材料化学导论Chapter2

1、5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter215/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter22化学组成化学组成组织结构组织结构材料性能材料性能合成合成与与加工加工5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter232.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 晶体与非晶体晶体与非晶体 2.3 2.3 晶体的结构与性能晶体的结构与性能 2.4 2.4 晶体缺陷及其对性能的影响晶体缺陷及其对性能的影响 2.5 2.5 非

2、晶态材料的结构与性能非晶态材料的结构与性能JJJJJ5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter242.1 概述概述2.1.1 材料组元的结合形式材料组元的结合形式2.1.2 材料的结构基础材料的结构基础2.1.3 材料性能简介材料性能简介JJJ5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter252.1 概述概述2.1.1 材料组元的结合形式材料组元的结合形式2.1.1.1 基本概念基本概念组组元元组成材料最基本、组成材料最基本、独立的物质独立的物质相相材料中具有同一化材料中

3、具有同一化学成分并且结构相学成分并且结构相同的均匀部分同的均匀部分组织组织材料内部的材料内部的微观形貌微观形貌5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter26phaseatom 组织是材料性能的组织是材料性能的决定性因素决定性因素Relation of component，phase and textureFigure 2-1chemical elementchemical substancemoleculecomponenttexturesimplex texturemultiple texture5/2/2022 12:31 A

4、MChemistry of Materials 2004, Chapter2720 nm 20 nmSi (111) 7 7 surface5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter28Photonic Crystal5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter291D Photonic Crystal3D Photonic Crystal2D Photonic Crystal5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, C

5、hapter210溶液溶液2.1.1.2 Solid solution（1）定义）定义5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter211Solvent 溶剂溶剂Solute溶质溶质 一个（或几个）一个（或几个） 组元的原子（化合物）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。的晶格类型的固态晶体。固溶体固溶体5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter212 溶质和溶剂原子占据一个共溶质和溶剂原

6、子占据一个共同的晶体点阵，点阵类型和溶剂同的晶体点阵，点阵类型和溶剂的点阵类型相同的点阵类型相同。 有一定的成分范围有一定的成分范围 具有比较明显的金属性质具有比较明显的金属性质（2） 基本基本 特征特征solid solubility结合键主要是金属键5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter213按溶质原子在按溶质原子在点阵中的位置点阵中的位置Substitutional solid solutionInterstitial solid solution （3）分类）分类按各组元原子按各组元原子分布的规律性分布的规律性 Dis

7、ordered solid solutionOrdered solid solution按固溶度按固溶度Finite solid solutionInfinite solid solution 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter214A A、置换型固溶体、置换型固溶体由溶质原子代替由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组成。结点位置所组成。 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter215结构结构Ni :

8、1s22s22p63s23p63d84s2Cu: 1s22s22p63s23p63d94s2半径半径Ni ：0.1246nmCu：0.1278nm 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter216MgOMgO的结构中的结构中MgMg2+2+离子被离子被FeFe2+2+离子所取代。离子所取代。条件：条件：1. 1. 半径相近半径相近 2. 2. 电荷数相同电荷数相同CaCa2+2+能取代能取代MgMg2+2+吗？吗？ LiLi+ + 能取代能取代MgMg2+2+吗？吗？Ionic solid solution5/2/2022 12:

9、31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2175/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter218晶格结构的空隙越大，晶格结构的空隙越大，越有利于形成固溶体。越有利于形成固溶体。形成填隙型固溶体的次序？形成填隙型固溶体的次序？片沸石、片沸石、CaF2、TiO2、MgO 为什么高温下碳易于填入铁晶格的空隙？为什么高温下碳易于填入铁晶格的空隙？5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter219确定固溶体的点阵类型和点阵常数，确定固溶体的

10、点阵类型和点阵常数，由此推出一个晶胞内的原子数由此推出一个晶胞内的原子数n n 和晶胞体积和晶胞体积V V利用利用X X射线衍射射线衍射或电子衍射或电子衍射 置换型还是填隙型？置换型还是填隙型？根据该固溶体的平均原子量根据该固溶体的平均原子量A A及阿弗及阿弗伽德罗常数伽德罗常数N NA A即可算出固溶体的理论密度即可算出固溶体的理论密度 c通过实验直接测出该固溶体的实际密度通过实验直接测出该固溶体的实际密度 eAcNV 比较比较 和和 ec 若若 ：缺位式：缺位式eeeccc5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter220在热力

11、学处于在热力学处于平衡状态的平衡状态的固溶体中，固溶体中，溶质原子的分布溶质原子的分布宏观上是宏观上是均匀的。均匀的。C C、无序固溶体、无序固溶体各组元原子的分布各组元原子的分布是随机的。是随机的。5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter221D D、有序固溶体、有序固溶体组元原子在晶体点阵组元原子在晶体点阵中不是随机分布的，而是出现某种倾向性中不是随机分布的，而是出现某种倾向性排列，如异类原子互相吸引形成有规则的排列，如异类原子互相吸引形成有规则的排列结构。排列结构。Ordering固溶体的有序化固溶体的有序化5/2/202

12、2 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter222铁铁铬、铁铬、铁铜、铁铜、铁镍镍F F、有限固溶体、有限固溶体固溶度小于固溶度小于100%100%。E E、无限固溶体（又称连续固溶体）、无限固溶体（又称连续固溶体）是由两个（或多个）晶体结构相同的是由两个（或多个）晶体结构相同的组元形成的，任一组元的成分范围均为组元形成的，任一组元的成分范围均为0 0100%100%。铜铜锌、铜锌、铜锡锡5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter223无限置换固溶体中两组元素原子置换无限置换固溶体中

13、两组元素原子置换 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter224 固溶强化固溶强化 溶质原子的溶入，溶质原子的溶入， 使固溶体的强度、使固溶体的强度、 硬度升高硬度升高 。（4）应用）应用碳原子溶入碳原子溶入 -Fe 硅原子溶入硅原子溶入 -Fe 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter225石英和云母石英和云母2.1.1.3 Aggregate纯金属和合金纯金属和合金聚集体聚集体由无数的原子或晶粒聚集由无数的原子或晶粒聚集而成的固体。而成的固体。 5/2/202

14、2 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2262.1.1.4 Composite复合体复合体 由两种或两种以上的不由两种或两种以上的不同材料通过一定的方式复合同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料，各相之而构成的新型材料，各相之间存在着明显的界面。间存在着明显的界面。 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter227骨骼骨骼天然的纳米复合材料天然的纳米复合材料5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter228特点特点

15、保持各相的固有特性；保持各相的固有特性；各相原有特性的强化（协同效应）；各相原有特性的强化（协同效应）；赋予单一材料所不具备的特殊性能。赋予单一材料所不具备的特殊性能。 J5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2292.1.2 The Structure of Materials宏观组织结构宏观组织结构亚微观组织结构亚微观组织结构微观结构微观结构5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter230应用角度应用角度2.1.2.1 材料结构的重要性材料结构的重要性 理论角

16、度理论角度 材料科学中最基本、最重要的知识。材料科学中最基本、最重要的知识。5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter231钻石薄膜在放大钻石薄膜在放大10001000倍下显示的亚微观结构倍下显示的亚微观结构5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter232Fe原子在原子在Cu基板上原子像基板上原子像( (IBM) )5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter233Co原子在原子在Pt基板上原子像基板上原子

17、像( (IBM) )5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter234Xe原子在原子在Ni基板上原子像基板上原子像( (IBM) )5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2352.1.2.2 材料中的化学键合材料中的化学键合Metallic bondIonic bondCovalent bondHydrogen bondVan der Waals bond5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter236

18、（1）Metallic bond5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter237高导电率和高导热率高导电率和高导热率 不透明性不透明性 金属表面的高反射性金属表面的高反射性 延展性延展性 金属键的金属键的特点特点金属的特性金属的特性电子的离域性电子的离域性键的球对称性质键的球对称性质5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter238（2）Ionic bond离子键的离子键的特点特点饱和性和无定向性饱和性和无定向性 离子化合物的特性离子化合物的特性配位数高、堆积致密配位数

19、高、堆积致密 本质上可以归结于静电引力本质上可以归结于静电引力5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter239氯化钠的离子键氯化钠的离子键5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter240离子键的形成离子键的形成5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2415/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter242离子键离子键CsCl结构示意图结构示意

20、图5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter243库仑引力与离子间距离的关系库仑引力与离子间距离的关系5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2445/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter245（3）Covalent bond两个原子共有最外壳层电子的键合两个原子共有最外壳层电子的键合共价键的特点共价键的特点 方向性和饱和性方向性和饱和性 共价键晶体的特性共价键晶体的特性 很高的熔点和硬度很高的熔点和

21、硬度 良好的光学特性良好的光学特性 不良的导电性不良的导电性5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2465/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter247金刚石中的共价键金刚石中的共价键5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter248甲烷的电子层结构甲烷的电子层结构5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter249（4）Hydrogen bo

22、nd两个条件两个条件 分子中必须含氢分子中必须含氢另一个元素必须是显著的非金另一个元素必须是显著的非金属元素属元素 有方向性有方向性5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter250水分子之间的氢键水分子之间的氢键5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter251（5）Van der Waals bond 电中性的分子电中性的分子之间的长程作用力之间的长程作用力 Johannes Diderik Van der Waals 1837 1923The Nobel Prize

23、 in Physics 1910“for his work on the equation of state for gases and liquids”5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter252氩原子间的氩原子间的范德华键形成示意图范德华键形成示意图5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter253碘晶体结构示意图碘晶体结构示意图5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter254范德华键范德华键范德华

24、键范德华键分子链受力滑动分子链受力滑动聚氯乙烯聚氯乙烯分子间的范德华键分子间的范德华键5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter255（5）Comparison物理键物理键化学键化学键离子键离子键共价键共价键金属键金属键范德华键范德华键氢键氢键5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter256表表 2-1. 各种结合键主要特点比较各种结合键主要特点比较类类 型型作用力来源作用力来源键合键合 强弱强弱形成晶体的特点形成晶体的特点离子键离子键原子得、失电子后形原子得、失电子

25、后形成负、正离子，正负成负、正离子，正负离子间的库仑引力离子间的库仑引力最强最强无方向性键、高配位数、高熔无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电熔态离子导电共价键共价键相邻原子价电子各处相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力原子核间的库仑引力强强有方向性键、低配位数、高熔有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、在熔态也不系数、塑性较差、在熔态也不导电导电金属键金属键自由电子气与正离子自由电子气与正离子

26、实之间的库仑引力实之间的库仑引力较强较强无方向性键、结构密堆、配位无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性好的导热、导电性范德华范德华键键原子间瞬时电偶极矩原子间瞬时电偶极矩的感应作用的感应作用最弱最弱无方向性键、结构密堆、高熔无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘点、绝缘氢键氢键氢原子核与极性分子氢原子核与极性分子间的库仑引力间的库仑引力弱弱5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter257实际材料中的结合键实际材料中的结合键5/2/2022 12:31 AMChemistry o

27、f Materials 2004, Chapter258原子能够结合为晶体的根本原因，原子能够结合为晶体的根本原因，是原子或分子结合起来后，体系的能量是原子或分子结合起来后，体系的能量可以降低，可以降低，即在分散的原子结合成晶体过程中，即在分散的原子结合成晶体过程中，会有一定的能量释放出来。会有一定的能量释放出来。 Binding Energy 结合能结合能晶体的结合能晶体的结合能等于它的升华热等于它的升华热 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter259Attractive forcem mr ra af f 引Repulsi

28、ve forcen nr rb bf f 斥式中式中a，b，m，n均为常数，其中均为常数，其中m n n nm mr rb br ra af ff ff f 斥引总净作用力净作用力原子间原子间5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter260E-r和和f-r曲线曲线 J5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2612.1.3 Property of Materials2.1.3.1 各类材料的一般特性各类材料的一般特性 Figure 2-2 General Chara

29、cters of Materials5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter262溶蚀性溶蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗渗透性抗氧化性抗氧化性2.1.3.2 Chemical Performance材料抵抗各种介质作用的能力材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性化学稳定性5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter263氧化物成核氧化物成核 生长生长氧溶解氧溶解氧化膜生长氧化膜生长内氧化内氧化缝隙缝隙孔洞孔洞微裂纹微裂纹宏观裂纹宏观裂纹吸附吸附A. 化学腐蚀化学腐蚀（1

30、）金属材料）金属材料的化学稳定性的化学稳定性金属氧化反应的金属氧化反应的主要过程示意图主要过程示意图5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter264SO2气体对铁的侵蚀过程气体对铁的侵蚀过程B. 电化学腐蚀电化学腐蚀5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter265海水对金属的侵蚀示意图海水对金属的侵蚀示意图5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter266A. 材斜的化学成分和矿物组成材斜的化学成分和矿物组

31、成（2）无机非金属材料的化学稳定性）无机非金属材料的化学稳定性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2为主为主耐耐碱碱材材料料 含有大量碱性氧化物含有大量碱性氧化物如如CaO、MgO5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter267B.材料孔隙和结构材料孔隙和结构结晶的二氧化硅（石英）结晶的二氧化硅（石英）和和无定形二氧化硅（普通玻璃）无定形二氧化硅（普通玻璃）C.腐蚀介质腐蚀介质5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter268化学稳定性好，耐酸耐碱化学稳定性

32、好，耐酸耐碱（3）高分子材料的化学稳定性）高分子材料的化学稳定性主链原子以共价键结合主链原子以共价键结合长分子链对反应基团的保护长分子链对反应基团的保护电绝缘性，无电化学腐蚀电绝缘性，无电化学腐蚀5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2692.1.3.3 Mechanical Property材料受外力作用时的变形行为材料受外力作用时的变形行为及其抵抗破坏的能力及其抵抗破坏的能力（1）Intensity and Plasticity5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Ch

33、apter270样品拉伸实验示意图样品拉伸实验示意图5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter271冲击实验装置冲击实验装置5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter272（2）硬度）硬度（3）断裂与韧性）断裂与韧性脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂（4）疲劳特性与耐磨性）疲劳特性与耐磨性材料抵抗其他较硬物体材料抵抗其他较硬物体压入表面的能力压入表面的能力5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter273

34、Heat CapacitydTdQC Thermal Expansion2.1.3.4 Thermal Property5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter274势能一原子间距离曲线势能一原子间距离曲线实际的实际的假想的假想的5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter275热传导热传导耐热性耐热性由材料熔由材料熔融或分解融或分解所需温度所需温度的高低反的高低反映出来映出来5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004,

35、Chapter276（1）Electrical Conductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）2.1.3.5 Electrical Property5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter277电导率电导率/ Sm-15/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2

36、004, Chapter278氧氧化物化物超导体超导体YBa2Cu3O7：92 KBi2Sr2Ca2Cu3O10：110 KTl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 KHgBa2Cu2O8：153 K 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter279（2）Dielectric Property 介电性质介电性质表表 2-2. 某些介电材料的性能某些介电材料的性能5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2805/2/2022 12:31 AMChemistry of

37、Materials 2004, Chapter281（3）Ferroelectricity 铁电性铁电性铁电滞后现象铁电滞后现象温度对介电常数的影响温度对介电常数的影响5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter282BaTiO3 PbTiO3PbZrO3 NH4H2PO4（4）Piezoelectricity 压电性压电性外力外力 极化极化 电场电场5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2832.1.3.6 Optical Property表表 2-3. 光的反射

38、、吸收和透过的特征光的反射、吸收和透过的特征5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter284磁磁化化曲曲线线2.1.3.7 Magnetic PropertyJ5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter285非晶体非晶体2.2 晶体与非晶体晶体与非晶体2.2.1 结构和特点结构和特点2.2.1.1 晶体与非晶体的结构和特点晶体与非晶体的结构和特点固态物质固态物质原子或分子原子或分子聚集状态聚集状态不同不同 晶体晶体5/2/2022 12:31 AMChemistry

39、of Materials 2004, Chapter286长程长程有序有序（1）晶体）晶体（2）非晶体）非晶体原子或原子团、离子或分子原子或原子团、离子或分子在空按一定规律呈周期性地在空按一定规律呈周期性地排列构成排列构成原子、分子或离子无原子、分子或离子无规则地堆积在一起所规则地堆积在一起所形成形成长程无序长程无序短程有序短程有序5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter287（3）Comparison方石英方石英石英玻璃石英玻璃石英凝胶石英凝胶2()衍射强度衍射强度Curve of X-ray Diffraction5/2/2

40、022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2882.2.1.2 晶界晶界 Grain Boundary 多晶由许多取向不同的晶粒组成多晶由许多取向不同的晶粒组成两个晶粒相遇时产生的界面称为晶界两个晶粒相遇时产生的界面称为晶界多晶多晶 由单晶组成的聚集体由单晶组成的聚集体单晶单晶 只有一块结构均匀的大晶体构成的固体只有一块结构均匀的大晶体构成的固体5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter289多晶材料的光学显微组织多晶材料的光学显微组织5/2/2022 12:31 AMChem

41、istry of Materials 2004, Chapter290多晶铅碇多晶铅碇5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2912.2.2 TransformationJ晶态晶态非晶态非晶态5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2922.3 晶体的结构与性能晶体的结构与性能2.3.1 晶体结构基础晶体结构基础 2.3.2 金属和无机非金属材料金属和无机非金属材料 的晶体结构的晶体结构2.3.3 晶体材料的结构晶体材料的结构 与物理性能与物理性能JJJ5/2/

42、2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2932.3 晶体的结构与性能晶体的结构与性能多孔多孔Al2O3多晶多晶 Al2O3单晶单晶 纤维纤维Al2O3多晶多晶 立方氮化硼立方氮化硼六方六方氮化硼氮化硼5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2942.3.1 Crystal Structure 2.3.1.1 Lattice & Crystal System 空间点阵空间点阵Space Lattice点阵点点阵点5/2/2022 12:31 AMChemistry

43、 of Materials 2004, Chapter295晶格晶格Crystal Lattice三维空间点阵三维空间点阵5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter296空间点阵和实际晶体结构之间的关系空间点阵和实际晶体结构之间的关系5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter297a、b、c : 确定晶胞大小确定晶胞大小 、 、 : 确定晶胞形状确定晶胞形状晶格常数晶格常数晶胞晶胞Unit Cell5/2/2022 12:31 AMChemistry of Mater

44、ials 2004, Chapter298表表 2-4. 7种晶系和种晶系和14种点阵类型种点阵类型Crystal System点阵参数间的关系点阵参数间的关系Lattice typeCubica=b=c, = = =90P、I、FTetragonala=b c, = = =90P、IHexaganola=b c, = =90, =120 PRhombohedral a=b=c, = = 90P、(R)Orthorhombic a b c, = = =90P、C、I、FMonoclinica b c, = =90, 90P、CTriclinica b c, 90P5/2/2022 12:31

45、AMChemistry of Materials 2004, Chapter2992.3.1.2 Crystal Symmetry晶系晶系特征对称元素特征对称元素立方立方4 4个个3 3次轴次轴六方六方1 1个个6 6次轴次轴四方四方1 1个个4 4次轴次轴三方三方1 1个个3 3次轴次轴正交正交3 3个互相垂直个互相垂直2 2次轴，次轴，或或2 2个互相垂直对称面个互相垂直对称面单斜单斜1 1个个2 2次轴，或次轴，或1 1个对称面个对称面三斜三斜无无表表 2-5. 7大晶系及其特征对称元素大晶系及其特征对称元素J5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials

46、 2004, Chapter21002.3.2 The Structure of Materials金属金属陶瓷陶瓷玻璃玻璃沥青沥青塑料塑料液晶液晶5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2101金属材料金属材料2.3.2.1 Metallic Crystal Materials合合 金金多晶体、固溶体、多晶体、固溶体、金属间化合物、中间相等金属间化合物、中间相等金属单质金属单质金属晶体金属晶体5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2102金属晶体的结构金属晶体

47、的结构Coordination NumberAtomic Packing Factor 单位晶胞体积单位晶胞体积单位晶胞内原子体积单位晶胞内原子体积原子堆积系数原子堆积系数 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2103（1）bcc body-centered cubic structure碱金属碱金属、-Fe 、难熔金属难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2104a ：晶格单位长度：晶格单位长度R ：原子半径：

48、原子半径R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc R RR Ra aR R 单位晶胞原子数单位晶胞原子数 n n =2=25/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2105（2）fcc face-centered cubic structureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，贵金属贵金属以及以及奥氏体不锈钢等奥氏体不锈钢等 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2106R Ra aa aR R2424 n n =4

49、=474. 0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2107（3）hcp hexagonal close-packed structure-Ti，-Co，-Zr，Zn，Mg 等等 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2108R Ra aa ac c238 n n =6=674. 0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcp R RR RR RR Ra aa ac

50、cR R 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2109表表 2-6. 常见晶体结构的几何参数常见晶体结构的几何参数StructureCNnbcc820.68fcc1240.74hcp1260.745/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter21102.3.2.2 Inorganic Nonmetallic Crystal Materials（1）Diamond Type StructureDiamond5/2/2022 12:31 AMChemistry of M

51、aterials 2004, Chapter2111Graphite5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2112C605/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2113正二十面体正二十面体32面体面体5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2114（2）Silicate Structure5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter21

52、15多面体的排列方式多面体的排列方式5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2116硅酸盐结构类型硅酸盐结构类型岛状岛状 链状链状 层状层状 网络状网络状 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2117镁橄榄石镁橄榄石(Mg2SiO4)的的理想结构理想结构岛状结构岛状结构A、简单硅酸盐简单硅酸盐5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2118含成对有限硅氧团和环状有限硅氧团的硅酸盐含成对有限硅氧团

53、和环状有限硅氧团的硅酸盐 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2119B、链状结构链状结构(SiO3)n2n-(Si4O11)n6n-5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2120C、层层状结构状结构滑石滑石叶蜡石叶蜡石5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2121石英结构石英结构D、网状结构网状结构J5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004,

54、 Chapter2122Gemstones ScapoliteTourmaline5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter21232.3.3 晶体材料的结构与物理性能晶体材料的结构与物理性能（1）均匀性均匀性（2）各向异性各向异性（3）自发地形成多面体外形自发地形成多面体外形（4）晶体具有明显确定的熔点晶体具有明显确定的熔点周期性周期性5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2124（5）晶体的对称性晶体的对称性 石英晶体的石英晶体的形状与对称元素形状与对称元素5

55、/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2125BaTiO3晶体结构晶体结构5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2126X射线射线J（6）晶体对晶体对X X射线的衍射射线的衍射 晶体晶体透过透过( (绝大部分绝大部分) ) 非散射能量转化非散射能量转化 散射散射5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter21272.4 晶体缺陷及其对性能的影响晶体缺陷及其对性能的影响2.4.1 缺陷的分类缺陷的分类2

56、.4.2 缺陷对晶体性质的影响缺陷对晶体性质的影响 2.4.3 非整比化合物非整比化合物 JJJ5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter21282.4 晶体缺陷及其对性能的影响晶体缺陷及其对性能的影响5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2129平移对称性的破坏平移对称性的破坏平移对称性示意图平移对称性示意图5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2130点缺陷点缺陷结构缺陷结构缺陷( (本征缺陷

57、本征缺陷) )线缺陷线缺陷体缺陷体缺陷面缺陷面缺陷2.4.1 缺陷的分类缺陷的分类5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter21312.4.1.1 Point Defect（1）概念）概念5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2132电子电子空穴空穴电子性缺陷电子性缺陷 空位空位间隙原子间隙原子位错原子或离子位错原子或离子外来原子或离子外来原子或离子原子或离子缺陷原子或离子缺陷 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 200

58、4, Chapter2133肖特基缺陷肖特基缺陷弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2134NaClAgBr肖特基缺陷肖特基缺陷 or 弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷 ?阴阳离子半径差异阴阳离子半径差异5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2135空位的迁移空位的迁移空位的复合空位的复合5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2136（2）成因）成因热致缺陷热致缺陷 掺杂造成缺陷掺杂造成缺陷 与环境介质交换引起缺陷与环境介质交换引起缺陷 外部作用引起缺陷外部作用引起缺陷 5/2/2022 12:31 AMChemistry of Materials 2004, Chapter2137晶体滑移示意图晶体滑移示意图2.4.1.2 Dislocation5/2/2022 12:31 AMChemistry of Mate