材料科学基础石德珂_范文大全

材料科学基础石德珂

【范文精选】材料科学基础石德珂

【范文大全】材料科学基础石德珂

【专家解析】材料科学基础石德珂

【优秀范文】材料科学基础石德珂

范文一:材料科学基础(石德珂)重点 投稿:丁线绀

固溶体:以合金中某一组元作为溶剂,其他组元作为溶质,所形成的与溶剂有相同的晶体结构、晶格常数稍有变化的固相称为固溶体

无限固溶:溶质能以任何比例溶入溶剂中,形成完全互溶的固溶体

小角度晶界:晶界两侧晶粒位相差角小于10°的晶界,基本上由位错组成

大角度晶界:相邻两晶粒的位相差大于10度的晶界

珠光体:铁碳平衡相图的共析反应产物,是铁素体与渗碳体的共析混合物

超点阵:溶质原子呈完全有序分布的固溶体为有序固溶体,或称超点阵

全位错:柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错

共晶转变:由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变

多晶型转变:当外界条件改变时,元素的晶体结构可以发生转变,把金属的这种转变称为多晶型转变

离子晶体:由正负离子通过离子键按一定方式堆积起来而形成的晶体

置换固溶体:溶质原子占据了溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体

间隙固溶体:溶质原子进入溶剂晶格的间隙所形成的固溶体

不全位错:柏氏矢量小于点阵矢量的称为不全位错

包晶转变: 由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变

固溶强化:由于溶质原子的固溶而引起的强化叫固溶强化

堆垛层错: 实际晶体结构中,密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏而错排

位错密度:单位体积晶体中所包含的位错线的总长度

柯氏气团:溶质原子与位错交互作用后,在周围偏聚的现象称为柯氏气团

比基体小的置换式原子和空位被吸引到刃位错周围的压缩区,而比基体间隙大的间隙原子和置换原子被吸引到刃位错的扩张区,这种溶质原子偏聚与刃位错产生的弹性交互作用称为Cottrell气团。

超离子导电性:一部分离子晶体的扩散激活能很低,在室温下有较高的导电率

螺位错:柏氏矢量平行于位错线的位错

刃位错:柏氏矢量与位错线垂直的位错

扩展位错:两个不全位错中间夹一层错的位错组态

全位错:位错的柏氏矢量等于点阵矢量的整数倍的位错

不全位错:柏氏矢量小于单位点阵矢量的位错

一次键:结合力较强,在分子内起键合作用的强键。包括离子键共价键和金属键 二次键:结合力较弱,分子之间的相互作用大都为弱键包括范德瓦耳斯键和氢键 相:结构相同,物理和化学性质完全均匀的部分

交滑移:螺位错在滑移面上滑移受阻后,绕到与此滑移面相交的另一个滑移面上滑移

组元:材料中基本的、独立的物质,可以是纯元素、也可以是化合物,及金属和非金属元素 合金:由两种或两种以上的金属和非金属组成的、具有金属特性的物质

相变:相与相之间的转变成为相变

吉布斯相律:处于热力学平衡状态的系统中,自由度与组元和相数之间的关系

伪共晶:在不平衡结晶的条件下,不在共晶成分点处的合金,也能全部转变成共晶组织 共析反应:一个特定成分的固相生成另外两个特定成分的固相

过饱和点缺陷:晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度

位错反应:位错除相互作用外,还可能发生分解或合成

均匀形核:在均一的液相中靠自身的结构起伏和能量起伏形成新相核心的过程

非均匀形核:形核依附于液相中某种固体表面(外来杂质表面或容器壁)上形成的过程 形核率:单位时间、单位体积内液相中形成的晶核数目

平均分配系数:合金平衡凝固时,固相的成分与液相成分的比值

渗碳体:Fe3C,是铁与碳的间隙化合物,其含碳量为6.69%,是铁碳合金中的重要基本相 滑移:在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)产生相对位移,且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式

派-拉力:在理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所需克服的阻力

孪生:晶体在切应力作用下,沿一定的晶面(孪晶面)和晶向(孪晶方向),在一个区域内发生连续的切变,使已变形的晶体部分与未变形的晶体部分保持镜面对称的关系,即产生孪晶的过程

临界切应力:单晶体受拉伸,当拉伸轴沿一定晶向,只有当外应力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力达到某一临界值时,晶体开始滑移,产生变形,这一临界应力值就称临界切分应力

形变织构:在塑性变形中,随着变形量的增加,多晶体中原来为向互不相同的晶粒在空间位向上呈现一定程度的一致

组织:各相晶粒的相对含量、尺寸大小、形状分布等形貌特征,有多相组织、单相组织 间隙化合物:半径较小的非金属原子(C、N、B、O等),处于过渡族金属晶体的间隙中,形成的化合物称为间隙化合物

固溶强化:由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点,使晶格发生畸变,使固溶体硬度和强度升高

一次固溶体:溶剂原子为单质(纯元素)的固溶体称为一次固溶体

二次固溶体:溶剂为化合物的固溶体为二次固溶体

同素异构:同种组分金属在不同的温度和压力下具有不同的晶体结构的现象

攀移:刃位错在垂直于滑移面是方向上的运动

有序化:有序固溶体在某一温度以上可以转变成无序固溶体,重新冷却到该温度以下时又转变成有序固溶体,这一转变过程为有序化

辨析题

相的特点:相与相之间存在有明显的界面;界面两端,物质性质有飞跃性的改变;一个体系中可以存在一个或多个相。

间隙固溶体:属于固溶体,小原子位于间隙位置;

间隙化合物:属于中间相的一种,非金属原子也处于化合物的间隙位置。

相同点:小原子都处于间隙位置

不同点:一个属于固溶体,一个属于中间相化合物

简答题

1. 请写出七大晶系中的4种晶系,十四种布拉菲点阵中的8种布拉菲点阵 2. 请从结构上说明为什么金刚石具有高强度和高硬度

在金刚石晶体内部,金刚石结构属于面心立方晶系,每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合的共价键,具有饱和性和方向性,形成一种致密的三维结构。这是一种在其他矿物中都未曾见到过的特殊结构。而且,这种致密的结构,使得金刚石的密度为每立方厘米约3.5克,大约是石墨密度的

1.5倍。正是这种致密的结构,使得金刚石具有最大的硬度

3. 简述铸锭组织的三晶区的特点:

外表层的细晶区:晶粒细小、组织致密、力学性能良好;中间的柱状晶区:晶粒取向、组织致密、缺陷聚集、塑性较差;心部的等轴晶区:晶粒无方向性、树枝状晶体、组织不够致密、性能一般

讨论题(16分)

从位错角度说明金属的强化机制。

讨论题要从位错角度解释,具体从固溶强化、细晶强化、加工硬化和沉淀弥散强化等手段说明,这些手段都与阻碍位错的运动有关。(固溶强化产生的晶格畸变、溶质原子与位错的交互作用,晶界,塑性变形产生的位错及沉淀析出的第二相粒子对位错运动的阻碍作用)

范文二:材料科学基础第二版(石德珂著)机械工业出版社课后答案 投稿:唐芐芑

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范文三:中国石油大学材料科学基础考纲 投稿:黄鑶鑷

2010年考试大纲 -《材料科学基础》

已浏览: 615次 作者: 来源: 发布时间:2009年09月23日 11:19:25[字体大小:小 中 大] 课程名称:材料科学基础

适用专业:材料科学与工程

参考书目:《材料科学基础》哈尔滨工业大学出版社,2002 赵品;

《材料科学基础》西北工业大学出版社刘智恩

考试内容要求:

一、材料的结构

1.材料键合方式、晶体与非晶体、晶胞、晶系、晶面指数与晶向指数及其关系、晶面间距、晶带、布拉菲点阵;

2.三种典型金属晶体的原子排列方式、晶胞原子数、配位数、致密度、密排晶向与密排晶面、晶格间隙、晶体原子的堆垛方式;

3.常见共价晶体、离子晶体的结构;

4.合金的相结构:相、组织、固溶体和中间相的分类与性能;

二、晶体缺陷

1、点缺陷、位错、面缺陷的基本概念;

2、位错的类型、柏氏矢量、位错的运动(滑移与攀移)、位错的分解与合成、实际晶体中的单位位错、位错的增殖;

3、面缺陷的类型及晶界特性。

三、金属的结晶

1、金属结晶规律、过冷现象、结晶的热力学条件;

2、均匀与非均匀形核、临界晶核半径、形核功,晶体长大机制与形态;

3、晶粒尺寸控制、单晶、准晶、非晶获得方法。

四、二元相图

1、相平衡、相律、杠杆定律;

2、匀晶、共晶与包晶三大类相图的平衡凝固过程分析、组织形貌及平衡相、平衡组织计算;不平衡结晶及组织;

五、铁碳相图

1、Fe—Fe3C相图的特征温度点、碳含量、转变线、各区域的组织与组成相、

铁碳合金的分类、各种典型合金冷却过程分析与相、组织含量计算。

2、含碳量对碳钢平衡组织和性能的影响;钢中的主要杂质及对性能的影响;

3、铸锭的三晶区域及其形成机制、影响因素及铸锭的宏观组织缺陷。

六、金属的塑性变形

1、单晶体的塑性变形、晶体滑移的位错机制、滑移面、滑移方向、滑移系、

多滑移、交滑移;

2、多晶体的塑性变形,细晶强化;

3、塑性变形对金属组织与性能的影响;

4、金属强化的位错机制(包括:细晶强化、加工硬化、固溶强化、弥散强化)

七、回复与再结晶

1.冷变形金属在加热过程中的组织与性能变化;

2.回复机制、影响再结晶因素及再结晶后晶粒大小控制、晶粒长大过程;

3.动态回复与动态再结晶,金属的热加工。

八、扩散

1、扩散第一、第二定律;

2、扩散机制、分类、影响扩散的因素。

试题类型:概念题、填空题、简述题、计算题、分析题。

具体要求:基本概念与基本原理清楚,并能够利用其计算与分析。

范文四:材料科学基础论文 投稿:龙宻宼

材料科学基础在光机电一体化中的应用

摘 要:材料科学的形成是科学技术发展的结果。随着现在科学技术迅猛发展的趋势,对材料的研究提出了更高的要求;同时推动了材料科学向前发展。通过对材料科学的学习,可以对各种类型材料有一个更深入的了解。身为一个机械制造及其自动化专业的研究生,无时无刻都要与材料打交道;这对我以后在光机电一体化方向的研究将受益匪浅。

关键词:材料科学 科学技术 光机电一体化

引言

材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能,以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶,是一门与工程技术密不可分的应用科学。材料的广泛应用是材料科学与技术发展的主要动力。在实验室具有优越性能的材料,不等于在实际工作条件下能得到应用,必须通过应用研究做出判断,而后采取有效措施进行改进。材料在制成零部件以后的使用寿命的确定是材料应用研究的另一方面,关系到安全设计和经济设计,关系到有效利用材料和合理选材。通过应用研究可以发现材料中规律性的东西,从而指导材料的改进和发展。由于光机电一体化产品的主要功能和结构功能,往往是以机械技术为主实现的,所以机械结构的稳定性将直接影响到系统的稳定性和可靠性;而机械结构的稳定性离不开机械结构的材料。光机电一体化产品的小、巧、轻、薄、高精度等特点,对机械结构的材料也提出了更高的要求。

塑性变形与光机电一体化

光机电一体化技术是光学、机械学、电子学、信息处理与控制等多学科相互参透、相互融合而形成的边缘技术。其中机械技术是关于机械的机构以及利用这些机构传递运动的技术,它是光机电一体化技术的基础。机械机构就涉及材料科学的知识,包括材料的选择、材料的分析、材料的加工、材料的塑性变形等等。下面就简单分析一下金属材料的塑性变形与光机电一体化的关系。塑性变形在金属体内的分布是不均匀的,所以外力去除后,各部分的弹性恢复也不会完全一样,这就使金属体内各部分之间产生相互平衡的内应力,即残余应力。残余应力降低零件的尺寸稳定性,增大应力腐蚀的倾向。由此可见,金属的塑性变形,对金属的组织和性能影响很大,常会出现加工硬化、内应力和各向异性等现象。而光机电一体化产品对精度的要求很高,就必须消除或者减小这些影响。金属经冷态塑性变形后,晶粒内部出现滑移带或孪晶带。各晶粒还沿变形方向伸长和扭曲。当变形量很大而且是沿着一个方向时,晶粒内原子排列的位向趋向一致,同时金属内部存在的夹杂物也被沿变形方向拉长形成纤维组织,使金属产生各向异性。沿变形方向的强度、塑性和韧性都比横向的高。当金属在热态下变形,由于发生了再结晶,晶粒的取向会不同程度地偏离变形方向,但夹杂物拉长形成的纤维方向不变,金属仍有各向异性。因此,可以对经过冷变形的金属进行再结晶和回火处理。经过冷变形的金属,如加热到一定温度并保持一定的时间,原子的激活能增加到足够的活动力时,便会出现新的晶核,并成长为新的晶粒,这种现象称为再结晶。经过再结晶处理后,冷变形引起的晶粒畸变以及由此引起的加工硬化、残余应力等都会完全消除。 材料科学的发展对光机电一体化技术的影响

研究与发展材料的目的在于应用,而材料必须通过合理的工艺流程才能制备出有实用价

值的材料来,通过批量生产才能成为工程材料。在将实验室的研究成果变成实用的工程材料过程中,材料的制备工艺、检测技术、计算机技术等起着重要的作用。材料的实用研究构成了材料科学与技术的结合点。未来的光机电一体化技术将朝着微型化、智能化、模块化、数字化、集成化、网络化、人性化、带源化、绿色化的方向发展。因此,这就对材料提出了更高的要求。随着高科技的发展,材料科学和新材料主要在以下几个方面得到发展,复合材料是结构材料发展的重点,其中主要包括树脂基高强度、高模量纤维复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料,其量大面广、经济实用,具有广阔的发展前景。功能材料与器件相结合,并趋于小型化与多功能化。特别是外延技术与超晶格理论的发展,使材料与器件的制备可以控制在原子尺度上,这将成为发展的重点。随着金属材料在性能价格比、工艺及现有装备上都具有明显优势,而且新品种不断涌现,今后仍将有很强的生命力。高分子材料还会大大发展,性能会更优异,特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位,还将不断发展。材料科学的发展给光机电一体化技术提供了更广阔的空间。

光机电一体化技术对材料科学发展的促进

材料科学的发展在很大程度上依赖于检测技术的提高。每一种新仪器和测试手段的发明创造,都对当时新材料的出现和发展起到了促进作用。1863年,光学显微镜用于金属材料的研究。随后又出现了电子显微镜、扫描电镜、高分辨率电镜,其点分辨率在0.2纳米左右,足以观察到原子,为研究材料的内部组织结构提供了先决条件。而后又出现扫描透射电镜、扫描隧道显微镜,不但可以观察到原子,分析出微小区域的化学成分和结构,还可用来进行原子加工,为在微观结构上设计新材料打下了基础。

检测技术又是控制材料工艺流程和产品质量的主要手段,其中无损检测不但可以检查材料的宏观缺陷,还可监控裂纹的萌生和发展,为材料的失效分析提供了依据。各种检测用传感器,利用物理、化学或生物原理来传递材料在使用和生产过程中所产生的信息,从而达到控制产品质量的目的。随着科学技术的发展,各种检测技术和检测装置不断更新,适应在线、动态及各种恶劣环境测试的检测装置将用于材料的研究和生产中。

光机电一体化产品的开发对材料科学的发展大有裨益,例如:我们实验室研究的具有国内先进水平的“自动显微镜系统多媒体互动实验平台”,可以自动调焦并获得材料的晶相组织,对检测材料的组织很有帮助。

结论

通过对材料科学基础的学习,使我了解到材料科学在机械行业中的重要性。它在我们的机械行业中扮演重要的角色。要想自己在生活在扮演重要的角色,就要努力的充实自己,不仅在科学文化知识的学习方面,还有在社会阅历和人际交往上努力提高自己。只有这样才能在竞争中不被淘汰。

随着国民经济的发展,创新意识的提高,材料科学基础扮演的角色越来越重要。我们在努力学习理论知识的同时,也要结合自己的研究方向把材料科学基础的知识运用到实践当中去,加强自己的动手能力。只有通过自己的实践,才能更好的理解理论,发现自己的问题;才能更好的学好材料科学基础。

参考文献

[1] 刘智恩.材料科学基础(第三版):西北工业大学出版社,1999.9.

[2] 萧泽新.光机电一体化系统及应用:华南理工大学出版社,2011.10.

[3] 萧泽新.工程光学设计(第二版):电子工业出版社,2008.2.10.

[4] 胡德林.金属学及热处理:西北工业大学出版社,1995.

[5] 于春田.金属基复合材料:冶金工业出版社,1995.

范文五:材料科学基础 投稿:史烒烓

复习

第一章 晶体化学基础 一、紧密堆积原理

晶体中各离子间的相互结合,可以看作是球体的堆积。 按照晶体中质点的结合应遵循势能最低的原则,从球体堆积的几何角度来看,球体堆积的密度越大,系统的势能越低,晶体越稳定。此即球体最紧密堆积原理。

1、等径球体紧密堆积:晶体由一种元素构成,如Cu、Ag、Au等单质。

2、不等径球体紧密堆积:晶体由两种以上的元素构成,如NaCl、MgO等化合物。

(1)空隙形式

一是由四个球围成的空隙,称为四面体空隙。 一是由六个球围成的空隙,称为八面体空隙。 (2)空隙数量

如果晶胞为n个球组成,则四面体空隙的总数应为8 × n∕4 =2n个;而八面体空隙的总数为6 × n∕6 =n个。所以,当有n个等大的球体作最紧密堆积时,就会有2n个四面体空隙和 n个八面体空隙

球的数目:八面体数目:四面体数目=1:1:2

1、等径球体紧密堆积方式

(1)六方紧密堆积 Hexagonal Close-packed Structure (HCP)

按ABABAB„„的顺序堆积,球体在空间的分布与空间格子中的六方格子相对应。 (2)面心立方紧密堆积 Face Centered Cubic Structure(FCC)

按ABCABC„„的顺序堆积,球体在空间的分布与空间格子中的立方格子相对应。

2、不等径球体紧密堆积

不等径球进行堆积时,较大球体按等径球体作紧密堆积,较小的球填充在大球紧密堆积形成的四面体空隙或八面体空隙中。

离子晶体中:半径较大的阴离子作紧密堆积,半径小的阳离子则填充在四面体空隙或八面体空隙中。

二、鲍 林 规 则

鲍林第一规则——配位体规则

围绕每个阳离子,形成一个阴离子配位多面体,阴、阳离子的距

离决定于它们的半径之和,阳离子的配位数取决于它们的半径比值,与电价无关。

表明,阳离子的配位数并非决定于它本身或阴离子半径,而是决定于它们的比值。

鲍 林 第 二 规 则——静电价规则

在一个稳定的离子化合物结构中,每一个阴离子的电价等于相邻阳离子分配给这个阴离子的静电键强度总和。

阳离子电荷数Z

静电键强度S== 阴离子电荷数Z=Si

阳离子配位数ni

应用一:判断晶体结构是否稳定 如:NaCl晶体 应用二:确定共用一个顶点(即同一个阴离子)的配位多面体的数目 如:[SiO4]、 [AlO6]、[MgO6]

鲍林第三规则 ——多面体共顶、共棱和共面规则

在一个配位结构中,两个阴离子配位多面体共棱,特别是共面时,结构的稳定性便会降低。对于电价高、配位数小的阳离子,这个效应特别显著。

鲍林第四规则 ——不同配位多面体连接规则 在一个含有不同阳离子的晶体结构中,电价高、配位数小的阳离子,趋向于不相互共享配位多面体要素。

例:岛状镁橄榄石(Mg2SiO4)

鲍林第五规则 ——节约规则

在同一个晶体结构中,本质上不同的结构单元的数目趋向于最少数目。 例:(1) SiO2 (2)柘榴石(Ca3Al2Si3O12)

其中:CNCa=8,CNAl=6,CNSi=4 第二章 晶体结构

一、具有紧密堆积形式的晶体结构分析步骤:

1、阴离子堆积方式——阴离子以面心立方形式堆积,则构成晶胞的阴离子占据立方体的八个角顶和六个面心的位置。

2、根据r+/ r-值,确定阳离子的配位数。 r+/ r- =0.225~0.414之间,n=4 r+/ r- =0.414~0.732之间,n=6

3、阳离子在四面体或八面体空隙中的填充率(P)

阳离子填充于全部八面体空隙,填充率P=1,即阳离子分布于晶胞的体心与12条棱的中心;

阳离子填充于全部四面体空隙,填充率P=1/2,即阳离子分布于晶胞八个顶角的四面体空隙的四个位置。

一、面心立方紧密堆积

1、阴离子堆积方式——阴离子以面心立方 形式堆积,则构成晶胞的阴离子占据立方体的八个角顶和六个面心的位置。

2、根据r+/ r-值,确定阳离子的配位数。 r+/ r- =0.225~0.414之间,n= r+/ r- =0.414~0.732之间,n=6 第二节 硅酸盐晶体结构 一、岛状结构

在硅酸盐晶体结构中,[SiO4]以孤立状态存在,[SiO4]之间通过

其他阳离子连接起来,这种结构称为岛状结构。 Si:O=1:4

镁橄榄石Mg2[SiO4]

氧离子近似六方紧密堆积排列,硅离子填充于四面体空隙之中,填充率为1/8;镁离子填充于八面体空隙之中,填充率为1/2。 [SiO4]是以孤立状态存在,它们之间通过Mg2+连接起来。

二、组群状结构

由两个、三个、四个或六个[SiO4]通过共用氧相连的硅氧四面体群体,分别称为双四面体、三节环、四节环、六节环,这些群体在结构中单独存在,由其他阳离子连接起来。

双四面体 Si:O=2:7 三、四、六节环 Si:O=1:3 绿宝石Be3Al2 [Si6O18]

六个[SiO4]通过共用氧相连形成的六节环,六节环之间是靠Al3+和Be2+相连。 Al3+的配位数为6,构成Al-O八面体 , Be2+的配位数为4,构成Be-O四面体。

三、链状结构

[SiO4]之间通过桥氧相连,在一维方向无限延伸的链状结构,称为单链。 在单链中,每个[SiO4]中有两个为桥氧,化学式[Si2O6]n4n- ,Si:O=1:3。 两条相同的单链通过尚未公用的氧连起来向一维方向延伸的带状结构称为双链。 双链结构中,一半[SiO4]有两个桥氧,一半[SiO4]有三个桥氧,化学式[Si4O11]n6n-,Si:O=4:11

四、层状结构

[SiO4]之间通过三个桥氧相连,在二维平面无限延伸构成的硅氧四面体层。

在硅氧层中,通过三个桥氧相互连接,形成向二维方向无限发展的六边形网络,称硅氧四面体层,其结构基元为[Si4O10] 。化学式[Si4O10]n4n- ,Si:O=4:10 。

非桥氧一般由Al3+、Mg3+、Fe3+等阳离子相连,它们的配位数为6,构成[AlO4]、[MgO6]等,形成铝氧八面体层或镁氧八面体层。 五、架状结构

硅氧四面体之间通过四个顶角的桥氧连起来,向三维空间无限发展的骨架状结构称为架状结构。

Si:O=1:2 石英晶体结构

第三章 晶体结构缺陷

一、热缺陷的类型

弗伦克尔缺陷

在晶格内原子热振动时,一些能量足够大的原子离开平衡位置后,进入晶格点的间隙位置,变成间隙原子,而在原来的位置上形成一个空位,这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。 弗伦克尔缺陷特点: 1、间隙质点与空位总是成对出现。2、晶体体积不变。

NaCl型晶体中间隙较小,不易产生弗伦克尔缺陷;萤石型结构中存在很大间隙位置,相对而言比较容易生成间隙离子。 肖特基缺陷

如果正常格点上的原子,热起伏过程中获得能量离开平衡位置,跳跃到晶体的表 面,在原正常格点上留下空位,这种缺陷称为肖特基缺陷。

肖特基缺陷特点: 肖特基缺陷的生成需要一个像晶界、位错或者表面之类的晶格排列混乱的区域;阳离子空位和阴离于空位按照分子式同时成对产生,伴随晶体体积增加。 二、热缺陷浓度的计算

若是单质晶体形成热缺陷浓度计算为:

n-Eexp() NKT

若是MX二元离子晶体的Schttky缺陷,因为同时出现正离 子空位和负离子空位,热缺陷浓度计算为:

n-E

exp() N2KT

浓度是温度的函数

随着温度升高,缺陷浓度呈指数上升,对于某一特定材料,在一定温度下,热缺陷浓度是恒定的。

三 非化学计量缺陷

定义:指组成上偏离化学计量而产生的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如Fe1-xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。

特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。是一种半导体材料。 非化学计量化合物可分为四种类型: 1、阴离子缺位型 TiO2-x

4+3+

TiO2晶体在缺O2条件下,在晶体中会出现氧空位。缺氧的TiO2可以看作Ti和Ti

VO2TiTi氧化物的ss,缺陷反应为: 2TiTi4OO

4+

3+



3OO

4+

1

O2 2

色心的形成:Ti+e  Ti , 电子e并不固定在一个特定的Ti上,可把e看作在 负离子空位周围。因为 是带正电的,在电场作用下e可以 迁 移,形成电子导电,易形成色心。(NaCl在Na蒸汽下加热呈黄色 2、阳离子填隙型 Zn1+xO

ZnO 在Zn蒸汽中加热,颜色加深, 缺陷反应为:

(测定Zn1xO的电导率证明单电子Zni处于间隙位)

ZnOZnieO2

1

2

K

[Zni][e][PO2]

[ZnO]

14

,[Zni][e],[ZnO]1,K[Zni]2[PO2],

12

故[Zni][PO2]

3、阴离子间隙型 只有

UO2+x可以看作U3O8(2UO3.UO2)在UO2中的SS。

由于结构中有间隙阴离子,为保持电中性,结构中出现电子空穴,反应式为:

UU+2OOU+Oi+OO U

同样,也不局限于特定的正离子,它在电场下运动, 所以是P型半导体。 

4、阳离子空位型 如Fe1-xO

为了保持电中性在正离子空位周围捕获,是P型半导体。缺陷反应为:

1

OOO2(g)2FeFeVFe

2

2FeFe为Fe3取代Fe2可写成2FeFe2FeFe2h2FeFe即得

1

OOO2(g)2hVFe

2

附近,形成一种h被吸引到VFeV-色心

用质量作用定律可得[h][PO2为保持电中性,两个

随PO2增大,[h]增大,电导率相应增加。

第四章 固 溶 体

一、固溶体:将外来组元引入晶体结构,占据基质晶体质点位置或进入间隙位置的一部分,仍保持一个晶相,这种晶体称为固溶体。 (二)置换型固溶体中的“组分缺陷”

组分缺陷——即在原来的结点位置产生空位或者在间隙位置嵌入新的质点。 发生在不等价置换的固溶体中,其浓度取决于掺杂量(溶质数量)和固溶度。

高价置换低价 低价置换高价

阳离子出现空位(空位型固溶体) 阴离子进入间隙(间隙型固溶体)

阳离子进入间隙(间隙型固溶体) 阴离子出现空位(空位型固溶体)

间隙型固溶体:当外来的杂质质点比较小而进入晶格的间隙位置。 (三)形成间隙型固溶体的条件

1、 杂质质点大小 即添加的原子越小,易形成固溶体,反之亦然。

2、基质晶体结构 基质晶体中空隙越大,结构越疏松,易形成固溶体。 3、电价因素

外来杂质离子进人间隙时,必然引起晶体结构中电价的不平衡,这时可以通过形成空位,不等价离子置换来保持电价平衡。 例如YF3加入到CaF2中:YF3

-

YCa2FFFi

3+

2+

CaF2

'

当F进入间隙时,产生负电荷,由Y进入Ca位置来保持位置关系和电

价的平衡。 间隙式固溶体的生成,—般都使晶格常数增大,增加到一定的程度,使固溶体变成不稳定而离解,所以间隙型固溶体不可能是连续的固溶体。晶体中间隙是有限的,容纳杂质质点的能力≤10%。 四 要会写出相应的缺陷反应房程

第五章 熔体与玻璃体

第一节 熔体的结构——聚合物理论

-6

1、 硅酸盐熔体中有多种负离子团同时存在:如Na2O—SiO2熔体中有:[Si2O7](单

-8-(2n+2)

体)、[Si3O10](二聚体)„„[SinO3n+1];

2、此外还有“三维晶格碎片”[SiO2]n,其边缘有断键,内部有缺陷。 聚合体的种类、大小和数量随熔体组成和温度而变化。 3、聚合物理论要点

(1)硅酸盐熔体是由不同级次、不同大小、不同数量的聚合物组成的混合物。所谓的聚合物是指由[SiO4]连接起来的硅酸盐聚离子。

(2)聚合物的种类、大小、分布决定熔体结构,各种聚合物处于不断的物理运动和化学运动中,并在一定条件下达到平衡。

(3)聚合物的分布决定熔体结构,分布一定,结构一定。

(4)熔体中聚合物被R

,R2+

结合起来,结合力决定熔体性质。

(5)聚合物的种类、大小、数量随温度和组成而发生变化。 第三节 玻璃的通性

三、 凝固的渐变性和可逆性

由熔融态向玻璃态转变的过程是可逆的与渐变的,这与熔体的结晶过程有明显区别。 Tg:玻璃形成温度(脆性温度) TM:析晶温度

冷却速率会影响Tg大小,快冷时Tg较慢冷时高,K点在F点前。当组成一定时,其形成温度是一个随冷却速度而变化的温度范围。

一、晶子学说

玻璃由无数的"晶子"组成。所谓“ 晶子”不同于一般微晶,而是带有晶格变形的有序区域,它分散于无定形的介质中,并且“ 晶子”到介质的过渡是逐渐完成的,两者之间无明显界线。

二、无规则网络学说

1、形成玻璃的物质与相应的晶体类似,形成相似的三维空间网络。

2、这种网络是由离子多面体通过桥氧相连,向三维空间无规律的发展而构筑起来的。

3、电荷高的网络形成离子位于多面体中心,半径大的变性离子,在网络空隙中统计分布,对于每一个变价离子则有一定的配位数。

4、氧化物要形成玻璃必须具备四个条件:

A、每个O最多与两个网络形成离子相连。 B、多面体中阳离子的配位数 ≤ 4。

C、多面体共点而不共棱或共面。 D、多面体至少有3个角与其它相邻多面体共用。

三、晶子学说和网络学说比较

相同观点:玻璃是具有近程有序、远程无序结构特点的无定形物质。 不同点:晶子假说着重于玻璃结构的微不均匀和有序性。

无规则网络学说着重于玻璃结构的无序、连续、均匀和统计性。

四 粘度?

第五章 固体表面与界面

一、润湿 按润湿程度 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿

第六章 相平衡与相图

第七章 扩散

第八章 固相反应

第九章 相变

范文六:材料科学基础第一章 投稿:蒋腵腶

材料科学基础大作业——第1、2章 晶体结构

2015年9月9日

班级: 姓名: 学号: 分数:

一、名词解释:

固溶体、中间相、空间点阵、结合力、晶体、晶胞、固溶强化、相、正常价化合物、电子化合物、合金,各向异性、多晶型性、晶界、亚结构

二、填空

1. 金属键没有

2. 由于原子间结合力和 结合能的存在,金属原子趋于规则紧密的排列。原子间最大结合力对应着金属的 。键能决定了金属的 和 。

3. 自然界中的晶体结构各不相同,根据晶胞的和可将晶体结构分为14中空间点阵,归属于个 晶系。其中最典型的三中晶体结构分别为bcc 、fcc 和

4.能够反映晶胞中原子排列紧密程度的两个参数为其中fcc和hcp的两个参数均相同,分别为和。bcc的两个参数非别为 和 。

5. fcc和hcp的堆垛方式分别为ABCABC……和ABAB……,当某些晶面堆垛顺序发生局部差错即产生 晶体缺陷时,可能在fcc晶体结构中出现hcp的特征。

6. bcc、fcc和hcp三种晶体结构中均存在四面体和八面体两种晶格间隙,间隙原子通常溶解于 体间隙。

7. [221]与(221)的位置关系为。[110]和(001)的位置关系为

8. 塑性变形时,滑移通常沿着密排面和密排方向进行。bcc的密排面为 ,密排方向为 。fcc的密排面为 ,密排方向为 。

9. 铁的三种同素异构体分别为

10.点缺陷主要包括三种类型,分别为哪类点缺陷都会造成其周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区,称为 。

11.小角度晶界指的是相邻两晶粒的位向差小于系列相隔一定距离的 型位错所组成,扭转晶界由相互交叉的 位错所组成。

12.具有不同的两相之间的分界面称为相界。其中界面能最高的是 界面,应变能最高的界面是 界面。

三、判断

1. 晶体区别于非晶体的一个重要特征就是晶体有固定的熔点,二者之间在任何情况下都不能进行转变,即晶体不可能转变为非晶体,非晶体也不可能转变为晶体。( )

2. bcc和fcc均属于立方晶系,hcp属于六方晶系。( 错 )

3. bcc、fcc和hcp晶胞内分别包含有2、4、6个原子,因其原子数不同,所以其间隙的数量亦不相同。( 错 )

4. 100,010,001和100,010,001属于一个晶向族;

( ) 100,010,001和100,010,001属于一个晶面族100。

5. 单晶体具有各向异性是由于金属原子在各晶向上排列的紧密程度不同所致。多晶体在性能上不显示,其原因是多晶体在各个晶向上原子排列的紧密程度相同。( )

6.刃型位错线与晶体的滑移方向相垂直,螺型位错线与晶体的滑移方向平行;两种位错线运动的方向均垂直于位错线。( )

7. 一条位错线的柏氏矢量与柏氏回路的大小及回路在位错线上的位置有关,因此沿位错线任意移动或者扩大回路,都将影响柏氏矢量。( )

8. 晶体易于使其密排面裸露在表面,这是由于晶体的密排面表面能小。( )

9. 晶粒越细小,金属材料的强度、硬度越高,塑性、韧性越好。( )

10.晶界处缺陷多,因此原子扩散速度快,且其熔点低,易于腐蚀和氧化。( )

四、简答题

1、归纳总结三种典型的晶体结构的晶体学特征。

2、固溶体与金属化合物有何异同点?

3、影响置换固溶体溶解度的因素有哪些?

4、晶界具有哪些特性?

5、位错反应的条件是什么?

6、金属中缺陷有哪些?其特征分别有哪些?

7、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点?

8、空间点阵与晶体结构有哪些区别?

10、在立方晶系中,一晶面在x轴的截距是1,在y轴的截距是0.5,且平行于z轴,一晶向上某点坐标为x=0.5,y=0,z=1,求出其晶面指数和晶向指数。

五、计算及作图

1、Mn的同素异构体有一为立方结构,其晶格常数为0.632nm,ρ为7.26g/cm3,r为0.112nm,问Mn晶胞中有几个原子,其致密度为多少?

2、a)按晶体的钢球模型,若球的直径不变,当Fe从fcc转变为bcc时,计算其体积膨胀多少?b)经x射线衍射测定在912℃时,α-Fe的a=0.2892nm,γ-Fe的a=0.3633nm, 计算从γ-Fe转变为α-Fe时,其体积膨胀为多少?与a)相比,说明其差别原因。

3.作图表示立方晶系123,012晶面和102(16分) ,346晶向。

4、写出立方晶系的晶面间距公式,并将下述(100、(123)、(110)、(210)、(111)(200)按晶面间距从大到小的顺序排列。

范文七:00材料科学基础 投稿:袁嬩嬪

材料科学基础(Ⅰ)

教 授

授课教师:席 慧智

1.材料科学与工程概述

„

材料:自然科学范畴的材料,是指具有一定的种 类、数量和性能,能够制造有用构件、器件或物 品的固体物质。

航天飞机

里根号航母

核聚变装置

集结着数以亿计的 原子纳米晶体管 晶体管、电阻、电 容的奔腾芯片 !

☆材料的分类

• 按材料的性能特征分为:结构材料和功能材料。 • 按材料的组成和结构特点分为:金属材料、无机非 金属材料(陶瓷材料)、高分子材料和复合材料。 • 按材料的用途分为:航空航天材料、舰船材料、电 子材料、能源材料、核材料、生物材料、 高温材料、建筑材料等。 • 按原子(广义)的排列特点分为:晶体材料、准晶 体材料和非晶态(玻璃/无定形物)材料。

• 人类文明进步的每一个重要历史阶段,无不伴 随着新材料的发现及新型工具的发明与利用。

石箭簇

陶器(仰韶文化)

秦兵马俑

东汉说唱陶俑

• 商司母戊

4000年前三星堆文化

越王剑

西汉

春秋金柄铁剑

战国凹形铁锄

后周沧州铁狮子 湖北当阳宋代铁塔

1405年郑和的绿眉毛帆船

英国人乔治·斯蒂芬森 1825年制造完成的“旅行”号

1903年12月17日,莱特 兄弟制造的第一架飞机

上海磁悬浮列车

空客A380

中国最新式99G主战坦克

最新型导弹驱逐舰广州号

• 材料科学: 是一门自然科学,主要涉及 有关材料内在组织、性能和加工 之间关系的基础知识研究。 Materials science: a scientific discipline which is primarily concerned with the search for basic knowledge about the internal structure, properties, and processing of materials.

• 材料工程: 是一门工程技术,主要研究有关材料 学基本原理的应用和应用知识,从而将 材料转变为社会需求或需要的产品。 Materials engineering: an engineering discipline which is primarily concerned with use of fundamental and applied knowledge of materials so that they can be converted into products needed or desired by society

• 材料科学与工程:

材料科学 材料科学与工程 材料工程

材料科学 基础知识

工程材料组织、性 质、加工和使用性 能的综合知识

材料科学 应用知识

• 材料科学与工程技术之间有密不可分的内 在联系,因此人们常常把两者连在一起, 称为材料科学与工程 (Materials Science and Engineering ),或者材料科学与技术 (Materials Science and Technology)。

2.材料科学与工程的内涵

• 材料科学与工程由四个基本要素构成:材料 的成分,材料的制备、合成与加工,材料的 组织及结构,材料的性质与性能。 • 材料科学与工程是研究这四个基本要素的内 在规律、四个要素之间的内在联系

以及影响 因素的一门科学。 • 历史证明,材料是人类文明进步和社会发展 的物资基础和技术先导。由于材料在现代工 业、农业、国防技术和科技进步中的重要地 位,材料科学与信息科学和生命科学被誉为 支撑现代文明的三大支柱。

• 美、日等技术先进国家对材料科学极为重视。美 国国家研究委员会指出,材料科学与工程正进入 一个史无前例的智能挑战和高产时期,在跨入下 一个世纪(21世纪)时,它是高新技术发展的一 个关键,并且对国计民生、国家安全以及增强国 际市场的竞争能力都有举足轻重的影响。 • 美、日等国从事材料科学与工程教育的学者,针 对不同工程领域的前沿问题,不断加强材料科学 的教学力度,对培养和造就掌握材料科学知识的 高素质人才、推动本国科学技术的长足发展起到 重要作用,使这些国家在航空航天、海洋船舶、 精密机械、汽车工程、动力机械等技术领域始终 保持世界领先地位。

• 我国对材料科学与工程方面的高素质人才 培养也极为重视。在863计划中,新材料领 域的战略目标之一,是培养和造就一支高 水平的从事新材料研究、开发和管理的科 技人才队伍。 • 材料科学与工程专业的同学,应该充分意 识到自己的责任感和使命感,努力学习, 奋发图强,早日成才,为推动我国 “三海 一核”(船舶工业、海军装备、海洋开发、 核能应用) 事业的快速发展做出贡献。

3.《材料科学基础》教学大纲简介

1)课程基本信息: • 课程性质:学科基础理论必修课 • 考核方式:考试(闭卷笔试) • 总学时:80(第3学期40+第4学期40) • 总学分:5 2)课程目的和任务: 《材料科学基础》是材料和冶金类专业的一门 主干课,也是材料科学与工程专业的主要技术基础 课。通过授课、实验、课堂讨论和实践等环节,将 金属学原理、陶瓷学和高分子材料物理的基础理论 融为一体,以研究材料共性规律,即研究材料的成 分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系, 指导材料的设计和应用,为学习后续专业课程、从 事材料科学研究和工程技术工作奠定理论基础。

3)教学基本要求 (含素质教育 和创新能力培养) (含 通过本课程的学习,学生必须 掌握有关各种材料的晶体结构与缺 陷、凝聚与相图、变形与断裂、回 复与再结晶、扩散、固态转变、金 属材料学、陶瓷材料学、高分子材 料学、复合材料学的基础理论以及 研究材料学有关问题的基本方法。

• 我国高等教育改革的核心任务,是全面推行 素质教育,培养创新型人才 。大学的诸多任 务中,培养创新型人才是其首要任务。创新 型人才是

新知识的创造者、新技术的发明者、 新学科的创建者,是科技新突破、发展新途 径的引领者和开拓者,是国家发展的宝贵战 略资源 • 周济指出:素质教育的核心阵地在学校、在 课程、在教学。本课程将适当加强理论教学 深度,引导学生自觉地探求材料学有关知识 的发生、发展和理论体系形成的原过程,学 生不仅要重视现象和结论,更要注重了解和 掌握相关的理论及其演变过程。要注意材料 学知识体系的完整性和系统性,力求做到知 识结构的框架完整、条理清晰、内容充实、 知识全面。

4)教学内容学时分配

• 第3学期 教学时数:40学时; 教学内容: 共4章,包括 第1章:材料的结构; 第2章:晶体缺陷; 第3章:纯物质的凝固; 第4章:二元相图 • 第4学期 教学时数:40学时; 教学内容: 共9章,包括 第5章:三元相图; 第6章:材料塑性变形; 第7章:回复与再结晶; 第8章:扩散; 第9章:金属材料基础; [第10章:高分子材料 ; 第11章:陶瓷材料; 第12章:复合材料; 第13章:功能材料基础; ]

5)教学方法及教学手段 • 采用课堂教学为主、多媒体教学和研讨式教学为辅 的多种方法相结合的教学模式。 6)上机实验内容、作业 • 本课程无任何实验内容; • 每章课后布置一定量习题作为作业。 7)前续课程、后续课程 • 前修课程:大学物理、化学,物理化学、工程制图 • 后续课程:分析测试方法,材料力学性能,材料热 加工原理及工艺、材料学等专业课。 8)考勤与考核 • 考勤:每次课自行签到,3次无故不签到者,请勿参 加考试。 • 考核:闭卷笔试,百分制评定成绩。

哈工程大学教师课堂教学质量测评指标(学生用)08.7.3

序号 1 2 指 标 权重(%) 15 15 含 义 师德师风 教学态度 您认为该教师为人师表、关爱学生吗? 您认为该教师对教学工作认真负责、有 热情、讲课投入吗? 您满意授课内容吗?教师讲课是否重点 突出、反应前沿? 该教师是否采用启发式教学?研讨、互 动做得好吗? 您认为该教师表述生动、板书规范吗? 学习了本课程,您感觉收获大吗? [与后续课程的关系及影响;学习方法等]

3 4 5 6

教学内容 教学方法 教学艺术 教学效果

20 20 15 15

范文八:材料科学基础论文 投稿:叶嫈嫉

钛合金材料的结构、性能和应用范围

一、基本简介 1

、物理性质

钛属难熔稀有金属,原子序数为22,原子量为47.90,位于周期表IVB族。钛有两种同素异形结构,转变温度为882.5℃,低温为密排六方结构的α-Ti;高温为体心立方的β-Ti。纯钛的比密度为4.505,而钛合金的比密度一般在

4.50~4.84之间,低于铁和铜,因此可归入轻金属。钛的其他主要物理性能如表1所示。

表1 钛的部分物理性能

2、机械性能

钛的机械性能与其纯度及加工状态有密切关系。用碘化法生产的高纯钛强度低,塑性高,布氏硬度值为400~600。工业纯钛的抗拉强度提高到300~600MPa,但仍保持良好的塑形及韧性,其水平相当于碳钢、不锈钢、青铜及铜镍合金,可

作为这类材料的代用品。

α-Ti虽属密排六方结构,但和其他六方结构的金属(镉、锌、钴、镁)相比,承受塑性变形的能力要高得多,其原因是一般六方晶体的滑移系少,只能沿基面{0001}滑移,而钛的主滑移面是棱柱面{10-10}及棱锥面{10-11},同时基面也能参与滑移,滑移方向均为[11-20],故滑移系明显增多。且钛还易于进行孪生变形,从而保证了较高的塑形。但加工中也需注意,钛的屈强比(材料的屈服点(屈服强度)与抗拉强度的比值)较高,一般在0.70~0.95之间,多数钛合金趋于上限而且钛的弹性模量相对较低,只及刚的一半,因此加工变形的抗力大,回弹也比较严重,不易冷校形。但有时也利用这一特性,将钛合金作为弹性材料使用。表2列出了钛的典型机械性能数据。

表2 纯钛的典型机械性能数据

纯钛的强度可借助冷作硬化或添加合金元素而提到,50%的冷变形可使强度提高60%,适当合金化并结合热处理,则抗拉强度可达1200~1400MPa,因此钛合金的比强度高于其他金属材料。

纯钛及某些高品位的钛合金尚具有良好的低温性能,即使在低达液氢或液氦温度下,亦能保持足够的塑形(表3),因此钛也是一种良好的低温材料。

表3 工业纯钛的低温机械性能

在高温下,纯钛迅速软化,从20℃至250℃强度约下降2/3,因此纯钛不宜制造高温承力构件。但合金化以后,耐热显著提高,目前耐热钛合金的长期最高使用温度已达540℃,即与耐热钢相当,广泛用于航空发动机的压气机构件,也可用于蒸汽透平机的转子及其他高温工作部件。

3、化学性能

钛的标准电极电位很低,化学活性极强,在熔化状态能与绝大多数坩埚及造型材料发生反应。在高温下也会与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈作用,钛是氮气中能发生燃烧的元素之一。钛粉尘在空气中因急剧氧化而可能发生爆炸。

钛与氢、碳、氮、氧元素反应后,材料的性质将发生明显变化,因此钛的熔炼、铸造、焊接等工艺过程应在真空或惰性气体中进行,一般热加工及热处理也应注意工件表面进行适当保护。

但另一方便,因为钛的钝化电位低,故钝化能力强。在常温下金属表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钝化膜,它在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定,从而具有很好的抗蚀性。 因此,钛及钛合金可作为一种高抗蚀性材料在石油、化工、造船、食品及医疗等方面得到应用。

但是钛在某些介质中是不稳定的,如还原性酸(硫酸、盐酸)、氢氟酸、干氯气、热浓碱及甲醇等。另外,钛合金有热盐应力腐蚀倾向,在气态和液态氧中及ClF3、N2O4、内有自燃自爆危险,使用中应予注意。

二、成分和分类 合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素,它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素,又可分同晶型和共析型二种。前者有

钼、铌、钒等;后者有铬、锰、铜、铁、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素,有锆、锡等。

钛合金一般按退火组织分为α型,β型及α+β型三大类。

1、α型钛合金

这类钛合金在退火状态下具有α单相组织(在铁、硅等杂质含量较高时,组织中可能出现很少的β相),合金元素以α稳定化元素铝为主,其典型代表是TA7。α型钛合金的特点是具有良好的耐热性和组织稳定性,是发展耐热钛合金的基础。其缺点是变形抗力较大,不能热处理化,常温强度不够高,抗拉强度大多在1000MPa以下。

2、α+β型合金

该合金退火组织为α+β相,合金组员除β稳定化元素外,一般也含有一定量的铝、锡等,α+β型合金的优点是可通过调整成分,使合金的组织,即α和β相的性质与比例在很宽的范围内变动,从近α型直到近β型合金,以满足不同的设计和使用要求。

α+β型合金可进行热处理化,强化效果随β稳定化组元浓度的增加而提高,一般为25~50%,少数合金强度增加可达80%。

α+β型合金热加工工艺性良好,变形抗力小,但合金的组织及性能对工艺参数十分敏感。因此,为了获得优质毛坯或半成品,必须严格控制加工规范。这类合金的焊接性能不如α型合金。

3、β型合金

其中包括热力学稳定型β合金及亚稳定β型钛合金两种。亚稳定β钛合金在固溶状态具有良好的工艺塑形,便于加工成型,时效处理后可获得很高的强度性能。亚稳β型合金的缺点是对杂质元素敏感性高,组织不够稳定,耐热性较低,不宜在高温使用。另外,该类合金工艺也比较一般的复杂,焊接性较差。

三、应用范围

钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好。另外,钛合金的工艺性能差,切削加工困难,在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差,生产工艺复杂。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要,使钛工业以平均每年约 8%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛(TA1、TA2和TA3)。

钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期,钛及其合金已在一般工业中应用,用于制作电解工业的电极,发电站的冷凝器,石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。

中国于1956年开始钛和钛合金研究;60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。

钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料,比重、强度和使用温度介于铝和钢之间,但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加,达到飞机结构重量的20%~25%。70年代起,民用机开始大量使用钛合金,如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数小于 2.5的飞机用钛主要是为了代替钢,以减轻结构重量。又如,美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3,飞行高度26212米),钛占飞机结构重量的93%,号称“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从4~6提高到8~10,压气机出口温度相应地从200~300°C增加到500~600°C时,原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金,或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片,以减轻结构重量。70年代,钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%~30%,主要用于制造压气机部件,如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度,耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、

燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。

利用钛合金强度大、超级耐腐蚀的特点制成的高强度弹簧,已经广泛运用于床垫等民用领域。通过在床垫弹簧中使用钛合金技术的品牌,其中新型的钛合金弹簧,能顺应身体曲线,达到由软至硬、由浅入深的独特承托效果,轻松享受深度睡眠。并且,经两次高温定型处理,弹簧的弹性和回复力得到有效提升,耐用度增强。 因为床垫属于耐用消费品,消费者购买后会不间断使用数年甚至10年以上,而消费者睡眠中每一次翻身、起卧都是对弹簧的一次考验及使用寿命的消耗。以单张床垫使用10年计算,单个弹簧的物理变形次数将超过10万次。而高强度的钛合金弹簧由于有着优良的抗屈服度物理性质,因此虽历经长年使用却依然能保持如初的状态。 有的大品牌床垫采用了的钢丝弹簧采用了数条优质的钢丝屈绕而成,回弹力极强,比如美国本土制造的Simmons品牌独立袋装床垫,部分产品所用的钢丝弹簧便是由数股细钢丝屈绕而成的。

四、开发进展 近年来,各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金,努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域阳。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。

高温钛合金折叠 世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V,使用温度为300-350℃。随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550、BT3-1等合金,以及使用温度为450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有.英国的IMI829、IMI834合金;美国的Ti-1100合金;俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。表7为部分国家新型高温钛合金的最高使用温度[26]。

近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向,使钛合金的使用温度可提高到650℃以上

[1,27,29,31]。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术戚功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金,在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度

[26]。

钛铝化合物为基的钛合金折叠

与一般钛合金相比,钛铝化合物为基钠Ti3Al(α2)和TiAl(γ)金属间化合物的最大优点是高温性能好(最高使用温度分别为816和982℃)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻(密度仅为镍基高温合金的1/2),这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料[26]。

目前,已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美国开始批量生产。其他近年来发展的Ti3Al为基的钛合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等[29]。TiAl(γ)为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-(46-52)Al-(1-10)M(at.%),

此处M为v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一种元素。最近,TiAl3为基的钛合金开始引起注意,如Ti-65Al-10Ni合金[1]。

高强高韧β型钛合金折叠 β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金(Ti-13v-11Cr-3Al)。β型钛合金具有良好的冷热加工性能,易锻造,可轧制、焊接,可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种[26,30]:

Ti1023(Ti-10v-2Fe-#al),该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当,具有优异的锻造性能;

Ti153(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn),该合金冷加工性能比工业纯钛还好,时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上;

β21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si),该合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金,具有良好的抗氧化性能,冷热加工性能优良,可制成厚度为0.064mm的箔材;

日本钢管公司(NKK)研制成功的SP-700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)钛合金,该合金强度高,超塑性延伸率高达2000%,且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140℃,可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-扩散连接(SPF/DB)技术制造各种航空航天构件;

俄罗斯研制出的BT-22(TI-5v-5Mo-1Cr-5Al),其抗拉强度可达1105MPA以上。

阻燃钛合金折叠

常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向,这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况,各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。羌国研制出

的Alloy c(也称为Ti-1720),名义成分为50Ti-35v-15Cr(质量分数),是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金,己用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金,均为Ti-Cu-Al系合金,具有相当好的热变形工艺性能,可用其制成复杂的零件[26]。

医用钛合金折叠 钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性,是非常理想的医用金属材料,可用作植入人体的植入物等。目前,在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子,降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害,这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金,将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作,并取得一些新的进展。例如,日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金,包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20,这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6Al-4v ELI。与α+β钛合金相比,β钛合金具有更高的强度水乎,以及更好的切口性能和韧性,更适于作为植入物植入人体。在美国,已有9种β钛合金被推荐至医学领域,即TMZFTM(TI-12Mo-^Zr-2Fe)、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx(TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si)、Tiadyne 1610(Ti-16Nb-9.5Hf)和Ti-15Mo。估计在不久的将来,此类具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金

[28,32]。

范文九:材料科学基础2 投稿:孔期朠

材 料 科 学 基 础

---燃料电池

学号:1102030250 系别:中文与传媒系新闻(2)班 姓名:朱秋霞

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

燃料电池

燃料电池十分复杂,涉及材料科学、自动控制等学科的有关理论,具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说,燃料电池具有以下特点: (1)能源转化效率高。他直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转化效率在45%~60%,而火力发电和核电的效率大约在30%~40%。

(2)有害气体及噪音排放都很低 二氧化碳排放因能量转换效率高而大幅度降低,无机械振动。 (3)燃料适用范围广。 (4)燃料电池电站占地面积小,建设周期短,电站功率可根据需要由电池堆组装,十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电,或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。 (5)负荷响应快,运行质量高 燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率,而且电厂离负荷可以很近,从而改善了地区频率偏移和电压波动,降低了现有变电设备和电流载波容量,减少了输变线路投资和线路损失。

能量变化

为了利用煤或者石油这样的燃料来发电,必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽,蒸汽则可以用来使汽轮发电机组的磁场在定子线圈中旋转。这样就产生了电流。换句话说,我们是把燃料的化学能转变为热能,然后把热能转换动能,最后转换为电能。在这种双转换的过程中,许多原来的化学能浪费掉了。然而,燃料非

常便宜,虽有这种浪费,也不妨碍我们生产大量的电力,而无需昂贵的费用。还有可能把化学能直接转换为电能,而无需先转换为热能。为此,我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成,其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应,电子不是被释出就是被吸收。 一个电极上的电势比另一个电极上的大,因此,如果这两个电极用一根导线连接起来,电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流,只要电池中进行化学反应,这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下,当一个电池用完了以后,人们迫使电流返回流入这个电池,电池内会反过来发生化学反应,因此,电池能够贮存化学能,并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子。在一个电池里,浪费的化学能要少得多,因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而,电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果试图使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力,那么,一天就要花成本费数十亿美元。 国内发展状况

在中国的燃料电池研究始于1958年,原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下,中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统(千瓦级AFC)均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务,1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMFC)的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间,中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期,由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动,中国进入了燃料电池研究的高潮。 在中国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展,积累了一定经验。但是,由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少,就燃料电池技术的总体水平来看,与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视,1996年和1998年两次在香山科学会议上对中国燃料电池技术的发展进行了专题讨论,强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方面的研究力度。 2000年大连化学物理研究所富原公司也宣布,2001年将提供40kW的中巴燃料电池,并接 受订货 。

国际发展状况

发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目,企业界也纷纷斥以巨资,从事燃料电池技术的研究与开发,现在已取得了许多重要成果,使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题,2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产,各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命,也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命,又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今,在北美、日本和欧洲,燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业

化规模应用的阶段,将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视,现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。

(1)、不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率;(2)、不管装置规模大小均能保持高发电效率;(3)、具有很强的过负载能力;(4)、通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛;(5)、发电出力由电池堆的出力和组数决定,机组的容量的自由度大;(6)、电池本体的负荷响应性好,用于电网调峰优于其他发电方式;(7)、用天然气和煤气等为燃料时,NOX及SOX等排出量少,环境相容性优。如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。燃料电池按其工作温度是不同,把碱性燃料电池(AFC,工作温度为100℃)、固体高分子型质子膜燃料电池(PEMFC,也称为质子膜燃料电池,工作温度为100℃以内)和磷酸型燃料电池(PAFC,工作温度为200℃)称为低温燃料电池;把熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC,工作温度为650℃)和固体氧化型燃料电池(SOFC,工作温度为1000℃)称为高温燃料电池,并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的,把PAFC称为第一代燃料电池,把MCFC称为第二代燃料电池,把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃电池作为其发电用的燃料。燃料电池其原理是一种电化学装置,其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部,因此,限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给,进行反应。原则上只要反应物不断输入,反应产物不断排除,燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电觧水的逆过程。电极应为: 负极:H2 2OH-→2H2O 2e- 正极:1/2O2 H2O 2e-→2OH- 电池反应:H2 1/2O2==H2O 另外,只有燃料电池本体还不能工作,必须有一套相应的辅助系统,包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极(阳极)和空气极(阴极)、及两侧气体流路构成,气体流路的作用是使燃料气体和空气(氧化剂气体)能在流路中通过。 在实用的燃料电池中因工作的电解质不同,经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子(H )相关,发生的反应为: 燃料极:H2=2H 2e-(1) 空气极:2H 1/2O2 2e-=H2O(2) 全体:H2 1/2O2=H2O

(3)在燃料极中,供给的燃料气体中的H2分解成H 和e-,H 移动到电解质中与空气极侧供给的氧气发生反应。e-经由外部的负荷回路,再反回到空气极侧,参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路,因而就构成了发电。并且从上式中的反应式(3)可以看出,由H2和O2生成的H2O,除此以外没有其他的反应,H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上,伴随着电极的反应存在一定的电阻,会引起了部分热能产生,

由此减少了转换成电能的比例。 引起这些反应的一组电池称为组件,产生的电压通常低于一伏。因此,为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离,采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件,PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定,电流与电池中的反应面积成比。PAFC的电解质为浓磷酸水溶液,而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体,为了促进反应,以Pt作为触媒,燃料气体中的CO将造成中毒,降低电极性能。为此,在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量,特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是:燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器,把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物,CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极),同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应,借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对PAFC和PEMFC,高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒,以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用,而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质(通常是为Li与K混合的碳酸盐)和上下与其相接的2块电极板(燃料极与空气极),以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等,电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体,形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体,气室的形成采用抗蚀金属。MCFC工作原理。空气极的O2(空气)和CO2与电相结合,生成CO23-(碳酸离子),电解质将CO23-移到燃料极侧,与作为燃料供给的H 相结合,放出e-,同时生成H2O和CO2。化学反应式如下:燃料极:H2 CO23-=H2O 2e- CO2(4)空气极:CO2 1/2O2 2e-=CO23-(5)全体:H2 1/2O2=H2O(6)在这一反应中,e-同在PAFC中的情况一样,它从燃料极被放出,通过外部的回路反回到空气极,由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外,MCFC的最大特点是,必须要有有助于反应的CO23-离子,因此,供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且,在电池内部充填触媒,从而将作为天然气主成份的CH4在电池内部改质,在电池内部直接生成H2的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下,其主成份CO和H2O反应生成H2,因此,可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力,隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。SOFC是以陶瓷材料为主构成的,电解质通常采用ZrO2,它构成了O2-的导电体Y2O3作为稳定化的YSZ(稳定化氧化锆)而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷,空气极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同,电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等,开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外,还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下: 燃料极:H2 O2-=H2O 2e-(7) 空气极:1/2O2 2e-=O2-(8) 全体:H2 1/2O2=H2O(9) 燃料极,H2经电解质而移动,与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中,因其属于高温工作型,因此,在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用,并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。

分类

燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段,燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用,PEMFC已广泛作为

交通动力和小型电源装置来应用,PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段,MCFC也已完成工业试验阶段,起步较晚的作为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核,相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。 美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用,其中磷酸燃料电池(PAFC)已达到"电站"阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验,已就其效率、可运行性和寿命进行了评估,期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置,已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。

范文十:材料科学基础Chapter2A 投稿:毛坳坴

第二章 固体结构(Solid Structure)

物质的聚集态: 气态(Gas)、液态(Liquid)、固态(Solid) 固态: 晶体(Crystal)、非晶体(Amorphous)

晶体结构与性能特点

晶体结构的基本特征:原子(或分子、离子)在三维空间 呈周期性重复排列(periodic repeated array) 即存在长程有序(long-range order) 晶体性能上两大特点:固定的熔点(melting point), 各向异性(anisotropy)

NaCl

Note the regular rows of Pt atoms.

晶体 的宏 微观 几何 特征

※ 1 晶体学基础

(Fundamentals of crystallography)

周期性结构二要素:

(1) 周期性重复的内容结构基元 (2) 周期性重复的大小与方向,即平移矢量

周期性结构的研究方法—点阵理论:

将晶体中的结构基元(重复的内容)抽象为几何学 中的点,这些点按一定的方式在空间重复排列形成点 阵(由阵点组成)

一、晶体的空间点阵(Space lattice)

1. 空间点阵的概念 将晶体中重复出现的最小单元作为结构基元,用一个数学上的点来代表, 即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵。 特征:每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)

点阵必须具备的三个条件

阵点

由点阵点在空间排布形成的图形 由重复单位抽象出的几何学上的点 点阵点所代表的重复单位的具体内容

结构基元

晶体结构 = 点阵 + 结构基元

晶体结构与点阵

lattice 点阵

structural motif 结构基元

Crystal structure 晶体结构

晶体结构 = 点阵 + 结构基元

晶体结构

点 阵

结构基元

+

直线点阵 所有点阵点分布在一条直线上。 所有点阵点分布在一个平面上。 所有点阵点分布在三维空间上。

点阵

平面点阵 空间点阵

2.晶胞(Unite cells)

代表性的基本单元(最小平行六面体)small repeat entities

选取晶胞的原则: Ⅰ) 选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性; Ⅱ)平行六面体内的棱和角相等的数目应最多; Ⅲ)当平行六面体的棱角存在直角时,直角的数目应最多; Ⅳ)在满足上条件,晶胞应具有最小的体积。

晶胞几何描述

 c

 b

描述晶胞: • 棱边(点阵常数) • 晶轴间的夹角 • 点阵矢量

 a

晶胞体积

简单晶胞(初级晶胞):只在平行六面体每个顶角上有一阵点

复杂晶胞: 除在顶角外,在体心、面心或底心上有阵点

简单晶胞

体心晶胞

底心晶胞

面心晶胞

3.晶系与布拉菲点阵(Crystal System and Bravais Lattice)

七个晶系,14个布拉菲点阵

晶系 三斜 Triclinic a≠b≠c ,α≠β≠γ 布拉菲点阵 简单三斜 晶系 六方 Hexagonal a1=a2=a3≠c,α=β=90º , γ=120º 布拉菲点 阵 简单六方

单斜 Monoclinic a≠b≠c, α=γ=90º ≠β

单单斜 底心单斜

四方(正方)Tetragonal a=b≠c, α=β=γ=90º

菱方 Rhombohedral a=b=c, α=β=γ≠90º

简单四方 体心四方

简单菱方

正交 Orthorhombic a≠b≠c,α=β=γ=90º

简单正交 底心正交 体心正交 面心正交

立方 Cubic a=b=c, α=β=γ=90º

简单立方 体心立方 面心立方

三斜 Triclinic a≠b≠c ,α≠β≠γ

简单三斜 单斜 Monoclinic a≠b≠c, α=γ=90º≠β

简单单斜

底心单斜

正交 Orthorhombic a≠b≠c,α=β=γ=90º

简单正交

体心正交

底心正交

面心正交

六方 Hexagonal a1=a2=a3≠c,α=β=90º , γ=120º

菱方 Rhombohedral a=b=c,α=β=γ ≠ 90º

简单六方

简单菱方

四方(正方)Tetragonal a=b≠c, α=β=γ=90º

简单四方

体心四方

立方 Cubic a=b=c, α=β=γ=90º

简单立方

体心立方

面心立方

4.

晶体结构与空间点阵

具有相同点阵的晶体结构(左:Cu;中:NaCl;右:CaF2

晶体结构相似而点阵不同(左:Cr;右:CsCl)

下列晶体结构如何抽象成点阵?

Mn

(立方简单)

Li Na K Cr Mo W…...

(立方体心)

以上每一个原子都是一个结构基元,都可以抽象成一个点阵点.

下列晶体结构如何抽象成点阵?

结点位置的表示

点阵的结点位置是以它们的坐标值来表示的。

000,010,001,100,101,110,011,111

000,010,001,100,101,110,011,111 ½½½

结点位置的表示

点阵的结点位置是以它们的坐标值来表示的。

000,010,001,100,101,110,011,111 000,010,001,100,101,110,011,111 ½½½ ½ ½ 0, ½ 0 ½, 0 ½ ½ ½ ½ 1, ½ 1 ½, 1 ½ ½

二、晶向指数和晶面指数 (Miller Indices of Crystallographic Direction and Planes)

1.阵点坐标 2. 晶向指数(Orientation index)

求法: 1) 确定坐标系 2) 过坐标原点,作直线与待求晶向平行; 3) 在该直线上任取一点,并确定该点的坐标(x,y,z), 若某一坐标值为负,则在其上加一负号。 4) 将此值化成最小整数u,v,w并加以方括号[u v w]即是。 (代表一组互相平行,方向一致的晶向)

晶向举例

晶向指数的确定 2

1. 建立坐标系,结点为原点,三棱为方向,点阵常数为单位 ; 2. 在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若平移晶 向或坐标,让在第一点在原点则下一步更简单); 3. 计算x2-x1 : y2-y1 : z2-z1 ; 4. 化成最小、整数比u:v:w ; 5. 放在方括号[uvw]中,不加逗号,负号记在上方 。

晶向族:具有等同性能的晶向归并而成;

* 指数看特征,正负看走向

3.晶面指数(Indices of Crystallographic Plane)

在点阵中由结点构成的平面称为晶面。 空间点阵划分为平面点阵的方式是多种多样的. 不同的划法划出的晶面(点阵面)的阵点密度是 不相同的. 意味着不同面上的作用力不相同. 所以给不同面以相应的指标(hkl)

为什么区分晶面?

(A) 确定晶体结构 (B) 塑性变形

(C) 传输特性

• 石墨: sp2 面上热传导能力强

(D) 表述晶体学特征

Example 1

如何确定晶面指数?

Planes intersects axes at: • a axis at r= 2 • b axis at s= 4/3 • c axis at t= 1/2

如何标记这个面?

可能性1: 用括号()标记 (r s t)

优点: • r, s, t 特指晶体中的某晶面 • ()代表晶面指数,和[...]区分 缺点: • 当晶面与坐标轴平行时,截距为∞! • 上述标记不方便.

如何确定晶面指数?(2)

坐标轴上的截距: • a axis at r= 2 • b axis at s= 4/3 • c axis at t= 1/2 : 1/r = 1/2 , 1/s = ¾ ,1/r = 2 (238)

当晶面与某坐标轴平行时,0

晶面指数的求法

1)

在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o,三

棱边为三坐标轴x,y,z

2) 以棱边长a为单位,量出待定晶面在三个坐 标轴上的截距。 若某一截距为负,则在其上加一负号。 3) 取截距之倒数,并化为最小整数h,k,l并 加以圆括号(h k l)即是。

(代表一组互相平行的晶面;指数相同符号相反晶面互相平行)

晶面指数的标记例1

(1)截距r、s、t分别为3,3,5

(2)1/r : 1/s : 1/t = 1/3 : 1/3 : 1/5 (3)最小公倍数15,

z

(4)于是,1/r,1/s,1/t分别 乘15得到5,5,3,

因此,晶面指标为(553)。

c a

b

y

x

我们说(553)晶面,实际是指一组平行的晶面。

晶面指数的标记例2

1

晶面族

 晶面指数所代表的不仅是某一晶面,而是代表着一组相互 平行的晶面。  在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同,只是 空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族, 以{h k l}表示

 晶面族代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。

 晶面族一经划定,所有接点都全部包含在晶面族中。  在立方晶系中,具有相同指数的晶向和晶面必定是相互垂

直的。

晶面族

在立方晶系中,{100}晶面族 (100)、(010)、(001)、 ( 1 00)、(0 1 0)、(00 1 )

晶面族

在立方晶系中,{111}晶面族

111

( 111)

( 111) (1 1 1)

(1 11) ( 1 1 1 )

(11 1 )( 1 1 1)

晶面族 {110}? 晶面族 {123}?

晶面族{h k l}:晶体学等价的晶面总合。

晶面族{h k l}中的晶面数: a)h k l三个数不等,且都≠0,则此晶面族中有 3 !  4=24组,如{1 2 3} b)h k l有两个数字相等 且都≠0,则有, 3 如{1 1 2} !  4=12 2 ! c) h k l三个数相等,则有, 3!  4  4组,如{111} 3!

d)h k l 有一个为0,应除以2,则有

有二个为0,应除以22,则有

3!  4  12组,如{1 2 0} 2

3!  4  3组,如{1 0 0} 2 2!2

例如:立方晶系中{100}晶面族包括六个晶面 (100)、(010)、(001)、(-100)、(0-10)、(00-1)

注意,在其他晶系中,通

有极点。  如果投影面与赤道面重合则 称为极射赤面投影。其它方 式称为称为极射平面投影,

投影面

N

S

(3)乌尔夫网(Wulff Net) 为了解决极射投影的测量工具,创造了乌尔夫网。

 经线:参考球空间每隔2O等分且以NS轴为直径的一组大圆投影

 纬线:垂直于NS轴且按2O等分球面空间的一组一组大圆投影

N

S

应用:测两个任意极点之间的夹角 (将基圆直径一样的乌尔夫网与投影中心钉在一起,转动乌尔夫网, 使两个极点落在同一经线上,读出纬度差即可。

只有两极点位于乌尔夫网经线或赤道上才能正确度量晶面、晶向间夹角

(4)标准投影: 以晶体的某个晶面//投影面作出全部主要晶面的极射投影,称为标准投影。 如立方晶系(001)标准投影图。

立方晶体(001)标准投影图

立方晶体(001)标准投影图

 标准投影图中的点既代表晶面,又 代表晶向。  同一晶带各晶面的法线位于同一平 面上,各晶面的极点一定位于参考 球的同一大圆上,投影图上各个投 影点也位于同一大圆上  由于晶带轴与其晶面的法线是相互 垂直的,所以可以根据晶面所在的 大圆求出该晶带的晶带轴。

(100),(111), (011),(111), (100)等同于位于经线上的圆 ,属于同一晶带,应用乌尔夫网在赤道线上向右量出90o,晶带轴为[011]。

思考题:晶向指数[123]的极射投影点在图中 那个区域?

立方晶体(001)标准投影图

※2 金属的晶体结构 (Crystal Structure of Metals)

金属键:金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键 特 点:无饱和性又无方向性,形成低能量密堆结构,构成高度对称性的简单晶体。

面心立方结构(FCC)face - centred cubic lattice(A1)  常见金属晶体结构 体心立方结构(BCC)body - centred cubic lattice (A2) 密排立方结构(HCP)hexagonal close - packed lattice (A3) 

面心立方结构 Cu, Al, Ni, Au, Ag, Pt

体心立方结构 Cr, V, Mo, Ta, Nb, W

密排六方结构 Mg, Zn, Cd, α-Ti

晶胞中的原子数(Number of atoms in unit cell)

Nc N=Ni   2 8

点阵常数(lattice parameters)a,c 原子半径(atomic radius) R 配位数(coordination number) N 致密度(Efficiency of space filling)

Nf

4 n  R3 nv K  3 V V

轴比(axial ratio) c/a

面心立方 A1

晶胞中的原子数:6X1/2+8x1/8 = 4 原子半径:

配位数:12 致密度:0.74

体心立方 A2

晶胞中的原子数:1+8x1/8 = 2 原子半径:

配位数:8 致密度:0.68

密排立方 A3

晶胞中的原子数:12x1/6+2x1/2+3 = 6

原子半径:

配位数:12 致密度:0.74

思考题:镍(Ni)原子半径为r=0.1243 nm, 试问镍的晶格常数和密度。

提示:

1)晶体类型

2)Ni的原子量58

.69

密排六方晶面原子排列

z

a2

a3 a1

(1 1 0 0)

plane  (0001)



a2

a3 a1

z

(1 1 1) plane of FCC

y

x z (0 0 0 1) plane of HCP

a2 a3

a1

堆垛(Stacking)

密排结构(close-packed crystal structure) 最密排面(close-packed plane of atoms)

结构

FCC

HCP

FCC {1 1 1} ABCABCABC· · · · · · HCP{0 0 0 1} ABABABAB· · · · · ·

85

间隙(Interstice)

四、八面体间隙

tetrahedral octahedral

interstice

fcc,hcp 间隙为正多面体,且八面体和四面体间隙相互独立 bcc 间隙不是正多面体,四面体间隙包含于八面体间隙之中

面心立方结构的间隙

Octahedral (Oh) sites Tetrahedral (Td) sites

1 at the center

12 edge sites

(each shared by 4 cells)

Net 4 Oh sites/unit cell

Net 8 Td sites/unit cell

87

4

8

体心立方结构的间隙

3+3

12

密排六方结构的间隙

6

12

思考题:试计算推导面心立方晶体中四面体 间隙和八面体间隙的大小?

表2.5三种典型金属结构的晶体学特点

多晶型转变(allotropic transformation) 同素异构转变 α-Fe < 912 OC γ-Fe 912 ~1394 OC δ-Fe >1394 OC

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