無機材料科學(xué)課程報告

1、 1、緒論 材料學(xué)即是研究材料的學(xué)科，其研究內(nèi)容包括材料的性能，材料的組成結(jié)構(gòu)，材料的形成變化過程，材料的研究、制造方法及設(shè)備，以及它們之間的相互關(guān)系。其核心是材料的性能，其他均是為了材料性能的有效控制。 材料是人類社會賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的技術(shù)核心與先導(dǎo)。材料按其化學(xué)特征可劃分為無機非金屬材料、無機金屬材料、有機高分子（聚合物）材料和復(fù)合材料四大類。其中無機材料因原料資源豐富，成本低廉，生產(chǎn)過程能耗低，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣，能在許多場合替代金屬或有機高分子材料，使材料的利用更加合理和經(jīng)濟，從而日益受到人們的重視，成為材料領(lǐng)域研究和開發(fā)的重點。2、無機材料無機材料可分為傳統(tǒng)型和新型兩大類

2、。傳統(tǒng)無機材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四種，新型無機材料則包括新型陶瓷、特種玻璃、人工晶體、半導(dǎo)體材料、薄膜材料、無機纖維、多孔材料等，特點為，其質(zhì)點間結(jié)合力以離子健、共價鍵或離子共價混合鍵為主，表現(xiàn)出高熔點、高強度、耐磨損、高硬度、耐腐蝕和抗氧化的基本屬性，并具有寬廣的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、透光性以及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性和高溫超導(dǎo)性；其化學(xué)組成不再局限于硅酸鹽，還包括其他含氧酸鹽、氧化物、氮化物、碳與碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、鍺、IIIV族及IIVI族化合物等；其形態(tài)和形狀趨于多樣化，薄膜、纖維、納米材料，多孔，單晶和非晶材料日顯重要；在制備上普遍要求高純度、高細(xì)度的

3、原料并在化學(xué)組成、添加物的數(shù)量和分布、晶體結(jié)構(gòu)和材料微觀結(jié)構(gòu)上能精確加以控制。無機材料的結(jié)構(gòu)取決于組成以及合成和制備條件，并決定無機材料的性質(zhì)和用途；無機材料的性能是結(jié)構(gòu)的外在反映，對無機材料的使用效能有決定性影響，而使用效能又與無機材料的使用環(huán)境密切相關(guān)。無機材料的結(jié)構(gòu)可以從原子及電子結(jié)構(gòu)、原子的空間排列、組織結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)等層次上來描述。無機材料的合成和制備方法決定了無機材料的結(jié)構(gòu)和性能，無機材料的性能變化及性能衰減又與無機材料所處的條件及使用環(huán)境密切相關(guān)。無機材料科學(xué)與工程就是研究合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能與使用效能四者之間相互關(guān)系與制約規(guī)律的科學(xué)。無機材料的選用遵循使用性能、工藝性能、

4、經(jīng)濟性及環(huán)境協(xié)調(diào)性原則。無機材料作為工業(yè)和建設(shè)所必需的基礎(chǔ)材料，現(xiàn)代高新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)核心，在促進科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動工業(yè)及社會的進步，鞏固國防和發(fā)展軍用技術(shù)，推動生物醫(yī)學(xué)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用，而成為當(dāng)今材料學(xué)科領(lǐng)域中發(fā)展最為迅速的一大類材料。在人民的日常生活中，在基本建設(shè)工程中，在各種工業(yè)生產(chǎn)中，在現(xiàn)代國防和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，無機材料都有著各式各樣的用途，其用量之大居于所有人造材料首位。因此在無機材料的生產(chǎn)過程中，如何合理地使用原材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善產(chǎn)品性能，縮短生產(chǎn)周期，減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本，對于提高人民生活水平和促進國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，具有

5、十分重要的意義。3、 晶體結(jié)構(gòu)空間點陣、晶胞等是定性描述晶體中質(zhì)點排列周期性的基本概念。晶胞參數(shù)、晶面指數(shù)、晶向指數(shù)等是定量描述晶體中質(zhì)點周期性、規(guī)則性排列的基本概念，它們與描述晶體對稱性的宏觀及微觀對稱要素一起構(gòu)成描述晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)知識。 晶體化學(xué)主要研究晶體組成結(jié)構(gòu)性質(zhì)三者之間的相互關(guān)系和制約規(guī)律。晶體化學(xué)基本原理是通過質(zhì)點之間結(jié)合力和結(jié)合能、原子或離子半徑、球體緊密堆積、配位數(shù)、離子極化和鮑林規(guī)則等方面闡述它們對研究晶體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的意義。 晶體中質(zhì)點依靠相互結(jié)合力結(jié)合在一起，根據(jù)結(jié)合力的本質(zhì)不同，有離子鍵、共價鍵、金屬鍵、范德華鍵（分子鍵） 等，分別對應(yīng)典型的離子晶體、共價晶體、金

6、屬晶體及分子晶體。對于沒有方向性和飽和性的離子晶體及金屬晶體而言，質(zhì)點間堆積符合球體的最緊密堆積原理。而典型的共價晶體，質(zhì)點間堆積不符合最緊密堆積原理。對于大多數(shù)晶體來說，結(jié)合力的性質(zhì)是屬于綜合性的。實際晶體中的鍵可以用鍵型四面體來表征。決定晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在因素有質(zhì)點的相對大小、配位數(shù)、以及離子極化等。影響晶體結(jié)構(gòu)的外在因素有壓力、溫度等。晶體結(jié)構(gòu)與它的化學(xué)組成、質(zhì)點的相對大小和極化性質(zhì)有關(guān)。但并非所有化學(xué)組成不同的晶體都有不相同的結(jié)構(gòu)，而完全相同的化學(xué)組成的晶體也可以出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)。這就是晶體中有同質(zhì)多晶和類質(zhì)同晶之分的原因。鮑林在研究了離子晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，歸納出五條離子晶體結(jié)構(gòu)形成的規(guī)則。

7、其中重要的三條為：（1）配位多面體規(guī)則；（2）電價規(guī)則，是離子晶體中較嚴(yán)格的規(guī)則，它使晶體保持總的電性平衡，還可用于求得陰離子的配位數(shù)；（3）配位多面體連接方式規(guī)則。 考察無機晶體結(jié)構(gòu)時，通常從離子或原子的堆積方式、配位數(shù)與配位多面體及其連接方式，晶胞分子數(shù)、空隙填充情況、空間格子構(gòu)造、同晶取代（質(zhì)點置換）等方面來揭示、理解晶體的微觀結(jié)構(gòu)及其與晶體性質(zhì)之間的關(guān)系。對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的硅酸鹽晶體，通常從基本結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)造（包括配位數(shù)與配位多面體及其連接方式）、基本結(jié)構(gòu)單元之間的連接、晶胞分子數(shù)、空隙填充情況、同晶取代（質(zhì)點置換）等方面來描述、揭示晶體的微觀結(jié)構(gòu)及其與晶體宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系。4、 晶體

8、結(jié)構(gòu)缺陷固體在熱力學(xué)上最穩(wěn)定的狀態(tài)是處于0K時的完整晶體狀態(tài)，此時，其內(nèi)部能量最低。在高于0K任何溫度下的實際晶體，由于質(zhì)點的熱運動，或在形成過程中環(huán)境因素的作用，或在合成、制備過程中由于原料純度等因素的影響，或者在加工、使用過程中由于外場的物理化學(xué)作用等，使得晶體結(jié)構(gòu)的周期性勢場發(fā)生畸變，出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)不完整性，此即結(jié)構(gòu)缺陷。晶體的結(jié)構(gòu)缺陷不等于晶體的缺點，實際上，正是由于晶體結(jié)構(gòu)缺陷的存在，才賦予晶體各種各樣的性質(zhì)或性能。結(jié)構(gòu)缺陷的存在及其運動規(guī)律，對固體的電學(xué)性質(zhì)、機械強度、擴散、燒結(jié)、化學(xué)反應(yīng)性、非化學(xué)計量組成以及材料的物理化學(xué)性能都密切相關(guān)。只有在理解了晶體結(jié)構(gòu)缺陷的基礎(chǔ)上，才能闡明涉

9、及到質(zhì)點遷移的速度過程，因而掌握晶體缺陷的知識是掌握無機材料科學(xué)的基礎(chǔ)。 缺陷按幾何形態(tài)分為點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。這種分類方法符合人們認(rèn)識事物的基本規(guī)律，易建立起有關(guān)缺陷的空間概念。缺陷按其產(chǎn)生的原因分為：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計量缺陷、電荷缺陷和輻照缺陷等。此種分類方法有利于了解缺陷產(chǎn)生的原因和條件，有利于實施對缺陷的控制和利用。點缺陷是材料中最常見的一種缺陷，包括熱缺陷、組成缺陷、非化學(xué)計量缺陷、色心等。材料中的點缺陷始終處于產(chǎn)生與復(fù)合動態(tài)平衡狀態(tài)，它們之間可以像化學(xué)反應(yīng)似地相互反應(yīng)。書寫組成缺陷反應(yīng)方程式時，雜質(zhì)中的正負(fù)離子對應(yīng)地進入基質(zhì)中正負(fù)離子的位置。離子間價態(tài)不同時，若

10、低價正離子占據(jù)高價正離子位置時，該位置帶有負(fù)電荷，為了保持電中性，會產(chǎn)生負(fù)離子空位或間隙正離子；若高價正離子占據(jù)低價正離子位置時，該位置帶有負(fù)電荷，保持電中性，會產(chǎn)生正離子空位或間隙負(fù)離子。 固溶體按照外來組元在基質(zhì)晶體中所處位置不同，可分為置型換固溶體和間隙型固溶體。外來組元在基質(zhì)晶體中的固溶度，可分為連續(xù)型（無限型）固溶體和有限型固溶體。形成固溶體后，繼之晶體的結(jié)構(gòu)變化不大，但性質(zhì)變化卻非常顯著，據(jù)此可以對材料進行改性。當(dāng)材料中有變價離子存在，或晶體中質(zhì)點間的鍵合作用比較弱時，材料與介質(zhì)之間發(fā)生物質(zhì)交換成非化學(xué)計量化合物，此類化合物是一種半導(dǎo)體材料。點缺陷的濃度表征非常靈活，只要選擇合適的

11、比較標(biāo)準(zhǔn)，可以得出多種正確的濃度表征結(jié)果。點缺陷的存在及其相互作用與半導(dǎo)體材料的制備、材料的高溫動力學(xué)過程，材料的光電學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)。 線缺陷是晶體在結(jié)晶時受到雜質(zhì)、溫度變化或振動等產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或者晶體在使用受到打擊、切削、研磨等機械應(yīng)力作用或高能射線輻照作用而產(chǎn)生的線狀缺陷，也稱為位錯。位錯分為刃位錯、螺位錯和混合位錯等。位借以及運動與晶體力力學(xué)、塑性變形行為等密切相關(guān)。運用位錯理論可以成功地解釋晶體的屈服強度、脆性、斷裂和蠕變等晶體強度理論中的重要問題。 面缺陷是塊體材料中若干區(qū)域的邊界。每個區(qū)域內(nèi)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，區(qū)域之間有不同的取向。面缺陷包括表面、晶界、層錯、孿晶界、相界等。

12、晶界是不同取向的晶粒之間界面。界面分為位錯界面、孿晶界面和平移界面。根據(jù)界面上質(zhì)點排列情況不同有共格、半共格和非共格界面。面缺陷對解釋材料的力學(xué)性質(zhì)斷裂韌性具有重要意義。5、 非晶體結(jié)構(gòu)非晶態(tài)固體包括非晶態(tài)電介質(zhì)、非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)金屬。它們有特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)。例如金屬玻璃（非晶態(tài)金屬）比一般（晶態(tài)）金屬的強度高、彈性好、硬度和韌性高、抗腐蝕性好、導(dǎo)磁性強、電阻率高等。這使非晶態(tài)固體有多方面的應(yīng)用。它是一個正在發(fā)展中的新的研究領(lǐng)域，近年來得到迅速的發(fā)展。熔體是介于固體與液體之間的一種狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)上更接近于固體。掌握熔體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的相互關(guān)系及制約規(guī)律，對了解無機材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、無機材料

13、制備與加工方法及工藝參數(shù)的選擇具有重要意義。熔體的粘度及表面張力是對無機材料的工藝過程非常敏感的兩個性質(zhì)，常稱為工藝性質(zhì)。粘度、表面張力與組成及溫度的關(guān)系是需要重點掌握的內(nèi)容。 玻璃的形成條件包括熱力學(xué)條件、動力學(xué)條件及結(jié)晶化學(xué)條件，熱力學(xué)條件是形成玻璃可能性大小的一種判據(jù)，并非對玻璃的形成的必然條件。動力學(xué)條件給出形成玻璃所需要的工藝條件 冷卻速率的大小。只要提高冷卻速率，在常規(guī)冷卻條件下不能形成玻璃的物質(zhì)，在極高的冷卻速率下也有可能形成玻璃。結(jié)晶化學(xué)條件則是從內(nèi)在結(jié)構(gòu)因素方面闡述形成玻璃所需具備的基本條件，對玻璃組分的選擇與設(shè)計具有指導(dǎo)意義。 描述玻璃結(jié)構(gòu)的理論有無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說及晶子學(xué)說等

14、，這兩個理論分別從不同側(cè)面描述了玻璃的微觀結(jié)構(gòu)。由于玻璃的長程無序結(jié)構(gòu)是相對于晶體內(nèi)的長程有序結(jié)構(gòu)的一種偏離，而且這種偏離與玻璃形成過程中經(jīng)歷的動力學(xué)條件密切相關(guān)，因而玻璃結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，目前還沒有一個全面的、普遍適應(yīng)的描述玻璃微觀結(jié)構(gòu)的理論。6、 固體的表面與界面固體間的接觸界面包括表面、界面和相界面。表面是指固體與真空介質(zhì)接觸的界面；其中弛豫表面和重構(gòu)表面是兩個重要的概念，這兩種表面結(jié)構(gòu)對材料的表面催化性能有重要影響。界面是指相鄰兩個結(jié)晶空間的交界面；界面有共熔性和反應(yīng)性兩種。相界面是指相鄰相之間的交界面，這兩個相互接觸的相不要求都是晶相。相界面有三類，如固相與固相的相界面（S-S）、固相

15、與氣相之間的相界面（S-V）、固相與液相之間的相界面（S-L）等。以上相關(guān)概念是科學(xué)角度的定義，在實際運用中，有些術(shù)語并未嚴(yán)格按照上述概念來運用。例如，通常把固體與氣體接觸的相界面籠統(tǒng)地成為表面，把晶相與玻璃相接觸的固固相界面簡單地稱為界面。這是科學(xué)與工程領(lǐng)域的認(rèn)同的一種差異。 吸附、潤濕與粘附是分別發(fā)生在固氣、固液或固固界面上非常重要的界面行為，影響固體的表面結(jié)構(gòu)和性能，并與熔體對耐火材料的侵蝕、液相對固體的潤濕及鋪展等無機材料的制備過程、無機材料的顯微結(jié)構(gòu)形成過程、復(fù)合材料內(nèi)不同相間的結(jié)合工藝等物理化學(xué)過程密切相關(guān)，涉及無機材料制備和服役中性能變化的方方面面。 了解無機材料表面組成、表面結(jié)

16、構(gòu)分析的現(xiàn)代方法及技術(shù)，是表征無機材料表面結(jié)構(gòu)，研究表面性質(zhì)與性能的基本手段，應(yīng)該掌握相關(guān)測試手段所能得到的結(jié)構(gòu)信息。7、 混凝土結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 水泥基材料是屬于多相多層次的復(fù)合材料，包括從組成水泥基材料的原子-分子結(jié)構(gòu)，晶粒-膠團-氣孔的漿體結(jié)構(gòu)，膠體-細(xì)集料的砂漿結(jié)構(gòu)，砂漿-粗骨料組成的素混凝土結(jié)構(gòu)以及混凝土-增強鋼筋結(jié)構(gòu)等。研究水泥基材料的組成，結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，首先要考慮研究對象所處的層次，不同層次的材料組成與結(jié)構(gòu)，在不同深度與程度上影響著材料的宏觀物理力學(xué)性能。當(dāng)然，在研究材料的某一具體性能時，也必須考慮各個層次的綜合影響，包括層次交叉和交互作用。水泥漿具有膠凝作用，在混凝土中

17、呈現(xiàn)連續(xù)分布，稱為連續(xù)相或者基體，它把骨料相（分散相）牢固地膠結(jié)在一起，形成混凝土并使其具有抵抗外力作用和環(huán)境侵蝕的功能。所以，水泥漿連續(xù)相性能的優(yōu)劣，直接影響著混凝土整體的宏觀行為。 界面區(qū)的形成原因及特征為：（1）新?lián)v實混凝土中粗骨料顆粒下側(cè)形成水膜，使得從粗骨料下面沿法線方向進入砂漿時水灰比由大變??；（2）過渡區(qū)的水灰比較大，水化產(chǎn)物晶體發(fā)育較完整、粗大，形成的網(wǎng)絡(luò)骨架比砂漿基體的孔隙率大，且在界面區(qū)從骨料表面到漿體由大變小，呈梯度分布；（3）過渡區(qū)板狀Ca（OH）2晶體往往容易取向排列，多為C軸垂直于骨料表面，致使過渡區(qū)的強度有一定的取向性；（4）過渡區(qū)的顯微硬度低于硬化水泥漿本體的顯微硬度和骨料的顯微硬度；（5）粗骨料有阻滯密實成型時砂漿中氣泡的上浮外