材料化學(xué)總結(jié)

第一章緒論第一章緒論材料和化學(xué)藥品化學(xué)藥品的用途主要基于其消耗；材料是可以重復(fù)或連續(xù)使用而不會不行逆地變成別的物質(zhì)。材料的分類按組成、構(gòu)造特點分：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料按使用性能分：StructuralMaterials——主要利用材料的力學(xué)性能；FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化學(xué)性能按用途分：導(dǎo)電材料、絕緣材料、生物醫(yī)用材料、航空航天材料、能源材料、電子信息材料、感光材料等等其次章材料的構(gòu)造材料化學(xué)的主要內(nèi)容：構(gòu)造、性能、制備、應(yīng)用其次章材料的構(gòu)造元素和化學(xué)鍵了解元素的各種性質(zhì)及其變化規(guī)律：第一電離能、電子親和勢、電負性、原子及離子半徑留意把握各種結(jié)合鍵的特性及其所形成晶體材料的主要特點了解勢能阱的概念：吸引能attractive，：源于原子核與電子云間的靜電引力排斥能eR：源于兩原子核之間以及兩原子的電子云之間相互排斥總勢能l：吸引能與排斥能之和總勢能隨原子間距離變化的曲線稱為勢能圖〔勢能阱〕晶體學(xué)根本概念晶體與非晶體〔構(gòu)造特點、性能特點、相互轉(zhuǎn)化〕晶體：原子或原子團、離子或分子在空間按確定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成〔長程有序〕非晶體：原子、分子或離子無規(guī)章地積存在一起所形成〔長程無序、短程有序〕晶態(tài)與非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變非晶態(tài)所屬的狀態(tài)屬于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，所以非晶態(tài)固體總有向晶態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，即非晶態(tài)固體在確定溫度下會自發(fā)地結(jié)晶，轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定性更高的晶體狀態(tài)。通常呈晶體的物質(zhì)假設(shè)將它從液態(tài)快速冷卻下來也可能得到非晶態(tài)。晶格、晶胞和晶格參數(shù)周期性：同一種質(zhì)點在空間排列上每隔確定距離重復(fù)消滅。周期：任一方向排在始終線上的相鄰兩質(zhì)點之間的距離。晶格結(jié)點e：質(zhì)點的中心位置?？臻g點陣e：由這些結(jié)點構(gòu)成的空間總體。晶胞t：構(gòu)成晶格的最根本的幾何單元。晶系7個晶系的晶格參數(shù)特征14種空間點陣類型晶向指數(shù)和晶面指數(shù)理解晶面和晶向的含義晶面——晶體點陣在任何方向上分解為相互平行的結(jié)點平面稱為晶面，即結(jié)晶多面體上的面。晶點陣可在任何方向上分解為相互平行的直線組〔晶列，晶列所指方向就是晶向晶列 晶面簇把握晶向指數(shù)和晶面指數(shù)確實定晶向指數(shù)與晶面指數(shù)：國際上統(tǒng)一承受密勒指數(shù)〔Millerindices〕來進展標(biāo)定。[uvw]OP的晶向指數(shù)，用〔hkl〕來表示一組平行晶面，稱為晶面指數(shù)。晶面間距——把握較簡潔晶系的晶面間距計算 a正交晶系 1 h2 k2 l2

立方晶系d 0

hkl

h2k2

l2d a2 b2 c2hkl晶體材料的構(gòu)造金屬晶體理解金屬晶體的積存模型1型最密積存〔面心立方〕和3型最密積存〔六方，2型密積存〔體心立方〕把握單位晶胞原子數(shù)、配位數(shù)確實定StructureCNnξbcc820.68fcc1240.74hcp1260.74把握原子積存系數(shù)的計算原子積存系數(shù)=單位晶胞內(nèi)原子體積/單位晶胞體積離子晶體鮑林規(guī)章理解鮑林規(guī)章鮑林第一規(guī)章──正離子的配位數(shù)取決于離子半徑比。鮑林其次規(guī)章——在離子的積存構(gòu)造中必需保持局域的電中性。鮑林第三規(guī)章——穩(wěn)定構(gòu)造傾向于共頂連接鮑林第四規(guī)章──假設(shè)晶體構(gòu)造中含有一種以上的正離子，則高電價、低配位的多面體之間有盡可能彼此互不連接的趨勢鮑林第五規(guī)章──同一構(gòu)造中傾向于較少的組分差異，也就是說，晶體中配位多面體類型傾向于最少。運用鮑林規(guī)章分析晶體構(gòu)造二元和三元離子晶體了解各種離子晶體的構(gòu)造特點關(guān)注某些較有特點的離子晶體的構(gòu)造與性能關(guān)系〔如課件中提及的內(nèi)容〕CaF2NaCl的性質(zhì)比照：F－Cl－小，Ca2+Na+稍大，綜合電價和半徑兩因素，螢石中質(zhì)點間的鍵NaCl中的鍵力強，反映在性質(zhì)上，螢石的硬度為莫氏41410℃3.180.002；NaCl808℃2.1635.7。CaF2晶體構(gòu)造中，8個F-之間形成的八面體空隙都沒有被填充，成為一個“空洞”，構(gòu)造比較開放，有利于形成負離子填隙，也為負離子集中供給了條件。ZrO2屬螢石型構(gòu)造，具有氧離子集中傳導(dǎo)的機制，在900~1000℃O2-0.1S/cm。硅酸鹽構(gòu)造硅酸鹽構(gòu)造特點根本構(gòu)造單元：硅氧四周體[SiO4]四周體連接方式：共頂連接硅酸鹽構(gòu)造類型島狀、環(huán)狀/鏈狀、層狀、網(wǎng)架狀各種類型的代表性硅酸鹽及其性能特點Mg2[SiO4]環(huán)狀硅酸鹽：綠寶石Be3Al2[Si6O18] 鏈狀硅酸鹽：透輝石CaMg[Si2O6]構(gòu)造層狀硅酸鹽：滑石Mg3[Si4O10](OH)2晶體缺陷根本概念：晶體中原子偏離抱負的周期性排列的區(qū)域稱作晶體缺陷缺陷的種類：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷點缺陷種類：空位、間隙原子、置換式雜質(zhì)原子、間隙式雜質(zhì)原子熱缺陷和雜質(zhì)缺陷的主要區(qū)分：晶體的雜質(zhì)缺陷濃度僅取決于參與到晶體中的雜質(zhì)含量，而與溫度無關(guān)肖特基缺陷原子或離子移動到晶體外表或晶界的格點位上，在晶體內(nèi)部留下相應(yīng)的空位弗倫克爾缺陷原子或離子離開平衡位置后，擠入晶格間隙中，形成間隙原子離子，同時在原來位置上留下空位點缺陷的表示方法主符號說明缺陷的主體；空位V，正離子M、負離子X、雜質(zhì)原子L〔對于具體原子用相應(yīng)的元素符號。下標(biāo)表示缺陷位置；間隙位用下標(biāo)i表示，M位置的用下標(biāo)M表示，X位置的用下標(biāo)X表示；〔小圓點〕表示，負電荷用“〔小撇〕表示，零電荷用“×”表示〔省略。點缺陷對材料性能的影響力學(xué)性質(zhì)：晶體的機械強度大大降低催化性能：成為催化反響發(fā)生的活性中心電學(xué)性質(zhì)：摻雜形成半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)、顏色線缺陷和位錯位錯：線缺陷的具體形式柏格斯矢量確實定nmn個晶格矢量，m個晶格矢量，到達終點原子。從柏格斯回路的終點到起點畫出的矢量就是柏格斯矢量b刃型位錯和螺型位錯一樣點：二者都是線缺陷不同點：①刃型位錯具有一個額外的半原子面，而螺型位錯無；②刃型位錯的位錯線與柏格斯矢量相垂直；螺型位錯線與柏格斯矢量平行；③。。。面缺陷和體缺陷晶體中的晶界或外表屬于面缺陷?！獗淼拇嬖趯Σ牧系奈锢砘瘜W(xué)性能有重要的影響體缺陷一般指材料中的空洞、夾雜物等——體缺陷的存在常常是有害的。固溶體固溶體：一個〔或幾個〕組元的原子〔化合物〕溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態(tài)晶體?！矡o限固溶體成；填隙型固溶體〔有限固溶體：在溶劑的晶格間隙內(nèi)有溶質(zhì)的原子填入〔溶入〕形成的固溶體留意把握影響形成置換型固溶體或填隙型固溶體的因素〔粒子尺寸、電價等因素〕原子或離子尺寸的影響y閱歷規(guī)章5時，溶質(zhì)與溶劑之間可以形成連續(xù)固溶體；當(dāng)△r=0.15-0.30r>0.3時，溶質(zhì)與溶劑之間很難形成固溶體或不能形成固溶體，而簡潔形成中間相或化合物。因此Δr愈大，則溶解度愈小。電價因素:求，生成連續(xù)固溶體。試驗推斷形成何種固溶體的方法：利用X射線衍射或電子衍射，確定固溶體的點陣類型和點陣常數(shù)，由此推出一個晶胞內(nèi)的原子數(shù)n和晶胞體V；依據(jù)該固溶體的平均原子量A及阿弗伽德羅常數(shù)NA即可算出固溶體的理論密度；過試驗直接測出該固溶體的實際密度；比較理論密度和實際密度固溶體的形成對晶體材料性質(zhì)的影響穩(wěn)定晶格，阻擋某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生活化晶格固溶強化形成固溶體后對材料物理性質(zhì)的影響第三章材料的性能第三章材料的性能化學(xué)性能各種材料的化學(xué)性能特點：耐氧化性〔化學(xué)銹蝕、電化學(xué)腐蝕；耐酸堿性；耐有機溶劑性；耐老化性力學(xué)性能各種力學(xué)性能的表征及一些簡潔計算：材料的強度、材料的硬度、疲乏性能各種材料的力學(xué)性能特點很多金屬材料既有高的強度，又有良好的延展性；多晶材料的強度高于單晶材料；–目的。固溶體或合金的強度高于純金屬；–雜質(zhì)原子的存在對位錯運動具有牽制作用。多數(shù)無機非金屬材料延展性很差，屈服強度高。–源于共價鍵的方向性熱性能用勢能阱解釋材料熱膨脹及其與鍵強的關(guān)系各種材料的導(dǎo)熱率電性能能帶理論解釋各種材料的導(dǎo)電性介電性根本概念鐵電性〔材料在除去外電場后仍保持局部極化狀態(tài))與壓電性的原理磁性磁性的種類：反磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性、鐵氧體磁性磁疇〔—自旋磁矩在一個個微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地”整齊排列起來而形成的磁化小區(qū)域〕和磁化曲線光學(xué)性能第四章材料化學(xué)熱力學(xué)各種材料的光學(xué)性能特點第四章材料化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)根底埃靈罕姆圖及其應(yīng)用G0-T線的斜率：與反響前后的氣體分子數(shù)相關(guān)氧化過程氣體數(shù)目削減，則S0<0,(-S0)>0，斜率為正。金屬+O金屬氧化物2氧化過程氣體數(shù)目增加，則S0>0,(-S0)<0，斜率為負。2C(s)+O(g)=2CO(g)2氧化過程氣體數(shù)目不變，則S0=0,(-S0)=0，斜率為零，即G0幾乎與溫度無關(guān)。C(s)+O(g)=CO(g)2 2G0-T線的相對位置——G0-T曲線越在下方，金屬氧化物的G0負值越大，其穩(wěn)定性也就越高。〔相圖局部以二元相圖為主〕相律：f=c-p+2f：自由度數(shù)；c：組成材料系統(tǒng)的獨立組元數(shù)；p：平衡相的數(shù)目；WLWbcabC WLWbcabC CCC0杠桿規(guī)章 0 L各種點、線、區(qū)及對應(yīng)的自由度2條線：液相線、固相線c=2，p=2，f=12個單相區(qū)：固相區(qū)、液相區(qū)c=2，p=1，f=21個兩相區(qū)：c=2，p=2，f=1第五章材料的制備利用相圖考察材料的相態(tài)變化，例如從熔體降溫時，相態(tài)的變化，以及各相的成分、含量及其變化第五章材料的制備晶體生長技術(shù)熔體生長法：將欲生長晶體的原料熔化，然后讓熔體到達確定的過冷而形成單晶提拉法：可以在短時間內(nèi)生長大而無錯位晶體；生長速度快，單晶質(zhì)量好；適合于大尺寸完善晶體的批量生產(chǎn)坩堝下降法區(qū)熔法焰熔法液相外延法〔關(guān)注各種方法的原理、特點〕溶液生長法主要原理：使溶液到達過飽和的狀態(tài)而結(jié)晶。過飽和途徑：利用晶體的溶解度隨轉(zhuǎn)變溫度的特性，上升或降低溫度而到達過飽和；承受蒸發(fā)等方法移去溶劑，使溶液濃度增高。介質(zhì)：水、熔鹽〔制備無機晶體〕丙酮、乙醇等有機溶劑〔制備有機晶體〕水溶液法原理：通過把握適宜的降溫速度，使溶液處于亞穩(wěn)態(tài)并維持適宜的過飽和度，從而結(jié)晶。制備單晶的關(guān)鍵：消退微晶及準(zhǔn)確控溫水熱法在高壓釜中，通過對反響體系加熱加壓〔或自生蒸汽壓不溶的物質(zhì)溶解而到達過飽和、進而析出晶體熔鹽法使用液態(tài)金屬或熔融無機化合物作為溶劑氣相沉積法簡潔原理PVD化學(xué)氣相沉積法CVD：通過氣相化學(xué)反響生成固態(tài)產(chǎn)物并沉積在固體外表的過程。PVDCVD的主要特點PVC：真空蒸鍍、陰極濺射法、離子鍍D：熱能〔l、等離子體增加〔、光化學(xué)〔o〕CVD的化學(xué)反響類型熱分解；氫復(fù)原；鹵化物的金屬復(fù)原；氧化和水解；碳化和氮化?；瘜W(xué)氣相輸運的原理和應(yīng)用〔重要〕原理：在確定條件下把材料轉(zhuǎn)變成揮發(fā)性的中間體，然后轉(zhuǎn)變條件使原來的材料重形成。用途：材料的提純；單晶的氣相生長；薄膜的氣相沉積；化合物的合成。溶膠-凝膠法原理金屬醇鹽水解水解產(chǎn)物縮合酸催化和堿催化比較酸催化條件下通常得到線形或帶無規(guī)支鏈的縮聚產(chǎn)物堿催化條件下較簡潔形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀的產(chǎn)物應(yīng)用主要優(yōu)缺點液相沉淀法直接沉淀法簡潔、低本錢；粒子粒徑分布較寬，分散性差共沉淀法可獲得含兩種以上金屬元素的復(fù)合氧化物均勻沉淀法沉淀劑由化學(xué)反響緩慢地生成可獲得粒子均勻、夾帶少、純度高的超細粒子沉淀劑尿素、硫代乙酰胺：把握相關(guān)的反響固相反響固相反響特點固體直接參與化學(xué)反響反響物濃度對反響影響很小反響開頭溫度常遠低于反響物的熔點或系統(tǒng)低共熔溫度。過程和機理熱力學(xué)因素：能自發(fā)進展的純固相反響總是放熱反響〔為什么？〕–純固相反響：△S→0，∴△G=△H+T△S≈△H，因此發(fā)進展條件△G<0→△H<0動力學(xué)因素：反響速率受集中把握；升溫有利于增加集中速率影響因素插層法和反插層法插層法〔或植入法〕——把一些原子導(dǎo)入晶體材料的空位反插層法〔或提取法〕——有選擇性地從晶體材料中移去某些原子特點：起始相與產(chǎn)物的三維構(gòu)造具有高度相像性產(chǎn)物相對于起始相其性質(zhì)往往發(fā)生顯著變化自集中高溫合成法〕利用反響物之間的化學(xué)反響熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來合成材料的一種技術(shù)，也稱為燃燒合成SHS的機理：平衡機制：化學(xué)轉(zhuǎn)變與構(gòu)造轉(zhuǎn)變同步；非平衡機制：化學(xué)轉(zhuǎn)變與構(gòu)造轉(zhuǎn)變不同步SHS的反響類型SHS的技術(shù)類型：SHS制粉技術(shù)；HS燒結(jié)技術(shù)；HS致密化技術(shù)；HS熔鑄；SHS焊接；HS涂層SHS節(jié)約能源；③合成反響溫度高，可以使大多數(shù)雜質(zhì)揮發(fā)而得到高純產(chǎn)品；④合成過程經(jīng)受了極大的溫,使產(chǎn)品活性高,可獲得簡潔相和亞穩(wěn)相；⑤集材料合成和燒結(jié)于一體，可廣泛應(yīng)用于合成金屬、陶瓷和復(fù)合材料。非晶材料的制備技術(shù)要點：必需形成原子或分子混