四川大学材料科学与工程基础期中总结

1、期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 1/73材料科学与工程基础材料科学与工程基础Fundamentals of Materials Science and Engineering期中总结期中总结 2016.5.62016.5.6期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 2/73第一、二章总结（共五讲，（共五讲，15学时）学时）材料？材料？用来制造各种产品的物质用来制造各种产品的物质 具有满足指定工作条件下具有满足指定工作条件下使用使用要求的形态和物理性状的物质要求的形态和物理性状的物质。材料分类？材料分类？-组成组成 金属材料金属材料 无机非金属材料无机非金属材料 有机高分子材料

2、有机高分子材料 复合材料复合材料材料科学与工程？材料科学与工程？19601960关于材料组成、结构、关于材料组成、结构、制备工制备工艺艺与其性能及与其性能及使用过程使用过程间相互间相互关系的知识开发及应用的科学关系的知识开发及应用的科学期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 3/73PerformancePropertiesSynthesis and ProcessingCompositions and Structures四要素四要素第二章第二章 共性共性第三章第三章 个性个性第四章第四章第五章第五章各章各章材料科学与工程学科？材料科学与工程学科？ 19601960期期 中中 总总 结

3、结期期 中中 总总 结结 4/73 材料结构？材料结构？：是影响材料性能的基本因素，是影响材料性能的基本因素， 随化学组成及外界条件改变随化学组成及外界条件改变第二章第二章 材料材料结构结构基础基础 第三章第三章组成与结构组成与结构 四个层次：四个层次： 宏观组织结构宏观组织结构： 10-4 m 肉眼可见肉眼可见 复合材料复合材料 显微组织结构：显微组织结构： 10-4 10-8 m 显微镜观察显微镜观察 相、形态相、形态 原子或分子排列结构：原子或分子排列结构：10-10 m 排列方式排列方式 原子中的电子结构：原子中的电子结构： 10-13 m 状态、相互作用状态、相互作用期期 中中 总总

4、 结结期期 中中 总总 结结 5/73 材料材料-原子原子-原子核原子核 + + 电子电子 原子的性质原子的性质-电子电子-数量数量 + + 状态状态 量子化、量子化、几率分布几率分布( (电子云电子云) )、 四个量子数、四个量子数、能级能级、价电子价电子 原子间相互作用原子间相互作用-电子交换电子交换的方式和程度的方式和程度 （键合方式）（键合方式） 距离、结合强度、距离、结合强度、 空间排布方式，配位数空间排布方式，配位数（一）原子中的电子结构（一）原子中的电子结构 多原子体系中电子的相互作用多原子体系中电子的相互作用-有机分子、金属、固体有机分子、金属、固体 原子杂化轨道，分子轨道原子

5、杂化轨道，分子轨道 费米能级，能带费米能级，能带期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 6/73probability distributionor electron cloud.Figure 2.3both wavelike and particle-like characteristics.波波- -粒粒 轨道非固定，轨道非固定，几率最大的分布构成电子云层。几率最大的分布构成电子云层。 Wave-mechanical model 期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 7/73电子的填充及能级电子的填充及能级泡利不相容原理泡利不相容原理能量最低原则能量最低原则洪特规则洪特规则四

6、个量子数，电子云，四个量子数，电子云，价电子，稳定性价电子，稳定性期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 8/73 结合方式：结合方式： 基本结合：离子键、金属键、共价键基本结合：离子键、金属键、共价键 派生结合：分子间作用力、氢键派生结合：分子间作用力、氢键原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合 要点要点 电子交换的方式和程度电子交换的方式和程度 相互作用的饱和性和方向性相互作用的饱和性和方向性期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 9/73 孤立原子（非键合）的半径孤立原子（非键合）的半径范氏半径范氏半径 结合原子：结合原子：原子间作用方式和作用力的原子间作用方式和作

7、用力的不同，不同，a，不同不同，半径不同半径不同 (a)(a)金属半径金属半径：金属键结合的原子距离的一半：金属键结合的原子距离的一半：a，/ 2 (b)(b)离子半径离子半径：a，= r+ + R- 原子半径和离子半径原子半径和离子半径期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 10/73元元 素素金金 属属 原原 子子离离 子子共共 价价 键键CN半径半径(nm)价价 CN半径半径 (nm）) 键键 长长 / 2 （nm）碳碳 单单 键键双双 键键三三 键键00770065006硅硅 4+ 6 4+ 400420038 单单 键键 0117氧氧 2- 8 2- 6 2- 40.0420.

8、0380.444 单单 键键 双双 键键 0.0750.065氯氯 2- 2 1- 8 1- 60.1400.1270.181 单单 键键 0099钠钠80.01875 1+ 60.097 镁镁120.161 2+ 60.066 铝铝120.1431 3+ 6 3+ 40.0540.046 铁铁8120.12410.127 2+ 6 3+ 60.0740.064 铜铜120.1278 1+ 60.096 期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 11/73 配位数：配位数： 共价共价，一一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目个原子的共价键数取决于原子的价电子数目 原子的有效堆积原子的有效

9、堆积，体积大小，离子电荷量体积大小，离子电荷量 键长：键长： 金属键和离子键金属键和离子键：无方向性，无键长，三维空间（集体效无方向性，无键长，三维空间（集体效 应），体积和电荷应），体积和电荷 共价键共价键：有方向性有方向性( (和饱和性和饱和性) )，键长为相连原子间的距离，键长为相连原子间的距离， 共价半径之和。共价半径之和。 键能：键能： 化学键化学键 物理键（分子键）物理键（分子键） 化学键中化学键中: : 共价键共价键 离子键离子键 金属键金属键期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 12/73 有序结构有序结构 晶体晶体：原子：原子( (团团) )沿沿三维空间呈周期性三维空

10、间呈周期性长程有序长程有序 (long range order)排列的固体物质（金属，大多陶瓷排列的固体物质（金属，大多陶瓷 及一些聚合物）。及一些聚合物）。（二）原子或分子排列结构（二）原子或分子排列结构 无序结构无序结构 晶体晶体：缺陷（点、线、面、体）和固溶体（合金）：缺陷（点、线、面、体）和固溶体（合金） 非晶体非晶体：原子：原子( (团团) )无无周期性长程有序排列的物质（多数聚合物、周期性长程有序排列的物质（多数聚合物、 玻璃等）。玻璃等）。期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 13/73晶体结构特征：有序性和对称性晶体结构特征：有序性和对称性对称元素：对称元素： a a对

11、称中心（点）对称中心（点） 反演反演（倒反）操作（倒反）操作 b旋转轴旋转轴旋转旋转操作、可旋操作、可旋 360 / n， n（轴次）（轴次）: : 仅仅1，2，3，4，6 c镜面镜面反映反映操作操作 d反轴反轴旋转反演旋转反演操作（旋转与反演的复合）操作（旋转与反演的复合） 轴次同旋转轴轴次同旋转轴 e e平移对称平移对称点阵点阵(Lattice）平移操作（平移轴）平移操作（平移轴） f f. . 螺旋轴螺旋轴 旋转平移旋转平移操作（旋转与平移的复合）操作（旋转与平移的复合） g滑移面滑移面 平（滑）移反映平（滑）移反映操作（反映与平移的复合）操作（反映与平移的复合） 期期 中中 总总 结结

12、期期 中中 总总 结结 14/73 晶胞、晶系和空间点阵型式晶胞、晶系和空间点阵型式 晶胞晶胞(Unit Cell)：代表晶体内部结构的：代表晶体内部结构的基本基本重复重复单位单位 （平行六面体）（平行六面体） 晶胞的基本要素晶胞的基本要素：A大小和形状；大小和形状；B各原子坐标位置各原子坐标位置 晶格常数晶格常数 (Lattice parameters): 晶轴上晶胞三个边的晶轴上晶胞三个边的长度长度 a ,b ,c 和其和其夹角夹角 , , 期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 15/737 7个晶系个晶系( (点阵常数点阵常数+ +对称性），对称性），1414种种空间点阵型式空间

13、点阵型式（晶系（晶系+点阵）点阵）期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 16/73 晶胞定位：晶胞定位：原点（原点（0, 0, 0），点的位置），点的位置（x, y, z） 分数分数坐标坐标: x，y，z 1点在晶胞内点在晶胞内,无符号无符号 晶向晶向：是是原点原点出发通过某点的出发通过某点的射线射线 （或过若干结点的直线方向）（或过若干结点的直线方向） 晶向指数晶向指数：用晶胞各轴上用晶胞各轴上投影投影的最低整的最低整 数标明数标明 ， u v w 、u v w族族 晶面晶面：晶体内的阵点（组成的）平面：晶体内的阵点（组成的）平面 晶面组晶面组：晶体所有阵点被划成晶体所有阵点被划成平

14、行等距平行等距的一组晶面的一组晶面 晶面指数晶面指数：晶面在三个晶轴上的：晶面在三个晶轴上的截距倒数，最小整数截距倒数，最小整数。 （h k l）、）、 h k l 族族 晶面间距晶面间距(dhkl ) ：晶面组中最近两晶面间的距离晶面组中最近两晶面间的距离期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 17/73 金属晶体金属晶体 金属键；金属键； 无方向性；无方向性； 原子呈圆球状密堆积原子呈圆球状密堆积 最最紧紧密密堆堆积积体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 18/73ad42ad23acad4322028811462188168.

15、 0)43)(34(233aa74. 0)42)(34(433aa结结 构构 特特 征征结结 构构 类类 型型 体体 心心 立立 方方 （bcc） 面面 心心 立立 方方 （fcc） 密密 排排 六六 方方 （hcp）点点 阵阵 类类 型型体心立方体心立方面心立方面心立方简单六方简单六方点点 阵阵 常常 数数a （4R /3 ）a （4R /2 ）a，c，c/a =1633(2R)最近的原子间距最近的原子间距（原子直径）（原子直径）晶胞中原子数晶胞中原子数6配配 位位 数数81212致致 密密 度度0.74典型金属结构晶体学特点典型金属结构晶体学特点 2期期 中中 总总 结结期期 中中 总总

16、结结 19/73间隙间隙 四面体四面体间隙间隙(Tetrahedral position) 八面体八面体间隙间隙（Octahedral position）期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 20/73晶晶 胞胞 类类 型型四四 面面 体体 间间 隙隙八八 面面 体体 间间 隙隙配位配位数数数数 量量间隙间隙大小大小配位配位数数数量数量大大 小小面心面心立方立方(密排六密排六方方)48 (12)0.225 R64 (6)0.414 R体心体心立方立方4120.291 R66001方向方向0.154 R110方向方向0.633 R表表2-13 面心立方、密排六方与体心立方晶胞中的面心立方

17、、密排六方与体心立方晶胞中的间隙间隙期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 21/73 离子晶体离子晶体： 离子键，无方向性。正离子周围配位多个负离子，离子的离子键，无方向性。正离子周围配位多个负离子，离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制，堆积形式决定于堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制，堆积形式决定于正负离子的正负离子的电荷数和相对大小。电荷数和相对大小。Section 3.6期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 22/73（等电荷时等电荷时，负离，负离子密堆）子密堆）正、负离子正、负离子半径比半径比越大，配位（负离越大，配位（负离子）数越高子）数越高 期期 中中 总总

18、 结结期期 中中 总总 结结 23/73多由非金属元素组成多由非金属元素组成(A族族) )共价晶体共价晶体的配位数为的配位数为（8N）共价晶体共价晶体期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 24/73 分子晶体分子晶体 : 组元为分子；范氏力和氢键组元为分子；范氏力和氢键. 若若仅有范氏力仅有范氏力：无方向性、饱和性、趋于密堆无方向性、饱和性、趋于密堆，常还受，常还受分子非球性及永久偶极相互作用影响，分子非球性及永久偶极相互作用影响， 有有氢键氢键时：时：有方向性、饱和性，堆积密度低有方向性、饱和性，堆积密度低。 期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 25/73 从分子排列的从分

19、子排列的有序性有序性分分： A. 丝状相丝状相（向列相（向列相 nematic） 分子具长程取向有序，分子具长程取向有序， 质心无长程有序质心无长程有序 B. 螺旋状相螺旋状相 （胆甾相（胆甾相 cholesteric） 螺旋式改变取向方向的丝状相螺旋式改变取向方向的丝状相 液晶液晶 C. 层状相层状相（近晶相（近晶相 smectic） 二维有序更接近晶体（质心仍二维有序更接近晶体（质心仍 无远程有序），排列呈层状结构。无远程有序），排列呈层状结构。期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 26/73晶体中的无序晶体中的无序缺陷：缺陷：点点：金属：金属-空位、间隙原子空位、间隙原子 离子离

20、子-肖基特、弗兰克尔肖基特、弗兰克尔线线：棱位错：棱位错 压力压力 螺旋位错螺旋位错 剪切力剪切力面面：体体；固溶体：固溶体：合金合金-两种组份及以上两种组份及以上置换置换型型间隙间隙型型非化学计量非化学计量化合物（化合物（离子离子）EF BBAD BB期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 27/73 非晶体非晶体：结构在体积范围内：结构在体积范围内缺乏重复性缺乏重复性的材料的材料 （非晶型、无定形（非晶型、无定形amorphous） 无平移对称，无长程有序（短程有序），无平移对称，无长程有序（短程有序）， 原子位置排布完全无周期性原子位置排布完全无周期性，具有统计规律。，具有统计规律

21、。 硬球密乱堆垛，硬球密乱堆垛， 共价共价 无规网络无规网络期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 28/73 分布函数分布函数： 径向分布函数径向分布函数：J(r) = 4r2 (r)可求两个参数：可求两个参数： 配位数：配位数：第一峰面积第一峰面积 原子间距：原子间距：峰位置峰位置统计学，统计学， 描述非晶体和晶体描述非晶体和晶体 双体分布函数双体分布函数：以某原子为原点，：以某原子为原点， 距离距离r r 处找到另一原子的几率处找到另一原子的几率 g(r) = (r) / 0 (r) 为为r 处处原子的数目密度；原子的数目密度； 0为整个样品的为整个样品的平均平均原子数密度原子数密

22、度 期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 29/73Nv=N exp( - )Qv kT 空位数空位数Nv与温度和空位形成能有关与温度和空位形成能有关。扩散系数与温度和扩散系数与温度和扩散扩散激活能相关激活能相关： D = D o e Q/RTFick第一定律（稳态扩散）：第一定律（稳态扩散）： Jx = - D c /x Jx ：扩散通量扩散通量 金属晶体金属晶体体积扩散体积扩散与与 t 无关无关期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 30/73 1. 同素异构转变同素异构转变 晶体结构变化晶体结构变化所有晶体材料所有晶体材料外界条件变化外界条件变化固体中的结构转变固体中的结构

23、转变热力学和动力学因素热力学和动力学因素 2. 非晶态的晶化非晶态的晶化 有序程度变化有序程度变化所有结晶所有结晶性的材料性的材料 3. 结构弛豫结构弛豫 有序程度变化有序程度变化 弛豫弛豫：偏离了原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过程。：偏离了原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过程。 高分子高分子与时间相关与时间相关 4. 相分离相分离 多组元体系多组元体系分离成不同组份和结构的几相分离成不同组份和结构的几相化学成分变化化学成分变化所有多组分材料所有多组分材料晶体、非晶体晶体、非晶体期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 31/73拐点分解拐点分解 SpinodalGN Gn 0G

24、M Gm 0机制机制：自发：自发 形核和生长形核和生长 期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 32/73 （三）（三）显微组织结构显微组织结构 （相形态结构相形态结构）晶体结构类型晶体结构类型有序与无序程度有序与无序程度化学组成差异化学组成差异 相相：物理化学性质相同、完全均匀、可含多种物质物理化学性质相同、完全均匀、可含多种物质 相图相图：多相系统平衡状态与其影响变数的关系图。：多相系统平衡状态与其影响变数的关系图。 二元相图：二元相图： 匀晶匀晶 共晶共晶 共析共析 包晶包晶期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 33/73 杠杆法则杠杆法则（Lever Rule）： QL

25、/ QS = l (cb) / l (ac)SFigure 10.2QL = l (cb) / l (ab)Qs = l (ac) / l (ab)期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 34/73 表面力和表面力场表面力和表面力场 固体固体内部内部：质点受到周围质点的控制，：质点受到周围质点的控制， 静力平衡，存在力场，力场对称。静力平衡，存在力场，力场对称。 固体固体表面表面： 周期性重复中断，力场对称性破坏，周期性重复中断，力场对称性破坏， 产生产生指向空间的指向空间的剩余力场剩余力场。 表面张力表面张力 ：扩张表面时单位长度上所需要的力：扩张表面时单位长度上所需要的力；单位单位

26、N/m 表面能表面能：增加单位面积的表面所需要做的功；单位：增加单位面积的表面所需要做的功；单位 J/m2 大小与物质原有的键合方式相关大小与物质原有的键合方式相关 固体表面结构固体表面结构： 微观质点排列状态微观质点排列状态原子、分子原子、分子 表面几何形态表面几何形态显微结构显微结构 排列状态排列状态： 原子密堆，离子极化和位移，杂质迁移原子密堆，离子极化和位移，杂质迁移降低表面能降低表面能期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 35/73吸附吸附气体气体- -润湿润湿液体液体- -固体固体固体表面特性固体表面特性 接触角接触角 ： 三相交界处三相交界处，自固液界，自固液界 面经液体

27、内部至液气界面的夹角面经液体内部至液气界面的夹角 润湿方程润湿方程： SG - SL = LG cos 粘附粘附固体固体- -固体固体粘附功粘附功：分开单位面积粘附表面所：分开单位面积粘附表面所 需要的功或能需要的功或能 WAB = A + B - AB期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 36/733-1 3-1 金属材料金属材料 金属原子金属原子的电子结构与其晶体结构特点的关系的电子结构与其晶体结构特点的关系( (应用应用2-5-12-5-1中的公式计算不同金属晶体的有关中的公式计算不同金属晶体的有关参量参量) ) 金属金属合金合金的三种结构类型的特点的三种结构类型的特点 铁碳合金

28、相图铁碳合金相图中点、线、区域的物理意义、微相结中点、线、区域的物理意义、微相结构特点及随构特点及随温度和温度和C C含量含量的变化规律的变化规律 铜铜的组成和结构特点的组成和结构特点 非晶态合金的三非晶态合金的三T T图图 金属再结晶的物理意义及金属再结晶的物理意义及T T、t t、l l的影响的影响期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 37/73金属原子的电子结构与晶金属原子的电子结构与晶体结构有何关系？体结构有何关系？金属晶体结构金属晶体结构（Crystal Structures of Metals）（a a）随温度变化随温度变化（b b）室温下有三种室温下有三种： 体心立方体心

29、立方结构结构 面心立方面心立方 密堆六方密堆六方 较高强度、硬度和熔较高强度、硬度和熔 具有良好塑性具有良好塑性 强度低，塑强度低，塑 点但塑性和韧性差点但塑性和韧性差 和韧性和韧性 性和韧性差性和韧性差 Li, Na, K(S1) Au, Ag, Cu(d10s1) Mg, Ti, Zr(d2s2) Cr, Mo, W (d5s1) Ni,Pd, Pt (d8s2) 合金材料的组成与结构合金材料的组成与结构（1 1）固溶体）固溶体 取代型，取代型， 间隙型间隙型（2 2）金属间化合物）金属间化合物 正常价化合物、电子化合物、间隙化合物正常价化合物、电子化合物、间隙化合物（3 3）机械混合物）

30、机械混合物期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 38/73 奥氏体奥氏体 austenite 碳溶解在碳溶解在 铁铁中的中的固溶体固溶体，C% 2.11%（1148） 铁素体铁素体 ferrite 碳溶解在碳溶解在 铁铁中的中的固溶体固溶体，C% 0.02% （727） 渗碳体渗碳体 cementite 铁和碳以铁和碳以化合物化合物形态出现的形态出现的碳化铁碳化铁C%=6.67% 珠光体珠光体 pearlitic 铁素体和渗碳体二者组成的铁素体和渗碳体二者组成的共析混合物共析混合物, 727 莱氏体莱氏体 奥氏体和渗碳体的奥氏体和渗碳体的共晶混合物共晶混合物, 1148 马氏体马氏体

31、Martensite 钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到碳在碳在 铁中的过饱和固溶体铁中的过饱和固溶体铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 （texture）：）：39/78第三章 材料组成与结构5个单相区7个两相区三条水平线三条特征线(1)铁铁-渗碳体相图渗碳体相图40/78第三章 材料组成与结构L5个单相区7个两相区三条水平线三条特征线41/78第三章 材料组成与结构L5个单相区7个两相区三条水平线三条特征线42/78第三章 材料组成与结构L5个单相区7个两相区三条水平线三条特征线期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 43/73(2)(

32、2)典型铁碳合金结晶过程分析典型铁碳合金结晶过程分析（1）共析钢共析钢 eutectoid steel 0.77%C期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 44/73（2）亚共析钢亚共析钢 hypoeutectoid steel0.02180.77%C期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 45/73（3）过共析钢过共析钢 hypereutectoid steel0.772.11%C期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 46/73（4）共晶白口铸铁共晶白口铸铁 eutectic cast iron4.3%C（5）亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 hypoeutectic cas

33、t iron 2.114.3%C（6）过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 hypereutectic cast iron 4.36.67%C期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 47/73快速淬火快速淬火技术（过冷）。技术（过冷）。TTT曲线曲线（Time Temperature Transition） 越过越过C曲线曲线的顶部的顶部 即可得到非晶体。即可得到非晶体。 Tm - Tn 临界冷却速率临界冷却速率 R c= - n 熔化温度熔化温度 Tg = Tm - TgTg 形成非晶的趋向愈大形成非晶的趋向愈大过渡金属、贵金属、类金属的合金过渡金属、贵金属、类金属的合金低的冷却速率是易于制备

34、非晶的有利条件低的冷却速率是易于制备非晶的有利条件主要特点：高硬度和强度，延伸率低但不脆，很好的软磁性主要特点：高硬度和强度，延伸率低但不脆，很好的软磁性 和优越耐腐蚀性。和优越耐腐蚀性。Tn3-2-5 非晶态合金非晶态合金（Noncrystalline metallic alloy ）期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 48/733-2 3-2 无机非金属无机非金属 组成和结合键性质组成和结合键性质 简单晶体简单晶体的结构类型：的结构类型：AX, AmXp, AmBnXpAX, AmXp, AmBnXp 密度计算密度计算 典型晶体典型晶体：单晶硅、：单晶硅、NaCl, CsCl,

35、ZnSNaCl, CsCl, ZnS, , 钙钛矿、尖钙钛矿、尖晶石晶石 硅酸盐的五种晶体结构、桥氧原子和非桥氧原子硅酸盐的五种晶体结构、桥氧原子和非桥氧原子 玻璃的组成、特性及结构参数玻璃的组成、特性及结构参数 凝胶与陶瓷的组成与结构特点凝胶与陶瓷的组成与结构特点 碳黑、碳黑、石墨、金刚石、石墨、金刚石、C C6060碳纳米管碳纳米管的结构与性能特的结构与性能特点点期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 49/731. 单晶硅单晶硅 silicon sp3杂化，杂化， 8个原子个原子几种几种典型晶体典型晶体结构结构 面心立方面心立方四面体间隙四面体间隙立方晶系，共价晶体立方晶系，共价晶

36、体期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 50/732. 氯化钠与氯化铯氯化钠与氯化铯 AXSodium chloride (Rock salt) and Cesium chloride 正负离子半径比正负离子半径比 配位数配位数 Na+/Cl- 0.524 6 正八面体配位正八面体配位 Cs+/Cl- 0.933 8 立方体配位立方体配位立方晶系，离子晶体立方晶系，离子晶体期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 51/733. 氟化钙氟化钙 Calcium Fluorite (CaF2) AmXpF原子数原子数: 81/8+61/2+121/4+1=8立方晶系，离子晶体立方晶系，

37、离子晶体Si原子数原子数: 4期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 52/73Figure 3.7极性共价键极性共价键Zn-S （1.6-2.5） ZnS44- AX-TYPE 4. 面心立方面心立方ZnS和六方和六方ZnS共价晶体共价晶体S S 配位数配位数4 4、位于面心、立方点上、位于面心、立方点上Zn Zn 配位数配位数4 4、位于四面体间隙、位于四面体间隙面心立方面心立方ZnS期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 53/73六方六方ZnSZnSS和和Zn两套密排六方，两套密排六方，a,b轴重合，轴重合，c轴错位轴错位3/8期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结

38、54/733/8期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 55/735. 钙钛矿钙钛矿晶体晶体 CaTiO3 AmBnXp-TYPE 位于八面体间隙位于八面体间隙 TiO68-八面体八面体 Ti4+八面体中心八面体中心 立方晶系立方晶系 Ca2+ 立方体顶角立方体顶角 配位数配位数 12 O2- 面心面心 配位数配位数 6 Ti4+ 体心体心 配位数配位数 6期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 56/73 O2- 面心立方密堆面心立方密堆 立方晶系立方晶系 A2+ 填充在四面体间隙填充在四面体间隙 B3+ 填充在八面体间隙填充在八面体间隙单位晶胞单位晶胞包含包含8个分子，个分子，

39、A8B16O32形成形成 64个四面体空隙、填充率个四面体空隙、填充率1/8 32个八面体空隙、填充率个八面体空隙、填充率1/2 A块块中中 A2+填充填充1/4的四面体间隙共的四面体间隙共2个、个、 4*2=8 B块块中中 B3+填充八面体间隙共填充八面体间隙共4个、个、 4*4=16 (棱、心棱、心） 共棱共棱小块的结构相同，小块的结构相同， 共面共面小块的结构不同小块的结构不同6尖晶石尖晶石型晶体型晶体 (MgAl2O4AB2O4 ) 立方晶系，离子晶体立方晶系，离子晶体期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 57/73n the number of formula units 1

40、 within the unit cellAC the sum of the atomic weights of all cations in the formula unitAA the sum of the atomic weights of all anions in the formula unitVC the unit cell volumeNA Avogadros number, 6.023 10 23 formula units/molCalculation of Density期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 58/733-3-3 硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体结构 Si

41、licate Crystalline Structures n基本结构单元：基本结构单元：SiOSiO4 4 四面体。四面体。 SiSi4+4+中心，中心，O O2-2-顶点；顶点；nSiOSiO4 4 每个顶点，即每个顶点，即O O2-2-最多为两个最多为两个SiOSiO4 4 所共用；所共用；n两相邻两相邻SiOSiO4 4 之间共顶、共棱不能共面连接；之间共顶、共棱不能共面连接；nSiOSiO4 4 中心中心SiSi4+4+可部分被可部分被AlAl3+3+ 所取代所取代. .Silicon-Oxygen Tetrahedron期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 59/73期期

42、中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 60/73高砱土高砱土 kaolinite clay期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 61/73网络外体氧化物和中间体氧化物对玻璃结构的影响网络外体氧化物和中间体氧化物对玻璃结构的影响网体氧化物：网体氧化物：SiO2, B2O3 , P2O5 , GeO网体外氧化物：网体外氧化物：Na2O, K2O, CaO, BaO中间体氧化物：中间体氧化物：MgO, ZnO, Al2O33-3-4 无机非金属材料的非晶体结构无机非金属材料的非晶体结构（Noncrystalline Structure-Amorphous）期期 中中 总总 结结期期 中中

43、总总 结结 62/73 X+Y=ZX+Y/2=RX=2R-ZY=2Z-2RX 非桥氧非桥氧Y 桥氧桥氧Z 氧氧R 氧硅比氧硅比石英玻璃石英玻璃 Y= 4 （Y结构参数结构参数桥氧原子的平均数桥氧原子的平均数）硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃 Y 2 SiOSiO2 2% %升高，共价键成分增多，膨胀系数降低升高，共价键成分增多，膨胀系数降低耐热玻璃耐热玻璃结构参数结构参数Y对玻璃性质的影响对玻璃性质的影响玻璃组成玻璃组成Y值值熔融温度，熔融温度，膨胀系数膨胀系数107Na2O.2SiO231523146P2O531573140Na2O.SiO221323220Na2O.P2O521373220期期 中中

44、总总 结结期期 中中 总总 结结 63/733-3 3-3 高分子高分子（侧重与金属和无机非金属材料对照）（侧重与金属和无机非金属材料对照） 高分子材料高分子材料结构的多层次结构的多层次性概貌性概貌 大分子大分子链链的组成和结构特点的组成和结构特点 大分子链的内旋转、柔性和大分子链的内旋转、柔性和构象构象 大分子大分子链间的相互作用与聚集态结构链间的相互作用与聚集态结构模型模型 结晶构象结晶构象与晶体结构特点与晶体结构特点 取向取向态结构态结构 合成聚合物和天然高分子的主要类型合成聚合物和天然高分子的主要类型 聚合物聚合物共混共混材料的微结构特点、材料的微结构特点、界面界面期期 中中 总总 结结期期 中中 总总 结结 64/73Chapter 43-4-1 高分子材料组成和结构的高分子材料组成和结构的基本特征基本特征 Typical F