材料科学与工程基础课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,本文档相关内容参见 视频,5-8,1,.,本文档相关内容参见 视频 5-8 1.,材料科学与工程基础,培训课第二单元,-1,主讲教师：赵长生,2011,年,8,月,10,日,2,.,材料科学与工程基础 2.,培训目标,以章为单元,通过选择典型的主题，采取示范课形式，及难重点讲解等形式，帮助学员理解本课程的教学设计思想、教学方法和技巧。,3,., 培训目标 以章为单元, 通过选择典型,内容安排,以第二章 材料结构基础中两部分内容为例进行示范课，,（,1,）原子中的电子结构及原子间的相互作用与结合；,（,2,）晶体结构，重点是面心立方和体心立方及间隙，离子晶体及配位数。,4,., 内容安排 以第二章 材料结构基础中两部,课程主要章节,第四章 材料的性能,(Material Properties),第三章 材料组成和结构,(Compositions and,Structures of Materials ),第二章 物质结构基础,(Structure of Matter),第一章 绪论,(,Introduction,),第五章 材料的制备和成型加工,(Preparation and Manufacturing of Materials),5,., 课程主要章节第四章 材料的性能 (Material Pr,第二章 物质结构基础,(Structure of Matter),按照从,微观到宏观,、从,内容到表面,、从,静态到动态,、从,单组分到多组分,的顺序，阐述原子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构及变化规律之间的相互关系。使学生对材料组成（成分）与物质结构的内在联系有较系统、深刻的理解。,6,.,第二章 物质结构基础(Structure of Matter,第二章 物质结构基础,What are atomic structures and interatomic bonds,？,What are the equilibrium separation and the,bonding energy between atoms.,What is the difference in structures between,crystalline and noncrystalline materials.,What is solid solution.,What is the importance of phase diagrams.,What is the characteristic of materials surface.,(Structure of Matter),7,.,第二章 物质结构基础 What are atomic s,第二章 物质结构基础,2-1,物质的形态及材料结构,2-2,原子结构,2-3,原子之间的相互作用和结合,2-4,多原子体系电子的相互作用和稳定性,2-5,固体中的原子有序,2-6,固体中的原子无序,2-7,固体中的转变,2-8,固体物质的表面结构,2-1,物质的形态及材料结构,2-2,原子结构,2-3,原子之间的相互作用和结合,2-4,多原子体系电子的相互作用和稳定性,2-5,固体中的原子有序,2-6,固体中的原子无序,2-7,固体中的转变,2-8,固体物质的表面结构,8,.,第二章 物质结构基础2-1 物质的形态及材料结构2-2 原,2-3,原子之间的相互作用和结合,(Atomic Interaction and Bonding),What are the interatomic bonds ?,What are the equilibrium separation, distance and the bonding energy between atoms?,What is the,Coordination Number of atom?,9,.,2-3 原子之间的相互作用和结合 (Atomic Inte,学习目的,Chapter 2,学习（部分复习）材料的性能和行为首先取决于材料中原子的,电子状态,；另，原子间的,相互作用,形式、原子的,间距,和,空间排列,都是影响材料性能的重要因素。,10,.,学习目的Chapter 2 学习（部分复,Chapter 2,原子间相互作用的内在因素和,结合类型,与性质,原子的间距和半径，空间排列状态及配位数,键性与键能,要点,11,.,Chapter 2原子间相互作用的内在因素和结合类型与性质要,Chapter 2,重点,原子间,结合类型,难点,配位数,重点和难点,12,.,Chapter 2重点重点和难点12.,自然界：一般由原子或分子组成物质或材料,结合方式,：,基本结合,：离子键、金属键、共价键,派生结合,：分子间作用力、氢键,原子之间的相互作用和结合,(Atomic Interaction and Bonding),13,.,自然界：一般由原子或分子组成物质或材料原子之间的相互作用和结,2-3-1,基本键,合,（,Primary Interatomic Bonds),1.,离子键合,(Ionic Bonding),离子键,正离子,负离子,库仑引力,Figure 2.9,14,.,2-3-1 基本键合Figure 2.914.,1.,离子键合,(Ionic Bonding),特点：, 电子束缚在离子中；, 正负离子吸引，达静电平衡；,电场引力无方向性,;,构成三维整体 晶体结构 ；, 在溶液中离解成离子。,15,.,1. 离子键合(Ionic Bonding)15.,特点：, 由正离子排列成有序晶格；, 各原子最,(,及次,),外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；,Figure 2.11,2 .,金属键合,(Metallic Bonding),16,.,特点：Figure 2.112 . 金属键合 (Met,特点：, 原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；, 价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。,Figure 2.11,2 .,金属键合,(Metallic Bonding),17,.,特点：Figure 2.112 . 金属键合 (Met,两个原子共享最外壳电子的键合。,特点：, 两原子共享最外壳层电子对；, 两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；, 有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。,3.,共价键合,(Covalent Bonding),18,.,两个原子共享最外壳电子的键合。3. 共价键合 (Cova,3.,共价键合,(Covalent Bonding),19,.,3. 共价键合 (Covalent Bonding)19,注意：,各种键合在中学已经学过，这里是复习；,这里键合形式是与材料的性能联系；,金属键合和离子键合的区别。,20,.,注意： 各种键合在中学已经学过，这里是复习；20.,4,、混和键合,(Mixed Bonding),1,）,电负性,(electronegativity):,表示吸引电子的能力,同一周期 左 右 电负性增高,同一族 上 下 电负性降低,21,.,4、混和键合 (Mixed Bonding)1） 电负性,4,、混和键合,(Mixed Bonding),2,）,电负性对化学键的影响,:,同种原子间无影响,异种原子相互作用时,:,两元素电负性相差较大,:,非金属,非金属 成极性共价键,电负性相差很大,:,金属,非金属 成离子键,电负性差值,0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2,离子性结合（,%,）,1 4 9 15 22 30 39 47 55 63 70 76 82 86 89 92,电负性差值：可判断无机非金属材料离子性结合键的比例,22,.,4、混和键合 (Mixed Bonding)电负性差值0.,% ionic character = 1-exp-(0.25)(,X,A,- X,B,),2,100,(2.10),where,X,A,and,X,B,are the electronegativities for the respective elements.,23,.,% ionic character = 1-,作用力也是库仑引力,(,与离子键相同但弱得多,不存在电子交换,),1.,分子间引力,（,Intermolecular Attraction),：,分子（或电中性原子）间的结合力,又称范氏（,van der Waals,）力。,特点： 无方向性和饱和性, 键能最小,2-3-2,派生键合,（,Secondary Bonding),24,.,作用力也是库仑引力(与离子键相同但弱得多,不存在电子交换,Johannes Diderik van der Waals,The Nobel Prize in Physics 1910,25,.,Johannes Diderik van der Waals,1.,分子间引力,（,Intermolecular Attraction),：,Schematic illustration of van der Waals,bonding between two dipoles.,2-3-2,派生键合,（,Secondary Bonding),26,.,1. 分子间引力（Intermolecular Attrac,A.,取向力,:,分子永久偶极间相互作用,(Permanent dipole bonds),B.,诱导力,:,被诱导的偶极与永久偶极间作用,(Polar molecule-induced dipole bonds),C.,色散力,:,非极性分子间瞬时偶极间的作用,(Fluctuating induced dipole bonds),Figure 2.13,27,.,A. 取向力: 分子永久偶极间相互作用 B. 诱,质子给予体（如,H,）与强电负性原子,X,（如,O,、,N,、,F,、,Cl,）结合，再与另一强电负性原子,Y,（质子接受体）形成一个键的键合方式。,Figure 2.15,2.,氢键,(Hydrogen bond),28,.,质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N,特点：, 有方向性，饱和性；, 分子内氢键；分子间氢键；, 键能,:,一般为几,十几,kcal/mol,2.,氢键,(Hydrogen bond),29,.,特点： 2. 氢键 (Hydrogen bo,氢键,30,.,氢键30.,DNA,的双螺旋结构,纤维素、壳聚糖的溶解,尼龙（聚酰胺）的溶解,31,.,DNA的双螺旋结构纤维素、壳聚糖的溶解31.,原子间距离很大时,相互作用很小,;,距离减小时，斥力和引力以不同的函数形式增大。,平衡间距（,Equilibrium Spacing,）就是斥力和引力相等的距离。,2-3-3,原子间距和空间排列,(Interatomic Spacing and Forces),1.,原子间的距离和作用,(Interatomic Separation and Interaction),32,.,原子间距离很大时, 相互作用很小; 平衡间距,（,1,）,a,，,：平衡间距， 合力,F= 0,，能量,U,最低，结合能为负值；,（,2,）,a,增大，,F,为引力，,U,增大；,a,减小，,F,为斥力，,U,大大增大。,平衡间距,（,Equilibrium Spacing,）,就是斥力和引力相等的距离。,1.,原子间的距离和作用,(Interatomic Separation and Interaction),33,.,（1）a，：平衡间距， 合力F= 0，能量U最低，结合,孤立原子（非键合）的半径,范氏半径,结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，,a,，,不同，半径不同,(a),金属半径：金属键结合的原子距离的一半：,a,，,/ 2,(b),离子半径：,a,，,= r,+,+ R,-,2 .,原子半径和离子半径,(Atomic Radius and Ionic Radius),34,.,孤立原子（非键合）的半径范氏半径 (a),(c),共价半径：成键电子云的最大重叠（非球形，多用键长）,单键、双键、三键,温度影响半径,离子价影响离子半径,35,.,(c) 共价半径：成键电子云的最大重叠（非球形，多用键,大部分工程材料具有多个原子组成的配位团,配位数是一个原子具有的,第一邻近（原子或离子）数,（,Number of nearest-neighbor atoms,）,H-1 Mg,为,6 Si,或,C,为,4,3.,配位数,(Coordination Number)-CN,：,（影响半径）,36,.,大部分工程材料具有多个原子组成的配位团 3,3.,配位数,37,.,3. 配位数37.,3.,配位数,38,.,3. 配位数38.,影响因素,共价,，围绕一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目。,卤族配位数为,1,；氧族为,2,。,原子的,有效堆积,，离子化合物具有较高配位数，最常见为,6,。,3.,配位数,39,.,影响因素 原子的有效堆积，离子化合物具有较高配位数,3.,配位数,40,.,3. 配位数40.,元 素,金 属 原 子,离 子,共 价 键,CN,半径,(nm),价,CN,半径,(nm),键 长,/ 2,（,nm,）,碳,单 键,双 键,三 键,0,077,0,065,0,06,硅,4+ 6,4+ 4,0,042,0,038,单 键,0,117,氧,2- 8,2- 6,2- 4,0.042,0.038,0.444,单 键,双 键,0.075,0.065,氯,2- 2,1- 8,1- 6,0.140,0.127,0.181,单 键,0,099,钠,8,0.01875,1+ 6,0.097,镁,12,0.161,2+ 6,0.066,铝,12,0.1431,3+ 6,3+ 4,0.054,0.046,铁,8,12,0.1241,0.127,2+ 6,3+ 6,0.074,0.064,铜,12,0.1278,1+ 6,0.096,41,.,元 素金 属 原 子离 子共 价 键CN半径(nm,2,键能,(bonding energy): 1,mol,物质结合键分裂放出的能量,表示结合的强弱。,化学键,物理键（分子键）,化学键中,:,共价键 离子键,金属键,共价键中,:,叁键,双键,单键,氢键,范氏键,键性表,42,.,2 键能(bonding energy): 1mol,End,43,.,End43.,材料科学与工程基础,培训课第二单元,-2,主讲教师：赵长生,2011,年,8,月,10,日,44,.,材料科学与工程基础 44.,Perfections in Solids,Chapter 3,2-5,固体中的原子有序,Speciality and Properties of Crystals,Crystal Geometry symmetry and Spacial Lattice,Unit Cell in crystal,Lattice parameters Crystal system,Types of Spacial Lattices,Crystallographic Direction and Planes,Directional Indices , Miller Indices , interplanar spacing,45,.,Perfections in SolidsChapter,Crystalline Structures and Types,F,ace-,C,entered,C,ubic,FCC,H,exagonal,C,lose-,P,acked,HCP,B,ody-,C,entered,C,ubic,BCC,Interstitial position,Metallic Crystal,Ionic Crystal,Covalent Crystal,Molecular Crystal,46,.,Crystalline Structures and Typ,目的,:,Chapter 3,2-5,固体中的原子有序,学习描述材料晶体结构的点阵、晶胞、晶系和空间型式等的概念及相互关系；学习描述材料晶体（有序）,结构的主要参数,，包括晶向、晶面及其指数，面心立方、体心立方、密排六方三种典型晶体结构的主要参数的计算和表示方法；晶体材料的晶面间距测定方法和液晶的结构特点。,47,.,目的:Chapter 32-5 固体中的原子有序,对称图形和对称操作,点阵的意义和特点,晶胞的表示和定位、晶系和空间点阵型式,晶向、晶面的表示及其指数的计算,晶面间距及测定,晶体结构与键合性质的关系,面心立方、体心立方、密排六方晶体的主要参数和计算方法,（点阵常数、晶胞中原子数、致密度、密度、原子间距、配位数；间隙类型、数量和大小）,要点,48,.,对称图形和对称操作要点48.,晶向、晶面的表示及其指数的计算,晶面间距及测定,面心立方、体心立方、密排六方晶体的主要参数和计算方法,（点阵常数、晶胞中原子数、致密度、密度、原子间距、配位数；间隙类型、数量和大小）,重点：,晶体间隙的类型、数量和大小。,难点：,重点和难点,49,.,晶向、晶面的表示及其指数的计算重点：晶体间隙的类型、数量和大,2-5,固体中的原子有序内容,(Perfections in Solids),2-5-1,结晶的特性与晶体的性质,(Speciality and Properties of Crystals),2-5-2,晶体几何学基础,(Fundamentals of Crystal Geometry),2-5-3,晶体的结构,(Crystalline Structures),50,.,2-5 固体中的原子有序内容 (Perfections in,结晶的特性与晶体的性质,(Speciality and Properties of Crystals),2-5-1,1,结晶特性,晶 体,：原子,(,团,),沿,三维空间呈周期性,长程有序,(long range order),排列的固体物质 （金属，大多陶瓷及一些聚合物）,非晶体,：原子,(,团,),无周期性长程有序排列的物质（包括气体，液体和部分固体）,51,.,结晶的特性与晶体的性质2-5-11结晶特性51.,2 .,晶体的性质,熔点确定,有自发形成规则多面体外形的能力,稳定性 （晶体能量最低）,各向异性,（物理性质不同）,均匀性（周期小，宏观连续）,结晶的特性与晶体的性质,52,.,2 . 晶体的性质结晶的特性与晶体的性质52.,2-5-2,1, 晶体的对称元素,2,点阵,3,晶胞、晶系和空间点阵型式,4.,晶向指数和晶面指数,5,晶面间距,(d hkl ),：,(Fundamentals of Crystal Geometry),晶体几何学基础,53,.,2-5-21 晶体的对称元素 (Fundamentals,1,晶体的对称元素,（对称：相同部分有规律重复）,生长良好的晶体外形常有某些,对称性,（,symmetry,）,54,.,1 晶体的对称元素 （对称：相同部分有规律,对称,55,.,对称55.,对称图形,：图形经不改变其任两点间距离的操作而能完全复原,对称操作,：能使图形自身重合复原的操作,对称元素,：一组操作中不动的点、线、面,b,旋转轴,旋转,操作 可旋,360,/ n,n,（轴次）,:,仅,1,，,2,，,3,，,4,，,6,a,对称中心,（点）,反演,（倒反）操作,56,.,对称图形：图形经不改变其任两点间距离的操作而能完全复原 b,c,镜面,反映,操作,d,反轴,旋转反演,操作（旋转与反演的复合）,轴次同旋转轴,57,.,c镜面反映操作 d反轴旋转反,e,平移对称,点阵,(Lattice,）,平移操作 （平移轴）,连接图形中任何两点的矢量进行平移，图形能复原。,58,.,e平移对称点阵(Lattice）平移,f.,螺旋轴,旋转平移,操作（旋转与平移的复合）,滑移量受点阵限制，轴次同旋转轴。,L,（,180,）,t,59,.,f. 螺旋轴 旋转平移操作（旋转与平移,g,滑移面,平（滑）移反映,操作（反映与平移的复合）,滑移量受点阵限制,2t,t,M,t,60,.,g滑移面 平（滑）移反映操作（反映与平移的复,2,点阵,：,晶体结构的,微观,特征,某种结构单元（基元）在三维空间作,周期性规则排列,基元：原子、分子、离子或原子团,(,组成、位形、取向均同,),抽象为,基元 几何点,抽象为,基元的三维空间周期排列 空间点阵,点阵,+,基元,=,晶体结构,61,.,2点阵： 晶体结构的微观特征,62,.,62.,63,.,63.,点阵反映晶体结构的平移对称,点阵是抽象的几何图形,点阵中每个阵点的,周围环境均相同,64,.,点阵反映晶体结构的平移对称64.,空间点阵,(Spacial Lattice),可用点阵矢量,R,的诸点列阵,(,平移群,),表示,R = n,1,a,1,+ n,2,a,2,+ n,3,a,3,，,n,1,，,n,2,，,n,3,=0,，,1,，,2,，,a,1,，,a,2,，,a,3,为三个坐标轴上的单位矢量,所有矢量, R ,都属于（构成）点阵,65,.,空间点阵(Spacial Lattice)可用点阵矢量R,3,晶胞、晶系和空间点阵型式,晶胞,(Unit Cell),：代表晶体内部结构的,基本,重复,单位（平行六面体）,晶胞的基本要素,：,A,大小和形状,B,各原子坐标位置,Section 3.11,晶轴上晶胞三个边的,长度,a,，,b,，,c,和 其,夹角,，,，,称为,晶格常数,(Lattice parameters),66,.,3晶胞、晶系和空间点阵型式Section 3.11 晶轴,晶胞中原子的坐标,可由原点指向原子的向量表示,:,r,= x,a,+ y,b,+ z,c,x,，,y,，,z 1,，称为,分数坐标,晶格常数,(Lattice parameters),a,，,b,，,c,和,，,，,67,.,晶胞中原子的坐标可由原点指向原子的向量表示:晶格常数 (L,按,晶格常数,的不同,组合,可将晶胞分为,7,种类型，对应,7,个晶系,(,Crystal system,),68,.,按晶格常数的不同组合可将晶胞分为7种类型，对应7个晶系68.,7,个晶系中，共有,14,种,空间点阵型式,(Types of,Spacial Lattices),69,.,7个晶系中，共有69.,4.,晶向指数和晶面指数,（,1,）,晶胞定位,（用分数坐标）,原点（,0, 0, 0,）,晶胞内离原点最远的顶角点（,1, 1, 1,） 即位置为（,1a, 1b, 1c,）,定位系数以晶胞的尺度来表示,点的位置用,（,x, y, z,）,表示,（点在晶胞内,无符号,分数,）,Section 3.12,70,.,4. 晶向指数和晶面指数 原点（0, 0, 0）S,（,2,）,晶向指数,晶向,（,Crystallographic Direction,）,是原点出发通过某点的,射线,（或过若干结点的直线方向）,晶向指数,（,Directional Indices,）,用晶胞各轴上投影的最低整数标明,:,u v w,表示晶向， 其中,u v w,即晶向指数,4.,晶向指数和晶面指数,71,.,（2） 晶向指数 4. 晶向指数和晶面指数71.,晶体中同一晶向的阵点直线系列称为,晶列,。,u v w,表示,晶向,族,(family),代表原子密度相同,(,等价,),的所有晶向,方向可不同，,如立方晶体中：,1 1 1,包括,100, 100, 010,010, 001, 001.,一个晶向代表了一系列相互平行的阵点构成的直线,72,.,晶体中同一晶向的阵点直线系列称为晶列。,这部分是重点内容；,讲清楚，对晶向内容的重点要求。（,1,）给出晶向，能找出晶向指数；（,2,）给出晶向指数，在图中能画出晶向。,晶向,族,(family),，代表原子密度相同,(,等价,),的所有晶向；,晶体材料各向异性。,注意：,73,.,这部分是重点内容；注意：73.,Determine the,indices for the direction,shown in the accompanying figure.,EXAMPLE PROBLEM 3.7,This procedure may be summarized as follows:,x y z,Projections,a,/2 1,b,0,c,Projections (in terms of,a,b, and,c,) 1/2,1 0,Reduction 1 2 0,Enclosure,SOLUTION,120,例题,74,.,Determine the indices fo,EXAMPLE PROBLEM 3.8,Draw,a direction within a cubic unit cell.,SOLUTION,110,1 1 0 direction,a,-a,例题,X,轴截距,1,Y,轴截距,-1,Z,轴截距,0,75,.,EXAMPLE PROBLEM 3.81101 1 0,晶向,4.,晶向指数和晶面指数,76,.,晶向 4. 晶向指数和晶面指数76.,（,3,）,晶面指数,晶面,（,Crystallographic Planes,）,：晶体内的阵点（组成的）平面。,晶面组,：晶体所有阵点被划成平行等距的一组晶面,Section 3.13,77,.,（3） 晶面指数Section 3.1377.,78,.,78.,如何表示晶面？,晶面指数,晶面指数,：用,（,h k l,）,表示,是晶面在三个晶轴上的,截距倒数,。,截距用晶格常数,a,，,b,，,c,的倍数,r,，,s,，,t,表示,即：,h : k : l = 1/r : 1/s : 1/t,，,最小整数,晶面指数,（,h k l,）,常称,密勒指数,（,Miller Indices,）,79,.,如何表示晶面？是晶面在三个晶轴上的截距倒数。79.,1.,选取原点, x,、,y,、,z,轴,避免,0,截距,晶面指数如何来确定？,注意：,1.,为避免,0,截距，原点在晶面外；,2.,晶面与晶轴平行，截距为，该指数为零；,3.,截负端时，上加横线；,4.,截距越大、指数越小。,x,z,y,2.,写出截距,3,3,2,3.,取截距的倒数,（,3 3 2,）,（,1/3 1/3 1/2,）,4.,倒数通分后去分母,（,2/6 2/6 3/6,）,（,2 2 3,）,80,.,1. 选取原点, x、y、z轴,避免0截距晶面指数如何来确定,EXAMPLE PROBLEM 3.9,Determine the,Miller indices for the plane,shown in the accompanying sketch (,a,),SOLUTION,These,steps are briefly summarized below:,x y z,Intercepts ,a -b c,/2,Reciprocals 0 -1 2,Reductions (unnecessary),Intercepts (in terms of lattice parameters) -1 1/2,Enclosure,(0 1 2 ),例题,81,.,EXAMPLE PROBLEM 3.9SOLUTIONIn,EXAMPLE PROBLEM 3.10,Construct,a,plane within a cubic unit cell.,0 1 1,0 1 1,取倒数,1 1,找截距,X,轴平行，,Y,轴为,-1,，,Z,轴为,1,，做图,例题,82,.,EXAMPLE PROBLEM 3.100 1 10,（,4,） 晶面族：,某晶面的晶面指数乘以,-1,后所表示的一组晶面仍与其平行，共为一,晶面组,，也用（,h k l,）表示。,晶面,族,(family),用,h k l ,表示,代表原子排列相同（晶面方位不同）的所有晶面。,对 立方晶体：,A,100 3,组,B,111 4,组,C,110 6,组,83,.,（4） 晶面族：83.,晶面,4.,晶向指数和晶面指数,84,.,晶面 4. 晶向指数和晶面指数84.,5,晶面间距,(d,hkl,),：,晶面组中最近两晶面间的距离叫,晶面间距,（,interplanar spacing,）,晶面指数低，面上具有较高的原子密度，间距大、作用力弱。,a,立方晶体：,d,h k l,=,h,2,+ k,2,+ l,2,a,为点阵常数,85,.,5晶面间距(dhkl )：85.,使用,X-,射线衍射,（,X-ray Diffraction,）,结果，,通过,布拉格定律,（,Braggs Law,）,，,可测定,晶面间距,：,n= 2 d sin,= M H,P,（光程差）,n = 1,，,2,，,3,，为衍射级数；,为波长；,为衍射角,86,.,使用X-射线衍射（X-ray Diffraction,87,.,87.,X-,射线衍射仪和图谱,88,.,X-射线衍射仪和图谱88.,例题,End,89,.,例题End89.,材料科学与工程基础,培训课第二单元,-3,主讲教师：赵长生,2011,年,8,月,10,日,90,.,材料科学与工程基础 90.,2-5-3,晶体的结构,Section 3.2, 3.3, 3.4, 3.15,1,、金属晶体,(Metallic Crystal),2,、离子晶体,( Ionic Crystal ),3,、共价晶体,(Covalent Crystal),4,、分子晶体,(Molecular Crystal),5,、多晶型,(Polymorphism),6,、液晶,(Liquid crystal),(Crystalline Structures),91,.,2-5-3晶体的结构Section 3.2, 3.3, 3.,晶体的结构,(Crystalline Structures),1,、,金属晶体,(Metallic Crystal),：,金属键；,无方向性；,原子呈圆球状密堆积,大多为右面三种结构：,Section 3.2, 3.3, 3.4, 3.15,92,.,晶体的结构Section 3.2, 3.3, 3.4, 3.,(1),面心立方,（,Face-Centered Cubic - fcc,）,93,.,(1) 面心立方（Face-Centered Cubic,配位数,(Coordination Number),：,12,（上、同、下层各为,4,个）,12,晶胞中的原子数：,4 = 81/ 8,（角）,+ 61/ 2,（面）,=,致密度,(Atomic Packing Factor),：,APF=,晶胞内原子总体积,/,晶胞体积,=,4,0.74,最近的原子间距：,d,（,= a /2 = 2R,）,点阵常数：,a,（,= 4R /2,）,94,.,配位数(Coordination Number)：12（上、,先排成最密排层，层间堆垛方式为,ABCABC,.,，,即第四层重叠在第一层位置，余类推,95,.,95.,（,2,）,体心立方,（,Body-centered Cubic - bcc,）,96,.,（2）体心立方 （Body-centered Cubic,配位数,(Coordination Number),：,晶胞中的原子数：,心原子上下各为,4,个,=,81/ 8(,角,)+ 1(,心,)=,8,2,最近的原子间距,：,d,（,= 3 a / 2,）,点阵常数,：,a,（,= 4R /3,）,致密度,(Atomic Packing Factor),：,0.68,97,.,配位数(Coordination Number) ：晶胞中的,(3),密排六方,(Hexagonal Close-Packed - HCP),配位数,(Coordination Number),：,12,（同层,6,个、上、下两层各为,3,个）,晶胞中的原子数,：,6 =121/ 6(,边角,)+ 21/ 2(,面,)+ 3(,内,),最近的原子间距,：,d,（,=a,2,/ 3 + c,2,/ 4,）,点阵常数,：,a,，,c,致密度,(Atomic Packing Factor),：,0.74,98,.,(3) 密排六方 (Hexagonal Close-Pa,(3),密排六方,(Hexagonal Close-Packed -HCP),最密排层间堆垛方式为,ABAB,即第三层重叠在第一层位置，,余类推,对比面心立方,99,.,(3) 密排六方 (Hexagonal Close-Pa,a,d,2,2,=,a,d,2,3,=,a,c,a,d,=,+,=,4,3,2,2,0,2,8,8,1,1,=,+,4,8,2,1,8,8,1,=,+,68,.,0,),4,3,)(,3,4,(,2,3,3,=,a,a,p,74,.,0,),4,2,)(,3,4,(,4,3,3,=,a,a,p,结 构 特 征,结 构 类 型,体 心 立 方,（,bcc,）,面 心 立 方,（,fcc,）,密 排 六 方,（,hcp,）,点 阵 类 型,体心立方,面心立方,简单六方,点 阵 常 数,a,a,a,，,c,，,c/a =1,633,最近的原子间距（原子直径）,晶胞中原子数,6,配 位 数,8,12,12,致 密 度,0.74,典型金属结构晶体学特点,100,.,ad22=ad23=acad=+=4322028811=+,间隙,(Interstitial position),四面体,间隙,(Tetrahedral position,八面体,间隙,（,Octahedral position,）,Section 3.15,101,.,间隙 (Interstitial position),间隙,(Interstitial position),102,.,间隙 (Interstitial position)1,间隙,(Interstitial position),103,.,间隙 (Interstitial position)1,四面体间隙数,：,每晶胞：,8,每原子间隙：,8 / 4 = 2,间隙大小,（半径）,=3 a / 4,R = 0.225R,面心立方,104,.,面心立方104.,八面体间隙数,：,每晶胞：,1(,体,) +,1/4 12(,棱,) = 4,每原子：,4 / 4 = 1,面心立方,间隙大小,（半径）,= a /2,R = 0.414R,105,.,八面体间隙数：面心立方间隙大小（半径）105.,八面体间隙数：,每晶胞：,1/2 6 (,面,)+ 1/4 12(,棱,) = 6,每原子间隙：,6 / 2 = 3,间隙大小,（半径）,= a /2,R = 0.633R,= a / 2,R = 0.154R,体心立方 （,BCC,）,106,.,八面体间隙数：,体心立方 （,BCC,）,107,.,体心立方 （BCC）107.,四面体间隙数：,体心立方 （,BCC,）,间隙大小,（半径）,每晶胞：,4 1/2 6(,面,) = 12,每原子：,12 / 2 = 6,= 5 a / 4,R = 0.291R,108,.,四面体间隙数：体心立方 （BCC）间隙大小（半径）每晶胞：每,晶 胞 类 型,四 面 体 间 隙,八 面 体 间 隙,配位数,数 量,间隙,大小,配位数,数量,大 小,面心立方,(,密排六方,),4,8 (12),0.225 R,6,4 (6),0.414 R,体心立方,4,12,0.291 R,6,6,001,方向,0.154 R,110,方向,0.633 R,表,2-13,面心立方、密排六方与体心立方晶胞中的,间隙,109,.,001方向0.154 R表2-13 面心立方、密排六,2,、,离子晶体,( Ionic Crystal ),：,离子键，无方向性。正离子周围配位多个负离子，,离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制,堆积形式决定于正负离子的,电荷数和相对大小,Section 3.6,110,.,2、离子晶体( Ionic Crystal )： Se,111,.,111.,（等电荷时，负离子密堆）,正、负离子,半径,比越大，配位（负离子）数越高,配位数,CN,正负离子半径比,R,/R,负离子配位多面体,2,0,0.155,线 性 配 位,3,0.155,0.225,等 边 三 角 形,4,0.225,0.414,正 四 面 体,6,0.414,0.732,正 八 面 体,8,0.732,1.000,立 方 体,112,.,（等电荷时,113,.,113.,114,.,114.,EXAMPLE PROBLEM 3.4,Show that the minimum cation-to-anion radius ratio for the coordination number 3 is 0.155,SOLUTION,For this coordination, the small cation is surrounded by three anions to form an equilateral triangle as shown belowtriangle,ABC;,the centers of all four ions are coplanar.,例题,115,.,EXAMPLE PROBLEM 3.4SOLUTION例题1,This boils down to a relatively simple plane trigonometry problem. Consideration of the right triangle,APO,makes it clear that the side lengths are related to the anion and cation radii,r,A,and,r,C,as and,Furthermore, the side length ratio,AP,/,AO,is a function of the angle,as,116,.,This boils down to a relativel,The magnitude of,is 30, since line,AO,bisects the 60,angle,BAC,. Thus,solving for the cationanion radius ratio,117,.,The magnitude of is 30, sin,3,、,共价晶体,(Covalent Crystal),： 共价键；有,方向性、饱和性,，,配位数和方向受限制,（配位须成键）,多由非金属元素组成,(A,族,),N,族元素共价晶体的配位数为,（,8,N,）,。,N = 6,N = 5,118,.,3、 共价晶体(Covalent Crystal)：,4,、,分子晶体,(Molecular Crystal),:,组元为分子； 范氏力和氢键,若,仅有范氏力,：,无方向性、饱和性、趋于密堆,，,常还受分子非球性及永久偶极相互作用影响，,有,氢键,时：,有方向性、饱和性，堆积密度低,。,119,.,4、分子晶体 (Molecular Crystal),水结晶时为什么密度减小,?,120,.,水结晶时为什么密度减小?120.,5,、,多晶型,(Polymorphism),一化合物有两种以上的晶型,相互间转变的形式,改变,连接方式,改变,配位,改变分子或离子的,对称性,改变,键型,121,.,5、 多晶型(Polymorphism) 一化,122,.,122.,6,、液晶,123,.,6、液晶123.,6,、,液晶,：,溶,(,熔,),点 清亮点,有些物质： 晶相,液晶相,液相,长程有序,（中介相）,短程有序,各向异性,各向同性,液晶,(Liquid Crystal),：可出现液晶相的物质,（,1,）,液晶的状态,：,几何形状各向异性较大的分子形成的晶体加热时：,失去取向序 失去位置序,固态（塑性晶体）,位置有序,仅,位置有序,固态晶体,液体,取向有序,各向同性,液态（液晶）,失去位置序,仅,取向有序,失去取向序,质心可长程移动,124,.,6、液晶：,（,2,）,液晶的分类,从出现液晶相的条件分：,A.,热致,液晶：因,温度,变化（热）导致液晶相出现的物质,纯化合物或均匀混合物、,典型分子，分子量,200-500,，轴比（长宽比）,4-8,B.,溶致,液晶：在一定,溶剂,作用下，出现液晶相的物质,大多变温时不稳定，,长棒分子的轴比：, 15,125,.,（2）液晶的分类125.,A.,丝状相,（,向列相,nemat