材料化學(xué)總結(jié)

第一章緒論第一章緒論材料和化學(xué)藥品化學(xué)藥品的用途主要基于其消耗；材料是可以重復(fù)或連續(xù)使用而不會(huì)不可逆地變成別的物質(zhì)。材料的分類按組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料按使用性能分：StructuralMaterials——主要利用材料的力學(xué)性能；FunctionalMaterials——主要利用材料的物理和化學(xué)性能按用途分：導(dǎo)電材料、絕緣材料、生物醫(yī)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(jié)構(gòu)材料化學(xué)的主要內(nèi)容：結(jié)構(gòu)、性能、制備、應(yīng)用第二章材料的結(jié)構(gòu)元素和化學(xué)鍵了解元素的各種性質(zhì)及其變化規(guī)律：第一電離能、電子親和勢(shì)、電負(fù)性、原子及離子半徑注意掌握各種結(jié)合鍵的特性及其所形成晶體材料的主要特點(diǎn)了解勢(shì)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(shì)能l：吸引能與排斥能之和總勢(shì)能隨原子間距離變化的曲線稱為勢(shì)能圖（勢(shì)能阱）較深的勢(shì)能阱表示原子間結(jié)合較緊密，其對(duì)應(yīng)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(shù)。晶體學(xué)基本概念晶體與非晶體（結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能特點(diǎn)、相互轉(zhuǎn)化）晶體：原子或原子團(tuán)、離子或分子在空間按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成（長程有序）非晶體：原子、分子或離子無規(guī)則地堆積在一起所形成（長程無序、短程有序）晶態(tài)與非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變會(huì)自發(fā)地結(jié)晶，轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定性更高的晶體狀態(tài)。通常呈晶體的物質(zhì)如果將它從液態(tài)快速冷卻下來也可能得到非晶態(tài)。晶格、晶胞和晶格參數(shù)周期性：同一種質(zhì)點(diǎn)在空間排列上每隔一定距離重復(fù)出現(xiàn)。周期：任一方向排在一直線上的相鄰兩質(zhì)點(diǎn)之間的距離。晶格結(jié)點(diǎn)e：質(zhì)點(diǎn)的中心位置?？臻g點(diǎn)陣e：由這些結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的空間總體。晶胞t：構(gòu)成晶格的最基本的幾何單元。晶系714種空間點(diǎn)陣類型晶向指數(shù)和晶面指數(shù)理解晶面和晶向的含義晶面——晶體點(diǎn)陣在任何方向上分解為相互平行的結(jié)點(diǎn)平面稱為晶面，即結(jié)晶多面體上的面。晶點(diǎn)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(shù)和晶面指數(shù)的確定晶向指數(shù)與晶面指數(shù)：國際上統(tǒng)一采用密勒指數(shù)（Millerindices）來進(jìn)行標(biāo)定。[uvw]為OP的晶向指數(shù)，用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數(shù)。晶面間距——掌握較簡單晶系的晶面間距計(jì)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(jié)構(gòu)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(shù)、配位數(shù)的確定StructureCNnξbcc820.68fcc1240.74hcp1260.74掌握原子堆積系數(shù)的計(jì)算原子堆積系數(shù)=單位晶胞內(nèi)原子體積/單位晶胞體積離子晶體鮑林規(guī)則理解鮑林規(guī)則──正離子的配位數(shù)取決于離子半徑比。鮑林第二規(guī)則——在離子的堆積結(jié)構(gòu)中必須保持局域的電中性。鮑林第三規(guī)則——穩(wěn)定結(jié)構(gòu)傾向于共頂連接──的趨勢(shì)鮑林第五規(guī)則──同一結(jié)構(gòu)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(yùn)用鮑林規(guī)則分析晶體結(jié)構(gòu)二元和三元離子晶體了解各種離子晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)關(guān)注某些較有特點(diǎn)的離子晶體的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系（如課件中提及的內(nèi)容）CaF2NaClCl－Na+稍大，綜合電價(jià)和半徑兩因素，螢石中質(zhì)點(diǎn)間的鍵NaCl中的鍵力強(qiáng)，反映在性質(zhì)上，螢石的硬度為莫氏43.180.002；NaCl808℃2.1635.7。CaF2個(gè)F-空洞”，結(jié)構(gòu)比較開放，有利于形成負(fù)離子填隙，也為負(fù)離子擴(kuò)散提供了條件。ZrO2屬螢石型結(jié)構(gòu)，具有氧離子擴(kuò)散傳導(dǎo)的機(jī)制，在900~1000℃O2-0.1。硅酸鹽結(jié)構(gòu)硅酸鹽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)單元：硅氧四面體[SiO4]四面體連接方式：共頂連接硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型/鏈狀、層狀、網(wǎng)架狀Mg2[SiO4]環(huán)狀硅酸鹽：綠寶石Be3Al2[Si6O18] 鏈狀硅酸鹽：透輝石CaMg[Si2O6]結(jié)構(gòu)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(qū)域稱作晶體缺陷缺陷的種類：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷點(diǎn)缺陷種類：空位、間隙原子、置換式雜質(zhì)原子、間隙式雜質(zhì)原子熱缺陷和雜質(zhì)缺陷的主要區(qū)別：晶體的雜質(zhì)缺陷濃度僅取決于加入到晶體中的雜質(zhì)含量，而與溫度無關(guān)肖特基缺陷原子或離子移動(dòng)到晶體表面或晶界的格點(diǎn)位上，在晶體內(nèi)部留下相應(yīng)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(shí)在原來位置上留下空位點(diǎn)缺陷的表示方法主符號(hào)表明缺陷的主體；空位V，正離子M、負(fù)離子、雜質(zhì)原子L（對(duì)于具體原子用相應(yīng)的元素符號(hào)下標(biāo)表示缺陷位置；間隙位用下標(biāo)i表示，M位置的用下標(biāo)M位置的用下標(biāo)X表示；（小圓點(diǎn)）表示，負(fù)電荷用“（小撇）表示，零電荷用“×”表示（省略。點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響力學(xué)性質(zhì)：晶體的機(jī)械強(qiáng)度大大降低催化性能：成為催化反應(yīng)發(fā)生的活性中心電學(xué)性質(zhì)：摻雜形成半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)、顏色線缺陷和位錯(cuò)位錯(cuò)：線缺陷的具體形式柏格斯矢量的確定nmnm個(gè)晶格矢量，到達(dá)終點(diǎn)原子。從柏格斯回路的終點(diǎn)到起點(diǎn)畫出的矢量就是柏格斯矢量b刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)相同點(diǎn)：二者都是線缺陷不同點(diǎn)：①刃型位錯(cuò)具有一個(gè)額外的半原子面，而螺型位錯(cuò)無；②刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)線與柏格斯矢量相垂直；螺型位錯(cuò)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?！砻娴拇嬖趯?duì)材料的物理化學(xué)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(gè)（或幾個(gè)）組元的原子（化合物）的固態(tài)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(nèi)有溶質(zhì)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(jià)等因素）原子或離子尺寸的影響y經(jīng)驗(yàn)規(guī)則5時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間可以形成-0.30r>0.3時(shí)，溶質(zhì)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(xù)固溶體。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)陣類型和點(diǎn)陣常數(shù)，由此推出一個(gè)晶胞內(nèi)的原子數(shù)n和晶胞體V；根據(jù)該固溶體的平均原子量A及阿弗伽德羅常數(shù)NA溶體的實(shí)際密度；比較理論密度和實(shí)際密度固溶體的形成對(duì)晶體材料性質(zhì)的影響穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生活化晶格固溶強(qiáng)化形成固溶體后對(duì)材料物理性質(zhì)的影響第三章材料的性能第三章材料的性能化學(xué)性能各種材料的化學(xué)性能特點(diǎn)：耐氧化性（化學(xué)銹蝕、電化學(xué)腐蝕；耐酸堿性；耐有機(jī)溶劑性；耐老化性力學(xué)性能各種力學(xué)性能的表征及一些簡單計(jì)算：材料的強(qiáng)度、材料的硬度、疲勞性能各種材料的力學(xué)性能特點(diǎn)很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良好的延展性；多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料；–目的。固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；–雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。多數(shù)無機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。–源于共價(jià)鍵的方向性熱性能用勢(shì)能阱解釋材料熱膨脹及其與鍵強(qiáng)的關(guān)系各種材料的導(dǎo)熱率電性能能帶理論解釋各種材料的導(dǎo)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(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地”整齊排列起來而形成的磁化小區(qū)域）和磁化曲線光學(xué)性能第四章材料化學(xué)熱力學(xué)各種材料的光學(xué)性能特點(diǎn)第四章材料化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)埃靈罕姆圖及其應(yīng)用G0-T線的斜率：與反應(yīng)前后的氣體分子數(shù)相關(guān)氧化過程氣體數(shù)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(shù)目增加，則S0>0,(-S0)<0，斜率為負(fù)。2C(s)+O(g)=2CO(g)2氧化過程氣體數(shù)目不變，則S0=0,(-S0)=0，斜率為零，即G0幾乎與溫度無關(guān)。C(s)+O(g)=CO(g)2 2G0-T——G0-TG0負(fù)值越大，其穩(wěn)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(shù)；cp：平衡相的數(shù)目；WLWbcabC WLWbcabC CCC0杠桿規(guī)則 0 L各種點(diǎn)、線、區(qū)及對(duì)應(yīng)的自由度2條線：液相線、固相線c=2，p=2，f=12個(gè)單相區(qū)：固相區(qū)、液相區(qū)c=2，p=1，f=21個(gè)兩相區(qū)：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(tài)變化，例如從熔體降溫時(shí)，相態(tài)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(shù)熔體生長法：將欲生長晶體的原料熔化，然后讓熔體達(dá)到一定的過冷而形成單晶生產(chǎn)坩堝下降法區(qū)熔法焰熔法液相外延法（關(guān)注各種方法的原理、特點(diǎn)）溶液生長法主要原理：使溶液達(dá)到過飽和的狀態(tài)而結(jié)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(dá)到過飽和；采用蒸發(fā)等辦法移去溶劑，使溶液濃度增高。介質(zhì)：水、熔鹽（制備無機(jī)晶體）丙酮、乙醇等有機(jī)溶劑（制備有機(jī)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(wěn)態(tài)并維持適宜的過飽和度，從而結(jié)晶。制備單晶的關(guān)鍵：消除微晶及精確控溫水熱法在高壓釜中，通過對(duì)反應(yīng)體系加熱加壓（或自生蒸汽壓不溶的物質(zhì)溶解而達(dá)到過飽和、進(jìn)而析出晶體熔鹽法使用液態(tài)金屬或熔融無機(jī)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(xué)氣相沉積法CVD：通過氣相化學(xué)反應(yīng)生成固態(tài)產(chǎn)物并沉積在固體表面的過程。PVDCVD的主要特點(diǎn)PVCD：熱能（l、等離子體增強(qiáng)（、光化學(xué)（o）CVD的化學(xué)反應(yīng)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?；瘜W(xué)氣相輸運(yùn)的原理和應(yīng)用（重要）原理：在一定條件下把材料轉(zhuǎn)變成揮發(fā)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(chǎn)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(guī)支鏈的縮聚產(chǎn)物堿催化條件下較容易形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀的產(chǎn)物應(yīng)用主要優(yōu)缺點(diǎn)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(fù)合氧化物均勻沉淀法沉淀劑由化學(xué)反應(yīng)緩慢地生成可獲得粒子均勻、夾帶少、純度高的超細(xì)粒子沉淀劑尿素、硫代乙酰胺：掌握相關(guān)的反應(yīng)固相反應(yīng)固相反應(yīng)特點(diǎn)固體直接參與化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)影響很小反應(yīng)開始溫度常遠(yuǎn)低于反應(yīng)物的熔點(diǎn)或系統(tǒng)低共熔溫度。過程和機(jī)理熱力學(xué)因素：能自發(fā)進(jìn)行的純固相反應(yīng)總是放熱反應(yīng)（，∴△G=△H+T△S≈△H，因此發(fā)進(jìn)行條件△G<0→△H<0動(dòng)力學(xué)因素：反應(yīng)速率受擴(kuò)散控制；升溫有利于增加擴(kuò)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(dǎo)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(diǎn)：起始相與產(chǎn)物的三維結(jié)構(gòu)具有高度相似性自蔓延高溫合成法）利用反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來合成材料的一種技術(shù)，也稱為燃燒合成SHS的機(jī)理：平衡機(jī)制：化學(xué)轉(zhuǎn)變與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變同步；非平衡機(jī)制：化學(xué)轉(zhuǎn)變與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變不同步SHS的反應(yīng)類型SHS制粉技術(shù)；HS燒結(jié)技術(shù)；HS致密化技術(shù)；HS熔鑄；SHS焊接；HS涂層SHS節(jié)約能源；③合成反應(yīng)溫度高，可以使大多數(shù)雜質(zhì)揮發(fā)而得到高純產(chǎn)品；④合成過程經(jīng)歷了極大的溫,可獲得復(fù)雜相和亞穩(wěn)相；⑤集材料合成和燒結(jié)于一體