材料科学基础备课本

材料科学基础

备课本

授课班级：复材021、022

南京工业大学材料科学与工程学院

任课教师：李晓云副教授

目录

第一章晶体结构基础

1.1.晶体的基本概念及性质

1.2.晶体的宏观对称性

1.3.布拉维点阵与晶系

1.4.点阵几何元素的表示法

1.5.微观对称和空间群

1.6.结晶化学基本原理

1.7.典型的结构类型

1.8.硅酸盐晶体结构

第二章晶体结构缺陷

2.1.点缺陷

2.2.线缺陷

第三章非晶态固体

3.1.玻璃的一般特点

3.2.玻璃的结构

3.3.玻璃体形成的条件

3.4.玻璃中的相分离

3.5.玻璃的性质

3.6.玻璃陶瓷及其它非晶态材料

第四章材料的表面与界面

4.1.固体的表面

4.2.界面行为

4.3.晶界

4.4.粘土-水系统胶体化学

第五章相图

5.1.相图的基本知识

5.2.单元系统相图

5.3.二元相图的基本类型

5.4.二元相图的应用举例

5.5.三元相图的基本知识

5.6.三元相图的基本类型

5.7.二元相图的应用举例

5.8.交互三元系统相图

第六章扩散

6.1.固体中扩散的基本特点

6.2.菲克定律

6.3.扩散系数

6.4.扩散的微观机制

6.5.影响扩散的因素

第七章固相反应

6.1.固相反应动力学方程

6.2.影响固相反应的因素

6.3.固相反应的某些研究实例

6.4.固相反应热力学

第八章相变

8.1.相变的分类

8.2.固态相变

8.3.液-固相变过程热力学

8.4.液-固相变过程热力学

8.5.液-液相变过程

第九章材料的烧结

9.1.烧结的基本概念

9.2.固态烧结

9.3.液固烧结

9.4.热压烧结

9.5.晶粒生长与二次再结晶

9.6.影响烧结的因素

9.7.烧结方法的发展

重点：《材料科学基础》课程的重要性和材料科学概念的内涵。本

课程的学习方法：掌握基本概念，通过做习题加深对概念的理解。

参考书：

1.王中林，康振川著。功能与智能材料一结构演化与结构分析，科学出版

社，2002,TB340/0301

2.钱逸泰，结晶化学导论，中国科学技术大学出版社，1999。074/9901

3.叶恒强等，材料界面结构与特性，科学出版社，19994.

4.HahnT.internationaltablesforcrystallography,vol.A,4lhed.,

Kluwer,Dordrecht,!996.

5.张孝文，薛万荣，杨兆雄，固体材料结构基础，中国建筑工业出版社，

1980

6.W.D.金格瑞等著，清华大学无机材料教研组译，陶瓷导论，中国建筑工

业出版社,1982

7.浙江大学等，硅酸盐物理化学，中国建筑工业出版社，1980

绪论

材料：是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物

质。

材料是……物质

所有物质是材料。X如化学原料、工业化学品、食物、药品等。

20世纪70年代信息、材料、能源新技术革命的标志。

20世纪80年代新材料、信息技术、生物技术。

分类:

金属材料

1、物理化学属性无机非金属材料

高分子材料

符合材料

电子材料

航天航空材料

2、用途核材料

建筑材料

能源材料

生物材料

’结构材料一以力学性能为基础，受力物体

------------材料。

功能材料一利用其独特的物理、化学性质

3、材料使用属性

------------或生物功能等一器件

传统材料一技术上已经成熟工业上以批量

------------生产，工业上大量应用。如，钢

------------铁、水泥、朔料等。

新型材料一正在发展中，具有优异性能和

————应用，前景的一类材料。

材料是人类社会进步的里程碑：

纵观人类发现材料和利用材料的历史，每一种重要材料的发现和广泛

应用，都会把人类支配和和改造自然的能力提高到一个新水平，给社会生

产力和人类生活水平带来巨大的变化，把人类的精神文明和物质文明向前

推进一步。

100万年前石头为工具旧石器时代

1万年前加工过的石头为工具新石器时代……皮毛遮身

8000年前蚕丝做衣服陶器

4500年前印度人开始种棉花发现青铜青铜器时代

3000年前铁铁器时代

生铁退火=>韧性铸铁生铁炼钢技术

18世纪蒸汽机n金属材料提出更高的要求

19世纪电动机高钵钢、高速钢、不锈钢相继问世

金属材料——结构材料

19世纪末有机化学的发展人造丝出现

20世纪初人工合成有机高分子相继问世：

1909年酚醛树脂（电木）

1920年PS（聚苯乙烯）

1931年PVC（聚氯乙烯）

1941年尼龙

三大有机合成材料：树脂、纤维和橡胶

陶瓷本来用作建筑材料，装饰品等，由于其优越特性（耐磨、耐高温、

耐腐蚀），现制造出各种类型的先进陶瓷（Si.3N4.SiC、ZnO2等），研究活跃,

但由于脆性问题难以解决，且其价格过高，所以应用仅限于军事等要求性

能对价格没办法要求的一些特殊领域。其应用广泛性远不及钢铁和高分子

材料。

复合材料：天然材料很多是复合材料，如：木材、皮革、竹子等

人造：泥巴+碎麻+麦杆

钢筋+水泥

树脂基复合材料V

金属基复合材料（制作困难，价格高）

以功能材料为线索:

钢针磁石T■指南针

功能材料是信息技术及自动化的基础，特别是半导体材料出现后，加

速了现代文明的发展。

1947年第一只具有放大性的晶体管

集成电路硅材料为基础功能T价格J

高性能磁材料记录信息

激光光导纤维

信息化时代==以硅〃为代表的电子材料时代

材料科学的形成与内涵

材料是早已存在的名词，但“材料科学”的提出是20世纪60年代初

的事。1957年前苏联人造卫星首先上天，美国朝野上下为之震撼，认为自

己落后的主要原因之一是先进材料落后，于是王一兰大学相继成立了十余

个材料研究中心。采用先进的科学理论与实践方法对材料进行深入的研究,

取得重要成果。从此“材料科学”这个名词便开始流行。

“材料科学”的形成实际是科学技术发展的结果。

1、首先基础研究深入固体物理、无机化学、有机化学、物理学等

学科的发展，对物性和物质结构的研究更加深入，推动了对材料本质的了

解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展也使3对材料

本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构与性能，以及它们之间的

相互关系的研究也愈来愈深入，为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。

其次，在材料科学这个名词出现之前，金属材料•，高分子材料与陶瓷

材料都已自成体系，目前复合材料也获得了广泛的应用，其研究也逐步深

入。但它们之间也存在颇多相似之处，对不同类型材料的研究可以相互借

鉴。从而促进学科的发展。如马氏体相变本来是金属学家提出来得，而且

广泛的被用来作为钢热处理的理论基础，但在ZnO2陶瓷中也发现了马氏体

相变现象，并用来作为陶瓷增韧的一种有效手段。又如材料制备方法中的

溶胶一一凝胶法，是利用金属有机化合物的分解而得到纳米级高纯氧化物

的粒子，成为改进陶瓷性能的有效途径。显然不同类型的材料各有其专用

的设备与生产装置，但各类材料的研究检测设备与生产手段有颇多共同之

处。在材料生产中，许多加工装置的原理也有颇多相同之处，可以相互借

鉴，从而加速材料的发展。

第三，许多不同类型的材料可以相互代替和补充，更能发挥各种材料

的优越性，达到物尽其用。但长期以来，金属、高分子及无机非金属材料

自成体系，缺乏沟通。由于相互不了解，不利于发展创新，对复合材料的

发展极为不利。

尽管从材料发展需要和共性来看，有必要形成一门材料科学，但是由

于各类材料的学科基础不同，还存在者不小的分歧，特别是无机材料与有

机材料之间的分歧较大；但由于软物质科学的崛起，还可以软硬兼顾、相

互借鉴。

材料科学.材料工程（材料必须通过合理的工艺流程才能制备出

具有实用价值的材料来通过批量生产才

能成为工程材料）

偏重基础研究偏工艺

第一部《材料科学与工程百科全书》美国麻省理工程院的科学家主编

Pergamon出版1986年

它对材料科学与工程下的定义：

材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备、工艺流程与材

料性能和用途的关系的知识的生产及其应用。即：材料科学与工程是研究

材料性能与使用效能以及它们之间的关系。

①组成Composition②合成与生产过程Synthesis一

Processing

③结构④性质properties

⑤使用效能performance⑥理论、设计、材料工艺设计

材料科学与工艺五要素

根据五要素模型，可知材料科学与工程主要特点有：

1、材料的使用效能是材料性质在使用条件下的表现；使用环境对材料的

性能有很大的影响，.•.环境因素的引入对工程材料来说十分重要。

2、这五个要素中的每一个要素，或几个相关要素都有其理论，根据理论

建立模型（modeling），通过模型可以进行材料设计或工艺设计，以达到提

高性能及使用效能，节约资源、减少污染或降低成本的最佳状态。这是材

料科学与工程最终努力的目标。

先进材料是社会现代化的先导

材料是社会现代化的先导。举例：电子技术的发展

1906年电子管n无线电技术、电视机、电子计算机

1948年半导体晶体管n电子设备小型化，轻量化、寿命可靠延长

1958年集成电路=>进一步小型化

1968年大规模集成电路

1973年超大规模集成电路

1946年电子管Computer1976年微机（大规模集成电路计算机）相比

体积缩小30万倍

功耗降低5万倍

重量降低6万倍（60千克->1克60吨-1千克）为

普及计算机创造条件

光纤通信的诞生

1966年预测

1970年SiC>2（石英）+Ga2衰减20db/km通讯光纤的制成。其后发

展比集成电路还快，以代替了同轴电缆。

信息容量比同轴电缆大几个量级，且重量轻、保密性强。抗电磁干扰，

所以几十年内，从连接个大陆的海底电缆到很多家庭，都遍布了光缆，成

为实现现代信息高速公路与信息网络化的重要通道。

航空航天技术的进步

21世纪全球经济的一体化，一靠信息技术网络的大发展，形成全球性

的电子商业；二是运输工程的高效、远程和大容量。

传统材料在国民经济中的地位与可持性发展

钢铁、水泥、玻璃、木材以及砖瓦、石材都属于传统产业——传统材

料是国民经济的基础。

另外，传统材料有以下几个特点：

①传统材料量大面广

易拉罐600亿只/年，造价每个省1分，则有6亿元的收益。所以，对

传统材料的性能的改进和生产成本的降低必须给以足够的重视。

②传统材料是矿产资源消耗大户

全世界铁矿资源最多能维持200——300年

铝近百年Cr.Pb.Zn几十年

③传统材料在制备过程中污染严重

1997年水泥我国年产5亿吨（占世界产量4%）,产

CO24亿吨SO249亿吨

NOX100万吨粉尘1100万吨

总之：传统材料仍有很多值得探索的科学技术

材料

科学技术发展的特点：

材料科学技术为开发先进材料、改进现有材料和合理使用材料服务，

技术发展重点有以下5个方面：

一、材料制备工艺与技术的开发

任何一种新材料从发现到应用，都必须辅以适合的工艺才能成为工程

材料。

①高温超导自1986年发现至今，除少量膊膜材料可做成器件外，仍不

能实用，主要是因为没有找到价廉而稳定的生产线材的工艺。

②C确发现之初认为它的用途十分广泛，但到目前为止，仍处于研

究阶段。传统材料也需要不断改进生产工艺或流程，以提高产品质量，降

低成本和减少污染，提高竞争力。

线宽8Hm1.2nm0.5um0.35um

年份1972198019901995

线宽缝宽

25,4*3/3

75Pm75um

分子束外延技术，可以控制膊膜的生长精确到儿十原子的厚度，从而

实现了“原子工程”或“能带工程”，为原子、分子设计提供了有效手段。

其在高分子电子显微镜下。

基板Cu

布线密度更高，集成度更强。

3mm厚10层

快冷技术：(104~108K/S),为金属材料的发展开辟了一条新途径。首先

是金属玻璃的形成，提高了金属强度。耐腐蚀性和磁学性能。其次通过快

冷可得到超细晶粒，成为改进性能的有效方法。第三是通过快冷发现了准

晶，由此改变了传统的晶体学观念。所以材料制备方法的研究与开发成为

材料科学技术的重点。

材料制备工艺的特点：

①工艺流程的智能化；

②实现原子和分子加工；使材料或器件依照人们的意志达到微型化、

多功能化和智能化。

材料的现代制备工艺或技术往往与极端条件密切相关，如利用空间失

重条件进行空间生长，可得到无偏析或低偏析的材料；强磁场、强冲击波、

超高压、超高真空以及强制快冷等都可能成为改进材料性能的有效手段。

二、材料的应用研究和发展

三、开发先进材料，发展高技术产业。

四、材料设计——材料科学者的奋斗目标，最高境界。

五、科学仪器与检测装置。

重点：晶体的宏观与微观对称要素，空间点阵、布拉维点阵、点群、空间

群、晶胞、等基本概念。

第一章晶体结构基础

各种材料具有不同的物理、化学性能，这些性质主要是由材料的化学

组成及结构状况(原子在固体中的排列方式、化学键的种类、固体中的电

子态、实际晶体中的缺陷及显微结构状况等)所决定。影响材料各种性能

的结构层次及类别是十分丰富多样的。从尺度上讲，运动范围从只有埃量

级的核外电子结构到微米级的晶粒以至尺度更大的孔隙、裂纹等均对材料

的不同性质起着不同的影响。毫无疑问，原子、离子的理想排列状况即晶

体结构对材料性质有决定性的影响，所以掌握晶体结构方面的知识是非常

重要的。

1.1晶体的基本概念及性质

1.1.1晶体的概念

随着生产的发展科学技术的进步，人们对晶体的认识不断深化。本世

纪初，应用X射线分析的方法，研究了晶体的内部结构以后，发现一切晶体

不论其外形如何，它的内部质点（原子、离子或分子）都是有规律排列的,

即晶体内部相同质点在二维空间均成周期性电复，构成了格子构造。所以,

严格说对晶体的定义是：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的

固体；或者说，晶体是具有格子构造的固体。

1.1.2晶体结构与空间点阵

任何一种晶体，不管它有多少种类的质点，也不管它们在二维空间排

布的具体形式如何复杂，其晶体内部结构的最基本的特征都是质点在三维

空间作有规律的周期重复。空间点阵是表示晶体结构中质点周期性重复规

律的几何图形。

现以NaNC>2晶体结构为例进行说明。图1—1（a）是NaNC为晶体结构的

二维图形，其中单位矢量长度：

b=0.556nmc=0.538nm

卒

<b)

。皿・<—a>妫*_____c

图1—1NaNO?晶体结构的二维结构

（a）结构图（b）结构单元（c）空间点阵

结构单元结构单元中所包含的质点间相互关系，在整个晶体中都是一

样的。

等同点：晶体结构中满足物理（几何环境）及化学环境完全相同的一

系列（或质点）称为等同点。

这个结构单元在空间是以一定周期重复出现的。例如由图1—1（a）可

以着出।来，在b轴及c轴方向上，各以0.556nm及O.538nm为间隔作周期重复。

这个重复周期的尺度与实际晶体尺寸比较是如此之小，如对于边长为1厘米

尺度的晶体来说，这种重复达IO,〜10'数量级，因此把它看成是无限多次重

复是可以的。这样在NaNC>2晶体中，我们若把整个图形沿着b方向移动

0.556nm或其整数倍，图形就和没有移动过以前一样，同样在c方向移动

0.538nm或其整数倍，整个图形也可以复原，在垂直纸面的a方向，如以

0.355nm或其整数倍移动也同样可以复原。按以上周期依次在两个或三个方

向平移，当然也可以把图形复原。晶体中的这个特点称之为周期重复性，

或说具有平移对称性。

我们可以用数学矢量形式来表达这个周期重复的性质，即对整个图形

作

T=ma+nb+pc(m,n,p=0,±1,±2任意整数)(1—1)

的平移，图形可以复原，T称为平移矢量。T可以有一系列无限多的大小

及方向不同的值。在晶体中一定有这样的性质：

(1)从晶体结构中任何一个原子(或其它任何点)出发，以矢量T进

行平移，一定会重合在另一个等同的原子上(或相应的等同点上)。

(2)任何两个等同原子(或其他等同点)的连线一定也是•个T矢量。

不符合这两条原则的固体结构就不属于晶体，或者把平移的单位矢量

选错了。所以我们也可以说晶体就是有T矢量的固体材料。

结点

若取钠原子或其它等同点，也可抽象出同样的空间点阵来，所以任何

实际晶体必有也只能有一种空间点阵。图1—2(a)是氯化钠的晶体结构图

形，(b)是氯化钠的空

间点阵。无论是氯离子

还是钠离子在空间都

是以(b)的图形排列

的。晶体结构与空间点

阵是既有区别又有联

系的两个不同的概念，

图1-2

不能把它们混淆起来。

(a)NaCl的晶体结构(b)NaCI的空间点阵

晶体结构是客观的，具

有具体物质内容的，它的基本单元是结构单元。空间点阵则是人为的、抽

象的几何图形，组成空间点阵的结点是没有物质内容的几何点。但是结构

单元与结点在空间排列的周期是一致的，或者说它们具有同样的T矢量。抽

象的空间点阵不能脱离具体的晶体结构而单独存在，所以它不是一个无物

质基础的纯粹几何图形。这种抽象能更深入地反映事物的本质及规律，因

此是一种科学的抽象。

空间点阵有下列儿种要素：

(1)结点

(2)行列

(3)面网

(4)平行六面体

1.1.3晶体的基本性质

(1)结晶均一性:

(2)各向异性：

(3)自限性：

（4）对称性：

（5）最小内能性:

1.2晶体的宏观对称性

1.2.1晶体宏观对称的特点

（1）晶体的外形是•个封闭有限的儿何体。晶体的宏观对称性必须反映这

个晶体的几何外形的对称性，主要是指外表面晶面（法线）方向的对

称性。

（2）由于空间点阵是晶体内部质点排列规则的反映，所以晶体的宏观对称

性还必须满足相应空间点阵的对称性。

1.2.2宏观对称操作和对称要素

（1）反映和反映（或对称）面m

（2）旋转和旋转（对称）轴1、2、3、4、6

儿何体绕某固定的轴线旋转360°/n后能与原来的自身重合，这种对

称操作称为旋转，该固定轴就是对称要素，叫做n次对称轴。对称轴只有一

次、二次、三次、四次、六次五种，分别用数字符号及相应的图形符号（图

1-7）表示。五次及七次以上的对称轴不存在，因为具有这种对称轴的晶

胞不可能占有全部空间。在图1—6b中所绘的是儿种旋转对称变换的情况。

连接立方体面心的直线为四次旋转轴，立方体对角线为三次旋转轴，连接

对棱边中点的直线为二次旋转轴。

（3）反演和对称中心

几何体所有的点沿着与某个点的连线等距离移反向延伸到该点的另一

端之后，该几何体与原来的自身重合，这种对称操作称为反演，这个点为

对称要素，叫做对称中心，用符号i表示。图2-4c中所绘的是反演对称变

换情况。立方体体心为对称中心，经对称变换后对顶角上的两点Ai和A2互

换位置，整个图形不变。

（4）旋转反演和对称反轴

几何体绕一定的旋转轴转360°/n,再经反演操作，几何体与原来的

自身重合，这种对称操作称为旋转反演，它是一种复合的对称操作，其对

称要素叫做对称反轴。对称反轴也有一次、二次、三次、四次、六次五种,

分别用数字符号彳、5、晨4、台表示。

如果我们将旋转反演对称轴与其它对称要素联系起来进行分析便能发

现，一次对称反轴相当于对称中心；二次对称反轴相当于对称面；三次对

称反轴相当于三次旋转轴加上对称中心；六次对称反轴相当于三次旋转轴

加上对称面，即：

1=i;2=m;3=3+i;6=3+m

只有四次对称反轴W是新的、独立的对称元素。在图1—6d中所绘的是

四次旋转反演对称的情况，经对称变换后Ai变成A?。

综合上述四种宏观对称变换，独立的宏观基本对称要素只有8种，即1、

2、3、4、6、1、m、4o

1.2.3点群

数学意义上，空间某种变换的集合就构成“群:于是，对称变换的集

合称为对称变换群，相应的对称要素的集合称为对称要素群。两者通常统

称之为对称群。一个结晶多面体所有的全部宏观对称要素的集合，称为该

结晶多面体的点群。所以称之为点群，是因为构成它的对称要素一定是共

点的，此点称为点群中心。全部对称要素的集合，应包括一切原始的以及

复合的对称要素在内。与此同时，各对称要素的安置还应具有明确的方向,

因为这是与对称要素的组合紧密相关的。

就数学上而言，各对称要素组合时要遵守一定的规律。如二次轴和三

次轴重合必定导致新的六次轴，故不可能出现二次轴、三次轴和六次轴的

组合。从晶体学的角度来看，它们的组合要受到更多的限制，因为对称要

素必须同时符合晶体内部格子构造的对称变换。因此，晶体中可能有的对

称元素组合方式比数学上计算的数量大为减少。经过认真的数学分析，实

际上晶体只有32种不同的组合，也就是只可能有32种点群。所有晶体的对

称群都在这32种点群之内。例如，具有正方体外形的晶体所有的对称要素

包括：4个三次轴，3个四次轴，6个两次轴，9个对称面和一个对称中心。

用来表示点群的国际符号由三个主要晶向上的对称要素组成。例如六

方晶系的三个主要晶向依次为c、a、2a+b。沿c方向的对称要素有一个六次

轴，1个对称面（对称面法线方向与c重合）；沿a方向有1个二次轴，1个对

称面：沿2a+b方向也有个二次轴，个对称面。故记作互22。各晶系的三

11mmm

个主要晶向及点群的国际符号列于表1—1中。

1.2.4晶族和晶系

在确认一切晶体的对称元素组合均不能超越32种点群范围之后，就能

对晶体按其对称特点来进行合理的科学的分类。

首先，根据晶体是否具有高次轴而将其分为三大晶族；然后根据主轴

的轴次再将其分为七大晶系。晶族与晶系分类参见表1—1。

1.3布拉维点阵与晶系

1.3.1平行六面体的选取

空间点阵是一个由无限多结点在三维空间作规则排列

的图形。为了描述这个空间点阵，我们可以用三组不在同一了三

个平面上的平行线将全部结点连接起来。这样，整个空间点4.大

阵就被这些平行线分割成一个个紧紧地排列在一起的平行frTL

六面体了，如图1—8。换言之，空间点阵也可以看成是平行六面体在空间

三个方向按各自的等同周期平移堆积的结果。

但是在同一个空间点阵中，我们可以用不同的方式取出外形不同的平

行六面体来，实际上也就是可以用不同的面网将空间点阵进行分割。如图

1-9»图中所示的a、b、c、d四个不同的平行六面体在空间三个方向平移，

都可以得到如图1—8所示的同一个空间点阵。很明显，由于空间点阵是无

限大的，因此，这种平行六面体不仅就图中四个，而有无数个。

那么，究竟怎样选取的平行六面体，才是有代表性的呢？因，•为向田特汕一如才女

为了使选取的平行六面体能代表整个空间点阵的几何特性，同同一个平面工的平行"线所分

时又是最简单的，在晶体学中有一些原则，主要是下列三条：

（1）首要条件是要求所选择的平行六面体能反映空间点阵的宏观对称特

征。

（2）在满足（1）的条件下应该使所选的平行六面体的直角尽量多。

（3）在满足（1）、（2）两个条件的情况下，尽量选取体积最小的平行六面

体。

注意这三个条件是有次序的，为了满足第一个条件，有时可以牺牲下

面的条件。下面我们用图1一10的平面图形来作个说明，可以把这个二维

图看成空间点阵在某个方向上的投影。

表1-132种点群的国际符号

点群的国际符号三个主要晶向

晶族及特点晶系及特点

全写简写（依次）

只有1和彳二个点

三斜11

群，不选取特殊方

（只有一次轴）ii

向

22

低级单斜

mmb

（无高次轴）（有1个二次轴）22

mm

2mmmm

正交

222m222a,b,c

（有4个2次轴）222

mmmmmm

44

44

44

mm

中级四方

42m42mc»a,a+b

（有一个高次轴）（有1个四次轴）

4mm4mm

42242

±2_2_

mmm土mm

66

66

66

mm

六方c,a,2a+b

6mm6mm

（有1个六次轴）

622622

62262

_6__2__2_土

mmmmm

33

33

三方c,a,2a+b

3m3m

（有1个三次轴）

3232

3?

m3m

2323

25

高级mm3

立方a,a+b+c,a+b

（2个以上高次43m43m

（有四个三次釉）

轴）43243

A32.

mmm3m

图1-9几种不同的平行六面体

对该平面点阵我们可以看到，这个点阵具有四次旋转对称轴，即通过

任何结点，绕垂直于纸面的轴旋转90°或其整数倍，图形可以复原（注意

点阵是一个无限图形）。此外通过如0'这样的点也同样存在四次旋转轴。

因此我们要求所选取的四边形（因为是二维图形，所以不是平行六面体而

是有平行四边形分割平面点阵）也具有四次旋转轴。如图1—10中所示A,

B、C、D、E各四边形中，只有A及D是符合这要求的。但D的面积比A

大，因此再考虑到第三条要求，只有选取如A这种正方形来代表整个平面

点阵。

图1-10二维平面点阵图1—11晶体的点阵常数

1.3.2布拉维点阵

在空间点阵中，选取出来的能够符合这三条原则的平行六面体称为单

位平行六面体，可以用三条互不平行的的棱a、b、c和棱间的夹角a、B、

Y来描述它。其中a代表b、c棱间夹角；8代表a、c棱间夹角；Y代表a、

b棱间夹角。如图1-11所示，棱a、b、c及角a、8、Y的大小统称为点

阵常数。根据布拉维（Bs）的推导，从一切晶体结构中抽象出来的空间点

阵，按上述三条原则来选取单位平行六面体，只能有十四种类型，称为十

四种布拉维点阵，见图1—12及表1—2。

这十四种布拉维点阵，根据结点在其中分布的情况可以分为四类：

（1）简单点阵仅在单位平行六面体的八个顶点上有结点，由于顶点

上每一个结点分属于邻近的八个单位平行六面体，所以每一个简

单点阵的单位平行六面体内只含一个结点。

（2）体心点阵除了八个顶点外，在单位平行六面体的中心处还有一

个结点，这个结点只属于这个单位平行六面体所有，故体心点阵

的单位平行六面体内包含两个结点。

（3）底心点阵除了八个顶点外，在六面体的上下平行面的中心各还

有一个结点，这个面上的结点是属于两个相邻单位平行六面体所

共有的，所以底心点阵中，每个单位平行六面体内包含两个结点。

（4）面心点阵除了八个顶点外，六面体的每一个面中心都各有一个

结点，所以底心点阵中，每个单位平行六面体内包含四个结点。

UWy2*

图1—12卜四种布拉维点阵图1—13关于六方晶

系的点阵图形

关于这十四种布拉维点阵还要作下列儿点说明：

(1)从简单六方点阵的单位平行六面体往往不容易看出在这个点阵中

存在着一个六次旋转轴(图1—13(a)),假若我们画一个包含三个单位平

行六面体的六方柱体图形就可以显示包这个对称关系了，因此有的书上将

这种点阵画成如图1—13(b)这样。但必须注意，不要把(b)图就看成

是一个单位平行六面体了。

(2)这十四种布拉维点阵能够包含晶体的全部空间点阵吗?粗略地看

似乎不全面，例如，怎么没有四方底心点阵呢？实际上从图1—14中可以

看出，这种结点排列可以看成是虚线所示的简单四方的排列，而且，虚线

所示的简单四方更符合第三条原则，因此底心四方不能单独成为一种点阵,

其它情况是类似的。

图1一14底心四方(实线)和图1一15面心立方点阵

中只包含

简单四方(虚线)点阵之间的关系结点的平行

六面体

(3)在底心、体心和面心点阵的单位平行六面体内都包含了•个以上

的结点。结点是结构单元或等同点的儿何抽象。这样，在一个单位平行六

面体中，就包含了两个或四个结构单元了。为什么要有不止一个结构单元

所组成的单位平行六面体来反映晶体的特征呢？用只包含一个结点的平行

六面体是否也可以反映这一类空间点阵在空间排列状况呢？实际上是可以

的，如图1-15是一个面心立方点阵，我们可以化出虚线这样的平行六面

体来，在这个平行六面体中就只包含一个结点，这个平行六面体在空间三

个方向平移(沿三条棱，并以棱长为等同周期)所得到的空间点阵，与按

面心立方的单位平行六面体平移所得到的空间点阵是完全一致的。那么为

什么不用这个虚线所画的平行六面体，而用面心立方格子来描述这个空间

点阵呢？原因就在于虚线所绘出来的这个平行六面体是个三方格子

(a=b=c,a=B=yw90°),它的对称性比整个空间点阵的对称性要低，

也就是说它不符合第一条原则。在这种情况下，只能牺牲第三条原则，选

取了一个比这个三方六面体体积大四倍的面心立方格子作为单位平行六面

体。

表1一2七个晶系及所属的十四种布拉维点阵

阵胞内

晶系点阵常数晶格结点坐标

结点数

a#b。c

三斜简单1000

aWB工Y=90°

000

aWbWc简单1

单斜

a=y=90°*B底心2000,0

简单1000

000»

a#b¥c底心2

正交

a=B=Y=90°

体心2000,

面心4000,3/0,0.9^22

a=b=c

三方简单1000

a=0=y^90°

a=bWc简单1000

四方

a二B二丫二90°体心2000,111

a二bWc

六方a=0=90°,简单1000

1120°

简单1000

a=b=c

体心2000,「衣衣

立方a=0=y=90°

面心4000,//o,2^0W

1.3.3晶胞

因为空间点阵是从实际晶体结构中的等同点抽象出来的，所以七个晶

系及十四种布拉维点阵同样也是实际晶体结构的抽象，单位平行六面体既

然能概括空间点阵的几何特征，则有这个单位平行六面体所占有的空间相

对应的那部分晶体结构，当然也能代表晶体结构在空间排列的几何特征。

与单位平行六面体相对应的这一部分晶体结构，就称为晶胞。因此，单位

平行六面体的大小及形状与晶胞完全一样，点阵常数值也就是晶胞常数值。

1.4点阵几何元素的表示法

因为空间点阵是晶体结构的几何抽象，所以本节中所叙述的点阵几何

元素的表示方法和晶体中质点、晶向、晶面的表示法是一致的。

为了用数量关系来表示点阵中点、线、面在空间的位置关系，首先要

选•个合适的坐标系统，这个坐标系统要考虑到晶体的对称情况。所以，

选择坐标系的方法是：以任一点阵结点作为坐标原点：以单位平行六面体

（在晶体结构中即为晶胞）的三个互不平行的棱为坐标轴，点阵常数a、b、

c所代表的三个方向依次为x、y、z轴，用点阵常数a、b、c作为相应的坐

标单位。不用长度的绝对单位而用点阵常数值作为坐标单位有极大的方便。

这就象我们排队“报数”时以1、2、3……表示队列位置一样，可不必考虑

队列松紧的具体尺度，就可以知道每个队员所在的位置。

根据上述原则所选坐标系统，在不同的晶系中是有区别的。例如，立

方晶系三根轴是互相垂直的（图1—16）,三个方向的坐标单位在尺度上也

是相等的。这与数学上使用的空间直角坐标是一致的。按直角坐标处理的

空间解析几何的一些规则也可以应用于立方晶系。其它晶系情况就不同了，

如对于三斜晶系，三个坐标轴相互间均不垂直，坐标单位的长度也不相等,

如图1—17。下面对结点、晶向、晶面表示法分别进行介绍。

图1一16立方晶系的坐标系统图1—17三斜晶系的坐标系

统

1.4.1结点位置表示法

点阵结点的位置是以它们的坐标值来表示的。如图1—18中的P点，

通过P点作平行于x、y、z轴的三条平行直线，它们与yoz、xoz、xoy平面

分别相交于L、M、N点，那么PL=A',PM=b',PN=c',即为这个点

在空间坐标的位置。图中可见：a'=2a,b'=4b,c'=3c,所以P点的坐

标为243«

图1一19面心立方点阵中A、B、C、D四个结点的坐标是多少呢？可

以看出，它们分别为：000；011；晶0。

我们知道一个面心的单位平行六面体应包括四个结点，所以这四个结

点坐标就已经能概括整个面心点阵的特点了。如000这个点就能代表其它

角顶上的点，因为其它顶点上的七个结点均可由000经过T矢量的平移而

得到（这里T=ma+nb+pc,m>n、p为任意整数），同样E、F、G点也

分别可由。聂；101；聂。三个点经平移而得到，因此000；Oil；joj；

★如是能够重复出整个空间点阵的基本结点，也称为基点。基点的坐标就

代表了整个点阵结点的坐标，这对于任何晶系都是一样的。对于简单点阵

只有一个基点000,对于体心点阵有两个基点000、m；对于底心点阵也

是两个基点000、聂0。

十四种布拉维点阵结点坐标见表1一2。

图1—18结点在空间坐标系统中的位置表示法图1-19面心立方的结点坐

标

下面我们以金刚石为例，说明如何用原子坐标来表示一个晶体结构。

图1—20(a)是金刚石晶胞图，在晶胞内共

有八个碳原子，这八个碳原子可以分成两组。

其中画成空心圆的那组(四个)分布成面心

立方，另一组带阴影的四个碳原子也是分布

成面心立方的，这可以从它们和标上1、2、

3、4四个碳原子的关系看出。从图1—20(b)

可以看出来这两组碳原子在空间的几何环境

是不一样的，因此，这两组碳原子组成两套

不同的等同点。这个晶体结构可用八个碳原子图1-20金刚石晶胞

来表示:

11•ll

c：ooo；；20U2,220

C111・13.3..3.JL3..3.3.1

J444'444'444)444

1.4.2晶向的表示法

空间点阵中由结点连成的结点线和

平行与结点线的方向在晶体中称为晶

向。晶向可以用晶向符号来表示。通过

原点作一条直线与晶向平行，将这条直

线上任一点的坐标化为没有公约数的整

数UVW,称为晶向指数，再加上方括号

就是晶向符号［uvw］。如图1—21中B点

图1—21晶向符号的确定

的坐标为111,所以OB的晶向符号为［111］,这是晶胞中体对角线的方向。

x、y、z轴的方向分别为［100］、［010］、［001］oOA的方向呢？因为A点的

坐标为垮1，所以OA的晶向符号为［3231。

假如在坐标位置中有负的值，那么可以在该指数上面加一负号，如图

中所表示的［1彳0］那样。通过任意两点M（X1，y”Z1）及N（X2、y2、Z2）,MN

方向的晶面符号为［X］—X2，yi—y2，Z1—z2］»如图1—21中M方向的晶面

符号就可以用这个方法求得，C点的坐标为［110］,A点的坐标为售1,XA

—xc=l,YA—yc=->ZA—〃=1故其晶向符号为［013］。

1.4.3晶面的表示法

把点阵中的结点全部分列在一系列平行等距离的平面匕这样的平面

称为晶面。显然，点阵中的平面可以有无数多组。对于一组平行的等距离

晶面，可用密勒（Miller）指数表示。方法如下：令这组平行晶面中的一个

面通过原点，其相邻面与x、y、z轴截距分别为r、s、t,然后取倒数h=l/r,

k=l/s,1=1/tohkl就是该晶面的密勒指数，再加上圆括号就是晶面符号。

如图1—22（a）中，r=l,s=l,故h=Lk=2,1=3,晶面符号为（123）。

晶面符号也必须用整数表示，如截距出现负号，则在该指数上也加上负号。

如图1—22（b）所示的ABC面应属于（332）晶面组，而ADC面则属于（3§2）

晶面组。假若晶面与某坐标轴平行，那么它与该轴相交于8,其倒数就是0。

图1一23中绘阴影线的这组晶面就是（010）面。

K1-22晶面指数表示法图1—23

(010)晶面

1.5微观对称和空间群

我们知道，晶体具有宏观对称性，即结晶多面体及晶体其它宏观性质

可能表现出来的对称性，这种对称性之所以存在是由于晶体内部具有点阵

构造。但点阵构造的对称性与晶体宏观多面体的对称性还不是一回事。宏

观多面体是有限的图形：宏观性质表现出来是连续的，只有方向的特点，

而没有位置的概念。因为点阵间距非常小，只有10-10米量级，在观察及测

量晶体的宏观性质时，平移周期性的特点被湮没了。如在测量晶体在某方

向的电导时，显然，我们测量的不是这个方向某一列原子的电导，而是数

量非常大的同方向原子列的电导的统计表现，因此，在测量中，不可能反

映出列与列原子间距的性质来。只有象对X射线衍射这种物理性质才能把品

体点阵构造的特点显现出来。晶体内部点阵构造的对称性不仅具有方向性

同时具有位置的概念。所以除了有宏观对称要素及相应的对称操作外，空

间点阵还具有几种微观对称操作。这些对称性称为微观对称性，它是点阵

这种空间无限的对称图形所特有的。

1.5.1微观对称要素

微观对称主要有三类：

(1)平移

平移的对称要素是平移轴，进行平移操作时.，图形平行于平移轴移动,

按一定周期移动后整个图形能复原。空间点阵是具有平移矢量的对称图形。

a、b、c是点阵中的基本平移矢量。平移对称的存在也是产生下述其它两种

微观对称性的缘由。

(2)旋转平移

旋转厂一

平移•定星

a是该平移

平移a"

达到1位置

素是四次电

中看出，B

%表示。符

的1/4。如(

果质点由不

4回到1,i

则没有左方

旋转轴相2

旋轴。图1

2、3、4、

图1一24旋转平移

(a)右旋；(