无机物理化学风-0绪论

无机材料物理化学

（硅酸盐物理化学）授课教师：王海风联系方式：办公地点：材料楼C1782023/1/1811.材料及其应用

世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。2023/1/1822023/1/183材料是当代文明的三大支柱之一：材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。

材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）。2023/1/1842、材料的分类按化学组成（或基本组成）分类金属材料：单质及合金；无机非金属材料：传统的（普通的）无机非金属材料和新型的（先进的）两大类；高分子材料（聚合物）：由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。复合材料：是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。2023/1/185根据材料的性能分类

根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为：结构材料：具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。用于机械制造材料、建筑材料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。功能材料：具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。2023/1/186按服役的领域分类信息材料航空航天材料能源材料生物医用材料等等。2023/1/187按结晶状态分类单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。

2023/1/188按材料的尺寸分类零维材料：即超微粒子，亚微米级或大小为1—100nm的纳米粒子。一维材料：如光导纤维；脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性；碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。二维材料：如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。三维材料：即块状材料。2023/1/18910①金属结构材料②陶瓷结构材料③碳/碳结构材料④高分子结构材料⑤超导材料⑥生物材料⑦磁性材料⑧光/声材料⑨电子材料⑩催化材料⑾机电材料冶金化工材料①⑦⑾

金属材料制备加工的冶金过程及其相关有机、无机材料制备、合成的化学过程及其相关

材料加工、制备、合成、测试、表征、总体②⑤⑥⑦⑧⑨④③⑩

当前的材料从使用要求：多样化、复合化、智能化、高性能从应用：结构材料—功能材料—结构/功能一体化材料从材料：金属（合金）--金属间化合物—金属/非金属化合物—金属/非金属复合材料—非金属复合材料从组织结构：多晶—单晶—微晶—纳米晶—非晶从形态尺度：块体—薄膜—线材（一维）

现材料已发展到成千上万种，涉及社会经济生活的几乎所有方面。

2023/1/18113、无机非金属材料的发展

20世纪前半叶，美国材料学科教育主要在冶金系，以金属材料为主，二战后，在教学计划中加入了“广泛材料”基础理论及非金属材料课程。60至70年代，原设置冶金系的大学逐步将系名更改为材料系或冶金与材料系。80年代美国大学相应系多以材料科学与工程命名(MSE)。历史上看，材料系多由冶金系演进而来。60年代之后随着非金属材料发展化学化工系也部分转向材料。2023/1/1812地壳中的化学元素分布排列：2023/1/1813

20世纪40年代后非金属材料有了新的发展，1945年晶体管的出现，半导体材料异军突起。无机非金属材料的种类：玻璃陶瓷水泥耐火材料2023/1/1814

材料科学与工程的定义是：研究有关材料成份/结构、制备/合成、性能/使用效能及其关系的科学技术与生产。

材料的结构与成分应更着重于包括原子的类型及所观察尺度范围（纳米、介观、微观、宏观）内原子的排列组合。

使原子（原子团），分子可得到特定排列组合的合成与加工；

由不同原子（原子团）、分子及其排列组合所得到的使材料具有值得研究和使用的性能；

考虑经济和社会效益的材料使用服役实际条件及其有效性的度量。

4、材料科学与工程概述2023/1/1815合成与制备过程使用效能性质组成与结构（化学）（工程）（物理学）组成-结构-性质-工艺过程之间的关系2023/1/1816

四要素是一个整体，内部有机联系是其核心与活力所在。组成——指构成材料物质的原子、分子及其分布；除主要组成以外，杂质及对无机非金属材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略。结构——则指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次。2023/1/1817

材料科学与工程的任务在于针对实际需要，使宏微观紧密结合，在原子/分子的层次上将成分/组织的设计与合成加工综合起来，通过合成与加工过程的精确控制有效地安排与控制原子/分子的特定排列组合，达到控制组织结构，控制形状进而达到所需的使用性能。2023/1/1818控性控构控形力学性能物理性能化学性能近终形表面完整性尺寸精度宏观组织（晶粒形态与尺寸）微观组织（亚晶界、枝晶间距、次生相）强化相的形态、尺寸及分布多相合金的相结构组织均匀性成分均匀性（宏观与微观偏析）组织致密性夹杂、气孔等应力、变形、开裂等晶体结构缺陷（点缺陷、位错、孪晶等）非晶、微晶、纳米晶及非平衡晶设计（成分组织）合成材料科学与工程加工2023/1/18195、无机材料物理化学学科内容适应专业：硅酸盐工程类，材料工程类

硅酸盐物理化学——无机材料物理化学：用物理化学的方法去研究硅酸盐的结构、组成、性质之间的规律和关系，（硅酸盐包括晶体，玻璃体、熔体，固溶体）。2023/1/1820硅物化工艺指导补充完善理论角度制造角度奠定工艺基础提供理论依据专业理论训练奠定工业基础工程实际训练研究制造无机材料产品（如玻璃、陶瓷、新材料）目标2023/1/1821无机材料加工过程中的物化过程：扩散、相变、固相反应、烧结等原料产品热过程

晶体（缺陷）熔体玻璃条件相图热力学动力学2023/1/1822晶体结构与晶体中的缺陷熔体内容硅物化内容：固体表面与界面相平衡扩散固相反应相变烧结玻璃体2023/1/1823课程目的、意义

本课程阐述无机材料的化学组成、晶体和非晶体结构与各种物性间的关系；并对无机材料制造过程中各种化学和物理变化作热力学和动力学分析，说明诸工艺因素和添加物对这些过程的影响规律，从而培养学生对无机材料的设计、制备、改性和选材的能力。2023/1/1824学科设置学习物理化学所具备的基础《物理化学》《硅酸盐岩相学》《无机非金属材料学》后续课程：《无机材料物理性能》以及《无机材料工艺学》

硅酸盐物理化学是在物理化学在基础上，总结了硅酸盐工艺的共性规律而形成的。

2023/1/1825参考教材《无机材料科学基础》——《硅酸盐物理化学》陆佩文主编武汉工业大学出版社《硅酸盐物理化学》丁子上等主编中国建筑工业出版社《无机材料物理化学》叶瑞伦主编天津大学《怎样看硅酸盐相图》沈鹤年《玻璃物理化学导论》P.贝尔塔等著

中国建筑工业出版社《陶瓷导论》W.D.Kingery中国建筑工业出版社2023/1/1826课程考核方式考核方式：平时作业+期末书面考试考核成绩：平时作业：25％；讲解作业：5%；期末考试：70％。2023/1/1827无机材料工艺过程：原料产品热过程粉磨、均化成型2023/1/1828配料烧结或熔融2023/1/18293个球构成一个三角形空隙，每个球有1/3个，每个球周围有6个三角形空隙，因此每个球就有61/3=2个空隙。一层最密堆积中球数:三角形空隙数目=1:2（1）等径球的密堆积堆积结构2023/1/18302023/1/18302layers半数的三角形空隙上方放了球四面体空隙另一半的三角形空隙上方是第二层的空隙八面体空隙2023/1/1831最紧密堆积中的空隙①

四面体空隙：四个球围成的空隙②八面体空隙：六个球围成的空隙2023/1/18323layersABAHexagonalclose-packing(HCP)ABCCubicclose-packing(CCP)把第三层放在与第一层一样的位置把第三层放在堵住头二层漏光的三角形空隙上2023/1/1833化学式为：C晶体结构为：立方晶系，a＝0.356nm空间格子：C原子组成立方面心格子(Fd3m)金刚石结构碳原子位于所有立方面心的结点和4个小立方体中心，每个碳周围都有4个碳，碳原子之间形成共价键。晶体结构2023/1/1834晶胞图性质：硬度最高，导热性极好，半导体性能。应用：高硬度切割材料、磨料、钻头；集成电路中的散热片；高温半导体材料。2023/1/1835晶体结构：

六方晶系（3R）

a＝0.146nm，c＝0.670nm结构：C原子组成层状排列，层内C原子成六方环状排列，上下相邻层的碳六方环通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构。上下两层的碳原子之间距离比同一层内的碳之间的距离大得多（层内C-C间距=0.142nm，层间C-C间距=0.340nm）石墨结构2023/1/1836性质：碳原子有一个电子可以在层内移动，平行于层的方向具有良好的导电性。石墨的硬度低，有滑腻感，熔点高，导电性好。应用：润滑剂；发热体和电极；类似材料：六方BN。工艺过程与物质状态2023/1/1837过冷液体玻璃快冷慢冷晶体abcdefhTg1Tg2TMTV、Q物质体积与内能随温度变化示意图2023/1/1838固体的表面能表面能Gs：增加单位表面积时体系自由能的增量，单位J/m2=N.m/m2=N/m表面张力γ：扩张表面单位长度所需的力，单位N/m。固体的表面能和表面张力与液体的类似，但也有重要差别；液体的表面自由能和表面张力数值相等。