无机材料科学基础(陆佩文).doc

无机材料科学基础 概论一. 研究对象及学习目的 自古以来,材料的发展一直是人类文明的里程碑。材料、能源、信息被公认为是现代文明的三大支柱。新材料已成为各个高技术领域的突破口。 材料主要包括：金属材料、有机材料、无机非金属材料。 本课程研究的对象是无机非金属材料。 无机非金属材料的最大特点是耐高温、耐腐蚀，这些特点是其它材料无法比拟的。无机非金属材料的发展在国民经济中的重要作用是显而易见。 研究的对象是“无机非金属材料”， 从化学组成上看：包含硅酸盐，和各种氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、氟化物等。 从物质结构上看：可以包括单晶体、多晶体或无定形体。 本专业主要研究多晶、多相无机非金属材料，也可称为“陶瓷。 从材料形态上看：不仅包括块体材料，还包括粉体材料、纤维材料、晶须材料和薄膜材料。 从所属的工业产品来看：可分为传统材料和现代陶瓷，所属的工业产品涉及各个领域。 传统材料主要包括陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、磨料、砖瓦等。 现代陶瓷按其功能又可分为两大部分： 高温结构陶瓷：能在高温条件下承受各种机械作用的陶瓷材料。如：陶瓷发动机的部件、切削工具、耐磨轴承、火箭燃气喷嘴、各种密封环（石墨）、能承受超高温作用的结构部件。 功能陶瓷：具有声、光、电、磁、热等功能的陶瓷制品。如:压电陶瓷（PbTiO3系)、热敏陶瓷、陶瓷基片、光电陶瓷、生物陶瓷、超导材料、核燃料、磁性材料、化学电池（-Al2O3)材料等。 我们学习无机材料科学基础的目的是：从理论上定性的了解无机非金属材料的组成、结构与性能之间的关系和变化规律，了解控制材料性能的基本和共性规律。至于如何具体从技术上实现这些，则属于工艺课的范畴。 二.学习的内容 分为四大部分： 材料的结构： 晶体结构 晶体缺陷 玻璃体和熔体 固体表面 过程热力学和动力学：热力学应用 相图 相图的热力学推导 扩散 相变 材料制备原理：硅酸盐晶体结构 坯料制备与成型的理论基础 固相反应 烧结 材料的制备 实验： 包括基础实验和选作实验两部分，独立设课 三.学习要求 材料科学基础对无机非金属材料的性能及生产过程中的一些共性问题从理论上做了系统的讨论。该课程是后续工艺课的理论基础课，同样也是今后指导实际工作，进行理论研究的理论基础。其重要性显而易见。 学习过程中实现思维方式的两个转变： -从微观结构的角度考虑问题 如：扩散 原 高浓度低浓度 现 为什么在不同的物质中扩散速度不同结构决定 -建立工程意识 科学教育是与非； 工程教育是否可行、是否有效、是否最优。谈到某一因素的影响时既有有利一面又有不利一面。应结合具体情况进行综合考虑。材料科学基础研究无机非金属材料的共性问题，是一门新兴学科，一些理论和学说仍在发展之中，这使我们更容易了解这些理论和学说建立的过程，从中可学习到材料科学的一些研究方法和研究思路。 材料科学基础是以物理、化学、物化等学科的知识为基础。要求在学习过程中及时复习所涉及到的有关内容。 材料科学基础是一门新兴学科，有些理论尚不成熟。在某些问题上不同学派存在不同观点，为了广泛了解这些观点授课内容不只限于选用教材。所以要求同学们课上做好笔记，课下多看参考书。 为了加强同学们独立分析解决问题的能力，习题的选择有一定的难度。某些习题是课堂授课内容的延伸。希望能独立、认真地完成，以收到良好的学习效果。 第一章 晶体 无机非金属材料所用原料及其制品大多数是以结晶状态存在的物质。然而不同的晶体结构具有不同的性质。例如 ，TiO2光催化材料可以在太阳光的照射下降解污染物，TiO2有金红石、锐钛矿、板钛矿等几种晶体结构，锐钛矿型TiO2材料的光催化性能优于金红石型；陶瓷行业中常用的粘土，由于晶体结构不同，工艺性能也表现出很大的差异；Al2O3是良好的绝缘材料，而Al2O3可作为电池中的电解质以离子导电的方式传递电荷。 人们对晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开始的，1912年X射线晶体衍射实验的成功，使人们对晶体的研究从晶体的外部进入到了晶体的内部，使得对晶体的认识有了质的变化。 晶体所具有的性质是由晶体中质点排列方式所决定，结构发生变化，性质随之发生变化。然而晶体结构又取决于晶体的化学组成，组成晶体的质点不同意味着质点间键的作用形式和排列方式发生改变。所以，本章主要研究晶体的组成、空间结构和性质之间的关系。本章主要介绍了几何结晶学、晶体化学的基本概念和原理。从这些基本原理出发，介绍了描述晶体结构的方法，包括： i 从几何结晶学角度空间格子 ii 从球体堆积角度负离子做堆积，正离子填充空隙 iii 用鲍林规则分析多面体堆积 iv 取晶胞，晶胞中质点的具体位置 以通过这些方法掌握NaCl型、CsCl 型、闪锌矿型、萤石型、刚玉型的晶体结构，并了解纤锌矿型、金红石型、碘化镉CdI2型、钙钛矿型和尖晶石型结构。在此基础上，了解晶体的组成、空间结构和性质之间的关系。 第一节 几何结晶学基本概念一、 晶体的定义1、定义晶体是内部质点在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体，是具有格子构造的固体。晶体的这一定义表明，不论晶体的组成如何不同，也不论其表观是否具有规则的几何外形，晶体的共同特征是内部质点在三维空间按周期性的重复排列。不具备这一特征的物体就不是晶体。以NaCl晶体为例。 NaCl的晶胞结构2、空间点阵（空间格子） 在三维空间按周期性重复排列的几何点的集合称为空间点阵（空间格子）。空间点阵（空间格子）中的结点是抽象的几何点并非实际晶体中的质点。 阵点或结点：空间点阵中的几何点称为阵点或结点。 等同点：同一套空间格子中的结点叫等同点。 实际晶体是由组成晶体的离子或原子去占据一套或几套穿插在一起的空间格子的结点位置而构成。实际晶体的内部质点是有实际内容的原子或离子。 实际晶体中化学组成相同、结晶化学环境相同的质点占据的结点构成一套等同点。所谓结晶化学环境相同是指质点周围在相同方位上离开相同距离有相同的质点。 晶体中有几套空间格子就有几套等同点，判断晶体中有几套空间格子的方法是看晶体中有几套等同点。 NaCl晶体有2套空间格子，Na+ 离子和Cl-离子各构成一套空间格子。 CsCl晶体有2套空间格子，Cs+ 离子和Cl-离子各构成一套空间格子。 CaF2 晶体有3套空间格子,Ca2+离子构成一套空间格子；F-离子有两套空间格子。3、晶体的性质： 结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、最小内能性。二、晶系： 根据晶体的对称性，将晶体分为三大晶族、七大晶系。 高级晶族：立方晶系（等轴晶系） 中级晶族：六方晶系、三方晶系（菱方晶系）、四方晶系（正方晶系） 低级晶族：斜方晶系（正交晶系）、单斜晶系、三斜晶系三、 晶胞 晶胞是晶体中重复出现的最小结构单元，它包含了整个晶体的特点。对应于七大晶系，晶胞形状有七种。四、空间格子的类型：（14种布拉维空间格子） 以等同点为基准取晶胞，根据七大晶系，晶胞的形状共有7种。 等同点在晶胞的位置可以有以下几种： 1.原始式：等同点占据晶胞的各个角顶 2.体心式：等同点占据晶胞的各个角顶和体心 3.面心式：等同点占据晶胞的各个角顶和面心 4.底心式：等同点占据晶胞的各个角顶和上下底面中心 根据某一套等同点为基准所取晶胞的形状和该套等同点在晶胞中的位置可以判断该套等同点构成的空间格子类型，共有十四种空间格子类型，通常称为十四种布拉维空间格子（布拉维空间点阵）。晶胞种类等同点在晶胞的位置立方晶胞原始式体心式面心式六方晶胞底心式三方晶胞原始式四方晶胞原始式体心式斜方晶胞原始式体心式面心式底心式单斜晶胞原始式体心式三斜晶胞原始式如：NaCl晶体是由一套Na+离子立方面心格子和一套Cl-离子立方面心格子穿插而成。 CsCl晶体是由一套Cl-离子立方原始格子和一套Cs+离子立方原始格子穿插而成。 CsCl晶体结构 立方ZnS（闪锌矿）晶体是由一套S2-离子立方面心格子和一套Zn2+离子立方面心格子穿插而成。 CaF2（萤石）晶体是由一套Ca2+离子立方面心格子和两套F-离子立方面心格子穿插而成。 TiO2（金红石）晶体是由两套Ti4+离子四方原始格子和四套O2-离子四方原始格子穿插而成。第二节 晶体化学基础一、晶体中键的形式：1. 典型键型化学键：原子或离子结合成为分子或晶体时，相邻原子或离子间的强烈的吸引作用称为化学键。分子键：分子间较弱的相互作用力。 电负性（X）可衡量电子转移的情况，因而可用来判断化学键的键型。 原子的X越大，越易得到电子，X 大于2，呈非金属性； 原子的X越小，越易失去电子，X小于2，呈金属性。化学键的类型： 离子键：凡是X值相差大的不同种原子作用形成离子键。X值小的原子易失电子形成正离子，X值大的原子易得电子形成负离子。如：碱土金属与氧原子结合。离子键无饱和性和方向性。 共价键：凡是X值较大的同种或不同种原子组成共价键。共价键有饱和性和方向性。 金属键：凡是X值都较小的同种或不同种原子组成金属键，被给出的电子形成自由电子气，金属离子浸没其中。金属键无饱和性和方向性。分子键的类型： 范德华键：分子间由于色散、诱导、取向作用而产生的吸引力的总和。 氢键：XHY，可将其归入分子键。氢键键键力 范德华键键力 一般的情况下各种键的强度顺序如下： 共价键最强，离子键很强，金属键较强，三种化学键的键力远大于分子键，分子键中氢键的键力大于范德华键。2.键型的过渡性 凡是X值有相当差异、但差异并不过大的原子之间形成离子键和共价键之间的过渡键型。如：Si-O键（共价键和离子键成份各占50%）。 依据鲍林公式计算过渡键型中离子键占的百分数P：P=1-exp-1/4（xA-xB）2二 离子半径： 对于独立存在的离子，它的离子半径是不确定的，但在离子晶体中，设离子为点电荷 ，根据库仑定律，正、负离子之间的吸引力：F(q1q2)/r2随着离子的相互靠近，电子云之间的斥力出现并迅速增大。当引力=斥力时处于平衡，平衡间距r=r0。r0为正离子中心到负离子中心的距离，即正、负离子都可以近似看成球形，各有一个作用圈半径，平衡间距就是相邻的正、负离子相互接触时半径之和。对于存在于离子晶体中的离子，它有确定的离子半径。 r0=r+ r-三、 球体的堆积方式：1. 球体的最紧密堆积原理假设球体是刚性球，堆积密度越大，堆积体的内能越小，结构越稳定。球体的堆积倾向于最紧密方式堆积。2. 等径球体的堆积方式： （1）最紧密堆积 六方最紧密堆积：ABAB（ACAC） 每两层重复一次，其球体在空间的分布与六方格子相对应，堆积体中有两套六方底心格子。其密排面/（0001） 立方最紧密堆积：ABCABC（ACBACB） 每三层重复一次，球体分布方式与立方面心格子相对应，堆积体中有一套立方面心格子。其密排面/（111） 除上述这两种常见的最紧密堆积方式，最紧密堆积也可能出现ABACABAC，每四层重复一次，或ABABCABABC，每五层重复一次，等等。 密堆率（堆积系数）：晶胞中含有的球体体积与晶胞体积之比。 最紧密堆积密堆率都是74.05%，空隙率25.95%。 最紧密堆积体中是有空隙的，空隙类型有： 四面体空隙：处于四个球体包围之中的空隙，四个球体中心连线形成一个四面体。 八面体空隙：处于六个球体包围之中的空隙，六个球体中心连线形成一个八面体。 空隙半径（空隙中内切球半径）：八面体四面体 有n个球体作最紧密堆积： 每个球周围有四面体空隙8个，每个四面体空隙为4个球共有，每个球占有四面体空隙数8*1/4=2 每个球周围有八面体空隙6个，每个八面体空隙为6个球共有，每个球占有八面体空隙数6*6/1=1 n个球体作最紧密堆积的堆积体中，有2 n个四面体空隙，有n个八面体空隙。（2）简单立方堆积简单立方堆积不是最紧密堆积。球体分布方式与立方原始格子相对应，密堆率为52%。堆积体中只形成立方体空隙（8个球包围，其球心连线形成一个立方体）。同理可知，n个球做简单立方堆积有n个立方体空隙。（3）不等径球体的堆积 不等径球体的堆积可看成较大的球体作等径球体的最紧密堆积，较小的球填充于堆积体的空隙中。在离子晶体中，负离子一般较大，负离子通常作最紧密堆积，正离子较小，填充于堆积体的四面体空隙或八面体空隙中，如果正离子太大，八面体空隙也填不下，则要求负离子改变堆积方式，作简单立方堆积，产生较大的立方体空隙，正离子填充于堆积体的立方体空隙中。用这种方式描述离子晶体结构，虽不严密但有助于我们想象。 如：NaCl ：n个Cl-离子做立方最紧密堆积，产生n 个八面体空隙，Na+离子填充全部八面体空隙。 CsCl：Cl-做简单立方堆积，Cs+离子填充于全部的立方体空隙当中。 ZnS：S2-做立方最紧密堆积，Zn2+填充一半的四面体空隙。CaF2：F-做简单立方堆积，Ca2+填充一半的立方体空隙。不等径球体堆积达到的密堆率可以大于等径球体的密堆率。四、配位数（CN）：1.CN定义 在离子晶体中，每个离子都被与其电荷相反的异名离子相包围，则异名离子的数量就是这个离子的配位数。 如：NaCl，Na+周围有6个Cl-，则Na+的CN=62.配位多面体 配位数决定了配位多面体的形态。配位数：8配位多面体：立方体；配位数：4配位多面体：四面体假设离子是刚性球，正离子的配位数由R+/R-决定： 在最紧密堆积体中，八面体空隙内切球的半径： 设：堆积球的半径为R，八面体空隙内切球的半径为r，连接四个堆积球的球心为正方形， 所以， 2（2R）2=（2R+2r）2 解得，1.414R=R+r 所以， r/ R=0.414可见，当R+/ R-=0.414 时，正离子恰好填入八面体空隙，此时正离子的配位数为6。同理，当R+/ R-=0.225时， 正离子恰好填入四面体空隙，此时正离子的配位数为4。当R+/ R-=0.732 时，正离子恰好填入立方体空隙，此时正离子的配位数为8。 实际上，离子晶体中的R+/ R-很少恰好是这些数值， 当R+/ R