篇一：无机非金属材料的研究进展及应用
无机非金属材料的研究进展及应用
学号：1203031001 姓名：彭冲 班级：无机非金属（1）班
摘要：无机非金属材料的高硬度、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐磨和优异的环保性能以及特殊的光声、电等性能，在航空航天、兵器、舰船等国防领域得到了越来越多的应用，如陶瓷基复合材料、结构陶瓷、特种功能陶瓷、人工晶体等已成为武器装备中不可或缺的关键材料。本文着重介绍了无机材料的研究进展和应用。在材料学飞速发展的今天，无机非金属材料有这广阔的应用前景和良好的就业形势。
关键词：无机非金属材料 应用 前景
引言：传统无机非金属材料，新型无机非金属材料和无机非金属基复合材料组成了庞大的无机非金属材料体系。其中以硅酸盐为基础的陶瓷、玻璃和水泥已经形成相当规模的产业，被广泛应用于工业、农业、国防和人们的生产生活中，成为国民经济的支柱产业之一。新型无机非金属材料因具有耐高温、耐腐蚀、高强度、多功能等多种优越性能，其中一些已在各个工业部门以及近几十年发展起来的空间技术、电子技术、激光技术、光电子技术、红外技术发展方面发挥了重要作用[1]。因此，无机非金属材料的发展必将大大的促进现代科学技术的进步和人类文明程度的提高。本文将主要介绍：无机非金属材料的分匪类，无机非金属材料的地位（在材料中的地位、在国民经济中的地位），无机非金属材料的发展过程，无机非金属材料的应用，无机非金属材料企业的岗位设置，无机非金属材料的发展趋势以及无机非金属材料发展中遇到的问题。
1.无机非金属材料的特点及分类
无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一[2]。
在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类 材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。
无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,因此,还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先进的(新型的)无机非金属材料两大类[3]。
普通无机非金属材料的特点是：耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上，陶瓷在耐蚀、介电性能上，耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，它抗断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。特种无机非金属材料的特点是：（1）各具特色。例如：高温氧化物等的高温抗氧化特性；氧化铝、氧化铍陶瓷的高频绝缘特性；铁氧体的磁学性质；光导纤维的光传输性质；金刚石、立方氮化硼的超硬性质；导体材料的导电性质；快硬早强水泥的快凝、快硬性质等。（2）各种物理效应和微观现象。例如：光敏材料的光－电、热敏材料的热－电、压电材料的力－电、气敏材料的气体-电、湿敏材料的湿度-电等材料对物理和化学参数间的功能转换特性。（3）不同性质的材料经复合而构成复合材料。例如：金属陶瓷、高温无机涂层，以及用无机纤维、晶须等增强的材料。
2.无机非金属材料材料的发展现状
传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。如水泥是一种重要的建筑材料；耐火材料与高温技术，尤其与钢铁工业的发展关系密切;各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与人们的生产、生活休戚相关。它们产量大，用途广。其他产品，如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化铝)、铸石(辉绿岩、玄武岩等)、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大理石等)也都属于传统的无机非金属材料。新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的,具有特殊性能和用途的材料。它们是现
代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础[4]。主要有先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。
20世纪以来，随着电子技术、航天、能源、计算机、通信、激光、红外、光电子学、生物医学 和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了更 高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。30～40年代出现了高频 绝缘陶瓷、铁电陶瓷和压电陶瓷、铁氧体（又称磁性瓷）和热敏电阻陶瓷等。50～60年代开发了碳化硅和氮化硅等高温结构陶瓷、氧化铝透明陶瓷、β－氧化铝快离子导体陶瓷、气敏和湿敏陶瓷等[5]。至今，又出现了变色玻璃、光导纤维、电光效应、电子发射及高温超导等各种新型无机材料。
3.无机非金属材料材料的发展前景
近些年，随着科学技术的进步，无论是传统无机非金属材料，还是无机非金属材料都有了一些新的发展趋势。
3.1生态与环保意识加强，建立科学的评价体系，实现可持续发展
西方发达国家在促进传统无机非金属材料产业健康、可持续发展方面的采取了许多重要措施。世界发达国家十分重视建材工业的可持续发展与绿色评价。生态评价也成为世界可持续发展的一个重要手段。目前，许多国家正在进行“生态城市”的建设与实践，推广建筑节能技术材料，使用可循环材料等，改善城市生态系统状况。由此，提出了绿色建材、环保建材与节能建材的概念，并开展了大量的研究与实践工作。与西方发达国家相比，我国还存在很大的差距，特别是缺乏立法支持与技术标准的指导以及相应组织的管理与监督，使我国的传统无机非金属材料工业发展还有很大的提升空间。面对资源和环境对我国经济发展的严峻考验，国民经济的可持续发展战略显得愈加重要[6]。
3.2向着节能、降耗的方向发展
传统的无机非金属材料工业是能源消耗大户，在世界能源日益短缺的今天,如何生产节能、降耗,以及如何生产出高质量的建筑节能、保温产品是建材工业发展的重要趋势。选择资源节约型、污染最低型、质量效益型、科技先导型的发展方式。新型墙体材料、高质量门窗、中空玻璃将大量应用。向着提高材料性能、
使用寿命的方向发展。低寿命设计、大量重复建设已经严重制约城市建设的发展。现代化建筑需要高性能建筑材料的支持,而提高建筑的耐久性又对建筑材料的使用寿命提出了更高的要求。
3.3单线生产能力向大型化发展
无论是水泥工业、玻璃工业，还是陶瓷工业，单条生产线的生产能力有大型化的趋势。生产线的大型化可以有效提高产品的质量，降低能源消耗[7]。
3.4向着智能化方向发展
建筑的智能化需要建筑材料的支持。随着技术的进步和生活水平的提高,建筑材料的安全性智能诊断等智能技术将更多的应用于建筑中。
3.5向着复合化、多功能化方向发展
复合材料具有单一材料所无法满足的使用功能，是建筑材料的发展趋势，对建筑材料的功能要求越来越趋向于多功能化。
在美国、日本、西欧等所有发达国家在其科技发展战略中都把无机非金属新材料的发展放在优先发展的重要位置。例如，美国为了保持在高技术和军事装备方面的领先地位，在先后制定的《先进材料与技术计划（AMPP）》和《国家关键技术报告》中，新材料为六大关键技术之首，而无机非金属新材料占有相当比例；日本发表的《21世纪初期产业支柱》所列的新材料领域的14项基础研究计划中，其中七项涉及无机非金属新材料的研究领域[8]。
未来科学技术的发展，对各种无机非金属材料，尤其是对特种新型材料提出更多更高的要求。材料学科有广阔的发展前景，复合材料、定向结晶材料、增韧陶瓷以及各种类型的表面处理和涂层的使用，将使材料的效能得到更大发挥[9]。由于对材料科学基础研究的日益深入，各种精密测试分析技术的发展，将有助于按预定性能设计材料的原子或分子组成及结构形态的早日实现。
结束语：
21世纪无机非金属材料的主要应用领域为信息、能源、交通、生物医学、生态环境和国防。新材料的发展将会对上述各领域产生深远的影响。
参考文献
[1]国家自然科学基金委员会.工程与材料科学部编著.无机非金属材料科学.科学出版社,2006.
[2]卢安修编著,无机非金属材料导论.中南大学出版社,2003.
[3]王培铭主编.无机非金属材料学.同济大学版社,1999.
[4]李世普主著.特种陶瓷工艺学.武汉:武汉工业出版社,1992.
[5}邱关明著.新型陶瓷.北京:兵器工业出版社,1993.
[6]张玉军、张伟儒等编著.结构陶瓷及其应用.化学工业出版社.2005.
篇二：无机非金属材料结构知识点整理
一概述
1.材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。材料性能关系到材料的应用材料含义在于应用，材料的什么决定应用的概念和设计，决定了应用的基础——综合的性能决定最终产品的形态和应用……
2.材料研究的核心问题：以材料的结构和性能为研究对象，并重点研究结构与材料性能之间的关系，为材料性能的改进和新材料的开发提供指导。
3材料结构层次：原子结构，晶体结构——功能材料密切相关；显微结构，微观组织——结构材料密切相关；宏观结构——复合材料相关；、
4材料的电子结构——指材料中的电子分布和状态，它不同于单个的分子和原子的电子结构，因为这两者不是长程的完整的材料。它是决定材料晶体结构的主要和本质原因。
5. 电子波动反映到原子中，为驻波。
6.现代材料结构和性能测量的重要原理和基础：X光衍射和电子显微技术——微观结构，磁性分布和能隙空间分布等等，其中大都以微观过程或性能直接体现了量子效应和作用??
7.量子理论是解决电子结构的惟一工具。是以能量的量子化和波函数概念为核心的，可依照薛定额方程确定的第一性原理分析方法。
二、晶体结构
1晶体的特征：均匀性；各向异性；自发地形成多面体外形；晶体具有明显确定的熔点；晶体的对称性；晶体对X射线的衍射；
2晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的,即晶体的宏观特性是微观特性的反映。
3晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况
4晶体与非晶体的最本质差别在于组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的（长程序），而非晶体中这些质点除与其最近邻外，基本上无规则地堆积在一起（短程序）。晶体与非晶体之间的主要差别在于它们是否有三维长程点阵结构。
5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的固体
6固体分类(按结构)――晶体:长程有序；非晶体:不具有长程序的特点,短程有序；准晶体:有长程取向性，而没有长程的平移对称性。
7在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个基本结构单元称为基元，基元是晶体结构中最小的重复单元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。 晶格+基元=晶体结构 8晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地做周期性无限分布，通过这些点做三组不共面的平行直线族，形成一些网格，称为晶格(或者说这些点在空间周期性排列形成的骨架称为晶格)。 9取一格点为顶点，由此点向近邻的三个格点作三个不共面的矢量，以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学（简称原胞）。
10结晶学原胞（简称单胞）构造：使三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向，它具有明显的对称性和周期性。
11维格纳--塞茨原胞构造：以一个格点为原点，作原点与其它格点连接的中垂面(或中垂线)，由这些中垂面(或中垂线)所围成的最小体积(或面积)即为W--S原胞。特点：它是晶体体积的最小重复单元，每个原胞只包含1个格点。其体积与固体物理学原胞体积相同。
12原胞与分类 —7大晶系
晶系 晶轴 轴间夹角实例
立方 a = b = c α=β=γ= 900 Cu, NaCl
四方 a = b ≠ cα=β=γ= 900 Sn, SiO2
正交 a = ≠ b ≠ c α=β=γ= 900 I2, BaCO3
三方 a = b = c α=β=γ≠ 900As, Al2O3
a = b ≠ c α=β= 900 ，γ = 1200
单斜 a ≠ b ≠ c α= γ= 900 ，β≠ 900 KClO3
三斜 a ≠ b ≠ c α≠ β≠ γ≠ 900K2CrO7
六方 a = b ≠ c α=β= 900， γ =1200 Mg,CuS
13晶体或分子是三维空间，其对称操作有对称元素之旋转Cn ，对称元素之反演与反映
14．7大晶系，14个布拉维格子， 230个空间群，8种对称元素，32个晶体学点群
15.晶体分类表述方式的差异：7晶系——可方便和简单地描述晶体外形，便于讨论晶体周期性的一种表述，14个布拉维格子——严格的数学推导的结论和规律，是描述晶格点阵（平移特征）的一种完整表述，230空间群——通过对称操作我们可以比较严格地描述一个晶体结构（晶格+基元）的全部对称特征，是对结构的更细致的表述。
16通过空间群构造一个晶体结构三大要素：空间群（对称性），原子等效点位置；晶格参数
17 通过晶格中任意两个格点连一条直线，任取两格点的连线延伸, 它必然穿过一串格点, 称为晶列，晶列的取向称为晶向，描写晶向的一组数称为晶向指数(或晶列指数)。此外，过这一格点可以有无数晶列。 18晶面指数及密勒指数：(1)平行的晶面组成晶面族，晶面族包含所有格点；(2)晶面上格点分布具有周期性；同一晶面族中的每一晶面上，格点分布(情况)相同；(4)同一晶面族中相邻晶面间距相等。
19晶面的法线方向与三个坐标轴(基矢)的夹角的余弦之比，等于晶面在三个轴上的截距的倒数之比。 20晶面指数(h1h2h3 )表示的意义是：(1)基矢被平行的晶面等间距的分割成h1、h2、h3 等份；(2)以为各轴的长度单位所求得的晶面在坐标轴上的截距倒数的互质比；(3)晶面的法线与基矢夹角的方向余弦的比值。
21用晶体结构研究材料性质：分析结构特征；理论密度计算；几何构型分析；扩散离子迁移通道分析研究；X射线衍射分析；能带结构；
22配位数的可能值为：12(密堆积)，8(氯化铯型结构)，6(氯化钠型结构)，4(金刚石型结构)，3(石墨层状结构)，2(链状结构)。
23 如果把等体积的硬球放置在晶体结构中原子所在的位置上，球的体积取得尽可能大，以使最近邻的球相切，我们把一个晶胞中被硬球占据的体积和晶胞体积之比称为致密度(堆积比率或最大空间利用率)。 24晶体模型的应用：晶体结构的特点分析；晶体的几何形态的研究；晶面指数和晶面分析；晶体衍射和倒空间；第一性原理的能带结构计算；
25晶面指数应用：（1）晶面指数一般常用在X光衍射分析中，作为定性和定量分析，并不涉及晶面上原子细节；（2）面的密勒指数相对越大，面间距越小，面上原子的密度一般较稀薄；（3）相反，指数越简单，而且小的，晶面间距相对大，晶面上原子数目越密；
三晶体衍射和倒空间
1倒格子与正格子之间的数学关系：bi·aj=2πδij =(2π,i=j; 0,i≠j)
2正格子和倒格子的关系: 数学上定义为相互倒易基矢的关系；物理上具有Fourier变换的形式关系； 倒格子矢量的方向和大小对应晶面法线方向和晶面间距的倒数；因此，正格子和倒格子具有性质上、形式上、本质上的互换关联关系，倒格子更重点表达或描述的是晶体方向性的东西
3倒空间格子的具体含义:倒空间的阵点（坐标）=晶面（指数）；与原点连接的方向（基矢量）=晶面法线；与原点距离=2π/晶面间距；倒格子描述了很多与晶体方向性相关的东西，保留了空间的对称性 4 X射线衍射斑点一般用Ewald反射球的作图方式来分析——它的做法是先设立一个1/λ的反射球，然后球面入射线相对的位置放上倒格子，与反射球相接触的倒空间点阵产生衍射斑点；
5 X射线衍射谱与晶体结构关系: 晶体结构的对称性与衍射谱的数量相关；晶体结构常数与衍射峰的衍射角度相关，晶格常数变大，衍射角度变小；峰强弱以及数量与原子类型相关，这是原子相互之间相干作用引起的；
6晶体结构如果是带心点阵型式，或存在滑移面和螺旋轴时，往往按衍射方程应该产生的一部分衍射会成群地消失，这种现象称为系统消光
7衍射产生的充分必要条件是： 满足布拉格方程：2dsin??? 结构因子不为0，即FHKL2?0
四晶体结合与化学键
1两个或几个自由状态的粒子结合在一起时释放的能量，自由原子结合为分子时放出的能量叫做化学结合能。原子能结合为晶体的根本原因，在于原子结合起来后整个系统具有更低的能量
2电子与电子产生排斥作用的原因――泡利不相容原理：电子与电子相互作用将电子轨道推向高能量，这是排斥相互作用力的主要来源
3惰性气体晶体（单纯原子构成的晶体），范德华力的吸引项分三种力，极性分子与极性分子之间，取向
力、诱导力、色散力都存在；极性分子与非极性分子之间，则存在诱导力和色散力；非极性分子与非极性分子之间，则只存在色散力。这三种类型的力的比例大小，决定于相互作用分子的极性和变形性。极性越大，取向力的作用越重要；变形性越大，色散力就越重要；诱导力则与这两种因素都有关。但对大多数分子来说，色散力是主要的。
4由正、负离子或正、负离子集团按一定比例组成的晶体称作离子晶体。离子间的相互作用以最简单的（1/r关系）库仑静电作用为主导。
5离子键的键能被称作晶格能。晶格能越大，表示离子键越强，晶体越稳定
6共价晶体主要由共价键结合形成的晶体。共价晶体中共价键的方向性和饱和性（相对于离子键）规定了共价晶体中原子间结合的方向和配位数。
7化学键用来描述晶体中原子或离子之间的相互作用。如果结合力强，晶体有较高的熔点。如果它们稍弱一些，晶体将有较低的熔点，也可能较易弯曲和变形。如果它们很弱，晶体只能在很低温度下形成，此时原子（分子）可利用的能量不多
8三大类材料 金属元素相互组合仍然金属，成为合金；金属与非金属构成最为稳定的陶瓷；以C、H为主的组合构成高分子
9晶体结合的现代分析方法：经典的键价理论；分子动力学（原子对势基础）；量子力学电子结构计算：从电子-电子之间的相互作用出发，通过分析电子结构本质特点得到晶体结合特征，以及稳定性的差异 10电子结构的研究方法最大的特点和优势：能够得到电子分布的细节，便于了解复杂情况；不需要人为经验参数；可以准确了解原子结构的稳定性，而且还能够推测很多性质
11弹性形变指引起形变的力消失或停止后，形变立即消失、点阵中的离子可逆地回到初始的平衡位置的情况。固体的形变不能用质点的位移来表示，只能用质点的相对位移来表示，量度的是单位形变，它等于绝对形变与原始值之比，称应变。应力：是指固体受到外力时，内部产生的抵抗形变的弹性回复力。 12弹性对称面：指过物体中的每一个点都有这样的一种平面，相对于该平面的对称方向上，弹性相同。 13共价键较强的方向性引起一个较深的势阱，且在最小势能位置处有更尖锐的曲率，因而具有较离子固体更高的弹性模量。
14频率波矢关系称作色散关系，弹性波是线性关系
五 晶格振动与热学性质
1声子就是“晶格振动的简正模能量量子hω
2研究晶格振动原因：由于原子与原子存在一定的相互作用，对它们的振动规律要受到周期性晶体的影响，因此会产生一定限制，导致相关频率与波长相关性——色散关系；除此之外，原子晶格内的振动模式分布特点和规律，也会影响到电学，声学，热学等性质，产生很多的宏观现象和性质。
3离子晶体在某种光波的照射下，光波的电场可以激发这种晶格振动，因此称这种振动为光学波或光学支或光频支。
4在长波极限下，原胞内两种原子的运动完全一致，振幅和位相均相同，这时的格波非常类似于声波，所以将这种晶格振动称为声学波或声学支或声频支。
5若每个原胞中有s个原子，一维晶格振动有s个色散关系式（s支格波），其中：1支声学波，(s-1)支光学波。 晶格振动格波的总数＝sN＝晶体的自由度数。N：晶体链的原胞数
6振动将对晶体性质产生影响，当然这些影响将受到晶体结合状态的影响，也就是化学键的影响
i??t?
naq?????Aen7格波方程色散关系
8波如果能在晶体中运行的话（也就是格波），必须满足一定限制条件：
波长不能太小，否则“工作”不了没有实际意义，频率不能太高——波矢限制在第一布里渊区以内； 波长与频率必须满足一定条件，必须有一定数量和模式的限制，而且频率和波长相互制约——色散关系； 满足周期性得共振条件——波矢必须量子化；具有一定数量的，所有原子可以协调运动——振动模式； 振动要有量子化——声子，满足统计分布规律，可以继续讨论晶体性质，或者与外界作用；
9简单晶格：每个原胞中只有一个原子，每一个q的取值对应于三个声学波（1个纵波，2个横波），晶
格振动格波的总数＝3N＝晶体的自由度数。复式晶格：若每个原胞中有s个原子，每一个q的取值对应于3个声学波和3(s-1)个光学波，晶格振动格波的总数＝[3＋3(s-1)]N=3sN=晶体的自由度数
晶格振动波矢的总数＝晶体的原胞数晶格振动格波的总数＝晶体的自由度数1aq2
10复杂的三维晶体：N个原胞每个原胞有n个原子的三维晶体，晶体中格波的支数＝ 原胞内的自由度数：3n 其中3 支为声学支（1支纵波、2支横波）3n－3支为光学支（也有纵波、横波之分） 晶格振动的波矢数＝ 晶体的原胞数N 晶格振动的模式数＝ 晶体的自由度数3nN
11确定晶格振动谱的实验方法：晶格振动谱可以利用中子、可见光光子或X光光子受晶格的非弹性散射来测定。中子（或光子）与晶格的相互作用即中子（或光子）与晶体中声子的相互作用。中子（或光子）受声子的非弹性散射表现为中子吸收或发射声子的过程。中子的非弹性散射是确定晶格振动谱最有效的实验方法
12可见光的非弹性散射，发射或吸收光学声子的散射称为Raman散射，发射或吸收声学声子的散射称为Brillouin散射。局限性：用可见光散射方法只能测定原点附近的很小一部分长波声子的振动谱，而不能测定整个晶格振动谱。入射光与晶格振动的光学波相互作用所引起的频率改变的非弹性散射光，称为Raman 散射。晶格振动的声学波使晶体的折射率n发生周期性变化，从而使入射光发生非弹性散射，称为Brillouin散射。
13 X光的非弹性散射，X光光子的波长~1?的数量级，其波矢与整个布里渊区的范围相当，原则上说，用X光的非弹性散射可以研究整个晶格振动谱。一个X光光子吸收（或发射）一个声子而发生非弹性散射时，X光光子能量的相对变化为10－6，在实验上要分辨这么小的能量改变是非常困难的。
14晶格热容模型：Dulong－Petit定律――在常温下大多数固体的热容量差不多都等于6 cal/mol·K 。经典统计理论的解释：能量均分定理。经典的能量均分定理可以很好地解释室温下晶格热容的实验结果，但是，低温下晶格热容的实验值明显偏小，且当T?0时，CV ?0，经典的能量均分定理无法解释。Einstein模型――假设：晶体中各原子的振动相互独立，且所有原子都以同一频率?0振动。当T?0时，CV ?0，与实验结果定性符合。Debye模型――假设：晶体是各向同性的连续弹性介质，格波可以看成连续介质的弹性波。 Debye模型可以很好地解释在很低温度下晶格热容CV ∝ T3的实验结果。用Debye模型来解释晶格热容的实验结果是相当成功的，尤其是在低温下，温度越低，Debye近似就越好。
15声子的频率分布特征与晶体的结构对称性以及化学键的构成两者都有密切的关联；利用声子的频率分布特征，包括声子的统计分布规律，我们可以解释晶体的比热容等一些特征和规律；
16描述声子可以通过k空间很清晰地表示出来——它只存在在约化的第一布里渊区范围内，其波矢（允许值）在此区域内均匀分布，其密度对应着晶体的实空间的晶胞数量，一个k值对应一系列的能量，可用多条色散关系来描述，存在一个最大值，有时存在一个禁带
六 自由电子气体理论
1声子色散谱和电子结构分析是材料研究者最基本研究工具和分析问题的思路
2晶体中的电子的描述，与晶体中的声子的描述在方法上很类似，但是电子与声子的区别很大，主要原因是它们属于完全不同类型粒子，电子是费米子，声子是波色子，前者统一位置上不能存在两个相同状态的，而后者可以任意多个；
3 电子k空间分布是均匀的，分布密度只与金属的体积有关（或者说晶胞的总数目），但其能态密度（随能量变化的密度）并不是均匀分布的，电子能量越高，能态密度就越大。 考虑电子自旋，如将每一个自旋态看作一个能态，能态密度：在E－E＋dE之间单位能量间隔中的能态数。
4费米子：自旋为半整数（n＋1/2） 的粒子（如：电子、质子、中子 等），费米子遵从Fermi－Dirac统计规律，费米子的填充满足Pauli原理。 玻色子：自旋为整数n的粒子（如：光子、声子等），玻色子遵从Bose－Einstein统计规律，玻色子不遵从Pauli原理。
定义Fermi 温度：
50EFTF?kB物理意义：设想将EF0转换成热振动能，相当于多高温度下的振动能。对金属，T<<TF总是满足的，将金属自由电子气称为强简并的费米气体。
金属自由电子气的简并性：统计的简并性，即指金属自由电子气与理想气体遵从的统计规律的差异性。 决定金属许多性质的并不是其全部的自由电子，而只是在费米面附近的那一小部分。对电子Pauli顺磁有贡献的并不是金属所有的自由电子，而只是在费米面附近的一小部分电子。
6自由电子模型的成功方面：电子热容量；Pauli顺磁；热电子发射与接触电势。局限性：根据自由电子论，金属的电导率??电子密度n，但为什么电子密度较大的二价金属（如Be、Mg、Zn、 Cd等）和三价金属（如Al、In等）的电导率反而低于一价金属（如Cu、Ag、Au等）；自由电子论无法解释为什么有
些金属的Hall系数会大于0；不能解释为什么电子的平均自由程?会比相邻原子间距大得多；自由电子论不能解释为什么固体材料会分成导体、半导体和绝缘体；自由电子论认为金属费米面的形状为球面，但是，实验结果表明，在通常情况下，金属费米面的形状都不是球面。
7自由电子费米气体理论研究表明金属晶体的电子存在在一个球面里（费米面），或存在在费米能以下。实际上，很多晶体并不是像金属晶体那样具有一个简单的费米面；原因是晶体中原子实并不是简单的平均势，是有一定的起伏，电子要受到它的影响
七能带
1近自由电子模型：在周期场中，若电子的势能随位置的变化（起伏）比较小，而电子的平均动能比其势能的绝对值大得多，这样，电子的运动几乎是自由的。因此，我们可以把自由电子看成是它的零级近似，而将周期场的影响看成小的微扰。
2由于周期场的微扰，E(k)函数在布里渊区边界k=?n?/a处出现不连续，能量的突变为： g ?E??E??2nE称为能隙，即禁带宽度，这是周期场作用的结果。
3能带论的基本出发点:（1）固体中的电子不再是完全被束缚在某个原子周围，而是可以在整个固体中运动，称为共有化电子。（2）电子在运动过程中并不像自由电子那样完全不受任何力的作用，电子在运动过程中受到晶格中原子势场的作用。两个基本假设：（1）Born－Oppenheimer绝热近似：所有原子核都周期性地静止排列在其格点位置上，因而忽略了电子与声子的碰撞。（2）Hatree－Fock平均场近似：忽略电子与电子间的相互作用，用平均场代替电子与电子间的相互作用。因此，能带论是单电子近似下的理论，电子与电子之间强相互作用被忽略了，会影响电子-电子关联现象的讨论。
4考虑一理想完整晶体，所有的原子实都周期性地静止排列在其平衡位置上，每一个电子都处在除其自身外其他电子的平均势场和原子实的周期场中运动，这样的模型称为周期场模型。
5Bloch函数布洛赫定理说明了一个在周期场中运动的电子波函数为：一个自由电ikx子波函数 与一个具有晶体结构周期性的函数 u k ( x ) 的乘积。这在物理上反映了晶体中的电子既有共有化的倾向，又有受到周期地排列的离子的束缚的特点。只有在 u k ( x ) 等于常数时，在周期场中运动的电子的波函数才完全变为自由电子的波函数。因此，布洛赫函数是比自由电子波函数更接近实际情况的波函数。
6晶体中的电子既有共有化运动也有原子内运动，因此，电子的能量取值就表现为由能量的允带和禁带相间组成的能带结构。
7需要指出的是，在固体物理中，能带论是从周期性势场中推导出来的。但是，周期性势场并不是电子具有能带结构的必要条件，在非晶固体中，电子同样有能带结构。
8电子能带的形成是由于当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互作用的结果，而并不取决于原子聚集在一起是晶态还是非晶态，即原子的排列是否具有平移对称性并不是形成能带的必要条件。9平面波赝势方法——通用的能带计算方法 . 赝势法的结果大致是: 电子波函数急速振荡的部分（动能）与离子势（势能）叠加相抵消, 则等效于一赝势, 可作微扰项）和一赝波函数仍满足薛定鄂方程（称为赝势方程）, 赝波函数是光滑的, 近似于平面波函数。
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篇三：无机非金属材料知识点
无机非金属材料知识点
一、重要概念
1、 无机非金属材料
①以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
②是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。
2、 陶瓷
①从制备上开看，陶瓷是由粉状原料成型后在高温作用下硬化而形成的制品。 ②从组分上来看，陶瓷是多晶、多相（晶相、玻璃相和气相）的聚集体。
3、 玻璃
①狭义：熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机物质
②一般：若某种材料显示出典型的经典玻璃所具有的各种特征性质，则不管其组成如何都可称为玻璃（具有玻璃转变温度 Tg）。
玻璃转变温度：热膨胀系数和比热等物理性质的突变温度。
具有Tg的非晶态材料都是玻璃。
4、 水泥
凡细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石、钢筋等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。
5、 耐火材料
耐火度不低于1580℃的无机非金属材料
6、 复合材料
复合材料是两种或两种以上物理、化学性质不同的物质组合而成的一种新的多相固体材料。
通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能。
二、陶瓷知识点
1、陶瓷制备的工艺步骤
原材料的制备 → 坯料的成型 → 坯料的干燥 → 制品的烧成或烧结
2、陶瓷的天然原料
①可塑性原料：黏土质陶瓷成瓷的基础（高岭石、伊利石、蒙脱石） ②弱塑性原料：叶蜡石、滑石
③非塑性原料：减塑剂：石英 助熔剂：长石
3、坯料的成型的目的
将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品，使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度
4、陶瓷的成型方法
①可塑成型：在坯料中加入水或塑化剂，制成塑性泥料，然后通过手工、挤压或机加工成型；（传统陶瓷）
②注浆成型：将浆料浇注到石膏模中成型
③压制成型：在金属模具中加较高压力成型；（特种陶瓷）
5、烧结
将初步定型密集的粉块（生坯）高温烧成具有一定机械强度的致密体。 固相烧结：烧结发生在单纯的固体之间
液相烧结：有液相参与，加助溶剂产生液相
好处：降低烧结温度，促进烧结
6、陶瓷的组织结构：晶相、玻璃相、气相
①晶相：陶瓷的主要组成；分为主晶相和次晶相
②玻璃相：玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热性等不利，不能成为陶瓷的主导组成部分。
玻璃相在陶瓷中的作用：粘结：粘结晶粒，填充空隙，提高致密度
降低烧成温度，促进烧结
③气相：气孔；降低强度，造成裂纹。
7、 陶瓷力学性能的特点
①硬度：高 ②强度：抗拉强度很低、抗压强度非常高
③塑性：塑性极差 ④韧性：韧性差、脆性大
8、 陶瓷热学性能的特点
①导热性：差，良好的绝热材料
②热稳定性（抗热震性）：概念：材料承受温度的急剧变化而不至于被破坏的能力。 陶瓷抗热震性一般较差
9、 结构陶瓷
①概念：能作为工程结构材料使用的陶瓷，一般具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优异性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境。
②常见种类：Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4…陶瓷
③应用：……
10、 陶瓷增韧技术：【机理：阻碍裂纹的扩展】
①相变增韧：相变可吸收能量； 体积膨胀可松弛裂纹尖端的拉应力，甚至产生
压应力。
②微裂纹增韧：温度变化引起的热膨胀差或相变引起的体积差，均会产生弥散分布的微裂纹；
微裂纹与主裂纹联结，使主裂纹分叉，改变主裂纹尖端应力场，吸收其能量，阻碍其扩展。
③第二相颗粒弥散增韧：在基体中弥散分布的第二相颗粒阻碍裂纹的扩展。 ④与金属复合增韧：金属是一种韧性相，通过其自身的塑性变形，可松弛裂纹尖端应力，并吸收裂纹能量。
⑤增强纤维或晶须增韧阻碍裂纹扩展。
11、功能陶瓷
概念：具有光、电、磁、声、力、生物、化学等功能的陶瓷材料。
12、透明陶瓷
①概念：能透过可见光的陶瓷材料
②使陶瓷透明的方法：
不透明原因：杂质、气孔、晶界使光线吸收和散射
透明的手段：采用高纯度、高细度的原料，同时掺入添加物或采取其他工艺
上得措施，把气孔充分排除，适当控制晶粒尺寸，使制品接近
于理论密度，尽可能减少陶瓷材料对光的吸收和散射
13、压电陶瓷
①压电效应：机械力→应变?表面荷电
②压电陶瓷是一种多晶烧结体
③压电陶瓷的压电效应机理：材料内部自发极化产生电畴。
极化处理前：电畴分布无序，宏观极化强度为零。
极化处理后：电畴在一定程度上按外电场取向排列，宏观极化强度不为零，
表现为束缚电荷。
机械作用导致电畴转向，束缚电荷发生变化。
压电陶瓷只有经极化处理后才具有压电效应。
14、热释电陶瓷
①热释电效应：温度变化→应变?表面荷电
②机理：跟压电陶瓷类似
15、半导体陶瓷
PTC半导体陶瓷： ①PTC效应：正电阻温度系数效应
②应用：限流、恒温发热、过热保护……
三、玻璃知识点
1、可形成玻璃的物质
①硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐②重金属氧化物③硫化物、卤化物 ④金属 ⑤高分子
2、玻璃制备方法的通性
使材料不发生结晶、或破坏晶体的有序结构使其非晶化
①熔体冷却法：冷却速度必须大于原子调整成晶体的速度。
②非熔融法：气相沉积法、水解法、高能射线辐照法、冲击波法、溅射法等。
3、玻璃性能上的通性
①各向同性：玻璃态物质的质点排列无规则，满足统计均匀分布，因此其物理、
化学性质在任何方向都是相同的
②介稳性：玻璃介于熔融态和晶态之间，属于介稳态
③无固定熔点
④物理化学性质的渐变性：玻璃态物质从熔融状态冷却（或加热）过程中，其物
理化学性质产生逐渐、连续地变。
4、形成玻璃的手段
①冷却速度足够快
冷却速度快到足够使熔体中原子来不及重组成有序的点阵，从而使液态或气态的无定形结构得以被保留。
②使原子无序堆积，不形成晶格。
③破坏晶体的有序结构，使之非晶化机械研磨；高能辐照、强冲击波。
5、传统玻璃熔制
玻璃液的澄清：排除液中的可见气泡
玻璃液的均化：消除尚未熔化的砂粒、条纹等不均匀相，以保证玻璃液中化
学组分的均匀，温度较高，为1200~1400℃，此时玻璃液粘度极小。
6、玻璃形成的热力学条件
同组成的晶体与玻璃体的内能差别越大，玻璃越容易结晶，即越难形成玻璃。
7、玻璃形成的动力学条件
形成玻璃的关键是熔体的冷却速度（粘度增大的速度）大于质点排列成晶体的速度
8、玻璃形成的结晶化学条件
①熔体中阴离子团的聚合程度
阴离子团低聚合：位移、转动、重排容易，易调整成晶体，不易形成玻璃。 阴离子团高聚合：位移、转动、重排困难，难调整成晶体，容易形成玻璃。
②化学键的性质
只有当离子键和金属键向共价键过渡时，形成由离子—共价、金属—共价混合键所组成的大阴离子时，就最容易形成玻璃。
③化学键的强度
网络形成体氧化物：能单独形成玻璃，如SiO2、B2O3、P2O5、GeO2。
网络变性体氧化物：不能单独形成玻璃，但能改变网络结构，一般使结构变弱，如Na2O、K2O、CaO。
网络中间体：两者之间，能改善玻璃性能，如Al2O3、TiO2、ZnO、BeO。
9、氧化物玻璃的无规网络模型
结构单元：金属离子——氧多面体
正离子在多面体中央；氧在顶角，为公共氧，一个氧最多与两个形成网络的正离子相连。
多面体顶角无规则相连，通过公共氧（桥氧）搭成无规则网络。
R2O或RO（如Na2O、CaO），氧桥被切断出现非桥氧。
10、氧化物玻璃的晶子模型
晶子：晶格极不完整、有序区域极小的晶体。
晶子模型：晶子分散在无定形介质中，晶子与无定形区域无明显界限。 玻璃有近程有序，远程无序的结构特点。
11、高分子玻璃的结构模型
无规线团模型：分子链成无规线团状，各线互相交织、互相穿插。
12、金属玻璃的结构模型
无规硬球堆积模型：把原子视为硬球，尽可能地紧密堆积，球的排列是无规则的（金属键无方向性，原子具有密堆倾向）。
13、硼反常
在B2O3中加入加R2O，刚开始加时，和硅酸盐相反，非但不会破坏桥氧，反而加固网络。这是因为刚开始加R2O时，R2O给出了游离氧，使一部分硼由三角体[BO3]变成四面体[BO4]。
14、微晶玻璃
将加有成核剂的特定组成的基础玻璃，在一定温度下热处理后，就会变成具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料，又称玻璃陶瓷。
《无机非金属》
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