材料科学基础复习大纲

材料科学基础复习大纲第二章晶体结构2.1 结晶学基础1、概念:晶体晶胞晶胞参数七大晶系晶面指数晶面族晶向指数晶向族2、晶面指数和晶向指数的计算2.2 结合力与结合能按照结合力性质不同分为物理键和化学键化学键包括离子键共价键金属键物理键包括范德华键氢键晶体中离子键共价键比例估算(公式2.16离子晶体晶格能2.3 堆积(记忆常识1、最紧密堆积原理及其使用范围:原理略适用范围:典型的离子晶体和金属晶体原因:该原理是建立在质点在电子云分布呈球形对称以及无方向性的基础上的2、两种最紧密堆积方式:面心立方最紧密堆积ABCABC 密排六方最紧密堆积ABABAB系统中:每个球周围有6个八面体空隙 8个四面体空隙N个等径球体做最紧密堆积时系统有2N个四面体空隙N个八面体空隙八面体空隙体积大于四面体空隙3、空间利用率:晶胞中原子体积与晶胞体积的比值(要学会计算两种最紧密堆积方式的空间利用率为74.05(等径球堆积时4、影响晶体结构的因素内因:质点相对大小(决定性因素配位数(概念及计算极化(概念,极化对晶体结构产生的影响外因(了解:同质多晶类质多晶同质多晶转变2.4 单质晶体结构(了解2.5 无机化合物结构(重点每年必考分析结构从以下几个方面入手:晶胞分子数,何种离子做何种堆积,何种离子添隙,添隙百分比,正负离子配位数,正负离子电价是否饱和,配位多面体,添隙半径的计算(刚好相切时,隙结构与性质的关系。1、NaCl型:4个NaCl分子 Cl离子做面心立方密堆积,Na离子填充八面体空隙,填充率100,正负离子配位数均为6,电价饱和。【NaCl6】或【ClNa6】八面体结构与性能:此结构在三维方向上键力均匀,因此无明显解理,破碎后呈颗粒状,粒为多面体形状。离子键结合,因此有较高的熔点和硬度2、立方ZnS结构:4个ZnS分子S离子做面心立方密堆积,Zn离子填充四面体空隙填充率50,离子配位数均为4,电价饱和,【ZnS4】四面体会画投影图(图2.26注意:一定要画虚线,一定要标高,一定要有图例(白球黑球代表什么离子3、萤石(CaF2结构:(唯一正离子做堆积的结构4个CaF2分子 Ca离子做面心立方密堆积,F离子填充四面体空隙,填充率100。正离子配位数为8,负离子配位数为4,电价饱和,【CaF8】或【FCa4】结构与性能:与NaCl相比,综合电价和半径因素,萤石质点间键力比NaCl强,表现为萤石硬度熔点密度高于NaCl而水中溶解度低于NaCl。由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被Ca离子填充,所以在111面网方向上存在毗邻的同号离子层,其静电斥力起主要作用,导致晶体在平行与111面网方向上易发生解理,因此萤石常呈八面体解理。碱金属氧化物R2O为反萤石结构,它们的正负离子位置刚好跟萤石结构中相反,性质相似,在111面网方向上也易发生解理。4、钙钛矿CaTiO3结构(每年必考:Ca离子占据八个顶点,O占据六个面的面心,Ti离子位于体心。Ca和O共同做面心立方密堆积。Ti离子占据八面体空隙的1/4。晶胞分子数1,配位数:Ca 12,Ti 6,O 6,O电价饱和。理想情况下半径关系Rca+RO=(根号2(Rti+RO(会推导结构与性能的关系:电价饱和,晶体结构稳定。5、自发极化与铁电效应:(每年必考自发极化(概念:对于理想晶体而言,如果不存在外电场时,单位晶胞中的正负电荷不重合,具有一定的偶极矩,这种现象称为自发极化。产生自发极化的条件:离子位移后使离子固定在新位置上的力应该大于位移后的恢复力。BaTiO3具有铁电效应而CaTiO3不具有铁电效应的原因:要有铁电效应必须能够产生自发极化。Ba离子半径比较大,使得晶胞参数也比较大,从而使得结构中【TiO6】八面体空隙比较大,Ti与O之间有比较大的空隙,可以克服恢复力,可以发生自发极化。而CaTiO3中由于Ca离子半径小,使得晶胞参数也比较小,从而使结构中【TiO6】八面体空隙比较小,甚至小于Ti离子尺寸,位移后恢复力很大,不能在新位置上固定下来,从而不能产生自发极化,没有铁电效应。2.6 硅酸盐晶体结构(特征,分类硅酸盐晶体基本结构单元是【SiO4】四面体。硅酸盐晶体各种结构的共同特点(4条58页硅酸盐晶体分类:根据硅氧比分类(58页表2.13岛状结构:镁橄榄石(结构,结构与性质的关系组群状:桥氧(概念,绿宝石结构链状:单链,双链层状:单网层,复网层,水镁(铝石层滑石:沿C轴方向的复网层,两个硅氧层夹一层水镁石层,三八面体。结构与性质的关系:层内电价饱和,层间通过分子间力结合,有解理。蒙脱石:复网层,结构与性质的关系:C轴长度随含水量而变化第三章晶体结构缺陷3.1 结构缺陷类型缺陷(概念:晶体点阵结构中周期性势场的畸变按照几何形态分类:点,线,面,体点缺陷包括:空位,间隙,杂质,色心线缺陷有:位错面缺陷有:晶界,表面按照缺陷产生原因分类:热缺陷(本征缺陷,杂质缺陷和非化学计量缺陷(非本征缺陷热缺陷分为弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷(理解图 3.2(弗伦克尔缺陷的特征是空位和间隙质点成对出现,肖特基缺陷特征是正负离子空位成对出现。3.2 点缺陷(本节略,重点为缺陷反应方程式的书写以及缺陷浓度的计算符号,书写原则,98页下面的两个基本规律热缺陷浓度的计算:热力学方法,化学平衡方法3.5 固溶体固溶体(概念分类:根据位置分为置置换型固溶体,间隙型固溶体根据固溶度分为有限固溶体(不连续固溶体,无限固溶体(连续固溶体形成置换固溶体的条件(4条形成间隙型固溶体的条件为什么间隙固溶体不能是连续固溶体(149页最下面会写方程式理论密度计算,化学式的确定3.6 非化学计量化学物(要仔细看课本,理解四种类型不再赘述,关键是要导出方程式,得出空位浓度,电子浓度与氧压力和温度的关系,并说明其与密度,导电性的关系。另外注意N型半导体与P型半导体第四章非晶态结构与性质4.2 熔体的性质1、粘度:概念,物理意义影响因素:对于硅酸盐晶体而言,熔体中聚合阴离子团越大粘度越大,反之亦然。因此影响粘度的因素就是影响聚合阴离子团大小的因素,主要有温度和添加剂。温度对粘度的影响:由于温度升高,聚合阴离子团将解聚为较小的阴离子团,因此温度升高主要使粘度变小添加剂对粘度的影响:通常碱金属氧化物的加入使粘度变小(需要理解并能够用自己的话详细说明二价金属氧化物有两重性,但主要使粘度降低。(需要理解并能够用自己的话详细说明高价金属氧化物使粘度增大(需要理解并能够用自己的话详细说明硼反常现象(重点:由于硼离子配位数变化引起性能曲线上出现转折的现象。当三氧化二鹏含量较少时使粘度增加,当三氧化二鹏含量较多时使粘度下降(需要理解并能够用自己的话详细说明2、表面张力:概念,物理意义,表面能影响因素:温度:温度升高,质点热运动增加,体积膨胀,相互作用松弛,表面张力降低。添加物:首先需要理解并能够用自己的话详细说明硅酸盐溶体的表面张力随硅氧比的变化而变化的规律及原因(178页第三段,再说明各种氧化物加入对表面张力的影响4.3 玻璃的形成热力学条件:玻璃太与晶态的G相差越小越容易形成玻璃动力学条件:成核生长速度相差越大,越容易形成玻璃结晶化学条件:复合阴离子团越大越容易形成玻璃,排列越不规则越复杂越容易形成玻璃形成体中间体改变体具有离子键或金属键向共价键过度的混合键型则容易形成玻璃第五章表面结构与性质5.1 固体表面及其结构产生表面现象的根本原因:材料表面质点排列不同于材料内部,材料表面处于高能量状态。弛豫:概念,画图说明,举例(NaCl单晶重构:概念,画图说明,举例(硅111面劈裂后的表面固体的表面张力与表面自由能:概念,与液体表面张力和表面自由能的区别(5.1.1.4表面力场固体表面结构:晶体表面结构(双电层得形成过程212页第三段及图5.65.3 润湿与黏附1、润湿:是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程分类:沾湿,浸湿,铺展三种行为自发进行的热力学条件:公式5.36 5.37 5.38 5.39 5.402、接触角与YOUNG方程YOUNG方程的推导,公式5.43三种行为的接触角判据:将方程带入公式5.36 5.37 5.38 5.39 5.40得出公式5.45 5.46 5.473、表面粗糙度的影响:226页最下面一段的结论4、黏附及其化学条件黏附的概念良好的黏附的表面化学条件:230页四条,另外231页三条第六章相图(必考三元系统相图(每年必考一个大题规则:298页等含量规则,等比例规则,背向线规则301页重心规则306页小二的杠杆规则306页倒数二段一致熔融化合物的判断307页第三段温度下降方向的判断,最下面结晶结束点的判断308页第一段划分副三角形规则,倒数第二段不一致熔融化合物的判断309页界限性质的判断及方程,最下面无变量点性质的判断310页第一段和第二段仔细看311页熔体2和熔体3的结晶过程仔细看,涉及到折线和穿相区两种情况312页规律三条314 315页过度点以及化合物稳定性的判断316页多晶转变点多做题,熟能生巧第七章扩散7.1 菲克定律(重点第一定律的推导(会画模型,微观表达式稳态扩散,非稳态扩散第二定律的推导376页第一第二定律的内在联系(最后一句话7.5 多元系统的扩散克肯达耳效应7.5.2(重点7.6 影响扩散的因素外在因素:温度杂质气氛固溶体类型内在因素:扩散物质性质的影响,扩散介质结构的影响,位错晶界表面的影响第八章相变8.1 相变概述1、相变分类按照热力学分类:按照化学位偏导数的连续性分为一级相变,二级相变一级:两相化学位相等,但化学位一阶偏导数不相等,反应在宏观性质上,热焓突变,热效应较大,体积膨胀或收缩二级:两相化学位相等,化学位一阶偏导数相等,但化学位二阶偏导数不相等。表现在宏观性质上,热容,压缩系数和体膨胀系数发生变化,而体积及热效应没有实变。按照相变机理=分为成核生长相变,连续性相变,有序无序相变和马氏体相变2、相变的条件(重点温度条件:推导,结论(418页倒数第二段压力浓度条件综上所述:相变要自发进行,系统必须过冷(过热或者过饱和8.2 成核生长相变包括成核和生长两个过程1、核化速率8.2.1.1 均态核化速率:均态核化速率势垒的推导(420和421页,核化速率的最终表达式(公式8.19和8.20并由此分析均态核化速率与温度的关系(先升后降非均态核化速率(了解、8.2.2 生长速率(通常用线生长速率表示:分析温度不同时速率随温度的变化(424及425页仔细阅读图8.98.2.4影响结晶速率的因素第九章固态反应9.1 概论1、固态反应概念:固体直接参与反应并起化学变化,同时至少在固体内部或外部的一个过程中起控制作用的反应2、固态反应的特征:一般包括相界面上的化学反应和固相内的物质迁移两个过程,通常需要在高温下进行9.3 反应动力学9.3.1 一般动力学关系:固态反应通常由若干简单的物理化学过程构成,整个过程速度由其中最慢的一环控制化学动力学、扩散动力学、过渡范围的概念,意义公式9.219.3.3 扩散动力学范围(重点抛物线方程:推导,表达式,图9.9模型杨德方程:假设,推导,表达式,图9.11,计算金氏方程：假设，与杨德方程的假设不同之处，表达式，计算 9.5 影响因素（理解） 反应物化学组