无机材料物理化学第一章幻灯片.ppt
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1、无机材料物理化学第一章第1页,共85页,编辑于2022年,星期六何谓材料?材料的分类?何谓材料?材料的分类?材料是人类社会所能够接受的、可材料是人类社会所能够接受的、可经济经济地地用于制成生活和生产中的那些用于制成生活和生产中的那些有用的有用的物物品、器件、构件、机器和其它产品的物质。品、器件、构件、机器和其它产品的物质。关键点:关键点:材料是物质,但是不是所有的物材料是物质,但是不是所有的物质都是可以被称为材料的;材料的含有必质都是可以被称为材料的;材料的含有必须考虑社会和经济因素须考虑社会和经济因素第2页,共85页,编辑于2022年,星期六第3页,共85页,编辑于2022年,星期六何谓无机
2、材料?何谓无机材料?无机材料通常主要是指无机非金属材料。无机材料通常主要是指无机非金属材料。主要是指由无机物单独或混合其他物质制主要是指由无机物单独或混合其他物质制成的材料。通常指由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、成的材料。通常指由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和磷酸盐、锗酸盐等原料和/或氧化物、氮化物、或氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料原料经一定的工艺制备而成的材料。第4页,共85页,编辑于2022年,星期六硅物化硅物化工艺工艺指导指导补充完善补充完善理理论论角角度度制制造造角角度度奠定工艺基
3、础奠定工艺基础提供理论依据提供理论依据专业理论训练专业理论训练奠定工业基础奠定工业基础工程实际训练工程实际训练(一)、问题的引出:(一)、问题的引出:研究制造无机材料产品研究制造无机材料产品(如(如 玻璃、陶瓷、新材料)玻璃、陶瓷、新材料)目目 标标000第5页,共85页,编辑于2022年,星期六(二)、无机材料工艺的回顾:(二)、无机材料工艺的回顾:扩散、相变、固相反应、烧结等扩散、相变、固相反应、烧结等原料原料产品产品热过程热过程 晶体(缺陷)晶体(缺陷)熔体熔体玻璃玻璃条件条件相图相图热力学热力学动力学动力学第6页,共85页,编辑于2022年,星期六晶体结构与晶体中的缺陷晶体结构与晶体中
4、的缺陷熔体熔体内容内容(三)硅物化内容的引出:(三)硅物化内容的引出:固体表面与界面固体表面与界面相平衡相平衡扩散扩散固相反应固相反应相变相变烧结烧结玻璃体玻璃体第7页,共85页,编辑于2022年,星期六(四)、无机材料物理化学的科学内涵(四)、无机材料物理化学的科学内涵 材料科学与工程的基础材料科学与工程的基础性能性能使用效能使用效能合成与合成与制备制备组成与结构组成与结构无机非金属材料科学与工程无机非金属材料科学与工程无机非金属材料科学与工程是一门研究无机非金属材料合成与制备合成与制备、组成与结构组成与结构、性能、性能、使用效能使用效能 四者之间的关系与规律关系与规律的科学。第8页,共85
5、页,编辑于2022年,星期六科学方面科学方面偏重于研究材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能各组员本身及其相互间关系的规律;材料科学与工程的材料科学与工程的工程研究中还应包括工程研究中还应包括材料制备与表征所需的仪器、设备的设计与制造。在材料科学与工程的发展中,科学与工程彼此密切结合,构成一个学科整体。工程方面工程方面着重与研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发并生产出材料,提高材料的使用效能,以满足社会的需要。第9页,共85页,编辑于2022年,星期六1.1.合成与制备合成与制备合成合成指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程。合成的研究既包括有关寻找新合成方法
6、寻找新合成方法的科学问题,也包括以适当的数量和形态合成材料的技术问题合成材料的技术问题;既包括新材料的合成新材料的合成,也应包括已有材有材料的新合成方法料的新合成方法(如溶胶-凝胶法)及其新形态新形态(如纤维、薄膜)的合成。第10页,共85页,编辑于2022年,星期六制备制备研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料。这一点是与合成相同的,但制备还包括在更为宏观的尺度宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构,使之具备所需的性能和适用效能,即包括材料的加工、处理、装配和制造。简而言之,合成与制备就是将原子、分子聚合简而言之,合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续起来并最
7、终转变为有用产品的一系列连续过程。过程。第11页,共85页,编辑于2022年,星期六把把合合成成制制备备简简单单的的与与工工艺艺等等同同起起来来而而忽忽略略其基础研究的科学内涵,是不恰当的!其基础研究的科学内涵,是不恰当的!在合成与制备中工程性的研究固然重要,基基础础研研究究也也不不应应忽忽视视。对材料合成与制备的动力学过程的研究可以揭示过程的本质,为改进制备方法建立新的制备技术提供科学基础。以以晶晶体体材材料料为为例例在晶体生产中如果不了解原料合成与生产各阶段发生的物理化学过程、热量与质量的传输、固液界面的变化和缺陷的生成以及环境参数对这些过程的影响,就不可能建立并掌握生长参数优化的制备方法
8、,生长出具有所需组成、完整性、均匀性和物理性的晶体材料。第12页,共85页,编辑于2022年,星期六以陶瓷材料为例以陶瓷材料为例陶瓷材料的最严重的问题是可靠性差,原因是制制备备过过程程落落后后以以致致材材料料的的微微结结构构和和特特性性缺缺少少均均匀匀性性和和重重复复性性。研究结果已表明,若粉料在材料制备中发生团聚,则材料难免出现分布不均匀的气孔从而导致性能不均一。为为提提高高材材料料的的可可靠靠性性,必必须须对对制制备备过过程程中中的的每每阶阶段段所所发发生生的的化学、物理变化认真加以研究并做出必要的表征化学、物理变化认真加以研究并做出必要的表征。陶瓷材料中颗粒间界的强度远远低于颗粒或晶粒本
9、身的强度。为为了了提提高高材材料料强强度度,对对颗颗粒粒间间晶晶界界结结构构、本本质质和和在在制制备备中中的的变变化化过过程程以以及及这这些些过过程程如如何何受受制制备备条条件件的的影影响响,进进行行基基础础性性的的研研究,是极其重要的。究,是极其重要的。第13页,共85页,编辑于2022年,星期六2.2.组成与结构组成与结构组组成成 指构成材料物质的原子、分子及其分布;除主要组成以外,杂杂质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。结结构构则指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布,包括原原子子与与电电子子结结构构、分分子子结结构构、晶晶体体结结构构、
10、相相结结构构、晶晶粒粒结结构构、表表面面与与晶晶界界结结构构、缺缺陷陷结结构构等等;在尺度上则包括纳纳米米以以下下、纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次。第14页,共85页,编辑于2022年,星期六了解材料的了解材料的组成与结构组成与结构及它们同及它们同合成与制备合成与制备之间、之间、性能与使用效能性能与使用效能之之间的内在联系,一直是间的内在联系,一直是无机非金属无机非金属材料科学与工程材料科学与工程 的基本研究内的基本研究内容容。第15页,共85页,编辑于2022年,星期六(五)、无机材料物理化学的研究方法:(五)、无机材料物理化学的研究方法:1、无机材料物
11、理化学的性质:、无机材料物理化学的性质:研究无机材料科学与工程涉及的各种物质聚集状态的结构和结构变化,以及结构对性能的决定作用。材料结构性能化学反应(组成)2、基本思、基本思路:路:化学组成化学组成结构结构性能性能决定决定第16页,共85页,编辑于2022年,星期六无机材料科学基础无机材料科学基础 陆佩文陆佩文主编主编 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社硅酸盐物理化学硅酸盐物理化学 陆佩文陆佩文主编主编 东南大学出版社东南大学出版社硅酸盐物理化学硅酸盐物理化学丁子上丁子上等主编等主编 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社无机材料物理化学无机材料物理化学叶瑞伦叶瑞伦主编主编 天津大学天津大学怎
12、样看硅酸盐相图怎样看硅酸盐相图沈鹤年沈鹤年玻璃物理化学导论玻璃物理化学导论P.P.贝尔塔等著贝尔塔等著 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社陶瓷导论陶瓷导论W.D.KingeryW.D.Kingery中国建筑工业出社中国建筑工业出社(六)、参考教材:(六)、参考教材:第17页,共85页,编辑于2022年,星期六(1)课程特点及学习方法)课程特点及学习方法 课程特点:内容多、原理规律多、概念定义多(2)重点内容)重点内容 熟悉常用术语和基本概念。深刻领会材料结构、性能、组成之间的辩证关系、(3)课时分配)课时分配 讲课讲课 60学时(含习题课)、讨论学时(含习题课)、讨论 8学时学时 (七)相关
13、说明:(七)相关说明:第18页,共85页,编辑于2022年,星期六 第第1 1章章 几何结晶学基础几何结晶学基础晶体的基本特征晶体的基本特征晶体的宏观对称和晶体分类晶体的宏观对称和晶体分类晶体定向和晶面符号晶体定向和晶面符号晶体结构的基本特征晶体结构的基本特征 第19页,共85页,编辑于2022年,星期六晶体是怎样的物质晶体是怎样的物质?1.1晶体的基本特征晶体的基本特征1.1.1晶体的基本概念第20页,共85页,编辑于2022年,星期六第21页,共85页,编辑于2022年,星期六第22页,共85页,编辑于2022年,星期六第23页,共85页,编辑于2022年,星期六晶晶体体的的研研究究首首先
14、先是是从从研研究究晶晶体体几几何何外外形形的的特特征征开开始始.在在古古代代,无无论论中中外外,都都把把具具有有规则的几何多面体形态的水晶称为晶体规则的几何多面体形态的水晶称为晶体;凡凡是是具具有有(非非人人工工琢琢磨磨而而成成)几几何何多多面面体体形态的固体都称之为晶体形态的固体都称之为晶体以上两种定义都是不正确的以上两种定义都是不正确的第24页,共85页,编辑于2022年,星期六l1912年年,X射射线线晶晶体体衍衍射射实实验验成成功功,对对晶晶体体的的研研究究从从晶晶体体的的外外部部进进入入到到晶晶体体的的内内部,使结晶学进入一个崭新的发展阶段。部,使结晶学进入一个崭新的发展阶段。现已证
15、明,现已证明,一切晶体一切晶体不论其外形如何,它的不论其外形如何,它的内部质点(原子、离子或分子)都是在三维内部质点(原子、离子或分子)都是在三维空间有规律排列,主要表现为同种质点的周空间有规律排列,主要表现为同种质点的周期重复,构成了所谓的期重复,构成了所谓的“格子构造格子构造”。所有晶体都具有格子构造所有晶体都具有格子构造晶体的共同特点。晶体的共同特点。重要的结论重要的结论第25页,共85页,编辑于2022年,星期六第26页,共85页,编辑于2022年,星期六物质结晶状态时的本质特征:结构基元结构基元在空间是不随时间变化的三维周期排列”,它决定了晶体材料的宏观和微观的物理性能;如果物质的结
16、构不具备这样的本质特征,如玻璃等,则就是非晶体材料;有些有机高分子材料,它们的结构基元只是一维或二维的近视长程有序排列,其性质介于晶体和非晶体之间,这种物质称为液态晶体,简称液晶;晶态物质可以有多个晶体组成,由许多取向不同的单晶体晶粒随机排列组合而成,也称为多晶体。各个晶粒之间的分界线称为晶界。问题的提出 :结构基元的概念?第27页,共85页,编辑于2022年,星期六 研究晶体的微观结构重点就是要研究周期排研究晶体的微观结构重点就是要研究周期排列的规律性。列的规律性。为了研究上的便利,通常把结构基元中的原为了研究上的便利,通常把结构基元中的原子或分子抽象为一个几何点。这样,研究基子或分子抽象为
17、一个几何点。这样,研究基元的三维排列的规律就成为研究几何质点的元的三维排列的规律就成为研究几何质点的排列规律排列规律 空间点阵。空间点阵。点阵:几何点在空间呈周期性规则排列的阵列。空间点阵:用许多平行的直线将所有点阵连接起来所构成的一个三维几何架子,称为空间点阵或称为空间格子。第28页,共85页,编辑于2022年,星期六1.1.2几何结晶学的空间格子晶体的结构特征晶体的结构特征空间格子构造 相当点:相当点:以以氯化铯(氯化铯(CsCl)的晶体结构为例。的晶体结构为例。无论无论Cl-或或Cs在晶体结构的任何一方向上都是每隔一定的距离在晶体结构的任何一方向上都是每隔一定的距离重复出现一次。重复出现
18、一次。第29页,共85页,编辑于2022年,星期六为为了了进进一一步步揭揭示示质质点点周周期期性性重重复复的的规规律律,我我们们可可以以对对它它作作某某种种抽抽象象。先先在在结结构构中中选选出出任任一一几几何何点点,这这个个点点可可以以取取在在阴阴或或阳阳离离子子的的中中心心,也也可可以以取取它它们们之之间间的的任任意意一一点点,然然后后在在结结构构中中找找出出与与此此点点相相当的几何点,称为当的几何点,称为“相当点相当点”。相当点的条件是:相当点的条件是:如果原始几何点是取在质点的中心,则相当如果原始几何点是取在质点的中心,则相当点所占的质点的种类应是相同的,也就是占据点所占的质点的种类应是
19、相同的,也就是占据同种质点的中心;同种质点的中心;这些质点周围的环境以及方位应是相同的,这些质点周围的环境以及方位应是相同的,也就是说这些质点周围相同的方向上要有相同也就是说这些质点周围相同的方向上要有相同的质点。的质点。第30页,共85页,编辑于2022年,星期六相当点可以简单的定义为相当点可以简单的定义为晶体结构中物质环境和几何晶体结构中物质环境和几何环境完全相同的点,也称环境完全相同的点,也称“等同点等同点”。相当点的分布可以体现晶体结构中所有质点的重复规律。相当点的分布可以体现晶体结构中所有质点的重复规律。相当点在三维空间作规则排列而成的格子状几何图形相当点在三维空间作规则排列而成的格
20、子状几何图形称为称为“空间点阵空间点阵”或或“空间格子空间格子”。为研究晶体内为研究晶体内部质点的重复部质点的重复规律不受晶体规律不受晶体大小限制,设大小限制,设想想空间点阵为空间点阵为无限图形无限图形空空间间点点阵阵第31页,共85页,编辑于2022年,星期六 空间格子要素:空间格子要素:结点、行列、面网、平行六面体、晶胞结点:结点:空间格子中的点,代表晶体结构中的相当点,只空间格子中的点,代表晶体结构中的相当点,只具几何意义,不代表任何质点。但在实际晶体中,结点的具几何意义,不代表任何质点。但在实际晶体中,结点的位置可以被同种质点所占据。位置可以被同种质点所占据。行列:行列:结点在直线上的
21、排列即构成行列。结点在直线上的排列即构成行列。行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距。同一行列或彼此平行的行列上结点间距相等;同一行列或彼此平行的行列上结点间距相等;不同方向的行列,其结点间距一般不等。不同方向的行列,其结点间距一般不等。行行 列列第32页,共85页,编辑于2022年,星期六 面网:面网:结点在平面上的分布构成面网。结点在平面上的分布构成面网。面网上单位面积内结点的数目称为面网上单位面积内结点的数目称为网面密度网面密度。互相平行的面网,网面密度相同;不平行的面网,互相平行的面网,网面密度相同;不平行的面网,网面密度一般不等。网面密度
22、一般不等。相互平行的相邻两面网之间的垂直距离称为相互平行的相邻两面网之间的垂直距离称为面网间距。面网间距。第33页,共85页,编辑于2022年,星期六 平行六面体:平行六面体:是空间格子在三维空间上可以是空间格子在三维空间上可以划出的最小重复单位。划出的最小重复单位。由八个结点、六个两两平行而且相等的面由八个结点、六个两两平行而且相等的面组成。组成。平行六面体平行六面体第34页,共85页,编辑于2022年,星期六(5)晶胞晶胞为了说明实际晶体中的点阵排列规律和特点,从中取出的一个为了说明实际晶体中的点阵排列规律和特点,从中取出的一个具有代表性的基本单元(最小平行六面体)作为点阵的组成具有代表性
23、的基本单元(最小平行六面体)作为点阵的组成单元,称为晶胞。单元,称为晶胞。所以,实际晶体的结构可以看成是晶胞作三维的重复堆砌而成所以,实际晶体的结构可以看成是晶胞作三维的重复堆砌而成的。的。平行六面体与晶胞的区别:平行六面体与晶胞的区别:(A)晶体中的晶胞是有大小和形状区别的;)晶体中的晶胞是有大小和形状区别的;(B)晶胞中环绕每个节点的原子种类、数量及分布是有区别的;)晶胞中环绕每个节点的原子种类、数量及分布是有区别的;(C)平行六面体强调的是几何特征,而晶胞体现的是实际)平行六面体强调的是几何特征,而晶胞体现的是实际理想晶体的构造。前者仅仅表征质点在空间的排列规律,理想晶体的构造。前者仅仅
24、表征质点在空间的排列规律,而后者在描述规律的同时涉及了具体节点位置上的具体原而后者在描述规律的同时涉及了具体节点位置上的具体原子或离子等。子或离子等。第35页,共85页,编辑于2022年,星期六第36页,共85页,编辑于2022年,星期六一一切切晶晶体体所所共共有有的的,并并且且是是由由晶晶体体的的格格子子构构造造所所决决定定的性质,称为的性质,称为晶体的基本性质晶体的基本性质。1.1.3 晶体的基本性质晶体的基本性质1、自限性:、自限性:是指晶体在适当条件是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性下可以自发地形成几何多面体的性质。质。晶体通常被平的晶面所包围,晶晶体通常被平的晶面所包围
25、,晶面相交成直的晶棱,晶棱汇聚成面相交成直的晶棱,晶棱汇聚成尖的角顶。尖的角顶。晶体的多面体形态,是其格子构造晶体的多面体形态,是其格子构造在外形上的直接反映在外形上的直接反映。晶面、晶棱。晶面、晶棱与角顶分别与格子构造中的面网、与角顶分别与格子构造中的面网、行列及结点相对应。行列及结点相对应。第37页,共85页,编辑于2022年,星期六2 2、均均一一性性:由由于于晶晶体体是是具具有有格格子子构构造造的的固固体体,在在同同一一晶晶体体的的各各个个不不同同部部分分,质质点点的的分分布布一一样样,故故晶晶体体的的各各部部分分的的物物理理化化学学性性质质相相同。同。非非晶晶体体也也具具有有均均一一
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- 无机 材料 物理化学 第一章 幻灯片
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