武汉工程大学《材料科学基础》Word格式文档下载.docx
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15.电光效应
16.压电效应
二．重点结论
1.等径球最紧密堆积有六方和面心立方紧密堆积两种，一个球的周围有8个四面体空隙、6个八面体空隙。
2.n个等径球作最紧密堆积时可形成n个八面体空隙、2n个四面体空隙。
3.三种常见晶体结构
项目
面心立方
体心立方
密排六方
晶胞原子数
4
2
6
点阵常数
配位数
12
8
堆积系数
74.05%
68.02%
4.重点离子化合物结构
化合物
晶系
晶格
Z
NaCl
CsCl
立方ZnS
六方ZnS
CaF2
5.硅酸盐晶体结构非常复杂，但不同的结构之间具有下面的共同特点：
（1）结构中的Si4+离子位于O2-离子形成的四面体中心，构成硅酸盐晶体的基本结构单元[SiO4]四面体。
Si-O-Si是一条夹角不等的折线，一般在145°
左右。
（2）[SiO4]四面体的每个顶点，即O2-离子最多只能为两个[SiO4]四面体所共用。
（3）两个相邻的[SiO4]四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。
（4）[SiO4]四面体中心的Si4+离子可以部分地被Al3+离子所取代，取代后结构本身不发生太大变化，即所谓的同晶取代，但晶体的性质发生了很大的变化。
这为材料的改性提供了可能。
6.硅酸盐的化学式表征方法主要有以下两种：
（1）氧化物表示法
将构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来，先是1价的碱金属氧化物，其次是2价、3价的金属氧化物，最后是SiO2
（2）无机络合盐表示法
构成硅酸盐晶体的所有离子按一定的比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用中括号括起来即可。
先是1价、2价的金属离子，其次是Al3+离子和Si4+离子，最后是O2-离子和OH-离子。
结构类型
络阴离子团
Si:
O
I岛状
[SiO4]4-
1:
组群状
[Si2O7]6-
[Si3O9]6-
[Si4O12]8-
[Si6O18]12-
2:
7
3
链状
[Si2O6]4-
[Si4O11]6-
4:
11
层状
[Si4O10]4-
10
架状
[（AlxSi4-x）O8]x-
氧化物表示法的优点在于一目了然的反应出晶体的化学组成，可以按此配料来进行晶体的实验室合成。
用无机络合盐法则可以比较直观的反应出晶体所属的结构类型，进而可以对晶体结构及性质作出一定程度的预测。
两种表示方法之间可以相互转换。
7.硅酸盐晶体的分类
8.空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同。
第三部分重点习题
1.Li2O的结构是O2－作面心立方堆积，Li＋占据所有四面体空隙位置，氧离子半径为0.132nm。
求：
（1）计算负离子彼此接触时，四面体空隙所能容纳的最大阳离子半径，并与书末附表Li＋半径比较，说明此时O2－能否互相接触；
（2）根据离子半径数据求晶胞参数；
（3）求Li2O的密度。
2.CaF2的晶胞参数为0.547nm。
（1）根据CaF2晶胞立体图画出CaF2晶胞在（001）面上的投影图；
（2）画出CaF2（110）面上的离子排列简图；
（3）正负离子半径之和为多少？
3.根据电价规则，在下面情况下，空隙内各需填入何种价数的阳离子，并对每一种结构举出—个例子。
（1）所有四面体空隙位置均填满；
（2）所有八面体空隙位置均填满；
（3）填满—半四面体空隙位置；
（4）填满—半八面体空隙位置。
4.下列硅酸盐矿物各属何种结构类型：
Mg2[SiO4]，K[AlSi3O8]，CaMg[Si2O6]，Mg3[Si4O10]（OH）2，Ca2Al[AlSiO7]。
第2章晶体缺陷
1.点缺陷：
三维方向上缺陷尺寸都处于原子大小的数量级上。
2.线缺陷:
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。
3.面缺陷：
指在两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。
4.肖特基缺陷：
如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，在晶体内正常格点上留下空位，这即是肖特基缺陷。
5.弗伦可尔缺陷：
在晶格热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。
6.热缺陷：
晶体温度高于绝对0K时，由于热起伏使一部分能量较大的质点（原子或离子）离开平衡位置所产生的空位和/或间隙质点。
7.固溶体：
含有外来杂质原子的晶体称为固体溶液，简称固溶体。
8.非化学计量化合物：
由于晶体缺陷造成晶体的组成中各元素原子的相对数目不能用整数比表示的化合物,称非整数比化合物，也称非化学计量化合物。
第二部分重点结论
1.非化学计量化合物的特点：
非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；
可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；
缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；
非化学计量化合物都是半导体。
由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。
2.影响形成置换型固溶体影响因素：
（1）离子尺寸：
15%规律：
1.（R1-R2）/R1>
15%不连续。
2.<
15%连续。
3.>
40%不能形成固熔体。
（2）离子价：
电价相同，形成连续固熔体。
（3）晶体结构因素：
基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。
（4）场强因素。
（5）电负性：
差值小，形成固熔体。
差值大形成化合物。
3.影响形成间隙型固溶体影响因素：
（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。
4.形成固溶体后对晶体性质的影响：
（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；
（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；
（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；
（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：
固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。
固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低.
5.固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物三者之间的异同点
分类
形成原因
形成条件
缺陷反应
化学式
溶解度、缺陷浓度
热缺陷
肖特基
弗伦克尔
热起伏
T>
0k
+
MM
Mi·
·
MX
只受温度控制
固溶体
无限，有限，置换，间隙
搀杂
溶解
大小，电负性，电价，结构
无：
受温度控制
有：
搀杂量<
固溶度受温度控制
搀杂量>
固溶度受固溶度控制
非化学计量化合物
阳缺
阴间
阳间
阴缺
环境中气氛性质和压力变化
Fe1-xO
UO2+x
Zn1+xO
TiO2-X
[h·
]∝
[
1.写出下列缺陷反应式：
（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；
（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体；
（3）NaCl形成肖特基缺陷；
（4）Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag+进入间隙）。
2.非化学计量化合物FexO中，Fe3+／Fe2+＝0.1，求FexO中的空位浓度及x值。
3.非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的分压．非化学计量化合物Fe1-xO及Zn1+xO的密度将发生怎么样的变化？
增大还是减小？
为什么？
4.在MgO－Al2O3和PbTiO3－PbZrO3中哪一对形成有限固溶体，哪一对形成无限固溶体，为什么？
5.CeO2为萤石结构，其中加入15mol%CaO形成固溶体，测得固溶体密度d＝7.01g/cm3，晶胞参数a＝0.5417nm，试通过计算判断生成的是哪一种类型固溶体。
已知原子量Ce140.12，Ca40.08，O16.00。
第三章非晶态结构与性质
1.习惯上把高熔点物质的液体称为熔体（指熔点温度以上，具有一定流动性的液体），所以对于硅酸盐来说，它的液体一般称之为熔体。
熔体或液体介于气体和晶体之间，高温时其结构状态接近气体，在低温时接近晶体。
2.缩聚（聚合）：
由分化过程产生的低聚合物，相互作用，形成级次较高的聚合物，同时释放出部分Na2O，这个过程称为缩聚，也即聚合。
3.解聚：
在熔融SiO2中，O/Si比为2：
1，[SiO4]连接成架状。
若加入Na2O则使O/Si比例升高，随加入量增加，O/Si比可由原来的2：
1逐步升高到4：
1，[SiO4]连接方式可从架状变为层状、带状、链状、环状直至最后断裂而形成[SiO4]岛状，这种架状[SiO4]断裂称为熔融石英的分化过程，也即解聚。
4.硼反常现象：
硼酸盐玻璃与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性质随R2O或RO加入量的变化规律相反，这种现象称硼反常现象。
5.晶子学说、无规则网络学说：
凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。
这种网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。
晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。
6.当相邻内层液体作相对运动时，两层之间存在着一种阻碍运动的内摩擦力f，而单位面积的内摩擦力和垂直于液体运动方向的速度梯度的关系如下：
（
的物理意义单位接触面积单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。
）
7.表面张力：
熔体表面层的质点受到内部质点的吸引力比表面层空气介质的引力为大，因此表面层质点有趋向于熔体内部使表面积有尽量收缩的趋势，结果在表面切线方向上有一种缩小表面的力作用，这个力称为表面张力。
表面张力的物理意义为：
作用于表面单位长度上与表面相切的力，
第二部分重点总结
1.硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点：
聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。
可分为三个阶段：
初期：
石英的分化，架状[SiO4]断裂，在熔体中形成了各种聚合程度的聚合物。
中期：
缩聚并伴随变形一般链状聚合物易发生围绕Si-O轴转动同时弯曲，层状聚合物使层本身发生褶皱、翘曲、架状聚合物热缺陷增多，同时Si-O-Si键角发
生变化。
后期：
在一定时间和温度范围内，聚合和解聚达到平衡。
缩聚释放的Na2O又能进一步侵蚀石英骨架而使其分化出低聚物，如此循环，直到体系达到分化-缩聚平衡为止。
2.影响熔体粘度的因素有哪些，试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因
（1）影响熔体粘度的主要因素：
温度和熔体的组成。
碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。
随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。
（2）通常碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O）能降低熔体粘度。
这些正离子由于电荷少、半径大、和O2－的作用力较小，提供了系统中的“自由氧”而使O/Si比值增加，导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因而使活化能减低、粘度变小。
3.温度－粘度关系
1）弗仑格尔公式：
或
2）VFG公式为更适用的粘度—温度关系公式：
4.温度经验公式：
σ=σ0（1－bT）式中：
b－与组成有关的经验常数；
σ0－一定条件下开始的的表面张力值；
T－温度变动值。
5.影响玻璃形成过程中的动力学因素是：
影响玻璃形成的关键是熔体的冷却速率，熔体是析晶还是形成玻璃与过冷度、粘度、成核速率、晶体生长速率有关。
玻璃形成的结晶化学因素有：
复合阴离子团大小与排列方式，键强，键型。
1.从以下两种釉式中，你能否判断两者的熔融温度、粘度
、表面张力上的差别？
说明理由。
2.SiO2熔体的粘度在1000℃时为1014Pa·
s，在1400℃时为107Pa·
s。
SiO2玻璃粘滞流动的活化能是多少？
上述数据为恒压下取得，若在恒容下获得，你认为活化能会改变吗？
3.在SiO2中加入20％B2O3，试计算熔体的O∶Si比例是多少？
4.若将50mol％Na2O加入到SiO2中，计算O∶Si比例是多少？
这种配比能形成玻璃吗？
5.以下三种物质，哪个最容易形成玻璃？
哪个最不容易形成玻璃，为什么？
（1）Na2O·
2SiO2；
（2）Na2O·
SiO2；
（3）NaCl
第四章表面结构与性质
1.固体的接触界面一般可分为表面、界面和相界面：
1）表面:
表面是指固体（三维结构）与真空的界面。
2）界面:
相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。
3）相界面:
相邻相之间的交界面称为相界面。
2.相界面有三类:
固相与固相的相界面（s／S）；
固相与气相之间的相界面（s／V）；
固相与液相之间的相界面（s／L）。
3.理想表面：
没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面定义为一个理想表面。
这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。
4.清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。
5.真实的清洁表面与理想表面间主要存在如下不同：
表面结构弛豫；
表面结构重构；
表面双电层。
6.根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。
1）台阶表面：
台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成。
2）弛豫表面：
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。
3）重构表面：
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。
表面结构和体结构出现了本质的不同。
7.吸附表面：
吸附表面有时也称界面。
它是在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。
8.固体的表面自由能和表面张力，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。
10.晶体表面结构：
表面力的存在使固体表面处于较高能量状态。
但系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的能量，导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来晶格的畸变。
11.粉体制备：
反复粉碎形成一系列新表面，离子极化变形重排畸变有序性降低，随粒子的微细化从表面增大，无序性增大并向纵深发展，不影响内部结构——表面层的无定形结构和粒度极小的微晶结构的玻璃表面结构。
12.玻璃表面结构：
在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持最小表面能，玻璃表面各成分将按其对表面自由能的贡献能力自发地转移和扩散。
13.固体实际表面是不规则而粗糙的不平坦的
（1）具有不同厚度的台阶
（2）台阶部分具有一系列的断口（3）数目不多的原子被吸附在晶体及台阶表面上。
这些不同的几何状态同样会对表面性质，如润湿,孔隙率和孔隙结构,透气性和浸透性等产生影响。
14.润湿是固－液界面上的重要行为,液体在与固体接触时，沿固体表面扩展的现象。
固液接触后，体系吉布斯自由焓降低时就称为润湿。
第五章相图
见其他
第六章扩散
1.扩散的概念：
指当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于热运动而导致的质点定向迁移。
2扩散通量——单位时间内通过单位横截面的粒子数。
用J表示，为矢量（因为扩散流具有方向性）
3.稳定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。
4.不稳定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。
1.对于菲克第一定律，有以下三点值得注意：
1）式是唯象的关系式，其中并不涉及扩散系统内部原子运动的微观过程。
2）扩散系数反映了扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一种组元的特性。
3）式不仅适用于扩散系统的任何位置，而且适用于扩散过程的任一时刻。
2．
3．阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数的原因。
解：
离子晶体一般为阴离子作密堆积，阳离子填充在四面体或八面体空隙中。
所以阳离子较易扩散。
如果阴离子进行扩散，则要改变晶体堆积方式，拆散离子晶体的结构骨架，阻力就会较大。
故离子晶体中，阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数。
4．从结构和能量的观点解释为什么D表面>
D晶面>
D晶内。
固体表面质点在表面力作用下，导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来的晶格畸变，表面结构不同于内部，并使表面处于较高的能量状态。
晶体的内部质点排列有周期性，每个质点力场是对称的，质点在表面迁移所需活化能较晶体内部小，则相应的扩散系数大。
同理，晶界上质点排列方式不同于内部，排列混乱，存在着空位、位错等缺陷，使之处于应力畸变状态，具有较高能量，质点在晶界迁移所需的活化能较晶内小，扩散系数大。
但晶界上质点与晶体内部相比，由于晶界上质点受两个晶粒作用达到平衡态，处于某种过渡的排列方式，其能量较晶体表面质点低，质点迁移阻力较大因而D晶界<
D表面。
5.浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行?
为什么?
扩散是由于梯度差所引起的，而浓度差只是梯度差的一种。
当另外一种梯度差，比如应力差的影响大于浓度差，扩散则会从低浓度向高浓度进行。
6.菲克第一定律：
如何测定扩散系数
J:
扩散通量atom/（cm2s）D:
扩散系数cm2/sc：
浓度
7.菲克第二定律：
8．扩散机制：
间隙扩散与空位扩散、扩散激活能、扩散系数与温度的关系
9.扩散过程的影响因素分析：
1．温度。
温度是影响扩散速率的最主要因素。
温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁移，扩散系数越大。
2．固溶体类型。
不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的。
间隙固溶体的扩散激活能一般均较小。
3．晶体结构。
晶体结构对扩散有影响，有些金属存在同素异构转变，当它们的晶体结构改变后，扩散系数也随之发生较大的变化。
体心立方结构的致密度比面心立方结构的致密度小，原子较易迁移。
4．晶体缺陷。
在实际使用中的绝大多数材料是多晶材料，对于多晶材料，正如前已述，扩散物质通常可以沿三种途径扩散，即晶内扩散、晶界扩散和表面扩散。
若以QL，QS和QB分别表示晶内、表面和晶界扩散激活能；
DL，DS和DB分别表示晶内、表面和晶界的扩散系数，则一般规律是：
QL＞QB＞QS，所以DS＞DB＞DL。
5．化学成分。
不同金属的自扩散激活能与其点阵的原子间结合力有关，因而与表征原子间结合力的宏观参量，如熔点、熔化潜热、体积膨胀或压缩系数相关，熔点高的金属的自扩散激活能必然大。
6．应力的作用。
如果合金内部存在着应力梯度，那么，即使溶质分布是均匀的，但也可能出现化学扩散现象。
10.反应扩散：
当某种元素通过扩散，自金属表面向内部渗透时，若该扩散元素的含量超过基体金属的溶解度，则随着扩散的进行会在金属表层形成中间相（也可能是另一种固溶体），这种通过扩散形成新相的现象称为反应扩散或相变扩散。
11．离子晶体中的扩散特点:
1.）扩散离子所需克服的能垒较高；
2）扩散激活能较高；
3）迁移的距离较长
第三部分重点题目
1.欲使Ca2＋在CaO中的扩散直至CaO的熔点（2600℃）时都是非本质扩散，要求三价离子有什么样的浓度？
试对你在计算中所做的各种特性值的估计作充分说明。
已知CaO肖特基缺陷形成能为6eV。
2.试根据图7-32查取：
（1）CaO在1145℃和1650℃的扩散系数值；
（2）Al2O3在1393℃和1716℃的扩散系数值；
并计算CaO和Al2O3中Ca2＋和Al3＋的扩散活化能和D0值。
3.已知氢和镍在面心立方铁中的扩散数据为
cm2/s和
cm2/s，试计算1000℃的扩散系数，并对其差别进行解释。
4.在制造硅半导体器体中，常使硼扩散到硅单晶中，若在1600K温度下，保持硼在硅单晶表面的浓度恒定（恒定源半无限扩散），要求距表面10－3cm深度处硼的浓度是表面浓度的一半，问需要多长时间（已知D1600℃＝8×
10－12cm2/s；
当
时，
）？
第七章材料中的相变
1.固态相变简介
2.固态相变的类型：
1.扩散型相变；
2马氏体转变，非扩散型转变，依靠原子的协调运动实现；
3.脱溶转变的类型，调幅分解与形核-长大型脱溶的异同点：
脱溶分解对性能的影响。
4.杨德方程、金斯特林格方程优缺点及适应条件。
两个方程都只适用稳定扩散的情况。
杨德尔方程在反应初期具有很好的适应性，但杨氏模型中假设球形颗粒截面始终不变。
因而只适用反应初期转化率较低的情况。
而金斯格林方程考虑了在反应进程中反应截面面积随反应过程变化这一事实，因而金氏方程适
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