晶体学基础ppt课件.ppt

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1、第二章 材料中的晶体结构,主要内容：一、晶体学基础二、典型晶体结构及其几何特征,2.1 晶体与非晶体,1.晶体的定义物质的质点(分子、原子或离子)在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。2. 非晶体非晶体在整体上是无序的 ；近程有序 。,图 材料中原子的排列,（1）周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周期 ）液体和气体都是非晶体。（2）有固定的凝固点和熔点.（3）各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性能通常是不同的 ：晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学性质 ）。,3. 晶体的特征,a.根本区别：质点是否在三维空

2、间作有规则的周期性重复排列b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围c.晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各向同性，称“伪各向同性”）,4.晶体与非晶体的区别,玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃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获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法 ）,5.晶体与非晶体的相互转化,思考题,常见的金属基本上都是晶体,但为什么不显示各向同性?多晶中各个晶粒往往取向不同，所以多个晶粒集合在一起在任一方向上都显示不出某一个晶向的特性来。,2.2.1 空间点阵和晶胞,1.基本概念（1）阵点、空间点阵阵点：为了便于研

3、究晶体中原子(分子或离子)的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有一群原子（原子集团）。空间点阵：阵点的空间排列称为空间点阵。,2.2 晶体学基础,（2）晶格将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。（3）晶胞从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。 在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是小平行六面体 。整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。,图 空间点阵,（1）晶胞几

4、何形状能够充分反映空间点阵的对称性；（2）平行六面体内相等的棱和角的数目最多；（3）当棱间呈直角时，直角数目应最多；（4）满足上述条件，晶胞体积应最小。,图 晶胞的选取,2.晶胞的选取原则：,晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各边长度和各边之间的夹角。,图 晶胞、晶轴和点阵参数,3. 描述晶胞的六参数,2.2.2 晶系和布拉菲点阵,1.晶系,奥古斯特布拉菲（Auguste Bravais，又译布拉伐、布喇菲，1811年1863年），法国物理学家，于1845年得出了三维晶体原子排列的所有14种布拉菲点阵结构，首次将群的概念应用到物理学，为固体物理学做出了奠基性的贡献。除此之外，布拉

5、菲还对磁性、极光、气象、植物地理学、天文学和水文学等方面进行过研究。,2.2.2 晶系和布拉菲点阵,1.七个晶系,按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲（A. Bravais）用数学方法证明了只能有14种空间点阵。通常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。,图 布拉菲点阵,2. 十四种布拉菲点阵,思考题,体心单斜点阵是不是一个新的点阵？,体心单斜点阵晶胞为ABCD-EFHG。可以连成底心单斜点阵，其晶胞为JABD-KEFG 。,晶体结构和空间点阵的区别,空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14中类型,晶体结构则是

6、晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。,图 结构相似的不同点阵,图 几种晶体结构的点阵分析(a) -Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS,晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。,William H. Miller矿物学家（1801-1880，英国）,2.2.3 晶面指数和晶向指数,在材料科学中，讨论晶体的生长、变形和固态相变等问题时，常要涉及到晶体的某些方向（晶向）和某些平面（晶面）。,(1)建立以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系，各轴上

7、的坐标长度单位分别是晶胞边长a，b，c，坐标原点在待标晶向上；(2)确定该晶向上距原点最近的一个阵点P的三个坐标值(xa，yb，zc)；(3)将x，y，z化成最小的简单整数比u，v，w，且uvw = xyz；(4)将u，v，w三数置于方括号内就得到晶向指数uvw。,晶体中点阵方向的指数，由晶向上阵点的坐标值决定。,1.晶向指数的标定,图 晶向指数的标定,a.指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。b.负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。c.晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向，用表示。数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。,eg：立方晶系中,八

8、个晶向是立方体中,四个体对角线的方向，其原子排列完全相同，属同一晶向族，故用表示。,晶向指数的说明：,(1)建立一组以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系。(2)求出待标晶面在a，b，c轴上的截距xa，yb，zc。如该晶面与某轴平行，则截距为。(3)取截距的倒数1/xa，1/yb，1/zc。(4)将这些倒数化成最小的简单整数比h，k，l，使hkl= 1/xa1/yb1/zc。(5)如有某一数为负值，则将负号标注在该数字的上方，将h，k，l置于圆括号内，写成(hkl)，则(hkl)就是待标晶面的晶面指数。,晶体中点阵平面的指数，由晶面与三个坐标的截距值所决定。,2.晶面指数的标定,图 晶面指数的标定,

9、图 晶面指数的标定,晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面 a.指数意义：代表一组平行的晶面；b.0的意义：面与对应的轴平行；c.平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；d.晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面，用hkl表示。 e.若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;f.若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。,晶面指数的说明：,110 晶面族,六方晶系的晶向指数和晶面指数同样可以应用上述方法标定，这时取a1，a2，c为晶轴，而a1轴与a2轴的夹角为120度，c轴与a1，a2轴相垂直。但这种方法标定的晶面指数和

10、晶向指数，不能显示六方晶系的对称性，同类型 晶面和晶向，其指数却不相雷同，往往看不出他们的等同关系。,3.六方系晶面和晶向指数标定,根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用a1，a2，a3及c四个晶轴，a1，a2，a3之间的夹角均为120度，这样，其晶面指数就以(h k i l）四个指数来表示。,根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多不超过三个。前三个指数中只有两个是独立的，它们之间存在以下关系：i ( h + k ) 。因此，可以由前两个指数求得第三个指数 。,采用四轴坐标，六方晶系晶向指数的标定方法如下：当晶向通过原点时，把晶向沿四个轴分解成四个分量，晶向OP可表示为：OP=ua1+va2

11、+ta3+wC，晶向指数用uvtw表示，其中t=-(u+v) 采用三轴坐标系时。C轴垂直底面，a1、a2轴在底面上，其夹角为120o ， UVW。采用三轴制虽然指数标定简单，但原子排列相同的晶向本应属于同一晶向族，其晶向指数的数字却不尽相同。,六方晶系晶向指数的标定：,图 六方系晶面指数的标定,u2UVv2VU/3tUV/3wW,图 六方晶系的一些晶向指数与晶面指数,相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴 设晶带轴的指数为uvw，则晶带中任何一个晶面的指数（hkl）都必须满足：hu+kv+lw=0，满足此关系的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带。晶带定律,（a） 由

12、两晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶带轴uvw： u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。 （b） 由两晶向u1v1w1u2v2w2求其决定的晶面(hkl)。 h=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。,4.晶带,5.晶面间距,一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。,由晶面指数求面间距dhkl,通常，低指数的面间距较大，而高指数的晶面间距则较小,晶面间距愈大，该晶面上的原子排列愈密集；晶面间距愈小，该晶面上的原子排列愈稀疏。,晶面间距公式的推导,简单晶胞计算公式,正交晶系,立方晶系,六方晶系,上述公式仅适用于

13、简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响,fcc 当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面：,通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小,bcc 当hkl奇数时，有附加面：,六方晶系,立方晶系：,如0 0 0 1面,点群（point group）晶体中所有点对称元素的集合根据晶体外形对称性，共有32种点群空间群（space group）晶体中原子组合所有可能方式根据宏观、微观对称元素在三维空间的组合，可能存在230种空间群（分属于32种点群）,三、晶体的对称性 crystalline symmetry symmetrization of crystals若干个相同部分 假想的几何要素，

14、变换 重合复原对称性晶体的基本性质 对称性元素（symmetry elements）,四、极射投影 Stereographic projection 极射投影原理（principle） 参考球，极点、极射面、大图、基图 Wulff网（wullf net）经线、 纬线、2等分,沿基圆读数,只有两极点位于吴氏经线或赤道上才能正确度量晶面、晶向间夹角标准投影：以某个晶面/投影面作出极射投影图。 （001）,五、倒易点阵（Reciprocal lattice）布拉格方程： n = 2dsin寻求一种新的点阵（抽象），使其每一阵点对应着实际点阵中的一定晶面，而且既能反映该晶面的取向，又能反映其晶面间距。

15、晶体点阵（正点阵）三个基矢a、b、c与其相应的倒易点阵的基矢a*、b*、c*之间的关系如下：,a*,b*,c*与a,b,c的关系示意图,关于倒易点阵的更一般的定义,习 题,1.标出出面心立方晶胞中（111）面上各点的坐标， (320)、(112)面及110、011、112、211方向2.计算立方晶系（包括简单立方、面心立方、 体心立方） d（345）和六方晶系d（1122）的晶面间距3.作出立方晶系111晶面族的所有晶面4.为什么密排六方结构属于简单六方点阵？画出（1012）、(2111)面 和1120、2111方向5.正交点阵中画出以001为晶带轴的所有晶面,2 金属的晶体结构（Crysta

16、l Structure of Metals）,体心立方点阵,面心立方点阵,密排六方点阵,表2.5三种典型金属结构的晶体学特点,晶胞中的原子数（Number of atoms in unit cell）,点阵常数（lattice parameter）a，c原子半径（atomic radius） R配位数（coordination number） N,致密度（Efficiency of space filling）,轴比（axial ratio） c/a,堆垛（Stacking）密排结构（close-packed crystal structure）最密排面(close-packed plane

17、of atoms)fcc 1 1 1 ABCABCABChcp0 0 0 1 ABABABAB,间隙（Interstice）四、八面体间隙,fcc，hcp 间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立bcc 间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中,tetrahedraloctahedral,interstice,图2.32 面心立方结构中的间隙,图2.33 体心立方结构中的间隙,图2.34 密排六方结构中的间隙,多晶型转变（allotropic transformation）同素异构转变,一. 固溶体 Solid solution 固溶体：溶质原子(solute atom)溶入基体(

18、matrix)中所形成的均匀 结晶相。晶体结构保持基体金属的结构,置换固溶体 Substitutional solid solution,间隙固溶体 Interstitial solid solution,按溶质原子位置分 固溶体, 3 合金的相结构 Phase constitution of Alloys,第一类固溶体 primary solid solution,第二类固溶体 secondary solid solution,按溶剂（solvent） 类别分,1.置换固溶体 Substitutional solid solution 溶质原子置换了部分的溶剂原子 影响溶解度的因素： ) 组

19、元的晶体结构crystal structure of components 晶体结构相同是组元之间形成无限固溶体的必要条件 ）原子尺寸因素the size factor effect r1415才有可能形成溶解度较大甚至无限固溶的固溶体 ）化学亲和力（电负性因素）the electrochemical effect 在不形成化合物的条件下，电负性差值增大，溶解度增大 在形成化合物的条件下，电负性差值增大，溶解度减小 ）电子浓度（原子价因素）the relative valency effect 合金中各组元的价电子总和（e）与组元的原子数总和（a）之比,V、v分别为溶剂、溶质原子价,Nb Mo

20、 Rh Pd5 6 9 10,溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体间隙固溶体溶质原子 （R0.1nm） 如： H B C N O 0.046 0.097 0.077 0.071 0.060溶剂元素大多为过渡族元素有限固溶体溶解度与溶剂元素的晶格类型密切相关C 在-Fe（bcc） 0.0218 wt % -Fe (fcc) 2.11 wt %,2. 间隙固溶体 Interstitial solid solution,短程有序参数,B周围出现A原子的几率大于其它原子倾向于以异类原子为邻,B周围出现A原子的几率小于其它原子倾向于以同类原子为邻,3.有序固溶体 Ordered solid solu

21、tion,长程有序固溶体（Long Range Order）超结构 （superlattice, superstructure）,超结构的结构类型fcc CuAu型 385以下形成 CuAu型 385410以下形成,b） bcc Fe-Al CuZn,c ) hcp Mg-Cd,Cu3Au 型 390有序化,长程有序参数,或,PA(或B）原子正确位置上出现A（B）原子几率,完全有序时 P1 S1 最大值完全无序时 PXA S1 0,1.温度升高，原子热运动提高，S降低2.冷却速度 Tc 以上温度快速冷却无序3.合金成分 例：对 CuAu 合金 Cu:Au3:1 或 1:1 时完全有序,有序化影

22、响因数,4. 固溶体的性质 Properties of the solid solution 点阵畸变 点阵常数 间隙原子 固溶强化 HV， 物理化学性能 电极电位 有序化影响 HV 磁性,中间相：两组元A和B组成合金时，除了形成以A为基或以B为基的固溶体外，还可以形成晶体结构与A、B两组元均不相同的新相。由于它们在二元相图的位置是位于中间，故通常把这些相称为中间相。,金属化合物（metallic Compounds)金属间化合物（Intermetallic Compounds),二 中间相 Intermediate Phase,中间相的特征：具有不同于组元的晶体结构 可用化学分子式表示 但并

23、不一定符合化合价规律原子间的结合方式：(金属键其他键）混合，具有金属性,1.正常价化合物（electrochemical compounds） M 、族元素 按化学上的正常原子价规律形成 成分可用分子式来表示：Mg2Pb，Mg2Sn，Mg2Ge，Mg2Si,如 CuZn , Fe3C,负电性差愈大，化合物愈稳定，愈趋于离子键结合负电性差愈小，化合物愈不稳定，愈趋于金属键结合,A2B（或AB2）,A3B2,NaCl 或 ZnS 结构,反 CaF2 或 CaF2 结构,反 M2O3 型结构,2.电子化合物 electron compounds HumeRottery,对应于同类分子式的离子化合物结

24、构特点：凡具有相同电子浓度，则相的 晶体结构类型相同,不符合化合价规律，但也可用分子式表示原子间结合以金属键为主，具有明显的金属性,3.原子尺寸因素化合物 Size factor Compounds,(1)间隙相和间隙化合物 Interstitial Phase and Compounds,过渡族金属C、H、N、O、B （r0.1nm）,a)间隙相 Interstitial Phase,简单晶体结构 fcc，hcp,非金属原子进入四面体间隙,非金属原子进入八面体间隙,非金属原子填满密堆结构( fcc 和 hcp)八面体间隙,非金属原子填满密堆结构(fcc 和 hcp)四面体间隙,在 fcc 中

25、非金属原子占据一个八面体间隙,在 hcp 中非金属原子占据一半八面体间隙,未填满,b）间隙化合物 Interstitial Compounds,复杂的晶体结构,M3C：如Fe3C渗碳体（Cementite）,每个晶胞原子数16个（12个 Fe , 4个C） FeFe呈金属键， FeC即有金属键也有离子键M7C3：如 Cr7C3 M23C6：如 Cr23C6 M6C：如 Fe3W3C ，Fe4W2C,属正交晶系 a4.524 b5.089 c6.743,(2)拓扑密堆相 Topological close-packed phase 由两种大小不同的原子所构成的一类中间相，其中大小原子通过适当的配

26、合构成空间利用率和配位数很高的复杂结构，具有拓扑学特点。a）结构特点 大小原子的适当配合，由四面体间隙组成的晶体点阵，配位数可以达12、14、15及16 配位多面体：把晶体点阵中一个原子周围最近邻原子的中心彼此用 直线连接起来所构成的多面体 特点：凸出的面，呈三角形；每个顶角至少连接五个三角形,20面体，30棱边,24面体，36棱边,26面体，39棱边,28面体，42棱边,原子密堆层TCP相可以看作由两种排列不同的原子层相间地组成密集层状结构。主层系由三角形、四边形、六边形组成起来的网状结构。系由原子半径较小组元构成的密堆层；次层则由较大原子组成并分布于主层的大空隙中（由小原子组成三维配位多面

27、体的中心位置）网格结构可用如下符号表示：,36 ， 63， 3 6 3 6， 32 4 3 4,典型分子式 AB2 理论上原子半径比且一定晶体结构对应着一定的电子浓度。对高度合金化不锈耐热钢、铁基高温合金和Ni基高温合金中均有发现，呈针状析出于基体，对性能通常不利。但在Mg合金中它是重要的强化相。,b）TCP相举例 ）Lavers相（Laves Phase）,MgCu2, MgZn2, MgNi2复杂立方 复杂六方 复杂六方,如,）相（Sigma Phase） 存在于过渡族金属元素组成的合金中，其分子式为AB或AxBy。复杂四方结构（c/a=0.52)，每个晶胞有30个原子在Ni基高温合金，N

28、iCr不锈钢、耐热钢中均有发现，呈片状，硬而脆，使塑性恶化,习题：1. 归纳总结三种典型的金属晶体结构的晶体学特性2. 试证明理想密排六方结构的轴比c/a=1.6333. 试导出fcc和bcc的八面体间隙和四面体间隙大小计算式4. Cu具有fcc结构，其密度为8.9103Kg/m3。相对原 子质量为63.546，求铜的原子半径。5. a）按晶体的刚球模型，若球的直径不变，当Fe从 fcc转变为bcc时，计算其体积膨胀多少？ b）经x射线衍射测定，在912时Fe的a0.2892nm，Fe的a0.3633nm，计算从Fe转变为Fe时，其体积膨胀为多少？与a）相比，说明其差别原因。,6. 根据下表所

29、给之值，确定哪一种金属可以作为溶质与 Ti形成溶解度较大的固溶体：,7. Cu-Zn及CuSn组成固溶体最多可含多少百分比的Zn 或Sn？若Cu中已溶入10Zn（at），最多还可以固 溶多少Sn？,8. 试对比分析间隙固溶体与间隙相形成条件的异同。结构 与性能的特点。,这类晶体是以正离子（cation)、负离子(anions) 为结合单元，即依靠正、负 离子之间的库仑作用结合。例如 NaCl晶体 Na、Cl为单元结合成的。陶瓷材料(Ceramics)的晶体结构，大多属离子晶体，部分则为共价晶体。离子键没有方向性和饱和性离子晶体的配位数也较高典型结构有四种：AB、AB2、A2B3、AB2O4,

30、4.离子晶体结构 Ionic Crystal,典型的离子晶体,1.Pauling第一规则负离子配位多面体规则在离子晶体中，正离子（cations）的周围形成一个负离子（anions)配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。r+/r- 00.155 0.1550.255 0.2550.414 0.4140.732 0.7321 1配位数 2 3 4 6 8 12形状 哑铃状 三角形 四面体 八面体 立方体 立方八面体2. Pauling第二规则电价规则,离子晶体的结构规则 Pauling运用离子键理论，在实验基础上总结了如下规则,3. Pau

31、ling第三规则负离子多面体共用顶、棱和面规则 在一个配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，结构稳定性降低。对电价高，配位数低的正离子，此效应尤为显著,4. Pauling第四规则不同种类正离子多面体间连接规则 在含多种正负离子的离子晶体中，电价高、配位数低的正离子配位多面体间，尽量互不结合5. Pauling第五规则节约规则 同一晶体同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度的趋于一致,一、 NaCl （Sodium Chloride）型结构 Rock Salt structure由 Na 和 Cl 各自组成的两个fcc叠加而成的：其中一个不动，而另一个fcc的所有阵点都相对于第一个点阵平移

32、一个点阵矢量：,每个Na被6个 Cl 所包围，反之亦然，即配位数为6。每个原胞中只含一个 NaCl 分子。属于这类结构的还有 KCl、LiF、PbS；氧化物：MgO、CaO、BaO、CdO、MnO、 FeO、CoO、 NiO；氮化物：TiN、NaN、ScN 、CrN、 ZrN ；碳化物：TiC 等。,二、荧石（CaF2）型结构Fluorite Crystal Structure 属 fcc 晶格（a=0.545nm），Ca2+处在立方体的顶角和各面心位置，形成fcc结构，F-填充了全部的四面体空隙，构成了FCa4四面体。若F作简单立方堆积，Ca2+ 填于半数的立方体空隙中，则构成CaF8立方体

33、。Ca2+ 配位数为8，立方体之间共棱连接。即 Ca2+ 构成一套完整的面心立方格子；F-构成了两套 fcc 格子，它们在体对角线1/4和3/4处互相穿插而成。属 CaF2 型结构的化合物有ThO2、CeO2、UO2等，ZrO2可以看成是扭曲的 CaF2 型结构。,三、氯化铯型结构 Cesium Chloride StructureCs+ 和 Cl 各自组成简单立方，套配而成的复式简单立方点阵，而不是体心立方点阵。在 CsCl 结构的一个晶胞中只包含一个基元一个 CsCl 分子，故其晶胞即为原胞，属于CsCl型结构的还有TlBr, TlI等。,四 、-Al2O3(刚玉)型结构 属三方晶系(菱方

34、)，O-处于密排六方结构的结点上，而Al+则位于八面体空隙中，只填满空隙的2/3，因此，每三个相邻的八面体空隙，有一个是空着的。还要求铝离子之间的间距最大。每一个Al+被6个O所包围，而每一个O-同时被四个铝氧八面体AlO6所共有，配位数6：4。 属于刚玉型结构的化合物有-Fe2O3、-Cr2O3、-Ga2O3。,图：-Al2O3的结构 (a) 晶体结构 (b)密堆积模型,离子晶体依靠较强的静电库仑力而结合，故结构甚为稳固。它的结合能通常比较大，约为800kJ/mol。离子晶体结合稳定性导致它具有导电性差、熔点高、硬度高和膨胀系数小等特点，大多数离子晶体对可见光是透明的。但在远红外区域则有特征

35、吸收峰。ABO3 ： CaTiO3(钙钛矿)型结构 CaCO3(方解石)型结构,图：钙钛矿型结构 (a)晶胞结构 (b)配位多面体的连接和Ca2+配位数为12的情况,图：尖晶石的单位晶胞,AB2O4 ： MgAl2O4 尖晶石(Spinel),五硅酸盐(Silicate)晶体结构,基本特点：基本结构单元SiO44-四面体Silicon-oxygen tetrahedron 每个O2-最多只能为两个SiO44-四面体所共有 可共用四面体顶点彼此连接成单链、双链或成层状、网状复杂结构，不能共棱和共面连接，且同一类硅酸盐中SiO44-四面体间连接只有1种 SiO44-四面体中的Si-O-Si结合键

36、通常呈键角为145的折线。,图： SiO44-四面体,按SiO44-的不同组合分为1.孤岛状硅酸盐 特点 ：SiO44-以孤立态存在，即SiO44-只通过与其他正离子连接，而使化合物达到饱和，可以是单一四面体，成对或环状四面体 Mg2SiO4镁橄榄石(forsterite) 2.组群状硅酸盐 特点：通过共用氧而连接成2个，3个，4个或6个硅氧组群。,图：孤立的有限硅氧四面体群的各种形状,3.链状硅酸盐 特点：通过桥氧在一维方向伸展或单链或双链,图：链状硅酸盐结构 (a) 单链 (b)双链,4.层状硅酸盐 特点：SiO44-的某一面在平面内以共用顶点方式连接成六角对称的二维结构即层状结构。,5.

37、架状硅酸盐 特点：每个SiO44-四面体中的氧离子全部都被共用。SiO44-四面体连成无限六元环状。,图：层状硅酸盐中的四面体, 5.共价晶体结构 Covalent Crystal 周期表中族元素C.Si.Ge.Sn的晶体属于共价晶体结构。共价键结合，其特点是共用价电子使原子的外壳层满足稳定的8个电子，故在共价晶体中，符合8-N原则，（N为该原子的价电子数），具有饱和性。 一、金刚石结构 碳的价电子数为4，按8-N规则，其配位数为8-4=4 复杂立方晶体结构该结构可视为两个面心立方晶胞沿体对角线相对位移1/4长度穿插而成。碳原子在胞内除按fcc排列之外，在相当于fcc内四个四面体间隙位置处还各

38、有一个碳原子，故每个晶胞内原子数为8。,(a) 共价键 (b)晶胞 (c)底面上的投影 图: 金刚石结构,二SiO2结构 高温时呈面心立方结构，在单胞中每一硅原子被4个氧原子所包围，而每个氧原子则介于两个硅原子之间，起着搭桥作用连接着两个四面体。SiO2在空间形成网络结构。单胞共有24个原子，8个Si4+16个O2-，简化成面心立方点阵时每一阵点包含6个原子(4O2-+2Si4+)。,在SiC晶体结构与金刚石结构相同，只不过Si原子取代了复杂立方晶体结构中位于四面体间隙中的C原子。,图：第VA族元素As,Sb,Bi的晶体结构,三A.A族的亚金属 如砷(As)、碲(Te)等根据配位数8-N规则，

39、相邻原子以共价键结成链状或层状排列结构，而各层或链之间则以金属键或范德华键结合。As、Sb、Bi的晶体结构属菱方结构（A7），配位数为3。, 5.聚合物晶态结构 Polymer Crystal Structure,聚集态结构,晶态结构,非晶态(无定形)结构,特点,聚合物晶态总是包含一定量的非晶相；,聚集态结构不仅与大分子链本身的结构有关，而且强烈地依赖于外界条件。,当聚合物的一次和二次结构规则简单的以及分子键作用力强的大分子易于形成晶体结构。 与一般低分子晶体相比，聚合物晶体具有不完善、无完全确定的熔点结晶速度慢的特点。 聚合物晶体结构包括晶胞结构、晶体中大分子链的形态以及单晶和多晶的形态等。

40、,（三次结构）,一、晶胞结构因平行于和垂直于大分子链方向的原子间距离是不同的，使得聚合物不能以立方晶系的形式存在，聚合物晶胞结构和晶胞参数与大分子的化学结构、构象及结晶条件有关。晶胞中，大分子链可采用不同的构象（形态）。聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯脯、涤纶、聚酰胺等晶胞中，大分子链大都呈平面锯齿；而聚四氟乙烯、等规聚烯等晶胞中大分子链呈螺旋形态。,图：聚丙烯的形态和在晶胞中的排列,图： 聚乙烯分子的形态和在晶胞中的排列,图： 纤维素葡萄糖单元在晶胞中的排列,二、晶态结构模型基本模型有三种：1、缨须状胶束模型它认为聚合物结晶中存在许多胶束和胶束间区域，胶束是结晶区，胶束间是非晶区；2、折叠链模型它认

41、为在聚合物晶体中大分子链是以折叠形式堆砌而成；3、伸直链模型如聚乙烯和聚四氟乙烯等不带侧基的聚合物在极高压力下缓慢结晶多层片晶，片晶是大分子链系取最紧密伸直链结构。,三、聚合物结晶形态 根据结晶条件的不同，聚合物可以生成单晶体，树枝状晶体、片晶、球晶以及其他形态的多晶聚集体。多晶体基本上是球状晶体聚集体。它是由大量多层片晶以晶核为中心，分枝辐射地向外生长而成，在某些场合下，可获得纤维状晶体。,图：球晶生长过程示意图,图：球晶结构的示意图,图：串晶的结构示意图, 6.非晶态（Amorphous）结构 * 气态和液态物质都是非晶体。 * 固体的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，其原子在三维空间不存

42、在长程的周期性排列。 * 玻璃是典型例子，故往往将非晶体称为玻璃态。 * 性能特点：没有固定熔点 各向同性,石英的结构模型示意图(a) 石英晶体结构模型 (b)石英玻璃结构模型,晶态与非晶态在一定条件下可以互相转化 对金属材料，由于其晶体结构比较简单，从液态冷凝过程中很难阻止结晶过程的发生，故固态下的金属通常多为晶体结构。然而随着超快冷凝技术的发展和一些特殊制备方s法的出现，使制取非晶态金属成为可能。 对无机非金属材料而言，非晶态泛指熔融态和玻璃态。熔融态即无机多组分系统（主要指金属氧化物）在高温下形成的熔体；玻璃态则为液态冷却已固化但未结晶的固体。这些非晶态物质在无机材料生产中往往起着重要作

43、用。 如陶瓷中的玻璃相的作用： 在瓷坯中起粘结作用； 降低烧结温度； 抑制晶粒长大，阻止多晶转变； 填充气孔间隙，促使坯体致密化。,至于非晶型硅酸盐的基本结构单元是“SiO4 ”四面体，其中Si原子处在四个O原子构成的四面体间隙中。四面体中原子间的结合即有离子键又有共价键，故结合力强。 而聚合物的非晶态是指玻璃态、橡胶态、粘流态(或熔融态)以及结晶高聚物中非晶区的结构。非晶态聚合物的分子排列无长程有序，对X射线衍射无清晰点阵图案。 (1) Flory无规线团模型 (2) Yeh的折叠链缨状胶束粒子模型,Yeh的 折叠链缨状胶束粒子模型,Flory 无规线团模型,(a) 折叠链缨状胶束粒子模型,(b) 塌球模型,图：聚合物的几种非晶结构模型,(c) 曲棍状模型,(d) 无规线团模型,本章习题：,1. 已知FeO的晶体结构为Nacl型，离子半径Fe2+为0.077nm,O2-为0.140nm，试计算FeO密度。2试计算金刚石结构的密度3非晶态结构物质与晶体结构物质在原子排列分布和性能上的主要区别是什么？,