序论--材料的结构.ppt

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1、材料物理化学（原无机材料物理化学）（硅酸盐物理化学）2是无机材料专业最重要的专业基础理论课程；研究生入学考试课程介绍了材料领域内各种材料的基础共性规律（尤其是无机材料）是研究材料组分、结构与性能之间相互关系和分析理论的一门应用基础科学材料科学与工程的研究范畴2021/9/143组成与结构合成与制备性能使用效能决定材料性质决定组成结构满足使用要求指导合成制备是认识无机材料制备、结构、性能、服役、变化乃至全过程的钥匙是攀登无机材料科学工程的阶石为专业学习和材料研究奠定理论基础2021/9/144MSEProcessingProperties－performanceCompositionSt

2、ructure材料的性能和使用效能与其结构，包括微观结构和显微组织，密切相关。而组成和性质相同的原料通过不同的合成方法可以得到不同结构的材料，因而其性质和使用效能也不同。所以材料的结构是材料科学的核心问题之一。按研究尺度的不同，材料的结构一般分为微观结构、显微结构和宏观结构三个层次。其中微观结构的尺度上限为晶胞常数；宏观结构的下限为日常生活所接触的尺度，约为0.1毫米以上；显微结构位于两者之间，约为1nm～100μm。微观结构——由原子到结构单元在晶胞常数尺度以内，原子按一定的原则来排列，原子之间以化学键相结合，因此化学键的种类以及原子的排列方式是决定晶体结构的主要因素，同时二者也决定

3、了材料的性质以及其应用。化学键对性质的影响金刚石中碳原子通过sp3共价键键合，是自然界中最硬的物质。而石墨通过sp2共价键键合，在石墨中，sp2键构成二维共价键片状结构，这些片状结构通过范德华键相结合构成三维石墨网络，这种层状结构具有高的层内强度和非常低的层界强度。C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯石墨烯厚度只有0.3354nm,安德烈·海姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫2010年诺贝尔物理学奖热导率约5000J/(m·K·s)、杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)NovoselovK,GeimA,MorozovS,etal.Electricfi

4、eldeffectinatomicallythincarbonfilms.Science,2004,306(5696):666–669.（被引用24379次）又如在离子晶体中，离子键相互作用力产生高硬度和脆性。部分共价键能够改善脆性和硬度，提高强度的同时，也提高硬度。在金属键晶体中，金属离子被嵌入在电子气中，在晶体发生部分位移后，引力仍然保持作用，因此金属能够变形而不会破裂。材料键改性原子排列方式对性质的影响钙钛矿型矿物由立方相变为四方相时，原子排列发生少许畸变，材料即由顺电体转变为铁电体。随着温度升高，离子位移导致石英由对称性发生变化，由β-石英（Si-O-Si键角137°），转变为

5、α-石英（Si-O-Si键角150°），相应地材料也由有压电性变为无压电性。高温型α-石英（a）和低温型β-石英（b）的结构差异示意图组成与微观结构的关系组成对材料的结构有重要影响如白云母向高岭石的局部演变。通过质子交换，使前面10～20nm的硅酸盐层发生剥离，将2﹕1型的层状硅酸盐白云母转变为1﹕1型的高岭石。又如硅酸盐矿物的晶体结构以硅氧骨干为主体。硅氧骨干中Si-O-Si的键角可以在180º～109º之间变动，即硅氧骨干有可变形性质。由于硅氧骨干的可变形性质，其连接方式具有晶体化学自由性，即硅氧骨干只是要求形成近程规律，并没有形成远程有序的内在要求，因此容易形成玻璃质。而大多数硅

6、酸盐矿物之所以并非玻璃质，其原因是阳离子配位多面体的存在。阳离子配位多面体由于配位数较大，既有形成近程规律，又有形成远程规律的倾向。在硅酸盐中，硅氧骨干只是与阳离子配位多面体相配合，对硅酸盐矿物结构起主导作用的是阳离子配位多面体。而不同的阳离子，对硅氧骨干的形成和起的作用是有所不同的，导致硅酸盐矿物结构和性质的多样化。通过人工设计改变材料的晶胞结构材料的结构设计已成为材料研究热点。1969年美国IBM实验室江崎和朱兆祥提出了由两种不同的半导体薄层构成超晶格、量子阱的概念。后来借助分子束外延等制备技术，使这一设想得以实现。这一概念开辟了人工设计低维材料并对其能带结构进行人工裁减的先例。2

7、0多年来，从量子阱到量子线、量子点的研究，一直是最富有生命力的前沿领域之一。超晶格材料超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。蒙脱石是一种层状粘土矿物，层间结合力较弱。可以通过离子交换的方式将其它分子或离子团插入层间，使c轴膨胀。如果插入的分子或离子团是金属羟基阳离子，通过热处理的方式脱水，金属原子团留在层间，象支柱一样将层状结构撑开，称为柱撑蒙脱石。显微结构—