1、武汉理工材料科学基础考研大纲综述材 料科学 基础大第二章 晶体结构 12.1 结晶学基础 12.2 结合力与结合能 12.3 堆积（记忆常识） 12.4单质晶体结构（了解） 22.5无机化合物结构（重点 每年必考） 22.6 硅酸盐晶体结构 3第三章 晶体结构缺陷 53.1 结构缺陷类型 53.2点缺陷 53.5固溶体 63.6 非化学计量化学物 7第四章 非晶态结构与性质 84.2 熔体的性质 84.3 玻璃的形成 8第五章 表面结构与性质 95.1 固体表面及其结构 95.3润湿与黏附 10第六章 相图（必考） 12第七章 扩散 137.1 菲克定律（重点） 137.5 多元系统的扩散 1
2、37.6 影响扩散的因素 14第八章 相变 148.1 相变概述 148.2 成核生长相变 15第九章 固态反应 179.1 概论 179.3反应动力学 179.5影响因素 19第十章 烧结 2010.1 概述 2010.2 烧结过程及机理 2010.4 再结晶和晶粒长大 2010.7 影响因素 21第十一章 腐蚀 21第十二章疲劳与断裂 22第二章晶体结构2.1结晶学基础1、 概念：晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。晶胞：晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的最小 重复单元。晶胞参数：胞的形状和大小可以用 6个参数来表示，此即晶格特
3、征参 数，简称晶胞参数。七大晶系：布拉菲（Bravais）依据晶胞参数之间关系的不同，把所有 晶体划归为7类，即7个晶系。晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指 数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的 互质整数比。晶面族：晶体结构中原子排列状况相同但不平行的两组以上的晶面， 构成一个晶面族。晶向指数：用uvw来表示。其中u、V、w三个数字是晶向矢量在参考 坐标系X、丫、Z轴上的矢量分量经等比例化简而得出。晶向族：晶体中原子排列周期相同的所有晶向为一个晶向族， 用uvw表示。2、 晶面指数和晶向指数的计算2.2结合力与结合能按照结合力性质不同分为物理键和
4、化学键 化学键包括离子键、共价键、金属键 物理键包括范德华键、氢键晶体中离子键共价键比例估算（公式 2.16）离子晶体晶格能：1摩尔离子晶体中的正负离子，由相互远离的气态结合成离子 晶体时所释放出的能量。离子键(%)=1-exp j犏犏(X A-X B)式中xA、xB分别为A、B元素的电负性值。2.3堆积（记忆常识）1、最紧密堆积原理：晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。球 体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。此即 球体最紧密堆积原理。适用范围：典型的离子晶体和金属晶体。 原因：该原理是建立在质点在电子云分布呈球形对称以及无方向性的基础上2、两种最紧密堆积方式：面心立方最
5、紧密堆积 ABCABC 密排六方最紧密堆积 ABABAB 系统中：每个球周围有 6 个八面体空隙 8 个四面体空隙N个等径球体做最紧密堆积时系统有 2N个四面体空隙N个八面体空隙 八面体空隙体积大于四面体空隙3、 空间利用率：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值（要学会计算）两种最紧密堆积方式的空间利用率为 74.05 % （等径球堆积时）4、 影响晶体结构的因素内因：质点相对大小（决定性因素）配位数。 配位数：一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目 为原子（或离子）的配位数，用 CN 来表示。极化。 离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场，必然要对另一个离子的 电子云产生吸引或排斥作
6、用，使之发生变形，这种现象称为 极化 。 影响： 极化会导致离子间距离缩短，离子配位数降低，同时使变形的电子 云相互重叠，使键性由离子键向共价键过渡，最终使晶体结构类型发生 变化。外因（了解）：同质多晶类质多晶同质多晶转变2.4 单质晶体结构（了解）2.5 无机化合物结构（重点 每年必考） 分析结构从以下几个方面入手： 晶胞分子数， 何种离子做何种堆积， 何种离子添 隙，添隙百分比，正负离子配位数，正负离子电价是否饱和，配位多面体，添隙 半径的计算（刚好相切时） ，隙结构与性质的关系。1、 NaCl型：4个NaCI分子Cl离子做面心立方密堆积， Na离子填充八面体空隙，填充率100%，正负离子
7、配位数均为 6，电价饱和。【NaCI6】或【CINa6】八面体 结构与性能：此结构在三维方向上键力均匀，因此无明显解理，破碎后呈颗 粒状，粒为多面体形状。离子键结合，因此有较高的熔点和硬度。2、 立方ZnS结构：4个ZnS分子S离子做面心立方密堆积， Zn离子填充四面体空隙填充率50%，离子配位数均为 4，电价饱和，【ZnS4】四面体 画投影图（图 2.26 ）注意：一定要画虚线，一定要标高，一定要有图 例（白球黑球代表什么离子） 0.阻离子 5 53、 萤石（CaF2结构：（唯一正离子做堆积的结构） 4个CaF2分子Ca离子做面心立方密堆积，F离子填充四面体空隙，填充率 100 %。正离子配
8、位数为8，负离子配位数为 4,电价饱和，【CaF8】或【FCa4】 结构与性能：与 NaCl相比，综合电价和半径因素，萤石质点间 键力比NaCl强，表现为萤石硬度熔点密度高于 NaCl而水中溶解度低于NaCl。由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被 Ca离子填充，所以在111面网方向上存在毗邻的同号离子层，其静 电斥力起主要作用，导致晶体在平行与 111面网方向上易发生解理，因此萤石常呈八面体解理。碱金属氧化物R2O为反萤石结 构，它们的正负离子位置刚好跟萤石结构中相反， 性质相似，在111面网方向上也易发生解理。4、 钙钛矿CaTi03结构（每年必考）：Ca离子占据八个顶点，0占据六个面的面
9、心，Ti离子位于体心。Ca和0共同做面心立方密堆积。Ti离子占据八面体空隙的 1/4。晶胞分子数1，配 位数：Ca 12, Ti 6, 0 6, 0电价饱和。理想情况 下半径关系rA + r0 . 2（rB +r0）（会推导）结构与性能的关系：电价饱和，晶体结构稳定。5、 自发极化与铁电效应：（每年必考自发极化：对于理想晶体而言，如果不存在外电场时，单位晶胞中的正负电荷不重合，具有一定的偶极矩，这种现象称为自发极化。产生自发极化的条件：离子位移后使离子固定在新位置上的力应该大于位移 后的恢复力。BaTi03具有铁电效应而CaTi03不具有铁电效应的原因：要有铁电效应必须能够产生自发极化。 Ba
10、离子半径比较大，使得晶胞参数也比较大，从而使得结构中【TiO6】八面体空隙比较大， Ti与0之间有比较大 的空隙，可以克服恢复力，可以发生自发极化。而 CaTiO3中由于Ca离子半径小，使得晶胞参数也比较小，从而使结构中【 TiO6】八面体空隙比较小，甚至小于Ti离子尺寸，位移后恢复力很大，不能在新位置上固定下来，从而 不能产生自发极化，没有铁电效应。2.6硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体基本结构单元是【SiO4】四面体。硅酸盐晶体各种结构的共同特点（4条58页）（1） 构成硅酸盐晶体的基本结构单元SiO4四面体。Si-0-Si键是一条夹角 不等的折线，一般在145。左右。（2） Si04四面体的每个
11、顶点，即 02-离子最多只能为两个Si04四面体所 共用。（3） 两个相邻的Si04四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。（4） Si04四面体中心的Si4+离子可部分地被AI3+所取代。硅酸盐晶体分类：根据硅氧比分类（58页表2.13）结构类型SiO44-共用02-数形状络阴离子Si/0实例岛状0四面体SiO44-1： 4镁橄榄石Mg2SiO4镁铝石榴石AjMgsISdb组群状1双四面体Si2O76-2： 7硅钙石 CsbSi2O72三节环Si30o6-1： 3蓝锥矿 BaTiSi 3O9四节环Si4O1281： 3斧石Ca2Al 2(Fe,Mn)B0 3【Si4O12】(OH)六节环Si
12、6O1812-1： 3绿宝石 Be3Al 2Si6O18链状2单链4-Si2O61： 3透辉石 CaMgSi2O62，3双链Si40n64： 11透闪石 CstMg5Si4O112(OH)2层状3平面层Si4O1044： 10滑石 Mg3Si401o(0H) 2架状4骨架SiO201： 2石英Si02AlSi3O81-钾长石 KAlSi 3O8仁AlSiO 41方钠石 NaAlSiO 4 4/3H 20岛状结构：镁橄榄石（结构，结构与 性质的关系）镁橄榄石结构中，02-离子近似于六方最紧密堆积排列，Si4+离子填 于四面体空隙的1/8 ； Mg2离子填于八面体空隙的1/2。每个Si04 四面体
13、被Mg06八面体所隔开，呈孤岛状分布。结构与性质的关系：结构中每个02-离子同时和1个Si04和3个Mg06相 连接，因此，02-的电价是饱和的，晶体结构稳定。由于 Mg-0键和Si-0键都比较强，所以，镁橄榄石表现出较高的硬度，熔点达到 1890 C，是镁质耐火材料的主要矿物。同时，由于结构中各个方向上键力分布比较均匀，所以，橄榄 石结构没有明显的解理，破碎后呈现粒状。组群状：桥氧：有限四面体群中连接两个Si4+离子的氧称为桥氧绿宝石结构:绿宝石的基本结构单元是由 6个Si04四面体组成的六节环，六 节环中的1个Si4+和2个02-处在同一高度，环与环相叠起来。图中粗黑线的六 节环在上面，标
14、高为 100，细黑线的六节环在下面，标高为 50。上下两层环错开30o投影方向并不重叠。环与环之间通过 Be2+和Al3+离子连接。链状：单链，双链层状：单网层，复网层，水镁（铝）石层滑石：沿C轴方向的复网层，两个硅氧层夹一层水镁石层，三八面体。结 构与性质的关系：层内电价饱和，层间通过分子间力结合，有解理。蒙脱石：复网层，结构与性质的关系： C轴长度随含水量而变化。第三章晶体结构缺陷3.1结构缺陷类型缺陷（概念）：晶体点阵结构中周期性势场的畸变按照几何形态分类：点，线，面，体点缺陷包括：空位，间隙，杂质，色心线缺陷有：位错面缺陷有：晶界，表面按照缺陷产生原因分类：热缺陷（本征缺陷），杂质缺陷
15、和非化学计量缺陷（非 本征缺陷）热缺陷分为弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷（理解图 3.2）（弗伦克尔缺陷的特征是空位和间隙质点成对出现，肖特基缺陷特征是正负离子空位成对出现。 ）Frenkel 缺陷Schottky 缺陷3.2点缺陷（重点为缺陷反应方程式的书写以及缺陷浓度的计算）符号，书写原则，98页下面的两个基本规律点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号,空位（vacancy ）用V来表示，间隙原子 （interstitial ）亦称为填隙原子，用Mi、Xi来表示，错位原子错位原子用 MX XM等表示,自由电子（electron ）与电子空穴 （hole ）分别用e，和h 来表示基本规律：低
16、价正离子占据高价正离子位置时， 该位置带有负电荷，为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。高价正离子占据低价正离子位置时， 该位置带有正电荷，为了保持电 中性，会产生正离子空位或间隙负离子。缺陷反应方程式的一般式： 杂质揪揪揪？产生的各种缺陷当晶体中剩余空隙比较小，女口 NaCI型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石 CaF2型结构等，容易产生弗仑克尔缺陷 热缺陷浓度的计算：热力学方法，化学平衡方法3.5固溶体固溶体：将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体。分类：根据位置分为置置换型固溶体，间隙型固溶体固
17、溶度分为有限固溶体（不连续固溶体），无限固溶体（连续固溶体） 形成置换固溶体的条件（4条）1、 原子或离子尺寸的影响Hume Rothery经验规则2、 晶体结构类型的影响3、 离子类型和键性4、 电价因素形成间隙型固溶体的条件1杂质质点大小。即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。2晶体（基质）结构。 离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在 一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。 一般晶体中 空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。3 电价因素。外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的 不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来 保持电价平衡。为什么间隙
18、固溶体不能是连续固溶体（149页最下面）？形成间隙式固溶体时，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使固溶 体变成不稳定而离解，所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。会写方程式理论密度计算，化学式的确定1、理论密度计算n据此，计算出晶胞质量 W: W = ? Wii=12.固溶体化学式的写法以CaQ加入到ZrQ中为例，以1 mol为基准，掺入畑oK阳6 形成置换式固溶体：CaO玄Cd； + 0。+巧 空位模型X X X则化学式为：C祗ZjQx形成间隙式固溶体；2CaO 勿ca* + 20。+C cNa20 SiO2 c K2O SiO2 c Cs2O SiO24.3 玻璃的形成热力学条件：玻
19、璃太与晶态的厶G相差越小越容易形成玻璃 动力学条件：成核一生长速度相差越大，越容易形成玻璃结晶化学条件：复合阴离子团越大越容易形成玻璃， 排列越不规则越复杂越容易形成玻璃璃网络形成体（其中正离子为网络形成离子），其单键强度335kJ / mol。这类氧化物能单独形成玻璃。网络改变体（正离子称为 网络改变离子），其单键强度250kJ/mol。这类氧化物不能形成 玻璃。但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。网络中间体（正 离子称为网络中间离子），其单键强度介于250335kJ/mol。这 类氧化物的作用介于玻璃形成体和网络改变体两者之间。 单键强度越高，熔点越低的氧化物越易于形成玻璃。具有离子键或
20、金属键向共价键过度的混合键型则容易形成玻璃第五章表面结构与性质5.1固体表面及其结构产生表面现象的根本原因：材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高 能量状态。弛豫：由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于 正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。图4.1.3 弛豫表面示意图举例（NaCI单晶）重构：重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内， 但垂直方向的层间距则与体内相同。图4.1.5重构表面示意图举例（硅111面劈裂后的表面）固体的表面张力与表面自由能：概念，与液体表面张力和表面自由能的区别（5.1.1.4） 与液体相比：1） 固体的表面自由能中包含了弹性
21、能。 表面张力在数值上不等于表面自 由能；2） 固体的表面张力是各向异性的。3） 实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要 是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。4） 固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。表面力场：体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作 用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。依性质不同，表面力可分为： 1）化学力2）分子引力固体表面结构：晶体表面结构（双电层得形成过程 212页第三段及图5.6）5.3润湿与黏附1、润湿：是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程分类：沾湿，浸湿，铺展三种行为自发进行的热力学条件：公式 5.3
22、6 5.37 5.38 5.39 5.40沾湿：DG =gsL- gsV- gLV=gsv-gLV -gSL = - DG浸湿：DG :=gsL-g SVW =-DG=gsv-g SL铺展：DG :=gsL+g lv -g SV2、接触角与YOUN方程YOUN方程的推导，g SV - g SLgsv =gsL +gLV cosq 或 cosq = -gLV三种行为的接触角判据：沾湿： =-DG = gLV（1+cosq） 常0,q 180,叫？0浸湿： = - DG =gLV cosq 常0,q 90，W?0铺展：S = - DG = g lv （cosq -1）其中，0 =0或不存在，S 0
23、。3、 表面粗糙度的影响：n二空钊cosq（1） 0 v90时，0 nv 0 ,即在润湿的前提下，表面粗糙化后 0 n变小，更易 为液体所润湿。（2） 0 90时，0 n 0 ,即在不润湿的前提下，表面粗糙化后 0 n变大，更 不易为液体所润湿。大多数有机液体在抛光的金属表面上的接触角小于 90，因而在粗糙金属 表面上的表观接触角更小。纯水在光滑石蜡表面上接触角在 105 110之间， 但在粗糙的石蜡表面上，实验发现 0 n可高达140。4、 黏附及其化学条件黏附（概念）：固体表面的剩余力场不仅可与气体分子及溶液中的质点相互作用 发生吸附，还可与其紧密接触的固体或液体的质点相互吸引而发 生粘附
24、良好的黏附的表面化学条件：1） 被粘附体的临界表面张力丫 C要大或使润湿张力F增加，以保证良好润湿。2） 粘附功要大，以保证牢固粘附。3） 粘附面的界面张力丫 SL要小，以保证粘附界面的热力学稳定。4） 粘附剂与被粘附体间相溶性要好，以保证粘附界面的良好键合和保持强度。为此润湿热要低。另外，粘附性能还与以下因素有关：1）粘附与固体表面的清洁度有关 。 如若固体表面吸附有气体（或蒸气）而形 成吸附膜，那么会明显减弱甚至完全破坏粘附性能。因此，用焊锡焊东西时， 要清洁表面，除去吸附膜，结合强度提高。2）粘附与固体的分散度有关 。一般说，固体细小时，粘附效应比较明显，提 高固体的分散度，可以扩大接触
25、面积，从而可增加粘附强度。通常粉体具有很 大的粘附能力，这也是硅酸盐工业生产中一般使用粉体原料的一个原因。3）粘附强度与外力作用下固体的变形程度有关 。如果固体较软或在一定的外 力下易于变形，就会引起接触面积的增加，从而提高粘附强度。第六章 相图（必考）三元系统相图（每年必考一个大题）规则： 298页等含量规则，等比例规则，背向线规则301 页重心规则306页小二的杠杆规则306 页倒数二段一致熔融化合物的判断307页第三段温度下降方向的判断，最下面结晶结束点的判断308页第一段划分副三角形规则，倒数第二段不一致熔融化合物的判断309页界限性质的判断及方程，最下面无变量点性质的判断310页第一
26、段和第二段仔细看311页熔体 2 和熔体 3的结晶过程仔细看，涉及到折线和穿相区两种情况312 页规律三条314 315 页过渡点以及化合物稳定性的判断316 页多晶转变点多做题，熟能生巧第七章扩散7.1菲克定律（重点）第一定律的推导（会画模型）f原始状态经扩谥后匕j*- _ _5距离工 微观表达式:J1 = -G （C1 - C2）d =-（C2- C1）d =-Gd2dC =- DdC其中 D =-Gd26 6 6 dx dx 6稳态扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的 粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化， 即虫=0dt非稳态扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。 扩散通量与位置有 关。第一第二定律的内在联系（最后一句话）：菲克第一第二定律本质上是一个定律, 均表明扩散的结总是使不均匀体系均匀化，由非平衡逐渐达到平衡。7.5多元系统的扩散克肯达耳效应7.5.2 （重点）由于多元系统中各组元扩散速率不同而引起的扩散偶原始界面向扩散速率快的 一侧移动的现象称为克肯达尔效应（Kirkendall effect ）。这种现象在合金系统及 一些氧化物系统普遍存在。在扩散过程中，标志物总是向着
