无机材料科学基础教案.docx

无机材料科学基础教案.docx

《无机材料科学基础教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机材料科学基础教案.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

无机材料科学基础教案

《无机材料科学基础》

绪论

1、材料的发展动向及本课程的重要地位；

2、本课程的特色及基本要求。

3、无机材料物理化学的科学内涵

4、无机材料物理化学的研究方法

5、参考文献

第一章结晶学基础

§1-1—§1-6内容在结晶学课程中讲授

§1-7晶体化学基本原理

一、结晶化学定律（Goldschmidt——哥希密特定律）

1、数量关系

2、大小关系

3、极化性能

二、决定晶体结构的基本因素

（一）原子半径和离子半径

（二）球体紧密堆积原理

1、等径球的最紧密堆积及其空隙

（1）六方最紧密堆积

1）六方最紧密堆积方式

2）六方最紧密堆积特点

（2）面心立方最紧密堆积

1）立方最紧密堆积方法

2）立方最紧密堆积特点

（a）最紧密堆积的堆积系数

（b）紧密堆积中的空隙类型与数目

2、不等径球的堆积

一、配位数与配位多面体

1、配位数（CN）

2、配位多面体

二、离子极化

三、电负性（X）

四、鲍林规则（L.Pauling）

（一）第一规则——配位多面体规则

1、第一规则的意义

2、配位数与临界半径比（极限半径比）

（二）第二规则——电价规则（最重要的规则）

1、电价规则的意义——可确定负离子的CN或电价

2、可分析晶体结构是否稳定并分析结构中配位多面体的连接方式

（三）第三规则—共顶、共面、共棱规则

（四）第四规则——岛式规则

（五）第五规则——节约规则

作业：

P371-10四面体键角109.28；

思考题：

P371-7；1-9；

第二章晶体结构与结构缺陷

§2-1典型结构类型

一、金刚石结构与石墨结构

（一）描述晶体结构的方法

1．点坐标法—描述结构基元的位置

2．投影法—也叫标高法。

3、球体紧密堆积法—反映质点的堆积特点和充填情况；

4．多面体的连接方式——对复杂的晶体结构，其质点数目多，用其他方法表示不易找出特点，而用此法则简单明了地描述其结构特点。

（二）金刚石结构

（三）石墨结构

金刚石是目前硬度最大的材料，石墨则是最软的材料。

性质差异的原因是结构上的差异。

二、NaCl型结构

NaCl从化学式上说是属于AX型化合物：

（一）NaCl型结构分析

NaC晶体的空间群：

Fm3m

F——表示布拉格点阵类型（面心立方）

m——表示对称面[在（001）面上有一对称面]；

3——对称轴[在（111）面上有一个三次轴；

m——表示倒转轴[在垂直于（110）方向有对称面）[

=m]

1、从堆积方式上分析

2、Na＋、Cl－在晶体中的位置分布规律

（二）具有NaCl型结构的物质有32种

氧化物：

MgO、CaO、SrO、BaO、MnO、FeO、CoO、NiO

氮化物：

TiN、LaN、TiC、ScN、CrN、ZrN

这些物质其晶系、堆积方式、正负离子配位数、点阵类型均相同，仅晶格常数不同。

三、闪锌矿型结构——（

）

1、立方型ZnS结构分析

2、具有闪锌矿结构的晶体——有27种

四、纤锌矿型结构——（

）

1、六方ZnS结构分析

2、具有六方ZnS结构的晶体——有23种如：

BeO、ZnO、AlN

五、萤石型（CaF2）结构

（一）萤石结构

1、萤石结构分析

2、结构特点

（1）内部空隙较大——1/2有立方体空隙是空的

（2）可看作是正离子作面心立方堆积，F-离子充填在四面体中；

3、晶体的特性

（1）该结构的晶体可作离子导电体即此结构有利于负离子扩散；因为内部存在较大的空隙（立方体空隙）

（2）沿（111）面有解理；在（111）面上Ca-Ca之间距最小，有斥力，易沿此面解理

4、具有萤石结构的晶体

（二）反萤石结构

1、反萤石结构

——保持萤石结构中的晶型和点阵类型不变，只是将正负离子的位置互换而构成的结构称之

2、具有反萤石结构的晶体

这类化合物的共同特性是：

熔点低——常作为助熔剂使用

六、金红石（TiO2）型结构

1、金红石结构分析

2、晶体的特性

七、碘化镉（CdI2）型结构

八、刚玉型结构（

-Al2O3）

1、结构分析

2、晶体特性

3、类似结构的晶体：

九、钙钛矿型（CaTiO3）结构

结构通式：

ABO3

A——低价离子（二价或一价）

B——高价离子（四价或五价）

1、钙钛矿型结构分析

2、晶体的特性

3、类似结构的晶体

十、尖晶石型结构（MgAl2O4）

通式：

AB2O4（正尖晶石）

其中：

A——低价（2+）

B——高价（3+）[总价=+8]

（一）MgAl2O4尖晶石结构分析

1、结构分析

2、正尖晶石结构的规律

3、晶体的特性

（二）反尖晶石结构

典型结构分析方法归纳：

A、负离子的堆积方法——由晶胞图可点阵类型来分析

B、正负离子的配位数——分别由第一、第二规则来分析

C、正离子充填情况——由化学式和第一规则直接判断

D、多面体之间的连接方式——由第二规则来分析

§2-2硅酸盐晶体结构

一、硅酸盐晶体的组成、结构特点与分类

（一）化学组成表示法

1、化学式——氧化物表示法

2、结构式——无机络盐的表示法

3、结构式的意义

（二）结构的共性规律

（三）结构分类

二、岛状结构

（一）硅酸盐晶体结构的分析方法

1、按O/Si比判断结构类型

2、分析附加阳离子的作用并由鲍林第一规则确定其配位数；

3、分析各多面体之间的连接方式（应用第二规则）

4、结合晶胞图或投影图，分析了解硅氧骨干在晶胞中的分布规律或特点；

（二）Mg2SiO4结构分析

三、组群状结构

（一）组群状结构的特点

1、由n个[SiO4]构成结构单元其n=2,3,4,6；O/S=3～3.5；

2、硅氧骨干之间不直接连接，由附加阳离子将其连成整体。

（二）绿宝石（绿柱石）结构

1、结构特点

2、具有类似结构的材料及其特性

四、链状结构

（一）特点与类型

1、特点

2、类型

A、单链——通式{SinO3n}O/Si=3；透辉石CaMg[Si2O6]

B、双链——由2条单链平行连结而成；通式——[SinO3n-1]O/Si=2.5～2.75

（二）透辉石晶体结构

1、O/Si=3n=2——单式2元链

2、链之间由CaMg相连接

3、Ca.Mg可由其他离子取代，

（三）晶体特性

A、附加正离子的电价——环状有二、三价；链状只有[2价]低价；

B、外加正离子大小——与CN及空隙大小有关，环状中空隙大。

五、层状结构

（一）层状结构的形成与特点

1、所有桥氧都在同一平面上，所有活性氧都指向相同方向。

2、结构通式

3、晶体是由[SiO4]与八面体层[附加阳离子充填层]沿C轴重叠堆积而成。

（二）高岭石结构

1、结构分析

（1）[Si2O5]是单网形[2层矿]

（2）附加阳离子Al的CN=6，

（3）属于二八面体矿物

2、矿物特性

3、类似结构的矿物

（三）蒙脱石结构

1、结构分析

2、矿物特性

3、类似矿物

（四）伊利石与白云母结构

1、伊利石结构

2、白云母结构KAl2[AlSi3O10]（OH）2

（五）分析层状结构归纳

1、矿物的层型（单网或复网

2、八面体形式（二八面体、三八面体）

3、层中离子的取代位置和程度（是发生在四面体内还是八面体内）

4、层间结合力（范氏力、氢键、离子键）

5、层间水的有无

六、架状结构

（一）形成与特点

（二）石英晶体结构

1、石英的主要晶型

2、

石英、

鳞石英、

方石英结构上的主要差异

（1）

石英晶体结构

（2）

鳞石英

（3）

方石英

（三）长石晶体结构

1、特点

2、长石晶体的特性

3、透长石的结构分析

§2-3晶体结构缺陷

一、点缺陷

（一）点缺陷的类型

1、点缺陷的存在形式

2、热缺陷

（1）弗仑克尔（Frenker）缺陷

（2）肖特基（Schttky）缺陷

3、杂质缺陷（组分缺陷）

4、非化学计量结构缺陷

（二）缺陷化学反应表示法

1、克罗格—明克符号

2、缺陷反应方程式的规则

3、缺陷反应式的写法举例

（三）缺陷浓度的计算

（四）点缺陷的化学平衡

1、弗仑克尔缺陷

2、肖特基缺陷

3、缺陷平衡浓度计算举例

二、固溶体

（一）固溶体的基本概念

（二）固溶体的分类

分类方法有二种：

1、按溶质原子在溶剂晶格中的位置分类

（1）置换式（取代式）

（2）间隙式

2、按溶质的溶解度分类

（1）连续固溶体

（2）有限固溶体（也叫不连续固溶体或部分互溶固溶体）

（三）连续置换型固溶体的形成条件

1、离子尺寸因素

2、晶体的结构类型

3、离子电价或总电价

4、电负性

（四）不等价置换固溶体中的缺陷形式

1、不等价取代固溶体中缺陷类型

2、固溶分子式的写法

（A）以基质（溶剂）的分子式为基准形式

（B）基质原子写在前，取代原子写在其后

（C）根据缺陷式的位置数取代情况，将取代后的原子分数（或小数）写在相应原子的右下角

（五）间隙型固溶体的影响因素

1、杂质原子半径大小

2、基质晶格间隙大小

3、不等价取代时，电价的平衡可由形成空位或复合阳离子置换来满足

三、非化学计量化合物

（一）非化学计量化合物特点

（1）由外界条件变化而引起的，缺陷浓度随氧分压而变化

（2）产生在变价元素的氧化物晶体中；（是同一元素不同价氧化物构成的固溶体）

（3）材料中往往存在自由电子和电子空穴，故材料有半导性

（二）非化学计量化合物类型

有正负离子空位、正负离了填隙共四类：

1、阴离子缺位型（TiO2-x、ZrO2-x）

2、阳离子填隙型（Zn1+xO）

3、阴离子填隙型（UO2+x）

4、阳离子缺位型（FeO1-x、CuO2-x）

（三）非化学计量化合物意义

四、固溶体的研究方法及意义

（一）研究内容

（二）固溶体类型判别

（三）研究固溶体的意义

五、线缺陷（位错）P73

（一）刃位错及其特点

1、刃位错的形成

2、刃位错的符号

3、刃位错的特点

（二）螺位错及其特点

作业P752-1、6、7、8、9、11、12

第三章熔体与玻璃体

本章主要讨论硅酸盐熔体和玻璃体的结构、性质、产生原因与形成条件及其影响因素等。

熔体——物质在高温时以液体存在的一种状态；

玻璃体——由熔体过冷却而形成的非晶态固体。

§3-1熔体结构的聚合物理论

一、关于熔体结构的聚合物理论要点

随着研究手段和测试技术的进步，对熔体结构的认识已逐渐形成。

由许多实验结果表明，熔体的结构与玻璃结构十分相近，其共同特点是：

近程有序——从局长小范围看质点排列有规则；

远程无序——从整体结构上看内部质点排列是无序的；

二、聚合程度与温度、组成的关系

——熔体的聚合程度取决于温度和组成。

（一）温度的影响（组成不变时）

（二）组成的影响（温度不变时）

§3-2熔体的性质

一、粘度

（一）粘度的定义及表达式

1、粘度的定义

2、粘度的理论解释（略讲）

（1）绝对速度理论

（2）自由体积理论

（3）过剩熵理论

（二）影响粘度的因素

1、温度

2、组成

（1）

的作用

（2）

的作用

（3）

的作用

二、表面张力-表面能

（一）表面张力与比表面能

（二）影响因素

1、组成的影响

2、温度的影响

§3-3玻璃的通性

通性——指无论其化学组成如何，只要是玻璃都具有的宏观共性。

一、各向同性

二、介稳性

三、熔融态向玻璃转化的可逆性与渐变性

四、熔融态向玻璃态转化时理化性质随温度变化的连续性

§3-4玻璃的形成

主要介绍玻璃形成时的动力学条件和结晶化学条件。

教学主要围绕以下内容：

玻璃是怎样形成的？

——形成方法

什么样的条件才能形成玻璃？

——动力学条件

什么样的物质易形成玻璃？

——结晶化学条件

——主要是探讨玻璃形成的内在规律与外部条件；

一、形成方法（略讲）

玻璃的形成方法较多，大体上可从传统玻璃、与特种玻璃两方法来介绍

1、传统玻璃

2、特种玻璃

二、玻璃形成的热力学条件

三、玻璃形成的动力学条件（略讲，在相变一章中详细讲解）

（一）临界冷却速率

1、临界冷却速率

2、转变的体积分数与时间、温度的关系

3、三T图的意义

（二）影响临界冷却速率的因素

临界冷却速率是随熔体组成而变化的，组成对临界冷却速率的决定作用可具体表现为：

1、高温粘度

2、

比值

四、玻璃形成的结晶化学条件

主要是从物质内部的化学键特性、质点的排列状况等本质原因上来寻求解释

（一）键强（单键能）

键强（P）也叫单键能——由化合物的分解能除以正离子配位数

1、玻璃网络形成体P＞335KJ/mol

2、网络改（变）性体P＜250KJ/mol

3、网络中间体P=250~330KJ/mol

（二）键型

§3-5玻璃的结构

一、晶子假说

（一）实验发现

1、折射率在573℃有突变

2、X-射线（XRD）衍射分析表明钠硅玻璃的衍射峰与偏硅酸钠晶体的相一致

3、红外光谱分析表明玻璃与晶体的吸收波的极大值相一致

（二）理论要点

（三）存在问题

二、无规则网络假说

（一）理论要点

（二）实验支持

1、XRD小角度衍射结果表明：

径向分布函数曲线进一步说明玻璃中的有序程度仅为10~12Å左右；与晶胞大小相近。

2、径向分布函数图的意义

3、玻璃的径向分布函数图分析：

（三）对玻璃性质的解释

（四）两假说的异同

§3-6常见玻璃类型

一、硅酸盐玻璃

（一）石英玻璃

1、石英玻璃的结构

2、特性

（二）硅酸盐玻璃

1、结构描述

2、玻璃的性质

（三）网络结构参数

1、网络参数及意义

2、Y值的计算示例

3、Y值与玻璃性能的关系

二、硼酸盐玻璃

（一）硼酸盐玻璃的结构

（二）硼反常现象

作业：

P104~105：

——3—1、2、3、4、5、6、8、11、12

第四章表面与界面

§4-1固体的表面

一、固体表面的特征

（一）固体表面的不均一性

（二）固体表面力场

1、范德华力（短程力）

（1）定向作用力

（2）诱导作用力

（3）色散力（分散作用力）

2、长程力

二、晶体表面结构

（一）离子晶体的表面结构

1、离子晶体表面双电层结构

2、表面双电层与离子极化性能及

的关系

（二）玻璃体表面结构

（三）晶体表面的几何结构

三、固体的表面能

1、表面能理论式的推导

2、共价键晶体的表面能计算示例

3、离子晶体的表面能计算示例

§4-2界面行为

一、弯曲表面效应

（一）曲面压差

（二）曲面上的蒸气压

（三）微小晶粒的溶解度及熔点

二、润湿与粘附

（一）接触角与润湿作用

（二）润湿的三种类型

1、铺展润湿

2、附着润湿（也叫粘附润湿）

3、浸渍润湿

（三）影响润湿的因素

三、吸附与表面改性

（一）吸附与表面改性定义

（二）表面改性在硅酸盐工业中应用的实例

1、改善成型性能

（1）Al2O3瓷

（2）CaTiO3电容器陶瓷

2、减水作用

3、提高球磨效率

（三）润湿与相分布

1、固-固-气接触系统

2、固-固-液接触系统

§4-3晶界（略讲）

§4-4粘土-水系统胶体化学

一、粘土的荷电性

1、负电荷——主要来自两个方面

2、两性电荷——断键引起

3、净电荷

二、粘土的离子吸附与交换性

（一）粘土阳离子吸附与交换的特点

1、粘土阳离子吸附与交换现象

2、粘土阳离子吸附与交换特点

3、交换条件

（二）粘土阳离子交换容量及影响因素

1、交换容量的意义（

2、影响交换容量的因素

（三）粘土阳离子交换序

三、粘土胶体的动电性质

（一）粘土与水的作用

1、作用原因

2、粘土胶团中水的存在形式

3、结合水量及其影响因素

（二）粘土胶体的电动电位——ζ电位

1、粘土胶团与ζ电位

2、影响ζ电位的因素

3、ζ电位与泥浆性能的关系

四、粘土-水系统的胶体化学性质

（一）流变学基础——流变曲线的类型（略讲）

下面根据流动曲线，介绍流动类型、流动方程及其特点：

流体的流动分为以下几类：

1、牛顿型流动

2、宾汉型流动

3、塑流型

4、假塑性流动——也叫剪切稀释型

5、胀流型——也叫剪切稠化型

（二）泥浆的流动性与稳定性

1、流动性、稳定性

2、稀释现象及机理

3、稀释条件

4、稀释效果与注浆性能

（三）泥浆的触变性

1、触变性

2、触变结构

3、影响触变性的因素

（1）泥浆含水量

（2）矿物的组成

（3）颗粒大小与形状

（4）电解质种类与加入量

（5）温度

（四）粘土的可塑性

1、应力-应变曲线

2、可塑泥料中引力-斥力分析

3、影响可塑性的因素

4、调整改善可塑性的方法

五、瘠性料的悬浮与塑化

（一）瘠性料的悬浮

1、控制料浆的PH值

2、PH值与

和

-电位的关系

3、Al2O3胶团结构及形成

（二）有机添加剂对瘠性料的作用

1、悬浮作用

2、聚沉作用

3、塑化作用

作业：

P139—4—1、2、3、4、5、7、9、10

第六章相平衡

§6-1硅酸盐系统相平衡特点

一、热力学平衡态与非平衡态

（一）平衡态的特征与条件

（二）硅酸盐系统的特点

（三）相图的指导意义

二、硅酸盐系统中的组分、相及相律

1、相律

2、自由度数

3、相

4、凝聚系统的相律

§6-2单元系统

一、水型物质与硫型物质

（一）单元相图回顾

（二）水型物质与硫型物质相图特征

二、具有多晶转变的单元相图

相区、界线、点代表的意义

1、相区

2、界线

3、点

三、SiO2系统

（一）相图简介

1、各点、线、面的含义

2、晶型转变点

（二）SiO2多晶转变特点

（三）多晶转变对生产的影响

1、各种转变产生的体积效应

2、体积效应对生产的影响

（四）SiO2相图应用

四、ZrO2系统

§6-3二元系统

一、基本类型简介

（一）最简单二元相图

1、相图特征

2、各点线面的含义

3、析晶路程分析

4、杠杆规则及应用

（二）生成化合物的二元相图

1、生成一个一致熔化合物的二元相图

2、生成一个不一致熔化合物的二元相图

3、生成一个固态分解化合物的二元相图

（三）具有多晶转变的二元相图

（四）生成固溶体的二元相图

1、形成连续固溶体的二元相图

2、形成有限固溶体的二元相图

（五）形成二液分层的相图

1、相图特征：

2、析晶路程：

二、实际二元相图举例

（一）分析二元相图的一般方法

（二）Al2O3-SiO2相图

1、相图特征

2、相图应用

（三）MgO-SiO2相图

1、相图介绍

2、相图应用

三、凝聚系统相图测定方法

作业：

P2246—2、3、5、6、7、8、9

§6-4三元系统

一、三元相图概述

（一）组成表示法

1、浓度三角形

2、读取方法

（二）浓度三角形中组成变化的规则

1、等含量规则

2、定比例规则

3、背向性规则

（三）杠杆规则

（四）重心原理

1、重心位规则

2、交叉位规则

3、共轭位规则

（五）最简单三元系统立体图与投影图

1、立体图

2、平面投影图

3、温度表示法

4、析晶路程分析

（1）在初晶区内的析晶

（2）在界线上的析晶

（3）在三元无变点上的析晶

（4）各相量的计算

二、三元相图的基本类型

（一）生成一个一致熔二元化合物的三元相图

1、相图特征

2、相图分析

（二）生成一个不一致熔二元化合物的三元相图

1、相图特征

2、分析三元相图的几个重要规则

（1）连线规则

（2）切线规则

（3）重心原理

（4）三角形规则

（5）划分副三角形的原则与方法

3、析晶路程分析

4、熔融（加热）过程分析

（三）生成一个固态分解的二元化合物的三元相图

1、相图特征

2、过渡点（R）的特性

生成一个一致熔三元化合物三元相图

1、相图特征

2、相图分析

（四）生成一个不一致熔三元化合物的三元相图

1、具有双升点（单转熔点）的类型

2、具有双降点（双转熔点）的类型

作业：

P2266—1、10、11、12、13

（五）其他类型简介

1、具有多晶转变的相图

2、形成一个二元连续固溶体的相图

（1）相图特点

（2）析晶路程分析示例

3、具有液相分层的相图

分析三元相图方法与步骤归纳

1、怎样判读三元相图

2、析晶路程的方法归纳

3、分析熔融路程的方法

三、三元实际相图举例

（一）K2O-Al2O3-SiO2相图

1、相图介绍

2、相图应用举例

（二）MgO-Al2O3-SiO2相图

1、相图介绍

2、相图应用

（三）Na2O-CaO-SiO2相图

1、相图介绍

2、相图应用举例

作业：

P226~2276—18、

第七章扩散与固相反应

§7-1晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程

一、扩散的基本概念与特点

1、何谓扩散

2、固体中扩散的特点

二、扩散动力学方程——宏观规律

（一）菲克第一定律（Fick）

1、公式推导

2、各向异性体的扩散方程

3、适用条件

（二）菲克第二定律

（三）扩散的布朗运动理论

1、无序扩散——即无规则行走（布朗运动）

2、无序扩散系数

三、扩散动力学方程的应用举例

（一）稳定扩散举例

（二）不稳定扩散举例

1、短时解

2、长时解

§7-2扩散过程的推动力、微观机构与扩散系数

一、扩散的热力学解释

（一）扩散的推动力

（二）自扩散系数与互扩散系数

1、自扩散系数

2、互扩散系数

二、微观机构与扩散系数

（一）固体中扩散的方式

1、空位扩散

2、间隙扩散

3、推填式扩散（亚间隙式）

4、易位扩散

5、环形换位扩散

（二）扩散系数的理论公式

（三）本征扩散与非本征扩散

1、本征扩散与非本征扩散

2、各自的特点

三、非化学计量化合物中的扩散

1、正离子空位扩散型

2、氧离子空位扩散型

§7-3影响扩散的因素

一、扩散介质的组成、键性与结构

（一）晶体组成的影响

（二）键强与键性

（三）晶体结构

1、扩散介质的结构紧密程度

2、表面及晶界的影响

二、扩散物的本性

1、半径的影响（电价相同时）

2、电价的影响

三、温度与杂质的影响

1、温度的作用

2、杂质的影响

作业：

P254~255：

7—1、2、3、5、6

§7-4固相反应及其动力学特征

一、固相反应及其特点

（一）固相反应的定义

（二）固相反应的特点

二、固相反应的分类

（一）按反应物的聚集状态分类

（二）按反应的性质分类

（三）按反应控制机理分类

§7-5固相反应动力学方程

一、一般动力学关系

（一）固相反应速率表达式

（二）固相反应控制过程的确定

二、化学反应控制的动力学方程

三、扩散控制的动力学方程

（一）杨德尔方程

1、平板模型——抛物线方程

2、杨德尔方程（Jander）

（二）金斯特林格方程

1、推导条件：

2、金氏方程与杨氏方程的比较

（三）卡特方程（1960年提出）（略讲）

§7-6影响固相反应的因素

一、反应物的化学组成与结构

1、活性与热处理条件

2、