材料化学

材料化学

材料化学和化学药品
化学药品的用途主要是基于其消耗
材料是可以重复或连续使用而不会不可逆的变成其他物质

材料的分类
按组成结构：

• 金属材料
• 无机非金属材料
• 聚合物材料
• 复合材料

按使用性能分

• 结构材料
• 功能材料

按用途：
导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、电子信息材料、感光材料...

材料化学的主要内容
材料化学是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学

元素与化学键

势能阱
包含局部最小值的能量区域

较深的势能阱表示原子间结合较紧密，其对应的材料就较难熔融，并具有较高的弹性模量和较低的热膨胀系数。

晶体
原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成，长程有序

晶态与非晶态之间的转变
非晶态所属的状态属于热力学亚稳态，所以非晶态固体总有向晶态转化的趋势，即非晶态固体在一定温度下会自发地结晶，转化到稳定性更高的晶体状态。
通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态。

晶向 —— 点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组（晶列），晶列所指方向就是晶向。
晶面 —— 晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面，即结晶多面体上的平面。

晶面间距
对于正交晶系：

立方晶体的晶面间距：

晶体缺陷

点缺陷

（1）迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，使晶体内部留下空位，称为肖特基（Schottky）缺陷或肖特基空位；
（2）挤入点阵的间隙位置，在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷；
（3）跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。
另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子。

点缺陷的表示方法
主符号表明缺陷的主体；
空位V，正离子M、负离子X、杂质原子L（对于具体原子用相应的元素符号）。
下标表示缺陷位置；
间隙位用下标i表示，M位置的用下标M表示，X位置的用下标X表示；
上标表示缺陷有效电荷。
正电荷用“•”（小圆点）表示，负电荷用“ ' ”（小撇）表示， 零电荷用“×”表示（可省略）。

点缺陷对材料性能的影响
1）对力学性质的影响 晶体的机械强度大大降低
2）对催化性能的影响 催化反应发生的活性中心
3）对电学性质的影响 半导体掺杂
4）光学性质、颜色

线缺陷与位错

柏格斯矢量：
定义一个沿位错线的正方向；
构筑垂直于位错线的原子面；
围绕位错线按顺时针方向画出柏格斯回路（Burger’s circuit）；
由于位错的存在，回路的起点和终点是不重叠的，从柏格斯回路的终点到起点画出的矢量就是柏格斯矢量b。

刃型位错与螺型位错
相同点：二者都是线缺陷。
不同点：
（1）刃型位错具有一个额外的半原子面，而螺型位错无；
（2）刃型位错必须与滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量；而螺型位错线与滑移矢量平行，且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直；
（3）刃型位错的滑移线不一定是直线，可以是折线或曲线；而螺位错的滑移线一定是直线；
（4）刃位错的滑移面只有一个，其不能在其他面上进行滑移；而螺位错的滑移面不是唯一的；
（5）刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变；而螺位错只有切应变而无正应变。

多晶结构
多晶体材料 —— 整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同。
多晶结构 —— 由许多小晶体组成的晶体结构。
晶粒 —— 多晶体中每个外形不规则的小晶体。
晶界 —— 晶粒与晶粒间的界面。
组织 —— 晶粒的形状、大小、数量和分布等情况，称为显微组织或金相组织
金属材料的组织决定了金属材料的性能。
金属的晶粒越细，金属材料在室温时的强度、硬度就越高，塑性和韧性也越好。

固溶体
一个（或几个） 组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。

种类

• 置换型固溶体（无限固溶体）
• 填隙性固溶体（有限固溶体）

形成置换固溶体的影响因素

1. 原子或离子尺寸的影响
   

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。

3. 离子类型和键性

   化学键性质相近，
   即取代前后离子周围离子间键性相近，容易形成固溶体。

4. 电价因素

   一般来说，两种固体只有在离子价相同或同号离子的离子价总和相同时，才可能满足电中性的要求，生成连续固溶体。

形成填隙型固溶体的条件
填隙型固溶体的固溶度仍然取决于离子尺寸、离子价、电负性，结构等因素。

判断形成何种固溶体

固溶体的形成对晶体材料性质的影响
1. 稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
2. 活化晶格
3. 固溶强化

固溶强化的程度(或效果)不仅取决与它的成分，还取决与固溶体的类型、结构特点、固溶度、组元原子半径差等一系列因素。
填隙型溶质原子的强化效果一般要比置换型溶质原子更显著。
溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越显著。

1. 形成固溶体后对材料物理性质的影响

无机非金属材料的结构

鲍林规则

• 鲍林第一规则── 在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，正离子的配位数取决于离子半径比。
• 鲍林第二规则——在离子的堆积结构中必须保持局域的电中性。
• 鲍林第三规则——稳定结构倾向于共顶连接
• 鲍林第四规则──若晶体结构中含有一种以上的正离子，则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势
• 鲍林第五规则──同一结构中倾向于较少的组分差异，也就是说，晶体中配位多面体类型倾向于最少。

材料的性能

化学性能
溶蚀性
耐腐蚀性
抗渗透性
抗氧化性

力学性能
材料的强度：
拉伸强度
弯曲强度
冲击强度

材料的硬度:
布氏硬度
洛氏硬度
维氏硬度

材料的一些力学性能特点：

很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；
多晶材料的强度高于单晶材料；
这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。    通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。
固溶体或合金的强度高于纯金属；
杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。
多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。源于共价键的方向性 

热性能
热膨胀现象解释

膨胀的差异
——原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。

键强与热膨胀

各种材料的导热率

金属材料有很高的热导率
自由电子在热传导中担当主要角色；
金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；
晶格振动（声子）
无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。
热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。
高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大。
半导体材料的热传导：
电子与声子的共同贡献
低温时，声子是热能传导的主要载体。
较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。
高分子材料热导率很低
热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。

电性能
导电性
要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目（n）和使载流子更易于流动（增大μ 值）。

介电性
在电场作用下，材料表现出来的对静电能的储蓄和顺好的性能

铁电性
铁电性——材料在除去外电场后仍保持部分极化状态

压电性
施加一定电压
施加压力，产生反向电压，导致两端电压下降
施加较大电压，材料产生变形

磁性
反磁性
顺磁性

磁畴——自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成的磁化小区域。

光学性能
光的反射和折射

• 金属材料：强反射（金属光泽）；
  电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态
• 无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响；
  当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差别越大，反射就越强。
• 材料的折射率受其结构影响
  单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波传播受影响越大，从而折射率越大。
  原子半径越大(极化率大），折射率就越大。

材料化学热力学

埃灵罕姆图及其应用

材料界面热力学
表面张力：液体倾向于通过减小表面积而降低表面能，呈现出一种收缩的力。
一般化学键越强，表面张力越大。
金属表面具有较大的表面能，
其次是离子晶体、陶瓷。
塑料的表面能则一般较低，尤其是聚乙烯、聚丙烯这些低极性的塑料。

润湿
固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶流体的过程。

用杨氏方程判断润湿现象

临界表面张力：
当液体表面张力等于或小于固体的临界表面张力时，才能在该固体表面上铺展。
固体的临界表面张力越小，要求能润湿它的液体的表面张力就越低，也就是说该固体越难润湿。

毛细现象——液体沿着缝隙上升或扩散的现象

吉布斯相律（Gibbs Phase Rule）
相律——处于热力学平衡状态的系统中自由度 与组元数和相数之间的关系定律
f = c-p+2
f：自由度数；
c：组成材料系统的独立组元数；
p：平衡相的数目；
2：指温度和压力这两个非成分的变量
如果研究的系统为固态物质，可以忽略压力的影响 ，该值为1