材料科學基礎

材料科學基礎任課教師：張英

Email:yingzhang@Tel程成績的計算方法：按平時：期中：期末=3:3:4計算，期中考試前后分別組織一次測驗。平時成績包括：

按出勤+提問+作業(yè)+測驗（×2)=2:2:2:4計算測驗及考試紀律引言晶體結構晶體結構缺陷非晶態(tài)結構與性質相平衡與相圖基本動力學過程——擴散材料中的相變材料制備中的固態(tài)反應燒結目錄化學反應

結構物理性能材料工藝材料科學——研究材料的組分、結構與性能之間相互關系和變化規(guī)律的一門應用基礎科學。1引言材料的分類：按材料性質：結構材料、功能材料；按材料用途：能源材料、建筑材料、航空材料、信息材料、生物醫(yī)學材料等。

根據(jù)材料的基本組成、性質特征、存在的狀態(tài)、物理性質及效應、用途等對材料進行分類，材料可分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料(聚合物)和復合材料等四大類。鋁鑄鐵銅1.金屬材料金屬材料是元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構成的單質(純金屬)，由兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構成的合金。合金又分為固溶體和金屬間化合物。金屬材料的種類種類范圍鋼碳素鋼：碳素結構鋼、碳素工具鋼合金鋼：合金結構鋼(滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、軸承鋼、易切鋼等)

合金工具鋼(刃具鋼、模具鋼、量具鋼等)

特殊性能鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等)鑄鐵灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、特殊性能鑄鐵(如耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵)等有色金屬及合金鋁及鋁合金：變形鋁合金(防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁4類)

鑄造鋁合金(鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金4類)銅及銅合金：紫銅(純銅)、黃銅、白銅和青銅(錫青銅和無錫青銅)鈦及鈦合金其他金屬及合金

無機非金屬材料(inorganicnonmetallicmaterials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質組成的材料。是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。2.無機非金屬材料水泥 玻璃 種類性能特征主要組成用途介電陶瓷絕緣性Al2O3、Mg2SiO4

集成電路基板熱電性PbTiO3、BaTiO3

熱敏電阻壓電性PbTiO3、LiNbO3

振蕩器強介電性BaTiO3

電容器光學陶瓷熒光、發(fā)光性Al2O3CrNd玻璃激光紅外透過性CaAs、CdTe紅外線窗口高透明度SiO2

光導纖維電發(fā)色效應WO3

顯示器磁性陶瓷軟磁性ZnFe2O、γ-Fe2O3磁帶、各種高頻磁心硬磁性SrO?6Fe2O3

電聲器件、儀表及控制器件的磁芯半導體陶瓷光電效應CdS、Ca2Sx太陽電池阻抗溫度變化效應VO2、NiO溫度傳感器熱電子放射效應LaB6、BaO熱陰極常用功能陶瓷3.有機高分子材料由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。特點：質輕、傳熱系數(shù)小、耐腐蝕性好、電氣絕緣性和成形加工性優(yōu)良、減震消音、透光、易著色等明顯突出的優(yōu)點，但也存在著熱膨脹系數(shù)大、使用溫度低、容易燃燒和容易老化等缺點。高分子材料的種類種類范圍塑料通用塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂等工程塑料：聚酰胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等纖維人造纖維：粘膠纖維、蛋白質纖維等合成纖維：滌綸、錦綸、腈綸等橡膠通用橡膠：順丁橡膠、丁苯橡膠、丁基橡膠等特種橡膠：丁腈橡膠、硅橡膠等4.復合材料把兩種或兩種以上性質不同的材料通過設計結合在一起稱為一體，這樣的多相固體材料往往可以綜合各種組分材料如金屬、高分子材料、陶瓷等的優(yōu)點，可滿足各種不同環(huán)境的使用要求，這類多相多質固體新型材料稱為復合材料。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。使用環(huán)境、服役條件性能（滿足設計要求的多種性能——強度、導電性、硬度、色彩等）性質（力學、電學、光學、磁學、聲學、熱學等）結構（微觀結構、顯微結構、組織結構、相結構）組成（化學組成、礦物組成、相組成）制備與加工（各種制備工藝及后期加工工藝）組成—結構—性能關系材料的結構層次原子及電子結構原子的空間排列組織結構或相結構類

別典型性能力學性能硬度（磨損率，沖擊，耐劃痕性）；強度（彈性模量，拉伸強度，屈服強度）；蠕變（蠕變速率，應力斷裂性能）；延性（延伸率，斷面收縮率）；疲勞（疲勞極限，疲勞壽命）；其他性質（密度，氣孔率）熱學性能熱容量；導熱性；熱膨脹；轉變溫度；抗熱沖擊性光學性能光吸收；光反射；光折射；光透射；顏色；光衍射；激光作用；光電導性；光輻射電學性能導電性；介電性（絕緣）；鐵電性；壓電性磁學性能鐵氧體磁性；鐵磁性；順磁性；抗磁性；磁導率聲學性能聲吸收；聲反射；聲透射；吸聲系數(shù)；降噪系數(shù)化學性能化學穩(wěn)定性；腐蝕；氧化；催化性能；純度工程材料的性質（性能）四大材料的成形工藝方法材料常見成形方法金屬鑄造、焊接、鍛造、沖壓等高分子擠出、注射、模壓、熱成形等陶瓷壓制-燒結、澆注-燒結、擠出-燒結等復合材料手糊成形、壓制成形、擠出等材料性能的環(huán)境效應溫度、氣氛、輻射、重力等例：不銹鋼在還原氣氛、高溫下生銹；核反應堆中中子的高能輻射可以影響所有材料的內部結構，使材料的硬度降低、脆化等；在太空生長出的晶體，其結構和性能與地球上的也不一樣。問題：日常生活中使用的茶杯、餐具是什么材料制作的？材料具有何種性能才能滿足使用要求？電子儀表內不同元件之間需要用材料連接起來，以實現(xiàn)每個元件的功能，試考慮選擇何種材料恰當？選擇飛機機翼材料時應考慮哪些主要的性能？材料選擇使用性：材料在使用過程中，能夠安全可靠地工作所必需具備的性能，包括材料的力學性能、物理性能、化學性能。工藝性能：材料在不同的制造工藝條件下所表現(xiàn)出的承受加工的能力。經(jīng)濟性：要求制品的最終成本應最低，制品成本包括所選的材料所包含的原料成本、成形工藝所產(chǎn)生的加工成本以及制品的使用成本，同時還得考慮制品使用壽命對制品成本的折算。環(huán)境協(xié)調性2晶體結構本章內容提要2.1結晶學基礎2.2晶體中質點的結合力與結合能×2.3晶體中質點的堆積2.4無機化合物結構2.5硅酸鹽晶體結構2.6高分子材料結構×2.1結晶學基礎

晶體空間點陣晶體結構晶胞與原胞晶體學符號什么是晶體？石英晶體螢石晶體黃鐵礦晶體海藍寶石晶體紅寶石晶體玻璃是晶體嗎？非晶體：其內部質點（原子、離子或分子）在三維空間不具有周期性的固體。晶體：內部質點（原子、離子或分子）在三維空間成周期性重復排列的固體。晶體與非晶體的區(qū)別？晶體非晶體性質可以自發(fā)地生長成規(guī)則的幾何多面體形態(tài)其形態(tài)為不規(guī)則物理性質隨方向性變化，即各向異性各向同性具有固定的熔點無固定熔點，具有玻璃化轉變溫度區(qū)間可對X射線發(fā)生衍射，形成規(guī)律分布或對稱分布的衍射斑點不對X射線發(fā)生衍射，只保留一個透光斑點內能小而最穩(wěn)定內能較大而不穩(wěn)定晶體與非晶體間可以相互轉化！晶體非晶體玻璃化或非晶化退火玻璃化或晶化當晶體內部的結構基元為長程有序排列且處于平衡位置時，其內能為最小。對于同一物質的不同凝聚態(tài)來說，晶體是最穩(wěn)定的。故，晶體玻璃化作用的發(fā)生，必然與能量的輸入或物質成分的變化相關聯(lián)。但晶化過程卻完全可以自發(fā)發(fā)生，從而轉向更加穩(wěn)定的晶態(tài)。(a)瑪瑙（無晶化）(b)瑪瑙（有晶化）(c)鐘乳石（有晶化）晶體：內部質點（原子、離子或分子）在三維空間成周期性重復排列的固體。格子構造常用空間幾何圖形來抽象地表示晶體結構，即把晶體質點的中心用直線連接起來，構成的空間網(wǎng)絡，即晶體的空間點陣。*

具體闡述一下晶體的特征空間點陣：把晶體結構中原子或分子等結構基元抽象為周圍環(huán)境相同的陣點之后，描述晶體結構的周期性和對稱性的圖像?？臻g點陣中所稱陣點，代表著結構中相同的位置——結點。若晶體是由完全相同的一種原子所組成，結點可以是原子本身的位置，可以是原子周圍相應點的位置。若晶體是由數(shù)種原子組成，這數(shù)種原子構成基本的結構單元——基元，則結點可以代表基元的重心位置，或基元中任意的點子?？臻g點陣說明：結點的總體稱為布拉維點陣，或布拉維格子。特點：每點周圍的情況都一樣。若晶體是由完全相同的一種原子組成，則這種原子所組成的網(wǎng)絡就是布拉維格子，和結點組成的相同；若晶體的基元包含數(shù)種原子，則每個基元中，相應的同種原子各構成和結點相同的網(wǎng)絡，稱為子晶格，它們相對位移而形成所謂的復式格子，可見，復式格子是由若干相同結構的子晶格相互位移套構而成的。

直線點陣平面點陣空間點陣*

晶體的空間點陣類型A－NaCl中沿y軸Na+和Cl-排列的情況B－Na+的直線排列C－抽象為直線點陣1.一維點陣由一種原子組成的周期性點陣，所有相鄰原子間的距離都是a，a就是這個點陣的周期。周期性結構點陣周期性結構點陣周期性結構點陣結點——僅有幾何意義，并不真正代表任何質點。(a)－NaCl中xy平面Na+和Cl-排列的情況(b)－Na+或Cl-的平面排列(c)－抽象為平面點陣2.二維點陣3.三維點陣左－NaCl中Na+和Cl-排列的情況右－抽象為空間點陣空間點陣的基本規(guī)律分布在同一直線上的結點（陣點）構成一個行列（晶列）。在一個空間點陣中，可以有無窮多不同方向的行列，相互平行的行列，其結點間距必定相等；不相平行的行列，一般說其結點間距亦不相等?？臻g點陣的基本規(guī)律連接分布在同一平面內的結點則構成一個面網(wǎng)（晶面）。在一個空間點陣中，可以有無窮多不同方向的面網(wǎng)，但相互平行的面網(wǎng)，其面網(wǎng)密度和面網(wǎng)間距也必定相等?？臻g點陣的基本規(guī)律聯(lián)接分布在三維空間內的結點就構成了空間點陣。空間點陣本身將被三組相交行列劃分成一系列平行疊置的平行六面體，結點就分布在它們的角頂上。平行六面體的大小和形狀可由結點間距a、b、c及其相互之間的交角α、β、γ表示，它們被稱為點陣常數(shù)（晶格參數(shù)）。晶體結構基元點陣=+晶體結構這種周期性使得晶體內部結構可以人為地畫出一格一格的，每一格的內容完全相同。格子的對稱程度盡量高；格子的直角盡量多；格子的體積盡量小。畫法原則:12354晶胞和原胞：以一結點為頂點，以三個不同方向的周期為邊長的平行六面體可作為晶格的一個重復單元。體積最小的重復單元，稱為原胞。反映了晶格的周期性，其選取不具唯一性，但體積都相等。能同時反映空間點陣的周期性和對稱性；滿足原則a的前提下，有盡可能多的直角；在滿足原則①和②的前提下體積最小。為了反映晶體對稱的特征，結晶學上所取的重復單元，體積不一定最小，結點不僅在頂角上，還可以在面心或體心上，這種重復單元稱作晶胞。思考題1：方解石具有解理性，可以破裂成一個個的小方塊，把它破裂到最小最小的粒度它也是小方塊，這個小方塊是它的晶體結構的晶胞嗎？方解石思考題2：方解石破裂成的“小方塊”的形狀與它的晶胞形狀相同嗎？總之：晶體可以破裂成一個個的“小方塊”并不一定是它的晶胞形狀，晶胞是根據(jù)晶體固有的周期性特點人為地畫出來的，而晶體可以破裂成一個個的“小方塊”是它的力學性質（解理性），這個兩個完全不同的概念。三種常見的晶胞結構1、面心立方(Face-CenteredCubic(FCC))2、體心立方(Body-CenteredCubic(BCC))3、密排六方(HexagonalColse-Packed(HCP))120°體心立方面心立方

固體物理學中原胞的選取示例圖a1十四種布拉菲點陣一覽晶體學符號晶面符號(面號):它是根據(jù)晶面(或晶體中平行于晶面的其他平面)與各結晶軸的交截關系，用簡單的數(shù)字符號形式來表達它們在晶體上方位的一種晶體學符號;目前國際上通用的都是米氏符號(Miller‘ssymbol)，亦稱米勒符號.晶面符號的確定:晶體上任意一個晶面，若它在三個結晶軸X軸、Y軸、Z軸上的截距依次為OA、OB、OC,已知軸率為a∶b∶c，則該晶面在晶軸上的截距系數(shù)p,q,r分別為:

p=OX/a,q=OY/b,r=OZ/c

其倒數(shù)比1/p:1/q:1/r=h:k:l晶面指數(shù)(米氏指數(shù)):

取h:k:l的最簡單整數(shù)比,此時的h,k,l就稱為晶面指數(shù);米氏指數(shù)(Millerindices)是指：用來表達晶面在晶體上之方向的一組無公約數(shù)的整數(shù)，它們的具體數(shù)值等于該晶面在結晶軸上所截截距系數(shù)的倒數(shù)比。如果將米氏指數(shù)按順序連寫，并置于園括號內,表達為(hkl),便構成了晶面的米氏符號。按X、Y、Z軸順序，不得顛倒！晶軸有正負方向，指數(shù)的負號寫在上面晶面可與晶軸垂直,平行或斜交例（3D）

xyz=(111) ABC=(hkl)=?cbaOYXZABCABC=(1234)ba(110)(210)(100)(010)(210)(210)(210)(110)(110)(110)(010)(100)-a-b四軸定向時的晶面符號:定義同三軸定向用(hkil)的形式表達指數(shù)依次與X、Y、U和Z軸相對應存在h+k+i=0晶棱符號用簡單數(shù)字符號形式表達晶棱符號只涉及方向,不涉及具體位置表達為[uvw]確定晶棱符號的方法：將晶棱平移，使之通過晶體中心，然后在其上任取一點，求出此點在三個晶軸上的坐標（u、v、w），并以軸長來度量，即求得晶棱符號。例3：設晶體上有一晶棱OP，將其平移使通過晶軸的交點，并在其上任意取一點M，M點在三個晶軸上的坐標分別為MR=a、MK=2b和MF=3c，三個軸的軸長分別為a、b、c，則：u∶v∶w=MR/a∶MK/b∶MF/c=1∶2∶3。故該晶棱的符號為［123］。四軸定向時的晶棱符號以[uvt

w]的形式表達也有三指數(shù)形式:[uvw]四指數(shù)和三指數(shù)之間的比較點、線、面與點、線、面族的標記符號名稱特定點、線、面的標記符號點、線、面族的標記符號點的位置、線（方向或晶向）面（平面或晶面）·mnp·或mnp[uvw](hkl):mnp:<uvw>{hkl}例題：寫出各個晶面的面指數(shù)0例題：晶面指數(shù)為（123）的晶面ABC是離原點O最近的晶面，OA、OB和OC分別是與基矢a1、a2、a3重合，除O點外，OA、OB和OC上是否有格點？若ABC的晶面指數(shù)為（234），情況又如何？Oabc晶帶符號晶帶(zone)彼此間的交棱均相互平行的一組晶面之組合。晶帶軸(zoneaxis)用以表示晶帶方向的一根直線，它平行于該晶帶中的所有晶面，也就是平行于該晶帶中各個晶面的公共交棱方向。晶帶符號(zonesymbol)在晶體上用相應的晶帶軸(晶棱)符號來表示。晶帶定理設有一晶帶其晶帶軸為[uvw]晶向，該晶帶中任一晶面(hkl)，則由矢量代數(shù)可以證明晶帶軸[uvw]與(hkl)之間均具有下列關系：

hu+kv+lw=0

這就是晶帶定理。晶帶定理是一個非常有用的工具。

●

1、(h1k1l1)和(h2k2l2)晶帶的晶帶軸方向[uvw]：

●

2、屬于兩個晶帶[u1v1w1]和[u2v2w2]的晶面指數(shù)(hkl)：

u=k1l2-k2l1v=l1h2-l2h1

w=h1k2-h2k1

h=v1w2-v2w1k=w1u2-w2u1l=u1v2-u2v1例題：1、驗證晶面是否屬于同一晶帶，若是同一晶帶，其帶軸方向的晶向指數(shù)是什么？2、帶軸為[001]的晶帶各晶面，其晶面指數(shù)有何特點？晶面間距：相鄰兩個平行晶面之間的距離面間距特性：通常低指數(shù)的面間距較大，高指數(shù)的面間距小。晶面間距與點陣類型有關。體心立方：{110}最大；面心立方：{111}最大，都不是{100}晶面間距最大的面總是陣點(或原子)最密排的晶面。晶面間距越小，晶面上陣點排列越稀疏。晶面間距dhkl計算：正交晶系面間距計算式：立方晶系面間距計算式：六方晶系面間距計算式：注意：以上對簡單晶胞而言；復雜晶胞應考慮層面增加的影響。如，在體心立方或面心立方晶胞中間有一層，故實際晶面間距應為d001/2。球體最緊密堆積(Closest-Packed)原理——球體的堆積密度越大，系統(tǒng)的勢能越低，晶體越穩(wěn)定。2.2晶體中質點的堆積等徑球體的最緊密堆積方式球體在平面的堆積方式兩層球體的堆積方式三層球體的堆積方式空隙類型空隙數(shù)與球數(shù)的關系空間利用率的求解1.球體在平面的堆積方式2.兩層球體的最緊密堆積方式ACBABCABCABC3.三層球體的最緊密堆積方式（一）ABC三層球體的最緊密堆積方式（二）ABC4.空隙類型NaCl晶體問題：以NaCl為例，1個Na+或1個Cl-周圍有幾個四面體空隙，幾個八面體空隙？其中有多少空隙是被填滿的？ABC球數(shù)與空隙數(shù)的關系(以B空隙上面的球為例)（ABAB······）ABC球數(shù)與空隙數(shù)的關系（ABCABC······）總結：在密堆積結構中，每個球接觸到同種球的個數(shù)為12個；密堆積結果形成2種方式：六方緊密堆積和立方緊密堆積；密堆積結果形成2種空隙：一種是由6個球形成的八面體空隙，一種是由4個球形成的四面體空隙。每個球周圍有6個八面體空隙，對n個等大球體堆積系統(tǒng)，其八面體空隙總數(shù)為；每個球體周圍有8個四面體空隙，對n個等大球體堆積系統(tǒng)，其四面體空隙總數(shù)為。1.3不等徑球體的緊密堆積較大球體作等徑球體的緊密堆積，較小的球填充在大球緊密堆積形成的空隙中。例：NaCl晶體1.4空間利用率的求解例：計算等徑球面心立方緊密堆積的空間利用率?原子堆積系數(shù)atomicpackingfactor（APF）：晶胞中原子體積與晶胞體積的比值。例以球體緊密堆積模型，計算下列結構的空間利用率。(1)簡立方；(2)體心立方；(3)面心立方；(4)六方密積；ca例根據(jù)最緊密堆積原理，空間利用率越高，結構越穩(wěn)定，金剛石結構的空間利用率很低（只有34.01%），為什么它也很穩(wěn)定？例以NaCl晶胞為例，說明等徑球面心立方緊密堆積中的八面體和四面體空隙的位置和數(shù)量，并計算其空間利用率。內在因素對晶體結構的影響——化學組成與晶體結構的關系質點的相對大小配位數(shù)和配位多面體離子極化電負性外在因素對晶體結構的影響——同質多晶與類質多晶及晶型轉變同質多晶與類質多晶晶型轉變影響晶體結構的因素三角形配位四面體配位八面體配位立方體配位配位多面體離子晶體的結構：主要取決于離子間的數(shù)量關系、離子的相對大小及離子間的極化關系。這些因素的相互作用又取決于晶體的化學組成，其中何種因素起主要作用，視具體晶體而定。哥希密特結晶化學定律：晶體結構取決于其組成基元（原子、離子或離子團）的數(shù)量關系、大小關系及極化性能。同質多晶與類質同晶