无机材料科学课程报告

1、 1、绪论 材料学即是研究材料的学科，其研究内容包括材料的性能，材料的组成结构，材料的形成变化过程，材料的研究、制造方法及设备，以及它们之间的相互关系。其核心是材料的性能，其他均是为了材料性能的有效控制。 材料是人类社会赖以生存的物质基础和科学技术发展的技术核心与先导。材料按其化学特征可划分为无机非金属材料、无机金属材料、有机高分子（聚合物）材料和复合材料四大类。其中无机材料因原料资源丰富，成本低廉，生产过程能耗低，产品应用范围广，能在许多场合替代金属或有机高分子材料，使材料的利用更加合理和经济，从而日益受到人们的重视，成为材料领域研究和开发的重点。2、无机材料无机材料可分为传统型和新型两大类

2、。传统无机材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种，新型无机材料则包括新型陶瓷、特种玻璃、人工晶体、半导体材料、薄膜材料、无机纤维、多孔材料等，特点为，其质点间结合力以离子健、共价键或离子共价混合键为主，表现出高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性，并具有宽广的导电性、导热性、透光性以及良好的铁电性、铁磁性和压电性和高温超导性；其化学组成不再局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、IIIV族及IIVI族化合物等；其形态和形状趋于多样化，薄膜、纤维、纳米材料，多孔，单晶和非晶材料日显重要；在制备上普遍要求高纯度、高细度的

3、原料并在化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构上能精确加以控制。无机材料的结构取决于组成以及合成和制备条件，并决定无机材料的性质和用途；无机材料的性能是结构的外在反映，对无机材料的使用效能有决定性影响，而使用效能又与无机材料的使用环境密切相关。无机材料的结构可以从原子及电子结构、原子的空间排列、组织结构或相结构等层次上来描述。无机材料的合成和制备方法决定了无机材料的结构和性能，无机材料的性能变化及性能衰减又与无机材料所处的条件及使用环境密切相关。无机材料科学与工程就是研究合成与制备、组成与结构、性能与使用效能四者之间相互关系与制约规律的科学。无机材料的选用遵循使用性能、工艺性能、

4、经济性及环境协调性原则。无机材料作为工业和建设所必需的基础材料，现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础和技术核心，在促进科学技术的发展，推动工业及社会的进步，巩固国防和发展军用技术，推动生物医学发展方面发挥着重要作用，而成为当今材料学科领域中发展最为迅速的一大类材料。在人民的日常生活中，在基本建设工程中，在各种工业生产中，在现代国防和现代科学技术中，无机材料都有着各式各样的用途，其用量之大居于所有人造材料首位。因此在无机材料的生产过程中，如何合理地使用原材料，提高产品质量，改善产品性能，缩短生产周期，减少能源消耗，降低生产成本，对于提高人民生活水平和促进国民经济和科学技术发展，具有

5、十分重要的意义。3、 晶体结构空间点阵、晶胞等是定性描述晶体中质点排列周期性的基本概念。晶胞参数、晶面指数、晶向指数等是定量描述晶体中质点周期性、规则性排列的基本概念，它们与描述晶体对称性的宏观及微观对称要素一起构成描述晶体结构的结晶学基础知识。 晶体化学主要研究晶体组成结构性质三者之间的相互关系和制约规律。晶体化学基本原理是通过质点之间结合力和结合能、原子或离子半径、球体紧密堆积、配位数、离子极化和鲍林规则等方面阐述它们对研究晶体结构及性质的意义。 晶体中质点依靠相互结合力结合在一起，根据结合力的本质不同，有离子键、共价键、金属键、范德华键（分子键） 等，分别对应典型的离子晶体、共价晶体、金

6、属晶体及分子晶体。对于没有方向性和饱和性的离子晶体及金属晶体而言，质点间堆积符合球体的最紧密堆积原理。而典型的共价晶体，质点间堆积不符合最紧密堆积原理。对于大多数晶体来说，结合力的性质是属于综合性的。实际晶体中的键可以用键型四面体来表征。决定晶体结构的内在因素有质点的相对大小、配位数、以及离子极化等。影响晶体结构的外在因素有压力、温度等。晶体结构与它的化学组成、质点的相对大小和极化性质有关。但并非所有化学组成不同的晶体都有不相同的结构，而完全相同的化学组成的晶体也可以出现不同的结构。这就是晶体中有同质多晶和类质同晶之分的原因。鲍林在研究了离子晶体结构的基础上，归纳出五条离子晶体结构形成的规则。

7、其中重要的三条为：（1）配位多面体规则；（2）电价规则，是离子晶体中较严格的规则，它使晶体保持总的电性平衡，还可用于求得阴离子的配位数；（3）配位多面体连接方式规则。 考察无机晶体结构时，通常从离子或原子的堆积方式、配位数与配位多面体及其连接方式，晶胞分子数、空隙填充情况、空间格子构造、同晶取代（质点置换）等方面来揭示、理解晶体的微观结构及其与晶体性质之间的关系。对于结构较复杂的硅酸盐晶体，通常从基本结构单元的构造（包括配位数与配位多面体及其连接方式）、基本结构单元之间的连接、晶胞分子数、空隙填充情况、同晶取代（质点置换）等方面来描述、揭示晶体的微观结构及其与晶体宏观性质之间的关系。4、 晶体

8、结构缺陷固体在热力学上最稳定的状态是处于0K时的完整晶体状态，此时，其内部能量最低。在高于0K任何温度下的实际晶体，由于质点的热运动，或在形成过程中环境因素的作用，或在合成、制备过程中由于原料纯度等因素的影响，或者在加工、使用过程中由于外场的物理化学作用等，使得晶体结构的周期性势场发生畸变，出现各种结构不完整性，此即结构缺陷。晶体的结构缺陷不等于晶体的缺点，实际上，正是由于晶体结构缺陷的存在，才赋予晶体各种各样的性质或性能。结构缺陷的存在及其运动规律，对固体的电学性质、机械强度、扩散、烧结、化学反应性、非化学计量组成以及材料的物理化学性能都密切相关。只有在理解了晶体结构缺陷的基础上，才能阐明涉

9、及到质点迁移的速度过程，因而掌握晶体缺陷的知识是掌握无机材料科学的基础。 缺陷按几何形态分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。这种分类方法符合人们认识事物的基本规律，易建立起有关缺陷的空间概念。缺陷按其产生的原因分为：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、电荷缺陷和辐照缺陷等。此种分类方法有利于了解缺陷产生的原因和条件，有利于实施对缺陷的控制和利用。点缺陷是材料中最常见的一种缺陷，包括热缺陷、组成缺陷、非化学计量缺陷、色心等。材料中的点缺陷始终处于产生与复合动态平衡状态，它们之间可以像化学反应似地相互反应。书写组成缺陷反应方程式时，杂质中的正负离子对应地进入基质中正负离子的位置。离子间价态不同时，若

10、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；若高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有负电荷，保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。 固溶体按照外来组元在基质晶体中所处位置不同，可分为置型换固溶体和间隙型固溶体。外来组元在基质晶体中的固溶度，可分为连续型（无限型）固溶体和有限型固溶体。形成固溶体后，继之晶体的结构变化不大，但性质变化却非常显著，据此可以对材料进行改性。当材料中有变价离子存在，或晶体中质点间的键合作用比较弱时，材料与介质之间发生物质交换成非化学计量化合物，此类化合物是一种半导体材料。点缺陷的浓度表征非常灵活，只要选择合适的

11、比较标准，可以得出多种正确的浓度表征结果。点缺陷的存在及其相互作用与半导体材料的制备、材料的高温动力学过程，材料的光电学性质等密切相关。 线缺陷是晶体在结晶时受到杂质、温度变化或振动等产生的应力作用，或者晶体在使用受到打击、切削、研磨等机械应力作用或高能射线辐照作用而产生的线状缺陷，也称为位错。位错分为刃位错、螺位错和混合位错等。位借以及运动与晶体力力学、塑性变形行为等密切相关。运用位错理论可以成功地解释晶体的屈服强度、脆性、断裂和蠕变等晶体强度理论中的重要问题。 面缺陷是块体材料中若干区域的边界。每个区域内具有相同的晶体结构，区域之间有不同的取向。面缺陷包括表面、晶界、层错、孪晶界、相界等。

12、晶界是不同取向的晶粒之间界面。界面分为位错界面、孪晶界面和平移界面。根据界面上质点排列情况不同有共格、半共格和非共格界面。面缺陷对解释材料的力学性质断裂韧性具有重要意义。5、 非晶体结构非晶态固体包括非晶态电介质、非晶态半导体、非晶态金属。它们有特殊的物理、化学性质。例如金属玻璃（非晶态金属）比一般（晶态）金属的强度高、弹性好、硬度和韧性高、抗腐蚀性好、导磁性强、电阻率高等。这使非晶态固体有多方面的应用。它是一个正在发展中的新的研究领域，近年来得到迅速的发展。熔体是介于固体与液体之间的一种状态，在结构上更接近于固体。掌握熔体的结构和性质的相互关系及制约规律，对了解无机材料的结构及性质、无机材料

13、制备与加工方法及工艺参数的选择具有重要意义。熔体的粘度及表面张力是对无机材料的工艺过程非常敏感的两个性质，常称为工艺性质。粘度、表面张力与组成及温度的关系是需要重点掌握的内容。 玻璃的形成条件包括热力学条件、动力学条件及结晶化学条件，热力学条件是形成玻璃可能性大小的一种判据，并非对玻璃的形成的必然条件。动力学条件给出形成玻璃所需要的工艺条件 冷却速率的大小。只要提高冷却速率，在常规冷却条件下不能形成玻璃的物质，在极高的冷却速率下也有可能形成玻璃。结晶化学条件则是从内在结构因素方面阐述形成玻璃所需具备的基本条件，对玻璃组分的选择与设计具有指导意义。 描述玻璃结构的理论有无规则网络学说及晶子学说等

14、，这两个理论分别从不同侧面描述了玻璃的微观结构。由于玻璃的长程无序结构是相对于晶体内的长程有序结构的一种偏离，而且这种偏离与玻璃形成过程中经历的动力学条件密切相关，因而玻璃结构具有复杂性，目前还没有一个全面的、普遍适应的描述玻璃微观结构的理论。6、 固体的表面与界面固体间的接触界面包括表面、界面和相界面。表面是指固体与真空介质接触的界面；其中弛豫表面和重构表面是两个重要的概念，这两种表面结构对材料的表面催化性能有重要影响。界面是指相邻两个结晶空间的交界面；界面有共熔性和反应性两种。相界面是指相邻相之间的交界面，这两个相互接触的相不要求都是晶相。相界面有三类，如固相与固相的相界面（S-S）、固相

15、与气相之间的相界面（S-V）、固相与液相之间的相界面（S-L）等。以上相关概念是科学角度的定义，在实际运用中，有些术语并未严格按照上述概念来运用。例如，通常把固体与气体接触的相界面笼统地成为表面，把晶相与玻璃相接触的固固相界面简单地称为界面。这是科学与工程领域的认同的一种差异。 吸附、润湿与粘附是分别发生在固气、固液或固固界面上非常重要的界面行为，影响固体的表面结构和性能，并与熔体对耐火材料的侵蚀、液相对固体的润湿及铺展等无机材料的制备过程、无机材料的显微结构形成过程、复合材料内不同相间的结合工艺等物理化学过程密切相关，涉及无机材料制备和服役中性能变化的方方面面。 了解无机材料表面组成、表面结

16、构分析的现代方法及技术，是表征无机材料表面结构，研究表面性质与性能的基本手段，应该掌握相关测试手段所能得到的结构信息。7、 混凝土结构与性能的关系 水泥基材料是属于多相多层次的复合材料，包括从组成水泥基材料的原子-分子结构，晶粒-胶团-气孔的浆体结构，胶体-细集料的砂浆结构，砂浆-粗骨料组成的素混凝土结构以及混凝土-增强钢筋结构等。研究水泥基材料的组成，结构与性能之间的关系，首先要考虑研究对象所处的层次，不同层次的材料组成与结构，在不同深度与程度上影响着材料的宏观物理力学性能。当然，在研究材料的某一具体性能时，也必须考虑各个层次的综合影响，包括层次交叉和交互作用。水泥浆具有胶凝作用，在混凝土中

17、呈现连续分布，称为连续相或者基体，它把骨料相（分散相）牢固地胶结在一起，形成混凝土并使其具有抵抗外力作用和环境侵蚀的功能。所以，水泥浆连续相性能的优劣，直接影响着混凝土整体的宏观行为。 界面区的形成原因及特征为：（1）新捣实混凝土中粗骨料颗粒下侧形成水膜，使得从粗骨料下面沿法线方向进入砂浆时水灰比由大变小；（2）过渡区的水灰比较大，水化产物晶体发育较完整、粗大，形成的网络骨架比砂浆基体的孔隙率大，且在界面区从骨料表面到浆体由大变小，呈梯度分布；（3）过渡区板状Ca（OH）2晶体往往容易取向排列，多为C轴垂直于骨料表面，致使过渡区的强度有一定的取向性；（4）过渡区的显微硬度低于硬化水泥浆本体的显微硬度和骨料的显微硬度；（5）粗骨料有阻滞密实成型时砂浆中气泡的上浮外