材料科学基础总复习

第40讲总复习《材料科学基础》课程主要从一级学科层次阐述材料的组成与结构、制备与加工、性质、使用性能等材料科学与工程主要要素之间的相互关系及其制约规律。在讲授过程中，尽力无机非金属材料物理化学、金属学原理、高分子材料科学等学科的共性科学原理和方法，构建一级学科层次上阐述材料结构（包含电子结构、空间质点排列、显微结构或相结构等结构层次）、性质、性能相互关系以及静态、动态条件下解决材料设计、制备、加工等相关工程问题；在建立材料领域科学基础的同时，通过科学思维方法的训练，全面培养学生运用科学原理解决实际问题的工程能力；通过教学内容的精选与组织，培养材料工作者既注重材料研究与开发的基础研发过程，又重视材料加工与服役中的性能变化及环境行为效应等材料使用过程的综合素质，使学生成为能够理解并调控材料开发-服役-消亡的整个材料循环过程的综合型人才。在进行总复习时，首先回顾在绪论中介绍的各章节之间的内在关系，然后，针对各章节的重点和难点进行总结，具体如下：2晶体结构1、 晶体中的键合类型是依据什么进行分类的，分为哪几类，各自的含义几特点是什么？2、 晶面晶向的指数表达，会根据晶面指数和晶向指数在一个单胞内画出晶面和晶向。3、 等径球最紧密堆积的方式（两种，六方最紧密堆积和面心最紧密堆积），各自的堆积形式是ABA和ABCA堆积，分别存在六方晶胞和面心立方晶胞，密排面分别是｛0001｝面和｛111｝面。4、 等径球最紧密堆积中的空隙有哪两种；一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙；n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙；不等径球是如何进行堆积的。5、 关于典型无机化合物晶体结构从以下几个方面进行分析：何种离子作何种密堆积，何种离子添何种空隙；配位数与配位多面体、配位多面体之间的连接方式；晶胞分子数；空隙添充情况；氧离子的电价是否饱和（根据鲍林规则判断结构的稳定性）；结构对性能的影响；能够根据立体图画出投影图或根据投影图画出立体图。6、掌握硅酸盐晶体化学式的两种写法；硅酸盐晶体结构有何特点；硅酸盐晶体的分类原则是什么，共分为为拿几大类，每类的结构特点是什么。7、 关于硅酸盐晶体结构从以下几个方面进行分析：何种离子作何种密堆积，何种离子添何种空隙；配位数与配位多面体、配位多面体之间的连接方式；晶胞分子数；空隙添充情况；氧离子的电价是否饱和（根据鲍林规则判断结构的稳定性）；结构对性能的影响；对于链状的硅酸盐晶体还要分析链的构成、链的伸展方向及链间的连接方式；对于层状的硅酸盐晶体还要分析层的类型、层的构成、层间结合力，层的堆积方向，解理情况。3晶体结构缺陷1、 基本概念结构缺陷、点缺陷、线缺陷、面缺陷、固溶体（置换型和间隙型固溶体）非化学计量缺陷、色心、。2、 晶体结构缺陷的分类。3、 掌握热缺陷的两种基本类型及特点；掌握点缺陷的符号表示；掌握缺陷反应方程式的写法，会利用化学平衡方法计算缺陷浓度。4、 位错的两种基本类型，各自有何特点，柏格斯矢量的物理意义。5、 小角度晶界的位错模型。6、 固溶体的分类及影响置换型和间隙型固溶体形成的因素，固溶体类型的判别，简单分析形成固溶体后对晶体性质的影响。8、 非化学计量化合物的特点，能够解释为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料。4非晶态结构与性质1、 硅酸盐熔体的基本结构单元是什么？硅酸盐熔体的基本结构单元是以什么状态存在的？SIO4聚合物2、 硅酸盐熔体的结构特征是什么？[SiO4]为基本结构单元，四面体组成形状不规则大小不同的聚合力子团，络阴离子团之间依靠金属离子连接。3、 掌握粘度与温度的关系：温度升高，熔体的粘度降低，并能从结构上进行解释。4、 掌握粘度与组成的关系：R2O、RO对粘度的影响。5、 从Na2O—SiO2系统出发，随引入B2O3量的增加，系统的粘度、电导率、密度如何变化，为什么？解释硼反常现象。6、 掌握表面张力与温度的关系：一般温度升高，熔体的表面张力降低，并能从结构上进行解释。7、 掌握表面张力与组成的关系。8、 了解玻璃的通性，掌握玻璃转变温度和玻璃转变温度范围，影响玻璃转变的因素。9、 玻璃形成的结晶化学条件。5表面结构与性质1、 基本概念：表面、晶界、相界、弛豫表面、重构表面、黏附、润湿、吸附2、 固体是如何降低系统的表面能的，固体表面通过表面质点的极化、变形、重排降低固体的表面能;液体分子可自由移动，通过形成球形表面来降低表面能。为什么相同组成的固体的表面能总是高于液体的表面能。固体质点不能自由移动，只能通过表面质点的极化、变形、重排降低表面能，因此表面能总是高于同组成的液体的表面能。3、 固体的表面力场的分类和本质，晶体的表面结构特点，表面粗糙度、表面微裂纹对表面力场的影响。4、 固体的界面行为对固体表面结构和性质的影响；粗糙表面的润湿行为。6相平衡与相图1、 基本概念：相图、完全平衡状态、独立组元、自由度、凝聚系统、相律、相平衡的研究方法。2、 三元系统相图的分析：划分副三角、判断化合物的性质、判断界线和三角形边上温度下降的方向、判断无变量点的性质并会写出其平衡特征、冷却结晶过程分析、初步掌握加热过程分析、过程量的计算。7基本扩散动力学过程1、 基本概念：扩散、扩散的本质、扩散的结果，扩散的推动力，正扩散和负扩散，自扩散和互扩散极其特点，扩散通量，稳定扩散和非稳定扩散，无序扩散及特点。2、 固体扩散的微观机构有哪几种，哪些是实际存在的，为什么？3、 菲克第一定律和菲克第二定律的一维表达式，各自的物理意义是什么，会运用菲克第一定律和菲克第二定律解决实际问题。4、 无序扩散系数D=1/6Xqd2中，d和q的物理意义；通过分析影响q的因素以及以体心立方晶体为例，得出无序扩散系数的数学表达式Dr=aa02NdY，由此得出空位扩散系数的表达式Dv=aa02Y0exp[(AS*+ASf)/R]exp[-(△H*+△Hf)/RT]，再进一步得出空位扩散系数的宏观表达式D=D0exp(-Q/RT)。5、 自扩散系数D*=fDr。6、 间隙扩散系数的表达式。7、 一个扩散系统中，扩散系数与温度的关系(D——1/T)，为什么？8、 克肯达尔效应。9、 影响扩散系数的因素。8材料中的相变1、 什么是相变、相变过程，相变过程的分类，相变推动力，相变过程的温度条件。2、 析晶的两个过程，均态核化和非均态核化的含义；会推导均态核化的临界半径和相变活化能；了解影响均态核化速率的因素；掌握非均态核化的相变活化能与均态核化的相变活化能的关系，能从理论上进行解释；掌握核化速率和晶化速率与温度的关系，画图说明，并指出形成晶体或玻璃有利的温度区间。总的结晶速率用什么表征。3、 影响结晶速率的因素。9材料制备中的固相反应1、 广义固相反应的共同特点；固相反应机理；固相界面上的化学反应的三个过程。2、 固相反应的一般动力学关系及其意义；解释化学动力学范围；解释扩散动力学范围的特点，扩散动力学范围的三个动力学方程的表达式、各自所采用的模型极其适用范围、有何优缺点。会推导一般动力学关系式，会推导扩散控制下动力学方程式。3、 影响固相反应的因素。10烧结1、 什么是烧结过程；烧结过程分为哪三个阶段，各有何特点？烧结的基本推动力。2、 颗粒间是怎样键何、重排的；物质在表面张力作用下是如何传递的，即物质传递的途径有哪些，烧结推动力的具体形式是什么，各在何种烧结中存在。3、 烧结三个阶段的模型，为什么可以采用这些简化模型处理烧结过程;烧结三个阶段是如何表示烧结过程的