材料化学考试重点整理

第一章1、材料的基本概念材料是人类赖以生存的基础，材料的发展和进步伴随着人类文明发展和进步的全过程。材料是国民经济建设，国防建设和人民生活不可缺少的重要组成部分，是社会现代化的物质基础与先导。材料，尤其是新材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平。材料特别是新材料与社会现代化及现代文明的关系十分密切，新材料对提高人民生活，增加国家安全，提高工业生产率与经济增长提供了物质基础，因此新材料的发展十分重要。材料是一切科学技术的物质基础，而各种材料的起点主要来源于材料的化学制备和化学改性。2、什么是材料科学工程具有物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、计算数学等多学科交叉与结合的特点，并且具有鲜明的工程性。3、什么是材料化学材料化学在研究开发新材料中的作用，就是用化学理论和方法来研究功能分子以及由功能分子构筑的材料的结构与功能关系，使人们能够设计新型材料，提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计结构的材料。采用新技术和新工艺方法，合成新物质和新材料，通过化学反应实现各组分在原子或分子水平上的相互转换过程。涉及材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。材料化学既是材料科学的一个重要分支，也是材料科学的核心内容。同时又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。是材料学专业学生的一门重要的专业基础知识课程。4、材料的分类（1）按照材料的使用性能：可分为结构材料与功能材料两类结构材料的使用性能主要是力学性能；功能材料的使用性能主要是光、电、磁、热、声等功能性能。（2）以材料所含的化学物质的不同将材料分为四类：金属材料、非金属材料、高分子材料及由此三类材料相互组合而成的复合材料。第二章1、原子结合---键合两种主要类型的原子键：一次键和二次键。（1）一次键的三个主要类型：离子键、共价键和金属键。（一次键都涉及电子的转移，或者是电子的共用。）一次键通常比二次键强一个数量级以上。①金属键：自由电子和正离子组成的晶体格子之间的相互作用就是金属键。没有方向性和饱和性的。②离子键：包含正电性和负电性两种元素的化合物最通常的键类型为离子键。阴阳离子的电子云通常都是球形对称的，故离子键没有方向性和饱和性。③共价键：由两个原子共有最外层电子的键合，使每个原子都达到稳定的饱和电子层。共价键具有方向性和饱和性。（2）二次键：范德华键（二次键既不涉及电子的转移，也不涉及电子的共用。）以弱静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的，比前3种键合力要弱得多。包含色散效应、分子极化、氢键。①色散效应：对称的分子和惰性气体原子，由于电子运动的结果，有时分子或原子的内部会发生电子的偏离而引起瞬时的极化，形成诱导瞬间电偶极子，就会产生很弱的吸引力，这样的吸引力在其它力不存在时能使分子间产生结合。②分子极化：原子、离子及分子的电荷并不是固定在一定部位上，它们在相互靠近时，电荷会发生偏移，形成永久弱电偶极子。③氢键：由于分于极化形成的键。（3）配价键：一种特殊的共价键，两个原子的共用电子对是由其中的一个原子单独供给的。混合键：化合物中元素间电负性差大时有利于离子键，而电负性差值小时有利于共价键，混合键合可是单个键的中间特性，也可是具有一次和二次两种键型材料中的“混合”键。确定原子成键类型的重要因素：电负性原子间电负性的差值泡利不相容原理：在每一轨道上只允许存在两个电子，且它们的自旋方向相反。2、什么叫配位数表征原子在固体中的排列,是每个原子周围的最邻近的原子数目。配位数是原子堆积在一起的紧密度和有效性的指标。3、晶体微粒(原子、分子、离子等)在空间按一定的规律呈周期性重复排列组成的固体。稳定晶体特征：①电荷达到平衡；②按照原子尺寸每个原子内键的数目和键的方向最紧密地堆积；③静电排斥力为最小。4、原子排列等级（1）短程有序：在一个中心原子周围最近邻原子的局部排列。（材料中原子的特殊排列只延伸至原子的最邻近的区域。）（2）长程有序：材料在比键长大得多的距离呈现有序。（特殊原子排列遍及整个材料内部）（3）无序：原子随机充满在封闭的空间中。（氩气等气体中原子是无序的。）5、原子间距原子的平衡距离，它是斥力和引力之间平衡的结果。（固体金属中为原子半径；离子化合物中是两种不同离子半径的和）6、晶胞：能保持整个点阵全部特征的点阵单元。显示了系统所有特征的最小体积。7、点阵：原子形成有规则的、重复性的3维格子状模型。点阵内每一个阵点的周围是相同的，每个阵点都与一个或多个原子联系在一起。8、点阵或晶胞的特征参数（1）点阵参数：描述晶胞尺寸和形状的参数，它包括晶胞的各边的长度和各边之间的夹角。（2）晶胞的原子数（3）配位数：简单立方为6，体心立方为8，面心立方为12。（3）堆积因子：假设原子是刚性球，堆积因子就是原子占据空间的分数。晶胞体积每个原子的体积晶胞原子数堆积因子/APF334rAPF体密度（4）密度：阿佛加德罗常数晶胞体积每个原子的原子量晶胞原子数密度/①线密度是沿一个方向单位长度上相同阵点的数目。②面密度是在所关心的面的单位面积上的原子数。③体密度是单位体积中的原子数。其中简单立方a=2r，体心立方a=4r/√3，面心立方a=4r/√2，密排立方a=2r。9、密排六方：晶胞内的总原子数=[（12×1/6）+（2×1/2）+（3×1）]=6个。10、铸件的整体通常是由具有相同结构但取向不同的晶体组成，难形成一个晶体。大多数金属形成多晶体组织。陶瓷材料同样是多晶固体。材料是否为晶态或非晶态(无定形态)，这取决于它经历的热过程。少数材料是单晶。单晶材料没有晶界，性能独特。11、多晶转变：材料的一种晶体结构变成另一种晶体结构。多晶转变类型①位移型转变：键角发生变化的结构畸变，但不包含键的破坏，是一种可逆转变，转变速率较快。②重建型转变：键被破坏，重新形成新的结构。这种转变比第一种转变所需的能量要更大，其转变速率也较慢。12、（1）金刚石型立方结构（DC晶胞）如硅、锗、锡和碳。每个原子的配位数是4；其点阵是特殊的面心立方结构。每个晶胞内应当是8个原子。（2）离子半径比和配位数的关系：离子半径比配位数0-0.15520.155-0.25530.255-0.41440.414-0.73260.732-1.081.01213、密勒指数（1）确定方向密勒指数的步骤如下：(a)使用右旋坐标系，定出该方向上两个点的坐标——h1、k1、l1和h2、k2、l2。(b)从“末”点坐标减去“始”点坐标。(c)去掉分数。(d)用方括弧[hkl]将数字括起来。若有负号则在数字上面加一横线。（2）晶面密勒指数标志的步骤如下：(a)按照点阵参数的数目定出晶面与x，y，z坐标轴相交各点。如果面平行一个轴，截距为无限大。若晶面通过原点，则必须移动坐标系的原点。(b)取这些相交点的倒数。(c)消除分数，但不化为最小整数。(d)将最终数放入圆括号(hkl)内，负数的表示方法还是在数字上面加一横线。14、面间距布拉格定律：2dsinθ=nλ其中d为面间距。面间距d：即具有相同密勒指数的两个相邻平行晶面之间的距离（dhkl），晶体的面间距可由已知晶体几何定出。（hkl）面间距为：2/12220)(lkhadhkl式中a0是点阵参数，h，k，l代表相邻晶面的密勒指数。15、同素异构体或多晶型材料：凡具有不止一种晶体结构的材料。很多材料在特定温度下其晶体结构会发生从一种晶胞到另一种晶胞的转变。元素出现这种行为称同素异构，而化合物出现这种行为称多形性。16、材料性能与被测性能的晶体方向有关，则此材料属各向异性；材料性能在各个方向上是相同的，则晶体是各向同性的。17、非晶态或无定形结构：只有短程有序无长程有序周期性的结构。由液态到固态没有突变现象。抑止物质的晶化固态反应过程，则能发生非晶态固化反应，获得非晶态材料。非晶态材料：（1）玻璃：熔融物质在快速冷却时原子还没有来得及自行排列成周期性结构而形成的。玻璃共性：①原子短程有序、长程无序；②结构是各向同性的，所以性能在各个方向是均匀的；③一般能透过可见光，但可调节配方使玻璃能吸收或透过各种波长的光；④一般具有良好的电绝缘性和隔热性；⑤在熔融之前可软化，所以可制成各种复杂的形状；⑥玻璃的组成在一定范围内连续可调，可根据需要制成不同性能的系列材料。（2）凝胶：通过化学反应而不是熔融的方法生成的非晶态固体。（3）气相沉积涂层：由蒸气在冷的基板上快速冷凝而形成。18、扩散：原子或分子移动的机制称为扩散，涉及一种原子移动到另一种原子中去的物质输运过程。扩散存在于固体、液体和气体中，但气体中更主要是对流。扩散机制：（1）自扩散异类扩散（钢的渗碳：在CO/CO2气氛中加热至高温，碳原子沉积在铁表面，并迁入渗碳体内，碳与铁结合形成铁碳化合物，近表面形成富碳层，具有很优异的抗磨性。）（2）①空位扩散②间隙扩散③置换、互换和环状扩散（一般情况下，对扩散起决定作用的机制是空位和间隙扩散。）19、扩散速率（菲克第一定律）通量：在单位时间内通过单位面积的原子数目。xcDJ式中J为通量（原子数/m2.s）；D为扩散能力，即扩散系数（m2/s），而Δc/Δx则为浓度梯度（原子数/m3·m）。式中负号说明物质流是“逆”浓度梯度的，即由高浓度区域流向低浓度区域。（仅限应用于浓度梯度不随时间而变的问题。）扩散系数的表达式为：RTEDDaexp0式中Ea是扩散激活能（J/mol），T是绝对温度（K）。20、成分分布（菲克第二定律）菲克第二定律：描述原子的动态或非稳态扩散，即扩散原子的浓度是随时间而变化的。若扩散系数与位置无关，也就是等效地说扩散系数与成分无关，则菲克第二定律的微分方程的形式为：xdcdDdtdc22（1）此微分方程在连续补充扩散原子的条件下，有一个解是：Dtxerfccccsxs20式中cs是材料表面处扩散原子的恒定浓度，c。是材料内部扩散原子的初始均匀浓度，而cx则是经过时间t之后，表面下x处扩散原子的浓度。（2）如提供的扩散原子耗尽，即不能连续补充，那么菲克第二定律的具体解的形式为：DtxDtCx4exp22菲克第二定律的一个推论为：只要Dt项为常数，在不同条件下也可获得相同的浓度分布。这能确定在完成特定热处理时温度对所需时间的影响。有效渗入距离为扩散物质含量具有原始含量与表面含量平均值的地方。有效渗入距离的表达式：DtxerfDtxerf对于板的γ为1，对于圆柱的γ则是2。21、柯肯德尔效应：由于扩散速率不同而引起的扩散对界面的移动。22、扩散类型：（1）体积扩散（2）晶界扩散（3）表面扩散23、晶粒尺寸与障碍物数目、尺寸之间的关系如下：R=4r/f式中R是晶粒的半径，r是障碍物的半径，f是障碍物的体积分数。24、烧结：一种高温下使材料微粒连接在一起并且逐渐减小它们之间孔隙体积的过程。粉末材料压制成形→粉末微粒彼此接触但有着大量的孔隙→原子向边界扩散使孔隙缩小→空位通过晶界从界面扩散出去→消除孔隙，材料变得致密。25、直径为0.001至0.3mm的金属粉末生产方法：（1）雾化法（2）粉末法（3）化学还原法26、非晶态材料：一般指非晶态半导体和非晶态金属为主的一些普通低分子非晶态材料，广义上非晶态材料还应包括传统的氧化物玻璃、非氧化物玻璃和非晶态聚合物等。（一）非晶态材料特征：（1）长程无序：①位置（几何）无序：具体指原子在空间位置上排列的无序，又称拓扑无序。②成分（化学）无序：具体指多元系中不同组元的分布为无规则随机分布。（2）短程无序：①在每个原子的近邻原子的排列仍具有一定的规律性，呈现一定的几何特征。具有确定配位数和一定结构单元。②大量的这种具有某种程度变形的短程有序的结构单元的无序堆积，组成了非晶态材料整体。③非晶态材料结构的主要特征是长程无序而短程有序。短程有序的范围通常为1.5~2.0nm。④晶态处于最低能态，而非晶态处于较高能态，非晶态固体有向晶态转化的趋势。（二）