晶面的米氏符号即为（111）。晶体上任意一个晶面的晶面符号课用如下方法求的：首先把晶面延长与坐标轴相交，并以轴单位为度量单位，算得其标轴系数，再取倒数比：1/p：1/q：1/r=h：k：l把h：k：l化为最简单的互质系数置于小括号（）中，即为该晶面的米氏符号。三 思考题1晶体定向的原则是什么？坐标轴与对称要素间的关系？2晶体符号如何确定？其在几何结晶学中有何作用？实验二 偏光显微镜使
6、用实验学时：4学时实验类型：验证实验要求：必修一、目的要求1了解偏光显微镜的结构及使用方法。二、基本原理 偏光显微镜引（Polarizingmicroscope）是用于研究所谓透明与不透明各向异性材料的一种显微镜。凡具有双折射的物质，在偏光显微镜下就能分辨的清楚，当然这些物质也可用染色法来进行观察，但有些则不可能，而必须利用偏光显微镜。反射偏光显微镜是利用光的偏振特性对具有双折射性物质进行研究鉴定的必备仪器, 可供广大用户做单偏光观察，正交偏光观察，锥光观察。偏光显微镜的构造如图所示三、实验内容1.使用前的检查 (1)确定起偏振镜或检偏振镜振动方向：将检偏振镜自镜中推出、只留一个起偏振镜观察工
7、作台上黑云母切片、转动工作台，当黑云母解理与起偏振镜的振动方向平行时对黑云母吸收性最强，此时呈现深棕色，当解理与起偏振镜的振动方向垂直时，黑云母吸收性微弱，此时晶体呈现淡黄色，据此就能确定起偏振镜的振动方向。另一法是将起偏振镜自显微镜上取下，通过起偏振镜以较大倾斜角观察任一光亮的反射表面，转动起偏振镜至一最暗位置，即可确定起偏振镜振动方向与水平方向(左右不限)垂直、因光亮表面反射来的部分偏振光振动方向始终是观察者的左右方向。本仪器上的起偏振镜振动方向为观察者的左右方向。 (2)起偏振镜与检偏振镜正交：将检偏振镜推入(为观察清楚，应取下目镜、物镜及拨开聚光镜前片)，转动起偏振镜，观察到最暗位置，
8、即系正交位置，此时起偏振镜刻线应对准00(1800)。 (3)目镜分划板十字线与起偏振镜、检偏振镜振动方向平行，检查方法同1.1.在单偏光下观察黑云母切片，当黑云母解理与起偏抵镜的振动方向平行时，颜色最深，呈深棕色，此目镜分划板十字线之一应与黑云母解理方向平行。 2.物镜中心调节方法如下 (1)观察旋转工作台上的切片，在切片中找一小黑点，使位于目镜十字线中心。 (2)转动工作台，若物镜光轴与工作台中心不一致，黑点即离开十字线中心绕一个圆转动。圆的中心S即为工作台的中心。 (3)将小黑点转至O1（此时距十字线中心最远）借物镜座上两个调节螺丝调节S与0重合，使得小黑点自01移回001距离一半。 (
9、4)如此循环进行上述三步骤可使物镜光轴与旋转工作台中心重合。 3.用低倍物镜时，应将拉索透镜移出光路，同时用平面反射镜引入光线。用高倍物镜及观察锥光图时，必须将拉索透镜引入光路，为增加视域亮度，可用凹面反射镜引入光线。聚光镜之间的可变光栏可调节进光量的大小。 4.勃氏镜在一般情况下是不用的，只当在高倍物镜下看锥光图时才将勃氏镜加进光路，此时勃氏镜连同目镜构成一个放大镜以观察物镜后焦面上的锥光束干涉图，须注意在照明光源上加毛玻片或在引入光线的方向上应无障碍物，以免使灯丝象或窗户框子、树、天空云彩等成象引起干扰。在观察微小矿物时，应在光路中加入小孔光栏。 5.当用人工照明光源时，须将反射镜拔下，换
10、插上灯室，并在起偏振镜下加蓝色滤色片。调节灯室上的两个螺钉，以使视场照片均匀。 6.当使用高倍物镜观察时，一般都先用低倍物镜来寻找目标，这时应先调节低倍物镜光轴与旋转工作台中心重合，并使欲观察的目标移向视场中心，然后更换上高倍物镜，调换时，将镜筒升高使物镜离开切片，这样可避免因物镜碰到切片而使切片走动。同时应注意不使物镜调节螺丝走动。 7.在使用过程中必须注意：要先旋转微动手轮，使微动处于中间位置，再转动粗调手轮，将镜筒下降使物镜靠近切片(从侧面观察)；然后在观察切片的同时再慢慢上升镜筒至看清物体的象为止，这样可避免物镜与切片相互碰撞而压坏切片和损坏镜头。 8.如需进行显微摄影，应加接上所用的
11、显微摄影系统，各种摄影系统的使用和联接刀法可能有所不同。 9.仪器使用完毕，须转动粗动手轮将物镜提起，关闭灯源。四、思考题 偏光显微镜的应用有哪些？实验三 利用Gaussview进行化学建模实验学时：4学时实验类型：综合实验要求：必修一实验目的所有的量化程序（包括高斯）都是将所输入的分子转化为薛定谔方程，然后求解方程得到所需要的有关分子的性质。因此我们必须要将所研究的体系转化为高斯的输入文件，才能调入到高斯中进行计算。输入分子结构的合理性将直接决定着据此得到的薛定谔方程的合理性，也就影响着所得到的解的准确性，所以创建一个合理的输入文件是量化计算的一个重要环节。二实验内容：输入文件的创建大致可分
12、为三类：直接用坐标输入；利用晶体文件产生输入文件；利用绘图软件画出分子结构然后转换为输入文件。本实验主要是学会利用Gaussview软件画出分子结构然后转换为输入文件。三实验方法：构建一个间氟苯乙烷分子并从GVIEW里递交计算(1)双击GVIEW图标， 打开GVIEW ，下图就是GIVE打开后的窗口 (2)双击窗口中的图标，得到如下窗口里面有常用的环状官能团。选中苯环（单击即可选中）(3).在当前工作窗口（打开GIVEW时程序自动打开一个工作窗口，如下图）也可通过File-new 路径 新建一个工作窗口在这个窗口中点鼠标左键窗口中就会出现苯分子，见下图将鼠标放在分子上，按左键左右或前后移动，可
13、以调节分子的角度将鼠标放在分子上，前后移动，可以将分子放大或缩小Shift+Alt+鼠标左键组合可以在窗口内平移分子当工作窗口内有多个分子时【在构建大的分子时，这种情况很容易出现】这时可用以下命令可以用Shift+Alt+鼠标左键组合移动想要移动的分子，以调节各个分子间的距离可以用Ctrl+Alt+鼠标左键组合调节其中一个分子的角度，以调节各个分子间的角度。Ctrl+Alt+鼠标左键这个组合常和将鼠标左键放在分子上，左右或前后移动，可以调节分子的角度这个功能连用。(4)双击GVIEW界面上的图标。出现以下窗口点击氟的元素符号“F”，就选中氟原子。(5).回到工作窗口在苯环上的任一个H上单击左键，将H置换成F。
