材料科学基础要背知识总结

1、2010级材料科学基础复习参考材料一、名词解释第二章2-1 Crystalline and Non-crystalline 结晶态与非晶态Crystalline: The state of a solid material characterized by a periodic and repeating three-dimensional array of atoms,ions,or molecules.Non-crystalline:The solid state wherein there is no long-range atomic order.sometimes the terms

2、 amorphous,glassy,and vitreous are used synonymously.2-2 Single crystalline materials and polycrystalline materials 单晶与多晶材料Single crystalline materials:A crystalline solid for which the periodic and repeated atomic pattern extends throughout its entirety without interruption.polycrystalline material

3、s:Referring to crystalline materials that are composed of more than one crystal or grain.2-3 Crystal structure, point lattice and unit cell 晶体结构、空间点阵、单位晶胞Crystal structure:For crystalline materials,the manner in which atoms or ions are arrayed in space.It is defined in terms of the unit cell geometr

4、y and the atom positions within the unite cell.point lattice:The regular geometrical arrangement of points in crystal space.unit cell:The basic structural unit of a crystal structure.It is generally defined in terms of atom(or ion) positions within a parallelepiped volume. 2-4点群与空间群点群：是指宏观晶体中对称要素的集合

5、。它包含了宏观晶体中全部对称要素的总和以及它们相互间的组合关系。空间群：晶体内部结构中全部对称要素的集合。2-5 Direction indices and plane indices 晶向指数与晶面指数晶向指数：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点直线组，质点等距离地分布在直线上。位于一条直线上的质点构成一个晶向。用u v w表示，其中u v w是晶向矢量在参考坐标系X Y Z轴上的矢量分量等比例化简而得到。晶面指数：可将晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面，即晶面，用h k l表示,h l k是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距倒数的互质整数比。2-6 Coordination n

6、umber and coordination polyhedron配位数与配位多面体配位数：一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目为原子或离子的配位数配位多面体：由原子（或离子）与其配位原子（或异号离子）组成的多面体结构为配位多面体。2-7 Isotropic and anisotropic 各向同性与各向异性Isotropic：Having identical values of a property in all crystallographic directions.anisotropic:Exhibiting different values of a property i

7、n different crystallographic directions2-8 Polymorphism and isomorphism同质多晶和类质同晶像同质多晶：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成结构不同的晶体的现象称为同质多晶现象。类质多晶：化学组成相似或相近的物质，在相同的热力学条件下，形成的晶体具有相同的结构，这种现象叫做类质量同晶现象。2-9 萤石型结构与反萤石型结构萤石（CaF2）型结构：萤石属于立方晶系，Ca2+位于立方晶胞的顶点及面心位置，形成面心立方堆积，F-填充在八个小立方体的体心。Ca2+配位数是8，形成立方配位多面体CaF8, F-配位数是4，形成立方

8、配位多面体FCa4，F-占据Ca2+堆积形成的四面体空隙的100%反萤石型结构：碱金属元素的氧化物R2O、硫化物R2S、硒化物R2Te等A2X型化合物为反萤石型结构，它们的正负离子位置刚好与萤石结构中的相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-或其他负离子占据Ca2+的位置。2-10 尖晶石型结构与反尖晶型结构尖晶石型结构：尖晶石（MgAlO3）结构属于立方晶系，尖晶石晶胞中O2-作面心立方最紧密堆积，晶胞分为两块，A块Mg2+占据四面体空隙，B块Al3+占据八面体空隙。在尖晶石结构中如果A离子占据四面体空隙，B离子占据八面体空隙，则称为正尖晶石，反之，如果半数的B离子占据四面体空隙，A离子和另

9、外半数B离子占据八面体空隙，则成为反尖晶石。第三章3-1 热缺陷，杂质缺陷，非化学计量化合物热缺陷：当晶体温度高于0K时，由于晶格内原子的热振动，原子能量是涨落的，总有一部分原子获得足够能量离开平衡位置，造成原子缺陷，这种缺陷称为热缺陷。 杂志缺陷：由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。这样形成的固体称为固体溶液（固溶体）。非化学计量化合物：化合物不符合定比定律，正负离子比值并不是固定的比例关系。这种化合物称为非化学计量化合物。3-2 Schottky defect and Frenkel defect弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷Schottky defect：In an ionic solid,a

10、defect consisting of a cation-vacancy and anion-vacancy pair.Frenkel defect: In an ionic solid,a cation-vacancy and cation-interstitial pair.3-3 Interstitial solid solution and substitutional solid solution间隙型固溶体和置换型固溶体Interstitial solid solution：A solid solution wherein relatively small solute atom

11、s occupy interstitial positions between the solvent or host atoms. substitutional solid solution: A solid solution wherein the solute atoms replace or substitute for the host atoms.3-4 Limited solid solution and complete solid solution连续固溶体(无限固溶体，完全互溶固溶体)与有限固溶体（不连续固溶体，部分互溶固溶体)按溶质原子在溶剂晶体中的溶解度分类连续固溶体是

12、指溶质和溶剂溶剂可以按任意比例相互固溶。因此，在连续固溶体中溶剂和溶质都是相对，如Al2O3-Cr2O3等。有限固溶体表示溶质只能以一定的限量溶入溶剂，超过这一限度即出现第二相。如MgO Al2O3, MgO-CaO等3-5 Edge dislocation and screw dislocation刃位错和螺位错Edge dislocation：A linear crystalline defect associated with the lattice distortion produced in the vicinity of the end of an extra halfplane

13、of atoms within a crystal.The Burgers vector is perpendicular to the dislocation line.Screw dislocation: A linear crystalline defect associated with the lattice distortion created when normally parallel planes are joined together to form a helical ramp.The Burgers vector is parallel to the dislocati

14、on line.3-6 位错滑移与位错攀移位错滑移是指在外力作用下，位错线在其滑移面（即位错线与伯格斯矢量b构成的晶面）上的运动，结果导致晶体永久变形。 位错攀移：在热缺陷或外力的作用下，位错沿垂直滑移面方向的移动。结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。 第四章4-1 Bridge oxygen and non- bridge oxygen 桥氧与非桥氧硅氧四面体中与两个Si4+相连的氧称为桥氧，与一个Si4+相连的氧称为非桥氧4-2 Net-former and net-modifier 网络形成体和网络改性体网络形成体：其中正离子为网络形成离子，其单键>335kJ/mol。这类氧

15、化物能单独形成玻璃。网络改性体：正离子称为网络变性离子，单健强度<250kJ/mol。这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。4-3 硼反常现象当数量不多的碱金属氧化物同B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔融SiO2玻璃中作为非桥氧出现在结构中，而是使硼氧三角体转变为由桥氧组成的硼氧四面体，致使B2O3玻璃从原来两度空间的层状结构部分转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络结构，并使玻璃的各种物理性能变好。这与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性能随碱金属或碱土金属加入量的变化规律相反，所以称之为硼反常现象。4-4 晶子学说与无规则网络学说晶子学说：玻璃结构是一种

16、不连续的原子集合体，即无数“晶子”分散在无定形介质中；“晶子”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固溶体等微观多相体，与该玻璃物系的相平衡有关；“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格极度变形的微小有序区域，在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；从“晶子”部分到无定形部分的过程是逐步完成的，两者之间无明显界线。无规则网络学说：玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三维空间网络结构。但玻璃的网络与晶格的网络不同，玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能要大。由于玻璃的强度与晶体的强度属于同一数量级，玻璃的内能与相应

17、晶体的内能相差并不大，因此它们的结构单元（四面体或三角体）应是相同的，不同之处在于排列的周期性。4-5玻璃转变温度与玻璃软化温度玻璃转变温度：即脆性温度，它是玻璃出现脆性的最高温度，由于在这个温度下可以消除玻璃制品因不均匀冷却而产生的内应力，所以也称为退火温度上限。对应粘度为1012Pa·s玻璃软化温度：它是玻璃开始出现液体状态典型性质的温度。无论玻璃组成如何，在Tf时相应的玻璃粘度约108Pa·s。 Tf也是玻璃可以拉成丝的最低温度。第五章5-1 表面能与表面张力表面能的含义是：在恒温恒压和组成一定的情况下，每增加单位表面积时，体系自由能的增量，用 s 表示。单位J/m2

18、 。 表面张力是扩张表面单位长度所需要的力。5-2 晶界与相界晶界： 凡结构相同而取向不同的晶体相互接触，其接触界面称为晶界。 相界：如果相邻晶粒不仅位向不同，而且结构、组成也不相同，即它们代表不同的两个相，则其间界称为相界面或界面。第六章6-1 Congruent transformation and incongruent transformation一致转变（熔融）与不一致转变（熔融）Congruent transformation：A transformation of one phase to another of the same composition.incongruent t

19、ransformation:The phase experience a change in composition.6-2 液相独立析晶如果冷却速度既不是快到使液相全部转变为玻璃，又不是没到足以使过程平衡进行，则往往会发生独立析晶现象。独立析晶通常是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回吸的晶相有可能会被新析出的固相包裹起来，使转熔过程不能继续进行，从而使液相进行另一个单独的析晶过程，这就是所谓的独立析晶。第七章7-1 Steady-state diffusion and non-steady-state diffusion稳定扩散与不稳定扩散Steady-State Diffusion

20、 稳定扩散The diffusion condition for which there is no net accumulation or depletion of diffusion species. The diffusion flux is independent of time.Nonsteady-State Diffusion 不稳定扩散The diffusion condition for which there is some net accumulation or depletion of diffusion species. The diffusion flux Vary

21、with time.7-2 Self-diffusion and inter-diffusion自扩散与互扩散Self-diffusion ：Atoms migration in pure metalsinter-diffusion ：Process whereby atoms of one metal diffuse into another, is termed Inter-diffusion or impurity diffusion . 7-3 本征扩散与非本征扩散第八章8-1 一级相变与二级相变一级相变：在临界温度、临界压力时，两相化学位相等，但化学位的一阶偏导数不相等的相变。二级相

22、变：相变时化学位及其一阶偏导数相等，而二阶偏导数不相等的相变。8-2 扩散型相变与非扩散性相变在相变时，依靠原子（离子）的扩散来进行的相变称为扩散型相变，如晶型转变、熔体结晶、有序-无序转变。相变过程不存在原子（离子）的扩散，或虽存在扩散但不是相变所必需的或不是主要过程的相变即为无扩散型相变，如合金中马氏体转变。8-3 成核-生长相变与连续型相变成核-生长相变是由组成波动程度大、空间范围小的起伏开始发生的相变，初期起伏形成新相核心，然后是新相核心长大，有均匀成核与非均匀成核两类。连续型相变是由组成波动程度小、空间范围广的起伏开始发生的相变，即起伏连续地生长而形成新相，包括8-4 均匀成核和非均

23、匀成核8-5 重建性转变和位移性转变8-6 析晶与分相第九章9-1 化学动力学范围与扩散动力学范围第十章10-1 Solid state sintering and liquid state sintering固相烧结与液相烧结10-2 初次再结晶、晶粒长大、二次再结晶 10-3 烧结与烧成二、综合、简答题第二章2-1 根据晶体结构的特点解释晶体的基本性质均一性、各向异性、对称性、最低内能。2-2 简述晶体结构与空间点阵区别与关系晶体结构是指晶体中原子或分子的空间排列方式。空间点阵是晶体结构中质点周期性重复排列的几何图形。晶体结构是由空间点阵和结构基元组成的。空间点阵是从几何角度建立的一种空间

24、构造，其结点周围的环境是相同的，晶体的结构是将原子、离子、分子或分子团等结构基元放在空间点阵的阵点上而形成的，因此，晶体结构中质点周围环境不一定都是相同的。2-3 晶体的基本性质之一是各向异性，但为什么多晶材料往往是各向同性的？ For many polycrystalline materials,the crystallographic orientations of the individual grains are totally random.Under these circumstances,even though each grain may be anisotropic,a sp

25、ecimen composed of the grain aggregate behaves isotropically.Also the magnitude of a measured property represents some average of the directional values.Sometimes the grains in polycrystalline materials have a preferential crystallographic orientation,in which case the material is said to have a “te

26、xture.”2-4 简述高岭石结构与蒙脱石结构及其与性能的关系高岭石结构：高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）的基本结构单元是由硅氧层和水铝石层构成的单网层，单网层平行叠放便形成高岭石结构，Al3+配位数是6，其中2个是O2-,4个是OH-,形成AlO2(OH)4八面体，正是这两个O2-把水铝石层和硅氧层连接起来。水铝石层中，Al3+占据八面体空隙的2/3。 单网层在平行叠放时是水铝层的OH-与硅氧层的O2-相接触，故层间靠氢键来结合。由于氢键结合比分子间力强，所以，水分子不易进入单层网之间，晶体不会因为水含量增加而膨胀。蒙脱石结构：蒙脱石（Mx nH2O）（Al2

27、-x Mgx ）（Si4O10）（OH)2具有复网层结构，由两层硅氧四面体层和夹在中间的水铝石层所组成由于结构中Al3+可被Mg2+取代，使复网层并不呈电中性，带有少量的负电荷；因而复网层之间有斥力，使略带正电性的水化正离子易于渗透进入层间，使晶胞c轴膨胀。C轴长度随含水量而变化，甚至空气湿度的波动也能导致c轴参数的变化，所以，晶体易于膨胀或压缩。加水膨胀，加热脱水并产生较大收缩，一直干燥到脱去结构水之前，其晶格结构不会被破坏。随层间水进入的正离子使复网层电价平衡，它们易于被交换，使矿物具有很高的阳离子交换能力。2-5 为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度要高的多？在

28、上述的各种石英变体中，纵向之间的变化均不涉及晶体结构中键的破裂和重建，转变过程迅速而可逆，往往是键之间的角度稍作变动而已。这种转变称为位移型转变。横向之间的转变，如石英与鳞石英，方石英之间的转变都涉及键的破裂和重建，其过程相当缓慢。这种转变称为重建型转变。重建型转变破坏旧键并重新组成新键需要较大的能量，位移型转变不涉及旧键破坏和新键形成过程，因此，转变温度低于前者。2-6 硅酸盐晶体结构有何特点，怎样表征其化学式？特点：（1）结构中Si4+离子位于O2-离子形成的四面体中心，构成硅酸盐晶体的基本结构单元SiO4四面体。Si-O-Si键是一条夹角不等的折线，一般在145。左右。（2）SiO4四面

29、体的每个顶点，即O2-离子最多只能为两个SiO4四面体所共用。（3）两个相邻的SiO4四面体只能共顶而不能共棱或共面连接。（4）SiO4四面体中心的Si4+离子可部分地被Al3+取代，取代后结构本身并不发生大的变化，即所谓同晶取代，但晶体性质却可以发生很大变化。表征化学式：一种是氧化物方法，把构成硅酸盐晶体的所有离子按照一定比例和顺序全部写出来，先是1价的碱金属氧化物，其次是2价、3价的金属氧化物，最后是SiO2。例如钾长石K2O·Al2O·6SiO2;另一种是无机络盐表示法，把构成硅酸盐晶体的所有离子按照比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用中括号括起来即可。先是1价

30、、2价的金属离子，其次是Al3+和Si4+离子，最后是O2-或OH-离子。2-7 硅酸盐晶体的分类依据是什么？可分为哪几类，每类的结构特点是什么？分类依据：硅酸盐晶体化学式中Si/O比例不同时，结构中的基本结构单元SiO4四面体之间的结合方式并不相同，据此可对结构进行分类。分类及特点：岛状、组群状、链状、层状、架状岛状：结构中的硅氧四面体以孤立状态存在。硅氧四面体之没有共用的氧。硅氧四面体中的氧离子，除了和硅离子相连外，剩下的一价与其它金属阳离子相连。组群状：硅氧四面体以两个、三个、四个或六个，通过共用氧相连成硅氧四面体群体，这些群体之间由其它阳离子按一定的配位形式把它们连接起来。如果把这些群

31、体看成一个单元，那么这些单元就象岛状结构中的硅氧四面作一样，是以孤立的状态存在的。链状：硅氧四面体通过共用氧连接，在一维方向延伸成链状，链与链之间是通过其它阳离子按一定的配位关系连接起来。层状：硅氧四面体通过三个共同氧连接，在二维平面内延伸成一个硅氧四面体层。在硅氧层中，处于同一平面的三个氧离子都被硅离子共用而形成一个无限延伸的六节环层，这三个氧都是桥氧，电价已达到平衡。另一个顶角向上的氧、负电加尚未平衡，称为自由氧。它将与硅氧层以外的阳离子相连。这种自由氧在空间排列也形成六边形网格。层状结构中络阴离子的基本单元是Si4O104- 。架状：每个硅氧四面体的四个角顶都与相邻的硅氧四面体共顶。硅氧

32、四面体排列成具有三维空间的” 架”。第三章3-1 影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？置换型固溶体：（1） 离子尺寸因素 相互替代的离子尺寸越相近，则固溶体越稳定。当符合r1-r2r1<15%时，溶质和溶剂之间有可能形成连续固溶体；若比值在1530时，形成有限置换型固溶体；若比值>30时不能形成固溶体。 (2) 晶体结构类型 两个组分具有相同结构类型的容易形成置换型固溶体。 (3)离子的电价影响 只有离子价相同或离子价总和相同时才能生成连续置换型固溶体。 如果取代离子价不同，则要求用两种以上不同离子组合起来，满足电中性取代的条件也能生成连续固溶体。(4) 电负性 离子电

33、负性对固溶体及化合物的生成有一定的影响。电负性相近，有利于固溶体的生成，电负性差别大，倾向于生成化合物。间隙型固溶体：（1）杂质质点大小：添加的原子愈大，易形成固溶体，反之亦然（2）晶体结构 基质晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素 外来杂质原子进入间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，要保持电价平衡。这可通过生成部分取代或离子的价态变化来达到。 3-2 非化学计量化合物有何特点？（1） 非化学计量化合物的产生及其缺陷浓度与气氛性质、分压大小有关，这有别于其他缺陷（2） 这种化合物可看作是高价化合物与低价化合物的固溶体，即不等价置换是发生在同一种离子中的高价态与低价态间的

34、相互置换（3） 缺陷浓度与温度有关第四章4-1 为什么极性共价键化合物的熔体冷却时容易形成玻璃？离子键向共价键过渡的混合键称为极性共价键，这种混合键既具有共价键的方向性和饱和性，不易改变键长和键角的倾向，促进生成具有固定结构的配位多面体，构成玻璃的近程有序；又具有离子键易改变键角，易形成无对称变形的趋势，促进配位多面体不按一定方向连接的不对称变形，构成玻璃远程无序的网络结构。因此，极性共价键物质易形成玻璃。 4-2 何谓各向同性,为什么玻璃体是各向同性的?4-3 玻璃形成的热力学条件是什么? 熔融体三种冷却途径（1）结晶化 即有序度不断增加，直到释放全部多余能量而使整个熔体晶化为止。（2）玻璃

35、化 即过冷熔体在转变温Tg硬化为固态玻璃的过程。（3）分 相 即质点迁移使熔体内某些组成偏聚从而形成互不混溶的组成不同的两个玻璃相。玻璃态物质总有降低内能向晶态转变的趋势，在一定条件下通过析晶或分相放出能量使其处于低能量的介稳状态。如果玻璃与晶体内能相差大，则在不稳定过冷下，晶化倾向大，形成玻璃倾向小。 因此，形成玻璃的热力学条件:玻璃与相同组成晶体的内能差不大。4-4 玻璃形成为什么要有足够快的冷却速度?析晶过程必须克服一定的化学势垒，包括形成晶核所需建立新界面的界面能以及晶核长大成晶体所需的质点扩散的活化能等。如果这些势垒较大，尤其当熔体冷却速率很快时，粘度增加甚大，质点来不及进行有规则排

36、列，晶核形成和晶体长大均难以实现，从而有利于玻璃的形成。4-5为什么说氧化物的键强是决定其能否形成玻璃的重要条件？熔体在结晶化过程中，原子或离子要进行重排，熔体结构中原子或离子间原有的化学键会连续破坏，并重新组合形成新键。从不规则的熔体变成周期排列的有序晶格是结晶的重要过程。这些键越强，结晶的倾向越小，越容易形成玻璃。第五章5-1 液体的表面张力与表面能在数值上是一致的，而固体的表面张力与表面能在数值上常不同，为什么？对于液体，表面张力和表面能在数值上是相等的。原因：液体中产生新表面的过程实质上是内部原子（分子）克服引力转移到表面上成为表面原子（分子）的过程。液体中原子和原子团易于移动，拉伸表面时，液体原子间距离并不改变，附加原子几乎立即迁移到表面。新形成的液体表面很快就达到一种动态平衡状态，所以与最初状态相比表面结构保持不变。液体表面张力和表面能在数值上相等。对于固体，表面张力和表面能在数值上通常是不相等的。 原因：对于固体来说，其中它的原子（分子、离子）在空间按一定的周期性排列，形成具有一定对称性的晶格。通常表面变形过程比原子迁移率快得多，则表面结构受拉伸或压缩而与正常结构不同，在这种情况下，表面能与表面张力在数值上不相等。5-2 固体表面与内部的结构存在一定差异，为什么？表面力的存在使固体表面处于较高能量状态。但系统总会通过各种途径来降低这部分过