材料科学基础

材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科。

1表征硅酸盐晶体的化学式时，通常有两种方法：一种是所谓的氧化物方法，另一种是无机络盐表示法。

2绿宝石属于六方晶系，空间**6/mcc，晶胞参数a=0.921nm，c=0.917nm，晶胞分子数z=2基本结构单元：

由6个[sio4]四面体组成的六节环。六节环中的1个si4+和2个o2-处在同一高度，环与环相叠起来。图中粗黑线的六节环在上面，标高为100，细黑线的六节环在下面，标高为50。

上下两层环错开30o，投影方向并不重叠。环与环之间通过be2+和al3+离子连接。

绿宝石结构的六节环内没有其它离子存在，使晶体结构中存在大的环形空腔。当有电价低、半径小的离子（如na+）存在时，在直流电场中，晶体会表现出显著的离子电导，在交流电场中会有较大的介电损耗；当晶体受热时，质点热振动的振幅增大，大的空腔使晶体不会有明显的膨胀，因而表现出较小的膨胀系数。结晶学方面，绿宝石的晶体常呈现六方或复六方柱晶形。

堇青石mg2al3[alsi5o18] 与绿宝石结构相同，但六节环中有一个si4+被al3+取代；同时，环外的正离子由（be3al2）变为（mg2al3），使电价得以平衡。此时，正离子在环形空腔迁移阻力增大，故堇青石的介电性质较绿宝石有所改善。堇青石陶瓷热学性能良好，但不宜作无线电陶瓷，因为其高频损耗大。

层状结构的基本单元、化学式与类型。

层状结构是每个硅氧四面体通过3个桥氧连接，构成向二维方向伸展的六节环状的硅氧层（无限四面体群），在六节环状的层中，可取出一个矩形单元[si4o10]4-，于是硅氧层的化学式可写为[si4o10]。

结构中的离子取代：

1)2个al3+被3个mg2+取代，形成金云母kmg3[alsi3o10](oh)2；用f－取代oh－，得到人工合成的氟金云母kmg3[alsi3o10]f2，作绝缘材料使用时耐高温达1000℃，而天然的仅600℃。

2)用(mg2+, fe2+)代替al3+，形成黑云母k ( mg，fe )3[alsi3o10](oh )2；

3)用( li+，fe2+ )取代1个al3+，得锂铁云母klife2+al[alsi3o10] (oh )2；

4)若2个li+取代1个al3+，同时[alsi3o10]中的al3+被si4+取代，则形成锂云母kli2al[si4o10] (oh) 2。

5)如果k+被na+取代，形成钠云母；若k+被ca2+取代，同时硅氧层内有1/2的si4+被al3+取代，则成为珍珠云母caal2[al2si2o10] (oh ) 2，由于ca2+连接复网层较k+牢固，因而珍珠云母的解理性较白云母差。

方石英、磷石英、a-石英的区别。

石英、-鳞石英和-方石英结构上的主要差别在于硅氧四面体之间的连接方式不同（见图1-3-16）。在-方石英中，两个共顶连接的硅氧四面体以共用o2-为中心处于中心对称状态。在-鳞石英中，两个共顶的硅氧四面体之间相当于有一对称面。

在-石英中，相当于在-方石英结构基础上，使si-o-si键由180o转变为150o。由于这三种石英中硅氧四面体的连接方式不同，因此，它们之间的转变属于重建性转变。

同一系列（即纵向）之间的转变不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长、键角的调整，转变迅速且可逆，对应的是位移性转变。不同系列（即横向）之间的转变，如-石英和-鳞石英、-鳞石英和-方石英之间的转变都涉及键的破裂和重建，转变速度缓慢，属于重建性转变。

某些晶体在机械力作用下发生变形，使晶体内正负电荷中心相对位移而极化，致使晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成比例。这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应(direct piezoelectric effect)

如果具有压电效应的晶体置于外电场中，电场使晶体内部正负电荷中心位移，导致晶体产生形变。这种由“电”产生“机械形变”的现象称为逆压电效应(converse piezoelectric effect)。

萤石（caf2）型结构及反萤石型结构。

为什么钛酸钙不存在自发极化现象？

在室温下，钛酸钙的晶胞参数a=0.38nm，钛、氧离子中心间距为0.19nm，比钛、氧离子半径之和小0.

006nm。这说明氧八面体空隙比钛离子小得多，钛离子位移后恢复力很大，无法在新位置上固定下来，因此不会出现自发极化。

为什么钛酸钡晶体中只有反平行和垂直两类电畴？

在理想情况下，电畴从形成中心开始一直可以扩展到整个晶体。实际晶体中，极化从某一中心扩展到晶格缺陷附近，离子间的内电场出现了间断。这时，另一个自发极化中心出现并按不同方向扩展，结果在晶体内出现一系列方向不同的电畴。

由于钛酸钡晶体中的氧离子位于相互垂直的三个轴上，因此不同电畴中钛离子的自发位移方向只能是互相反平行和垂直的。

在尖晶石结构中，如果a离子占据四面体空隙，b离子占据八面体空隙，称为正尖晶石。反之，如果半数的b离子占据四面体空隙，a离子和另外半数的b离子占据八面体空隙，则称为反尖晶石。

热缺陷：当晶体的温度高于绝对0k时，由于晶格内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。

frankel缺陷特点 ——空位和间隙成对产生；晶体密度不变。空位、填隙原子成对出现，两者数量相等；晶体的体积不发生改变；间隙——六方、面心立方密堆中的四面体和八面体空隙；一般情况下，离子晶体中阳离子比阴离子小，即正负离子半径相差大时，易形成frenkel缺陷。

schttky缺陷特点——对于离子晶体，为保持电中性，正离子空位和负离子空位成对产生，晶体体积增大；只有空位，没有填隙原子；如果是离子晶体，阳离子空位和阴离子空位成对出现，两者数量相等，保持电中性；伴随新表面的产生，晶体体积增加；正负离子半径相差不大时，schottky缺陷为主；

非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）

存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学组成与周围环境气氛有关；不同种类的离子或原子数之比不能用简单整数表示。如：；

桥氧：有限四面体群中连接两个si4+离子的氧称为桥氧。

非桥氧：相对地只有一侧与si4+离子相连接的氧称为非桥氧或活性氧。

耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。

介电强度（dielectric strength）是指单位厚度的绝缘材料在击穿之前能够承受的最高电压，即电场强度最大值，单位是kv/mm。

介电损耗是指电介质在交变电场中，由于消耗部分电能而使电解质本身发热的现象。

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