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文档简介
第一章绪论第一章绪论材料和化学药品化学药品的用途主要基于其消耗;材料是可以重复或连续使用而不会不行逆地变成别的物质。材料的分类按组成、构造特点分:金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料按使用性能分:StructuralMaterials——主要利用材料的力学性能;FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化学性能按用途分:导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、电子信息材料、感光材料等等其次章材料的构造材料化学的主要内容:构造、性能、制备、应用其次章材料的构造元素和化学键了解元素的各种性质及其变化规律:第一电离能、电子亲和势、电负性、原子及离子半径留意把握各种结合键的特性及其所形成晶体材料的主要特点了解势能阱的概念:吸引能attractive,:源于原子核与电子云间的静电引力排斥能eR:源于两原子核之间以及两原子的电子云之间相互排斥总势能l:吸引能与排斥能之和总势能随原子间距离变化的曲线称为势能图〔势能阱〕晶体学根本概念晶体与非晶体〔构造特点、性能特点、相互转化〕晶体:原子或原子团、离子或分子在空间按确定规律呈周期性地排列构成〔长程有序〕非晶体:原子、分子或离子无规章地积存在一起所形成〔长程无序、短程有序〕晶态与非晶态之间的转变非晶态所属的状态属于热力学亚稳态,所以非晶态固体总有向晶态转化的趋势,即非晶态固体在确定温度下会自发地结晶,转化到稳定性更高的晶体状态。通常呈晶体的物质假设将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态。晶格、晶胞和晶格参数周期性:同一种质点在空间排列上每隔确定距离重复消灭。周期:任一方向排在始终线上的相邻两质点之间的距离。晶格结点e:质点的中心位置。空间点阵e:由这些结点构成的空间总体。晶胞t:构成晶格的最根本的几何单元。晶系7个晶系的晶格参数特征14种空间点阵类型晶向指数和晶面指数理解晶面和晶向的含义晶面——晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面,即结晶多面体上的面。晶点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组〔晶列,晶列所指方向就是晶向晶列 晶面簇把握晶向指数和晶面指数确实定晶向指数与晶面指数:国际上统一承受密勒指数〔Millerindices〕来进展标定。[uvw]OP的晶向指数,用〔hkl〕来表示一组平行晶面,称为晶面指数。晶面间距——把握较简洁晶系的晶面间距计算 a正交晶系 1 h2 k2 l2
立方晶系d 0
hkl
h2k2
l2d a2 b2 c2hkl晶体材料的构造金属晶体理解金属晶体的积存模型1型最密积存〔面心立方〕和3型最密积存〔六方,2型密积存〔体心立方〕把握单位晶胞原子数、配位数确实定StructureCNnξbcc820.68fcc1240.74hcp1260.74把握原子积存系数的计算原子积存系数=单位晶胞内原子体积/单位晶胞体积离子晶体鲍林规章理解鲍林规章鲍林第一规章──正离子的配位数取决于离子半径比。鲍林其次规章——在离子的积存构造中必需保持局域的电中性。鲍林第三规章——稳定构造倾向于共顶连接鲍林第四规章──假设晶体构造中含有一种以上的正离子,则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势鲍林第五规章──同一构造中倾向于较少的组分差异,也就是说,晶体中配位多面体类型倾向于最少。运用鲍林规章分析晶体构造二元和三元离子晶体了解各种离子晶体的构造特点关注某些较有特点的离子晶体的构造与性能关系〔如课件中提及的内容〕CaF2NaCl的性质比照:F-Cl-小,Ca2+Na+稍大,综合电价和半径两因素,萤石中质点间的键NaCl中的键力强,反映在性质上,萤石的硬度为莫氏41410℃3.180.002;NaCl808℃2.1635.7。CaF2晶体构造中,8个F-之间形成的八面体空隙都没有被填充,成为一个“空洞”,构造比较开放,有利于形成负离子填隙,也为负离子集中供给了条件。ZrO2属萤石型构造,具有氧离子集中传导的机制,在900~1000℃O2-0.1S/cm。硅酸盐构造硅酸盐构造特点根本构造单元:硅氧四周体[SiO4]四周体连接方式:共顶连接硅酸盐构造类型岛状、环状/链状、层状、网架状各种类型的代表性硅酸盐及其性能特点Mg2[SiO4]环状硅酸盐:绿宝石Be3Al2[Si6O18] 链状硅酸盐:透辉石CaMg[Si2O6]构造层状硅酸盐:滑石Mg3[Si4O10](OH)2晶体缺陷根本概念:晶体中原子偏离抱负的周期性排列的区域称作晶体缺陷缺陷的种类:点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷点缺陷种类:空位、间隙原子、置换式杂质原子、间隙式杂质原子热缺陷和杂质缺陷的主要区分:晶体的杂质缺陷浓度仅取决于参与到晶体中的杂质含量,而与温度无关肖特基缺陷原子或离子移动到晶体外表或晶界的格点位上,在晶体内部留下相应的空位弗伦克尔缺陷原子或离子离开平衡位置后,挤入晶格间隙中,形成间隙原子离子,同时在原来位置上留下空位点缺陷的表示方法主符号说明缺陷的主体;空位V,正离子M、负离子X、杂质原子L〔对于具体原子用相应的元素符号。下标表示缺陷位置;间隙位用下标i表示,M位置的用下标M表示,X位置的用下标X表示;〔小圆点〕表示,负电荷用“〔小撇〕表示,零电荷用“×”表示〔省略。点缺陷对材料性能的影响力学性质:晶体的机械强度大大降低催化性能:成为催化反响发生的活性中心电学性质:掺杂形成半导体光学性质、颜色线缺陷和位错位错:线缺陷的具体形式柏格斯矢量确实定nmn个晶格矢量,m个晶格矢量,到达终点原子。从柏格斯回路的终点到起点画出的矢量就是柏格斯矢量b刃型位错和螺型位错一样点:二者都是线缺陷不同点:①刃型位错具有一个额外的半原子面,而螺型位错无;②刃型位错的位错线与柏格斯矢量相垂直;螺型位错线与柏格斯矢量平行;③。。。面缺陷和体缺陷晶体中的晶界或外表属于面缺陷。——外表的存在对材料的物理化学性能有重要的影响体缺陷一般指材料中的空洞、夹杂物等——体缺陷的存在常常是有害的。固溶体固溶体:一个〔或几个〕组元的原子〔化合物〕溶入另一个组元的晶格中,而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。〔无限固溶体成;填隙型固溶体〔有限固溶体:在溶剂的晶格间隙内有溶质的原子填入〔溶入〕形成的固溶体留意把握影响形成置换型固溶体或填隙型固溶体的因素〔粒子尺寸、电价等因素〕原子或离子尺寸的影响y阅历规章5时,溶质与溶剂之间可以形成连续固溶体;当△r=0.15-0.30r>0.3时,溶质与溶剂之间很难形成固溶体或不能形成固溶体,而简洁形成中间相或化合物。因此Δr愈大,则溶解度愈小。电价因素:求,生成连续固溶体。试验推断形成何种固溶体的方法:利用X射线衍射或电子衍射,确定固溶体的点阵类型和点阵常数,由此推出一个晶胞内的原子数n和晶胞体V;依据该固溶体的平均原子量A及阿弗伽德罗常数NA即可算出固溶体的理论密度;过试验直接测出该固溶体的实际密度;比较理论密度和实际密度固溶体的形成对晶体材料性质的影响稳定晶格,阻挡某些晶型转变的发生活化晶格固溶强化形成固溶体后对材料物理性质的影响第三章材料的性能第三章材料的性能化学性能各种材料的化学性能特点:耐氧化性〔化学锈蚀、电化学腐蚀;耐酸碱性;耐有机溶剂性;耐老化性力学性能各种力学性能的表征及一些简洁计算:材料的强度、材料的硬度、疲乏性能各种材料的力学性能特点很多金属材料既有高的强度,又有良好的延展性;多晶材料的强度高于单晶材料;–目的。固溶体或合金的强度高于纯金属;–杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。多数无机非金属材料延展性很差,屈服强度高。–源于共价键的方向性热性能用势能阱解释材料热膨胀及其与键强的关系各种材料的导热率电性能能带理论解释各种材料的导电性介电性根本概念铁电性〔材料在除去外电场后仍保持局部极化状态)与压电性的原理磁性磁性的种类:反磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、铁氧体磁性磁畴〔—自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成的磁化小区域〕和磁化曲线光学性能第四章材料化学热力学各种材料的光学性能特点第四章材料化学热力学化学热力学根底埃灵罕姆图及其应用G0-T线的斜率:与反响前后的气体分子数相关氧化过程气体数目削减,则S0<0,(-S0)>0,斜率为正。金属+O金属氧化物2氧化过程气体数目增加,则S0>0,(-S0)<0,斜率为负。2C(s)+O(g)=2CO(g)2氧化过程气体数目不变,则S0=0,(-S0)=0,斜率为零,即G0几乎与温度无关。C(s)+O(g)=CO(g)2 2G0-T线的相对位置——G0-T曲线越在下方,金属氧化物的G0负值越大,其稳定性也就越高。〔相图局部以二元相图为主〕相律:f=c-p+2f:自由度数;c:组成材料系统的独立组元数;p:平衡相的数目;WLWbcabC WLWbcabC CCC0杠杆规章 0 L各种点、线、区及对应的自由度2条线:液相线、固相线c=2,p=2,f=12个单相区:固相区、液相区c=2,p=1,f=21个两相区:c=2,p=2,f=1第五章材料的制备利用相图考察材料的相态变化,例如从熔体降温时,相态的变化,以及各相的成分、含量及其变化第五章材料的制备晶体生长技术熔体生长法:将欲生长晶体的原料熔化,然后让熔体到达确定的过冷而形成单晶提拉法:可以在短时间内生长大而无错位晶体;生长速度快,单晶质量好;适合于大尺寸完善晶体的批量生产坩埚下降法区熔法焰熔法液相外延法〔关注各种方法的原理、特点〕溶液生长法主要原理:使溶液到达过饱和的状态而结晶。过饱和途径:利用晶体的溶解度随转变温度的特性,上升或降低温度而到达过饱和;承受蒸发等方法移去溶剂,使溶液浓度增高。介质:水、熔盐〔制备无机晶体〕丙酮、乙醇等有机溶剂〔制备有机晶体〕水溶液法原理:通过把握适宜的降温速度,使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度,从而结晶。制备单晶的关键:消退微晶及准确控温水热法在高压釜中,通过对反响体系加热加压〔或自生蒸汽压不溶的物质溶解而到达过饱和、进而析出晶体熔盐法使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂气相沉积法简洁原理PVD化学气相沉积法CVD:通过气相化学反响生成固态产物并沉积在固体外表的过程。PVDCVD的主要特点PVC:真空蒸镀、阴极溅射法、离子镀D:热能〔l、等离子体增加〔、光化学〔o〕CVD的化学反响类型热分解;氢复原;卤化物的金属复原;氧化和水解;碳化和氮化。化学气相输运的原理和应用〔重要〕原理:在确定条件下把材料转变成挥发性的中间体,然后转变条件使原来的材料重形成。用途:材料的提纯;单晶的气相生长;薄膜的气相沉积;化合物的合成。溶胶-凝胶法原理金属醇盐水解水解产物缩合酸催化和碱催化比较酸催化条件下通常得到线形或带无规支链的缩聚产物碱催化条件下较简洁形成交联网络状的产物应用主要优缺点液相沉淀法直接沉淀法简洁、低本钱;粒子粒径分布较宽,分散性差共沉淀法可获得含两种以上金属元素的复合氧化物均匀沉淀法沉淀剂由化学反响缓慢地生成可获得粒子均匀、夹带少、纯度高的超细粒子沉淀剂尿素、硫代乙酰胺:把握相关的反响固相反响固相反响特点固体直接参与化学反响反响物浓度对反响影响很小反响开头温度常远低于反响物的熔点或系统低共熔温度。过程和机理热力学因素:能自发进展的纯固相反响总是放热反响〔为什么?〕–纯固相反响:△S→0,∴△G=△H+T△S≈△H,因此发进展条件△G<0→△H<0动力学因素:反响速率受集中把握;升温有利于增加集中速率影响因素插层法和反插层法插层法〔或植入法〕——把一些原子导入晶体材料的空位反插层法〔或提取法〕——有选择性地从晶体材料中移去某些原子特点:起始相与产物的三维构造具有高度相像性产物相对于起始相其性质往往发生显著变化自集中高温合成法〕利用反响物之间的化学反响热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术,也称为燃烧合成SHS的机理:平衡机制:化学转变与构造转变同步;非平衡机制:化学转变与构造转变不同步SHS的反响类型SHS的技术类型:SHS制粉技术;HS烧结技术;HS致密化技术;HS熔铸;SHS焊接;HS涂层SHS节约能源;③合成反响温度高,可以使大多数杂质挥发而得到高纯产品;④合成过程经受了极大的温,使产品活性高,可获得简洁相和亚稳相;⑤集材料合成和烧结于一体,可广泛应用于合成金属、陶瓷和复合材料。非晶材料的制备技术要点:必需形成原子或分子混
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