無(wú)機(jī)材料科學(xué)課程報(bào)告

1、 1、緒論 材料學(xué)即是研究材料的學(xué)科，其研究?jī)?nèi)容包括材料的性能，材料的組成結(jié)構(gòu)，材料的形成變化過(guò)程，材料的研究、制造方法及設(shè)備，以及它們之間的相互關(guān)系。其核心是材料的性能，其他均是為了材料性能的有效控制。 材料是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的技術(shù)核心與先導(dǎo)。材料按其化學(xué)特征可劃分為無(wú)機(jī)非金屬材料、無(wú)機(jī)金屬材料、有機(jī)高分子（聚合物）材料和復(fù)合材料四大類(lèi)。其中無(wú)機(jī)材料因原料資源豐富，成本低廉，生產(chǎn)過(guò)程能耗低，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣，能在許多場(chǎng)合替代金屬或有機(jī)高分子材料，使材料的利用更加合理和經(jīng)濟(jì)，從而日益受到人們的重視，成為材料領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。2、無(wú)機(jī)材料無(wú)機(jī)材料可分為傳統(tǒng)型和新型兩大類(lèi)

2、。傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四種，新型無(wú)機(jī)材料則包括新型陶瓷、特種玻璃、人工晶體、半導(dǎo)體材料、薄膜材料、無(wú)機(jī)纖維、多孔材料等，特點(diǎn)為，其質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力以離子健、共價(jià)鍵或離子共價(jià)混合鍵為主，表現(xiàn)出高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、耐磨損、高硬度、耐腐蝕和抗氧化的基本屬性，并具有寬廣的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、透光性以及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性和高溫超導(dǎo)性；其化學(xué)組成不再局限于硅酸鹽，還包括其他含氧酸鹽、氧化物、氮化物、碳與碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、鍺、IIIV族及IIVI族化合物等；其形態(tài)和形狀趨于多樣化，薄膜、纖維、納米材料，多孔，單晶和非晶材料日顯重要；在制備上普遍要求高純度、高細(xì)度的

3、原料并在化學(xué)組成、添加物的數(shù)量和分布、晶體結(jié)構(gòu)和材料微觀結(jié)構(gòu)上能精確加以控制。無(wú)機(jī)材料的結(jié)構(gòu)取決于組成以及合成和制備條件，并決定無(wú)機(jī)材料的性質(zhì)和用途；無(wú)機(jī)材料的性能是結(jié)構(gòu)的外在反映，對(duì)無(wú)機(jī)材料的使用效能有決定性影響，而使用效能又與無(wú)機(jī)材料的使用環(huán)境密切相關(guān)。無(wú)機(jī)材料的結(jié)構(gòu)可以從原子及電子結(jié)構(gòu)、原子的空間排列、組織結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)等層次上來(lái)描述。無(wú)機(jī)材料的合成和制備方法決定了無(wú)機(jī)材料的結(jié)構(gòu)和性能，無(wú)機(jī)材料的性能變化及性能衰減又與無(wú)機(jī)材料所處的條件及使用環(huán)境密切相關(guān)。無(wú)機(jī)材料科學(xué)與工程就是研究合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能與使用效能四者之間相互關(guān)系與制約規(guī)律的科學(xué)。無(wú)機(jī)材料的選用遵循使用性能、工藝性能、

4、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境協(xié)調(diào)性原則。無(wú)機(jī)材料作為工業(yè)和建設(shè)所必需的基礎(chǔ)材料，現(xiàn)代高新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)核心，在促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)工業(yè)及社會(huì)的進(jìn)步，鞏固國(guó)防和發(fā)展軍用技術(shù)，推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用，而成為當(dāng)今材料學(xué)科領(lǐng)域中發(fā)展最為迅速的一大類(lèi)材料。在人民的日常生活中，在基本建設(shè)工程中，在各種工業(yè)生產(chǎn)中，在現(xiàn)代國(guó)防和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，無(wú)機(jī)材料都有著各式各樣的用途，其用量之大居于所有人造材料首位。因此在無(wú)機(jī)材料的生產(chǎn)過(guò)程中，如何合理地使用原材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善產(chǎn)品性能，縮短生產(chǎn)周期，減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本，對(duì)于提高人民生活水平和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，具有

5、十分重要的意義。3、 晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣、晶胞等是定性描述晶體中質(zhì)點(diǎn)排列周期性的基本概念。晶胞參數(shù)、晶面指數(shù)、晶向指數(shù)等是定量描述晶體中質(zhì)點(diǎn)周期性、規(guī)則性排列的基本概念，它們與描述晶體對(duì)稱(chēng)性的宏觀及微觀對(duì)稱(chēng)要素一起構(gòu)成描述晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。 晶體化學(xué)主要研究晶體組成結(jié)構(gòu)性質(zhì)三者之間的相互關(guān)系和制約規(guī)律。晶體化學(xué)基本原理是通過(guò)質(zhì)點(diǎn)之間結(jié)合力和結(jié)合能、原子或離子半徑、球體緊密堆積、配位數(shù)、離子極化和鮑林規(guī)則等方面闡述它們對(duì)研究晶體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的意義。 晶體中質(zhì)點(diǎn)依靠相互結(jié)合力結(jié)合在一起，根據(jù)結(jié)合力的本質(zhì)不同，有離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、范德華鍵（分子鍵） 等，分別對(duì)應(yīng)典型的離子晶體、共價(jià)晶體、金

6、屬晶體及分子晶體。對(duì)于沒(méi)有方向性和飽和性的離子晶體及金屬晶體而言，質(zhì)點(diǎn)間堆積符合球體的最緊密堆積原理。而典型的共價(jià)晶體，質(zhì)點(diǎn)間堆積不符合最緊密堆積原理。對(duì)于大多數(shù)晶體來(lái)說(shuō)，結(jié)合力的性質(zhì)是屬于綜合性的。實(shí)際晶體中的鍵可以用鍵型四面體來(lái)表征。決定晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在因素有質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)大小、配位數(shù)、以及離子極化等。影響晶體結(jié)構(gòu)的外在因素有壓力、溫度等。晶體結(jié)構(gòu)與它的化學(xué)組成、質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)大小和極化性質(zhì)有關(guān)。但并非所有化學(xué)組成不同的晶體都有不相同的結(jié)構(gòu)，而完全相同的化學(xué)組成的晶體也可以出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)。這就是晶體中有同質(zhì)多晶和類(lèi)質(zhì)同晶之分的原因。鮑林在研究了離子晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，歸納出五條離子晶體結(jié)構(gòu)形成的規(guī)則。

7、其中重要的三條為：（1）配位多面體規(guī)則；（2）電價(jià)規(guī)則，是離子晶體中較嚴(yán)格的規(guī)則，它使晶體保持總的電性平衡，還可用于求得陰離子的配位數(shù)；（3）配位多面體連接方式規(guī)則。 考察無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，通常從離子或原子的堆積方式、配位數(shù)與配位多面體及其連接方式，晶胞分子數(shù)、空隙填充情況、空間格子構(gòu)造、同晶取代（質(zhì)點(diǎn)置換）等方面來(lái)揭示、理解晶體的微觀結(jié)構(gòu)及其與晶體性質(zhì)之間的關(guān)系。對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的硅酸鹽晶體，通常從基本結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)造（包括配位數(shù)與配位多面體及其連接方式）、基本結(jié)構(gòu)單元之間的連接、晶胞分子數(shù)、空隙填充情況、同晶取代（質(zhì)點(diǎn)置換）等方面來(lái)描述、揭示晶體的微觀結(jié)構(gòu)及其與晶體宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系。4、 晶體

8、結(jié)構(gòu)缺陷固體在熱力學(xué)上最穩(wěn)定的狀態(tài)是處于0K時(shí)的完整晶體狀態(tài)，此時(shí)，其內(nèi)部能量最低。在高于0K任何溫度下的實(shí)際晶體，由于質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)，或在形成過(guò)程中環(huán)境因素的作用，或在合成、制備過(guò)程中由于原料純度等因素的影響，或者在加工、使用過(guò)程中由于外場(chǎng)的物理化學(xué)作用等，使得晶體結(jié)構(gòu)的周期性勢(shì)場(chǎng)發(fā)生畸變，出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)不完整性，此即結(jié)構(gòu)缺陷。晶體的結(jié)構(gòu)缺陷不等于晶體的缺點(diǎn)，實(shí)際上，正是由于晶體結(jié)構(gòu)缺陷的存在，才賦予晶體各種各樣的性質(zhì)或性能。結(jié)構(gòu)缺陷的存在及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)固體的電學(xué)性質(zhì)、機(jī)械強(qiáng)度、擴(kuò)散、燒結(jié)、化學(xué)反應(yīng)性、非化學(xué)計(jì)量組成以及材料的物理化學(xué)性能都密切相關(guān)。只有在理解了晶體結(jié)構(gòu)缺陷的基礎(chǔ)上，才能闡明涉

9、及到質(zhì)點(diǎn)遷移的速度過(guò)程，因而掌握晶體缺陷的知識(shí)是掌握無(wú)機(jī)材料科學(xué)的基礎(chǔ)。 缺陷按幾何形態(tài)分為點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷、面缺陷和體缺陷。這種分類(lèi)方法符合人們認(rèn)識(shí)事物的基本規(guī)律，易建立起有關(guān)缺陷的空間概念。缺陷按其產(chǎn)生的原因分為：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷、電荷缺陷和輻照缺陷等。此種分類(lèi)方法有利于了解缺陷產(chǎn)生的原因和條件，有利于實(shí)施對(duì)缺陷的控制和利用。點(diǎn)缺陷是材料中最常見(jiàn)的一種缺陷，包括熱缺陷、組成缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷、色心等。材料中的點(diǎn)缺陷始終處于產(chǎn)生與復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，它們之間可以像化學(xué)反應(yīng)似地相互反應(yīng)。書(shū)寫(xiě)組成缺陷反應(yīng)方程式時(shí)，雜質(zhì)中的正負(fù)離子對(duì)應(yīng)地進(jìn)入基質(zhì)中正負(fù)離子的位置。離子間價(jià)態(tài)不同時(shí)，若

10、低價(jià)正離子占據(jù)高價(jià)正離子位置時(shí)，該位置帶有負(fù)電荷，為了保持電中性，會(huì)產(chǎn)生負(fù)離子空位或間隙正離子；若高價(jià)正離子占據(jù)低價(jià)正離子位置時(shí)，該位置帶有負(fù)電荷，保持電中性，會(huì)產(chǎn)生正離子空位或間隙負(fù)離子。 固溶體按照外來(lái)組元在基質(zhì)晶體中所處位置不同，可分為置型換固溶體和間隙型固溶體。外來(lái)組元在基質(zhì)晶體中的固溶度，可分為連續(xù)型（無(wú)限型）固溶體和有限型固溶體。形成固溶體后，繼之晶體的結(jié)構(gòu)變化不大，但性質(zhì)變化卻非常顯著，據(jù)此可以對(duì)材料進(jìn)行改性。當(dāng)材料中有變價(jià)離子存在，或晶體中質(zhì)點(diǎn)間的鍵合作用比較弱時(shí)，材料與介質(zhì)之間發(fā)生物質(zhì)交換成非化學(xué)計(jì)量化合物，此類(lèi)化合物是一種半導(dǎo)體材料。點(diǎn)缺陷的濃度表征非常靈活，只要選擇合適的

11、比較標(biāo)準(zhǔn)，可以得出多種正確的濃度表征結(jié)果。點(diǎn)缺陷的存在及其相互作用與半導(dǎo)體材料的制備、材料的高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程，材料的光電學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)。 線(xiàn)缺陷是晶體在結(jié)晶時(shí)受到雜質(zhì)、溫度變化或振動(dòng)等產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或者晶體在使用受到打擊、切削、研磨等機(jī)械應(yīng)力作用或高能射線(xiàn)輻照作用而產(chǎn)生的線(xiàn)狀缺陷，也稱(chēng)為位錯(cuò)。位錯(cuò)分為刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)和混合位錯(cuò)等。位借以及運(yùn)動(dòng)與晶體力力學(xué)、塑性變形行為等密切相關(guān)。運(yùn)用位錯(cuò)理論可以成功地解釋晶體的屈服強(qiáng)度、脆性、斷裂和蠕變等晶體強(qiáng)度理論中的重要問(wèn)題。 面缺陷是塊體材料中若干區(qū)域的邊界。每個(gè)區(qū)域內(nèi)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，區(qū)域之間有不同的取向。面缺陷包括表面、晶界、層錯(cuò)、孿晶界、相界等。

12、晶界是不同取向的晶粒之間界面。界面分為位錯(cuò)界面、孿晶界面和平移界面。根據(jù)界面上質(zhì)點(diǎn)排列情況不同有共格、半共格和非共格界面。面缺陷對(duì)解釋材料的力學(xué)性質(zhì)斷裂韌性具有重要意義。5、 非晶體結(jié)構(gòu)非晶態(tài)固體包括非晶態(tài)電介質(zhì)、非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)金屬。它們有特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)。例如金屬玻璃（非晶態(tài)金屬）比一般（晶態(tài)）金屬的強(qiáng)度高、彈性好、硬度和韌性高、抗腐蝕性好、導(dǎo)磁性強(qiáng)、電阻率高等。這使非晶態(tài)固體有多方面的應(yīng)用。它是一個(gè)正在發(fā)展中的新的研究領(lǐng)域，近年來(lái)得到迅速的發(fā)展。熔體是介于固體與液體之間的一種狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)上更接近于固體。掌握熔體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的相互關(guān)系及制約規(guī)律，對(duì)了解無(wú)機(jī)材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、無(wú)機(jī)材料

13、制備與加工方法及工藝參數(shù)的選擇具有重要意義。熔體的粘度及表面張力是對(duì)無(wú)機(jī)材料的工藝過(guò)程非常敏感的兩個(gè)性質(zhì)，常稱(chēng)為工藝性質(zhì)。粘度、表面張力與組成及溫度的關(guān)系是需要重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。 玻璃的形成條件包括熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件及結(jié)晶化學(xué)條件，熱力學(xué)條件是形成玻璃可能性大小的一種判據(jù)，并非對(duì)玻璃的形成的必然條件。動(dòng)力學(xué)條件給出形成玻璃所需要的工藝條件 冷卻速率的大小。只要提高冷卻速率，在常規(guī)冷卻條件下不能形成玻璃的物質(zhì)，在極高的冷卻速率下也有可能形成玻璃。結(jié)晶化學(xué)條件則是從內(nèi)在結(jié)構(gòu)因素方面闡述形成玻璃所需具備的基本條件，對(duì)玻璃組分的選擇與設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。 描述玻璃結(jié)構(gòu)的理論有無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)及晶子學(xué)說(shuō)等

14、，這兩個(gè)理論分別從不同側(cè)面描述了玻璃的微觀結(jié)構(gòu)。由于玻璃的長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)是相對(duì)于晶體內(nèi)的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的一種偏離，而且這種偏離與玻璃形成過(guò)程中經(jīng)歷的動(dòng)力學(xué)條件密切相關(guān)，因而玻璃結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，目前還沒(méi)有一個(gè)全面的、普遍適應(yīng)的描述玻璃微觀結(jié)構(gòu)的理論。6、 固體的表面與界面固體間的接觸界面包括表面、界面和相界面。表面是指固體與真空介質(zhì)接觸的界面；其中弛豫表面和重構(gòu)表面是兩個(gè)重要的概念，這兩種表面結(jié)構(gòu)對(duì)材料的表面催化性能有重要影響。界面是指相鄰兩個(gè)結(jié)晶空間的交界面；界面有共熔性和反應(yīng)性?xún)煞N。相界面是指相鄰相之間的交界面，這兩個(gè)相互接觸的相不要求都是晶相。相界面有三類(lèi)，如固相與固相的相界面（S-S）、固相

15、與氣相之間的相界面（S-V）、固相與液相之間的相界面（S-L）等。以上相關(guān)概念是科學(xué)角度的定義，在實(shí)際運(yùn)用中，有些術(shù)語(yǔ)并未嚴(yán)格按照上述概念來(lái)運(yùn)用。例如，通常把固體與氣體接觸的相界面籠統(tǒng)地成為表面，把晶相與玻璃相接觸的固固相界面簡(jiǎn)單地稱(chēng)為界面。這是科學(xué)與工程領(lǐng)域的認(rèn)同的一種差異。 吸附、潤(rùn)濕與粘附是分別發(fā)生在固氣、固液或固固界面上非常重要的界面行為，影響固體的表面結(jié)構(gòu)和性能，并與熔體對(duì)耐火材料的侵蝕、液相對(duì)固體的潤(rùn)濕及鋪展等無(wú)機(jī)材料的制備過(guò)程、無(wú)機(jī)材料的顯微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程、復(fù)合材料內(nèi)不同相間的結(jié)合工藝等物理化學(xué)過(guò)程密切相關(guān)，涉及無(wú)機(jī)材料制備和服役中性能變化的方方面面。 了解無(wú)機(jī)材料表面組成、表面結(jié)

16、構(gòu)分析的現(xiàn)代方法及技術(shù)，是表征無(wú)機(jī)材料表面結(jié)構(gòu)，研究表面性質(zhì)與性能的基本手段，應(yīng)該掌握相關(guān)測(cè)試手段所能得到的結(jié)構(gòu)信息。7、 混凝土結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 水泥基材料是屬于多相多層次的復(fù)合材料，包括從組成水泥基材料的原子-分子結(jié)構(gòu)，晶粒-膠團(tuán)-氣孔的漿體結(jié)構(gòu)，膠體-細(xì)集料的砂漿結(jié)構(gòu)，砂漿-粗骨料組成的素混凝土結(jié)構(gòu)以及混凝土-增強(qiáng)鋼筋結(jié)構(gòu)等。研究水泥基材料的組成，結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，首先要考慮研究對(duì)象所處的層次，不同層次的材料組成與結(jié)構(gòu)，在不同深度與程度上影響著材料的宏觀物理力學(xué)性能。當(dāng)然，在研究材料的某一具體性能時(shí)，也必須考慮各個(gè)層次的綜合影響，包括層次交叉和交互作用。水泥漿具有膠凝作用，在混凝土中

17、呈現(xiàn)連續(xù)分布，稱(chēng)為連續(xù)相或者基體，它把骨料相（分散相）牢固地膠結(jié)在一起，形成混凝土并使其具有抵抗外力作用和環(huán)境侵蝕的功能。所以，水泥漿連續(xù)相性能的優(yōu)劣，直接影響著混凝土整體的宏觀行為。 界面區(qū)的形成原因及特征為：（1）新?lián)v實(shí)混凝土中粗骨料顆粒下側(cè)形成水膜，使得從粗骨料下面沿法線(xiàn)方向進(jìn)入砂漿時(shí)水灰比由大變?。唬?）過(guò)渡區(qū)的水灰比較大，水化產(chǎn)物晶體發(fā)育較完整、粗大，形成的網(wǎng)絡(luò)骨架比砂漿基體的孔隙率大，且在界面區(qū)從骨料表面到漿體由大變小，呈梯度分布；（3）過(guò)渡區(qū)板狀Ca（OH）2晶體往往容易取向排列，多為C軸垂直于骨料表面，致使過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度有一定的取向性；（4）過(guò)渡區(qū)的顯微硬度低于硬化水泥漿本體的顯微硬度和骨料的顯微硬度；（5）粗骨料有阻滯密實(shí)成型時(shí)砂漿中氣泡的上浮外