武汉理工材料科学基础考研大纲综述.docx
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武汉理工材料科学基础考研大纲综述
材料科学基础大
第二章晶体结构1
2.1结晶学基础1
2.2结合力与结合能1
2.3堆积（记忆常识）1
2.4单质晶体结构（了解）2
2.5无机化合物结构（重点每年必考）2
2.6硅酸盐晶体结构3
第三章晶体结构缺陷5
3.1结构缺陷类型5
3.2点缺陷5
3.5固溶体6
3.6非化学计量化学物7
第四章非晶态结构与性质8
4.2熔体的性质8
4.3玻璃的形成8
第五章表面结构与性质9
5.1固体表面及其结构9
5.3润湿与黏附10
第六章相图（必考）12
第七章扩散13
7.1菲克定律（重点）13
7.5多元系统的扩散13
7.6影响扩散的因素14
第八章相变14
8.1相变概述14
8.2成核生长相变15
第九章固态反应17
9.1概论17
9.3反应动力学17
9.5影响因素19
第十章烧结20
10.1概述20
10.2烧结过程及机理20
10.4再结晶和晶粒长大20
10.7影响因素21
第十一章腐蚀21
第十二章疲劳与断裂22
第二章晶体结构
2.1结晶学基础
1、概念：
晶体：
晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体
是具有格子构造的固体。
晶胞：
晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的最小重复单元。
晶胞参数：
胞的形状和大小可以用6个参数来表示，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。
七大晶系：
布拉菲（Bravais）依据晶胞参数之间关系的不同，把所有晶体划归为7类，即7个晶系。
晶面指数：
结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。
数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。
晶面族：
晶体结构中原子排列状况相同但不平行的两组以上的晶面，构成一个晶面族。
晶向指数：
用［uvw］来表示。
其中u、V、w三个数字是晶向矢量在参考坐标系X、丫、Z轴上的矢量分量经等比例化简而得出。
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〈uvw〉
表示。
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：
1摩尔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。
离子键（%）=1-expj犏犏—（XA-XB）
式中xA、xB分别为A、B元素的电负性值。
2.3堆积（记忆常识）
1、最紧密堆积原理：
晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。
球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。
此即球体最紧密堆积原理。
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
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。
配位数：
一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目为原子（或离子）的配位数，用CN来表示。
极化。
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。
影
响：
极化会导致离子间距离缩短，离子配位数降低，同时使变形的电子云相互重叠，使键性由离子键向共价键过渡，最终使晶体结构类型发生变化。
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NaCI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。
【NaCI6】或【CINa6】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）
•>0.阻离子55
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CaTi03结构（每年必考）：
Ca离子占据八个顶点，0占据六个面的面心，Ti
离子位于体心。
Ca和0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：
Ca12,Ti6,06,0电价饱和。
理想情况下半径关系rA+r0—.2（rB+r0）（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：
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。
BaTi03具有铁电效应而CaTi03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0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
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）
（1）构成硅酸盐晶体的基本结构单元［SiO4］四面体。
Si-0-Si键是一条夹角不等的折线，一般在145。
左右。
（2）［Si04］四面体的每个顶点，即02-离子最多只能为两个［Si04］四面体所共用。
（3）两个相邻的［Si04］四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。
（4）［Si04］四面体中心的Si4+离子可部分地被AI3+所取代。
硅酸盐晶体分类：
根据硅氧比分类（58页表2.13）
结构类
型
[SiO4]4-共
用02-数
形状
络阴离子
Si/0
实例
岛状
0
四面体
[SiO4]4-
1：
4
镁橄榄石Mg2［SiO4］
镁铝石榴石AjMgsISdb
组群状
1
双四面体
[Si2O7]6-
2：
7
硅钙石Csb[Si2O7]
2
三节环
[Si30o]6-
1：
3
蓝锥矿BaTi[Si3O9]
四节环
[Si4O12]8
1：
3
斧石
Ca2Al2（Fe,Mn）B03【Si4O12】（OH）
六节环
[Si6O18]12-
1：
3
绿宝石Be3Al2[Si6O18]
链状
2
单链
4-
[Si2O6]
1：
3
透辉石CaMg[Si2O6]
2，3
双链
[Si40n]6
4：
11
透闪石CstMg5[Si4O11]2（OH）2
层状
3
平面层
[Si4O10]4
4：
10
滑石Mg3[Si401o]（0H）2
架状
4
骨架
[SiO2]0
1：
2
石英Si02
[AlSi3O8]1-
钾长石K[AlSi3O8]
仁
[AlSiO4]1
方钠石Na[AlSiO4]4/3H20
岛状结构：
镁橄榄石（结构，结构与性质的关系）
镁橄榄石结构中，02-离子近似于六方最紧密堆积排列，Si4+离子填于四面体空隙的1/8；Mg2离子填于八面体空隙的1/2。
每个［Si04］四面体被［Mg06］八面体所隔开，呈孤岛状分布。
结构与性质的关系：
结构中每个02-离子同时和1个［Si04］和3个［Mg06］相连接，因此，02-的电价是饱和的，晶体结构稳定。
由于Mg-0键和Si-0键都
比较强，所以，镁橄榄石表现出较高的硬度，熔点达到1890C，是镁质耐火材
料的主要矿物。
同时，由于结构中各个方向上键力分布比较均匀，所以，橄榄石结构没有明显的解理，破碎后呈现粒状。
组群状：
桥氧：
有限四面体群中连接两个Si4+离子的氧称为桥氧
绿宝石结构:
绿宝石的基本结构单元是由6个［Si04］四面体组成的六节环，六节环中的1个Si4+和2个02-处在同一高度，环与环相叠起来。
图中粗黑线的六节环在上面，标高为100，细黑线的六节环在下面，标高为50。
上下两层环错开
30o投影方向并不重叠。
环与环之间通过Be2+和Al3+离子连接。
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。
）
Frenkel缺陷
Schottky缺陷
3.2点缺陷
（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
点缺陷的符号表征：
Kroger-Vink符号,空位（vacancy）用V来表示，间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi来表示，错位原子
错位原子用MXXM等表示,自由电子（electron）与电子空穴（hole）分别用e，和h•来表示
基本规律：
低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了保持电
中性，会产生负离子空位或间隙正离子。
高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷，为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。
缺陷反应方程式的一般式：
杂质揪揪揪？
产生的各种缺陷
当晶体中剩余空隙比较小，女口NaCI型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩
余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生弗仑克尔缺陷热缺陷浓度的计算：
热力学方法，
化学平衡方法
3.5固溶体
固溶体：
将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部
分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体。
分类：
根据位置分为置置换型固溶体，间隙型固溶体
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）
1、原子或离子尺寸的影响HumeRothery经验规则
2、晶体结构类型的影响
3、离子类型和键性
4、电价因素
形成间隙型固溶体的条件
1杂质质点大小。
即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。
2晶体（基质）结构。
离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。
一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。
3电价因素。
外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。
为什么间隙固溶体不能是连续固溶体（149页最下面）？
形成间隙式固溶体时，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使固溶体变成不稳定而离解，所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。
会写方程式
理论密度计算，化学式的确定
1、理论密度计算
n
据此，计算出晶胞质量W:
W=?
Wi
i=1
2.固溶体化学式的写法
以CaQ加入到ZrQ中为例，以1mol为基准，掺入畑oK阳6形成置换式固溶体：
CaO玄〜Cd；+0。
+巧空位模型
XXX
则化学式为：
C祗ZjQx
形成间隙式固溶体；
2CaO勿―ca*+20。
+C<4间隙模型
2yyy
则化学式为：
c%z*c）2
X.y为待定参数，可根据实际掺入量确定。
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：
粘度是流体（液体或气体）抵抗流动的量度。
F=nSdv/dx
物理意义：
指单位接触面积、单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。
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）熔体表面的质点受到内部质点的吸引力比表面层空气介质
的引力大，因此表面层质点有趋向于熔体内部并使表面积有尽量收缩的趋势，结果就在表面切线方向上有一种缩小表面的力作用着，这个力即表面张力。
（T（物理意义）作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位N/m.
表面能：
将熔体与另一相接触的相界面上（一般另一相指空气），在恒温、恒压条件下增加一个单位表面积时所做的功，称为比表面能，简称表面能，单位为J/m2.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：
一般说O/Si愈小，熔体中复合阴离子团愈大，e/r值变小，间作用力愈小，因此这些复合阴离子团就部分地被排挤到熔体表面层，使表面张力降低。
加入碱金属氧化物，由于一价金属阳离子以断网为主，它的加入能使复合阴离子团离解，由于复合阳离子团的r减
小使e/r的值增大，相互间作用力增加，表面张力增大。
分别加入等量的碱金属氧化物，表面张力改变规律如下：
（TL12O•SiO2>c
Na20•SiO2>cK2O•SiO2>cCs2O•SiO2
4.3玻璃的形成
热力学条件：
玻璃太与晶态的厶G相差越小越容易形成玻璃动力学条件：
成核一生长速度相差越大，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
璃网络形成体（其中正离子为网络形成离子），其单键强度＞335kJ/mol。
这类氧化物能单独形成玻璃。
网络改变体（正离子称为网络改变离子），其单键强度＜250kJ/mol。
这类氧化物不能形成玻璃。
但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。
网络中间体（正离子称为网络中间离子），其单键强度介于250〜335kJ/mol。
这类氧化物的作用介于玻璃形成体和网络改变体两者之间。
单键强
度越高，熔点越低的氧化物越易于形成玻璃。
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：
由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。
图4.1.3弛豫表面示意图
举例（NaCI单晶）
重构：
重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层
间距则与体内相同。
图4.1.5重构表面示意图
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）与液体相比：
1）固体的表面自由能中包含了弹性能。
表面张力在数值上不等于表面自由能；
2）固体的表面张力是各向异性的。
3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。
4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
表面力场：
体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。
依性质不同，表面力可分为：
1）
化学力2）分子引力
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5.6）
5.3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5.365.375.385.395.40
沾湿：
DG=gsL-gsV-gLV
=gsv
-gLV-
'gSL=-DG
浸湿：
DG:
=gsL
-gSV
W=
-DG
=gsv
-gSL
铺展：
DG:
=gsL
+glv-
gSV
2、接触角与YOUN方程
YOUN方程的推导，
gSV-gSL
gsv=gsL+gLVcosq或cosq=——-
gLV
三种行为的接触角判据：
沾湿：
％=-DG=gLV（1+cosq）常0,q180°,叫？
0
浸湿：
^=-DG=gLVcosq常0,q90°，W?
0
铺展：
S=-DG=glv（cosq-1）其中，0=0或不存在，S
>0。
3、表面粗糙度的影响：
n二空钊
cosq
（1）0v90°时，0nv0,即在润湿的前提下，表面粗糙化后0n变小，更易为液体所润湿。
（2）0>90°时，0n>0,即在不润湿的前提下，表面粗糙化后0n变大，更不易为液体所润湿。
大多数有机液体在抛光的金属表面上的接触角小于90°，因而在粗糙金属表面上的表观接触角更小。
纯水在光滑石蜡表面上接触角在105°~110°之间，但在粗糙的石蜡表面上，实验发现0n可高达140。
。
4、黏附及其化学条件
黏附（概念）：
固体表面的剩余力场不仅可与气体分子及溶液中的质点相互作用发生吸附，还可与其紧密接触的固体或液体的质点相互吸引而发生粘附
良好的黏附的表面化学条件：
1）被粘附体的临界表面张力丫C要大或使润湿张力F增加，以保证良好润湿。
2）粘附功要大，以保证牢固粘附。
3）粘附面的界面张力丫SL要小，以保证粘附界面的热力学稳定。
4）粘附剂与被粘附体间相溶性要好，以保证粘附界面的良好键合和保持强度。
为此润湿热要低。
另外，粘附性能还与以下因素有关：
1）粘附与固体表面的清洁度有关。
如若固体表面吸附有气体（或蒸气）而形成吸附膜，那么会明显减弱甚至完全破坏粘附性能。
因此，用焊锡焊东西时，要清洁表面，除去吸附膜，结合强度提高。
2）粘附与固体的分散度有关。
一般说，固体细小时，粘附效应比较明显，提高固体的分散度，可以扩大接触面积，从而可增加粘附强度。
通常粉体具有很大的粘附能力，这也是硅酸盐工业生产中一般使用粉体原料的一个原因。
3）粘附强度与外力作用下固体的变形程度有关。
如果固体较软或在一定的外力下易于变形，就会引起接触面积的增加，从而提高粘附强度。
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
314315页过渡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）
f
原始状态
经扩谥后匕
j*--___5
距离工—
微观表达式:
J1=-G（C1-C2）d=--（C2-C1）d=--Gd2dC=-DdC其中D=-Gd2
666dxdx6
稳态扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化，即虫=0
dt
非稳态扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。
扩散通量与位置有关。
第一第二定律的内在联系（最后一句话）：
菲克第一第二定律本质上是一个定律,均表明扩散的结总是使不均匀体系均匀化，由非平衡逐渐达到平衡。
7.5多元系统的扩散
克肯达耳效应7.5.2（重点）
由于多元系统中各组元扩散速率不同而引起的扩散偶原始界面向扩散速率快的一侧移动的现象称为克肯达尔效应（Kirkendalleffect）。
这种现象在合金系统及一些氧化物系统普遍存在。
在扩散过程中，标志物总是向着
升级会员 