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无机材料科学基础PPT课件

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无机材料科学基础课件_ppt课件

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Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
相律应用必须注意以下四点： 1.只能处理真实的热力学平衡体系。
2.相律表达式中的“2”是代表外界条件温度 和压力。如果研究的体系为固态物质，可以忽略
压力的影响，相律中的“2”应为“1”。 3.必须正确判断独立组分数、独立化学反应 式、相数以及限制条件数，才能正确应用相律。 4.自由度只取 0 或 0 以上的正值。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
相平衡的研究方法
相图即平衡状态图，反映的是体系所处的热力学平衡状态, 与达平衡所需的时间无关。 平衡态 一个不随时间而发生变化的状态。 相图是在实验结果的基础上制作的，所以测量方法、测试 的精度等都直接影响相图的准确性和可靠性。 研究凝聚系统相平衡，有二种基本方法：动态法和静态法。
相
系统中具有相同物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。
特点： 1、相与相之间有界面。各相可以用机械方法
加以分离，越过界面时性质发生突变。 2、 一个相必须在物理性质和化学性质上都是均匀的， 这里的“均匀”是指一种微观尺度的均匀，但一个相不 一定只含有一种物质。 3、一种物质可以有几个相。同一个相不一定连续。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
相数(P)：一个系统中所含相的数目，叫做相数，以P表示。 按照相数的不同，系统可分为： 单相系统（P＝1） 二相系统（P＝2） 三相系统（P＝3）等等。 含有两个相以上的系统，统称为多相系统。
1、气体 不论有多少种气体都只可能有一个气相。 对于系统中的气体，因其能够以分子形式按任何比例互相均 匀混合。
##
注意：指的平衡不是在高压条件
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉

无机材料科学基础相图热力学基本原理及相平衡PPT课件

无机材料科学基础相图热力学基本原理及相平衡PPT课件
第6页/共124页
3、自由度 (f) 定义: 温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中， 可以在一定范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的 独立变量的数目 具体看一个二元系统的自由度。
L f=2
L＋A f=1
f =0 E L＋B f=1
A＋B f=1
A
B
第7页/共124页
相律应用必须注意以下四点： 1. 相律是根据热力学平衡条件推导而得，因而只能处理真实 的热力学平衡体系。 2. 相律表达式中的“2”是代表外界条件温度和压强。 如果电场、磁场或重力场对平衡状态有影响，则相律中的 “2”应为“3”、“4”、“5”。如果研究的体系为固态物质，可以 忽略压强的影响，相律中的“2”应为“1”。 3. 必须正确判断独立组分数、独立化学反应式、相数以及限 制条件数，才能正确应用相律。 4. 自由度只取“0”以上的正值。如果出现负值，则说明体系可 能处于非平衡态。
第1页/共124页
2. 介稳态 即热力学非平衡态，经常出现于硅酸盐系统中。
如：
α－石英
870 ℃
573℃
α－鳞石英 163℃
1470℃ α－方石英 180～270℃
β－石英
β－鳞石英 117℃
β－方石英
γ－鳞石英
说明：介稳态的出现不一定都是不利的。由于某些介稳态具有 所需要的性质，因而创造条件(快速冷却或掺加杂质) 有意把它保存下来。 如：水泥中的β －C2S，陶瓷中介稳的四方氧化锆 ; 耐火材料硅砖中的鳞石英以及所有的玻璃材料。
B％
B
(1) T1： 固相量 S% = 0 ; 液相量 L％=100%;
(2) T2： S% = M2L2/S2L2 ×100％ ；L％ ＝M2S2/S2L2 ×100％

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第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
非化学计量化合物：实际化合物中负离子与正离子 的比例不符合定比或倍比定律的化合物。
特点： 1）产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关； 2）可看作是本身高低氧化态之间的固溶体；
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
根据质量物作是用P型定半律导体K。 [OiP'O']2[1h/2•]2
为什么TiO2-x是一种n型半导体？
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
色心、色心的产生及恢复
“色心”——由于电子补偿而引起的一种缺陷。
F-色心：负离子空位＋电子
X、γ、中子或电子射线辐照某些晶体会产生颜色。 原因：由于辐照破坏晶格，产生了各类点缺陷。为在缺 陷区域保持电中性，过剩电子或电子空穴处于缺陷位置上。 点缺陷上的电荷具有一系列分离的允许能级，相当于在可见 光谱区域的光子能级，能吸收一定波长的光，使材料呈现某 种颜色。 把经辐照而变色的晶体加热，能使缺陷扩散掉，使辐照 破坏得到修复，晶体失去颜色。
[e]
P6 O2
1
PZn
P2 O2
1
Zn不完全电离时：
[e]
P4 O2
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
实测ZnO电导率与氧
-2.1
分压的关系支持了单电荷
间隙模型，即后一种是正
-2.3
确的。
logσ
-2.5
-2.7
0.6
1.0
1.4
1.8
2.2
Log PO2 (mmHg)

无机材料科学基础23页PPT

无机材料科学基础23页PPT
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
无机材料科学基础
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢

《无机材料科学基础》绪论PPT课件

《无机材料科学基础》绪论PPT课件
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2021/3/12
13
2021/3/12
14
2021/3/12
15
• 飞机和材料
从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快 和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重 之比。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发 展，轻质和高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材 料等得到愈来愈多的采用。
6
材料结构关系
• 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观
结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才
能实现控制结构的目的。
• 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。
• 其内部结构包括 四个层次：①原 子结构；②结合 键；③原子的排 列方式；④显微 组织
2021/3/12
• 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说
各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，
后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料科学
2021/3/1与2 工程（MSE，Material Science and Engineering）
8
材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了 解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以 及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核 心是结构和性能。
实践中总结出来的共同规律而形成的一门课程。该课程是把基础科学理论，特别是物理 化学、无机化学、结构化学、结晶化学、固体物理中的基本理论，具体应用到无机非金 属材料的制备和性能研究上，成为介于基础科学和专业技术之间的一门重要的专业基础 理论课程。

无机材料概论PPT课件

无机材料概论PPT课件
复合材料是多相材料，主要包括：基本相和增强相。 ➢ 基体相：为连续相材料，将改善性能的增强相材料固结成一体， 并起传递应力的作用； ➢ 增强相：起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合 材料）的作用。
复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使 各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。
property-technics process
第一章 无机材料概论
What is Materials?
资源加工与生物工程学院
世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构 件、工具、装置等物品的物质。 材料存在于我们周围，与我们的生活、我们的 生命息息相关。
第一章 无机材料概论
第6章：凝聚多相系统相平衡——从相平衡的观点，介绍凝聚单 元系统到四元系统相图的基本知识、基本类型和有关实际相图， 重点讨论凝聚三元系统相图的规律性及其在无机材料研究和生产 等方面的应用；
第一章 无机材料概论
资源加工与生物工程学院
第7~10章：过程动力学——重点介绍无机材料研究和制备 中物理化学变化过程（扩散、固相反应、相变、烧结）的 机理、过程的动力学以及影响因素
第一章 无机材料概论
资源加工与生物工程学院
复合材料种类繁多，目前无统一分类方法，一般可根据复 合材料三要素分类。
按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料， 水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料 等；
按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状增强复合材料； 按性能可分为结构复合材料和功能复合材料。
准晶材料：指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然 是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位 置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准 晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十 二次对称轴。 准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实 际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围 较窄的金属间化合物。

无机材料科学基础第二章PPT课件

国际上通用的是密勒指数（Miller）
➢晶向指数：点阵中一维方向结点连线－行列：
行列平行方向－晶向（如：晶棱方向）
(1)建立坐标系，原点在待标晶向上
(2)选取该晶向上原点
以外的任一点P(xa，yb，zc)
zc
P
(3)将xa，yb，zc化简为互质
O
整数比u，v，w，且
yb
xa
u∶v∶w = xa∶yb∶zc
离子半径：离子中心到其作用力所及的有 效范围的距离。正、负离子都看成球体。离 子半径是衡量键性、键强、配位关系及极化 的重要数据。
2.6.2 球体紧密堆积原理
1、等大球体的最紧密堆积及其空隙：
【 紧密堆积结构】
Close-packed structures
ABABA.. packing
hcp ＆ fcc
2、晶胞的分类
初级晶胞： 简单晶胞，只在平行六面体的八个角顶有阵点。
复合晶胞： 除角顶外，在其体心、面心或低心位置上也有 阵点。
3、描述晶胞的形状大小
晶胞的表示－晶胞参数
三条晶轴：a，b，c 轴间夹角：α，β，γ
4、晶系和布拉菲点阵
分类依据：棱长、夹角 七种类型：七大晶系 布拉菲点阵：14种
六方紧密堆积
hcp structure
（hexagonally-close packed）
ABCABC.. packing
立方紧密堆积
fcc structure
（face-centered cubic, 面心立方）
1、等大球体的最紧密堆积及其空隙：
（1）六方最紧密堆积：ABAB……紧密堆积 方式，密排面平行于（0001）。
• {100}=(100)+(010)+(001)

无机材料科学基础第五章 固溶体PPT课件

金属和金属形成的固溶体都是置换式的。如， Cu-Zn系中的α和η固溶体都是置换式固溶体。
在金属氧化物中，主要发生在金属离子位 置 上 的 置 换 ， 如 ： MgO-CaO ， MgO-CoO ， PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。
C3S的固溶体C54S16MA2.相当于18个Si中有两个被置换。
可编辑课件PPT
18
实例
在面心立方结构中，例如MgO中，氧八面体间 隙都已被Mg离子占满，只有氧四面体间隙是空的。 在TiO2中，有二分之一的八面体空隙是空的。在萤 石结构中，氟离子作简单立方排列，而正离子Ca2+ 只占据了有立方体空隙的一半，在晶胞中有一个较 大的间隙位置。在沸石之类的具有网状结构的硅酸 盐结构中，间隙就更大，具有隧道型空隙。 因此， 对于同样的外来杂质原子，可以预料形成填隙式固 溶体的可能性或固溶度大小的顺序将是沸石>萤石 >TiO2>MgO。实验证明是符合的。
SrO、BaO，使他们形成正硅酸盐。或
添加B2O3、P2O5、Cr2O3为稳定剂，使他 们形成[BO4]、[PO4]、[CrO4]置换[SiO4] 而形成固溶体。
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9
2、晶体结构类型的影响
若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连 续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而 不是充分必要条件。
二、置换型固溶体
三、间隙型固溶体
四、形成固溶体后对晶体性质的影响
五、固溶体的研究方法
可编辑课件PPT
1
第一节 固溶体的分类
一、根据外来组元在主晶相中所处位置 ，可分 为置换固溶体和间隙固溶体。
二、按外来组元在主晶相中的固溶度，可分为 连续型(无限型)固溶体和有限型固溶体。

无机材料科学基础课件 第十章 相图

冰 D B O 气
12
P A 水 C
T
10.3.2具有同质多晶转变的单元系统相图
P
G F 晶1 H B 晶2 O C 气 E 液 D
A
T
具有同质多晶转变的单元系统相图
其中：BF—晶型转变线，反映P对多晶转变的影 响，该直线斜率不会太大。 CE—晶2的熔融曲线 BF—晶1、晶2的转变曲线 AB—气相与晶1的两相平衡线（晶1的升华曲线） BC—气相与晶2的两相平衡线（晶2的升华曲线） CD—液相与气相的两相平衡线（液相的蒸发曲线） OG—过热晶型1与过冷液体的平衡曲线 BH—过冷晶型2的升华曲线 BO—过热晶型1的升华曲线 OC—过冷液相的蒸发曲线 FBOG区—过热晶1的相区 OBC—过冷蒸汽介稳区 GOCE区—过冷液相区
t=TC, C点
液相同时对晶 体A和B饱和 当最后一滴低共 p=3, f=0 熔组成的液相析 出A晶体和B晶体 24 后，液相消失
t=TE, E点
从液相中不断 析出A晶体
3个概念：系统组成点、固相点、液相点
简称：系统点 取决于系统的总组成，由原始配料组 成决定 对于M配料，系统点在MM’线上 系统中的液相组成和固相组成随温度不断变化， 液相点和固相点的位置也随温度不断变化
L A+B P=3,F=0
液相：M L G
' L P=1,F=2 ' L1 +L2 P=2,F=1
LC LD +A P=3,F=0
D E(LE A+B,F=0) 固相：H I J
A A+B
第十章
相 平 衡
1
10.1相平衡的基本概念、相律
10.1.1相：物理化学性质相同、完全均匀、可含多种物质

无机材料科学基础教程课件

第一章 晶体几何基础
晶体与材料
组成材料的物质（包括天然的固态物质）按其 原子（分子）的聚集状态可分为晶体与非晶体。 晶体可以有单晶体和多晶体，其构成的材料分 别为单晶材料和多晶材料。 单晶材料有人造半导体材料单晶硅和锗、金刚 石、红宝石等，多晶材料包括金属及陶瓷等。 晶体固有的性质对材料的性质具有重要的决定 作用。
晶体与材料
金属和陶瓷等很大一部分材料主要是由晶体 组成的晶质材料。在晶质材料中，晶体本身的性 质是影响材料性质的最主要因素之一。 例如构成耐火材料的主晶相一般具有较高的 熔点；氮化铝陶瓷良好的导热性，是因为氮化铝 晶粒具有高的热导率，等等。Fra bibliotek晶体与材料
一般来讲，一种晶体具有一定的物质组成和一 定的内部结构，物质组成确定后，晶体的性质主要 与其内部结构（或者说内部质点的排列方式）有关。 例如，金刚石和石墨，都是由碳构成的，由于 碳的排列方式（内部结构）不同，金刚石具有很高 的硬度，而石墨则很软。当然，不同的物质成分， 也可具有相同的排列方式。 本章就是关于晶体内部质点排列规律性及由此 决定的晶体宏观形态规律性的认识。
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第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
非化学计量化合物：实际化合物中负离子与正离子 的比例不符合定比或倍比定律的化合物。
特点： 1）产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关； 2）可看作是本身高低氧化态之间的固溶体；
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
Chapter 3 Crystal Structure Defect
3.1 晶体结构缺陷的类型
3.2 点缺陷（point defect） 3.3 固溶体（solid solution） 3.4 非化学计量化合物
（nonstoichiometric compound） 3.5 线缺陷（line defect） 3.6 面缺陷（face defect）
资源加工与生物工程学院
一、由于负离子缺位，使金属离子过剩
如TiO2-x， ZrO2-x，产生原因是环境中缺 氧，晶格中的氧逸出到大气中，使晶体中出 现了氧空位。
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
பைடு நூலகம்
资源加工与生物工程学院
缺陷反应方程式应如下：
2TiO
－
2
1 2
O2
2TiTi
VO••
3OO
1.8
2.2
Log PO2 (mmHg)
2.6
3.0
在650℃下ZnO电导率与氧分压的关系
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
三、由于存在间隙负离子，使负离子过剩
目前只发现UO2+x，可看作U2O8在UO2中的固 溶体。当在晶格中存在间隙负离子时，为了保持电 中牲，结构中引入电子空穴，相应的正离子升价， 电子空穴在电场下会运动，为P型半导体。
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
二、由于间隙正离子，使金属离子过剩
如 Zn1+xO、Cdl+xO，过剩金属离子进入间隙 位置，带正电；为了保持电中性，等价电子被束 缚在间隙位置金属离子周围，也形成一种色心 （间隙正离子＋电子）。ZnO在锌蒸汽中加热， 颜色会逐渐加深，就是形成这种缺陷的缘故。
为什么TiO2-x是一种n型半导体？
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
色心、色心的产生及恢复
“色心”——由于电子补偿而引起的一种缺陷。
F-色心：负离子空位＋电子
X、γ、中子或电子射线辐照某些晶体会产生颜色。 原因：由于辐照破坏晶格，产生了各类点缺陷。为在缺 陷区域保持电中性，过剩电子或电子空穴处于缺陷位置上。 点缺陷上的电荷具有一系列分离的允许能级，相当于在可 见光谱区域的光子能级，能吸收一定波长的光，使材料呈 现某种颜色。 把经辐照而变色的晶体加热，能使缺陷扩散掉，使辐照 破坏得到修复，晶体失去颜色。
2TiTi 4OO
2TiTi
VO••
3OO
1 2
O2
又∵
TiTi+e'= Ti'Ti
2TiTi
OO
2TiTi
2e'VO••
1 2
O2
等价于
OO
2e'
VO••
1 2
O2
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
根据质量作用定律，平衡时，[e']=2[ VO•• ] ：
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
h
h
由于存在向隙负离子，使负离子过剩型结构（III）
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
对于UO2+x中的缺焰反应可以表示为：
U3O8 U 2O6·UO2 U 2O6 UO3
等价于：的U浓O度3随增着12 UO大氧O22，压这力U2种的hU•••类增型O大2Oi的'，'O缺间陷隙O化i氧' ' 合
根据质量物作是用P型定半律导体K 。 [OiP'O']2[1h/2• ]2
又 [h·]=2[Oi''] 由此可得： [Oi'']∝PO21/6。
O2
有：
1
则，Zn完全电离时：
[e]
P6 O2
1
PZn
P2 O2
1
Zn不完全电离时：
[e]
P4 O2
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
实测ZnO电导率与氧
-2.1
分压的关系支持了单电荷
间隙模型，即后一种是正
-2.3
确的。
logσ
-2.5
-2.7
0.6
1.0
1.4
资源加工与生物工程学院
3）缺陷浓度与温度有关； 4）都是半导体。
两大类半导体材料： 掺杂半导体：如Si、Ge中掺杂B、P，Si中掺P为n型
半导体； 非化学计量化合物半导体
金属离子过剩（n型）：负离子缺位和间隙正离子 负离子过剩（p型）：正离子缺位和间隙负离子
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
][e]2
PZn
则有：
[
Zn
•• i
]
P1/ 3 Zn
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
（2）单电荷间隙模型，若Zn离子化程度不足，可有
Zn( g )
Zn
• i
e
则：[Zni··]=[e']，
[Zn
• i
]
P1/ 2 Zn
同时进行氧化反应：
ZnO
Zn( g
)
1 2
K [Vo•• ][Po2 ]1/ 2[e]2 [Oo ]
[VO•• ]
1
P6 O2
1）∴TiO∴2的电非导化率学随计量温对度氧的压升力敏高感而，呈在指还原数气氛中才能 形灰成黑T色i规度O的2律的T-x。iO增关烧2-x加 系结 ，时而，。，不反氧是映分金了压黄不色缺足的陷会T浓iO导2度致。与VO•温• 升高，得到
2）
1
e
P6 O2
，
电导率随氧分压升高而降低。
3）若PO2不变，则
1
[e'
]
（2
K）3
1
P3 O2
1
[e']K 3
exp{
G
}
3RT
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
图3-4-1 TiO2-x结构缺陷示意图（I）
TiO2-x结构缺陷 在氧空位上捕获两个电
子，成为F-色心。色心上 的电子能吸收一定波长的 光，使氧化钛从黄色变成 蓝色直至灰黑色。
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
资源加工与生物工程学院
e 由于间隙正离子，使金属离子过剩型结构（II）
第三章 晶体结构缺陷——3.4 非化学计量化合物
（1）双电荷间隙模型：
Zn(
g
)
Zn
•• i
2e
则：2[Zn··]=[e']
资源加工与生物工程学院
按质量作用定律：
K
[Zn
•• i