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第二章 固体材料的表面特点及

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教科版高中物理选择性必修第三册第二章第1节固体和固体材料

教科版高中物理选择性必修第三册第二章第1节固体和固体材料
2．多晶体：如果整个物体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体组成的， 这样的物体叫做多晶体．其中的小晶体叫做晶粒．
（1）多晶体没有规则的几何形状． （2）多晶体
①不显示各向异性．（每一晶粒内部都是各向异性的）． ②有确定的熔点．
（七）多晶体与非晶体的比较
相同点
都没有规则的几何形状．
多晶体和非晶体的一些物理性质都表现 为各向同性
3.液晶分子的排列不稳定,微小的外界变动都会改 变分子排列,从而改变液晶的某些性质.
如温度、压力、摩擦、电磁作用、容器表面的差异
等都能改变液晶的光学性质. 4.天然存在的液晶很少,多数液晶是人工合成的.
ห้องสมุดไป่ตู้
（二）液晶的应用
四、半导体材料
半导体材料，是指电阻率为10-5~107Ω·m，介于金属和 绝缘体之间的材料。一般情况下，金属的电阻率随温度的升 高而升高，其变化是线性的，但半导体材料的电阻率与温度 的关系比较复杂。
3.有关晶体的微观结构，下列说法正确的有( BD ) A．同种元素形成晶体只能有一种排列规律 B．同种元素形成晶体可能有不同的排列规律 C．同种元素原子按不同结构排列有相同的物理性质 D．同种元素原子按不同结构排列有不同的物理性质
4.下列叙述错误的是（ CD ） A．晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点阵排列 B．单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规律 排列 C．非晶体有规则的几何形状和确定的熔点 D．石墨的硬度比金钢石的差得多，是由于它的微粒没有按 空间点阵分布
不同点： 多晶体有一定的熔点，非晶体没有一 定的熔点
固体是否有确定的熔点，可作为区分晶体和非晶 体的标志．
（八）单晶体与非晶体的辨别
二、晶体的微观结构
晶体为什么会出现各向异性呢？如图所示，从某一微 粒出发，沿不同的方向画出等长的线段AB、AC、AD，则 三条线段上的微粒数目并不相等，这表明不同方向上微粒 排列的情况不同。因此在不同的方向上会表现出不同的物 理性质。

材料科学基础_第2章_固体材料的结构

材料科学基础_第2章_固体材料的结构
(2)不透明，具有金属光泽； (3)具有较高的强度和良好的延展性； (4)正的电阻温度系数。
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
25
体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
26
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
配位数： CN=8 致密度： k=0.68
31
密排六方晶格原子位置
32
密排六方晶格晶胞原子数
33
密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
35
密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。

材料科学基础 第二章 固体材料的结构

材料科学基础 第二章 固体材料的结构

第二章固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。

原子之间的作用结合键与晶体结构密切相关。

通过研究固体材料的结构可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征。

固体材料主要包括：金属、合金、非金属、离子晶体、陶瓷研究方法：X光、电子、中子衍射——最重要、应用最多§2-1 结合键结合键——原子结合成分子或固体的结合键决定了物质的物理、化学、力学性质。

一切原子之间的结合力都起源于原子核与电子间的静电交互作用（库仑力）。

不同的结合键代表了实现结构）的不同方式。

一、离子键典型的金属与典型的非金属元素就是通过离子键而化合的。

从而形成离子化合物或离子晶体由共价键方向性特点决定了的SiO2四面体晶体结构极性共价键非极性共价键五、氢键含有氢的分子都是通过极性共价键结合，极性分子之间结合成晶体时，通过氢键结合。

例如：H 2O ，HF ，NH 3等固态冰液态水§2-2 金属原子间的结合能一、原子作用模型固态金属相邻二个原子之间存在两种相互作用：a) 相互吸引——自由电子吸引金属正离子，长程力；b) 相互排斥——金属正离子之间的相互排斥，短程力。

平衡时这二个力相互抵消，原子受力为0，原子处于能量最低状态。

此时原子间的距离为r0。

§2-3 合金相结构基本概念♦合金——由两种或两种以上的金属或金属非金属元素通过化学键结合而组成的具有金属特性的材料。

♦组元、元——组成合金的元素。

♦相——具有相同的成分或连续变化、结构和性能的区域。

♦组织——合金发生转变（反应）的结果，可以包含若干个不同的相，一般只有一到二个相。

♦合金成分表示法：(1) 重量（质量）百分数A-B二元合金为例m B——元素B的重量(质量m A——元素A的重量(质量合金中的相分为：固溶体，化合物两大类。

固溶体金属晶体(溶剂)中溶入了其它元素(溶质)后，就称为固溶体。

一、固溶体的分类：♦按溶质原子在溶剂中的位置分为：置换固溶体，间隙固溶体♦按溶解度分为：有限固溶体，无限固溶体♦按溶质原子在溶剂中的分布规律分为：有序固溶体，无序固溶体置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。

材料科学基础-第二章-材料的凝固

材料科学基础-第二章-材料的凝固
材料的制备过程对其力学性能、物理和化学性能都会产生较大的影响。 了解材料制备的基本过程，掌握材料制备的基本理论、技术和工艺方法， 对于材料的选用，进一步提升其使用性能有着重要的意义。
制备材料的典型工艺过程：
金属材料：凝固 陶瓷材料：烧结 聚合物：反应合成
凝固与结晶：
凝固（Solidification） 物质从液态转变为固态的过程。
自由能大于体积自由能，即阻力大于驱动力，
那么尺寸在rK～ r0 范围的晶核能够成为稳定的 晶核吗？
当r ＝ rK 时，G 有极大值GK
GK
4 3
2σ
GV
3 GV
4
2σ
GV
2 σ
1 3
4
2σ
GV
2
σ
1 3
4rK2σ
1 3
SKσ
结论：
晶核半径与G的关系
当形成临界晶核时，体积自由能的降低只补偿了表面自由能的2/3，还有 1/3的表面自由能需要另外供给，即需要对形核做功。称GK为形核功。
③形核率（Nucleation Rate）
单位时间、单位体积液相中形成的晶核数目，即晶核形成的速率，记
作
•
N
，单位为cm－3·s－1。
影响形核率的因素：
形核功
随过冷度的增加，即随温度的降低，形核 功减小，形核率增大。
原子扩散能力
随过冷度的增加, 即随温度的降低, 原子
扩散能力下降, 形核困难, 形核率减小。
当 r＞rK时，随 r 的增加，体系自由能减 小，晶胚转变为晶核；
当 r＝rK时，晶胚处于亚稳状态，即可能消 失，也可能长大成为晶核；
把半径为rK的晶胚称为临界晶核，rK称为临 界晶核半径。

第二章__纳米材料的基本效应

第二章__纳米材料的基本效应

第二章 纳米材料的基本效应 2.4 量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的
电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及半导
体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未
被占据分子轨道，能隙变宽的现象，均称为量子尺
寸效应。
第二章 纳米材料的基本效应 2.4 量子尺寸效应

能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是 连续的，但只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。



第二章 纳米材料的基本效应 2.2 表面效应（界面效应）
表面效应
这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子 输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和电
子能谱的变化。下面举例说明纳米粒子表面活性高的
原因。
第二章 纳米材料的基本效应 2.2 表面效应（界面效应）
图2-4 将采取单一立方晶格结构的原子尽可能以接近圆（或球）形进行配置的超微粒模式图

金纳米颗粒的熔点与粒径之间的关系曲线。
⑸特殊的力学性质
由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良
好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有
大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变
形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的
延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目
前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。

表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径
的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图。
从图中可以看出，粒径在10nm 以下，将迅速增加表面原子的比 例。当粒径降到1nm时，表面原子 数比例达到约90%以上，原子几 乎全部集中到纳米粒子的表面。
Relationship between the ratio of the surface atoms to whole atoms and particle size

材料科学基础智慧树知到答案章节测试2023年山东理工大学

材料科学基础智慧树知到答案章节测试2023年山东理工大学

第一章测试1.材料科学主要解决的是为什么问题。

（）A:错B:对答案:B2.材料科学的核心问题是材料的结构与性能及其相互关系。

（）A:对B:错答案:A3.工具是人类文明进步的标志。

（）A:错B:对答案:B4.材料科学是当今带头学科之一。

（）A:错B:对答案:B5.材料科学与材料工程的界线越来越明显。

（）A:对B:错答案:B第二章测试1.下面关于固溶体形成说法正确的是（）。

A:在晶体生长过程中生成B:从溶液中析晶时形成C:通过烧结过程由原子扩散形成D:从熔体中析晶时形成答案:ABCD2.形成置换型连续性固溶体的主要条件（）。

A:离子尺寸相近B:电负性相近C:晶体结构相同D:离子电价相等或电价总和相等答案:ABCD3.在下面非化学计量结构化合物中属于n型半导体的是（）。

A:UO2+-xB:Zn1+xOC:TiO2-xD:Fe1-xO答案:BC4.关于刃型位错说法正确是（）。

A:其他三种说法都不对B:位错线与原子滑移方向既平行又垂直C:位错线与原子滑移方向相垂直D:位错线与原子滑移方向相平行答案:C5.在NaCl晶体中，Na离子占据Cl离子晶格位置后，该缺陷有效电荷数是（）。

A:2B:-2C:-1D:1答案:A第三章测试1.硅酸盐高温熔体具有近程有序的特点。

（）A:错B:对答案:B2.二价阳离子（如Ca, Mg等）对硅酸盐高温熔体的粘度影响正确的是（）A:能降低粘度B:与极化无关C:对粘度无影响D:与极化有关答案:AD3.根据单键能的大小，Al2O3属于是（）A:网络改变体B:中间体C:网络形成体D:其他说法都不对答案:B4.硅酸盐玻璃具有各向异性的特点。

（）A:对B:错答案:B5.共价键越强越容易形成玻璃。

（）A:错B:对答案:A第四章测试1.固体表面与被吸附质点之间相互作用，如果发生在极性分子与非极性分子之间，这种作用力被称为（）。

A:分散作用B:诱导作用C:静电作用D:定向作用答案:B2.当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引起内层离子的极化和重排，表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子的半径差有关，差愈大深度愈深。

材料表面与界面

材料表面与界面

表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。

若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。

表面：在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域，是物体最外面的几层原子和覆盖其上的外来原子和分子所形成的表面层。

表面层有其独特的性质,和物体内部的性质完全不同。

几何概念：表面是具有二维因次的一块面积，无厚度、体积。

界面：两个物体的相态相接触时的过渡区域，由于分子间的相互作用，形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。

几何概念：它不同于两边相态的实体，有独立的相、占有一定空间，有固定的位置，有相当的厚度和面积。

弛豫；指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。

可能涉及几个原子层。

重构：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。

这种不平衡作用力使表面有自动收缩的趋势，使系统能量降低的倾向，由此产生表面张力以σ表示，称为表面张力，即：6=f/2l，6=dw/da，σ也可以理解为表面自由能，简称表面能。

例题：20℃时汞的表面张力为4.85×10-1 Jm-2，求在此温度及101.325 kPa 的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴，至少需要消耗多少功？解：已知：σ＝4.85×10-1 Jm-2，r1=1mm, r2=10－5 mm，界面张力的热力学定义。

在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示。

广义表面自由能的定义：保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。

狭义表面自由能的定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号σ表示，单位为J·m-2。

表面张力与表面Gibbs自由能的异同：相同点：数值相同，量纲相同。

不同点：物理意义不同，单位不同。

例：试求25℃，质量m＝1g的水形成一个球形水滴时的表面自由能E1。

第二章晶态和非晶态

第二章晶态和非晶态
26
晶体与非晶态固体的根本区别，在于其内部 结构的周期性，以及因此而生的对称性、Ｘ射线 的衍射效应。
晶体结构的周期性表现为长程有序。非晶态 固体则是一种长程无序结构，这种无序可表现为 两种形式：一为组成粒子在空间位置上的排列无 序；二是多元体系中不同组分无规则地随机分布， 也称成分无序。
但是在非晶态固体中存在着短程有序，即在 每个粒子的近邻的排列有规则性，在这个小范围 内较好地保留了相应的晶态材料中的配位状况。
2.1 晶体特征的结构基础 晶态物质有别于气体、液体的最典
型特征是具有点阵结构，正是由于本身 结构的特殊性，使晶体呈现出与其它物 质完全不同的特殊性质。
2
１、晶体的均匀性
由于晶体中原子排布的周期性规则，同时该周 期非常小，在宏观观察中不能分辨出晶体微观结构 中的不连续性，从而导致了晶体各部分具有相同的 密度、化学组成等性质。因此，从宏观角度看，晶 体具有均匀性。
18
并非所有的有机化合物分子都具有液晶态， 只有那些形状类似棒状，长宽比在４~８之间， 分子量为200~500，长度达几个纳米的分子才会 出现液晶形态。进而在液晶状态出现多种特殊的 性质和应用价值。液晶最常见的应用领域为各种 液晶显示器。
19
液晶的分类
液晶的分类有几种方法，以相对分子量的 大小，液晶可分为低分子液晶和高分子液晶；
27
28
利用X衍射线的峰形数据，能够测定粉未材 料中平均晶粒大小的数据，当晶粒粒径小于 200nm时，衍射峰开始变宽，晶粒越小，宽化越 多，当粒径小于几个纳米时，衍射峰消失在背底 之中。晶粒大小和衍射峰的关系如下：
D＝Kλ/（B－B0）cosθ 式中：D是晶粒粒径； λ是X射线波长；K为一固 定常数数值约为0.9；B0为晶粒较大时衍射线半高 宽，B为待测样品衍射线半高宽（2 θ标度的峰）， B－B0要以弧度表示。

第二章晶态和非晶态材料

第二章晶态和非晶态材料

液晶显示技术的发展主要分四个阶段： 第一代为动态散射（DSM）液晶显示器； 第二代是扭曲向列（TN）液晶显示器； 第三代超扭曲（STN）液晶显示器； 第四代薄膜晶体管（TFT）液晶显示器。
液晶显示器的关键部分是液晶板，在液晶板产品中， 较为先进的产品应属TFT-LCD(半导体薄膜晶体管 液晶板)。由于液晶显示器工作原理的自身因素， 虽然LCD有健康、环保、低辐射、低能耗等优点， 但LCD液晶板的视角、色饱和度、亮度及反应速度 等方面的缺陷一直是困扰液晶显示屏普及的问题。
商品锂离子电池正极材料多用LiCoO2，但Co价格昂 贵、有毒。
现在研制的低成本替代产品：层状结构的 LiNiO2 （合成条件苛刻，热稳定性差，不安全）；尖晶石 结构的LiMn2O4（充电过程中存在着严重的容量衰 减现象）。
对这些电极材料的掺杂改性就是制成非整比化合物 晶体：LiNixCo1-xO2；Li1+xMn2O4；LiScxMn2-xO4。
目前已知的液晶都是有机化合物，分子的形状有 长棒形和圆盘形两种，长棒形液晶材料较早地被 应用，均六苯酚的酯类化合物具有盘状液晶性质。
几种液晶化合物的相转变温度
2.4.4 液晶显示技术 LCD
19世纪末，奥地利植物学家莱尼兹发现了液晶，并发现液 态晶体分子排列有一定的顺序，这种顺序在电场的作用下 会发生变化，从而影响它的光学性质，人们把这种现象称 为电光效应；
晶体熔化时会产生两种无序作用：平动作用和转动作用。
液晶是先熔化失去平移对称性，进一步升高温度后产生转动。 塑晶是先进行转动，这时从统计的角度看依然保持平移对称 性，再升温后熔化而失去平移对称性。
塑晶：在塑晶中分子的重心依然保持周期性的点阵
结构，仍具有晶体的平移对称性，本质上仍是晶体。

《材料科学与工程基础》顾宜 第二章 课后答案

《材料科学与工程基础》顾宜 第二章 课后答案

第二章习题及答案2-1．阐述原子质量和原子量的区别。

2-2．简要阐述四个量子数分别对应何种电子状态。

2-3.元素周期表中的所有VIIA 族元素的核外电子排布有何共同点？（1）各电子层最多容纳电子数为2n 2.（2）最外层不超过8个电子；次外层不超过18个电子；倒数第三层不超过32个电子.（3）核外电子总是先排布在能量最低的电子层内，排满后再一次向外排布.（4）电子排布总是遵循能量最低原理，泡利不相容原理，洪特定则.2-4.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br 原子的电子排布（用方框图表示）。

223224Si1s22s22p63s23p2Fe1s22s22p63s23p63d8Cu1s22s22p63s23p63d104s1Br1s22s22p63s23p63d104s24p52-5.按照能级写出Fe2+,Fe3+,Cu+,Ba2+,Br-,and S2-离子的电子排布。

（用方框图表示）。

同上题2-6.影响离子化合物和共价化合物配位数的因素有那些？中心离子类型、离子半径、配体大小、溶剂、配体多少、环境温度、PH、共价键数、原子的有效堆积。

2-7.将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简单说明理由。

2-8.简要阐述离子键，共价键和金属键的区别。

2-9.阐述泡利不相容原理。

在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子；同一个原子中,不可能有两个或两个以上的电子处在同一个状态；也可以说，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。

2-10.判断以下元素的原子可能形成的共价键数目：锗，磷，锶和氯。

2-11.解释为什么共价键材料密度通常要小于离子键或金属键材料。

由于共价键具有严格的方向性和饱和性，一个特定原子的最邻近原子数是有限制的，并且只能在特定的方向进行键合。

所以共价键物质密度比金属键和离子键物质密度都要小.（共价键需按键长、键角要求堆垛，相对离子键、金属键较疏松）共价键的结合力较小，离子键结合力很大，形成的物质更致密。

材料表面的物理化学特征

材料表面的物理化学特征
固体材料的界面 （l）表面 —固体材料与气体(空气)的分界面。
（2）晶界 —多晶材料内部成分、结构相同而取向 （或亚晶界）不同晶粒（或亚晶）之间的界面。
（3）相界 —固体材料中成分、结构不同的两相之
间的界面。
2.1 固体表面相组织
2.1 固体表面的结构
要用来制造工程建筑中的构件，机 械装备中的零件以及工具、模具等。
功能材料—利用物质的各种物理和化学特性
及其对外界环境敏感的反应，实现 各种信息处理和能量转换的材料。
2.1 固体表面的结构
按原子、 离子或 分子排 列情况
键分类
晶体：长程有序、布拉菲点阵
非晶体：短程有序，1～2nm内原子分布仍
有一定的配位关系，原子间距和 成键健角等都有一定特征
复相系——在一定温度和压力下，含有多个 相的系统为复相系。
2.1 固体表面的结构
固体材料的界面
我们熟知的表面包括固体和空气(气体)的界面 或固体和液体的界面等，这些表面在工程上是最
有意义的。但是真正的表面是指晶体的三维周期 结构和真空之间的过渡区域，它所包括的所有原
子层不具备体相的三维周期性。
表面晶面不同：断键数不同，表面能不同，表面能呈现
各向异性 ➢ FCC (100)：4断键，表面能高
➢ FCC (111)：3断键，表面能低
2.1 固体表面的结构
什么是相？
• 物质存在的某种状态或结构，通常称为 某一相。严格地说，相是系统中均匀的、 与其他部分有界面分开的部分。
指这部分的成分和性质从给定范围或宏 观来说是相同的，或是以一种连续的方 式变化，也就是没有突然的变化。
➢例如，当氧吸附在Pt(100)面上时，将生成（5×1）的 表面结构，把体相的面心立方结构转变为密排六方结 构。

《建筑装饰材料》第二章_石灰、石膏、水玻璃_OK

《建筑装饰材料》第二章_石灰、石膏、水玻璃_OK

2
二、水玻璃的硬化
教学目标
1、掌握胶凝材料的概念与分类； 2、了解石膏、石灰的原料及品种，掌握 石膏、石灰的凝结、硬化过程及特性， 了解建筑石膏、石灰的质量要求及应用； 3、了解水玻璃的组成、性能特点及应用。
2021/8/30
3
基本概念：什么是胶凝材料？
• 定义：
经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固 体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的物质。
制作石灰乳涂料 石灰乳涂料可用于建筑室内墙面和顶棚粉刷。 掺入少量佛青颜料，可使其呈纯白色；
掺入107胶或少量水泥粒化高炉矿渣(或粉煤灰)，可提高粉刷 层的防水性； 掺入各种色彩的耐碱材料，可获得更好的装饰效果。
配制砂浆 石灰浆和消石灰粉可以单独或与水泥一起配制成砂浆，前者
称石灰砂浆，后者称混合砂浆，用于墙体的砌筑和抹面。 为了克服石灰浆收缩性大的缺点，配制时常要加入纸筋等纤
2、建筑石膏的应用
• 建筑石膏是一种很好的绿色建材！
• 应用中扬长各避种墙短板，正确应用！ • 建筑上的主要应用有：
➢ 建筑石膏制品：
➢ 各种板材：墙板、天花板等 ➢ 艺术装饰品
➢ 粉刷石膏：
➢ 墙面粉刷 ➢ 雕饰
德国室一内所墙教面堂和的天外花墙板面的雕雕饰饰
23
纸面石膏板的生产工艺流程
纸 面 石 膏 板 生 产 线
*过烧石灰消化速度慢，易引起墙面隆起、开裂，所以 使用前需洗灰陈伏。
28
*2、石灰的硬化
• 结晶作用
➢ 生石氢灰氧或化熟钙石晶灰体＋水成为Ca(OH碳)2浆酸体钙；晶体 ➢ 浆体中游离水的不断损失，导致Ca(OH)2结晶； ➢ 晶粒长大水、分交损错失堆聚成晶粒结构碳网化—硬化。

固体物理课件第二章_晶体的结构

固体物理课件第二章_晶体的结构



Na+构成面心立方格子 Cl－也构成面心立方格子
(6) CsCl: 由两个简单立方子晶格彼此沿 立方体空间对角线位移1／2 的长度套构而成
(7) 闪锌矿结构
化合物半导体 —— 锑化铟、砷化镓、磷化铟 面心立方的嵌套
（8） 钙钛矿结构
钛酸钙（CaTiO3） 钛酸钡（BaTiO3） 锆酸铅（PbZrO3） 铌酸锂（LiNbO3） 钽酸锂（LiTaO3）等
面心立方格子:原点和12个近邻格点连线的垂 直平分面围成的正十二面体
体心立方格子:原点和8个近邻格点连线的垂直 平分面围成的正八面体，沿立方轴的6个次近 邻格点连线的垂直平分面割去八面体的六个角， 形成的14面体 —— 八个面是正六边形，六个面是正四边形
§1.2 晶列和晶面
思考： 金刚石为什么有固定的面？ 这些面和晶格结构有什么关系？
根据周期性：
f e
k k
ikx
fk e
k
ik ( x na )
f k eikx f k eik( x na)
k k
e
ik na
1
m 0,1,2,
k na k Rn 2m
2 k h Gh a
k=b的波传过一个晶格长度，相位改变2π
晶面：所有结点可以看成分布在一系列相互平 行等距的平面族上，每个平面族称为一个晶面 晶面用法向或晶面指数标志
例：同一个格子，两组不同的晶面族
晶面的性质： –晶格中一族的晶面不仅平行，并且等距 –一族晶面必包含了所有格点 –三个基矢末端的格点必分别落在该族的不 同晶面上（有理指数定理）
晶面（米勒）指数：晶面把基矢 a1 , a2 , a3 分别

高等固体物理-第二章-材料的晶界、相界和表面

高等固体物理-第二章-材料的晶界、相界和表面

实际上两相之间并不存在截然的分界面 , 相与相之间是个逐步过渡的区域，界面区 域结构、能量、组成等都呈现连续性梯度 的变化。因此，表/界面不是几何学上的平 面，而是一个结构复杂，厚度约为几个分 子线度的准三维区域，因此常把界面区域 当作一个相或层来处理，称作界面相或界 面层。
按照固体的表面行为及结构，通常可以把表 面分为以下三类： 理想表面：没有杂质的单晶，作为零级近似可将清 洁表面定义为一个理想表面。这是一种理论上的结 构完整的二维点阵平面。 清洁表面：指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩 散等物理化学效应的表面。这种清洁表面的化学组 成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。真实 的清洁表面与理想表面间主要存在如下不同：表面 结构弛豫 ；表面结构重构 ；表面结构偏析 。 吸附表面：吸附表面有时也称界面。它是在清洁表 面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围 空间吸附在表面上的质点所构成的表面。一般可分 为顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。
固体的表面行为
液体在固体表面上的吸附行为
1.1.2 固体的表面结构

固体表面的结构和性质 在很多方面都与固体内 部存在显著的不同。研 究其结构是认识固体性 质的重要手段。
晶体内部的三维平移对 称性在晶体表面消失了。 因此固体表面为晶体三 维周期结构和真空之间 的过渡区域。

图1 不均匀表面的示意图
目录（contents）
材料中的晶界、相界与表面
1、晶界、相界和表面的定义
2、晶界、相界和表面的物理化学性质 3、晶界、相界和表面的形成特征
4、复合体系的界面结合特性
一、晶界、相界和表面的定义
1.1 固体的表面 表面定义:广义上的表面被视为一种特殊界面，即凝聚 相与气相（或真空）之间的分界面。 表面问题在材料研究、生产、使用过程中显得十 分重要，比如：固体物料之间的化学反应、溶质的浸 润及吸附等现象都在表面进行。 表/界面的划分

高二下学期物理人教版选择性必修第三册课件：2.4固体

高二下学期物理人教版选择性必修第三册课件：2.4固体

4.晶体 (1)单晶体：① 有 (填“有”或“没有”)天然的规则的几何形状 ②a. 有 (填“有”或“没有”)确定的 熔点 ； b.导电、导热、光学等某些物理性质表现为各向异性 (填“异性”或“同 性”). (2)多晶体：① 没有 (填“有”或“没有”)规则的几何形状 ②a.有 (填“有”或“没有”)确定的 熔点 ； b.导电、导热、光学等物理性质表现为各向 同性(填“异性”或“同性”)
A.石墨是晶体，石墨烯是非晶体
B.石墨是单质，石墨烯是化合物
√C.石墨、石墨烯与金刚石都是晶体
√D.他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的
图5
解析 石墨、石墨烯、金刚石都为晶体且都为单质，A、B错误，C 正确； 两位科学家是通过物理变化的方法获得石墨烯的，D正确.
随堂演练
1.(晶体和非晶体)(2020·盐城市伍佑中学高二月考)关于晶体和非晶体， 下列说法正确的是 A.可以根据各向同性或各向异性来鉴别晶体和非晶体 B.一块均匀薄片，沿各个方向对它施加拉力，发现其强度一样，则此薄
解析 由题图(b)知，甲、丙有确定的熔点，乙没有确定的熔化温度，所 以甲、丙是晶体，乙是非晶体，由题图(a)知，甲、乙的导热性能呈各向 同性，丙的导热性能呈各向异性，所以丙是单晶体，B正确.
二、晶体的微观结构 导学探究 (1)单晶体具有规则的几何外形，物理性质方面表现为各向异性，而非 晶体没有规则的几何外形，并且物理性质方面表现为各向同性.产生这 些不同的根本原因是什么呢？
知识深化
对晶体的微观解释
(1)对单晶体各向异性的解释
图4为在一个平面上单晶体物质微粒的排列情况.在沿不同方向所画的等长线
段AB、AC、AD上物质微粒的数目不同.线段AB上物质微粒较多，线段AD上

《材料科学与工程基础》课程大纲

《材料科学与工程基础》课程大纲

《材料科学与工程基础》课程大纲一、课程概述课程名称（中文）：材料科学与工程基础（英文）：Fundamentals of Materials Science and Engineering课程编号：14241009课程学分：3课程总学时：48课程性质：专业课二、课程内容简介《材料科学与工程基础》是一门以材料为研究对象的科学，其研究内容涉及高分子材料、无机非金属材料、复合材料等各种材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系，在材料科学与工程专业教学计划中是一门重要的专业基础课。

通过本课程的学习，使学生充分掌握材料科学的基础理论，深入理解材料的组成-结构-工艺-性能之间的关系。

为后继专业课程的学习打下良好的基础。

三、教学目标与要求通过本课程的教学，使学生获得材料科学与工程专业高等工程技术人才所必须掌握的材料科学的基本概念、基本理论和基本原理等知识，培养学生分析解决生产实际问题的能力，进行新材料、新工艺研究开发的初步能力，培养学生的专业素质、科学思维、创新精神要求通过本课程的教学,使学生掌握本课程中的基本概念、基本原理和相关的知识，了解用物理化学等基本原理阐明材料形成过程中的组成、结构、工艺与性能之间关系及相互联系，注重知识的连贯性和增强分析问题和解决问题的能力。

四、教学内容与学时安排第一章绪论（2学时）1. 教学目的与要求：了解本课程的学习内容、性质和作用。

2. 教学重点与难点：《材料科学基础》课程的性质、任务和内容，以及在材料科学与工程技术中的作用。

第二章材料结构基础（18学时）1. 教学目的与要求：掌握描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数、核外电子排布遵循的原则;元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系；原子间结合键分类及其特点；正确理解并掌握高分子链的近程和远程结构。

掌握结晶的热力学、结构和能量条件；相律的应用、克劳修斯——克拉珀龙方程的应用；均匀形核的临界晶核半径和形核功的推导；润湿角的变化范围及其含义；液—固界面的分类及其热力学判据；晶体的生长方式及其对生长速率的关系；阿弗拉密方程的应用；液—固界面结构和液—固界面前沿液体的温度分布对晶体形态的影响；减小晶粒尺寸的方法；了解亚稳相出现的原因；高分子结晶与低分子结晶的相似性和差异性；2. 教学重点与难点：重点：（1）晶向、晶面的表示及其指数的计算；（2）面心立方、体心立方、密排六方晶体的主要参数和计算方法；（3）立方晶体的间隙；（4）点缺陷的主要类型，扩散激活能和FICK第一定律；（5）四种转变类型及特点。

第二章 表面形貌和表面性质

第二章 表面形貌和表面性质
2.与摩擦磨损关系密切：表面粗糙度的 特征对接触表面的压力分布、接触变形 程度、分子吸引力的大小、以及摩擦阻 力和摩擦成因等有决定性的影响。
二. 表面粗糙度的评定参数
高度特征参数:沿着垂直于中心线的方法测
量的。包括：
(1)轮廓算术平均偏差 Ra (2)微观不平度十点平均高度Rz (3)轮廓最大高度Ry
(3)形状公差：是实际表面形状与理想表面形状的 宏观几何形状误差，波距10 mm以上。在表面形貌 分析中，通常不考虑。
表面粗糙度的特征：
1.变化规律：呈现某种规律性变化或为 无规律的随机变化特征。如车削、钻孔 或刨削等工艺加工的表面微凹凸体分布 往往具有一定的规律和方向性；磨削、 研磨或抛光等精加工表面则为无规律的 随机分布特征。
二、摩擦表面性质
1、表面张力、表面能和接触角
(1)表面张力 ：在水内部的一个水分子受周围水分子的作 用力的合力为零，但在表面的一个水分子却不如此。因上 层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸 引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指 向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这 种收缩力称为表面张力。即液体受到拉向内部力的作用， 使其表面积收缩和凝聚，这种力叫表面张力。
由于摩擦的起因是由于两相互接触表面的相对运 动，因此表面性质和表面接触状态必然会影响到 接触表面间的摩擦。 一.表面形貌
任何表面都不可能是绝 对光滑的，即时宏观看 起来很光滑，但是在显 微镜下仍然是非常粗糙， 在微观上看，材料表面 是由连续凹凸不平的峰 和谷组成的，右图为金 属三维表面形貌图。
材料的表面形貌是指其几何形状的详细 图形，着重研究表面微凸体高度的变化， 表面形貌由形状公差、波纹度和表面粗 糙度组成。
(2)干涉法

材料科学基础第二章材料的凝固

材料科学基础第二章材料的凝固
结晶完成后，由一个晶核（Nucleus）长成的晶体，就是一个晶粒。
液体
晶核 新的晶核 晶核长大 晶粒相互接触 液体消失,结晶完成
液体
形核
长大
晶粒, 构成多晶体
长大
晶体
结晶的一般过程——形核和长大
第二章 材料的凝固－§2.3 金属结晶的原理
第三节 金属结晶的原理
一、结晶的热力学条件
金属结晶为什么需要过冷？
第三章 材料制备的基本过程－§3.1 金属的结晶
σ LB σ αB σ αL cosθ
L
式中：
－晶核与基底的接触角(润湿角)；
L－晶核与液相之间的表面能； B －晶核与基底之间的表面能；
LB
LB － 液相与基底之间的表面能。
液相L
S1
晶核
B
r
基底B S2
非均匀形核示意图
在基底B上形成晶核时总的自由能
变化G ：
G VGV GS
GS σ L S1 σ BS2 σ LBS2 σ L S1 (σ B σ LB )S2
第二章 材料的凝固－§2.3 金属结晶的原理
讨论：
当T ＞Tm 时，G＝Gs－GL＞0， 结晶不能进行。
当T ＝Tm 时，G＝Gs－GL＝0， 液、固两相处于动态平衡，
既能结晶，也会熔化。
当T ＜Tm 时，G＝Gs－GL＜0， 结晶能够进行。
G
T
Gs
GL
T T1 Tm T2
液、固两相自由能随温度 变化的关系曲线
第二章 材料的凝固－§2.3 金属结晶的原理
二、结晶的结构条件
有序原子团－晶到Tm以下时，一些尺寸较大的有序原子 团就会稳定下来，成为晶核的胚芽，即晶胚 (Embyro)，晶胚在一定的条件下能够转变为晶 核。因此，结构起伏是结晶不可缺少的条件。
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2.1.2表面结构 表面结构
• 1.理想表面结构
– 理想表面结构是一种理论上的结构完整的二维 点阵平面。这里忽略了晶体内部周期性热场在 晶体中断的影响，也忽略了表面上原子的热运 动以及出现的缺陷和扩散现象，又忽略了表面 外界环境的作用等，因而把晶体的解理面认为 是理想表面。
• （设想在一块无限大的完整晶体中插进一 个平面，把它分成两个半无限大的晶体。 如果在半无限晶体中原子排列和电子密度 都和分割前一样，那么这个分割面就称为 理想解理表面）
2.2.1固体对气体的吸附 固体对气体的吸附
• <1>物理吸附 物理吸附(physical adsorption)： 任 物理吸附 何气体在其临界温度以下，都会在其和固 体表面之间的范德华力作用下，被固体吸 附。但两者之间没有电子转移； • <2>化学吸附 化学吸附(chemical adsorption)： 气 化学吸附 体和固体之间发生了电子的转移，二者产 生了化学键力 。
• <5>表面氧化，吸附和粘污 • 固体与气体的作用有三种形式：吸附、吸收和化 学反应。 • 吸附：固体表面吸引气体与之结合，以降低固体 表面能的作用。 • 吸收：固体的表面和内部都容纳气体，使整个固 体的能量发生变化。 • 化学反应：固体与气体的分子或离子间以化学键 相互作用，形成新的物质，整个固体的能量发生 显著的变化. • 当固体表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或水 蒸气，甚至在一定的条件下发生化学反应而形成 氧化物或氢氧化物。
• 正是这样的原因造成了固体表面有着与固 体体内不同的特点： • 1．原子排列不同; • 2．组分不同。
AFM images of the silicon top layer of two SOI wafers (top) and the silicon/BOX layer interface of the same wafers following removal of the silicon layer by selective chemical etching (bottom). The differences in the observed characteristics are caused by different SIMOX annealing processes
金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图
2.2 固体表面的物理吸附和化学吸附
• 由于固体表面上原子或分子的力场是不饱 和的，就有吸引其它分子的能力，从而使 环境介质在固体表面上的浓度大于体相中 的浓度，这种现象称为吸附 吸附。吸附是固体 吸附 表面最重要的性质之一。 • 在表面工程技术中，许多工艺都是通过基 体和气体或液体的表面接触作用而实现的， 因此了解表面对于气体和液体的基本作用 规律是非常重要的。
• 2．溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附， 但被吸附的程度不同。
– 正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。 – 负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。
• 显然，溶质被正吸附时，溶剂必被负吸附， 反之亦然。在稀溶液中，可以将溶剂的吸 附影响忽略不计，可以简单的如气体吸附 一样处理溶质的吸附，但在浓度较大时， 则必须同时考虑二者的吸附. • 3．固体表面的粗糙度及污染程度对吸附有 很大的影响，液体表面张力的影响也很重 要。
表面不是原子级的平 坦，表面原子可以形 成台阶结构 特点 结构示意图
• • • • • • • •
再构 偏析 理想表面 吸附 化合物 弛豫 化学吸附 台阶
• • • •
图 固体表面原子位置的重新排列
(a)理想解理表面 (b)表面向外弛豫 (c )外层四个原子面的再构（假想模型）
单晶表面的TLK模型
目录
• 2.1 固体材料的表面 物理吸附和 • 2.2 固体表面的物理吸附和化学吸附 固体表面的物理吸附 • 2.3 固体表面清洗
2.1 固体材料的表面
• 2.1.1固体材料的表面 固体材料的表面 固体材料的 • 2.1.2表面结构 表面结构
2.1.1固体材料的表面 固体材料的表面
• 固体是一种重要的物质形态。它大致可分 为晶体和非晶体两类。 • 固体材料是工程技术中最普遍使用的材料。 它的分类方法很多。 • 例如按材料特性可分为金属材料、无机非 金属材料和有机高分子材料； • 若按固体材料所起的作用可分为结构材料 和功能材料两大类。
3.实际表面结构
• 实际表面就是我们通常接触到的表面，与清洁表 面相比较，有下列一些重要特点：
– <1>表面粗糙度 表面粗糙度：经切削，研磨，抛光的固体表面似乎 表面粗糙度 很平整，然而用电子显微镜进行观察，可以看到表面 有明显的起伏，同时还可能有裂缝、空洞等。 拜尔贝层：固体材料经切削加工后，在几个微米或 – <2>拜尔贝层 拜尔贝层 者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化， 使得在表面约10nm的深度内，形成一种非晶态薄层----拜尔贝 （贝尔比，Beilby）层。 – <3>表面存在大量的活性晶格点 表面存在大量的活性晶格点：由于打磨，加工表面 表面存在大量的活性晶格点 的局部被扭曲变形引起，这种表面常常比电解抛光或 低温退火预处理后的表面更活泼。 – <4>残余应力 残余应力：机加工后，除了表面产生拜尔贝层之外， 残余应力 还存在着各种残余应力，按其作用范围大小可分为宏 观内应力和微观内应力。
• 无论是具有各种缺陷的平台，还是台阶和 扭折都会对表面的一些性能产生显著的影 响。例如TLK表面的台阶和扭折对晶体生长、 气体吸附和反应速度等影响较大。 • 严格地说，清洁表面是不存在任何污染的 化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或 杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。 因此，制备清洁表面是很困难的，而在几 个原子层范围内的清洁表面，其偏离三维 周期性结构的主要特征应该是表面弥豫、 表面重构以及表面台阶结构。
• 物理吸附与化学吸附的区别
2.2.2固体对液体的吸附 固体对液体的吸附
• 固体表面对液体分子同样有吸附作用。但这种吸 附与对气体的吸附又有不同，主要表现为： • 1．这种吸附包括对电解质吸附和非电解质吸附： 对电解质吸附将使固体表面带电或电双层中组分 发生 变化，也可能是溶液中的某些离子被吸附到 固体表面，而固体表面的离子则进入溶液之中， 产生离子交换作用。对非电解质吸附，一般表现 为单分子层吸附 ，吸附层以外就是本体相溶液。
第二章 固体材料的表面特点 及表面清洗
个学时） （4个学时） 个学时
基本要求
• 1.了解固体材料表面与内部的不同之处。 • 2.掌握固体表面的物理吸附与化学吸附的特 点。 • 3.了解并掌握实际表面结构的一些典型特征。 • 4.重点掌握固体表面清洗技术的一些相关的 内容。
重要词汇
• • • • • • • • • • • 固体表面 理想表面结构 清洁表面结构 实际表面结构 表面粗糙度 拜尔贝层 残余应力 物理吸附（physical adsorption） 化学吸附（chemical adsorption） 除锈 除油
θ角的大小，与界面张力有关: γs=γLcosθ+γsL 其中：γs为固体表面张力； γL为液体表面张力； γsL为固体和液体界面张力。 该方程叫做Yong方程式。它表明接触角的大小与 三相界面之间的定量关系。因此，凡是能引起任 一界面张力变化的因素都能影响固体表面的润湿 性。从上式可以看到： • 当γs>γsL时，则cosθ>0为正值，θ<90°，此时为 润湿；而且γs与γsL相差越大，θ角越小，润湿性 越好。 • 当γs<γsL时，则cosθ<0为负值，θ>90°，此时不 润湿；而且γs越大和γsL越小时，θ角越大，不润 湿程度越严重。
• 下面列出了几种清洁表面的 情况，晶体表面的成分和结 构都不同于晶体内部，一般 大约要经过4～6个原子层之 后才与体内基本相似，所以 晶体表面实际上只有几个原 子层范围。另一方面，晶体 表面的最外一层也不是一个 原子级的平整表面，因为这 样的熵值较小，尽管原子排 列作了调整，但是自由能仍 较高，所以清洁表面必然存 在各种类型的表面缺陷。
表面张力和接触角的关系
• 当θ<90o时，为润湿。θ越小，润湿性越大，液体 在表面的展开能力越强。 • 当θ=0o时，为完全润湿。液体在表面完全铺展开 来 • 当θ>90o 时，为不润湿。θ越大，润湿性越小，液 体越不易铺展开，易收缩为球状。 • 当θ=180o时，完全不润湿,为球状。
• • • • • •
• 2.清洁表面结构
– （1）清洁表面的一般情况 – 固体材料有单晶、多晶和非晶体等。目前对一 些单晶材料的清洁表面研究得较为彻底，而对 多晶和非晶体得清洁表面还研究的很少。
• 晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原 子键合，形成了附加的表面能。从热力学 来看，表面附近的原子排列总是趋于能量 最低的稳定状态。达到这个稳定态的方式 有两种：一是自行调整，原子排列情况与 材料内部明显不同；二是依靠表面的成分 偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及 这两者的相互作用而趋向稳定态，因而使 表面组分与材料内部不同。
几种清洁表面的结构和特点
表面驰豫
• 晶体的三维周期性在表面处突然中断，表 面上原子的配位情况发生变化，并且表面 原子附近的电荷分布也有改变，使表面原 子所处的力场与体内原子不同，因此，表 面上的原子会发生相对于正常位置的上、 下位移以降低体系能量。表面上原子的这 种位移（压缩或膨胀)称为表面驰豫。
不同加工方法形成的材料表面轮廓曲线
• 材料经过不均匀塑性变形后卸载，就会在内部残 存作用范围较大的宏观内应力。许多表面加工处 理能在材料表层产生很大的残余应力。焊接也能 产生残余应力。材料受热不均匀或各部分热胀系 数不同，在温度变化时就会在材料内部产生热应 力，它也是一种内应力。 • 淬火： • 是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然 后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大 于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏 体为主的不平衡组织的热处理方法。淬火能增加 钢的强度和硬度，但要减少其塑性。淬火中常用 的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。

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