第一章緒論第一章緒論材料和化學藥品化學藥品的用途主要基于其消耗；材料是可以重復或連續使用而不會不可逆地變成別的物質。材料的分類按組成、結構特點分：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料按使用性能分：StructuralMaterials——主要利用材料的力學性能；FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化學性能按用途分：導電材料、絕緣材料、生物醫用材料、航空航天材料、能源材料、電子信息材料、感光材料等等第二章材料的結構材料化學的主要內容：結構、性能、制備、應用第二章材料的結構元素和化學鍵了解元素的各種性質及其變化規律：第一電離能、電子親和勢、電負性、原子及離子半徑注意掌握各種結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）較深的勢能阱表示原子間結合較緊密，其對應的材料就較難熔融，并具有較高的彈性模量和較低的熱膨脹系數。晶體學基本概念晶體與非晶體（結構特點、性能特點、相互轉化）晶體：原子或原子團、離子或分子在空間按一定規律呈周期性地排列構成（長程有序）非晶體：原子、分子或離子無規則地堆積在一起所形成（長程無序、短程有序）晶態與非晶態之間的轉變會自發地結晶，轉化到穩定性更高的晶體狀態。通常呈晶體的物質如果將它從液態快速冷卻下來也可能得到非晶態。晶格、晶胞和晶格參數周期性：同一種質點在空間排列上每隔一定距離重復出現。周期：任一方向排在一直線上的相鄰兩質點之間的距離。晶格結點e：質點的中心位置?？臻g點陣e：由這些結點構成的空間總體。晶胞t：構成晶格的最基本的幾何單元。晶系714種空間點陣類型晶向指數和晶面指數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點平面稱為晶面，即結晶多面體上的面。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 晶面簇掌握晶向指數和晶面指數的確定晶向指數與晶面指數：國際上統一采用密勒指數（Millerindices）來進行標定。[uvw]為OP的晶向指數，用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數。晶面間距——掌握較簡單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

h2k

l2d a2 b2 c2hkl晶體材料的結構金屬晶體理解金屬晶體的堆積模型1型最密堆積（面心立方）和3型最密堆積（六方，2型密堆積（體心立方）掌握單位晶胞原子數、配位數的確定StructureCNnξbcc820.68fcc1240.74hcp1260.74掌握原子堆積系數的計算原子堆積系數=單位晶胞內原子體積/單位晶胞體積離子晶體鮑林規則理解鮑林規則──正離子的配位數取決于離子半徑比。鮑林第二規則——在離子的堆積結構中必須保持局域的電中性。鮑林第三規則——穩定結構傾向于共頂連接──的趨勢鮑林第五規則──同一結構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。運用鮑林規則分析晶體結構二元和三元離子晶體了解各種離子晶體的結構特點關注某些較有特點的離子晶體的結構與性能關系（如課件中提及的內容）CaF2NaClCl－Na+稍大，綜合電價和半徑兩因素，螢石中質點間的鍵NaCl中的鍵力強，反映在性質上，螢石的硬度為莫氏43.180.002；NaCl808℃2.1635.7。CaF2個F-空洞”，結構比較開放，有利于形成負離子填隙，也為負離子擴散提供了條件。ZrO2屬螢石型結構，具有氧離子擴散傳導的機制，在900~1000℃O2-0.1。硅酸鹽結構硅酸鹽結構特點基本結構單元：硅氧四面體[SiO4]四面體連接方式：共頂連接硅酸鹽結構類型/鏈狀、層狀、網架狀Mg2[SiO4]環狀硅酸鹽：綠寶石Be3Al2[Si6O18] 鏈狀硅酸鹽：透輝石CaMg[Si2O6]結構層狀硅酸鹽：滑石Mg3[Si4O10](OH)2晶體缺陷基本概念：晶體中原子偏離理想的周期性排列的區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、置換式雜質原子、間隙式雜質原子熱缺陷和雜質缺陷的主要區別：晶體的雜質缺陷濃度僅取決于加入到晶體中的雜質含量，而與溫度無關肖特基缺陷原子或離子移動到晶體表面或晶界的格點位上，在晶體內部留下相應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表明缺陷的主體；空位V，正離子M、負離子、雜質原子L（對于具體原子用相應的元素符號下標表示缺陷位置；間隙位用下標i表示，M位置的用下標M位置的用下標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性質：晶體的機械強度大大降低催化性能：成為催化反應發生的活性中心電學性質：摻雜形成半導體光學性質、顏色線缺陷和位錯位錯：線缺陷的具體形式柏格斯矢量的確定nmnm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相同點：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表面屬于面缺陷。——表面的存在對材料的物理化學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）的固態晶體。（無限固溶體成；填隙型固溶體（有限固溶體：在溶劑的晶格間隙內有溶質的原子填入（溶入）形成的固溶體注意掌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經驗規則5時，溶質與溶劑之間可以形成-0.30r>0.3時，溶質與溶劑之間很難形成固溶體或不能形成固溶體，而容易形成中間相或化合物。因此愈大，則溶解度愈小。:求，生成連續固溶體。實驗判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，由此推出一個晶胞內的原子數n和晶胞體V；根據該固溶體的平均原子量A及阿弗伽德羅常數NA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的影響穩定晶格，阻止某些晶型轉變的發生活化晶格固溶強化形成固溶體后對材料物理性質的影響第三章材料的性能第三章材料的性能化學性能各種材料的化學性能特點：耐氧化性（化學銹蝕、電化學腐蝕；耐酸堿性；耐有機溶劑性；耐老化性力學性能各種力學性能的表征及一些簡單計算：材料的強度、材料的硬度、疲勞性能各種材料的力學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；–雜質原子的存在對位錯運動具有牽制作用。多數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系各種材料的導熱率電性能能帶理論解釋各種材料的導電性介電性基本概念鐵電性（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域內“自發地”整齊排列起來而形成的磁化小區域）和磁化曲線光學性能第四章材料化學熱力學各種材料的光學性能特點第四章材料化學熱力學化學熱力學基礎埃靈罕姆圖及其應用G0-T線的斜率：與反應前后的氣體分子數相關氧化過程氣體數目減少，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氧化過程氣體數目不變，則S0=0,(-S0)=0，斜率為零，即G0幾乎與溫度無關。C(s)+O(g)=CO(g)2 2G0-T——G0-TG0負值越大，其穩定性也就越高。（相圖部分以二元相圖為主）相律：f=c-p+2f：自由度數；cp：平衡相的數目；WLWbcabC WLWbcabC CCC0杠桿規則 0 L各種點、線、區及對應的自由度2條線：液相線、固相線c=2，p=2，f=12個單相區：固相區、液相區c=2，p=1，f=21個兩相區：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變化，例如從熔體降溫時，相態的變化，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熔體生長法：將欲生長晶體的原料熔化，然后讓熔體達到一定的過冷而形成單晶生產坩堝下降法區熔法焰熔法液相外延法（關注各種方法的原理、特點）溶液生長法主要原理：使溶液達到過飽和的狀態而結晶。過飽和途徑：利用晶體的溶解度隨改變溫度的特性，升高或降低溫度而達到過飽和；采用蒸發等辦法移去溶劑，使溶液濃度增高。介質：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：通過控制合適的降溫速度，使溶液處于亞穩態并維持適宜的過飽和度，從而結晶。制備單晶的關鍵：消除微晶及精確控溫水熱法在高壓釜中，通過對反應體系加熱加壓（或自生蒸汽壓不溶的物質溶解而達到過飽和、進而析出晶體熔鹽法使用液態金屬或熔融無機化合物作為溶劑氣相沉積法簡單原理物理氣相沉積法PVD化學氣相沉積法CVD：通過氣相化學反應生成固態產物并沉積在固體表面的過程。PVDCVD的主要特點PVCD：熱能（l、等離子體增強（、光化學（o）CVD的化學反應類型熱分解；氫還原；鹵化物的金屬還原；氧化和水解；碳化和氮化。化學氣相輸運的原理和應用（重要）原理：在一定條件下把材料轉變成揮發性的中間體，然后改變條件使原來的材料重新形成。用途：材料的提純；單晶的氣相生長；薄膜的氣相沉積；新化合物的合成。凝膠法原理金屬醇鹽水解水解產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支鏈的縮聚產物堿催化條件下較容易形成交聯網絡狀的產物應用主要優缺點液相沉淀法直接沉淀法簡單、低成本；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合氧化物均勻沉淀法沉淀劑由化學反應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：掌握相關的反應固相反應固相反應特點固體直接參與化學反應反應物濃度對反應影響很小反應開始溫度常遠低于反應物的熔點或系統低共熔溫度。過程和機理熱力學因素：能自發進行的純固相反應總是放熱反應（，∴△G=△H+T△S≈△H，因此發進行條件△G<0→△H<0動力學因素：反應速率受擴散控制；升溫有利于增加擴散速率影響因素插層法和反插層法插層法（或植入法把一些新原子導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：起始相與產物的三維結構具有高度相似性自蔓延高溫合成法）利用反應物之間的化學反應熱的自加熱和自傳導作用來合成材料的一種技術，也稱為燃燒合成SHS的機理：平衡機制：化學轉變與結構轉變同步；非平衡機制：化學轉變與結構轉變不同步SHS的反應類型SHS制粉技術；HS燒結技術；HS致密化技術；HS熔鑄；SHS焊接；HS涂層SHS節約能源；③合成反應溫度高，可以使大多數雜質揮發而得到高純產品；④合成過程經歷了極大的溫,可獲得復雜相和亞穩相；⑤集材料合成和燒結于一體