第二章_晶态和非晶态材料

1、固体固体晶体非晶体 晶体和非晶体都是真实的固体，具有固态的基本属性。晶体和非晶体都是真实的固体，具有固态的基本属性。相对于气态、相对于气态、液态分子的长程平移，其中的原子则只处在完全确定的平衡位置附近作振液态分子的长程平移，其中的原子则只处在完全确定的平衡位置附近作振动。动。固体的宏观性质就是这些大量的粒子之间相互作用和集体运动的表现。固体的宏观性质就是这些大量的粒子之间相互作用和集体运动的表现。气态气态液态液态固态固态T(K)TbTfTg V(dm3)12气体气体液体液体晶体晶体非晶体非晶体Tb 沸点沸点Tf 凝固点凝固点Tg 玻璃化温度玻璃化温度1.连续的固化到非晶态固体连续的固化到非晶态

2、固体 缓慢降温；缓慢降温；2.不连续的固化到晶态固体不连续的固化到晶态固体 快速降温；快速降温；2.1 晶体特征及其结构基础晶体特征及其结构基础 晶体以其特有的点阵结构的特殊性，呈现出与其它物质（气、液、非晶态）完全不同的特殊性质。 1. 晶体的均匀性晶体的均匀性 晶体结构是由相同晶胞周期的并置而成。晶体结构是由相同晶胞周期的并置而成。从宏观上来说，晶体的性质是一个连续的整体，并不随观察的位置而改变。 如：如：相同的密度、化学组成相同的密度、化学组成2. 晶体的各向异性晶体的各向异性 在晶体中不同的方向上在晶体中不同的方向上具有不同的物理性质，即为具有不同的物理性质，即为各向异性各向异性。主要

3、是由于晶体内的粒子在不同方向上排列、粒子在不同方向上排列、取向不同取向不同导致的。 例如，在不同的方向具有不同的电导率、膨胀系数、折光率、机械强度等。3. 晶体的自范性晶体的自范性 晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出由晶面，晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出由晶面，晶棱等几何元素所围成的凸多面体外形来，晶体的这一性晶棱等几何元素所围成的凸多面体外形来，晶体的这一性质即为晶体的自范性。质即为晶体的自范性。 在理想的环境中，晶体可以生长成凸多面体，凸多面体的晶面数(F)，晶棱数(E)和顶点数(V)之间的关系符合下面公式： F + V = E + 2 即： 面数面数 + 顶点数顶点数 =

4、 晶棱数晶棱数 + 2 若对各相应的晶面分别引法线，则每两条法线之间夹角称作晶面交角，它也必为一常数。这一规律叫做“晶面夹晶面夹角（或交角）守恒定律角（或交角）守恒定律” -1669年由斯特诺（N.Steno） 首先提出。玻璃体不会自发的形成多面体外形，当一块玻璃冷却时，随着温度降低，粘度变大，流动性变小，固化成表面圆滑的无定形体固化成表面圆滑的无定形体，与晶体的有棱、有顶角、有平面的性质完全不同。 4. 晶体的熔点 晶体具有周期性结构，各个部分都按同一方式排列，当温度升高，热震动加剧，晶体开始熔化时，各部分需要同样的温度，因而晶体具有一定的熔点晶体具有一定的熔点。TtTt非晶态非晶态晶态晶态

5、5. 晶体的对称性 晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。其主要是由于晶体组成微粒的规则排列而产生的。事实上，晶体的对称性与晶体的性质关系非常密切。 2.2 晶体学点群和晶体的性质晶体学点群和晶体的性质 尽管自然界中晶体的外形是多种多样变化无穷的，而就其对称性来看却并不超出32种点群种点群代表的宏观对称类型。由于晶体的物理性质由晶体对称性决定，而且也只决定于晶体的物理性质由晶体对称性决定，而且也只决定于它的点群的对称性它的点群的对称性，所以对晶体学点群的研究十分重要。 2.2.1 晶体学点群的分类晶体学点群的分类 晶体学点群可分为两类，即11个纯旋转操作点个纯旋转操作点群群或只含第I

6、类操作的点群以及21个非纯旋转群个非纯旋转群或含第II类操作的点群。其中纯旋转点群又可分为循环群（只具有1个n次轴的点群）、双面群（具有一个n次轴和n个与之垂直的二次轴的点群）和立方群（具有一个以上高次轴的点群）。 21个非纯旋转的晶体学点群中包含有11个中心个中心对称的点群对称的点群，这11个中心对称点群也可以由11个纯旋转的、非中心对称的晶体学点群在对称轴系的中心点加一对称中心而得。表2.2-1列出32个晶体学点群的分类。在表中，前面两列的点群分别为11个非个非纯旋转中心对称的点群纯旋转中心对称的点群和和11个纯旋转非对称中心点个纯旋转非对称中心点群群。这11对点群之间只是差一个对称中心，

7、所以阶次也正好是相差一倍。11个中心对称的点群又称为Laue(劳埃劳埃)点群。点群。 2.2.2 晶体的点群和晶体的物理性质 晶体的点群是它的各种宏观物理性质晶体的点群是它的各种宏观物理性质所共有的对称性。换言之，晶体的点群是所共有的对称性。换言之，晶体的点群是它的任意一种物理性质对称群的子群。它的任意一种物理性质对称群的子群。 一种晶体的任意一种性质的对称群必须包括该晶体的一种晶体的任意一种性质的对称群必须包括该晶体的点群的对称操作。晶体对称性的这种关系称为点群的对称操作。晶体对称性的这种关系称为Neumann定理定理；根据这种关系；根据这种关系可以从晶体的物理性可以从晶体的物理性质推引出有

8、关晶体对称性的信息质推引出有关晶体对称性的信息，例如判断有无对，例如判断有无对称中心，也称中心，也可以从对称性寻找具有某种物理性能的可以从对称性寻找具有某种物理性能的材料以及获得切割晶体制造晶体器件的信息。材料以及获得切割晶体制造晶体器件的信息。 非中心对称的晶体所属的点群及其物理性质间的相互联系。一些重要的物理性质仅出现在非中心对称的晶体中。晶体属于11种纯旋转对称的点群晶体的对映体现象晶体的对映体现象手性和不对称性手性和不对称性压电效应和压电效应和二次谐波倍频效应二次谐波倍频效应晶体属于非中心对称的晶体热电效应和铁电效应热电效应和铁电效应晶体必须是极性晶体晶体的力学性能晶体的力学性能晶体对

9、称性没有直接关系 晶体折光率在不同方向上的大小数值，可以用折光率椭球表示。不同晶系其光学性质有很大区别。2.3晶体结构缺陷晶体结构缺陷2.3.1缺陷晶体化合物材料缺陷晶体化合物材料 晶体中出现空位或填隙原子，使化合物的成分偏离整比性（即各类原子的相对数目不能用几个小的整数比表示），这样的化合物被称为非整比化合物，。非整比化合物由于它们的成分可以改变，因而出现变价原子，而使晶体具有特异颜色等光学性质、半导体性甚至金属性、特殊的磁学性质以及化学反应活性等，因而成为重要的固体材料。 按非整比化合物生成的情况，以及在不同方面的应用可以有以下几种情况： 1. 某种原子过多或短缺 晶体中点缺陷的存在，破坏

10、了点阵结构，使得缺陷周围的电子能级不同于正常位置原子周围的能级，因此赋予晶体以特定的光学、电学和磁学性质。赋予晶体以特定的光学、电学和磁学性质。例如(1):ZnS中掺进约10-4%（原子）的AgCl，形成杂质缺陷的ZnS晶体，在阴极射线激发下，发射波长为发射波长为450nm的特征荧光，可作显示器的特征荧光，可作显示器蓝色荧光粉。蓝色荧光粉。(2)氧化锌在约1000K放在锌蒸气中加热，能生成具有很小化学配比偏差的Zn1+O，为N型半导体型半导体。(3) TiO在高于或低于整比TiO的分解压的各种不同的氧分压下加热，可生成电导性质不同的电导性质不同的TiO1+。(4)许多过渡金属氧化物中，金属离子

11、出现混合价态，例如Ni1-O中，与NiO 相比较少了个Ni，就会有2个Ni2+氧化为Ni3+。混合价态化合物一般电导性比单纯价态化合物强，颜色要深，磁学性质改变，可用以制作颜料、磁性材料、氧化还原催化剂、蓄电池的电极材料等多种材料。 2. 层间嵌入某些离子、原子或分子 TiS2 为层形分子，Li+可进入层间，形成LiTiS2 (085% 或55%的硅酸盐玻璃、非硅酸盐玻璃（如硼酸盐、磷酸盐、铝酸盐等）、非氧化物玻璃（如卤化物、氮化物、硫化物、金属玻璃）等。特种玻璃是光电子技术应用的基础材料之一，在激光、光纤通讯、集成电路以及其它许多领域都要用到特种玻璃。 磷酸盐玻璃通常比硅酸盐玻璃具有更低的玻

12、璃转变更低的玻璃转变温度和更大的热膨胀系数温度和更大的热膨胀系数，因而成为一些玻璃-金属的封接材料。磷酸盐玻璃也可以作为激光基质材激光基质材料、固态离子导体、隔热玻璃、抗氢氟酸玻璃和料、固态离子导体、隔热玻璃、抗氢氟酸玻璃和核研究中定量测定伤害性辐射的剂量计玻璃核研究中定量测定伤害性辐射的剂量计玻璃等。红外玻璃红外玻璃是在一定的红外波段有高透光率的玻璃，是红外光学技术的关键材料，用于导弹的制导和微光夜视。激光玻璃激光玻璃是在硅酸盐、磷酸盐等玻璃中添加钕、铒等激活离子制得。吸热玻璃吸热玻璃是在玻璃原料中添加铁、钴、镍、铜、锌等元素的氧化物，透过可见光，吸收红外热辐射，可以改善采光色调、节约能源和

13、装饰效果。 化学器皿玻璃化学器皿玻璃，如Pyrex玻璃，是由 SiO2、B2O3 及少量Al2O3 等熔制而成，它的膨胀系数小、耐热，可以制成烧杯、烧瓶等化学实验玻璃仪器。 光导玻璃纤维光导玻璃纤维是由高折射率玻璃芯料和低折射率玻璃皮料组合成的复合纤维。2.5.3 陶瓷 陶瓷是指通过烧结包含有玻璃相和结晶相的特征的无机材料，一般由陶土或瓷土等硅酸盐，经过成型烧结，部分熔由陶土或瓷土等硅酸盐，经过成型烧结，部分熔融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其他氧化物融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其他氧化物晶体包裹结合而成。晶体包裹结合而成。陶瓷包括陶器和瓷器陶瓷包括陶器和瓷器，陶器是多孔透

14、气的、强度较低的产品，瓷器是加了釉层、质地致密而不透气的、强度较高的产品。1. 性能 （1）力学性能）力学性能 耐磨性、高强度难变形性、超高硬度； （2）热学性能）热学性能 耐热性、隔热性、导热性； （3）光学性能）光学性能 透光性、偏光透光性； （4）电学和磁学性能）电学和磁学性能 绝缘性、导电性、离子导电、压电性、介电性、磁性； （5）生物和化学性能）生物和化学性能 生物体相容性、耐化学腐蚀性2. 应用 先进陶瓷材料大致可分为结构陶瓷与功能陶瓷两个部分。 国家战略：国家战略：战略导弹上的防热端头帽、各类卫星星体和箭体用防热温控涂层材料、火箭喷管碳、陶瓷梯度复合材料和导弹防御系统中的微波介质材料等等，均是先进陶瓷材料。 卫生医药：卫生医药：先进的医疗设备（如高分辨超仪、高速CT和正电子断层扫描成像仪PET等）中最关键的探测材料，如超声波发射与探测材料、高能射线探测材料是陶瓷或晶体材料。人工关节、齿科材料等是一类具有生物活性的结构陶瓷材料。环保领域：环保领域：各类高档耐磨耐腐蚀密封材料、陶瓷