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精品精品 材料化学材料化学 第一章绪论材料与化学的关系 不清 材料是使其能用于机械 结 构 设备和铲平的性质的物质 与其功能和该功能所赋予的相关联 系 化学是物质的组成 结构 性质以及物质转化为其他物质的过程的 研究材料化学 1 从分子水平到宏观尺度认识和控制结构 2 与性能或功能的基本关系 3 关于材料制备和加工和分析的化学未来材料发展的一些基本化学 问题用化学理论和方法研究功能分子以及由构成的材料的结构和性 能的关系 是人们能够设计新型材料材料的分类方法和种类 一 按发展水平 分为五代天然材料烧炼材料合成材料可设计材料 智能材料 二 按应用来分信息能源生物航空航天等 三 一般分为金属材料 黑金属 有色金属 非金属材料和成材料 主要是指合成塑料 纤维和橡胶 复合材料 金属 无机 有机 高分子相结合 功能材料与材料科学相关学科基础学科包括固体化 学 固体物理学 材料工程学材料的四要素结构 性能 加工和使 用状况第二章晶体学基础晶胞将a b c向量把点阵点互相连结起来 则向量把点阵点互相连结起来则可将空间点阵划分为可将空间点阵 划分为空间格子空间格子或晶格 空间格子可将晶体结构截分为一 个个包含等同内容的基本 这个基本单位叫做晶胞 unit cell 或说晶胞就是按晶体内部结构的周期性 划分出大小 形状 完全相同的平行六面体 可代表晶体结构的基本重复单位 即是具有代表性的基本单元 晶胞的两个要素一是晶胞的大小 型式 二是晶胞的内容 晶胞的分类依据点阵的选取方式根据晶格参数的特征 即单位平行 六面体外形对称特征 可将这14种布拉维点阵分为7大晶系 法国晶体学家布拉维 A Bravais 于1885年晶面的画法和晶面指数 的运用晶面指数求法定原点 求截距 取倒数 化最小整数 加 特点1 直接表示任意晶面2 实际上表示所有相互平行的晶面 h kl 第三章晶体缺陷和固溶体晶体缺陷分类方法和类型一般按照尺度 范围分类 即按照偏离理想结构的周期性有规律排列的区域大小来 分类 1 点缺陷 2 线缺陷 3 面缺陷 4 体缺陷弗仑克尔缺陷 Frenkel 在晶格热振动时 一些能量 较大的质点离开平衡位置后 进入到间隙位置 形成间隙质点 而 在原来位置上形成空位特点 1 间隙质点与空位总是成对出现 2 正离子弗仑克尔缺陷 3 负离子弗仑克尔缺陷 4 二者之间没有直接联系肖特基缺陷 Schottky 如果正常格点上 的质点 在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面 而在晶体内部正常格点上留下空位 特点肖特基缺陷的生成需要一个像晶界 位错或者表面之类的晶格 排列混乱的区域 正离子空位和负离于空位按照分子式同时成对产 生 伴随晶体体积增加 位错的类型1 刃型位错通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃 型位错 用符号 表示 反之为负刃型位错 用 表示 2 螺旋位错可分为左旋和右旋3 混合位错位错的运动类型滑移和攀 移 正攀移和负攀移 解释位错的增值弗兰克 瑞德源 Frank Read Source a 两个位错是同号 当位错源开动时 两个位错向同一方 向拱弯 如下图 b 所示 在外力作用下 位错继续拱弯 在相邻的位错段靠近 它们是反号 的 互相吸引 如上图 c 中的P处所示 两段反号位错相吸对消后 原来两个位错连接一起 即形成AD位错 余下一段位错 即BC位错 这段位错和原来的位错反号 如上图 d 所示 在外力作用下 BC位错也作位错源开动 但它的拱弯方向与原来的 相反 如上图 e 所示 两根位错继续拱弯在如图 f 的O及O 处再相遇 因为在相遇处它们 是反号的 所以相吸对消 最后 放出一个大位错环 并回复原来的AB和CD两段位错 如上图 g 所示 这个过程不断重复增值位错 供参考 固溶体凡在固体条件下 一种组分 溶剂 内 溶解 了其它组分 溶质 而形成的单 一 均匀的晶态固体称为固溶体 基本特征 1 在原子尺度上相互混合的 2 破坏主晶相原有的晶体结构 但晶胞参数可能有少许改变 基 本保持了主晶相的特性 3 存在固溶度 有限固溶体或不连续固溶体 部分体系可任意互 溶 无限固溶体或连续固溶体 4 在固溶度范围之内 杂质含量可以改变 固溶体的结构不会变 化只有单相固溶体 当超出固溶极限后 存在第2相 固溶体生成 1 晶体生长过程中溶液或熔体析晶 2 金属冶炼 3 烧结固溶体连续置换形成的条件 1 质点尺寸因素 决定性因素 从晶体结构的稳定观点来看 相互替代的质点尺寸愈接近 则固溶 体愈稳定 其固溶量将愈大 经验证明121rrr 当 30 时 溶质和溶剂之间不生成固溶体 仅在高温下有少量固溶 连续固溶体的必要条件 不是充分条件 一 具有相同的晶体结构 二 原子价 或离子价 相同 多组元复合取代总价数相等 电中 性 第四章固体物质的磁性和磁性材料结论曲线围起的面积越大 矫顽 力越大 要求的矫顽场强度越大 磁性材料就越 硬 反之 曲 线围起的面积越小 磁性材料就越 软 磁滞回线磁性材料的磁化和退磁不在同一条曲线上 退磁要滞后于 磁化类别质点尺寸晶体结构电价连续 15 相同相同有限 15 二者 中至少有一个不15 稀土永磁材料在应用上有其特有的地位 软磁软磁材料的矫顽力很低 既容易受外磁场磁化 又容易退磁 非晶软磁材料是20世纪70年代研制成功而进入实际应用的新型磁性 材料 剩磁H 0时的剩余磁场强度Br 矫顽力B 0时的反向磁场强度Hc 它表示材料保持磁化 反抗退磁的能力 饱和磁化强度磁化曲线增大到水平时的磁化强度 即Bs物质磁性的 理解和箭头图表达 抗磁性 磁矩为零 在外磁场作用下感生磁矩 磁化强度为负值 顺磁性 原子 分子或离子具有不等于零的磁矩 净磁矩 磁化 率为正值 并在外磁场作用下沿轴向排列时便产生顺磁性 铁磁性 磁化强度大 当移去外磁场 仍保留极强的磁性 亚铁磁 大小不同的原子磁矩反平行排列 二者不能完全抵消 相 对于外磁场表现出一定的磁化作用 反铁磁性 磁性记录材料磁性要求 大致了解 1 介质材料 1 适当高的矫顽力Hc 2 高的饱和磁化强度Ms 3 高的剩磁比 4 高的稳定性 2 记录头 1 高的磁导率 2 高的饱和磁化强度Ms 3 低的矫顽力Hc 4 高的磁稳定性 3 高密度磁介质材料 1 高矫顽力 2 存储的膜薄 3 磁性介质的粒子细 4 各向异性大 5 晶粒间相互交换作用弱 第六章功能高分子材料高分子材料历史1839年 美国人Goodyear发 明硫化橡胶 1855年 英国人Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞 1889年 法国人De Chardon 夏尔多内 发明人造丝1935年 Carothes发明尼龙66 19 38年工业化 50年代 Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂1956年 美国人Szwar c发明活性阴离子聚合 开创了高分子结构设计的先河 吸附分离功能高分子主要包括离子交换树脂和吸附树脂 广义上讲 吸附分离功能高分子还应该包括高分子分离膜材料 离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物 按交换基团的性质分阳离子交换树脂和阴离子交换树脂阳离子可分 为强 中 弱酸型阴离子可分为强碱和弱碱性吸附树脂也是在离子 交换树脂基础上发展起来的一类新型树脂 是指一类多孔性的 高 度交联的高分子共聚物 又称为高分子吸附剂 可分为非极性 弱极性 极性 强极性吸附树脂离子交换树脂结构 离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状高分子材料第六 章表面化学与薄膜材料固体表面的不均一性主要表现为1 晶体的各 向异性在表面上也体现 2 表面结构缺陷引起表面性质变化 3 实际固体表面常被外来物污染而影响表面性质 4 在原子尺度上 实际固体表面是凹凸不平的表面现象产生的微观 原因受力不均匀 表面处 气相 化学沉积 CVD 气相化合物分子携带所需原子 经过反应分解 在 衬底上沉积 多种气相化合物可以形成掺杂 实例CVD热解 SiH4 H2还原 SiCl4 900 20000C 水珠为什么是圆的 胶体为什么稳定 液体表面有一种性质 叫表面张力 就是液体表面相邻部分之间的相互引力 这种张力使液体的表面就像一张弹性薄 表面张力能使不受外力作用的液体形成圆形 因为对于一定体积的物体 球面的表面积最小 因而 水滴分子总是尽量靠拢 从而使表面积缩小 这样就形成圆 形 或者说球形了 胶粒是带电荷的 胶粒与胶粒之间有相互排斥的作用力且胶粒做布 朗运动 导致了胶粒是比较稳定的 第七章半导体与陶瓷材料有关半导体的相关概念能带量子力学计算 表明 晶体中若有N个原子 由于各原子间的相互作用 对应于原来 孤立原子的每一个能级 在晶体中变成了N条靠得很近的能级 禁带宽度Eg导带底部与价带顶部间的禁止能量间隔 EC EV 价带顶部与导带最低处发生在相同动量处 因此 当电子从价带转换到导带时 不需要动量转换 这类半导体称为直接带隙半导体 当电子从硅的价带顶部转换到导带最低点时 不仅需要能量转换 Eg 也需要动量转换 pC 这类半导体称为间接带隙半导体当半导体中的杂质远小于由热产生 的电子空穴时 此种半导体称为本征半导体非本征半导体当半导体 被掺入杂质时 半导体变成非本征的而且引入杂质能级 施主 donor 图 a 显示一个硅原子被一个带有5个价电子的砷原子所 取代 或替补 此砷原子与4个邻近硅原子形成共价键 而其第5个电子有相当小的 束缚能 能在适当温度下被电离成传导电子 通常我们说此电子被施给了导带 砷原子因此被称为施主 由于带负电载流子增加 硅变成n型 受主 aeptor 当一个带有3个价电子地硼原子取代硅原子时 需要接 受一个额外的电子 以在硼原子四周形成4个共价键 也因而在价带 中形成一个带正电的空穴 hole 此即为p型半导体 而硼原子则被称为受主 能带结构解释导电性导体从能级图上来看 是因为其共有化电子很 易从低能级跃迁到高能级上去 绝缘体从能级图上来看 是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带 Eg约3 6eV 共有化电子很难从低能级 满带 跃迁到高能级 空带 上去 半导体满带与空带之间也是禁带 但是禁带很窄 E g约0 1 2eV