材料科学基础复习资料一

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1、一、材料的分类 1、按化学组成（或基本组成）分类：1. 金属材料 2. 无机非金属材料 3. 高分子 材料（聚合物） 4. 复合材料 2、0.1.2 根据材料的性能分类：结构材料和功能材料。 第一章晶体结构 1、晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有 格子构造的固体。 晶体的特征：自范型、均一性、各向异性、对称性、最小内能和最大稳定性。晶 体中质点排列具有周期性和对称性。 2、晶胞：晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。 3、晶胞参数：晶胞的形状和大小可以用6 个参数来表示，此即晶格特征参数， 简称晶胞参数。它们是3 条棱边的长度 a、b、c

2、和 3 条棱边的夹角、 、 。 4、晶面：晶体点阵在任何方向上可分解为相互平行的结点平面，这样的结点平 面称为晶面。 5、晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数 字 hkl 是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。假设晶面 在坐标轴上的截距分别为m、n、p；将它们的倒数依 X、Y、Z 轴的顺序，化 为互质整数比，即 1/m：1/n：1/p=h：k：l，然后将数字 hkl 写入圆括号（） 内，则（hkl）即为这个晶面的晶面指数。每一个晶面指数，代表一组平行晶 面。 6、晶面族：晶体结构中原子排列状况相同但不平行的两组以上的晶面，构成一 个晶面族。常存在

3、对称性高的晶体（如立方晶系）中。将hkl 中的 h、 k、 l，改变符号和顺序，进行任意排列组合，就可构成这个晶面族所包括的所 有晶面的指数。 7、晶向指数：用 uvw 来表示。其中u、v、w 三个数字是晶向矢量在参考坐标 系 X、Y、Z 轴上的矢量分量经等比例化简而得出。 表 1-2 不同晶系的晶面间距8、晶体中键的类型 按照结合力性质的不同：化学键：离子键、共价键、金属键。物理键：范德华 键、氢键。 9、 决定离子晶体结构的基本因素: 、内在因素对晶体结构的影向1.质 点的相对大小2.晶体中质点的堆积3.配位数与配位多面体4.离子极化、外在因素对晶体结构的影响同质多晶与类质同晶及晶型转变

4、10、.晶体中质点的堆积，最紧密堆积原理：晶体中各离子间的相互结合，可以 看作是球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。此即 球体最紧密堆积原理。适用范围：典型的离子晶体和金属晶体。 11、质点堆积方式：最紧密堆积：面心立方最紧密堆积（FCC） 、六方最紧密堆 积（HCP） 。体心立方最紧密堆积（BCC）不是最紧密堆积。 12、最紧密堆积的空隙：一个球周围有8 个四面体空隙， 6 个八面体空隙。 n 个 等径球最紧密堆积时，整个系统四面体空隙数2n 个；八面体空隙数 n 个。 13、最紧密堆积的空间利用率：两种最紧密堆积的空间利用率均为74.05%，空晶系立方正方六方斜方晶

5、面间距122222dhkla1 222222dhk al c14 3222222dhhkk al c()1 2222222dh ak bl c隙占整个空间的 25.95%。 14、不等径球堆积：不等径球进行堆积时，较大球体作紧密堆积，较小的球填充 在大球紧密堆积形成的空隙中。 其中稍小的球体填充在四面体空隙，稍大的则填 充在八面体空隙， 如果更大， 则会使堆积方式稍加改变， 以产生更大的空隙满足 填充的要求。这对许多离子化合物晶体是适用的。例如：MgO NaCl 15、配位数：一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目称为原子 （或离子）的配位数，用 CN 来表示。如果知道了晶体结构是

6、由何种离子构成的， 则从 r/r比值就可以确定正离子的配位数及其配位多面体的结构。16、影响配位数的因素除正、负离子半径比以外，还有温度、压力、正离子类型 以及极化性能等。 极化会对晶体结构产生的显著影响：极化会导致离子间距离缩短， 离子配位数降 低，变形的电子云相互重叠，使键性由离子键向共价键过渡。 17、.同质多晶与类质同晶：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成 结构不同的晶体的现象， 称为同质多晶现象。 化学组成相似或相近的物质，在相 同的热力学条件下，形成的晶体具有相同的结构，这种现象称为类质同晶现象。 18、同质多晶的转变： 根据转变时速度的快慢和晶体结构变化的不同，可将多晶

7、 转变分为两类：位移性转变和重建性转变。 19、金属晶体的结构：由于金属键的性质，使典型金属的晶体具有高对称性，高 密度的特点。常见的典型金属晶体是面心立方、体心立方和密排六方三种晶体， 20、面心立方结构：常见面心立方的金属有Au、Ag、Cu、Al、 -Fe等，晶格结 构中原子坐标分别为 0,0,0，0,1/2,1/2，1/2,0,1/2，1/2,1/2,0。晶胞中所含原 子数为 4。21、体心立方结构： 常见体心立方的金属有-Fe、V、Mo 等，晶格中原子坐 标为0,0,0，1/2,1/2,1/2。晶胞中原子数为：22、密排六方结构： Zn、Mg、Li 等是常见的密排六方结构的金属， 六方

8、柱晶胞所包含的原子数为：6 23、金属中原子最紧密堆积的原因：金属键既没有方向性，也没有饱和性。金属 键和离子键相比于共价键都没有方向性和饱和性。rr正离子配位数配位多面体形状实例0.0000.155 0.1550.225 0.2250.414 （ 0.4140.732） 0.4140.732 （ 0.6451.000）0.7321.000 1.000 2 3 4 4 6 8 8 12 哑铃形（直线形） 平面三角形或四面体形 四面体形 四方平面形八面体形 四方反棱柱形 立方体形立方八面体形 复七面体形干冰CO2B2O3、 CdI2 SiO2、 GeO2NaCl 、 MgO 、 TiO2CsCl

9、 、 ZrO2、 CaF2 Cu Cs 配位数正离子3 4 6 8 12 B3+Be2+， Ni2+， Zn2+， Cu2+，Al3+， Ti4+， Si4+， P5+Na+，Mg2+，Ca2+， Fe2+， Mn2+， Al3+， Fe3+， Cr3+， Ti4+， Nb5+， Ta5+Ca2+， Zr4+， Th4+， U4+， TR3+K+， Na+， Ba2+， TR3+421681821818632126112一、晶体的结构与性质 -无机化合物结构 . AX 型结构主要有 CsCl，NaCl，ZnS，NiAs 等类型的结构，其键性主要是离子 键，其中 CsCl，NaCl 是典型的离子

10、晶体， NaCl 晶体是一种透红外材料； ZnS 带 有一定的共价键成分，是一种半导体材料；NiAs 晶体的性质接近于金属。 大多数 AX 型化合物的结构类型符合正负离子半径比与配位数的定量关系， 见表 1-4。只有少数化合物在r+/r- 0.732 或 r+/r- 0.414 时仍属于 NaCl 型结构。 如 KF，LiF，LiBr ，SrO，BaO 等。 1.NaCl 型结构 .NaCl 属于立方晶系（见图1-15） ，晶胞参数的关系是a=b=c， = = =90o，结构 中 Cl离子作面心立方最紧密堆积，Na+填充八面体空隙的100%；两种离子的 配位数均为6；配位多面体为钠氯八面体Na

11、Cl6或氯钠八面体 ClNa6 ；八面体 之间共棱连接（共用两个顶点） ；一个晶胞中含有 4 个 NaCl“ 分子” ，整个晶胞由 Na离子和 Cl离子各一套面心立方格子沿晶胞边棱方向位移1/2 晶胞长度穿 插而成。 常见的 NaCl 型晶体是碱土金属氧化物和过渡金属的二价氧化物，化学式可 写为 MO， 其中 M2+为二价金属离子。结构中 M2+离子和 O2-离子分别占据 NaCl 中 Na+和 Cl-离子的位置。这些氧化物有很高的熔点，尤其是MgO（矿物名称方 镁石） ，其熔点高达 2800左右，是碱性耐火材料镁砖中的主要晶相。 2.CsCl 型结构 CsCl 属于立方晶系，结构中正负离子作

12、简单立方堆积，配位数均为8， 晶胞分子数为 1，键性为离子键。 CsCl 晶体结构也可以看作正负离子各一套简单 立方格子沿晶胞的体对角线位移1/2 体对角线长度穿插而成。 3.立方 ZnS（闪锌矿， zincblende）型结构 闪锌矿属于立方晶系，其结构与金刚石结构相似，结构中 S2-离子作面 心立方堆积， Zn2+离子交错地填充于8 个小立方体的体心，即占据四面体空隙 的 1/2，正负离子的配位数均为4。一个晶胞中有4 个 ZnS “ 分子” 。整个结构由 Zn2+和 S2-离子各一套面心立方格子沿体对角线方向位移1/4 体对角线长度穿插 而成。由于 Zn2+离子具有 18 电子构型， S2-离子又易于变形，因此， Zn-S 键带 有相当程度的共价键性质。常见闪锌矿型结构有Be，Cd，Hg 等的硫化物，硒化 物和碲化物以及 CuCl 及-SiC 等。 4.六方 ZnS（纤锌矿， wurtzite ）型结构及热释电性 结构中 S2-作六方最紧密堆积， Zn2+占据四面体空隙的1/2，Zn2+和 S2-离子的 配位数均为 4。六方柱晶胞中 ZnS 的“ 分子数 ” 为 6，平行六面体晶胞中，晶胞分 子数为 2。结构由 Zn2+和 S2-离子各一套六方格子穿插而成。常见纤锌矿结构 的晶体有 BeO、ZnO、CdS、GaAs 等晶体。 AX2 型结构