《材料科学基础》专业辅导 (07无非)

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1、童磊挑灯汇编1材料科学基础专业辅导 2011第一章 晶体几何基础晶胞：是能够反映晶体特征的最小单位，并由一组具体的晶胞参数晶体常数来表征。 第二章 晶体化学基础球体紧密堆积原理：从球体堆积角度来看，球体的堆积密度越大，系统的内能就越小。六方紧密堆积：按 ABABAB的顺序进行堆积，可以再这种堆积方式中找出六方晶胞的堆积。面心立方紧密堆积：按 ABCABCABC的顺序进行堆积，可以再这种堆积方式中找出面心立方晶胞（单位晶胞含 4 个球）的堆积。八面体空隙：在等径球体的最紧密堆积中，把组成层间空隙的球心连接起来，由 6 个球体中心的连线连成八面体形状，故称。四面体空隙：在等径球体的最紧密堆积中，由

2、 4 个球体所围成的空隙。因其周围 4 个球体中心的连线连接成四面体形状，故称。若有 n 个等径球体做六方紧密堆积，必定有 n 个八面体空隙、2n 个四面体空隙。对于面心立方紧密堆积也能得到相同的结论。不等径球体紧密堆积：不等径球体紧密堆积时，可以看成由大球径按等径球体堆积后，小球体按其大小分别填充到其空隙中，稍大的小球填充八面体空隙，稍小的小球填充四面体空隙，形成不等径球体的紧密堆积。如果小球过大，空隙填不下时，将把空隙略微撑开，或者使大球的堆积方式发生改变，以产生较大的空隙；如果小球过小，不是刚好填满空隙(与组成空隙的几个大球同时接触)时，小球将在空隙中位移。小球与大球的半径比决定了小球应

3、该填充何种空隙。在离子晶体结构中，半径较大的阴离子通常作紧密堆积或近似紧密堆积，半径较小的阳离子则填充在其空隙中。阳离子填充的空隙位置除了和阴、阳离子的半径比有关外，还与其键性、电子构型以及极化性能有关。配位数：指在晶体结构中，一个原子或离子周围与其直接相邻的原子或异号离子的个数。 配位多面体：指在晶体结构中，与某一个阳离子直接相邻，形成配位关系的各个阴离子的中心连线所构成的多面体。 同质多晶(同质多象)：同一化学组成在不同外界条件下(温度、压力、PH)，结晶成为两种以上不同结构的晶体的现象。(由此产生的化学组成相同、结构不同的晶体称为变体。类质同晶：不同化学组成的物质结晶时成为晶体结构相同的

4、物质。童磊挑灯汇编2第三章 晶体结构硅酸盐：是指由硅氧络阴离子和金属阳离子形成的化合物。硅酸盐晶体结构比较复杂，其结构特点: 5 点SiO 4是硅酸盐晶体结构的基础；硅酸盐结构中的 Si4+之间不存在直接的键而是通过 O2- 来实现键的连接；SiO 4的每一个顶点，即 O2- 最多只能为两个SiO 4所共用；两个相邻的SiO 4间可以共顶而不以共棱共面连接。SiO 44-四面体中的、Si 4+可以被 Al3+置换，形成硅铝氧骨干，骨干外的金属离子易被置换成其他金属离子，结构不受影响，但性质改变。硅酸盐晶体结构可以按硅（铝）氧骨干的连接形式分为五类：岛状、组群状、链状、层状和架状。 P44 表

5、3-5 硅酸盐晶体的结构类型 （牢记）结构类型 SiO4共用 O2-数 形状 络阴离子团 Si:O 实例岛状 0 1 四面体双四面体 SiO44- Si2O76-1:4 2:7镁橄榄石 Mg2SiO4 硅钙石 Ca3Si2O7环状 (组群状) 2三节环 四节环 六节环Si3O96- Si4O128- Si6O1812- 1:3蓝锥矿 BaTiSi3O9 绿宝石 Be3Al2Si6O18链状 2 2、3 单链双链 Si2O64- Si4O116-1:3 4:11透辉石 CaMgSi2O6 透闪石 Ca2Mg5Si4O112(OH)2层状 3 平面层 Si4O104- 4:10 滑石 Mg3Si4

6、O10(OH)2架状 4 骨架SiO44- (AlxSi4-x)O8x-1:2 石英 SiO2 钠长石 NaAlSi3O8P53 习题 3-6：叙述硅酸盐晶体结构分类原则及各种类型特点，并举一例说明之。第四章 晶体结构缺陷缺陷反应方程式书写规则：童磊挑灯汇编3位置关系：在化合物 MaXb中，M 位置的数量必须永远与 X 位置的数量保持 a:b 的比例关系。如果在实际的晶体中，M 与 X 的比例不符合位置的比例关系，表明晶体中存在缺陷。位置增殖：当缺陷发生时，有可能引入 M 空位 VM，也有可能把 VM 消除，相当于增加或减少 M 点阵位置数。但发生这种变化时，要符合位置关系。质量平衡：缺陷方程

7、两边必须保持质量平衡，注意缺陷符号下标只是表示缺陷的位置，对质量平衡没有作用。电中性：缺陷反应式两边必须具有相同数目的总有效电荷，但不必等于零。表面位置：当一个 M 原子从晶体内部迁移到表面时，用符号 MS表示，下标表示表面位置，在缺陷化学反应中表面位置一般不用特别表示。缺陷反应方程式书写： P60CaCl 2 溶质溶解到 KCl 溶剂中的固溶过程 主要是 ClKKClVaa22 MgO 溶质溶解到 Al2O3 溶剂中的固溶过程 主要是 OAlAlgg ZrO 2 掺入 Y2O3 形成缺陷 iZrZr3非化学计量化合物：化学式不符合定比规律，正、负离子的比例并不是一个简单的固定比例关系的化合物

8、。晶界：是晶粒间界的简称。P70 习题 4-1 名词解释弗伦克尔缺陷：当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷；肖特基缺陷：如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。刃型位错：在晶体中有一个刀刃状的多余半原子面的位错；螺旋位错：位错线与伯格斯矢量相平行的位错。4-2 试述晶体结构中点缺陷的类型。以通用的表示方法写出晶体中各种缺陷的表示符号。试举例写出 CaCl2 中 Ca2+置换 KCl 中 K+或进入到 KCl 间隙去的两种点缺陷

9、反应表示式。童磊挑灯汇编4第五章 固溶体固溶体：含有外来杂质原子的晶体称为固体溶液，简称固溶体。连续型（无限互溶）固溶体：溶质溶剂可以按任意比例互溶，其相图是连续的。（晶格虽然产生畸变，或出现缺陷，但仍旧保持一个晶相）不连续（有限）固溶体：溶质溶剂的互溶是有限的，其相图是不完全连续的。（超过限度，即出现第二相）影响置换型固溶体中溶质离子溶解度的因素：（形成连续性置换固溶体需要什么条件） P73-P75离子尺寸因素（前提：溶质和溶剂离子半径的相对差小于 15） 12r上式15% ，则易形成连续固溶体。上式值在 15-30 之间，可以形成有限置换固溶体。上式值大于 30时，不能形成固溶体。 离子的

10、电价因素 只有离子价相同时或离子价总和相同时才可能生成连续置换型固溶体。 晶体的结构因素 晶体结构相同是生成连续固溶体的必要条件。结构不同最多只能生成有限固溶体。 举例：BeO 与 CaO 电负性因素 电负性相近，有利于固溶体的生成，差别大的，倾向于生成化合物。一般电负性差别大于0.4，生成固溶体的可能性小。第六章 熔体和非晶态固体广为接受的玻璃结构学说：晶子学说和无规则网络学说。晶子学说要点：硅酸盐玻璃是由无数“晶子”组成， “晶子”的化学性质取决于玻璃的化学性质。所谓“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格变形的有序区域，在“晶子”中心指点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大。 “晶子”分散

11、在无定形介质中，从“晶子”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界限。晶子学说核心是结构的不均匀性及近程有序性。无规则网络学说：指出凡是成为玻璃态的物质与相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。这种网络是由离子多面体（四面体或三角体）构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。异同点：网络学说强调了玻璃中离子与多面体相互间排列的均匀性，连续性及无序性等方面。这些结构特征可以在玻璃的各向同性、内部性质的均匀性和随成分改变时玻璃性质变化的连续性等特征上得到反映。因此网络学说能解释一系列玻璃性质的变化。晶子学说说明了结构的不均匀性和

12、有序性事所有硅酸盐玻璃的共性。这是晶子学说的成功之处。但是至今镜子学说尚有一系列重要的原则问题未得到解决，如有序区尺寸大小、晶子尺寸、晶子含量、晶子的化学组成等都难于解释。童磊挑灯汇编5二者比较接近的观点是：玻璃是具有近程有序、远程无序结构特点的无定形物质。氧离子的两种类型：属于两个多面体的称为桥氧离子，凡属于一个多面体的称为非桥氧离子。玻璃的四个基本结构参数：X每个多面体中非桥氧离子的平均数；Y每个多面体中桥氧离子平均数；Z每个多面体氧离子的平均总数； R玻璃中氧离子总数与网络形成离子总数之比（一般为 O/Si） ；每个多面体中的氧离子总数 Z 一般是已知的（在硅酸盐和磷酸盐玻璃中Z=4，硼

13、酸盐玻璃中 Z=3） 。参数关系：Z=X+Y 和 R=X+0.5Y 或 X=2R-Z Y=2Z-2R硅酸盐玻璃中，若组成中 ，则 Al3+被认为是占据AlO 4四面体的中心位置，1 OAl32RAl3+作为网络形成离子计算（即 ） 。AlSiO若 ，则把用 Al3+作为网络变性离子计算（ ） 。 1 l32 SiOR硼反常现象：硼酸盐玻璃随 Na2O 含量的增加，桥氧数增大，热膨系数逐渐下降。当 Na2O 含量达到 15%-16%时，桥氧又开始减少，热膨系数重新上升的反常过程硼反常现象原因：当数量不多的碱金属氧化物同 B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔融 SiO2玻璃中作为非桥氧出现在

14、结构中，而是使硼转变为由桥氧组成的硼氧四面体。致使 B2O3玻璃从原来二度空间层状结构部分转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络结构，并使玻璃的各种物理性能变好。这与相同条件下的硅酸盐玻璃性能随碱金属或碱土金属加入量的变化规律相反。一般认为当 Na2O 含量较多时，Na 2O 提供的氧不是用于形成硼氧四面体，而是以非桥氧形式出现于三角体之中，从而使结构网络连接减弱，导致一系列性能变坏。实验数据证明，由于硼氧四面体之间本身带有负电荷不能直接相连，而通常是由硼氧三角体或另一种偶合存在的多面体来相隔。因此，四配位硼原子的数目不能超过由玻璃组成所决定的某一限度。P104 图 6-24 童磊挑灯汇编6

15、P105习题 6-6 有两种不同配比的玻璃，其组分质量分数如下：序号 Na2O/% Al2O3/% SiO2/%1 8 12 802 12 8 80试用玻璃的结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小。第七章 固体表面与界面固体表面：固相和气相（或真空）的接触面。固体界面：一个固相与另一个固相（结构不同）的接触面。晶界：不论结构是否相同而取向不同的晶体相互接触，其接触界面称为晶界。表面能：表面增大一个单位面积所需做的功。固体界面的润湿：液体在固体表面的铺展。润湿的热力学定义：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由焓降低。润湿原理：液滴在固体表面上的铺展由固-气、固-液、液-气三个界面张力所决定，平衡关系可由下图和 表示：cosLVSVP115 图 7-6： 式中 是液体对其本身蒸气的界面张力；LV是固液间的界面张力，二者力图使液体变为球形，阻止液相润湿固相；S是固气之间的界面张力，力图把液体拉开，要覆盖固体表面，使固体表面能下降；是润湿张力， 是润湿角。