1、1 材料引言玻璃玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態材料。 水泥水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化， 并能夠將砂，石等材料牢固地膠結在一起的細粉狀水硬性材料。 耐火材料耐火材料是指耐火度不低于 1580 攝氏度的無機非金屬材料。硅質耐火材料，鎂質耐火材料，熔鑄耐火材料，輕質耐火材料，不定形耐火材料。 高聚物高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經聚合而組成的分子量很大的化 合物。 膠粘劑膠粘劑是指在常溫下處于粘流態，當受到外力作用時，會產生永久變形， 外力撤去后又不能恢復原狀的高聚物。 合金合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素形成的具有 金屬特性的新物

2、質 固溶體當合金的晶體結構保持溶質組元的晶體結構時，這種合金成為一次固溶體 或端際固溶體，簡稱固溶體。 電子化合物電子化合物是指具有一定（或近似一定）的電子濃度值，且結構相同 或密切相關的相。 間隙化合物由原子半徑較大的過渡金屬元素 （Fe,Cr,Mn,Mo,W,V 等）和原子半徑較小的非（準）金屬元素（H,B,C,N,Si,等）形成的 金屬間化合物。 傳統無機非金屬材料主要是指由 SiO2 及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料， 包括陶瓷，玻璃，水泥和耐火材料等。 新型無機非金屬材料是用氧化物，氮化物，碳化物，硼化物，硫化物，硅化物以 及各種無機非金屬化合物經特殊的先進工藝制成的材料。 2

3、晶體結構晶體晶體是離子，原子或分子按一定的空間結構排列所組成的固體， 其質點在空間的分 布具有周期性和對稱性，因而，晶體具有規則的外形。 晶胞晶胞是從晶體結構中取出來的反應晶體周期性和對稱性的重復單元。 晶體結構晶體結構是指晶體中原子或分子的排列情況，由空間點陣+結構基元而構成， 晶體結構的形式是無限多的。 空間點陣空間點陣是把晶體結構中原子或分子等結構基元抽象為周圍環境相同的陣點 之后，描述晶體結構的周期性和對稱性的圖像。 晶面可將晶體點陣在任何方向上分解為相互平行的節點平面，這樣的結點平面成為晶 面。 晶面指數結晶學中經常用（h k l）來表示一組平行晶面，成為晶面指數。 晶面族在對稱性高

4、的晶體（如立方晶系）中，往往有并不平行的兩組以上的晶面，它們 的原子排列狀況是相同的，這些晶面構成一個晶面族。 晶向族晶體中原子排列周期相同的所有晶向為一個晶向族，用u v w表示。 晶帶或晶帶面在結晶學中， 把同時平行某一晶向u v w的所有晶面成為一個晶帶或晶帶面，該晶向u v w成為這個晶帶的晶帶軸，一個晶帶中 任一晶面（h k l）與其晶帶軸u v w之間的關系滿足晶帶軸定理：hu+kv+lw=0 離子鍵離子鍵是正，負離子依靠靜電庫侖力而產生的鍵合。 共價鍵共價鍵是原子之間通過共用電子對或通過電子云重疊而產生的鍵合。 金屬鍵金屬鍵是失去最外層電子 （價電子） 的原子實和自由電子組成的電

5、子云之間的靜 電庫侖力而產生的鍵合。 范德華鍵（分子鍵）是通過“分子力”而產生的鍵合。 氫鍵指氫原子同時與兩個電負性很大而原子半徑較小的原子（O,F,N 等）相結合，所形成的鍵。 晶體的結合能Eb：組成晶體的 N 個原子處于“自由”狀態時的總 能量 EN 與晶體處于穩定狀態時的總能量 E0 的差值，即 Eb=EN-E0 晶格能對于離子晶體而言，其晶格能 EL 定義為：1mol 離子晶體中的正負離子，由相互遠離的氣態結合成離子晶體時所釋放出的能量。 空間利用率（原子堆積系數）晶胞中原子體積與晶胞體積的比值。 孤立態原子半徑從原子核中心到核外電子的幾率分布趨向于零的位置間的距離。 這個半 徑亦稱為

6、范德華半徑。 金屬原子半徑相鄰兩原子面間距離的一半。如果是離子晶體，則定義正，負離子半徑之 和等于相鄰兩原子面間的距離。 配位數一個原子（或離子）周圍同種原子（或異號離子）的數目成為原子或離子的配位 數，用 CN 來表示。 離子極化在離子緊密堆積時， 帶電荷的離子所產生的電場， 必然要對另一個離子的電子 云產生吸引或排斥作用，使之發生變形，這種現象稱為極化。 哥希密特化學定律晶體結構取決于其組成基元（原子，離子或離子團）的數量關系，大 小關系及極化性能。 同質多晶這種化學組成相同的物質，在不同的熱力學條件下形成結構不同的晶體的現象，成為同質多晶。由此所產生的每一種化學組成相同但結構不同的晶體，

7、成為變體。 類質同晶化學組成相似或相近的物質， 在相同的熱流條件下， 形成的晶體具有相同的結 構，這種現象稱為類質同晶現象。 位移性轉變僅僅是結構畸變， 轉變前后結構差異小， 轉變時并不打開任何鍵或改變最鄰 近的配位數，只是原子的位置發生少許位移，使次級配位有所改變。 重建性轉變不能簡單地通過原子位移來實現， 轉變前后結構差異大， 必須破壞原子間的 鍵，形成一個具有新鍵的結構。 Hume-Rothery 規則如果某非金屬元素的原子能以單鍵與其他原子共價結合形成單質晶 體，則每個原子周圍共價單鍵的數目為 8 減去元素所在周期表的族數（m） ，即共價單鍵數 目為（8-m） 。這個規則亦稱為（8-m

8、）規則。 解理晶體沿某個晶面劈裂的現象稱為解理。 熱釋電性熱釋電性是指某些像六方 ZnS 型的晶體，由于加熱使整個晶體溫度變化，結 果在與該晶體 c 軸垂直方向的一端出現正電荷， 在相反的一端出現負電荷的性質。晶體的熱 釋電性與晶體內部的自發極化有關。 聲電效應通過半導體進行聲電相互轉換得現象稱為聲電效應。 反螢石結構堿金屬元素的氧化物 R2O、 硫化物 R2S、 硒化物 R2Se、 碲化物 R2Te 等 A2X 型化合物為反螢石結構， 它們的正負離子位置剛好與螢石結構中的相反， 即堿金屬離子占據 F-離子的位置，O2-或其他離子占據 Ca2+的位置。這種正負離子位置顛倒的結構，叫做反同 形體

9、。 電光效應電光效應是指對晶體施加電場時，晶體的折射率發生變化的效應。 鐵電晶體鐵電晶體是指具有自發極化且在外電場作用下具有電滯回線的晶體。 聲光效應聲光效應是指光波被聲光介質中的超聲波所衍射或散射的現象。 正尖晶石和反尖晶石在尖晶石結構中，如果 A 離子占據四面體空隙，B 離子占據占據 八面體空隙，則稱為正尖晶石。反之，如果半數的 B 離子占據四面體空隙，A 離子和另外半數的B 離子占據八面體空隙，則稱為反尖晶石。 正尖晶石 （A） B2O4 反尖晶石 （B） ABO4 同晶取代SiO4四面體中心的 Si4+離子可部分地被 Al3+所取代，取代后的結構本身并 不發生大的變化，即所謂的同晶取代

10、，但晶體的性質卻可以發生很大的變化。 壓電效應某些晶體在機械力作用下發生變形，使晶體內正負電荷中心相對位移而極化， 致使晶體兩端表面出現符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成比例。這種由“壓力”產 生“電”的現象稱為正壓電效應。反之，如果具有壓電效應的晶體置于外電場中，電場使晶 體內部正負電荷中心位移，導致晶體產生形變。這種由“電”產生“機械形變”的現象稱為 逆壓電效應。 高分子高分子是指其分子主鏈上的原子都直接以共價鍵連接， 且鏈上的成鍵原子都共享 成鍵電子的化合物。 3 晶體結構缺陷晶體結構缺陷通常把晶體點陣結構中周期性勢場的畸變成為晶體的結構缺陷。 點缺陷點缺陷亦稱為零維缺陷， 缺陷尺寸

11、處于原子大小的數量級上， 即三維方向上缺陷 的尺寸都很小。點缺陷包括空位、間隙質點、雜志質心和色心等。 線缺陷線缺陷也稱為一維缺陷， 是指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、 規則性排 列所產生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。如各種位錯。 面缺陷面缺陷又稱為二維缺陷， 是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、 規則性排 列而產生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三位方向上很小。如晶界、表面、堆 積層錯、鑲嵌結構等。 體缺陷體缺陷亦稱為三維缺陷， 是指在局部的三維空間偏離理想晶體的周期性、 規則性 排列而產生的缺陷。如第二相粒子團、空位團等。 熱缺陷熱缺陷稱為本征缺陷

12、，是指由熱起伏的原因所產生的空位和（或）間隙質點（原子或離子） 。熱缺陷包括弗倫克爾缺陷和肖特基缺陷。弗倫克爾缺陷是質點離開正常格點后 進入到晶格間隙位置， 其特征是空位和間隙質點成對出現。 肖特基缺陷是質點由表面位置遷 移到新表面位置，在晶體表面形成新的一層，同時在晶體內部留下空位，其特征是正負離子 空位成比例出現。 滑移在外力作用下， 晶體的一部分相對于另一部分， 沿著一定晶面的一定晶向發生平移， 使晶面上的原子從一個平衡位置平移到另一個平衡位置，此過程稱為滑移。 滑移系統一個滑移面和該面上的一個確定的滑移方向， 構成一個一個滑移系統， （h k l）u v w來表示。 孿生晶體塑性形變的

13、另一種機制是孿生， 即在外力作用下， 晶體的一部分相對于另一部 分，沿著一定的晶面和晶向發生切變，切變之后，兩部分晶體的位向以切變面為鏡面成對稱 關系。 發生切變的晶面和方向分別叫孿晶面和孿生方向。 變形后發生切變的部分和與其呈晶 面對稱的部分構成孿晶，其界面是共格晶面。 位錯滑移位錯滑移是指在外力作用下， 位錯線在其滑移面 （即位錯線和伯氏矢量 b 構成的晶面）上的運動，結果導致晶體永久變形。 位錯攀移位錯攀移是指在熱缺陷或外力作用下，位錯線在垂直其滑移面方向上的運動， 結果導致晶體中空位或間隙質點的增殖或減少。 位錯的線張力線張力是一種組態力， 定義為使位錯線增加單位長度所需要的能量， 所

14、以 線張力在數值上等于單位長度位錯線的應變能，即 T=W=Gb2。 固溶體將外來組元引入晶體結構， 占據基質晶體質點位置或間隙位置的一部分， 仍保持 一個晶相，這種晶體成為固溶體。 置換式固溶體亦稱替代固溶體，其溶質原子位于點陣結點上，替代（置換）了部分溶劑 原子。 間隙式固溶體亦稱間隙型固溶體，其溶質原子位于點陣的間隙中。 非化學計量缺陷按照化學中定比定律，化合物中的不同原子的數量要保持固定的比例， 但在實際的化合物中， 有一些化合物并不符合定比定律， 其中負離子與正離子的比例并不是 固定的比例關系， 這些化合物稱為非化學計量化合物。 這是在化學組成上偏離化學計量而產 生的一種缺陷。 色心色

15、心是由于電子補償而引起的一種缺陷。一些電子體受到 X 射線、射線、中子 或電子輻照，往往會產生顏色。 4 非晶態結構與性質熔體，玻璃體熔體或液體是介于氣體和固體（晶體）之間的一種物質狀態。熔體特指加 熱到較高溫度才能液化的物質的液體， 即較高熔點物質的液體。 熔體快速冷卻則變成玻璃體。 縮聚由分化過程產生的低聚合物不是一成不變的， 它可以相互發生作用， 形成級次較高 的聚合物，同時釋放出部分 Na2O。這過程成為縮聚。 硼反?，F象這種由于 B3+離子配位數變化引起性能曲線上出現轉折的現象， 稱為硼反反 ?，F象。 混合堿效應熔體中同時引入一種以上的 R2O 或 RO 時，粘度比等量的一種 R2O

16、 或 RO 高，稱為“混合堿效應” ，這可能和離子的半徑、配位等結晶化學條件不同而相互制約有關。 單鍵強度通過測定各種化合物（MOx）的離解能（MOx 離解為氣態原子時所需要的總 能量） ，將這個能量除以該種化合物正離子 M 的氧配位數，可得出 MO 單鍵強度（單位是 kJ/mol） 。 晶子學說玻璃結構是一種不連續的原子集合體，即無數“晶子”分散在無定形介質中； “晶子” 的化學性質和數量取決于玻璃的化學組成， 可以是獨立原子團或一定組成的化合物 和固體等微觀多相體，與該玻璃物系的相平衡有關； “晶子”不同于一般微晶，而是帶有晶 格極度變形的微笑有序區域，在“晶子”中心質點排列較有規律，愈遠

17、離中心則變形程度愈 大；從“晶子”部分到無定形部分的過渡是逐步完成的，兩者之間無明顯界線。 無規則網絡學說玻璃的結構與相應得晶體結構相似，同樣形成連續的三維空間網絡結 構。但玻璃的網絡與晶體的網絡不同，玻璃的網絡是不規則的、非周期的，因此玻璃的內能 比晶體的內能要大。 由于玻璃的強度與晶體的強度屬于同一個數量級， 玻璃的內能與相應晶 體的內能相差并不多，因此它們的結構單元（四面體或三角體）應是相同的，不同之處在于 排列的周期性。 5 表面結構與性質弛豫表面為使體系能量盡可能降低， 表面上的原子常常會產生相對于正常位置的上、 下 位移，結果表面相中原子層的間距偏離體相原子層的間距，產生壓縮或膨脹

18、。表面上原子的 這種位移稱為表面弛豫。 重構表面重構是指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內， 但垂直方向的層間距 離體內相同。 吸附表面吸附表面有時也稱界面。 它是在清潔表面上有來自體內擴散到表面的雜質和來 自表面周圍空間吸附在表面上的質點所構成的表面。 根據原子在基底上的吸附位置， 一般可 分為四種吸附情況，即頂吸附、橋吸附、填充吸附和中心吸附等。 表面偏析表面的許多現象如催化、腐蝕、摩擦等，都與表面的組成和結構有關。不論表 面進行多么嚴格的清潔處理， 總有一些雜質由體內偏析到表面上來， 從而使固體表面組成與 體內不同。 固體表面力晶體中每個質點周圍都存在著一個力場。 由于晶體內部質點

19、排列是有序和周 期重復的，故每個質點力場是對稱的。但在固體表面，質點排列的周期重復性中斷，使處于 表面邊界上的質點力場對稱性破壞，表現出剩余的鍵力，這就是固體表面力。 范德華力分子引力， 一般是指固體表面與被吸附質點 （例如氣體分子） 之間相互作用力。 粘附功是指把單位粘附界面拉開所需的功。 6 相平衡和相圖凝聚系統沒有氣相或雖有氣相但其影響可忽略不計的系統稱為凝聚系統。 相系統中具有相同物理與化學性質的完全均勻部分的總和成為相。 組元系統中每一個能單獨分離出來并能獨立存在的化學純物質稱為組元。 獨立組元足以表示形成平衡系統中各相組成所需要的最少數目的物質 （組元） 成為獨立 組元。 自由度在

20、一定范圍內， 可以任意改變而不引起舊相消失或新相產生的獨立變量稱為自由 度。 可逆與不可逆多晶轉變多晶轉變根據其進行的方向是否可逆， 分為可逆的轉變和不可逆 的轉變兩種類型?？赡孓D變又稱為雙向轉變，不可逆轉變稱為單向轉變。 獨立析晶獨立析晶通常是在轉熔過程中發生的， 由于冷卻速度較快， 被回吸的晶相有可 能會被新析出的固相包裹起來， 使轉熔過程不能繼續進行， 從而使液相進行另一個單獨的析 晶過程，這就是所謂的獨立析晶。 7 基本動力學過程擴散擴散是物質內質點運動的基本方式， 當溫度高于絕對零度時，任何物系內的質點都 在做熱運動。 當物質內有梯度 （化學位、濃度、應力梯度等）存在時，由于熱運動而

21、觸發 （導致）的質點定向遷移即所謂的擴散。 穩態擴散與非穩態擴散穩態擴散的特征是空間任意一點的濃度不隨時間變化， 擴散通量 不隨位置變化； 非穩態擴散的特征是空間任意一點的濃度隨時間變化， 擴散通量隨位置變化。 穩態擴散在擴散系統中， 若對于任一體積元， 在任一時刻流入的物質量與流出的物質量相等，即任一點的濃度不隨時間變化，則稱這種狀態為穩態擴散。 本征擴散與非本征擴散本征擴散是由本征點缺陷（即熱缺陷）引起的擴散；非本征擴散是由非本征點缺陷引起的擴散，又包括摻雜點缺陷和非化學計量化合物兩種情況。 自擴散與互擴散自擴散是指不伴有濃度變化的擴散， 與濃度梯度無關， 只能發生在純金 屬或均勻固溶體中

22、；互擴散是指伴有濃度變化的擴散，與濃度差有關。 克肯達爾效應由于多元系統中各組元擴散速率不同而引起的擴散偶原始界面向擴散速率快的一側移動的現象稱為克肯達爾效應。 8 材料中的相變一級相變在臨界溫度、臨界壓力時，兩相化學位相等，但化學位的一階偏導數不相等的 相變。 二級相變相變時化學位及其一階偏導數相等，而二階偏導數不相等的相變。 擴散型相變在相變時，依靠原子（離子）的擴散來進行的相變成為擴散型相變。 非擴散型相變相變過程不存在原子（離子）的擴散，或雖存在擴散但不是相變所必需的 或不是主要過程的相變即為無擴散型相變。 共格應變能對于大多數晶態固體來說， 其點陣常數總是隨成分而改變的， 如果這種固溶 體發生調幅分解時，點陣保持共格，必須使點陣發生彈性畸變而引起應變能。 比體積應變能由切變產生的應變能與由體積變化產生的應變能之和。 10 燒結燒結壓制成型后的粉狀物在低于