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1、1,材料的结构,Chapter 2Structure of Materials,Chapter2 Structure of Materials,2,Relationship,Chapter2 Structure of Materials,材料的结构划分多个层次：微观结构、介观结构和宏观结构微观结构：原子或分子水平的结构原子间的键合和作用力微粒间排列方式宏观结构：肉眼或放大镜可分辨出的结构和构造状况，尺度范围在毫米级以上,3,本章内容,2.1 元素和化学键2.2 晶体学基本概念2.3 晶体材料的结构2.4 晶体缺陷2.5 固溶体,Chapter2 Structure of Materials,4
2、,4,2.1 化学键,元素及其性质原子间的键合原子间的相互作用与键能,Chapter2 Structure of Materials,5,Metallic bondIonic bondCovalent bondHydrogen bondVan der Waals bonding,2.1.1 原子间的键合,Chapter2 Structure of Materials,6,（1）金属键 Metallic bond,Chapter2 Structure of Materials,金属正离子与自由电子构成的键合,7,Chapter6 Metallic Materials,无方向性和饱和性金属晶格具有
3、较高配位数的紧密型堆积无方向性，滑移系统较多，塑性较好电子共有化，可以自由流动，即离域性电子流动表现出良好的导电性、导热性自由电子吸收多种波长的光并能立即放出，使金属不透明，有金属光泽自由电子的胶合作用，当晶体受外力作用时，原子间容易进行滑动，延展性和可塑性,金属键的特点和特性,8,金属键示意图,Chapter2 Structure of Materials,阴、阳离子间通过静电引力形成的化学键,（2）离子键 Ionic bond,离子键的形成：电子转移,10,库仑引力与离子间距离的关系,Chapter2 Structure of Materials,11,离子间作用力与离子间距离的关系,Ch
4、apter2 Structure of Materials,两个离子逐渐接近，势能达到最低点时，吸引力和排斥力达到平衡，形成稳定的离子键本质：离子键是离子静电吸引力与电子短程排斥力平衡的结果,离子化合物的特性配位数高的致密堆积键合强度高，高熔点、高强度、低膨胀系数固态不导电，熔融态离子迁移导电,13,氯化钠的离子键,Chapter2 Structure of Materials,14,两个原子间通过共用电子对形成的化学键,（3）共价键 Covalent bond,Chapter2 Structure of Materials,15,Example,共价键示意图,Chapter2 Structu
5、re of Materials,16,共价键的特点方向性和饱和性,共价键晶体的特性键和强度高，很高的熔点和硬度，低膨胀系数 良好的光学特性 不良的导电性,Chapter2 Structure of Materials,17,金刚石中的共价键,Chapter2 Structure of Materials,18,金刚石的结构,Chapter2 Structure of Materials,19,共价键的断裂：均裂、异裂,Chapter2 Structure of Materials,20,两个条件,分子中必须含氢(电负性大、强极性键结合) 半径较小、电负性较大的原子F、O、N,特点：方向性 饱和
6、性,（4）氢键 Hydrogen bond X-HY,Chapter2 Structure of Materials,键强弱于上述三种化学键，但在高分子材料中，氢键数目巨大对聚合物性质如熔点、力学性能等影响很大。如分子间氢键利于定向排列易结晶,21,水分子之间的氢键,Chapter2 Structure of Materials,22,电中性的分子之间的长程作用力,Johannes Diderik Van der Waals 1837 1923The Nobel Prize in Physics 1910“for his work on the equation of state for ga
7、ses and liquids”,（5）Van der Waals bonding,Chapter2 Structure of Materials,来源有三种：取向力：极性分子相互接近时，它们的固有偶极矩相互吸引而产生分子间的作用力极性分子诱导力：极性分子与非极性分子接近时，非极性分子在极性分子固有偶极作用下极化产生偶极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间的作用力-极性、非极性色散力：非极性分子间，由于组成分子的正、负微粒不断运动，产生瞬间正负电荷重心不平衡而出现瞬时偶极，这种瞬时偶极间的作用力,特点：无方向性、无饱和性对性能的影响：对物质的熔点、沸点、溶解度都有决定性的影响。如相对分
8、子质量越大，分子间作用力越大，熔点、沸点越高。特别是对于聚合物材料来说，由于分子链很长，分子间作用力总和很大，对聚合物性质有很大影响。如聚合物不存在气态；内聚能大于400J/cm3以上聚合物作为纤维，小于300J/cm3作橡胶，介于两者间的作塑料使用。,25,碘晶体结构示意图,Chapter2 Structure of Materials,26,范德华键,范德华键,分子链受力滑动,聚氯乙烯分子间的范德华键,Chapter2 Structure of Materials,27,物理键次价键,化学键主价键,离子键共价键金属键,氢键范德华键,Comparison,Chapter2 Structure
9、 of Materials,各种结合键主要特点比较,29,实际材料中的结合键,Chapter2 Structure of Materials,30,吸引能（attractive energy，EA）：源于原子核与电子云间的静电引力,离子：m=1分子：m=6,排斥能（repulsive energy，ER）：源于两原子核之间以及两原子的电子云之间相互排斥,总势能（potential energy）：吸引能与排斥能之和,n：排斥指数,2.1.2 原子间的相互作用与键能,（1）势能阱（Potential Energy Well）,31,势能阱示意图,势能阱,键长r0平衡键合距离。,较深的势能阱表示原
10、子间结合较紧密，其对应的材料就较难熔融，并具有较高的弹性模量和较低的热膨胀系数。,11/11/2022 10:49:28 AM,32,形成正负离子所需能量,离子键形成过程中的总势能：,在平衡位置的势能E0,32,（2）键能计算,Chapter2 Structure of Materials,例：NaCl的键能计算,类比 ，可得：,34,2.2.1晶体与非晶体,非晶体,固态物质微粒排列的有序性,晶体,2.2 晶体学基本概念,Chapter2 Structure of Materials,35,Concepts,长程有序Long-range order,晶体,非晶体,原子或原子团、离子或分子在空按
11、一定规律呈周期性地排列构成,原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成,长程无序，即大范围内无序短程有序，即有限范围内有序,Chapter2 Structure of Materials,石英晶体,石英玻璃,晶体特征：1、长程有序，结构的周期性、对称性2、各向异性：某些性质随观察方向不同而不同 （不同方向上原子排列不同）,3、有整齐、规则的几何外形：表明晶体内部结构是规则的4、有明确熔点：熔化是晶体长程序晶体的过程5、X-射线衍射图像：同心圆环或排列整齐斑点,非晶体特征：1、结构上：短程有序，长程无序2、宏观性质上：无固定熔点，软化温度范围各向同性：如熔化的石蜡在玻璃板上呈圆形无固定形态，可按要
12、求改变形态，如橡胶,40,Comparison,Comparison,Chapter2 Structure of Materials,Curve of X-ray Diffraction,非晶：慢散的中心斑点，峰宽,多晶半径不同同心圆环，峰窄,区别,1、结构上：晶体-有序性2、性质上: 熔点：晶体固定熔点 形状：晶体-规则3、 X-射线衍射：晶体-衍射图样,42,2.2.2 Transformation,Transformation,J,？,Chapter2 Structure of Materials,43,晶态与非晶态之间的转变,非晶态所属的状态属于热力学亚稳态，所以非晶态固体总有向晶态转
13、化的趋势，即非晶态固体在一定温度下会自发地结晶，转化到稳定性更高的晶体状态-较难较复杂的过程 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态。 如石英水晶熔化后快冷，即成非晶体的玻璃 如晶态的金属合金与金属玻璃,Chapter2 Structure of Materials,44,晶体结构的几个基本概念周期性：同一种质点在空间排列上每隔一定距离重复出现的现象周期性重复的方式和重复的内容,结构基元：晶体中周期性重复排列的那部分内容结点：为了更好的研究晶体物质周期性结构的普遍规律，将晶体结构中的每个结构基元抽象成一个点，又称阵点。,2.2.2 晶格、晶胞和晶格参数,Chapter2 S
14、tructure of Materials,PE,结构基元,46,结点,Chapter2 Structure of Materials,抽象出来的没有大小、没有质量、不可分辨的点晶体中几何环境和物质环境完全相同的点,结点的选取：原子（分子、离子）本身或空间任一位置,a,石墨中每一个六边形的中心选成一个点阵点，则就是点阵结构,-由这些结点构成的空间总体。,空间点阵,晶格,-把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架,晶格或点阵是晶体结构周期性的数学抽象，它忽略了晶体结构的具体内容，保留了晶体结构的周期性。晶体结构=晶格（点阵）+ 基元基元：即结点代表的具体内容各种粒子（结构基元）并不是被束缚在
15、结点不动，而是在此平衡位置不停地无规则振动。,50,Lattice & actual crystal strcture,空间点阵和实际晶体结构之间的关系,（a）、（c）为空间点阵（b）、（d）为实际晶体,Chapter2 Structure of Materials,51,a、b、c : 确定晶胞大小、 : 确定晶胞形状,晶胞参数,晶胞的三条棱的长度a、b和c就是点阵沿这些方向的周期，这三条棱就称为晶轴。 周期：在任一方向排在一直线上相邻两质点间的距离,晶胞Unit Cell,Chapter2 Structure of Materials,-构成晶格的最基本的重复单元 是大小、形状与晶格相同的
16、平行六面体单位 保留整个晶格的所有特征，且体积最小,52,单晶,-指晶格位向（或方位）一致的晶体。所谓晶格位向一致，是指晶体中原子（或分子、离子）按一定几何形状做周期性排列的规律没有受到破坏。如水晶,53,多晶,-由许多外形不规则的小晶体（晶粒）组成的晶体结构,54,Chapter2 Structure of Materials,每个晶粒内部原子排列是有序的，晶界处原子排列是无序的每个晶粒的晶格位向一致，各晶粒间彼此方位不同，呈各向同性 但有时，各晶粒的某一晶面或晶向方位趋向一致时也具有各向异性在一定条件下，单晶和多晶可相互转化，如单晶硅多晶硅,55,7个晶系和14种空间点阵类型,55,2.2
17、.3 晶系（crystal systems）,Chapter2 Structure of Materials,简单立方,简单四方,56,Chapter2 Structure of Materials,简单正交,底心单斜,简单单斜,简单三斜,57,Chapter2 Structure of Materials,简单菱方,面心立方,面心正交,58,Chapter2 Structure of Materials,简单六方,体心立方,体心四方,体心正交,59,Chapter2 Structure of Materials,晶向（crystallographic directions） ：在晶体点阵中作
18、一簇平行的直线，这些直线可以将所有的格点包括无遗，则这些平行直线称为晶列,晶列所指方向就是晶向。,2.2.4 晶向指数和晶面指数,晶向代表了晶体中原子列的方向,晶面（crystallographic planes） ：在晶体点阵中作一簇平行的平面，这些平面可以将所有的格点包括无遗，则这些平行平面称为晶面。代表了晶体中原子面的方向。,（1）不同的晶面和晶向具有不同的原子排列和不同的取向。（2）材料的许多性质和行为(如各种物理性质、力学行为、相变、X光和电子衍射特性等)都和晶面、晶向密切相关；,如何表征晶向和晶面？,63,将坐标原点选在OP的任一结点O点，把OP的另一结点P的坐标经等比例化简后按X
19、、Y、Z坐标轴的顺序写在方括号 内，则uvw即为OP的晶向指数。,晶向指数（crystallographic direction indices ）的确定：,晶向指数与晶面指数：国际上统一采用密勒指数（Miller indices）来进行标定。,Chapter2 Structure of Materials,用三指数u，v，w表示晶向符号。确定三轴坐标系下晶向指数的步骤如下：,设坐标 以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴x, y , z, 以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位。,(2) 求坐标过原点O作一直线OP，使其平行于待定晶向。在直线OP上任取（除原点外）一个阵点P，确定
20、P点的3个坐标值X、Y、Z。,方法上可作平行六面体，从而求X、Y、Z，不能向各晶轴面作垂线求坐标。,(3) 化为互质整数比将这3个坐标值化为互质的最小整数u，v，w。不求倒数。,(4) 列括号，u v w即为待定晶向的晶向指数。不加逗号,e.g., x-axis 100 y-axis 010 z-axis 001,111,110,U V W 晶向Miller指数,X/a：Y/b：Z/cu：v：w,67,S: 110B: 111C:,？,晶向指数实例,Chapter2 Structure of Materials,（1）找出该晶向上两点的坐标(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2);（2）将(
21、x1-x2)，(y1-y2)，(zl-z2)化成互质整数u，v，w;（3）满足u：v：w(x1一x2)：(y1一y2) ：(zlz2)。,若原点不在待标晶向上，还可以这样操作：,C:,若晶向上一坐标值为负值则在指数上加一负号,PROBLEM: Draw the following direction vectors in cubic unit cells:a. 100 and 110b. 112晶向在单位晶胞内，晶向指数除以2c.d.,a,69,Chapter2 Structure of Materials,根据晶向指数的符号选择坐标原点,70,Solution,Chapter2 Struct
22、ure of Materials,方法一：,方法二：重新选坐标原点,71,用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距（r, s, t)的倒数的互质整数比。,晶面指数（crystallographic plane indices ）的确定：,Chapter2 Structure of Materials,72,Chapter2 Structure of Materials,晶面A：r、s、t =1、1、1，其倒数为1、1、1，则晶面指数记为（111）晶面B，r、s、t=1、2、，其倒数为1、1/2和0，化为互质的整数比为2:1:0，则晶面指数记为（2
23、10） 晶面C：晶面过原点（0，0，0），沿y轴平移一个晶格参数（平移后代表同一晶面）使其在y轴截距为-1，则r、s和t分别为、-1和，其倒数为0、-1和0，则晶面指数记为 ，其中的负号写在数字上面。,73,Chapter2 Structure of Materials,注意：坐标原点不能选在待定晶面内,74,应该是(632),晶面指数示例,Chapter2 Structure of Materials,例: (由晶面符号画出晶面),O,O,晶面族,在晶体内凡晶面间距和晶面上原子排列分布情况完全相同，只是空间位向不同的一组晶面的集合称为晶面族,晶面族表示方法：用花括号hkl表示。它代表由对称性
24、相联系的若干组等效晶面的总和。 如100包括(100)、(010)、(001)、(T00)、(0T0)、(00T)。,110？111？,78,具有相同密勒指数的两个相邻平行晶面之间的距离。用dhkl表示,对于正交晶系：,2.2.5 晶面间距（interplanar spacing）,Chapter2 Structure of Materials,79,79,立方晶体的晶面间距：,Chapter2 Structure of Materials,晶面间的面间距越大，该晶面上的原子排列越密集，否则越疏。 低指数的晶面面间距较大，高指数的晶面间距则较小。,密集,疏,刚球模型八面体间隙,刚球模型四面体间
25、隙,2.2.6 晶体结构中的间隙,82,Chapter2 Structure of Materials,四面体间隙：位于由一个顶角原子和三个面中心原连接成的正四面体中心，数目为8。rB / rA =0.225,八面体间隙：位置是立方体的正中心和每一个棱边中心，其数目为4. rB / rA = 0.414,每个棱边中心的间隙为四个晶胞共有，故总数目为1+12/4=4,四面体间隙：位于两个体心原子和两个顶角原子所组成的四面体中心，数目为12。 rB / rA = 0.29,24/4+6=12,八面体间隙：位于立方体每个面中心和每根棱中间，数目为6。rB / rA = 0.15,12/4+6/2=6
26、,与面心立方结构相比，这两种结构的八面体和四面体的形状完全相似，但位置不同,四面体间隙 rB /rA = 0.225八面体间隙 rB / rA = 0.414,1. 材料中的结合键和特性2. 势能阱3. 晶体和非晶体的区别及相互转化4. 单晶和多晶的区别及转化5. 概念：空间点阵、结点、晶胞、晶面、晶向、晶面间距6. 晶向指数和晶面指数的标定,知识点,1. 材料中的结合键有哪几种？ 它们对材料的特性有何影响？2.判断：晶面间距越大，该晶面上的原子排列越密集，多晶体和非晶体都具有各向同性，也无固定熔点空间点阵或晶格不是真实的晶体结构晶态和非晶态的热力学状态不同，无法转化晶向指数和晶面指数的坐标原点都可以任意选取3. 简要回答晶体和非晶体的区别和转化。4. 简要回答单晶和多晶的区别和转化,Quiz,
