材料化学导论复习提纲第一章绪论一、材料的分类(按成分分类、按功能分类)1、按组成、结构特点分金属材料:由金属及合金构成的材料。
黑色金属:如钢Fe、Mn、Cr及其合金;有色金属:黑色金属以外的各种金属及其合金。
无机非金属材料:由非金属单质或金属与非金属组成的化合物所构成的材料。
传统无机非金属材料:水泥、玻璃、陶瓷等新型无机非金属材料:高温结构陶瓷、光导纤维等。
如水晶(SiO2)、金刚石(C)、刚玉(Al2O3)、新型陶瓷材料或精细陶瓷。
高分子材料:以脂肪族或芳香族的C-C 共价键为基础结构的大分子组成。
天然高分子材料:木材,天然橡胶,棉花,动物皮毛等。
合成高分子材料:塑料,合成橡胶,合成纤维和粘合剂等。
复合材料:金属、无机非金属和有机高分子材料有机结合,可以在性能上起到协同作用,从而获得全新性能的一类材料。
如碳纤维等。
2、按使用性能分结构材料:主要利用材料的力学性能的材料。
功能材料:主要利用材料的物理和化学性能的材料。
二、原料与材料的区别、(化学过程与材料过程?)。
材料:人类能用来制作有用物件的物质。
是为获得产品,无化学变化。
原料:人们在自然界经过开采而获得的劳动对象。
是生产材料,往往伴随化学变化。
注意:材料和原料合成为原材料。
三、.材料的发展过程(了解)。
第一代:天然材料在原始社会,生产技术水平低下,人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物,主要的工具是棍棒,用石料加工的磨制石器。
第二代:烧炼材料烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。
天然的矿、土烧结的砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥,都属于烧结材料;从天然矿石中提炼的铜、铁等,属于冶炼材料。
第三代材料:合成材料如合成塑料、合成橡胶、合成纤维。
第四代:可设计的材料近代出现的根据实际需要去设计特殊性能的材料。
第五代:智能材料随时间、环境的变化改变自己的性能或形状的材料。
如形状记忆合金。
第二章一、晶体的对称性:点对称操作的独立操作元素、点对称操作与平移对称操作的组合(空间群)。
晶体的对称性:指对晶体施加某种几何操作后,晶体可以完全复原的性质。
这种几何操作为对称操作。
点对称操作:在晶体对称操作过程中,若至少有一个点保持不变,则这种对称操作称为点对称操作。
晶体的这种对称性称为点对称性或宏观对称性。
能使点阵结构复原的对称元素:平移群、对称中心(又称倒反)、镜面、旋转轴、旋转反轴。
空间点阵结构中只能容纳有限的几种旋转轴,即二重轴、三重轴、四重轴和六重轴,所以其最基本的对称元素只有七种。
1、旋转对称性:指以一个假想直线为轴,绕此直线旋转一定的角度可使图形相同部分重合。
(该直线称为对称轴,以L 表示,分为n 重旋转轴,其中n =360/α, α为旋转角度。
受点阵结构的限制,晶体中只存在1,2,3,4,6几种旋转轴,用L1, L2 ,L3,L4,L6 表示。
)n= 1: 平庸对称性,单位对称操作,所有晶体均具有的对称性。
n= 2: n= 3: n= 4: n= 6:旋转轴—— 1.2.3.4.6重轴。
镜面m 、倒反操作i 。
2、 共有化电子只有一个价电子:电子在离子实电场中运动时,单个原子的势能曲线表示为:两个原子很近时:每个价电子将同时受到两个离子实电场的作用,这时的势能曲线表示为:3、导体、绝缘体和半导体的能带结构、用能带理论解释其性质及温度对其导电性的影响。
(1)导体的能带结构(三种形式)。
形式1:价带中只填充了部分电子,在外加电场作用下,这些电子很容易在该能带中从低能级跃迁到较高能级,从而形成电流。
是电子导电型,如Li 。
形式2:价带被电子填满,成为满带,且与空带发生交叠,形成更宽的能带,从而使可添充的电子数目大于2N ,使能带不完全被电子充满,以致出现电子和空穴同时参与导电。
包括:空穴导电型导体、电子导电型导体。
如二价Bi 、As 、Mg 、Zn 。
形式3:金属的价带本来就没有被电子填满,同时价带又同邻近的空带重叠,形成一个更宽的导带,实际参与导电的是那些未被填满的价带中的电子。
是电子导电型导体,如Na 、K 、Cu 、Al 、Ag 。
价带 空带 导带 空带(2)绝缘体能带结构。
绝缘体具有充满电子的满带和很宽的禁带,禁带宽△Eg 约 3~6 eV ;一般温度下,满带中的电子在外电场作用下很难激发,越过禁带到空带参与导电。
如大多数离子晶体。
例: NaCl 晶体,它的能带是由 Na+ 和 Cl-离子的能级构成的,Na+的最外壳层 2p 和Cl- 的最外壳层3p ,都已被电子填满,且这最高满带与空带之间存在着很宽的禁带,所以NaCl 是绝缘体。
绝缘体:电子刚好填满最低的一系列能带(最上边的满带叫价带),再高的各能带全部都是空的(即为空带),由于没有未满带,禁带宽度 (3)半导体能带结构。
在温度 T=0K 时,能带结构与绝缘体相似,只是禁带宽度△Eg很窄,约0.1~1.5 eV ;在温度 T >0K 时,电子热激发,能从满带跃迁到空带,使空带成为导带,同时在满带中产生空穴;外加电场后,电子和空穴从低能级跃迁到高能级,而形成电流,因此半导体 具有导电性。
半导体:硅、硒、锗、硼等元素,硒、碲、硫的化合物,各种金属氧化物等物质都是半导体。
(a )导体(b )绝缘体(c )半导体(d )半金属4、晶体缺陷的分类(按H.Pick 法分类和几何分类法)。
(1)几何形态:点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷等。
点缺陷:发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷,亦称零维缺陷,例如空位、间隙原子等。
线缺陷:缺陷只在一个方向上延伸,或称一维缺陷,主要是各种形式的“位错”,例如晶格中缺少一列原子。
面缺陷:晶体内一个晶面不按规定的方式来堆积,部分偏离周期性点阵结构的二维缺陷。
体缺陷:指在三维方向上相对尺寸较大的缺陷,例如完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等,使得晶体内部的空间点阵结构整体中出现了异性形式的缺陷(2)形成原因:热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、电荷缺陷、辐照缺陷。
热 缺陷:亦称本征缺陷,指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点。
类型:弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷 杂 质 缺陷:亦称为组成缺陷,是由外加杂质的引入所产生的缺陷。
非整比缺陷:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。
它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。
电 荷缺陷:质点排列的周期性未受到破坏,但因电子或空穴的产生,使周期性势场发生畸变而产生的缺陷。
辐 照缺陷:材料在辐照下所产生的结构不完整性。
5、固溶体的分类方法。
带隙空带 非导体 空带(导带) 半导体 满带(价带) 不同固体的能带填充情况(a) 导体;(b) 绝缘体;(c) 半导体;(d) 半金属(1)按溶质原子(或离子)在固溶体中的位置划分:置换型固溶体:溶质的质点进入主晶体中正常结点位置。
间隙型固溶体:溶质的质点进入溶剂晶格的间隙位置。
如:碳在铁中形成间隙型固溶体。
(2)按溶质在主晶体中的溶解度(固溶度)划分:连续固溶体:溶质和主晶体可以按任意比例无限制地相互溶解。
有限固溶体:溶质原子在主晶体中的溶解度是有限的。
6.固溶体的相图(连续固溶体的相图种类,各区域、各线的意义,组分的确定方法;有限固溶体的二元系统相图,主要是低共熔点共晶相图各区域、各线的意义,组分的确定方法)。
(1)连续固溶体的二元系统相图连续固溶体:两种组分,在液态下可无限互溶,在固态下形成的固溶体的溶解度可无限大。
连续固溶体形成的相图称为匀晶相图,有三种类型:①没有最低及最高熔点型。
▽加入一种组分使熔点上升,而加入另一种组分使熔点降低。
▽相图由两条曲线将其分为三个区。
▽左右两端点分别为组元的熔点。
▽上面的一条曲线称为液相线,液相线之上为液相的单相区,常用L表示;▽下面的一条曲线称为固相线,固相线之下为固溶体的单相区,常用α表示;▽两条曲线之间是双相区,标记L+α表示。
L1、a1点分别为平衡的液体和固体的成分。
②具有最低熔点型。
▽加入一组分后都使熔点下降,出现一个最低点。
③具有最高熔点型。
▽加入一组分后都使熔点上升,出现一个最高点(a)具有最低熔点(b)具有最高熔点(2)有限固溶体的二元系统相图。
有限固溶体:组分A、B间在液态下无限互溶,固态下可以形成固溶体但溶解度有限,不能以任意比例互溶。
有两种类型:①低共熔点型-共晶相图。
▽A,B分别表示两个组元,T A和T B为两个组元的熔点。
▽左、右端区域分别为B溶于A中的固溶体(以α表示)以及A溶于B中的固溶体(以β表示)。
▽T A E、T B E分别α、β为固溶体的凝固曲线,两条液相线相交于E点。
▽E点所对应的温度称为共晶温度。
在该温度下,液相凝固同时结晶出两个固相,这种两相的混合物称为共晶组织或共晶体。
▽T A C和T B D为两固相线;CF和DG为固溶体α、β的溶解度随温度变化线;▽CED水平线是:组成为Q点的α相,组成为I的β相and熔融液的三相平衡共存线。
称为共晶线。
▽相图分成三个单相区L、α、β;三个双相区L+α、L+β、α+β。
▽成分位于共晶点E以左,C点以右的合金称为亚共晶合金。
▽成分位于共晶点E点以右、D点以左的合金称为过共晶合金。
②转熔点类型-包晶相图。
▽T A C和T B C为两液相线,T A D和T B P为两固相线;▽DF和PG为固溶体α、β的溶解度随温度变化线;▽相图有3个单相区:液相L、固相α和β。
▽单相区之间是L+α、L+β和α+β的3个双相区。
▽DPC称为包晶线,L、α、β三相共存区。
包晶线系:组成为D的固溶体α,组成为P的固溶体β和组成为C的熔液的三相平衡共存线,其平衡关系式可示为:当成分处于DP范围的合金冷却时,首先析出的是α固溶体。
当温度降至tP时,成分为C的剩余液体与固溶体α相相互作用形成β固溶体。
β相的生长在液体和α相的交界面处,形成的β相包围在α相外围,将α相与液体分隔开,所以把这种转变称为包晶转变。
这类由一种固溶体转变为另一种固溶体的温度(tp)就称为两固溶体的“转变温度”“转熔点”。
第三章材料结构的表征一、材料结构分析的意义、材料研究的组成部分。
材料研究的三个组成部分:材料的设计、制备和表征。
材料结构分析的意义:材料设计的重要依据,来源于材料的结构分析。
材料制备的实际效果,必须通过材料结构分析的检验。
因此可以说,材料科学的进展极大地依赖于对材料结构分析的表征水平。
材料结构表征的主要手段:热分析技术、显微技术、X射线衍射技术、波谱技术。
材料结构表征的任务:主要有三个:成分分析、结构测定、形貌观察。
二、热分析方法、热重法的含义、分类、热重曲线的分析。
热分析含义:在程序控制温度条件下,测量材料物理性质与温度之间关系的一种技术。
从宏观性能的测试来判断材料结构的方法。
热分析分类:热重法(TG)、差热分析法(DTA)和差示扫描量热法(DSC)。
热重法含义:在程序控制温度条件下,测量物质的质量与温度关系的一种热分析方法。