无机材料化学(全套ppt课件).ppt

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1、第一章 结晶学基础,认识晶体/非晶体的过程: 自然界存在的外形规则的物体人工合成晶体 非晶体也可以呈现出规则外形;晶体在非理想生长条件下可以呈 现出不规则外形 晶体现代定义:内部质点以一定周期性方式在三维空间规则排列的物质 晶体学包含的主要内容,第一章 几何结晶学基础,结晶学基础的主要内容,1、晶体生长学：研究晶体的形成、生长和变化的过程与机理以及影响晶体生长的因素。2、几何结晶学：晶体外表几何多面体的形状和规律。3、晶体结构：完整晶体内部结构中质点排列的规律性以及有缺陷晶体结构的不完整性。4、晶体化学：晶体的组成、结构与性质之间的关系。5、晶体物理：研究晶体的物理性质及其机理。,主要人工晶体

2、及其用途,人造宝石： 装饰品刚玉、金刚石、水晶合成云母：电子管撑板、耐高温绝缘骨架、超晶格生长衬 底材料、珠光体颜料、可加工陶瓷人造金刚石：地质、钻井、零件加工、固体微波器件散热元件、红外或激光器窗口材料有机晶体：频率转化、光开关、光放大、液晶显屏幕、太阳能电池新型非线性光学晶体：激光器,1-1 晶体的基本概念与性质,一、 晶体的基本概念1、晶体的基本概念 以NaCl晶体为例 5.628晶体：内部质点在三维空间按 周期性重复排列的固体；或者说晶体是具有格子构造的固体。,注意:晶体生长环境对其外形有影响规则的几何外形是内部结构决定的“晶体是物质存在的一种状态”,2、空间格子 等同点：性质相同在晶

3、体结构中占据相同的位置和具有相同的环境的点。-三同 以NaCl晶体为例，等同点可以选在Na离子或Cl 离子的中心，也可以选在其它部位。如左下图所示： 结论:无论等同点取在何处，都构成面心立方格子。,a轴对a角 b轴对角 c轴对角,等同点,种类不同/环境不同,无限大二维网格,有限大二维网格,表面/内部不同,1,3,2,4,空间格子:等同点在三维空间做周期性重复排列构成的几何图形。 注意:体现三维空间做周期性重复排列规律 不同空间格子差别是方向和周期的不同空间格子的要素： 结点空间格子中的等同点 行列 结点沿直线方向排列成为行列 结点间距：相邻两结点之间的距离叫结点间距。同一 行列或平行行列的结点

4、间距相等。 面网结点在平面上的分布即构成面网 任意两个相交行列便可以构成一个面网。,面网密度：面网上单位面积内的结点数目 面网间距：两个相邻面网间的垂直距离。相互平行的面网，面网间距相等。 平行六面体结点在三维空间的分布构成空间格子，空间格子的最小体积单位是平行六面体。,3.空间点阵与实际晶体的区别,非晶体内部质点在三维空间近程有序而远程无序它不遵循晶体所共有的空间格子规律，因此也不具有晶体的那些基本性质。 非晶体内能较高，有自发转变为晶体的趋势。,4.晶体与非晶体的区别,二、晶体的基本性质,自范（自限）性:凸多边形 各向异性:不同方向上质点排列周期不同均一性:平行不旋转改变测量点位置对称性:

5、某些特殊方向上质点排列相同 最小内能和最大稳定性:热力学要求 固定的熔点:质点规则排列宏观表现,自限性,1,4,3,2,物质内能,物质存在状态,结晶态,玻璃态,液态,气态,对称就是物体相同部分有规律的重复。,蝴蝶的对称,花冠的对称,不对称的图形,1-2 晶体的宏观对称,所有的晶体都是对称的； 受到格子构造控制晶体的对称是有限的。 对称体现在外形上、物理、化学性质上。,一、对称的特点,二.晶体的宏观对称要素和对称操作,对称操作:指能使对称物体中各相同部分作有 - 规律重复的动作。对称要素：对称操作时所凭借的几何要素- 点、线、面等。,晶体的宏观对称操作与对称要素,晶体中可以有对称中心，也可以没有

6、对称中心；如果有对称中心，那麽只能有一个。,1、对称中心（C）-反伸（倒反）,2、对称面（P）-反映,一个晶体中可以有对称面，也可以没有对称面；可以有一个，也可以有多个，但最多不能超过9个。,旋转重复时所旋转的最小角度称为基转角 n=360/ ,3、对称轴Ln,四方柱中的对称轴,垂直方向：1个L4,水平方向：4个L2,L4,旋转反伸轴以Lin表示，i是反伸的意思，n为轴次。倒转轴 Li1 Li2 Li3 Li4 Li6国际符号 1 2 3 4 6等效关系 Li1=C Li2 = P Li3 = L3+C 独立 Li6 = L3+ P 在旋转反伸轴中只有Li4是独立的； Li6 虽然等效于 L3

7、+ P，但由于提高了轴次，所以一般不用（L3+ P）代替它。,4 、旋转反伸轴倒转轴,Li4 A B A B C D D C 四方四面体,四次旋转反伸轴,六次旋转反伸轴 Li6 Li6 三方柱,定义：映转轴由一根假想的直线和垂直于直线的一个平面 构成，即图形绕此直线旋转一定角度后并对此平面 进行反映后，相同部分重复出现。 符号：旋转反映轴以Lns表示，S表示反映，n为轴次。 种类：旋转反映轴有：L1s、L2s、L3s、L4s、L6s。 注意：映转轴可以由等效的倒转轴代替，一般不用它。,5 、旋转反映轴映转轴,对称型:一个晶体中全部宏观对称要素的集合。全部对称要素的总和相互间的组合关系。点群:晶

8、体中所有的宏观对称要素都相交于晶体的中心， 不论对称操作如何，晶体中至少有一点是不移动的，故对称型也称为点群。,三、对称型（点群）,晶体外形上的对称型共有32种。,1-3 晶体的对称分类,（1）将属于同一对称型的所有晶体归为一类，称为晶类,（2）是否存在高次轴及其数目将晶体划分成3个晶族。 高级晶族：高次轴（n2）多于一个。 中级晶族：高次轴只有一个。 低级晶族：无高次轴。,每一个晶族再根据对称特点分成若干个晶系。,晶体,类别,分类标准,32个晶类,对称型,n2的轴,三个晶族,每个晶族在细分成晶系,晶体的分类,1-4 晶体定向和结晶符号,晶体规则外形是由角顶、晶棱、晶面组成。晶体外形 晶体的对

9、称型,晶体定向,结晶符号,一、晶体定向,选择坐标轴（晶轴）确定轴单位,坐标轴的交点应位于晶体中心。四轴定向主要用于三方、六方晶系。轴角通常用 、表示： = b轴c 轴-与a轴相对 = a 轴 c 轴-与b轴相对 = a 轴 b轴-与a轴相对,（1）选择晶轴首先要选择对称轴和对称面法线的方向；若没有对称轴和对称面 ，选择平行晶棱的方向。（2）在此基础上，尽可能使晶轴垂直或趋近于垂直，并使轴单位趋近于相等。 即=900 ，a=b=c。 ( 3 )对于不同晶系的晶体，晶轴的具体选择方法不同。,1、晶轴的选择应遵守下列原则：,2、轴单位,轴单位:结晶轴上作为长度计量单位的线段。一般不 需要知道三个轴单

10、位的绝对长度，只需求 三个轴单位之间的比值。晶体几何常数:在晶体定向中轴率 a：b：c 轴角、。,3 、整数定律,法国-阿羽依“若以平行于三根不共面晶棱的直线为坐标轴，则晶体上任意两个晶面在在三个坐标轴上截距的比值为一简单整数比”,二、各晶系晶体的定向法则,1、晶面符号 晶面符号：表示晶面在空间中方位的符号，一般用Miller符号。三轴定向通式为（hkl），四轴定向通式为（hkil）, 且 h+k+i=0。,结晶符号,坐标系，要求坐标原点不在待标晶面上，各轴单位分别是单位平行六面体（晶胞）边长 a、b、c 求出晶面在 x、y、z 轴上的截距 pa、qb、rc,则截距系数分别为 p、q 和 r。

11、 取截距系数的倒数比，并化简。即：1/p:1/q:1/r = h:k:l （h:k:l应为简单整数比） 去掉比例符号，小括号括之，写成（hkl）,即为待标定晶面的米勒符号。,晶面符号的确定步骤,z z u y x x （332） （1011）,y,立方体各晶面的晶面符号 六方柱各晶面的晶面符号 （0001） （0001） 六方柱后面三个晶面的晶面符号: (1010) (0110) (1100),2 、晶向符号(晶棱符号)晶向: 通过原子（分子或离子）中心的直线所代表的方向。晶向符号：用简单数字符号来表达晶棱或者其他直线（如坐标轴）在晶体上的方向的结晶学符号。 三轴定向通式为uvw， 四轴定向通

12、式为uvtw注意：四轴定向u+v+t=0。, 选定坐标系，各轴单位分别是单位平行六面体（晶胞）边长 a、b 和 c； 过原点作一直线，使其平行于待标定晶向AB； 直线上任取一点P，求出P点在坐标轴上的坐标 xa、yb、zc； xa/a:yb/b:zc/c = u:v:w 应为整数比,去掉比 号以方括号括之，uvw即AB的晶向符号。,晶向符号的确定步骤,B C O A OA晶向:120 OB晶向:103 111晶向垂直于（111）面 OC晶向:123,在立方晶系中，晶向指数与晶面指数相同时，则晶面与晶向垂直。如上图。不同晶面与晶向具有不同的原子密度，因而晶体在不同方向上表现出不同的性质。各向异性

13、,1-5 晶体的理想形态一、 单形的概念 单形：指借助于对称型之全部对称要素的作用而相互联系起来的一组晶面的组合。单形特点：同一单形中的晶面是同形等大的；共有47种单形。 四方柱 四方双锥 六面体,二、 聚形的概念 聚型：指由两种或两种以上单形聚合而成的晶体形态。聚型形成规则：只有属于同一种对称型的单形才能相聚 3L23PC -L44L25PC 由三个平行双面单形 由四方柱和四方双锥 组成的聚形 两个单形组成的聚形,聚形分析 聚形分析的主要任务是确定组成聚形的单形个数及单形名称。 聚形分析步骤： 1、在晶体上找出全部对称要素，确定其对称型和晶族、晶系； 2、观察聚形中有几种不同形状和大小的晶面

14、，从而确定单形个数； 3、数每种相同的晶面的个数，以确定每种单形由几个晶面组成； 4、确定单形的名称。,单个开单形不能形成晶体；多个开单形可形成凸多边形晶体单个闭单形能形成晶体；多个闭单形可形成其他形状的聚形晶体晶体外部形貌是由内部结构和外部生长环境确定的,单形与聚形的相互关系,1-6 晶体结构的基本特征,不同晶体的差别在于空间格子不同（即格子的形状不同或者添充到格子上的质点种类或数目不同）空间格子是无限图形使用不方便,找出空间格子的规律性用一个最小最简单的单元来表示空间格子表示晶体内部质点排列规律,划分单位平行六面体的四条原则 : (1) 平行六面体的对称性应符合整个空间点阵的对称性。 (2

15、) 在不违反对称的条件下，应选择棱与棱之间的直角关系为最多的平行六面体。 (3) 在遵循前两条的前提下，所选的平行六面体之体积应为最小。 (4) 当对称性规定棱间交角不为直角时，在遵循前三条的提下，应选择结点间距小的行列作为平行六面体 的棱，且棱间交角接近于直角的平行六面体。,一、单位平行六面体的划分,平面点阵划分平行四边形的几种不同方式：在空间格子中，按选择原则选取的平行六面体称为单位平行六面体。它的三根棱长 a、b、c 以及三者相互间的夹角、是表征其形状和大小的一组参数，做单位平行六面体参数或点阵参数。 单位平行六面体参数和晶体几何常数是一致的。,原始格子（P）：结点都在平行六面体的角顶上

16、。 体心格子（I）：平行六面体的中心有一个结点。 面心格子（F）：单位平行六面体所有三对面的中 心都有结点的空间格子。 底心格子（C）：单位平行六面体某一对面的中 心各有一个结点的空间格子。,二、十四种布拉维格子,三、晶胞的概念 晶胞：能充分反映整个晶体结构特征最小结构单位。晶胞 参数:表征晶胞形状和大小的一组参数（ a0 、b0 、c0 、 、 、 ）。 NaCl的面心立方格子（左）NaCl的晶胞（右）,晶体外形对称要素个数是有限的全部对称要素都交于一点微观看晶体的对称是个无限图形的对称互相平行的无穷多个对称要素,四、晶体的微观对称要素,1、都有无数多个和它相同的对称要素2、微观对称操作中出

17、现了平移操作。3、若平移距离为零，则微观对称要素=同类型的宏观对称要素。,晶体微观对称的特点,4、微观对称要素不可能交于一点,平移轴 平移 微观对称要素 滑移面 反映+平移 螺旋轴 旋转+平移,平移轴 晶体构造中一条假想的直线，晶体 构造沿这条直线移动一定距离， 可使相等的部分重合。滑移面 晶体构造中一个假想的平面，当晶体构造对 此平面进行反映后再行此平移动一定距离， 构造中每个质点均与相同的质点重合，整个 构造自相重。滑移面可分为： a 、b 、c 、n 、d 五种。,定义:晶体构造中一条假想的直线，当晶体构造绕此直线旋转一定 角度后再沿此直线方向移动一定距离，相同的质点重复，整 个构造自相

18、重合。分类: 21、 31、 32、 41、 42、 43、 61、 62 、63、 64、65 共十一种。 操作: 31表示质点绕轴右旋（逆时针）1200后，再 沿轴方向平移1/3个结点间距。,螺旋轴,空间群:晶体结构中所存在的一切对称要素的集合。 宏观+微观 晶体构造的空间群共有230种。,五、空间群的概念,1-7晶体化学基本原理,对称性只揭示了晶体宏观外形特征晶体内部质点规则排列 质点间的物理和化学作用,结晶化学的主要内容,宏观,微观,孤立原子半径示意图,定义：离子或原子在晶体结构中处于相接触时的半径。注意：1、离子半径只具有不确切的定义2、同一离子在不同类型的结构中离子的半径不同。3、

19、不同学者推导出的离子半径数值是有差别的。4、离子的极化会影响原子半径和离子半径有效半径,一、原子半径和离子半径有效半径,晶体中有效半径示意图,二、键型,键型过度,纯粹离子键、共价键或分子键结合的晶体很少，几种键型同时存在离子键向共价键过渡的过渡键型。,例如在镁橄榄石（MgSiO）中 Mg2+ 和 SiO4-之间是离子键 ，而 SiO 之间则是离子键和共价键各占 50% 的过渡键。过渡键型中离子键所占的成分可以根据电负性差值估计。,确定化学键中共价键成分的方法,查表2-3，得知某元素的电负性计算X=Xa-Xb利用式2-3，计算键中共价键和离子键所占比例,最紧密堆积：质点之间的无方向作用力会尽可能

20、使它们占有最小的空间，在这种情形下形成的结构才是最稳定的。,为什么要用球模型？,三、球体紧密堆积原理,1、等径球体的最紧密堆积,a 六方最紧密堆积(HCP)ABABAB b 立方最紧密堆积 ABCABCABC,密堆六方,原子位置 12个顶角、上下底心和体内3处,密堆六方中的间隙,八面体间隙：,位置 体内 单胞数量 6大小,面心立方中的间隙,将原子假定为刚性球，他们在堆垛排列时必然存在间隙。在面心立方晶格中存在的间隙主要有两种形式：,最紧密堆积中的空隙 四面体空隙：四个球围成的空隙 八面体空隙：六个球围成的空隙,紧密堆积中球数和两种空隙数量之间的关系： 一个球周围有8个四面体空隙，6个八面体空隙

21、；而属于一个球的四面体空隙有2个，八面体空隙有1个。 所以， 若有 n 个等大球体作最紧密堆积，就必定有 n 个八面体空隙和 2n 个四面体空隙。,紧密堆积中的空间利用率（堆积系数）： F = 晶胞中球的总体积/晶胞体积以立方密堆积为例，设球的半径为 R晶胞中球的总体积： v = 4/3R晶胞体积： 球在面对角线方向互相接触 4R = a = V = a = 空间利用率： F = v/V = 74.05%,体心立方次密堆积和简单立方堆积,2、等径球体的另外两种常见堆积,不是最紧密堆积，出现在金属晶结构中。密排面（110）面，即在体对角线上球互相接触。这种堆积的空间利用率为68%。,体心立方次密

22、堆积 bcc Body-centered cubic,体心立方,原子位置 立方体的八个顶角和体心,体心立方中的间隙,侧面中心线1/4和3/4处, 简立方堆积 第一层球，每个球与周围 4 个求相接触；第二层球的位置与第一层球重合 在这种堆积中，球和球在棱上互相接触（a=2R），空间利用率为52%。,3、不等大球体的紧密堆积 离子晶体结构可以看作是不等大球体的紧密堆积，其中半径大的负离子做等大球体的密堆积，半径小的正离子填充空隙。 由于正离子填充后，一般都把负离子的堆积撑开了，所以负离子是做变了形的密堆积。,四、配位数和配位多面体1、配位数（CN） 一个原子（或离子）的配位数是指在晶体结构中，该原

23、子（或离子）的周围，与它直接相邻结合的同种原子（或所有异号离子）的个数。正离子的配位数与正、负离子的半径比值有关。,正离子的配位数与正、负离子的半径比的关系,正、负离子刚好接触时的半径比值叫临界半径比。临界半径比的计算，以CN=6为例：2、配位多面体 配位多面体是指在晶体结构中，与某一个阳离子（或原子）成配位关系而相邻结合的各个阴离子（或原子），它们的中心联线所构成的多面体。,五、离子的极化 离子的极化：离子在外电场作用下，改变其形状和大小的现象。 极化过程包括两个方面： a) 一个离子在其他离子所产生的外电场的作用下发生极化，即被极化。 离子被极化的难易程度用极化率表示。 极化率： F 偶极

24、距， F电场强度 b) 一个离子以其本身的电场作用于周围离子，使其它离子极化，即主极化。 一个离子极化周围离子的能力，用极化力表示。,极化力： / r 离子电价， r离子半径 离子极化对晶体结构的影响：缩小了离子间距，使离子的配位数，键性及晶体结构类型发生变化。 未被极化 负离子被极化（极化结果） 哥尔德希密特结晶化学定律：一个晶体的结构取决于其组成质点的数量关系、相对大小以及极化性质。,六、鲍林（Pauling）规则： 第一规则：围绕每一阳离子，形成一个阴离子配位多面体，阴、阳离子的间距等于它们的半径之和，阳离子的配位数则取决于它们的半径之比。 第二规则（静电价规则）：在一个稳定的晶体结构中

25、，从所有相邻的阳离子到达一个阴离子的静电键的总强度，等于阴离子的电荷数。 对于一个规则的配位多面体，中心阳离子到达每一配位阴离子的静电键强度 S 等于该阳离子的电荷数 Z除以配位数 n ,即 S = Z + /n。 阴离子的电价：Z- = Si = （ Z + /n ）i,以Nacl为例：每个Na +离子的 CN = 6 S = Z + /n = 1/6 Cl-离子的电价 Z- = 1 Z- = Si = 1/66 所以，Cl-离子的 CN = 6 第三规则：在配位结构中，两个阴离子多面体以共棱，特别是共面方式存在时，结构的稳定性便降低。 四面体 中心距 1 0.58 0.33,八面体 中心距

26、 1 0.71 0.58 可以看出，由共顶共棱共面，中心阳离子间的距离不断下降，斥力会不断增大，结构稳定性便降低。 对于高电价低配位的阳离子，这种效应尤其显著。 第四规则：在一个含有不同阳离子的晶体中，电价高而配位数小的那些阳离子，不趋向于相互共有配位多面体的要素。 这是第三规则的延续，即电价高而配位数小的阳离子形成的配位多面体尽量彼此孤立。,第五规则（节约规则）：在一个晶体中，本质不同的结构组元的种类，倾向于为数最少。 这是晶体中质点作有规律重复排列的要求。例如在石榴石（CaAlSiO）中 Ca 、 Al 、 Si 和 O之间的配位方式为： Ca Al O Si 一种方式 Ca而不是 Al

27、Ca Ca Si O 和 Si O 两种方式 Al Ca Ca Paoling规则只适用于离子晶体或以离子键为主的晶体。,七、同质多晶与类质同晶,化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成化学组成相同，但结构和性质不同的晶体结构-同质多晶,化学组成相同或者相近的的物质，在相同的热力学条件下形成结构相同的晶体结构-类质多晶,制备掺杂稀土铕的SiO2微球Photonic Crystal,2. 材料的组成、结构、 性能和制备,材料通常是由原子或分子结合而成的，也可以说是由物质组成的，而物质是由一种或一种以上的元素组成的。按原子或分子的结合及其在空间排列的不同，材料的组成可分成固溶体、聚集体和复合体

28、三大类。,2.1 材料的组成,组元、相和组织 a组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元（或称组分）。 b材料中具有相同的化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀的。 c材料内部的微观形貌称为材料的组织。它实际上是指由各个晶粒或各种相所形成的图案。 在不同条件下，材料的组织又可以分为微观组织 (结构) 和宏观组织。,2.1.1 材料组元的结合形式,表2-1 材料组织的分类,两种以上的原子或分子溶合在一起时的状态统称为溶体。 溶体一般是原子或分子的均匀混合物，不是化合物。液态溶体称为溶液；固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的主晶格中所形成的单相固体称固溶体

29、。按溶质在溶剂中的位置不同，固溶体可分为： 置换型（取代型）固溶体：溶剂A晶格中的原子被溶质B的原子所取代形成的固溶体（A与B的原子大小大致相同）； 填充型（间隙型）固溶体：溶剂A晶格间隙内由B的原子填入所形成的固溶体（B原子要比A原子小）。,固溶体,由无数原子或晶粒聚集而成的固体称为聚集体。一般的材料都是宏观上的聚集体。其中有的是晶粒间呈连续变化牢固地结合在一起（如合金或固溶体）；有的是晶粒间的结合较微弱（如花岗石等）,聚集体,复合体（复合材料）是指由两种及两种以上的不同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料。各相之间存在明显的界面。复合材料中各相不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各

30、种材料相的特性，并赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体材料，而另一个相是不连续相的，以独立的形态分布在连续相中，也称为分散相。与连续相相比，分散相的性能优越，会使材料的性能得到明显的增强，故常称为增强材料。,复合体,金属材料的化学组成 金属材料是以纯金属和以金属为基所构成的合金。A单质金属：黑色金属（Fe、Co、Ni）B金属合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金 属元素构成的具有金属性质的物质叫金属合金。,2.1.2 材料的化学组成,无机非金属材料包括陶瓷、耐火材料、黏土制品、搪瓷、玻璃和水泥等。 在许多西方国家，陶瓷实际上是各种无机非金属材

31、料的通称。同金属材料、高分子材料并称为现代工程材料的三大柱。 从化学角度看，无机非金属材料都是由金属元素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制得的。通常由金属氧化物、非金属氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物等以不同的方式组合而成的。化学组分几乎涉及到元素周期表中的所有元素。,无机非金属材料的化学组成, 高分子材料的化学组成,高分子材料是以高分子化合物（亦称高聚物、聚合物、树脂）为主要组分的材料。 高分子化合物主要是指相对分子量特别大的有机物，分子量一般在104以上；另一个特点是其链中不含离子键和金属键。 高分子材料按来源分为天然高分子材料、合成高分子材料。 高分子化合物一般由一种或几种简单的

32、低分子化合物（单体和链节）聚合而成。一个高分子化合物中重复单元的数目n 叫做链节数，又称为聚合度。 高分子材料按功能分为通用高分子材料、特殊高分子材料、功能高分子和仿生高分子材料（高分子引发剂、模拟酶等）。,2.2.1 材料的结构及其层次 材料的内部因素一般包括物质的组成和结构。 所谓结构是指材料系统内各组分之间的相互联系和相互作用方式。 材料的结构从形式上讲，包括晶体结构、非晶体结构、孔结构及它们不同形式且错综复杂的组合和复合；从尺寸上讲，可分为微观结构、亚微观结构、显微结构和宏观结构四个层次。,2.2 材料的结构,表2-2 材料结构层次的划分及所用观察设备,仪器分析按信息形式分为图象分析法

33、和非图象分析法。按工作原理前者主要是显微术，后者主要是衍射法和成分谱分析。显微术和衍射法基于物理方法，其工作原理是以电磁波（可见光、电子、离子和X-射线等）轰击样品激发产生特征物理信息，这些信息包括电磁波的透射信息、反射信息和吸收信息。将这些信息收集并加以分析从而确定物相组成和结构特征。,2.2.2 材料的研究方法,2.2.2 材料的研究方法,材料中的化学键有金属键、离子键、共价键（配位键）、氢键和范德华力。实际上有的材料并不是由单一的化学键组成，可同时兼有几种键。 金属材料：金属键； 无机非金属材料：离子键、共价键和金属键的杂交； 高分子材料：共价键、氢键和范德华力。,2.2.3 材料中的化

34、学键合,A晶体的基本特征：规则的几何构型、固定的熔点、各向异性。 B七大晶系：立方（3）、四方（2）、三方（1）、单斜（2）、三斜（1）、六方（1）、正交（4）。 C晶体结构的不完整性 a杂原子与固溶体：杂质原子与主晶体原子形成固溶体（置换和填隙） b点缺陷：弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷 c线缺陷 d面缺陷,2.2.4 晶体结构基础,2.2.4 晶体结构基础, 金属材料的结构：体心立方结构、面心立方结构、紧密堆积六方结构、金刚石结构无机非金属材料的结构： 金刚石结构（硅、二氧化硅等） 硅酸盐结构：以SiO4为单元组成链状、层状、网状结构. 玻璃态结构：玻璃可以看成是处在过冷状态的一种粘度极高的流体

35、，整个结构不具有晶体的规则排列。特点是原子排列近程有序、远程无序。键型有离子键、共价键。,2.2.5 材料的结构,高分子化合物是由大量重复的结构单元连接而成。高分子材料的结构包括高分子链的结构及聚集态的结构。 a单体：构成高聚物的最基本的组成单元； b链状结构：许多高分子是由多价原子彼此以共价键结合而成的长链状分子。它可以由一种（均聚物）或多种（共聚物）结构单元组成。热塑性材料。可反复加工。 c交联网状结构：三维空间的网状结构。不溶于任何溶剂（仅有一些溶胀），热固性材料，不能反复加工使用。 d聚集态结构：大分子与大分子之间的相互作用和几何排列等。是范德华力和氢键。包括：非晶态结构和晶态结构。,

36、 高分子材料的结构,复合材料可定义为由两种或两种以上独立的物理相组合而成。包括粘结材料（基体）和粒料，纤维晶须或片状材料所组成的一种固体产物。复合材料的组织是具有单一组织所不具备的特征复相组织。可以是一个连续的物理相与一个分散相的复合。也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在两个连续相中复合的材料。可以组成零维、一维、二维或三维的各类复合材料。,复合材料的结构模式,材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为，它是材料微观结构特征的宏观反映。 无机非金属材料：是由离子键和共价键结合而成。其性能一般是晶态或非晶态的、坚硬、耐热、多数绝缘。部分有导电性，脆性大，韧性差，但一般都有较

37、好的光学性能。 金属材料：由金属键结合而成。晶态、延展性好、不透明、高断裂韧性、电和热的良导体、一般不透明。 高分子材料：由共价键和范德华力结合而成。一般是非晶态（少量区域晶态）、较软、质轻、强度较低、中等韧性、易加工，电、热绝缘。,2.3 材料的性能,材料化学性能是指材料抵抗各种介质作用的能力。包括溶解性、耐腐蚀性、抗渗透性、抗氧化性、催化性、离子交换性能等。 A金属材料的化学稳定性：对周围介质侵蚀的抵抗能力。主要是耐腐蚀性，包括化学腐蚀和电化学腐蚀。 B无机非金属材料的化学稳定性：具有良好的抗腐蚀能力。但陶瓷材料使用中常遇到气体腐蚀问题。 C高分子材料的化学稳定性：具有良好的抗腐蚀能力。但

38、高分子材料存在老化。,2.3.1 化学性能,A强度与塑性 强度是指在载荷作用下抵抗明显的塑性形变或破坏的最大能力。强度可分为：压缩强度、拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、疲劳强度等。 塑性是指在载荷作用下，应力超过屈服点后能产生显著的残余变形不即行断裂的性质。屈服强度是指材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力。 弹性与刚度：材料在载荷作用下产生变形，当载荷除去后能恢复原状的能力称为弹性；刚度则是指材料在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。B硬度 材料抵抗其它较硬物体压入表面的能力。,2.3.2 力学性能,2.3.2 力学性能,C断裂与韧性 断裂是由于原子间的化学键断裂引起的，分为脆性断裂和韧性断裂 韧性

39、是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。D疲劳特性与耐磨性 材料在受到拉伸、压缩、弯曲、扭曲或这些外力的组合反复作用时，应力的振幅超过某一限度即会导致材料的断裂，这一限度称为疲劳极限。 疲劳寿命指在某一特定压力下，材料发生疲劳断裂前循环数，它反映了材料抵抗产生裂缝的能力。 材料对磨损的抵抗能力称为材料的耐磨性，可用磨损量表示。一般条件下磨损量越小，材料的耐模性越高。,包括热容、热膨胀、热传导、热辐射和热电势等 A热容：1mol 物质温度升高1K所吸收的热量，单位：Jmol-1K-1 B热膨胀：是物质热胀冷缩（有的相反）的特性参数，用膨胀系数表示。 C热传导：由于材料相邻部分间的温差而发生的能量迁移。

40、由高温物体迁移至低温物体。 热传导的机制：自由电子的传导（金属）、晶格振动的传导(晶体)、分子或链段的传导(高分子材料)。 D耐热性 材料的熔点反映了材料的耐热性。熔点越高，熔融热焓越大，耐热性越好。,2.3.3 热性能,A导电性能：用电阻率或电导率表示：R=（L/S）=1/ 根据电阻率的大小，将材料可分为超导体(=0)、导体（=10-810-5）、半导体（=10-5107）和绝缘 体（=1071020） B介电性能 电子材料有：导体、半导体、绝缘体、介电体。 介电性能主要包括介电常数、介电损耗、介电强度介电材料的价带和导带之间存在较大的能隙，所以它们具有高的电阻率。 产生介电作用的原因是电荷

41、的偏移，或称极化。,2.3.4 电性能,C铁电性 介电常数大的物质，如BaTiO3，当电场增强时，极化程度开始增大，接着突然增大，在电场强度很大时增加的速度又减小而趋向于极限。除去电场后剩余一部分极化状态，必须加上相反的电场才能完全消除极化状态， 即出现滞后现象。与铁磁体类似，因而称为铁电性。 在较强的交变电场作用下，铁电体的极化强度P随外电场呈非线性变化,而且在一定的温度范围内，P表现为电场E的双值函数，呈现出滞后现象，这个PE回线就称为电滞回线,2.3.4 电性能,2.3.4 电性能,D压电性 对某些材料施压力，材料的晶体内部产生极化现象，可测出电压。如果放在电场中，会产生应力，这种具有使

42、机械能和电能相互转换的现象称为压电效应。由于形变而产生压电效应正压电效应，对材料施加电压而产生形变时，称为逆压电效应。,2.3.4 电性能,（1）光的透射、吸收、反射和散射（2）荧光性 一种物质在吸收电能或光能后，通过电子跃迁，再释放出光的现象。许多稀土化合物本身就是荧光体，一般需要激活剂光或热或化学物质。（3）非线性光学性能 事实上，介质在光场中极化时，极化强度P 并不与 光波电场E 成正比, 尤其当光强较大时更是如此, 这时称 介质产生了非线性极化 。,2.3.5 光学性能,物质磁性可分为： 抗磁性：使磁场减弱； 顺磁性：使磁场略有增强； 铁磁性及亚铁磁性：使磁场强烈增强。 材料的磁性取决

43、于电子的自旋磁矩以及轨道的运动磁矩，用磁导率或磁化率表示。 抗磁性是某些材料放入磁场内，沿磁场的反方向被磁场微弱磁化，当撤去外磁场后，磁化呈可逆消失的现象； 顺磁性材料放入磁场内，沿磁场的方向被磁场微弱磁化，而当撤去外磁场后，磁化可逆消失的性质。顺磁性物质不能被磁场吸引；,2.3.6 磁学性能,铁磁性是一种材料的磁导率非常大，能沿磁场方向被强烈磁化的性质，这是因为铁磁质放入到磁场时，磁矩平行于磁场方向排列，形成了自发磁化。 铁磁性物质又分硬磁性物质、软磁性物质。 亚铁磁性是一种材料中部分阳离子的原子磁矩与磁场反向平行，而另一部分则平行取向所致的磁性行为，亚铁磁性常出现在一些氧化物材料，特别是铁

44、氧体。MOFe2O3、 MFe12O19等。,2.3.6 磁学性能,2.3.6 磁学性能,材料的制备方法主要涉及到原料的选用与合成和制备工艺流程与方法两方面的内容。另外，选用合适的设备，也是制备优良材料的关键之一。,2.4 材料的制备方法,原材料的选用与合成是材料制备的一个重要环节. 原材料包括天然材料和化工原料。 天然材料：天然矿物岩石与动植物原料 化工原料（人工合成原料）：采用化学或物理方法将天然原料加工，又分为无机化工原料和有机化工原料。 在选择原料时，除了考虑化学组成，纯度，颗粒度等主要因素外，成本也必须考虑。天然原料杂质较多，但价格低；人工合成原料纯度较高，但价格也高。,2.4.1

45、原料的选用与合成,金属矿：如铁矿石、铝土矿、方铅矿、黄铜矿等。 天然硅酸盐矿物：石英砂、砂岩、石灰石、长石、粘土等。 合成高分子化合物的基本原料：石油、天然气，煤，化石以及某些农副产品等。,天然矿物原料, 矿石的开采和还原 矿物是指地壳中的化学元素，经过各种地质作用形成的，并在一定条件下相对稳定的单质或化合物。是组成矿石和岩石的基本单元。 选矿方法有： 重选法、浮选法、 磁选法。,天然矿物原料,可当材料使用的天然矿物：石棉（不可燃的天然纤维）云母和页岩（可撕成薄片），天然岩石（砂岩、花岗岩、大理石等），蓝宝石，红宝石和金刚石等。天然的材料：木材，天然橡胶，天然纤维。,天然矿物原料,粘土类：主要

46、成分是SiO2、Al2O3及H2O，还含有Na2O、 K2O、CaO、MgO及有色氧化物Fe2O3、TiO2等。 石英类：主要成分是SiO2， 少量杂质，主要形态有水晶 （最纯）、脉石英、砂岩、石英砂、硅藻土、燧 石、硅石等。 长石类：主要是不含水的碱金属和A的铝硅酸盐。钾长 石，钙长石，钠长石，钡长石 碳酸盐类：白云石、方解石、菱镁石、石灰石、硅质、灰 岩、白垩和贝壳等。 其他原料：滑石、蛇纹石、硅灰石、透辉石、透闪石、骨 灰、磷灰石和 萤石等。,硅酸盐矿物原料,常见的工业废渣有：粉煤灰，石煤，炉渣，铝渣，电石渣，糖滤泥，磷矿渣，萤石矿渣，碎玻璃，其他。,工业废渣的利用,（1）氧化物原料 单

47、一氧化物和复合氧化物（2）非氧化物原料 类金属难熔化合物、非金属难熔化合物和金属互化物.（3）其他化工原料：碳酸钡、碳酸锶、稀土氧化物及其盐等。,无机合成原料,（1）天然纤维：植物纤维、动物纤维、矿物纤维（2）天然树脂：由植物或动物的分泌物再加工而 成，包括松香、虫胶、火漆、琥珀等。（3）天然橡胶：异戊二烯聚合物（4）生物胶 植物胶：阿拉伯树胶、山达胶、桃胶、淀粉等； 动物胶：虫胶、鱼胶、蛋白质、明胶等。,天然高分子化合物,合成高分子化合物主要指合成树脂、合成橡胶和合成纤维三大类，还包括粘合剂、涂料及功能性高分子。 高分子材料的单体可以从煤、石油、天然气和农副产品中制取。 塑料的原料是合成树脂

48、和助剂。助剂包括稳定剂、润滑剂、着色剂、增塑剂、填料以及防静电剂、抗老化剂和防霉剂等。 合成橡胶制品和合成橡胶和助剂。助剂包括补强剂、填充剂、硫化剂、硫化促进剂、助促进剂、防老化剂、软化剂和着色剂等。 合成纤维制品包括合成纤维和助剂。助剂包括消光剂、防静电剂和溶剂等。,有机合成原料,合成高分子化合物的主要原料叫单体。A石油化工路线 石脑油裂解生成芳烃、低碳烃和裂解汽油等 以石油合成的基本有机原料为基础合成的单体和高分子化合物,（1）生产单体的原料路线,合成高分子化合物的主要原料叫单体。A石油化工路线（a) 石脑油裂解生成芳烃、低碳烃和裂解汽油等 以石油合成的基本有机原料为基础合成的单体和高分子

49、化合物,（1）生产单体的原料路线,（1）生产单体的原料路线,B.以石油合成的基本有机原料（乙烯、丙烯、丁二烯等）为基础合成的单体和高分子化合物,B煤炭原料路线 煤通过干馏得到煤气、焦碳和煤焦油,（1）生产单体的原料路线,C其它原料路线 从植物和农副产品中得到合成高分子的单体原料a淀粉、b糠醛、c糠醇、d木糖和木糖醇、e羧甲基纤维素、f人造棉、g甲壳素和壳聚糖、,（1）生产单体的原料路线, 加聚反应：自由基型(活性中心为自由基)和离子型聚合。 单体通过加成聚合反应形成的产物称为加聚物。A加聚反应的原理：链引发、链增长、链终止和链转移.B加聚反应的分类：均聚和共聚C加聚反应的特点 a.加聚反应的单

50、体一般都具有不饱和结构或环状结构。 b.加聚反应属于连锁反应，生成的高分子的相对分子量与时间无关，单体的转化率随时间而增加。 c.高聚物的链节与单体具有相同的化学组成。 d.加聚反应过程中无小分子副产物生成。,（2）高分子化合物的合成, 缩聚反应(缩合聚合反应)：由具有两个以上官能团的低分子化合物聚合成高分子化合物，同时析出小分子物质A分类：均缩聚、混缩聚和共缩聚。a.均缩聚：含两种及以上官能团的一种单体进行的缩聚反应。b.混缩聚：又叫杂缩聚。两种不同单体分子间的缩聚反应。c.共缩聚：在均缩聚或混缩聚中加入其它种类的单体。B特点：a.单体含两个以上的官能团。b.可逆逐步反应，转化率与时间无关，