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1、无机材料科学基础(陆佩文)无机材料科学基础 概论 一. 研究对象及学习目的自古以来,材料的发展一直是人类文明的里程碑。材料、能源、信息被公认为是现代文明的三大支柱。新材料已成为各个高技术领域的突破口。材料主要包括：金属材料、有机材料、无机非金属材料。本课程研究的对象是无机非金属材料。无机非金属材料的最大特点是耐高温、耐腐蚀，这些特点是其它材料无法比拟的。 无机非金属材料的发展在国民经济中的重要作用是显而易见。研究的对象是“无机非金属材料”。从化学组成上看：包含硅酸盐，和各种氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、氟化物等。从物质结构上看：可以包括单晶体、多晶体或无定形体。本专业主要研究多晶、多
2、相无机非金属材料，也可称为“陶瓷。从材料形态上看：不仅包括块体材料，还包括粉体材料、纤维材料、晶须材料和薄膜材料。从所属的工业产品来看：可分为传统材料和现代陶瓷，所属的工业产品涉及各个领域。传统材料主要包括陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、磨料、砖瓦等。现代陶瓷按其功能又可分为两大部分：高温结构陶瓷：能在高温条件下承受各种机械作用的陶瓷材料。如：陶瓷发动机的部件、切削工具、耐磨轴承、火箭燃气喷嘴、各种密封环、能承受超高温作用的结构部件。功能陶瓷：具有声、光、电、磁、热等功能的陶瓷制品。如:压电陶瓷在三维空间按周期性重复排列的几何点的集合称为空间点阵。空间点阵中的结点是抽象的几何点并非实际晶体中的质点
3、。阵点或结点：空间点阵中的几何点称为阵点或结点。等同点：同一套空间格子中的结点叫等同点。实际晶体是组成晶体的离子或原子去占据一套或几套穿插在一起的空间格子的结点位置而构成。实际晶体的内部质点是有实际内容的原子或离子。实际晶体中化学组成相同、结晶化学环境相同的质点占据的结点构成一套等同点。所谓结晶化学环境相同是指质点周围在相同方位上离开相同距离有相同的质点。晶体中有几套空间格子就有几套等同点，判断晶体中有几套空间格子的方法是看晶体中有几套等同点。NaCl晶体有2套空间格子，Na+ 离子和Cl-离子各构成一套空间格子。CsCl晶体有2套空间格子，Cs+ 离子和Cl-离子各构成一套空间格子。CaF2
4、 晶体有3套空间格子,Ca2+离子构成一套空间格子；F-离子有两套空间格子。 3、晶体的性质：结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、最小内能性。 二、晶系：根据晶体的对称性，将晶体分为三大晶族、七大晶系。高级晶族：立方晶系中级晶族：六方晶系、三方晶系、四方晶系低级晶族：斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系 三、 晶胞晶胞是晶体中重复出现的最小结构单元，它包含了整个晶体的特点。对应于七大晶系，晶胞形状有七种。 四、空间格子的类型：以等同点为基准取晶胞，根据七大晶系，晶胞的形状共有7种。等同点在晶胞的位置可以有以下几种：1.原始式：等同点占据晶胞的各个角顶2.体心式：等同点占据晶胞的各个角顶和体心3.面心
5、式：等同点占据晶胞的各个角顶和面心4.底心式：等同点占据晶胞的各个角顶和上下底面中心根据某一套等同点为基准所取晶胞的形状和该套等同点在晶胞中的位置可以判断该套等同点构成的空间格子类型，共有十四种空间格子类型，通常称为十四种布拉维空间格子。晶胞种类等同点在晶胞的位置 立方晶胞 原始式 体心式 面心式六方晶胞 底心式三方晶胞 原始式四方晶胞 原始式 体心式斜方晶胞 原始式 体心式 面心式 底心式 单斜晶胞 原始式 体心式三斜晶胞 原始式如：NaCl晶体是一套Na+离子立方面心格子和一套Cl-离子立方面心格子穿插而成。CsCl晶体是一套Cl-离子立方原始格子和一套Cs+离子立方原始格子穿插而成。Cs
6、Cl晶体结构立方ZnS晶体是一套S2-离子立方面心格子和一套Zn2+离子立方面心格子穿插而成。CaF2晶体是一套Ca2+离子立方面心格子和两套F-离子立方面心格子穿插而成。TiO2晶体是两套Ti4+离子四方原始格子和四套O2-离子四方原始格子穿插而成。第二节 晶体化学基础 一、晶体中键的形式： 1. 典型键型 化学键：原子或离子结合成为分子或晶体时，相邻原子或离子间的强烈的吸引作用称为化学键。分子键：分子间较弱的相互作用力。电负性可衡量电子转移的情况，因而可用来判断化学键的键型。原子的X越大，越易得到电子，X 大于2，呈非金属性；原子的X越小，越易失去电子，X小于2，呈金属性。 化学键的类型：
7、离子键：凡是X值相差大的不同种原子作用形成离子键。X值小的原子易失电子形成正离子，X值大的原子易得电子形成负离子。如：碱土金属与氧原子结合。离子键无饱和性和方向性。共价键：凡是X值较大的同种或不同种原子组成共价键。共价键有饱和性和方向性。金属键：凡是X值都较小的同种或不同种原子组成金属键，被给出的电子形成自电子气，金属离子浸没其中。金属键无饱和性和方向性。 分子键的类型：范德华键：分子间于色散、诱导、取向作用而产生的吸引力的总和。氢键：XHY，可将其归入分子键。 氢键键键力 范德华键键力一般的情况下各种键的强度顺序如下：共价键最强，离子键很强，金属键较强，三种化学键的键力远大于分子键，分子键中氢键的键力大于范德华键。 2.键型的过渡性凡是X值有相当差异、但差异并不过大的原子之间形成离子键和共价键之间的过渡键型。如：Si-O键。依据鲍林公式计算过渡键型中离子键占的百分数P： P=1-exp-1/42二 离子半径：对于独立存在的离子，它的离子半径是不确定的，但在离子晶体中，设离子为点电荷 ，根据库仑定律，正、负离子之间的吸引力： F(q1q2)/r2
