材料化学总结.doc

中大材料化学期末考试2013重点 来自10师兄第一章 绪论l 材料和化学药品化学药品的用途主要基于其消耗；材料是可以重复或连续使用而不会不可逆地变成别的物质。l 材料的分类按组成、结构特点分：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料按使用性能分 ：Structural Materials 主要利用材料的力学性能；Functional Materials 主要利用材料的物理和化学性能按用途分：导电材料、绝缘材料、生物医用材料、 航空航天材料、能源材料、 电子信息材料、感光材料等等 l 材料化学的主要内容：结构、性能、制备、应用第二章 材料的结构2.1 元素和化学键l 了解元素的各种性质及其变化规律：第一电离能、电子亲和势、电负性、原子及离子半径l 注意掌握各种结合键的特性及其所形成晶体材料的主要特点各种结合键主要特点比较l 了解势能阱的概念：吸引能（attractive energy，EA）：源于原子核与电子云间的静电引力 排斥能（repulsive energy，ER）：源于两原子核之间以及两原子的电子云之间相互排斥 总势能（potential energy）：吸引能与排斥能之和 总势能随原子间距离变化的曲线称为势能图（势能阱）较深的势能阱表示原子间结合较紧密，其对应的材料就较难熔融，并具有较高的弹性模量和较低的热膨胀系数。2.2 晶体学基本概念l 晶体与非晶体（结构特点、性能特点、相互转化）晶体：原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成（长程有序）非晶体：原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成（长程无序、短程有序） 晶态与非晶态之间的转变 非晶态所属的状态属于热力学亚稳态，所以非晶态固体总有向晶态转化的趋势，即非晶态固体在一定温度下会自发地结晶，转化到稳定性更高的晶体状态。 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态。l 晶格、晶胞和晶格参数周期性：同一种质点在空间排列上每隔一定距离重复出现。 周期：任一方向排在一直线上的相邻两质点之间的距离。晶格（lattice）：把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架。结点（lattice points）：质点的中心位置。 空间点阵（space lattice）：由这些结点构成的空间总体。晶胞（unit cell）：构成晶格的最基本的几何单元。 l 晶系熟记7个晶系的晶格参数特征了解14种空间点阵类型l 晶向指数和晶面指数 理解晶面和晶向的含义晶面晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面，即结晶多面体上的面。晶向点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组（晶列），晶列所指方向就是晶向。 晶列 晶面簇 掌握晶向指数和晶面指数的确定晶向指数与晶面指数：国际上统一采用密勒指数（Miller indices）来进行标定。uvw为OP的晶向指数，用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。 晶面间距掌握较简单晶系的晶面间距计算正交晶系 立方晶系2.3 晶体材料的结构2.3.1 金属晶体l 理解金属晶体的堆积模型A1型最密堆积（面心立方fcc）和A3型最密堆积（六方hcp），A2型密堆积（体心立方bcc）0.68l 掌握单位晶胞原子数、配位数的确定Structure CN n bcc 8 2 0.68 fcc 12 4 0.74 hcp 12 6 0.74 l 掌握原子堆积系数的计算原子堆积系数 =单位晶胞内原子体积/单位晶胞体积2.3.2 离子晶体l 鲍林规则 理解鲍林规则鲍林第一规则 在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，正离子的配位数取决于离子半径比。鲍林第二规则在离子的堆积结构中必须保持局域的电中性。 鲍林第三规则稳定结构倾向于共顶连接鲍林第四规则若晶体结构中含有一种以上的正离子，则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势 鲍林第五规则同一结构中倾向于较少的组分差异，也就是说，晶体中配位多面体类型倾向于最少。 运用鲍林规则分析晶体结构l 二元和三元离子晶体 了解各种离子晶体的结构特点 关注某些较有特点的离子晶体的结构与性能关系（如课件中提及的内容）CaF2与NaCl的性质对比：F半径比Cl小，Ca2+半径比Na+稍大，综合电价和半径两因素，萤石中质点间的键力比NaCl中的键力强，反映在性质上，萤石的硬度为莫氏4级，熔点1410，密度3.18，水中溶解度0.002；而NaCl熔点808，密度2.16，水中溶解度35.7。 CaF2晶体结构中，8个F-之间形成的八面体空隙都没有被填充，成为一个“空洞”，结构比较开放，有利于形成负离子填隙，也为负离子扩散提供了条件。 立方ZrO2属萤石型结构，具有氧离子扩散传导的机制，在9001000 间O2-电导率可达0.1 S/cm。 2.3.3 硅酸盐结构l 硅酸盐结构特点基本结构单元：硅氧四面体SiO4 四面体连接方式：共顶连接l 硅酸盐结构类型 岛状、环状/链状、层状、网架状 各种类型的代表性硅酸盐及其性能特点岛状硅酸盐：镁橄榄石Mg2SiO4 环状硅酸盐：绿宝石Be3Al2Si6O18 链状硅酸盐：透辉石CaMgSi2O6结构层状硅酸盐：滑石Mg3Si4O10(OH)22.4 晶体缺陷l 基本概念：晶体中原子偏离理想的周期性排列的区域称作晶体缺陷l 缺陷的种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷2.4.1 点缺陷l 种类：空位、间隙原子、置换式杂质原子、间隙式杂质原子l 热缺陷和杂质缺陷的主要区别：晶体的杂质缺陷浓度仅取决于加入到晶体中的杂质含量，而与温度无关l 肖特基缺陷原子或离子移动到晶体表面或晶界的格点位上，在晶体内部留下相应的空位l 弗伦克尔缺陷原子或离子离开平衡位置后，挤入晶格间隙中，形成间隙原子离子，同时在原来位置上留下空位l 点缺陷的表示方法主符号表明缺陷的主体；空位V，正离子M、负离子X、杂质原子L（对于具体原子用相应的元素符号）。下标表示缺陷位置；间隙位用下标i表示，M位置的用下标M表示，X位置的用下标X表示；上标表示缺陷有效电荷：正电荷用“”（小圆点）表示，负电荷用“”（小撇）表示， 零电荷用“”表示（可省略）。l 点缺陷对材料性能的影响力学性质：晶体的机械强度大大降低催化性能：成为催化反应发生的活性中心电学性质：掺杂形成半导体光学性质、颜色2.4.2 线缺陷和位错 位错：线缺陷的具体形式 柏格斯矢量的确定从一个原子出发，移动n个晶格矢量，然后顺时针转向再移动m个晶格矢量，再顺时针转向移动n个晶格矢量，最后顺时针转向移动m个晶格矢量，到达终点原子。从柏格斯回路的终点到起点画出的矢量就是柏格斯矢量b 刃型位错和螺型位错相同点：二者都是线缺陷不同点： 刃型位错具有一个额外的半原子面，而螺型位错无； 刃型位错的位错线与柏格斯矢量相垂直；螺型位错线与柏格斯矢量平行； 。2.4.3面缺陷和体缺陷l 晶体中的晶界或表面属于面缺陷。表面的存在对材料的物理化学性能有重要的影响l 体缺陷一般指材料中的空洞、夹杂物等体缺陷的存在常常是有害的。2.5 固溶体l 固溶体：一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。l 种类：置换型固溶体（无限固溶体）：由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组成；填隙型固溶体（有限固溶体）：在溶剂的晶格间隙内有溶质的原子填入（溶入）形成的固溶体l 注意掌握影响形成置换型固溶体或填隙型固溶体的因素（粒子尺寸、电价等因素） 原子或离子尺寸的影响（Hume-Rothery经验规则）：当r=（r1-r2）/r10.3 时，溶质与溶剂之间很难形成固溶体或不能形成固溶体，而容易形成中间相或化合物。因此r愈大，则溶解度愈小。 电价因素:一般来说，两种固体只有在离子价相同或同号离子的离子价总和相同时，才可能满足电中性的要求，生成连续固溶体。 l 实验判断形成何种固溶体的方法：利用X射线衍射或电子衍射，确定固溶体的点阵类型和点阵常数， 由此推出一个晶胞内的原子数n 和晶胞体积V；根据该固溶体的平均原子量A及阿弗 伽德罗常数NA即可算出固溶体的理论密度；过实验直接测出该固溶体的实际密度；比较理论密度和实际密度l 固溶体的形成对晶体材料性质的影响1. 稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生 2. 活化晶格 3. 固溶强化 4. 形成固溶体后对材料物理性质的影响第三章 材料的性能l 化学性能各种材料的化学性能特点： 耐氧化性（化学锈蚀、电化学腐蚀 ）；耐酸碱性；耐有机溶剂性；耐老化性 l 力学性能 各种力学性能的表征及一些简单计算：材料的强度、材料的硬度、疲劳性能 各种材料的力学性能特点 很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性； 多晶材料的强度高于单晶材料； 这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。 固溶体或合金的强度高于纯金属； 杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。 多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。 源于共价键的方向性 l 热性能 用势能阱解释材料热膨胀及其与键强的关系 各种材料的导热率l 电性能 能带理论解释各种材料的导电性 介电性基本概念 铁电性（材料在除去外电场后仍保持部分极化状态)与压电性的原理l 磁性 磁性的种类：反磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、铁氧体磁性 磁畴（自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成的磁化小区域）和磁化曲线l 光学性能 各种材料的光学性能特点第四章 材料化学热力学4.1化学热力学基础4.2埃灵罕姆图及其应用l DG0-T线的斜率：与反应前后的气体分子数相关氧化过程气体数目减少，则DS00，斜率为正。 金属+O2金属氧化物氧化过程气体数目增加，则DS00, (- DS0)0，斜率为负。氧化过程气体数目不变，则DS0=0, (- DS0)=0，斜率为零，即D G0几乎与温度无关。l DG0-T线的相对位置DG0-T曲线越在下方，金属氧化物的DG0负值越大，其稳定性也就越高。4.3相平衡与相图（相图部分以二元相图为主）l 相律：f = c-p+2 f：自由度数； c：组成材料系统的独立组元数； p：平衡相的数目； 2：指温度和压力这两个非成分的变量；如果研究的系统为固态物质，可以忽略压力的影响 ，该值为1 l 杠杆规则l 各种点、线、区及对应的自由度2条线： 液相线、固相线 c=2，p=2，f=1 2个单相区： 固相区、液相区 c=2，p=1，f=2 1个两相区： c=2，p=2，f=1 l 利用相图考察材料的相态变化，例如从熔体降温时，相态的变化，以及各相的成分、含量及其变化第五章 材料的制备5.1 晶体生长技术5.1.1 熔体生长法：将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定的过冷而形成单晶 提拉法：可以在短时间内生长大而无错位晶体；生长速度快，单晶质量好；适合于大尺寸完美晶体的批量生产 坩埚下降法 区熔法 焰熔法 液相外延法（关注各种方法的原理、特点）5.1.2 溶液生长法l 主要原理：使溶液达到过饱和的状态而结晶。l 过饱和途径：利用晶体的溶解度随改变温度的特性，升高或降低温度而达到过饱和；采用蒸发等办法移去溶剂，使溶液浓度增高。l 介质：水、熔盐（制备无机晶体）丙酮、乙醇等有机溶剂（制备有机晶体） 水溶液法原理：通过控制合适的降温速度，使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度，从而结晶。制备单晶的关键：消除微晶及精确控温 水热法在高压釜中，通过对反应体系加热加压（或自生蒸汽压），创造一个相对高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体 熔盐法使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂5.2 气相沉积法l 简单原理物理气相沉积法PVD化学气相沉积法CVD：通过气相化学反应生成固态产物并沉积在固体表面的过程。l 各种类型PVD和CVD的主要特点PVC：真空蒸镀、阴极溅射法、离子镀 CVD：热能CVD（Thermal CVD）、等离子体增强CVD（PECVD）、光化学CVD（Photo CVD）l 简单了解CVD的化学反应类型热分解； 氢还原； 卤化物的金属还原； 氧化和水解； 碳化和氮化。l 化学气相输运的原理和应用（重要）原理：在一定条件下把材料转变成挥发性的中间体，然后改变条件使原来的材料重新形成。用途： 材料的提纯 ；单晶的气相生长 ；薄膜的气相沉积 ；新化合物的合成。5.3 溶胶-凝胶法l 原理金属醇盐水解水解产物缩合l 酸催化和碱催化比较酸催化条件下通常得到线形或带无规支链的缩聚产物碱催化条件下较容易形成交联网络状的产物l 应用l 主要优缺点5.4 液相沉淀法l 直接沉淀法简单、低成本；粒子粒径分布较宽，分散性差l 共沉淀法可获得含两种以上金属元素的复合氧化物l 均匀沉淀法沉淀剂由化学反应缓慢地生成可获得粒子均匀、夹带少、纯度高的超细粒子沉淀剂尿素、硫代乙酰胺：掌握相关的反应5.5 固相反应l 固相反应特点固体直接参与化学反应反应物浓度对反应影响很小反应开始温度常远低于反应物的熔点或系统低共熔温度。l 过程和机理热力学因素：能自发进行的纯固相反应总是放热反应（为什么？）纯固相反应：S0 ，G=H+TSH，因此发进行条件G0 H0动力学因素：反应速率受扩散控制；升温有利于增加扩散速率l 影响因素5.6 插层法和反插层法l 插层法（或植入法）把一些新原子导入晶体材料的空位l 反插层法（或提取法）有选择性地从晶体材料中移去某些原子l 特点：起始相与产物的三维结构具有高度相似性产物相对于起始相其性质往往发生显著变化5.7 自蔓延高温合成法（SHS）l 利用反应