材 料 科 学 基 础 大 纲
材料科学基础大纲目录第二章 晶体结构 12.1 结晶学基础 12.2 结合力与结合能 12.3 堆积（记忆常识） 12.4 单质晶体结构（了解） 22.5 无机化合物结构（重点 每年必考） 22.6 硅酸盐晶体结构 3第三章 晶体结构缺陷 53.1 结构缺陷类型 53.2 点缺陷 53.5 固溶体 63.6 非化学计量化学物 7第四章 非晶态结构与性质 74.2 熔体的性质 74.3 玻璃的形成 8第五章 表面结构与性质 95.1 固体表面及其结构 95.3 润湿与黏附 10第六章 相图（必考） 12第七章 扩散 137.1 菲克定律（重点） 137.5 多元系统的扩散 137.6 影响扩散的因素 14第八章 相变 148.1 相变概述 148.2 成核生长相变 15第九章 固态反应 179.1 概论 179.3 反应动力学 179.5 影响因素 19第十章 烧结 2010.1 概述 2010.2 烧结过程及机理 2010.4 再结晶和晶粒长大 2010.7 影响因素 21第十一章 腐蚀 21第十二章疲劳与断裂 22
第二章 晶体结构2.1 结晶学基础1、概念：晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。晶胞 ：晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的最小重复单元。晶胞参数：胞的形状和大小可以用6个参数来表示，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。七大晶系：布拉菲（Bravais）依据晶胞参数之间关系的不同，把所有晶体划归为7类，即7个晶系。晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。晶面族 ：晶体结构中原子排列状况相同但不平行的两组以上的晶面，构成一个晶面族。晶向指数：用来表示。其中u、v、w三个数字是晶向矢量在参考坐标系X、Y、Z轴上的矢量分量经等比例化简而得出。晶向族：晶体中原子排列周期相同的所有晶向为一个晶向族，用〈uvw〉表示。2、晶面指数和晶向指数的计算 2.2 结合力与结合能按照结合力性质不同分为物理键和化学键化学键包括离子键、共价键、金属键物理键包括范德华键、氢键晶体中离子键共价键比例估算（公式2.16）file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6EE4.tmp.png式中xA、xB分别为A、B元素的电负性值。离子晶体晶格能：1摩尔离子晶体中的正负离子，由相互远离的气态结合成离子晶体时所释放出的能量。2.3 堆积（记忆常识）1、最紧密堆积原理：晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。此即球体最紧密堆积原理。适用范围：典型的离子晶体和金属晶体。原因：该原理是建立在质点在电子云分布呈球形对称以及无方向性的基础上2、两种最紧密堆积方式：面心立方最紧密堆积ABCABC
密排六方最紧密堆积ABABAB系统中：每个球周围有6个八面体空隙 8个四面体空隙
N个等径球体做最紧密堆积时系统有2N个四面体空隙N个八面体空隙八面体空隙体积大于四面体空隙3、空间利用率：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值（要学会计算）两种最紧密堆积方式的空间利用率为74.05﹪（等径球堆积时）4、影响晶体结构的因素内因：质点相对大小（决定性因素）
配位数。配位数：一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目为原子（或离子）的配位数，用CN来表示。极化。离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场，必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥作用，使之发生变形，这种现象称为极化。 影响：极化会导致离子间距离缩短，离子配位数降低，同时使变形的电子云相互重叠，使键性由离子键向共价键过渡，最终使晶体结构类型发生变化。外因（了解）：同质多晶 类质多晶 同质多晶转变2.4 单质晶体结构（了解）2.5 无机化合物结构（重点 每年必考）分析结构从以下几个方面入手：晶胞分子数，何种离子做何种堆积，何种离子添隙，添隙百分比，正负离子配位数，正负离子电价是否饱和，配位多面体，添隙半径的计算（刚好相切时），隙结构与性质的关系。1、NaCl型：4个NaCl分子Cl离子做面心立方密堆积，Na离子填充八面体空隙，填充率100﹪，正负离子配位数均为6，电价饱和。【NaCl6】或【ClNa6】八面体结构与性能：此结构在三维方向上键力均匀，因此无明显解理，破碎后呈颗粒状，粒为多面体形状。离子键结合，因此有较高的熔点和硬度。2、立方ZnS结构：4个ZnS分子S离子做面心立方密堆积，Zn离子填充四面体空隙填充率50﹪，离子配位数均为4，电价饱和，【ZnS4】四面体
画投影图（图2.26）注意：一定要画虚线，一定要标高，一定要有图例（白球黑球代表什么离子）file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6EE5.tmp.jpg 3、萤石（CaF2）结构：（唯一正离子做堆积的结构）4个CaF2分子 Ca离子做面心立方密堆积，F离子填充四面体空隙，填充率100﹪。正离子配位数为8，负离子配位数为4，电价饱和，【CaF8】或【FCa4】
结构与性能：与NaCl相比，综合电价和半径因素，萤石质点间键力比NaCl强，表现为萤石硬度熔点密度高于NaCl而水中溶解度低于NaCl。由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被Ca离子填充，所以在{111}面网方向上存在毗邻的同号离子层，其静电斥力起主要作用，导致晶体在平行与{111}面网方向上易发生解理，因此萤石常呈八面体解理。碱金属氧化物R2O为反萤石结构，它们的正负离子位置刚好跟萤石结构中相反，性质相似，在{111}面网方向上也易发生解理。4、钙钛矿CaTiO3结构（每年必考）:Ca离子占据八个顶点，O占据六个面的面心，Ti离子位于体心。Ca和O共同做面心立方密堆积。Ti离子占据八面体空隙的1/4。晶胞分子数1，配位数：Ca 12，Ti 6，O 6，O电价饱和。理想情况下半径关系file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6EE6.tmp.png（会推导）结构与性能的关系：电价饱和，晶体结构稳定。5、自发极化与铁电效应：（每年必考）自发极化：对于理想晶体而言，如果不存在外电场时，单位晶胞中的正负电荷不重合，具有一定的偶极矩，这种现象称为自发极化。产生自发极化的条件：离子位移后使离子固定在新位置上的力应该大于位移后的恢复力。BaTiO3具有铁电效应而CaTiO3不具有铁电效应的原因：要有铁电效应必须能够产生自发极化。Ba离子半径比较大，使得晶胞参数也比较大，从而使得结构中【TiO6】八面体空隙比较大，Ti与O之间有比较大的空隙，可以克服恢复力，可以发生自发极化。而CaTiO3中由于Ca离子半径小，使得晶胞参数也比较小，从而使结构中【TiO6】八面体空隙比较小，甚至小于Ti离子尺寸，位移后恢复力很大，不能在新位置上固定下来，从而不能产生自发极化，没有铁电效应。2.6 硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体基本结构单元是【SiO4】四面体。硅酸盐晶体各种结构的共同特点（4条58页）（1）构成硅酸盐晶体的基本结构单元四面体。Si-O-Si键是一条夹角不等的折线，一般在145o左右。（2）四面体的每个顶点，即O2-离子最多只能为两个四面体所共用。（3）两个相邻的四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。（4）四面体中心的Si4+离子可部分地被Al3+ 所取代。file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6EE7.tmp.png硅酸盐晶体分类：根据硅氧比分类（58页表2.13） 岛状结构：镁橄榄石（结构，结构与 性质的关系）镁橄榄石结构中，O2-离子近似于六方最紧密堆积排列，Si4+离子填于四面体空隙的1/8；Mg2+离子填于八面体空隙的1/2。每个四面体被八面体所隔开，呈孤岛状分布。结构与性质的关系：结构中每个O2-离子同时和1个和3个相连接，因此，O2-的电价是饱和的，晶体结构稳定。由于Mg-O键和Si-O键都比较强，所以，镁橄榄石表现出较高的硬度，熔点达到1890℃，是镁质耐火材料的主要矿物。同时，由于结构中各个方向上键力分布比较均匀，所以，橄榄石结构没有明显的解理，破碎后呈现粒状。 组群状：桥氧: 有限四面体群中连接两个Si4+离子的氧称为桥氧绿宝石结构: 绿宝石的基本结构单元是由6个四面体组成的六节环，六节环中的1个Si4+和2个O2-处在同一高度，环与环相叠起来。图中粗黑线的六节环在上面，标高为100，细黑线的六节环在下面，标高为50。上下两层环错开30o投影方向并不重叠。环与环之间通过Be2+和Al3+离子连接。链状：单链，双链层状：单网层，复网层，水镁（铝）石层 滑石：沿C轴方向的复网层，两个硅氧层夹一层水镁石层，三八面体。结构与性质的关系：层内电价饱和，层间通过分子间力结合，有解理。 蒙脱石：复网层，结构与性质的关系：C轴长度随含水量而变化。第三章 晶体结构缺陷3.1 结构缺陷类型缺陷（概念）：晶体点阵结构中周期性势场的畸变按照几何形态分类：点，线，面，体 点缺陷包括：空位，间隙，杂质，色心 线缺陷有：位错 面缺陷有：晶界，表面按照缺陷产生原因分类：热缺陷（本征缺陷），杂质缺陷和非化学计量缺陷（非本征缺陷） 热缺陷分为弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷（理解图3.2）（弗伦克尔缺陷的特征是空位和间隙质点成对出现，肖特基缺陷特征是正负离子空位成对出现。）file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6EE8.tmp.png3.2 点缺陷（重点为缺陷反应方程式的书写以及缺陷浓度的计算）符号，书写原则，98页下面的两个基本规律点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号,空位（vacancy）用V来表示,间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi来表示, 错位原子错位原子用MX、XM等表示,自由电子（electron）与电子空穴 (hole）分别用e，和h ·来表示基本规律：低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。
高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷，为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。 缺陷反应方程式的一般式：file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6EF9.tmp.png当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生弗仑克尔缺陷。 热缺陷浓度的计算：热力学方法， 化学平衡方法 3.5 固溶体固溶体:将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体。分类：根据位置分为置置换型固溶体，间隙型固溶体 固溶度分为有限固溶体（不连续固溶体），无限固溶体（连续固溶体）形成置换固溶体的条件（4条）1. 原子或离子尺寸的影响Hume Rothery经验规则
2、晶体结构类型的影响
3、离子类型和键性
4、电价因素形成间隙型固溶体的条件1 杂质质点大小。即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。2 晶体（基质）结构。 离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。 3电价因素。外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。为什么间隙固溶体不能是连续固溶体（149页最下面）？形成间隙式固溶体时，—般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使固溶体变成不稳定而离解，所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。会写方程式理论密度计算，化学式的确定1、理论密度计算 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6F09.tmp.png计算方法1）先写出可能的缺陷反应方程式；
2）根据缺陷反应方程式写出固溶体可能的化学式
3）由化学式可知晶胞中有几种质点，计算出晶胞中i质点的质量：file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6F0A.tmp.png据此，计算出晶胞质量W：file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6F0B.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6F0C.tmp.jpg 3.6 非化学计量化学物（要仔细看课本，理解）四种类型不再赘述，关键是要导出方程式，得出空位浓度，电子浓度与氧压力和温度的关系，并说明其与密度，导电性的关系。另外注意N型半导体与P型半导体 第四章 非晶态结构与性质4.2 熔体的性质1、粘度：粘度是流体（液体或气体）抵抗流动的量度。F＝ηS dv/dx 物理意义：指单位接触面积、单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。影响因素：对于硅酸盐晶体而言，熔体中聚合阴离子团越大粘度越大，反之亦然。因此影响粘度的因素就是影响聚合阴离子团大小的因素，主要有温度和添加剂。温度对粘度的影响：由于温度升高，聚合阴离子团将解聚为较小的阴离子团，因此温度升高主要使粘度变小。添加剂对粘度的影响：通常碱金属氧化物的加入使粘度变小（需要理解并能够用自己的话详细说明）二价金属氧化物有两重性，但主要使粘度降低。（需要理解并能够用自己的话详细说明）高价金属氧化物使粘度增大（需要理解并能够用自己的话详细说明）硼反常现象（重点）：由于硼离子配位数变化引起性能曲线上出现转折的现象。当三氧化二鹏含量较少时使粘度增加，当三氧化二鹏含量较多时使粘度下降（需要理解并能够用自己的话详细说明）2、表面张力：（概念）熔体表面的质点受到内部质点的吸引力比表面层空气介质的引力大，因此表面层质点有趋向于熔体内部并使表面积有尽量收缩的趋势，结果就在表面切线方向上有一种缩小表面的力作用着，这个力即表面张力。σ（物理意义）作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位N/m.表面能：将熔体与另一相接触的相界面上（一般另一相指空气），在恒温、恒压条件下增加一个单位表面积时所做的功，称为比表面能，简称表面能，单位为J/㎡.影响因素：温度：温度升高，质点热运动增加，体积膨胀，相互作用松弛，表面张力降低。 添加物：一般说O/Si愈小，熔体中复合阴离子团愈大，e/r值变小，间作用力愈小，因此这些复合阴离子团就部分地被排挤到熔体表面层，使表面张力降低。加入碱金属氧化物，由于一价金属阳离子以断网为主，它的加入能使复合阴离子团离解，由于复合阳离子团的r减小使e/r的值增大，相互间作用力增加，表面张力增大。分别加入等量的碱金属氧化物，表面张力改变规律如下：σL12O·SiO2＞σNa2O·SiO2＞σK2O·SiO2＞σCs2O·SiO24.3 玻璃的形成热力学条件：玻璃太与晶态的△G相差越小越容易形成玻璃动力学条件：成核—生长速度相差越大，越容易形成玻璃结晶化学条件：复合阴离子团越大越容易形成玻璃，排列越不规则越复杂越容易形成玻璃 璃网络形成体（其中正离子为网络形成离子），其单键强度>335kJ／mol。这类氧化物能单独形成玻璃。网络改变体（正离子称为网络改变离子），其单键强度<250kJ/mol。这类氧化物不能形成玻璃。但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。网络中间体（正离子称为网络中间离子），其单键强度介于250～335kJ/mol。这类氧化物的作用介于玻璃形成体和网络改变体两者之间。单键强度越高，熔点越低的氧化物越易于形成玻璃。具有离子键或金属键向共价键过度的混合键型则容易形成玻璃第五章 表面结构与性质
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