材料科学导论复习.doc

《材料科学导论》考试复习1 材料按结构分类可分为：晶体、准晶体、非晶体、胶体2 材料按化学组成可分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料3 晶体的基本性质有：①对称性，②均一性，③各向异性，④自限性，⑤最小内能性、⑥稳定性4 化学键与结构类型可分为：①金属键，②离子键，③原子键，④共价键，⑤氢键及其晶格，⑥过渡型键及晶格，⑦单键与多键型的晶格5 按对称规律晶体可分为：① 3 个晶族，② 7个晶系，③32对称型（点群）晶系分别是：①单斜，②三斜，③斜方，④三方，⑤四方，⑥六方，⑦等轴晶系6 晶体具有格子构造，格子有4种类型它们是：原始格子(P)、底心格子(C、A、B)、面心格子(F)、体心格子(I)7 格子的选择要求①平行六面体应包括空间格子的全部对称②平行六面体中相等棱和角的数目尽可能多③平行六面体中棱之间存在直角时，直角数要力求最多④在上要求条件下，平行六面体的体积最小8 晶体空间对称中共有230个空间群，空间群包括：格子类型+空间对称的国际符号9 化学键与结构类型包括：①离子键及离子晶格②共价键及原子晶格③金属键及金属晶格④分子键及分子晶格⑤氢键及其晶格。

⑥过渡型键及晶格⑦单键与多键型的晶格10 人眼的分辩率是（0.1mm），光学显微镜的分辩率是（200nm），扫描电子显微镜的分辩率是（2nm），透射电子显微镜的分辩率是（0.1-0.05nm）11 X射线分析方法有①粉晶X射线照相法(晶体物相分析)②粉晶X射线衍射分析(晶体物相分析)③单晶X射线照相法(晶体结构分析)④四圆单晶X射线衍射分析(晶体结构分析)12 在晶体对称规律中：低级晶族，无高次轴；中级晶族，只有一个高次轴；高级晶族，有多个高次轴13 晶体常数对应关系为：三斜晶系 a≠b≠c, α≠β≠γ≠90○单斜晶系 a≠b≠c, α＝γ＝90○ β＞90○斜方晶系 a≠b≠c, α＝β＝γ＝90○四方晶系 a＝b≠c, α＝β＝γ＝90○三方晶系 a＝b≠c, α＝β＝90○ γ＝120○六方晶系 a＝b≠c, α＝β＝90○ γ＝120○等轴晶系 a＝b＝c, α＝β＝γ＝90○14 电子显微镜与光学显微镜对比①照射束 ★电子显微镜 电子束☆光学显微镜 光束②媒质 ★电子显微镜 真空☆光学显微镜 大气③透镜 ★电子显微镜 电子透镜（电磁透镜）☆光学显微镜 光学玻璃透镜④分辨率 ★电子显微镜 透射电镜为0.14nm，扫描电镜为6nm☆光学显微镜 可见光区为200nm，紫外光区为100nm⑤放大倍数★电子显微镜☆光学显微镜 10-2000倍，更换透镜调节⑥景深★电子显微镜 在1000倍时，景深约为☆光学显微镜 在1000倍时，景深约为⑦聚焦原理★电子显微镜 电子聚焦☆光学显微镜 机械聚焦⑧图像特点★电子显微镜 黑白反差的电子图像，高分辨率像及衍射图像、格子像子☆光学显微镜 产生七色光的颜色及干涉颜色⑨主要图像★电子显微镜：透射电子像，二次电子像，背散射电子，吸收电子像，X射线面扫描像，X射线扫描像☆光学显微镜：光学透射像，反射像及其他干涉像，光的吸收、反射、透过形成光学图像⑩主要附件★电子显微镜：⑴电子衍射装置，⑵特征X射线波谱仪，⑶特征X射线能谱仪，⑷电子能量损失谱仪，⑸俄歇电子谱仪，⑹阴极发光装⑺电子通道花样附件，⑻微粒分析仪，⑼热台，冷台，⑽拉伸、旋钮、压缩，⑾电动势放大器，等等☆光学显微镜：⑴带偏光、反光附件，⑵锥光附件，⑶费氏台及旋转针，⑷热台及冷台，⑸油浸法应用，等等15 电子探针分析与化学分析对比16 透射电子显微分析与X 射线分析的特点对比透射电子显微分析已广泛应用于微晶体和超微晶体结构分析，有着许多优点，是微区研究的重要方法。

与X射线晶体结构分析相比有许多不同的特点，它们都各有优点，也有各自的局限性两种方法相互补充就可以深入研究许多重要的微区晶体结构晶体化学课题1）负电性电子束带负电荷，经过电磁场会发生偏转，通过调节磁透镜和扫描线圈等，可以改变电子束运动的轨迹和方向，使电子束聚焦X射线不带电荷，在磁场中也不偏转⑵ 穿透试样的能力电子束穿透试样能力差，透射电子显微镜工作条件要求高真空为观察样品细节，必须将样品制成薄膜试样，厚度一般小于100-200nm，有时要求薄到10nm以下而X射线穿透能力很强，较厚的晶体（几个mm）也可以穿过⑶ 射线的衍射能力电子衍射能力是 X 射线衍射能力的倍左右，拍摄电子衍射花样的时间只需几秒钟，而 X 射线衍射则需几个小时曝光时间拍摄底片电子衍射可研究许多超微结构现象 ⑷ 波长及衍射特点电子束的波长可以通过调节加速电压来选择大小，当加速电压大于100kV时，电子波长可短于0.0037nm而 X 射线分析是采用更换X射线光管来改变波长的，不同 X 射线光管发射波长分别为：铜靶 CuKα, 0.1542nm; 铁靶 FeKα ，0.1937nm；钼靶 MoKα，0.0711nm等电子衍射时，电子的波长比 X 射线的波长短得多，因此电子衍射的衍射角很小，一般为1º-2º，而 X 射线衍射角一般在 10º-60º。

波长短，决定了电子衍射的几何特点，它使单晶的电子衍射谱变得和晶体倒易点阵的一个二维截面完全相似，这就使晶体几何关系的研究变得简单方便得多了⑸ 衍射方式电子衍射有几种不同的方式，如电子衍射、微束衍射、会聚束衍射等X 射线分析单晶法有不同的照相方式，可得到不同特点的图像如回摆图、劳埃图、华盛堡图等，以及全自动四圆单晶衍射仪法⑹ 三维衍射数据的获得电子衍射谱是二维倒易点阵，通过倾斜样品获得三维倒易点阵信息X 射线分析中可通过单晶照相法，分层求得倒易点阵；也可以用全自动四圆单晶衍射仪求得三维空间晶体的 X 射线衍射数据⑺ 微区成分分析和形貌观察透射电子显微镜可以对微晶体进行形貌、成分及结构的综合分析，X射线分析则需要用其他方法确定成分、观察形貌⑻高分辨像利用高分辨率的透射电子显微镜可以直接观察晶体点阵格子像、分子像、原子像等X射线晶体分析不具备这些特点，它尚不能直接观察图像和晶体结构⑼ 晶体的精细结构电子衍射可进行多晶、单晶分析，单晶的大小甚至可以小于10nm所以说，透射电子显微镜研究的是精细结构，甚至是几个纳米的局部结构特点X射线分析也可进行多晶和单晶分析，但单晶颗粒一般要求0.2-0.05mm,即2×105—5×104。

X射线结构分析是亿万个晶胞的平均结构特点⑽ 制样要求及其他特点差异透射电子显微镜的制样过程复杂困难，仪器操作要求也很苛刻，透射电子显微镜及电子衍射分析解析复杂，在晶体结构计算方法方面也显得不够成熟透射电子显微镜诞生、应用仅仅只有 60 年历史，真正在微晶体结构研究方面的历史不过 30 来年，现已经取得了巨大成果，将来在各个科学领域更会取得重大突破X 射线分析在制样、操作方面都简单一些X 射线分析在晶体结构计算方法方面已很成熟，在晶体化学晶体结构研究方面已取得重大成果 17 最紧堆积原理在晶体结构中，质点之间尽可能相互靠近，占有最小空间，相互作用力达到平衡，内能达到最小，晶体为最稳定在离子晶格中和金属晶格中离子键、金属键无方向性和饱和性晶体结构可看成大的质点（大的原子、阴离子和少数分子）作球体最紧密堆积，小的质点（小的原子、小阳离子）充填大质点堆积的空洞最紧堆积中，等大球体位置有三种用ABC表示立方最紧密堆积表示为…ABCABC…，…ACBACB…；六方最紧密堆积表示为…ABAB…，…ACAC…还有立方六方混合堆积在n个等大球体作最紧密堆积中会有n个八面体空洞，2n个四面体空洞等大球最紧密堆积问题。

在金属晶格为主的自然金属元素矿物中，自然金（Au）的晶体结构，可看成Au原子作立方最紧密堆积而成；自然锇（Os）的晶体结构，可看成Os原子作六方最紧密堆积而成等大、非等大球最紧密堆积问题在离子晶格为主的氧化物矿物中，晶体结构可看成质点（氧原子、离子）作等大球体最紧密堆积，小一点的阳离子规律充填一些八面体、四面体空洞如刚玉Al2O3中，氧沿3次轴作六方最紧密堆积，Al充填2／3的八面体空隙尖晶石晶体结构中，O２－氧沿3次轴作立方最紧密堆积，Al３＋充填部分八面体空隙中，Mg２＋充填部分四面体空隙中18、 氧化物和氢氧化物的晶体结构特点①氧最紧密堆积、小阳离子充填有关空洞，刚玉Al2O3等②由氧和大阳离子最紧堆积，小阳离子充填有关空洞，例如钙钛矿CaTiO3③氧最紧密堆积、中等阳离子充填有关空洞，结构发生变形，如Nb、Ta、W等氧化物④共价键为主的矿物结构，如石英SiO2等19 硅酸盐（矿物）材料的基本类型有：岛状、环状、链状、层状、架状、过渡状它们是根据硅氧四面体在空间的不同连接方式进行分类的1成分2硅氧骨干:岛、环、链(单、双)、层、架、过渡型3铝的作用4类质同像5附加阴离子 6化学键7硅酸盐中的“水”，（OH）、H2O。

实例1岛硅酸盐,如锆石 Zr[SiO4]2环状,如绿柱石Be3Al2[Si6O18]3链状,如透辉石CaMg[Si2O6]－CaFe[Si2O6]；透闪石Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)24层状，如滑石Mg3[Si4O10](OH)2，图 ；白云母K{Al2[AlSiO3O10](OH)2}5架状，如正长石K[AlSi3O8]，图 ；斜长石Na[AlSi3O8]－Ca[Al2Si2O8]20 以纳米材料为主题，写一篇短文纳米科技研究的领域人类对自然界的认识，始于宏观物体又溯源于微观原子、分子，然而对纳米微粒却缺乏深入的研究人类认识客观世界，主要为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域在宏观领域和微观领域之间，存在着一片有待开拓介观领域，也称为中等尺度领域一些纳米科技涉及的并非纳米尺度、而是微米尺度上的结构，比纳米尺度大了1000倍或更多许多情况下，纳米科技是对纳米结构的基础研究，此类结构至少有一个维的尺度是1纳米到几百个纳米纳米科技可以定义为：在纳米尺度1～数百nm左右范围内，研究物质的特性和相互作用包括原子、分子操作，以及利用这些特性的、多学科交叉的科学和技术纳米材料：是指三维空间尺度上至少有一维处于纳米量级或由它们作为基本单元构成的材料。

纳米科技和纳米材料是具有下列几个关键特征的系统与材料：（1）必须至少有一个维具有从1nm到数百个nm左右的尺度2）设计过程必须体现微观的操作与控制能力，能够从根本上左右纳米尺寸的结构的物理性质与化学性质3）能够组合起来形成更大的结构4）这种纳米结构可能具有优异的电学、光学、磁学、机械、化学等性能，至少是在理论上具备这样的性能，但不能理解为越小就越好5）把原子和分子按设计方案一个一个地排布起来，而这种原子、分子排布出的纳米结构必须具有可利用范围内的化学稳定性纳米微粒、纳米固体和纳米结构材料的基本特性①小尺寸效应、②表面与界面效应、③量子尺寸效应和④宏观量子隧道效应纳米微粒、纳米固体和纳米结构材料等呈现出许多奇异的物理、化学性质纳米微粒表面物理修饰纳米微粒表面化学修饰11。