武汉理工大学材科名词解释和材料科学基础基本概念

1、1 材料引言玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。水泥水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂，石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580摄氏度的无机非金属材料。硅质耐火材料，镁质耐火材料，熔铸耐火材料，轻质耐火材料，不定形耐火材料。高聚物高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。胶粘剂胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。合金合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素形成的具有金属特性的新物质固溶体当合金的晶体结构保持溶质组元的晶体结构时，这种合金成为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体。电子化合物电子化合物是指具有一定（或近似一定）的电子浓度值，且结构相同或密切相关的相。间隙化合物间隙化合物（或间隙相）是由原子半径较大的过渡金属元素（Fe,Cr,Mn,Mo,W,V等）和原子半径较小的非（准）金属元素（H,B,C,N,Si,等）形成的金属间化合物。传统无机非金属材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成

2、分制成的材料，包括陶瓷，玻璃，水泥和耐火材料等。新型无机非金属材料是用氧化物，氮化物，碳化物，硼化物，硫化物，硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。2 晶体结构晶体晶体是离子，原子或分子按一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性，因而，晶体具有规则的外形。晶胞晶胞是从晶体结构中取出来的反应晶体周期性和对称性的重复单元。晶体结构晶体结构是指晶体中原子或分子的排列情况，由空间点阵+结构基元而构成，晶体结构的形式是无限多的。空间点阵空间点阵是把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。晶面可将晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的节点平面，这样的结点平面成为晶面。晶面指数结晶学中经常用（h k l）来表示一组平行晶面，成为晶面指数。晶面族在对称性高的晶体（如立方晶系）中，往往有并不平行的两组以上的晶面，它们的原子排列状况是相同的，这些晶面构成一个晶面族。晶向族晶体中原子排列周期相同的所有晶向为一个晶向族，用u v w表示。晶带或晶带面在结晶学中，把同时平行某一晶向u v w的所有晶面成为一个晶

3、带（Zone）或晶带面Plane of a Zone，该晶向u v w成为这个晶带的晶带轴（Zone Axis），一个晶带中任一晶面（h k l）与其晶带轴u v w之间的关系满足晶带轴定理：hu+kv+lw=0离子键离子键是正，负离子依靠静电库仑力而产生的键合。共价键共价键是原子之间通过共用电子对或通过电子云重叠而产生的键合。金属键金属键是失去最外层电子（价电子）的原子实和自由电子组成的电子云之间的静电库仑力而产生的键合。范德华键（分子键）范德华键（分子键）是通过“分子力”而产生的键合。氢键氢键是指氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（O,F,N等）相结合所形成的键。晶体的结合能晶体的结合能Eb定义为：组成晶体的N个原子处于“自由”状态时的总能量EN与晶体处于稳定状态时的总能量E0的差值，即Eb=EN-E0晶格能对于离子晶体而言，其晶格能EL定义为：1mol离子晶体中的正负离子，由相互远离的气态结合成离子晶体时所释放出的能量。空间利用率（原子堆积系数）晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。孤立态原子半径从原子核中心到核外电子的几率分布趋向于零的位置间的距离。这个半径亦称为范德华半

4、径。金属原子半径相邻两原子面间距离的一半。如果是离子晶体，则定义正，负离子半径之和等于相邻两原子面间的距离。配位数一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目成为原子或离子的配位数，用CN来表示。离子极化在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场，必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥作用，使之发生变形，这种现象称为极化。哥希密特化学定律晶体结构取决于其组成基元（原子，离子或离子团）的数量关系，大小关系及极化性能。同质多晶这种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，成为同质多晶。由此所产生的每一种化学组成相同但结构不同的晶体，成为变体。类质同晶化学组成相似或相近的物质，在相同的热流条件下，形成的晶体具有相同的结构，这种现象称为类质同晶现象。位移性转变仅仅是结构畸变，转变前后结构差异小，转变时并不打开任何键或改变最邻近的配位数，只是原子的位置发生少许位移，使次级配位有所改变。重建性转变不能简单地通过原子位移来实现，转变前后结构差异大，必须破坏原子间的键，形成一个具有新键的结构。Hume-Rothery规则如果某非金属元素的原子能以单键与其他原子共价结合形

5、成单质晶体，则每个原子周围共价单键的数目为8减去元素所在周期表的族数（m），即共价单键数目为（8-m）。这个规则亦称为（8-m）规则。解理晶体沿某个晶面劈裂的现象称为解理。热释电性热释电性是指某些像六方ZnS型的晶体，由于加热使整个晶体温度变化，结果在与该晶体c轴垂直方向的一端出现正电荷，在相反的一端出现负电荷的性质。晶体的热释电性与晶体内部的自发极化有关。声电效应通过半导体进行声电相互转换得现象称为声电效应。反萤石结构碱金属元素的氧化物R2O、硫化物R2S、硒化物R2Se、碲化物R2Te等A2X型化合物为反萤石结构，它们的正负离子位置刚好与萤石结构中的相反，即碱金属离子占据F-离子的位置，O2-或其他离子占据Ca2+的位置。这种正负离子位置颠倒的结构，叫做反同形体。电光效应电光效应是指对晶体施加电场时，晶体的折射率发生变化的效应。铁电晶体铁电晶体是指具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。声光效应声光效应是指光波被声光介质中的超声波所衍射或散射的现象。正尖晶石和反尖晶石在尖晶石结构中，如果A离子占据四面体空隙，B离子占据占据八面体空隙，则称为正尖晶石。反之，如果半数的B离子占

6、据四面体空隙，A离子和另外半数的B离子占据八面体空隙，则称为反尖晶石。正尖晶石（A）B2O4 反尖晶石（B）ABO4同晶取代SiO4四面体中心的Si4+离子可部分地被Al3+所取代，取代后的结构本身并不发生大的变化，即所谓的同晶取代，但晶体的性质却可以发生很大的变化。压电效应某些晶体在机械力作用下发生变形，使晶体内正负电荷中心相对位移而极化，致使晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成比例。这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应。反之，如果具有压电效应的晶体置于外电场中，电场使晶体内部正负电荷中心位移，导致晶体产生形变。这种由“电”产生“机械形变”的现象称为逆压电效应。高分子高分子是指其分子主链上的原子都直接以共价键连接，且链上的成键原子都共享成键电子的化合物。3 晶体结构缺陷晶体结构缺陷通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变成为晶体的结构缺陷。点缺陷点缺陷亦称为零维缺陷，缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。点缺陷包括空位、间隙质点、杂志质心和色心等。线缺陷线缺陷也称为一维缺陷，是指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，

7、即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错。面缺陷面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三位方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。体缺陷体缺陷亦称为三维缺陷，是指在局部的三维空间偏离理想晶体的周期性、规则性排列而产生的缺陷。如第二相粒子团、空位团等。热缺陷热缺陷称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位和（或）间隙质点（原子或离子）。热缺陷包括弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷。弗伦克尔缺陷是质点离开正常格点后进入到晶格间隙位置，其特征是空位和间隙质点成对出现。肖特基缺陷是质点由表面位置迁移到新表面位置，在晶体表面形成新的一层，同时在晶体内部留下空位，其特征是正负离子空位成比例出现。滑移在外力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面的一定晶向发生平移，使晶面上的原子从一个平衡位置平移到另一个平衡位置，此过程称为滑移。滑移系统一个滑移面和该面上的一个确定的滑移方向，构成一个一个滑移系统，以（h k l）u v w来表示。孪生晶体塑性形变的另一种机制是孪生，即在外力作用下，晶体的一部分相

8、对于另一部分，沿着一定的晶面和晶向发生切变，切变之后，两部分晶体的位向以切变面为镜面成对称关系。发生切变的晶面和方向分别叫孪晶面和孪生方向。变形后发生切变的部分和与其呈晶面对称的部分构成孪晶，其界面是共格晶面。位错滑移位错滑移是指在外力作用下，位错线在其滑移面（即位错线和伯氏矢量b构成的晶面）上的运动，结果导致晶体永久变形。位错攀移位错攀移是指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。位错的线张力线张力是一种组态力，定义为使位错线增加单位长度所需要的能量，所以线张力在数值上等于单位长度位错线的应变能，即T=W=Gb2。固溶体将外来组元引入晶体结构，占据基质晶体质点位置或间隙位置的一部分，仍保持一个晶相，这种晶体成为固溶体。置换式固溶体亦称替代固溶体，其溶质原子位于点阵结点上，替代（置换）了部分溶剂原子。间隙式固溶体亦称间隙型固溶体，其溶质原子位于点阵的间隙中。非化学计量缺陷按照化学中定比定律，化合物中的不同原子的数量要保持固定的比例，但在实际的化合物中，有一些化合物并不符合定比定律，其中负离子与正离子的比例并不是固定的比例关系，这

9、些化合物称为非化学计量化合物。这是在化学组成上偏离化学计量而产生的一种缺陷。色心色心是由于电子补偿而引起的一种缺陷。一些电子体受到X射线、射线、中子或电子辐照，往往会产生颜色。4 非晶态结构与性质熔体，玻璃体熔体或液体是介于气体和固体（晶体）之间的一种物质状态。熔体特指加热到较高温度才能液化的物质的液体，即较高熔点物质的液体。熔体快速冷却则变成玻璃体。缩聚由分化过程产生的低聚合物不是一成不变的，它可以相互发生作用，形成级次较高的聚合物，同时释放出部分Na2O。这过程成为缩聚。硼反常现象这种由于B3+离子配位数变化引起性能曲线上出现转折的现象，称为硼反反常现象。混合碱效应熔体中同时引入一种以上的R2O或RO时，粘度比等量的一种R2O或RO高，称为“混合碱效应”，这可能和离子的半径、配位等结晶化学条件不同而相互制约有关。单键强度通过测定各种化合物（MOx）的离解能（MOx离解为气态原子时所需要的总能量），将这个能量除以该种化合物正离子M的氧配位数，可得出MO单键强度（单位是kJ/mol）。晶子学说玻璃结构是一种不连续的原子集合体，即无数“晶子”分散在无定形介质中；“晶子”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固体等微观多相体，与该玻璃物系

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