实验指导书封面

1、材料学基础实验实验指导书叶原丰编著金陵科技学院材料工程学院监制二零一一年九月材料科学基础以材料科学和工程专业本科生为对象的一门专业基础课 程，它以物理学、物理化学、化学等为基础，涉及材料晶体结构、材料热力学、 材料动力学、材料性能等系统的材料科学知识。实验课程内容分为三部分： 1） 材料内部的微观结构， 包括原子态到聚合态， 从理想的完整结构到存在各种缺陷 的不完整晶体结构， 原子和分子在固体中的运动， 以及材料在受力变形时组织结 构的变化和恢复过程； 2）材料合成； 3）学习用理论模拟方法研究材料的性质。学 生通过本课程的学习， 可以全面了解材料的结构和性能、 材料制造过程中的热力 学过程和

2、动力学过程，为今后学习各种材料及其制备打下基础。目录实验一 晶体定向及晶面符号 实验二偏光显微镜的使用4实验三利用Gaussview进行化学建模 7实验四溶胶的制备14实验一晶体定向及晶面符号实验学时：4学时实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的1、明确各晶体定向的原则及定向的意义；2 根据晶体定向原则和整数定律，确定晶体上个晶面的空间位置关系；3 确定个晶面指数及其规律。二、实验内容1 .晶体定向即选定坐标轴及单位面，并确定轴单位比值(轴率)，其方法如下：(1) 找出晶体中全部对称要素，划分晶族、晶系和对称型；(2) 根据晶体所属晶系和对称型，依各晶系晶体的定向原则确定坐标轴(见表1 )

3、0表1各晶系晶体的定向晶系晶体的选择晶轴的安置轴单位轴角需要计算的晶体常数斜以任何三个不在同一平面内的 可能晶棱之方向作为Z、丫及X 轴。一般以最发育的晶棱之方作 为Z轴，其次为丫轴及X轴，并 使三者尽可能接近相互垂直。Z:上下直 立丫：左右，向右倾X:前后，向前倾aM bcaMpM> y90a , B , Y单斜L2或P之法线为丫轴，两个垂直 丫轴的可能晶棱之方向为Z及X轴，一般 选择较发育之晶棱且使两者尽可能接Y:左右水 平Z:上下直 立X:前后，aM bMca = 丫 =90B> 90a： b: c近于垂直。向前倾斜方三个相互垂直的L2作为X、Y、Z轴，在L2 P对称型中则以

4、L2为Z轴，两个P之法线为X及丫轴。Z:上下直立X:左右水 平丫：前后水平aM bca = B = Ya： b: c四 方以主轴，唯一的高次轴作为Z轴， 两个相互垂直的L2为X轴及Y 轴，如无L2时则选择相当于它 们的方向一一P之法线或晶 棱方向为X轴及丫轴。Z:上下直立X:左右水 平丫：前后水平aM bMca = B = Y =:90 c方和六方以主轴一一唯一的高次轴作为Z 轴，三个夹角为60的L2为X、丫 U轴（总共四个轴）如无L2时， 则选择相当它们的方向P之法线或晶棱的方向为X、Y和U轴Z:上下直立Y:左右水 平X和U: 水平，针 对着前 方，向或 右偏斜各30a=bMca = B =

5、90丫 =120a： c等轴三个相互垂直的L4（无L4时则为L2或为L4）作为X、丫、Z轴，在 任何一个轴均可取作为X 轴或丫轴或Z轴。Z:上下 丫：左右X:前后a=b=ca = B = Y =92 确定晶面符号由整数定律知道：Ala : B/b: C/c=p： q： r,因此对单位面而言，其轴单位之比为a： b: c,表轴系数之比为 n： n: n=1:1:1。通常采用标轴系数的倒数比值置于小括号 （）内作为晶面的符号，这种符号 有称为米氏符号。单位晶面的米氏符号即为（ 111）。晶体上任意一个晶面的晶面符号课用如下方法求的： 首先把晶面延长与坐标 轴相交，并以轴单位为度量单位，算得其标轴系

6、数，再取倒数比：1/p：1/q ：1/r=h ：k：l把 h ：k：l 化为最简单的互质系数置于小括号（）中，即为该晶面的米氏符号。三 思考题1晶体定向的原则是什么坐标轴与对称要素间的关系 2晶体符号如何确定其在几何结晶学中有何作用实验二偏光显微镜使用实验学时：4学时实验类型：验证实验要求：必修一、目的要求1了解偏光显微镜的结构及使用方法。二、基本原理偏光显微镜引（Polarizingmicroscope是用于研究所谓透明与不透明各向异 性材料的一种显微镜。凡具有双折射的物质，在偏光显微镜下就能分辨的清楚, 当然这些物质也可用染色法来进行观察，但有些则不可能，而必须利用偏光显 微镜。反射偏光显

7、微镜是利用光的偏振特性对具有双折射性物质进行研究鉴定 的必备仪器，可供广大用户做单偏光观察，正交偏光观察，锥光观察。偏光显微镜的构造如图所示BEJ3-4備光握微镜结构示意图I. H镜：3訓氏憧手轮；屯制氏镀方 右個节手轮；工新氏權前府调节护轮：6船博施 工卄偿器；慣宦也卧9關憧曲10期镜；II. ftHT作佈总廉比迢：枪洪遗運：L4. 町曼光热1$趙W&W赳比I工良射修、实验内容1.使用前的检查(1) 确定起偏振镜或检偏振镜振动方向：将检偏振镜自镜中推出、只留 一个起偏振镜观察工作台上黑云母切片、转动工作台，当黑云母解理与起偏振 镜的振动方向平行时对黑云母吸收性最强，此时呈现深棕色，当

8、解理与起偏振 镜的振动方向垂直时，黑云母吸收性微弱，此时晶体呈现淡黄色，据此就能确 定起偏振镜的振动方向。另一法是将起偏振镜自显微镜上取下，通过起偏振镜 以较大倾斜角观察任一光亮的反射表面，转动起偏振镜至一最暗位置，即可确 定起偏振镜振动方向与水平方向 (左右不限 )垂直、因光亮表面反射来的部分偏振 光振动方向始终是观察者的左右方向。本仪器上的起偏振镜振动方向为观察者 的左右方向。(2) 起偏振镜与检偏振镜正交： 将检偏振镜推入 (为观察清楚， 应取下目 镜、物镜及拨开聚光镜前片 ) ，转动起偏振镜， 观察到最暗位置， 即系正交位置， 此时起偏振镜刻线应对准 00(1800)。(3) 目镜分划

9、板十字线与起偏振镜、检偏振镜振动方向平行，检查方法 同.在单偏光下观察黑云母切片，当黑云母解理与起偏抵镜的振动方向平行时， 颜色最深，呈深棕色，此目镜分划板十字线之一应与黑云母解理方向平行。2. 物镜中心调节方法如下(1)观察旋转工作台上的切片，在切片中找一小黑点，使位于目镜十字 线中心。(2)转动工作台，若物镜光轴与工作台中心不一致，黑点即离开十字线 中心绕一个圆转动。圆的中心 S 即为工作台的中心。(3) 将小黑点转至01 (此时距十字线中心最远)借物镜座上两个调节螺 丝调节S与0重合，使得小黑点自01移回001距离一半。(4) 如此循环进行上述三步骤可使物镜光轴与旋转工作台中心重合。3.

10、 用低倍物镜时，应将拉索透镜移出光路，同时用平面反射镜引入光 线。用高倍物镜及观察锥光图时，必须将拉索透镜引入光路，为增加视域亮度， 可用凹面反射镜引入光线。聚光镜之间的可变光栏可调节进光量的大小。4. 勃氏镜在一般情况下是不用的，只当在高倍物镜下看锥光图时才将勃氏镜加进光路，此时勃氏镜连同目镜构成一个放大镜以观察物镜后焦面上的锥光束干涉图，须注意在照明光源上加毛玻片或在引入光线的方向上应无障碍 物，以免使灯丝象或窗户框子、树、天空云彩等成象引起干扰。在观察微小矿 物时，应在光路中加入小孔光栏。5. 当用人工照明光源时，须将反射镜拔下，换插上灯室，并在起偏振 镜下加蓝色滤色片。调节灯室上的两个

11、螺钉，以使视场照片均匀。6. 当使用高倍物镜观察时，一般都先用低倍物镜来寻找目标，这时应 先调节低倍物镜光轴与旋转工作台中心重合， 并使欲观察的目标移向视场中心， 然后更换上高倍物镜，调换时，将镜筒升高使物镜离开切片，这样可避免因物 镜碰到切片而使切片走动。同时应注意不使物镜调节螺丝走动。7. 在使用过程中必须注意：要先旋转微动手轮，使微动处于中间位置， 再转动粗调手轮， 将镜筒下降使物镜靠近切片 （从侧面观察 ）；然后在观察切片的 同时再慢慢上升镜筒至看清物体的象为止，这样可避免物镜与切片相互碰撞而 压坏切片和损坏镜头。8. 如需进行显微摄影，应加接上所用的显微摄影系统，各种摄影系统 的使用

12、和联接刀法可能有所不同。9. 仪器使用完毕，须转动粗动手轮将物镜提起，关闭灯源。四、思考题偏光显微镜的应用有哪些实验三利用Gaussview进行化学建模实验学时：4学时实验类型：综合实验要求：必修一. 实验目的所有的量化程序（包括高斯）都是将所输入的分子转化为薛定谔方程，然后 求解方程得到所需要的有关分子的性质。因此我们必须要将所研究的体系转化为 高斯的输入文件，才能调入到高斯中进行计算。输入分子结构的合理性将直接决 定着据此得到的薛定谔方程的合理性， 也就影响着所得到的解的准确性， 所以创 建一个合理的输入文件是量化计算的一个重要环节。二. 实验内容：输入文件的创建大致可分为三类：直接用坐标

13、输入；利用晶体文件产生输入 文件；利用绘图软件画出分子结构然后转换为输入文件。 本实验主要是学会利用 Gaussview软件画出分子结构然后转换为输入文件。三. 实验方法：构建一个间氟苯乙烷分子并从GVIEW里递交计算双击GVIEW图标,打开GVIEW，下图就是GIVE打开后的窗口（2）.双击窗口中的图标，得到如下窗口里面有常用的环状官能团。选中苯环（单击即可选中）Lili1bcb§Q0*o合合bOQodham-DWCI$ICOC&j|ooCflO在当前工作窗口(打开 GIVEW寸程序自动打开一个工作窗口，如下图)也可通过File-new路径新建一个工作窗口在这个窗口中点鼠标

14、左键窗口中就会出现苯分子，见下图将鼠标放在分子上，按左键左右 或前后移动，可以调节分子的角度 将鼠标放在分子上，前后移动， 可以将分子放大或缩小Shift+Alt+鼠标左键组合可以Biiiil rl. Sfrl &fl- Nev_ E X|在窗口内平移分子Build Select Fl当工作窗口内有多个分子时【在构建大的分子时，这种情况很容易出现】这时可用以下命令可以用 Shift+Alt+鼠标左键组合移动想要移动的分子，以调节各个分 子间的距离可以用Ctrl+Alt+鼠标左键组合调节其中一个分子的角度，以调节各个(4).双击GVIEW界面上的图标。出现以下窗口分子间的角度。Ctrl+

15、Alt+鼠标左键这个组合常和将鼠标左键放在分子上，左右或 前后移动，可以调节分子的角度这个功能连用。点击氟的元素符号“ F”就选中氟原子。(5) .回到工作窗口在苯环上的任一个H上单击左键，将H置换成F。ev亘区但要注意此时仅是元素符号发生了改变，C-F间的距离仍是C-H键的距离。需要 用键长工具进行调整。单击GVIEW界面上图标。然后再点击工作窗口中的C原子和F原子，看到被选中的两个原子于周围的原子再亮度上有差异此时会出现下面的窗口根据C-F键的长度在和之间的方框内进行C-F键的调整。完毕后点击0K即可(6) .双击GVIEW界面上的 图标，出现以下窗口这是GVIEW里内置的链烃库，选中乙烷

16、 .在工作窗口内空处点左键，用我们前面讲过的命令调节苯和乙烷间的距离和角度：将鼠标放在分子上，按左键左右或前后移动，可以调节分子的角度；将鼠标放在分子上，前后移动，可以将分子放大或缩小。Shift+Alt+鼠标左键组合可以在窗口 内平移分子当工作窗口内有多个分子时【在构建大的分子时，这种情况很容易出现】这时可用以下命令：可以用Shift+Alt+鼠标左键组合移动想要移动的分子，以调节各个分子间的距离。 可以用Ctrl+Alt+鼠标左键组合调节其中一个分子的角度，以调节各个分子间的角 度。Ctrl+Alt+鼠标左键这个组合常和（将鼠标左键放在分子上，左右或前后移动， 可以调节分子的角度）这个功能

17、连用。具体的好处需要自己去试。（8）.单击GVIEW界面上图标。然后点击与乙烷正对的苯上的 C原子和H原子选择“None”，乙烷上的C-H键作类似处理然后单击GVIEW上的图标，点选工作窗口中的两个氢原子，即将它们删去再单击GVIEW界面上图标，根据实际键长将两个 C原子联起来。至此分子构建已完成。(9). GVIEW存储个人常用分子的功能。GVIEW中只有常用的一些环状分子和 链状分子，远不能满足研究特定体系的特殊需要。不过 GVIEW有一个功能可以 弥补这个缺憾：可以把常用的分子或官能团存在制定的文件夹内。在需要时可以 直接调用。双击GVIEW界面上的图标，在下面的对话框中键入相关项目，保

18、存即可Point group 后，出(10).查看分子的对称性从Edit-Point group路径可以查看所构建分子的点群。点击 现如下窗口：为C1点群，其下拉菜单中的为可能的点群（改变Toleranee也可帮助我们判断所 构建体系可能有的点群）（11）.查看分子坐标。单击 GVIEW界面上的图标。出现下面窗口Z表示时内坐标，C表示直角坐标。可以在里面对坐标做适当的调整（12）.向 GAUSS递交计算。点 GVIEW界面上 Calculaten 中的 Gaussian会出来一个递交计算的对话框。从所给的对话框中可以选择工作类型Job Type（如优化，能量或频率等）；计算方法Method （

19、如半经验方法，HF方法，DFT方 法，MP方法等，还可以选定基组）；Title（对所要做的计算给一个说明，以备以后 的查看）Link 0 （给检查点文件命名，还可以在此用RWF命令设置临时数据交换文件的大小）；General,Guess,（这两个选项主要是给出体系中各原子的连接关系 及如何给出初始猜测）;NBO （可在此设定NBO计算），PBC （可在此设定晶体的 有关计算），Solvation （可在此设定溶液中的计算，除了选择溶剂外，还要选择 模拟溶剂的理论模型）选择完毕后，点Submit即可递交计算。有时由于安装的原因 GVIEW无法与 GAUS建立关联，就不能直接从GVIEW里递交计算。这时可以在GVIEW里保存用 于GAUS计算的输入文件（.gjf），然后从GAUSS!调出文件进行计算。实验报告要求：1 递交一个100个原子的石墨烯模型，边界用氢原子饱和;2 提供该模型机构优化的输入文件（方法和基组不限）；3 输入文件要可以用Gauss03程序进行运算实验四 溶胶的制备实验学时： 4 学时 实验类型：验证 实验要求：必修一、实验目的1.了解溶胶的性质特点、制备方法及原理 2了解影响溶胶稳定性的主要因素二、实验原理、方法和手段1. 原理 溶胶系指极细的固体颗粒分散在液体介质中的分散体系，其颗粒大小约在1nm至1 ym之间，若颗粒再大则称之为