无机材料科学基础复习-张其土上课讲义
(完整版)1《材料科学基础》第一章晶体学基础
晶向、晶
钯的PDF卡片-----Pd 89－4897
crystal system,space
图 2 CdS纳米棒的TEM照片（左）和 HRTEM照片（右）
图2 选区电子衍射图
图1. La(Sr)3SrMnO7的低 温电子衍射图
晶向、晶面、晶面间距
晶向：空间点阵中行列的方向代表晶体中原子排 列的方向，称为晶向。
晶面：通过空间点阵中任意一组结点的平面代表 晶体中的原子平面，称为晶面。
L M
P点坐标?
(2,2,2)或222
N
一、晶向指数
1、晶向指数：表示晶体中点阵方向的指数，由晶向上结点的 坐标值决定。
2、求法 1）建立坐标系。 以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点，
联系：一般情况下，晶胞的几何形状、大小与对应的单胞是 一致的，可由同一组晶格常数来表示。
不区分 图示
晶 胞
空间点阵
单
胞
•NaCl晶体的晶胞，对应的是立方面心格子 •晶格常数a=b=c=0.5628nm，α=β=γ=90°
大晶胞
大晶胞：是相对 于单位晶胞而言 的
例：六方原始格子形式的晶胞就是常见的大晶胞
① 所选取的平行六面体应能反映整个空间点阵的对称性； ② 在上述前提下，平行六面体棱与棱之间的直角应最多； ③ 在遵循上两个条件的前提下，平行六面体的体积应最小。
具有L44P的平面点阵
单胞表
3、单胞的表征
原点：单胞角上的某一阵点 坐标轴：单胞上过原点的三个棱边 x，y，z 点阵参数：a，b，c，α，β，γ
准晶
是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有长程定向有 序，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有 晶体所不允许的宏观对称性。
无机材料科学基础课件_ppt课件
HPU
孟哈日巴拉
相律应用必须注意以下四点： 1.只能处理真实的热力学平衡体系。
2.相律表达式中的“2”是代表外界条件温度 和压力。如果研究的体系为固态物质，可以忽略
压力的影响，相律中的“2”应为“1”。 3.必须正确判断独立组分数、独立化学反应 式、相数以及限制条件数，才能正确应用相律。 4.自由度只取 0 或 0 以上的正值。
Hari Bala
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孟哈日巴拉
相平衡的研究方法
相图即平衡状态图，反映的是体系所处的热力学平衡状态, 与达平衡所需的时间无关。 平衡态 一个不随时间而发生变化的状态。 相图是在实验结果的基础上制作的，所以测量方法、测试 的精度等都直接影响相图的准确性和可靠性。 研究凝聚系统相平衡，有二种基本方法：动态法和静态法。
相
系统中具有相同物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。
特点： 1、相与相之间有界面。各相可以用机械方法
加以分离，越过界面时性质发生突变。 2、 一个相必须在物理性质和化学性质上都是均匀的， 这里的“均匀”是指一种微观尺度的均匀，但一个相不 一定只含有一种物质。 3、一种物质可以有几个相。同一个相不一定连续。
Hari Bala
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孟哈日巴拉
相数(P)：一个系统中所含相的数目，叫做相数，以P表示。 按照相数的不同，系统可分为： 单相系统（P＝1） 二相系统（P＝2） 三相系统（P＝3）等等。 含有两个相以上的系统，统称为多相系统。
1、气体 不论有多少种气体都只可能有一个气相。 对于系统中的气体，因其能够以分子形式按任何比例互相均 匀混合。
##
注意：指的平衡不是在高压条件
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
材科基
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第六章、扩散与固相反应
பைடு நூலகம்
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第三章、非晶体固体
1、熔体的概念：不同聚合程度的各种聚合物的混合物 硅酸盐熔体的粘度与组成的关系 2、非晶态物质的特点 3、玻璃的通性（4个） 4、 Tg 、Tf ,相对应的粘度和特点 5、网络形成体、网络变化体、网络中间体
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第一章、晶体结构基础
1、晶体的基本概念 晶体的本质：质点在三维空间成周期性重复排列 晶体的基本性质：结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、 最小内能性 2、对称的概念 物体中的相同部分作有规律的重复 对称要素：对称面、对称中心、对称轴（对称轴的类型和特点） 4次倒转轴不能被其他的对称要素及其组合取代 （L1、L2、L3、L4、L6、C、P、 L4i ） 对称操作:借助对称要素，使晶体的相同部分完全重复的操作 对称要素的组合必须满足晶体的整体对称要求，不是无限的
无机材料科学基础课程授课教案(第1章)
第一章晶体第一节几何结晶学基本概念一、晶体的定义1、定义晶体是内部质点在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体，是具有格子构造的固体。
晶体的这一定义表明，不论晶体的组成如何不同，也不论其表观是否具有规则的几何外形，晶体的共同特征是内部质点在三维空间按周期性的重复排列。
不具备这一特征的物体就不是晶体。
2、空间点阵（空间格子）在三维空间按周期性重复排列的几何点的集合称为空间点阵（空间格子）。
空间点阵（空间格子）中的结点是抽象的几何点并非实际晶体中的质点。
阵点或结点：空间点阵中的几何点称为阵点或结点。
等同点：同一套空间格子中的结点叫等同点。
实际晶体是由组成晶体的离子或原子去占据一套或几套穿插在一起的空间格子的结点位置而构成。
实际晶体的内部质点是有实际内容的原子或离子。
实际晶体中化学组成相同、结晶化学环境相同的质点占据的结点构成一套等同点。
所谓结晶化学环境相同是指质点周围在相同方位上离开相同距离有相同的质点。
晶体中有几套空间格子就有几套等同点，判断晶体中有几套空间格子的方法是看晶体中有几套等同点。
NaCl晶体有2套空间格子，Na+离子和Cl-离子各构成一套空间格子。
CsCl晶体有2套空间格子，Cs+ 离子和Cl-离子各构成一套空间格子。
CaF2晶体有3套空间格子,Ca2+离子构成一套空间格子；F-离子有两套空间格子。
3、晶体的性质：结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、最小内能性。
二、晶系：根据晶体的对称性，将晶体分为三大晶族、七大晶系。
高级晶族：立方晶系（等轴晶系）中级晶族：六方晶系、三方晶系（菱方晶系）、四方晶系（正方晶系）低级晶族：斜方晶系（正交晶系）、单斜晶系、三斜晶系三、晶胞晶胞是晶体中重复出现的最小结构单元，它包含了整个晶体的特点。
对应于七大晶系，晶胞形状有七种。
四、空间格子的类型：（14种布拉维空间格子）以等同点为基准取晶胞，根据七大晶系，晶胞的形状共有7种。
等同点在晶胞的位置可以有以下几种：1.原始式：等同点占据晶胞的各个角顶2.体心式：等同点占据晶胞的各个角顶和体心3.面心式：等同点占据晶胞的各个角顶和面心4.底心式：等同点占据晶胞的各个角顶和上下底面中心根据某一套等同点为基准所取晶胞的形状和该套等同点在晶胞中的位置可以判断该套等同点构成的空间格子类型，共有十四种空间格子类型，通常称为十四种布拉维空间格子（布拉维空间点阵）。
张其土材料复习
张其土材料复习 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】无机材料科学基础复习张其土南京工业大学材料学院参考书：《无机材料科学基础》陆佩文主编，武汉工业大学出版社《无机材料科学基础》张其土主编，华东理工大学出版社第一章、晶体结构基础1、晶体的基本概念晶体的本质：质点在三维空间成周期性重复排列晶体的基本性质：结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、最小内能性2、对称的概念物体中的相同部分作有规律的重复对称要素：对称面、对称中心、对称轴（对称轴的类型和特点）（L1、L2、L3、L4、L6、C、P）4次倒转轴不能被其他的对称要素及其组合取代对称操作:对称要素的组合必须满足晶体的整体对称要求，不是无限的3、对称型（点群）：宏观晶体中只存在32种对称型对称型的概念4、晶体的分类、晶族分类的依据、各晶系的晶胞参数关系5、晶面的取向关系、晶面指数的含义和计算（举例）6、空间点阵的概念、 14种布拉维格子（ P、I、F、C格子）7、晶胞的概念、晶胞参数（计算）8、微观对称要素的特征、空间群的概念（只存在230种空间群）在微观对称操作中都包含有平移动作9、球体紧密堆积原理（六方密堆、立方密堆）10、鲍林规则（离子晶体）11、决定晶体结构的因素：化学组成、质点相对大小、极化性质12、同质多晶、类质同晶13、典型的晶体结构（晶体结构的描述方法）CaF2结构、金刚石结构、金红石结构、刚玉结构、CaTiO3、尖晶石结构14、硅酸盐晶体结构、硅酸盐晶体结构分类的依据15、层状硅酸盐晶体的结构特点，（晶胞参数a和b值相近）16、在面心立方和体心立方中，最密排的平面的晶面符号是什么（111）、（110）17、一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的晶面指数。
（321）18、为什么等轴晶系晶体有原始、面心、体心而无底心格子19、O2-作而心立方堆积时，根据电价规则，在下面情况下，空隙内各需填入何种价数的阳离子，并对每一种结构举出—个例子。
无机材料科学基础第四章
第四章 表面与界面第一节 晶界类型一、根据相邻晶粒的位向差分根据相邻晶粒的位向差分：： 位向差大——大角度晶界 位向差小——小角度晶界 1.小角度晶界小角度晶界：：亚晶界单晶体中单晶体中““镶嵌结构镶嵌结构””产生小角度晶界产生小角度晶界。
小角度晶界位向差小小角度晶界位向差小，，晶界很薄界很薄。
小角度晶界形成原因是单晶体在成长过程中受热或机械应力或表面张力作用产生的或表面张力作用产生的。
同号位错在同一滑移面上相互排斥异号位错在同一滑移面上相互吸引异号位错在同一滑移面上相互吸引。
同号位错不在同一滑移面上相互吸引同号位错不在同一滑移面上相互吸引。
（ > >4545o ）倾向于刃型位错自上而下排列倾向于刃型位错自上而下排列，，形成小角度晶界形成小角度晶界。
2.大角度晶界大角度晶界：：多晶材料之间的晶界多晶材料之间的晶界，，其结构为无定型结构其结构为无定型结构，，厚度较大。
二、根据晶面两侧晶格的吻合程度分1.共格界面共格界面：：界面两侧具有相近的原子排列和原子间距界面两侧具有相近的原子排列和原子间距，，越过晶面原子排列是连续的子排列是连续的，，即界面上的原子同时处于相邻的晶列的晶格结点上。
共格界面共格界面，，其上结点属于界面两侧两个晶粒其上结点属于界面两侧两个晶粒，，但两侧的晶粒晶格常数略有差别略有差别，，通过弹性变形来协调通过弹性变形来协调。
孪晶孪晶（（双晶双晶））间界面为共格晶界间界面为共格晶界，，可通过堆垛层错产生可通过堆垛层错产生。
A B C B A孪晶2.半共格晶界晶格间距失配度太大晶格间距失配度太大，，弹性变形不能协调,插入刃型位错插入刃型位错，，在界面上插入附加的半平面插入附加的半平面（（引入刃型位错引入刃型位错））形成半共格界面形成半共格界面。
3.非共格晶界面非共格晶界面：：晶界两侧结构相差太大晶界两侧结构相差太大，，此时晶界结构为无定形的此时晶界结构为无定形的，，为非共格晶面为非共格晶面。
《材料科学基础2》课程简介和教学大纲
《材料科学基础2》课程简介课程编号：02024036课程名称：材料科学基础2 ［5E］ /Fundamentals of MaterialsScience 2学分：2. 5学时：40适用专业：无机非金属材料建议修读学期：第5学期先修课程：物理化学，材料科学基础1 ［无］考核方式与成绩评定标准：闭卷考试教材与主要参考书目：Ll］无机材料学基础，张其土，华东理工大学出版社［2］无机材料科学基础，陆佩文，武汉理工大学出版社［3］材料科学基础，张联盟，武汉理工大学出版社内容概述：本课程是无机非金属材料工程专业本科生的重要专业基础课，是一门理论性很强、涉及面广的课程，是本专业的专业课开设前所必须学的课程。
本课程是使学生掌握材料的组成、结构与性能之间的相互关系和变化规律，掌握材料的结构、物性和化学反应的规律及其相互的联系，为今后从事夏杂的技术工作和开发新型材料打下良好的基础。
The course of fUndamentals of materials science, which is highly theoretical, and almost involves all the sides of materials science, is an important fundamental one for the students majoring in inorganic materials science and engineering. Thus it is set to be taught before other specialized courses. It aims at allowing the students to master the relations between materials compositions, structures and properties, and to establish a good theoretical base for the research and development of new materials in the future.《材料科学基础2》［无］教学大纲课程编号：02024036课程名称：材料科学基础2 /Fundamentals of Materials Science 2学分：2. 5学时：40适用专业：无机非金属材料建议修读学期：第5学期先修课程：物理化学，材料科学基础1 ［无］一、课程性质、目的与任务【课程性质】本课程是无机非金属材料工程专业(建材方向、陶瓷与耐火材料方向)本科生的重要专业基础课，是一门理论性很强、涉及面广的课程，是本专业的专业课开设前所必须学的课程。
无机材料科学基础(共117张PPT)
无机材料科学基础
29
四次旋转反伸轴
L
4 i
无机材料科学基础
L
4 i
A
B
C
D
30
六次旋转反伸轴
L
6 i
L
6 i
无机材料科学基础
三方柱
31
5 、旋转反映轴——映转轴（Lsn）
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。 旋转反映轴有：L1s、L2s、L3s、L4s、L6s。
2、《硅酸盐物理化学》 浙江大学等 建工出版社
3、《结晶学》
翁臻培等
建工出版社
4、《陶瓷导轮》
W.D. 金格瑞等 建工出版社
5、《如何看硅酸盐相图》 沈鹤年·
轻工出版社
6、《固体材料结构基础》 张孝文等
建工出版社
7、《无机材料物理化学》 叶瑞伦等
建工出版社
无机材料科学基础
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6
第一章 结晶学基础
何谓结晶学？
23
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。
1P
5P
无机材料科学基础
24
3 、对称轴（Ln）：通过晶体中心的一条假想的直线，绕这 条直线旋转一定的角度后，能使图形相 同的部分重复出现
对应的对称操作：绕对称轴的旋转 轴次（n）：旋转一周重复的次数 基转角（）：重复时所旋转的最小角度
7
§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
Cl Na
0.563nm
晶体：内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体； 或具有格子构造的固体。
无机材料科学基础复习张其土
（L1、L2、L3、L4、L6、C、P） 15、如果要合成MgAl2O4，可提供选择的原料为MgCO3、Mg(OH)2、
6、晶核的形成条件、临界晶核rk。（要有△T）
7、影响成核速率的因素：核坯的数目、质点加到核坯上的速率 Iv=P·D
8、均匀成核、非均匀成核，选择成核剂的要求。 9、晶体生长速率 10、成核与晶体生长相比，需要更大的△T
11、分相现象、分相的概念及判断 12、无扩散型相变的特点
由于存在均匀切变，使晶体发生外形变化 由于相变过程无扩散，新相与母相的化学成分相同 母相与新相之间具有一定的取向关系 相变速度极快 13、试讨论非均匀成核的活化能与接触角θ的关系，并证明当接触角 θ为90度时，非均匀活化能的是均匀成核活化能的一半。
第八章、烧结
1、烧结的概念、定义 2、烧成与烧结、烧结与固相反应 3、烧结的推动力（过剩的表面能G） 4、烧结的模型
（烧结初期的动力学关系、颈部增长率系）、计算
蒸发-凝聚传质过程的特点（△L/L=0） 6、液态烧结的类型、特点、公式（与时间、粒径的关系） 、计算 7、液相烧结与固相烧结的异同点 8、晶粒生长与二次再结晶的概念（烧结中后期）
8、界线、连线的概念，以及他们的关系 1、晶体的表面双电层与表面能的关系，固体是如何降低其表面能的？
71、6、晶浓胞度的差概会念引正、起晶扩硅胞散参酸，数扩铅（散计是P算b否）S总i是O从4玻高浓璃度处的向密低浓度度处为进7行.?36g/cm3，求这种铅玻璃中氧的密度 7种、类影、响形成成为核条速多件率、少的缺因陷？素的：如计核算果坯等的将数目它、与质点熔加到融核石坯上英的速玻率璃（密度为2.2g/cm3）中的氧密度相比
无机材料科学基础第一章
金属受外力发生变形时，金属键不被破坏， 故金属有很好的延展性，与离子晶体的情况相反。
添加标题
*
例3
解： 47Ag：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 Ag只有一个价电子 m=10.49g/cm3×10cm3=104.9 g 5.85×1023 atom×（1e/atom）= 5.85×1023 e
*
1.2 核外电子运动状态
1.四个量子数及其表征的意义
主量子数 n － 表征原子轨道离核的远近，即核外电子的层数
*
角量子数 li －又称副量子数。它决定原子轨道或电子云的形状，并在多电子原子中和n一起决定电子的能量。
li
0
1
2
3
光谱学符号
s
p
d
f
*
磁量子数 m － 表征原子轨道在外磁场方向上分量的大小，即原子轨道在空间的不同取向
习 题
#2022
*
原子参数（Atomic parameters）
01
原子半径 Atomic radius
添加标题
02
电离能 Ionization energy
添加标题
03
电子亲和能 Electron affinity
添加标题
04
电负性 Electronegativity
*
电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大的地方。
对于定态的原子来说，电子也不是位于确定半径的平面轨道上，而是有可能位于核外空间的任何地方，只是在不同的位置出现电子的几率不同。这样，经典的轨道概念就必须摒弃。人们往往用连续分布的“电子云”代替轨道来表示单个电子出现在各处的几率。
*
ì
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8、缺陷反应方程和固溶式
杂质基 质产生的各种缺陷
C2 a C K ClC l.K aC C llC i' l C2 a C K ClC l .K aV K ' 2 C Cll
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9、固溶体的研究与计算
写出缺陷反应方程
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第四章、表面与界面
1、晶体的表面双电层与表面能的关系，固体是如何降低其表面能的？ 固体表面的双电层厚度主要取决于什么？
2、润湿的概念、定义 改善润湿的方法：去除表面吸附膜（提高固体表面能）、 改变表面粗糙度、降低固液界面能
3、表面粗糙度对润湿的影响 4、吸附膜对润湿的影响 5、弯曲表面的效应 (开尔文公式的应用) 6、界面的分类与特点 7、决定晶界构型的因素 （界面能与晶界能的相互关系） 8、粘土荷电的原因、粘土与水的作用、电动电位 9、泥浆胶溶的原理与条件、粘土泥浆属于塑性流动 10、泥浆发生触变的原因
12、非化学计量化合物FexO中，Fe3+／Fe2+=0.1，求FexO中的空 位浓度及x值。
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第三章、非晶体固体
1、熔体的概念：不同聚合程度的各种聚合物的混合物 硅酸盐熔体的粘度与组成的关系
2、非晶态物质的特点 3、玻璃的通性 4、 Tg 、Tf ,相对应的粘度和特点 5、网络形成体、网络变性体、网络中间体
14、硅酸盐晶体结构、硅酸盐晶体结构分类的依据 15、层状硅酸盐晶体的结构特点，（晶胞参数a和b值相近） 16、在面心立方和体心立方中，最密排的平面的晶面符号是什么？
（111）、（110） 17、一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的
晶面指数。（321） 18、为什么等轴晶系晶体有原始、面心、体心而无底心格子？ 19、O2-作而心立方堆积时，根据电价规则，在下面情况下，空隙内
无机材料科学基础复习
张其土
南京工业大学材料学院
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主要参考书
《无机材料科学基础》 陆佩文主编，武汉工业大学出版社
《无机材料科学基础》 张其土主编，华东理工大学出版社
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固溶式、算出晶胞的体积和重量
理论密度（间隙型、置换型）
和实测密度比较
10、位错概念
刃位错：滑移方向与位错线垂直，伯格斯矢量b与位错线垂直
螺位错：滑移方向与位错线平行，伯格斯矢量b与位错线平行
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11、(a)MgO晶体中，肖脱基缺陷的生成能为6eV（9.612×10－ 19J）， 计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。(b)如果MgO晶体中， 含有百万分之一摩尔的A12O3杂质，则在1600℃时，MgO晶体中是热 缺陷占优势还是杂质缺陷占优势，说明原因。
3、对称型（点群）：宏观晶体中只存在32种对称型 对称型的概念
4、晶体的分类 、晶族分类的依据、各晶系的晶胞参数关系 5、晶面的取向关系 、晶面指数的含义和计算（举例） 6、空间点阵的概念、 14种布拉维格子（ P、I、F、C格子） 7、晶胞的概念 、晶胞参数（计算） 8、微观对称要素的特征、空间群的概念（只存在230种空间群）
各需填入何种价数的阳离子，并对每一种结构举出—个例子。 （a）所有四面体空隙位置均填满；(b) 所有八而体空隙位置均填满；
(c) 填满—半四面体空隙位置；(d) 填满—半八面休空隙位置。
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第二章、晶体结构缺陷
1、缺陷的概念 2、热缺陷 （弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷）
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第五章、相平衡
1、相律以及相图中的一些基本概念 相、独立组分、自由度等
2、水型物质相图的特点（固液界线的斜率为负） 3、单元系统相图中可逆与不可逆多晶转变的特点 4、SiO2相图中的多晶转变（重建型转变、位移型转变） 5、一致熔化合物和不一致熔化合物的特点 6、形成连续固溶体的二元相图的特点（没有二元无变量点） 7、相图的坐标系统由什么来决定（相平衡系统中的最大自由度） 8、界线、连线的概念，以及他们的关系
在微观对称操作中都包含有平移动作 9、球体紧密堆积原理 （六方密堆、立方密堆） 10、鲍林规则（离子晶体） 11、决定晶体结构的因素：化学组成、质点相对大小、极化性质 12、同质多晶、类质同晶
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13、典型的晶体结构（晶体结构的描述方法） CaF2结构、金刚石结构、金红石结构、刚玉结构、 CaTiO3、尖晶石结构
计算（如Pb玻璃中Pb2＋的作用）
正硅酸铅PbSiO4玻璃的密度为7.36g/cm3，求这种铅玻璃中氧的密度 为多少？如果将它与熔融石英玻璃（密度为2.2g/cm3）中的氧密度相比 较，试指出在这种铅玻璃中铅离子所在的位置。（其中原子量分别为 O:16，Si:28，Pb:207）。
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6、玻璃形成的热力学观点 7、玻璃的结构学说（二种玻璃结构学说的共同之处和不同之处） 8、玻璃的结构参数
Z可根据玻璃类型定，先计算R，再计算X、Y 注意网络中间体在其中的作用。 9、硼的反常现象 10、硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃的区别 11、容易形成玻璃的物质，在熔点附近有较高的粘度、Tg/Tm＞2/3 12、玻璃的组成为13wt%Na2O、13wt%CaO和74wt%SiO2，试计算其 非桥氧的百分数。