《晶态和非晶态结构》课件

晶态和非晶态结构材料的微观结构决定了其宏观性质。晶态结构指的是原子或分子以规则排列的固体，而非晶态结构则指原子或分子排列无序的固体。课程目标理解晶态和非晶态结构深入理解晶体和非晶体材料的结构特征，掌握其基本概念和理论分析晶体结构掌握各种晶体结构类型，并能运用相关知识分析实际材料的结构应用晶体和非晶体了解晶体和非晶体材料的应用领域，以及其在材料科学中的重要性材料的结构形式晶态结构原子或离子以规则的、周期性的方式排列。长程有序结构，具有特定的晶格和单胞。非晶态结构原子或离子没有规则的排列方式，而是以无序的、随机的方式排列。短程有序，没有固定的晶格和单胞，缺乏规则性。晶态与非晶态结构简介晶态结构晶态材料的原子排列具有周期性和有序性。原子以规则的排列方式排列，形成三维周期性结构。非晶态结构非晶态材料的原子排列不具有周期性，而是无序的。原子随机排列，没有长程有序性。晶格和单胞1晶格空间中所有晶胞的集合2晶胞晶格中最小的重复单元3原子构成晶胞的基本粒子晶格是晶体结构的基础，描述了原子在空间中的周期性排列。晶胞是晶格中最小的重复单元，它包含了晶体结构的所有信息。原子是构成晶胞的基本粒子，它们在晶胞中按照特定的方式排列。晶体的分类11.按晶格类型分类晶体可以根据其晶格类型分为七种晶系，包括立方晶系、四方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系、六方晶系和三方晶系。22.按化学键类型分类晶体还可以根据其化学键类型分为离子晶体、共价晶体、金属晶体、分子晶体和氢键晶体。33.按对称性分类晶体还可根据其对称性分为立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系。44.按晶体结构特征分类例如，可以根据其晶体结构的特征分为简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格等。晶态材料的原子排列晶态材料的原子排列具有长程有序性，即原子在空间按一定规律周期性重复排列。这种规律排列形成晶格结构，每个晶格点上都有一个原子或离子，它们以特定的空间几何形状排列。晶体结构可以由晶胞来描述，晶胞是晶格中最小重复单元，可以完全反映晶体的结构特征。几种典型的晶体结构晶体结构多种多样，常见的晶体结构包括立方晶系、六方晶系、正方晶系、斜方晶系、单斜晶系和三斜晶系。每种晶体结构都具有独特的对称性和原子排列方式，影响着材料的物理和化学性质。立方晶系：原子排列呈立方体形状，如NaCl、金刚石等六方晶系：原子排列呈六边形形状，如石墨、冰等正方晶系：原子排列呈正方形形状，如锡、钛等晶体的缺陷完美晶体理论模型，不存在于现实世界。真实晶体原子排列存在偏差，影响材料性能。缺陷类型点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。晶体缺陷的分类按维度分类根据缺陷的几何维度分类，主要分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。按性质分类根据缺陷的性质分类，主要分为固有缺陷和外来缺陷，其中固有缺陷是指由于晶格中原子排列的偏差而产生的缺陷，外来缺陷是由杂质原子或空位等因素造成的。点缺陷空位晶格中原子丢失后形成的点缺陷，会导致晶格畸变。间隙原子额外原子占据晶格间隙位置，会影响晶格的稳定性。置换原子一种原子被另一种不同原子取代，会影响晶格的性质。线缺陷位错晶格中原子排列的局部错位。边缘位错螺旋位错晶界不同晶粒之间的界面。晶界处原子排列不规则。孪晶界两个晶粒以镜像对称的方式排列。孪晶界存在于某些金属和陶瓷中。面缺陷晶界晶界是不同晶粒之间的界面。晶界处的原子排列不规则，导致晶界处强度下降。孪晶界孪晶界是两个晶粒以镜像对称的方式连接在一起的界面。孪晶界处的原子排列有一定的规律性，可以提高材料的强度。堆垛层错堆垛层错是晶体结构中原子排列顺序的局部偏差。堆垛层错会导致晶体结构的局部扭曲，影响材料的性能。自由表面自由表面是材料暴露在外部环境中的表面。自由表面处的原子排列不完整，容易发生表面吸附、腐蚀等现象。体缺陷1体积缺陷体缺陷是材料内部的宏观缺陷，例如裂纹、空洞和夹杂物等。2影响性能体缺陷会导致材料强度降低、韧性下降，甚至引起材料失效。3控制体积缺陷可以通过控制材料的加工工艺、热处理和表面处理等方法来减少体积缺陷。非晶态材料的原子排列非晶态材料的原子排列不具有周期性，而是呈现出无序的、随机的排列方式。非晶态材料的原子排列可以用短程有序，长程无序来描述。短程有序指的是材料中原子在近邻范围内具有规则的排列，而长程无序指的是材料中原子在较远距离范围内没有周期性排列。这种原子排列结构赋予了非晶态材料独特的物理和化学性质。非晶态材料的特点无序结构原子排列无规律，无长程有序结构，但可能存在短程有序。各向同性材料的物理和化学性质在各个方向上都相同。高强度和硬度由于原子排列紧密，非晶态材料通常比晶态材料更强硬。高韧性和抗冲击性非晶态材料可以吸收更多能量，避免断裂，从而提高韧性。非晶态材料的制备方法1快速冷却法从熔融状态快速冷却，使原子来不及排列成有序结构，形成非晶态结构。2蒸镀法在低温基底上蒸镀金属或其他材料，原子在基底上快速凝固，形成非晶态薄膜。3溅射法利用等离子体轰击靶材，使靶材原子溅射到基底上，形成非晶态薄膜。4化学气相沉积法利用化学气相反应，在基底上沉积非晶态薄膜。第一性原理计算电子结构计算基于量子力学原理，从头计算材料的电子结构、能带结构和性质。密度泛函理论DFT是目前应用最广泛的第一性原理计算方法之一，基于电子密度来描述体系的能量和性质。平面波基组平面波基组是DFT计算中常用的基组，它可以描述周期性晶体体系的电子波函数。模拟软件常用的第一性原理计算软件包括VASP、QuantumESPRESSO、CASTEP等。分子动力学模拟1构建模型定义系统组成和初始结构2设定参数设置模拟温度、时间步长等3运行模拟通过牛顿定律求解原子运动4分析结果获取材料的结构和性质分子动力学模拟是一种重要的计算方法，可以用于研究材料在原子尺度上的行为。非晶态材料的应用领域航空航天非晶态合金具有高强度、高韧性和耐腐蚀性，可用于制造飞机机身和发动机部件。电子信息非晶态磁性材料应用于硬盘驱动器、磁带和存储器。生物医药非晶态材料的生物相容性和可降解性，使其成为医疗器械和药物载体。能源领域非晶态硅太阳能电池效率高、成本低，可广泛应用于太阳能电池。金属类非晶态材料制备方法快速冷却法：将熔融金属快速冷却，抑制晶核生长，形成非晶态结构。例如，金属溅射法、熔体旋淬法。机械合金化法：通过机械研磨，将金属粉末不断细化，最终形成非晶态合金。特性高强度和硬度：由于原子排列无序，金属类非晶态材料具有比晶态材料更高的强度和硬度。优良的耐腐蚀性：由于表面缺乏晶界，金属类非晶态材料具有优异的耐腐蚀性。良好的磁性和电学性能：金属类非晶态材料在磁性材料、电磁屏蔽等方面有应用价值。氧化物类非晶态材料种类氧化物类非晶态材料包括硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。它们的化学成分非常多样，可以根据不同的应用需求进行调整。性质氧化物类非晶态材料通常具有良好的光学透明性、化学稳定性和生物相容性，使其在许多领域得到广泛应用。应用氧化物类非晶态材料广泛应用于光学、电子、生物医药等领域。例如，硅酸盐玻璃在建筑、光纤和显示器等领域具有重要应用。聚合物类非晶态材料1高分子链结构聚合物是非晶态材料中常见的一种类型，其结构通常由长链状分子构成，它们可以是线性、分支或交联的。2链段运动聚合物链段可以在一定温度范围内发生运动，这种运动会影响材料的性能，例如玻璃化转变温度和熔点。3热塑性与热固性聚合物材料可分为热塑性材料和热固性材料，热塑性材料可以在加热下软化并重新成型，而热固性材料则不能。4应用领域聚合物类非晶态材料广泛应用于各种领域，例如包装、建筑、汽车、电子等，它们具有轻便、柔韧、易加工等优点。非晶态材料的研究前景纳米材料纳米非晶态材料具有独特的性能，如高强度、高硬度、耐腐蚀性等，在航空航天、生物医药等领域有广泛应用前景。能源非晶态材料可用于开发高效太阳能电池、燃料电池和储能器件，为解决能源危机提供新思路。电子器件非晶态材料可用于制造高性能、低成本的电子器件，如薄膜晶体管、传感器和存储器。材料科学非晶态材料的结构和性能研究对理解材料的本质具有重要意义，并可为开发新型材料提供理论基础。晶态材料与非晶态材料的比较1晶态材料原子排列规则，长程有序，具有周期性结构高熔点高硬度有固定的熔点2非晶态材料原子排列无序，短程有序，无周期性结构低熔点低硬度无固定熔点3优势与劣势晶态材料具有优异的机械强度，而非晶态材料则具有良好的耐腐蚀性和磁性不同性质适用于不同应用结构表征手段X射线衍射技术X射线衍射技术通过分析材料对X射线的散射模式来确定其原子排列和晶体结构，可以识别材料的相位，晶格常数和晶粒尺寸。电子显微技术电子显微镜利用电子束照射样品，通过电子与样品相互作用产生的信号来观察材料的微观结构，可以用于分析材料的形貌、成分和缺陷。原子力显微镜原子力显微镜利用探针与样品表面的相互作用力来成像，能够提供材料表面的高分辨率三维形貌信息，可以用于观察材料表面结构和缺陷。X射线衍射技术基本原理X射线衍射技术利用X射线照射材料，通过分析衍射信号来研究材料的晶体结构。当X射线照射到晶体材料时，由于晶体内部原子排列的周期性，X射线会发生衍射。应用领域广泛应用于材料科学、化学、物理学、生物学等领域。例如，通过X射线衍射可以确定材料的晶格类型、晶胞参数、晶体取向等信息。电子显微技术透射电子显微镜(TEM)TEM利用电子束穿透样品，形成图像。可以观察材料的内部结构，例如晶格缺陷和纳米材料。扫描电子显微镜(SEM)SEM用电子束扫描样品表面，并收集二次电子信号，形成图像。可以观察样品的表面形貌，元素分布和成分信息。其他电子显微技术例如，扫描透射电子显微镜(STEM)可以提供更高的分辨率和更详细的原子尺度信息。其他表征技术原子力显微镜原子力显微镜(AFM)可以提供材料表面原子尺度的图像，并能够测量表面形貌、硬度和摩擦力。红外光谱红外光谱(IR)可以提供材料中化学键的信息，从而帮助识别材料的成分和结构。拉曼光谱拉曼光谱(Raman)可以提供材料中分子振动和旋转的信息，并可以用于识别材料的结构和相变。热分析热分析(TA)可以提供材料在加热或冷却过程中的热力学变化信息，如熔点、玻璃化转变温度和结晶温度。实验室与课题研