材料物理與化學(xué)第一章晶體緒論

1、聊城大學(xué)聊城大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院授課教材授課教材參考教材參考教材無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ) 曾燕偉曾燕偉 主編主編 武漢理工大學(xué)出版社武漢理工大學(xué)出版社參考教材：參考教材：無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ) 陸佩文主編陸佩文主編 武漢工武漢工業(yè)大學(xué)出版社業(yè)大學(xué)出版社硅酸鹽物理化學(xué)硅酸鹽物理化學(xué) 陸佩文主編陸佩文主編 東南大學(xué)出版社東南大學(xué)出版社硅酸鹽物理化學(xué)硅酸鹽物理化學(xué) 丁子上等主編丁子上等主編 中國(guó)建筑工業(yè)出版社中國(guó)建筑工業(yè)出版社無(wú)機(jī)材料物理化學(xué)無(wú)機(jī)材料物理化學(xué) 葉瑞倫主編葉瑞倫主編 天津大學(xué)天津大學(xué)Stone Age10萬(wàn)年萬(wàn)年DCBronze Age3000年

2、年DCSteel Age1000年年DCCement Age0年年P(guān)olymerAdvance CeramicINFORMATION AGEIron Age1800年年New Materials age 1990年年Silicon Age1950年年Electronic Materials Age植入硅芯片的納米碳管Nano Tube硅芯片 Silicon Transistor 晶體管Transistor晶體管芯片Transistor Chip電子器件Electronic PartsINFORMATION AGE無(wú)機(jī)材料物理化學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵無(wú)機(jī)材料物理化學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵 材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)材料科學(xué)

3、與工程的基礎(chǔ)性能性能使用效能使用效能合成與合成與制備制備組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)與工程無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)與工程無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)與工程是一門研究無(wú)機(jī)非金屬材料是一門研究無(wú)機(jī)非金屬材料合成與制備、合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、組成與結(jié)構(gòu)、性能、性能、使用效能使用效能 四者之間的關(guān)系與規(guī)律的科學(xué)。四者之間的關(guān)系與規(guī)律的科學(xué)?？茖W(xué)方面科學(xué)方面偏重于研究材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性偏重于研究材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能與使用效能各組員本身及其相互間關(guān)系的規(guī)律；能與使用效能各組員本身及其相互間關(guān)系的規(guī)律；材料科學(xué)與工程的材料科學(xué)與工程的工程研究中還應(yīng)包括工程研究中還應(yīng)包括材料制備與表征

4、所需的儀器、設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造。材料制備與表征所需的儀器、設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造。在材料科學(xué)與工程的發(fā)展中，科學(xué)與工程彼此在材料科學(xué)與工程的發(fā)展中，科學(xué)與工程彼此密切結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)學(xué)科整體。密切結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)學(xué)科整體。工程方面工程方面著重與研究如何利用這些規(guī)律性的研究成果著重與研究如何利用這些規(guī)律性的研究成果以新的或更有效的方式開發(fā)并生產(chǎn)出材料，以新的或更有效的方式開發(fā)并生產(chǎn)出材料，提高材料的使用效能，以滿足社會(huì)的需要。提高材料的使用效能，以滿足社會(huì)的需要。1. 1. 合成與制備合成與制備合成合成指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與物理過(guò)程。合成的研料的化學(xué)與物理過(guò)程。合

5、成的研究既包括有關(guān)尋找新合成方法的究既包括有關(guān)尋找新合成方法的科學(xué)問(wèn)題，也包括以適當(dāng)?shù)臄?shù)量科學(xué)問(wèn)題，也包括以適當(dāng)?shù)臄?shù)量和形態(tài)合成材料的技術(shù)問(wèn)題；既和形態(tài)合成材料的技術(shù)問(wèn)題；既包括新材料的合成，也應(yīng)包括已包括新材料的合成，也應(yīng)包括已有材料的新合成方法（如溶膠有材料的新合成方法（如溶膠- -凝膠法）及其新形態(tài)（如纖維、凝膠法）及其新形態(tài)（如纖維、薄膜）的合成。薄膜）的合成。制備制備研究如何控制原子與分子使之構(gòu)成研究如何控制原子與分子使之構(gòu)成有用的材料。這一點(diǎn)是與合成相同的，有用的材料。這一點(diǎn)是與合成相同的，但制備還包括在更為宏觀的尺度上或以但制備還包括在更為宏觀的尺度上或以更大的規(guī)?？刂撇牧系慕Y(jié)構(gòu)

6、，使之具備更大的規(guī)模控制材料的結(jié)構(gòu)，使之具備所需的性能和適用效能，所需的性能和適用效能， 即包括材料的即包括材料的加工、處理、裝配和制造。加工、處理、裝配和制造。簡(jiǎn)而言之，合成與制備就是將原子、分子聚簡(jiǎn)而言之，合成與制備就是將原子、分子聚合起來(lái)并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列合起來(lái)并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)過(guò)程。連續(xù)過(guò)程。把合成制備簡(jiǎn)單的與工藝等同起來(lái)而忽把合成制備簡(jiǎn)單的與工藝等同起來(lái)而忽略其基礎(chǔ)研究的科學(xué)內(nèi)涵，是不恰當(dāng)?shù)?！略其基礎(chǔ)研究的科學(xué)內(nèi)涵，是不恰當(dāng)?shù)?！在合成與制備中工程性的研究固然重要，在合成與制備中工程性的研究固然重要，基礎(chǔ)研究也不應(yīng)忽視。對(duì)材料合成與制備基礎(chǔ)研究也不應(yīng)忽視。對(duì)材料

7、合成與制備的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究可以揭示過(guò)程的本質(zhì)，的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究可以揭示過(guò)程的本質(zhì)，為改進(jìn)制備方法建立新的制備技術(shù)提供科為改進(jìn)制備方法建立新的制備技術(shù)提供科學(xué)基礎(chǔ)。學(xué)基礎(chǔ)。以晶體材料為例以晶體材料為例在晶體生產(chǎn)中如果在晶體生產(chǎn)中如果不了解原料合成與生產(chǎn)各階段發(fā)生的物理不了解原料合成與生產(chǎn)各階段發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程、熱量與質(zhì)量的傳輸、固液界面化學(xué)過(guò)程、熱量與質(zhì)量的傳輸、固液界面的變化和缺陷的生成以及環(huán)境參數(shù)對(duì)這些的變化和缺陷的生成以及環(huán)境參數(shù)對(duì)這些過(guò)程的影響，就不可能建立并掌握生長(zhǎng)參過(guò)程的影響，就不可能建立并掌握生長(zhǎng)參數(shù)優(yōu)化的制備方法，生長(zhǎng)出具有所需組成、數(shù)優(yōu)化的制備方法，生長(zhǎng)出具有所需組成、完

8、整性、均勻性和物理性的晶體材料。完整性、均勻性和物理性的晶體材料。以陶瓷材料為例以陶瓷材料為例陶瓷材料的最嚴(yán)重的問(wèn)題是可靠性差，原因是制備陶瓷材料的最嚴(yán)重的問(wèn)題是可靠性差，原因是制備過(guò)程落后以致材料的微結(jié)構(gòu)和特性缺少均勻性和重復(fù)性。過(guò)程落后以致材料的微結(jié)構(gòu)和特性缺少均勻性和重復(fù)性。研究結(jié)果已表明，若粉料在材料制備中發(fā)生團(tuán)聚，則材研究結(jié)果已表明，若粉料在材料制備中發(fā)生團(tuán)聚，則材料難免出現(xiàn)分布不均勻的氣孔從而導(dǎo)致性能不均一。料難免出現(xiàn)分布不均勻的氣孔從而導(dǎo)致性能不均一。為提高材料的可靠性，必須對(duì)制備過(guò)程中的每階段為提高材料的可靠性，必須對(duì)制備過(guò)程中的每階段所發(fā)生的化學(xué)、物理變化認(rèn)真加以研究并做出必

9、要的表所發(fā)生的化學(xué)、物理變化認(rèn)真加以研究并做出必要的表征。征。陶瓷材料中顆粒間界的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于顆?；蚓Я１咎沾刹牧现蓄w粒間界的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于顆?；蚓Я１旧淼膹?qiáng)度。身的強(qiáng)度。為了提高材料強(qiáng)度，對(duì)顆粒間晶界結(jié)構(gòu)、本質(zhì)和在為了提高材料強(qiáng)度，對(duì)顆粒間晶界結(jié)構(gòu)、本質(zhì)和在制備中的變化過(guò)程以及這些過(guò)程如何受制備條件的影響，制備中的變化過(guò)程以及這些過(guò)程如何受制備條件的影響，進(jìn)行基礎(chǔ)性的研究，是極其重要的。進(jìn)行基礎(chǔ)性的研究，是極其重要的。2. 2. 組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)組成組成 指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布；除主要組成以外，雜子及其分布；除主要組成以外，雜質(zhì)及對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)與性

10、能質(zhì)及對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)與性能有重要影響的微量添加物亦不能忽有重要影響的微量添加物亦不能忽略。略。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)則指組成原子、分子在不同層則指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括納米以下、納米、在尺度上則包括納米以下、納米、微米、毫米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次。微米、毫米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次。了解材料的組成與結(jié)構(gòu)及它們了解材料的組成與結(jié)構(gòu)及它們同合成與制備之間、性能與

11、使用同合成與制備之間、性能與使用效能之間的內(nèi)在聯(lián)系，一直是無(wú)效能之間的內(nèi)在聯(lián)系，一直是無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)與工程機(jī)非金屬材料科學(xué)與工程 的基的基本研究?jī)?nèi)容。本研究?jī)?nèi)容。無(wú)機(jī)材料物理化學(xué)的研究方法：無(wú)機(jī)材料物理化學(xué)的研究方法：1、無(wú)機(jī)材料物理化學(xué)的性質(zhì)：、無(wú)機(jī)材料物理化學(xué)的性質(zhì)： 研究無(wú)機(jī)材料科學(xué)與工程涉及的各種研究無(wú)機(jī)材料科學(xué)與工程涉及的各種物質(zhì)聚集狀態(tài)的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化，以及物質(zhì)聚集狀態(tài)的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化，以及結(jié)構(gòu)對(duì)性能的決定作用。結(jié)構(gòu)對(duì)性能的決定作用。材料結(jié)構(gòu)性能化學(xué)反應(yīng)（組成）2、基本思、基本思路：路：化學(xué)組成化學(xué)組成結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性能性能決定決定METALPOLYMERINORGANIC無(wú)機(jī)材料是

12、繼金屬、塑料之后的第三類材料。是高科技時(shí)代新材料的盟主是當(dāng)代新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是各種非金屬無(wú)機(jī)物固體材料的統(tǒng)稱 傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料：傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料： 陶瓷、玻璃、水泥和耐火制品陶瓷、玻璃、水泥和耐火制品 一系列一系列“高技術(shù)高技術(shù)”陶瓷、玻璃（包括陶瓷、玻璃（包括信息材料、生物材料、環(huán)境材料、新信息材料、生物材料、環(huán)境材料、新型能源材料等等）型能源材料等等） Eg.Eg.信息材料：以硅基半導(dǎo)體材料為代信息材料：以硅基半導(dǎo)體材料為代表推動(dòng)了整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展（小型表推動(dòng)了整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展（小型化、智能化）化、智能化）先進(jìn)無(wú)機(jī)材料合物、硅系、合物、硅系、IIIIIIV V族化合物及族化合物及IIIIVIV

13、I族化合物等等族化合物等等空間技術(shù)微電子技術(shù)激光技術(shù)光纖技術(shù)光電子技術(shù)超導(dǎo)技術(shù)日用領(lǐng)域生物醫(yī)學(xué)Have you ever wondered?What material is used to protect the shuttle from high temperatures during re-entry?Carbon based CompositesAdvanced Ceramic Tiles What magnetic strip on your credit card is made from?Ferrite Magnetic Materials What ceramic materia

14、l is commonly added to paints? Colorful DurableTiO2SiO2, et al. What ceramic is found in magnetic levitation train?Long-range missileEyes of missile-Windows materials整流罩材料整流罩材料-透明陶瓷、紅外陶瓷透明陶瓷、紅外陶瓷耐高溫、透紅外根據(jù)目標(biāo)紅外源自動(dòng)跟蹤耐高溫、透紅外根據(jù)目標(biāo)紅外源自動(dòng)跟蹤半導(dǎo)體陶瓷電容器半導(dǎo)體陶瓷電容器陶瓷空間轉(zhuǎn)換器陶瓷空間轉(zhuǎn)換器 無(wú)引線芯片座無(wú)引線芯片座陶瓷倒裝片陶瓷倒裝片陶瓷管腳陣列陶瓷管腳陣列射頻晶體

15、管射頻晶體管氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷用于集成電路用于集成電路 陶瓷薄膜陶瓷薄膜消磁用消磁用PTCPTC壓敏電阻壓敏電阻Bone cementBone substitutetooth中間相炭微球炭炭纖纖維維 2005年度，國(guó)家科技大會(huì)上,僅有的兩項(xiàng)國(guó)家科技發(fā)明一等獎(jiǎng)（連續(xù)空缺6年）,都分別頒發(fā)給了兩項(xiàng)無(wú)機(jī)復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)。 耐高溫長(zhǎng)壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù) 西北工業(yè)大學(xué) 張立同院士 高性能炭/炭航空制動(dòng)材料的制備技術(shù) 中南大學(xué) 黃伯云院士碳納米球碳納米球 巴基球巴基球 納米碳管納米碳管 電子槍電子槍 制作超薄電視制作超薄電視碳納米管碳納米管 納米馬達(dá)納米馬達(dá) IN SUM 無(wú)機(jī)材料是

16、高科技時(shí)代新材料的盟主無(wú)機(jī)材料是高科技時(shí)代新材料的盟主 太空梭能自由出入大氣層，是拜陶瓷隔太空梭能自由出入大氣層，是拜陶瓷隔熱片之賜；汽車引擎、骨骼、牙齒等均熱片之賜；汽車引擎、骨骼、牙齒等均可用陶瓷來(lái)制造；高技術(shù)的發(fā)展必須以可用陶瓷來(lái)制造；高技術(shù)的發(fā)展必須以高性能先進(jìn)無(wú)機(jī)材料為支撐！高性能先進(jìn)無(wú)機(jī)材料為支撐！ 科學(xué)家和工程師欲設(shè)計(jì)或制造優(yōu)秀的材科學(xué)家和工程師欲設(shè)計(jì)或制造優(yōu)秀的材料，就必須了解無(wú)機(jī)材料的奧秘料，就必須了解無(wú)機(jī)材料的奧秘用基礎(chǔ)科學(xué)用基礎(chǔ)科學(xué)例如：碳例如：碳 C ( C (微觀結(jié)構(gòu)對(duì)性質(zhì)的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)性質(zhì)的影響) ) 石石 墨：層狀，易墨：層狀，易 碎，層間易斷裂，導(dǎo)碎，層間易斷裂，導(dǎo)電電無(wú)定形碳：非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，高硬度，絕緣無(wú)定形碳：非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，高硬度，絕緣金剛石碳：立方晶體，自然界硬度最高，金剛石碳：立方晶體，自然界硬度最高，