功能材料结构与设计

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,*,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,功能材料结构与设计,第一章 功能材料概述,功能材料的概念、分类及特点,功能设计的概念及方法,第二章 材料结构原理,对称操作和对称元素,-,分子篇,对称操作和对称元素,-,晶体篇,晶体学中的群论,二维晶体学,三维晶体学,空间群与晶体结构,第三章 固体总论,固体中的化学键,固体中的缺陷,无机固体的合成,第四章 功能设计的原理和方法简介,固体结构与性能之间的相互关系,功能材料设计原理,功能材料设计方法,第五章 不同功能材料结构与设计选讲,磁性材料,超导材料,特殊热性能材料,智能材料,功能高分子材料,纳米功能材料,其它功能材料,第六章 现代功能材料应用及其设计方法展望,内容提要,第一章 功能材料概述,功能材料定义:在声、光、电、磁、热及化学性能上有特殊效应的，用于非结构目的的(高技术)材料。,功能材料分类:根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。,功能材料的现状:现已开发的以物理功能材料最多有，单功能材料，功能转换材料，多功能材料，复合和综合功能材料，新形态和新概念功能材料。化学和生物功能材料的种类较少，但其开展速度很快，其功能也更多样化。,电功能材料,电功能材料按导电机理可分为：电子导电材料和离子导电材料两大类。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。,导体材料的电阻率随着温度升高而升高。分类:金属材料，合金材料铂铑-铂热电偶，无机非金属材料。,半导体材料具有负的电阻温度系数。,半导体的导电机理：半导体的导电来源于电子导带和空穴价带的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。,电功能材料,杂质半导体 固溶体,化合物半导体,原子数比,:1/10,9,1/10,0,1/10,0,原子站位,:,同位,同位 异位,电功能材料,超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。,超导体的根本特性：,特性一：完全导电性零电阻,特性二：完全抗磁性,特性三：临界温度Tc、临界磁场Hc、临界电流Jc是约束超导现象的三大临界条件,特性四：约瑟夫森B D Josephson效应隧道效应,超导合金其中Ge-Nb3的临界温度最高23.2K,陶瓷超导体YBaCuOTc90K,磁功能材料,磁功能材料,磁化强度M：只有当内部磁矩同向有序排列时才对外显示强磁性。,磁场强度H：指空间某处磁场的大小。,磁感应强度B：物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。,Hc-矫顽磁力；Br-剩余磁感应强度；Bm-饱和磁感应强度。,软磁材料：镍铁合金Hc1kA/m,硬磁材料：钕铁硼永磁合金,矩磁材料：磁滞回线为矩形,其他功能材料,磁致伸缩材料：磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象为磁致伸缩效应。声纳、传感器敏感元件,功能高分子-指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出反响的高分子材料。,热功能材料：随着温度的变化，有些材料的某些物理性能会发生显著变化，如热胀冷缩、出现形状记忆效应或热电效应等，这类材料称为热功能材料。,分类:(正/负)热膨胀材料 形状记忆材料 测温材料热电,纳米功能材料、光功能材料、敏感材料、储氢材料、隐形材料。,功能材料设计的概念及方法,原 料,材料试样,组织结构,特 性,评 价,可 否,制备,观测,测试,试用,改进,微观组织结构设计,制备方法设计,系统设计,材料设计,功能设计根本思想,根本思想,Basic Structure+/-d(Structure)=New Structure,Basic Properties/functions,+3,+,New Properties/functions,第二章 材料结构原理,-,分子篇,分子的对称性：是指存在一定的操作，它在保持任意两点间距离不变的条件下，使分子内部各局部变换位置，而且变换后的分子整体又恢复原状。这种操作称为对称操作。对称操作据以进行的元素称为对称元素。,分子结构中的重要点群,C,1,点群,：分子完全不对称,对称元素:,E,一阶群(,E,),C,i,点群,:,对称元素:,i,二阶群(,E,，,i,),二氟二氯乙烷,分子结构中的重要点群,C,s,点群:,对称元素:,二阶群(,E,，,),C,2,点群:,对称元素:,n,二阶群(,C,2,，,C,2,2,=,E,),H,2,O,2,C,2,分子结构中的重要点群,C,3,点群:,对称元素:,n,三阶群,CCl,3,CH,3,C,3,分子结构中的重要点群,Cn点群n1,对称元素:n,n 阶群(Cn,Cn2,Cn3 Cnn-1,Cnn=E),分子结构中的重要点群,C,nv,点群,对称元素:,n,，,n,个,v,/,d,2,n,阶群,C,4,v,BrF5,C,5,v,Ti(C5H5),分子结构中的重要点群,C,nv,点群,:,H,2,O,NH,3,分子结构中的重要点群,C,nh,点群,对称元素:,n,，,h,2,n,阶群,C,1h,=C,s,分子结构中的重要点群,点群,对称元素:,(和键轴方向一致),v,(,无穷多个,通过键轴的垂直镜面),例:,CO、HCN,无对称中心的线型分子均属,点群,HCN,分子结构中的重要点群,D,n,点群,对称元素:,C,n,，,C,2,(在主轴的垂面方向上),含三个相同双齿配体的六配位化合物均属,D,3,点群,C,2,C,2,C,2,D,3,：,Co(NH,2,CH,2,CH,2,NH,2,),3,3+,分子结构中的重要点群,D,nh,点群,对称元素:,C,n,，,C,2,(在主轴的垂面方向上)，,h,(水平),D,2h,E,C,2,2C,2,h,i,2,v,D,3h,重叠式乙烷,E,2C,3,2S,3,3C,2,3,v,h,分子结构中的重要点群,D,nd,点群,对称元素:,C,n,C,2,(在主轴的垂面方向上),d,(一套平分每一对,C,2,轴间夹角的垂直镜面),D,2d,分子结构中的重要点群,D,nd,点群例:,分子结构中的重要点群,点群,对称元素:,(和键轴方向一致),v,(,无穷多个,通过键轴的垂直镜面),h,(,水平镜面),C,2,(,无穷多个,垂直于 ),例:,H2,、,CO2,、XeF2,有,对称中心的线型分子,均属,点群,S,n,点群,对称元素:,S,n,(映轴),n,=奇数，,S,n,=,C,nh,n,=偶数，,S,2,=,C,i,S,4,，,S,6,新群,S,4,E,S,4,1,S,4,2,S,4,3,E,h,C,4,1,C,2,1,h,C,4,3,分子结构中的重要点群,Td 点群,正四面体构型的分子或离子对称操作:24个,CH4，CCl4，GeCl4,Oh 点群,正八面体构型的分子或离子对称操作:48个,UF6，SF6，PtCl62-,分子结构中的重要点群,Ih 点群,二十面体构型的分子或离子对称操作:120个,富勒烯、B12H122-,分子结构中的重要点群列表,对称操作的表示矩阵,恒等操作,E,的表示矩阵,反映,操作,xy,的表示矩阵,反演操作,i,的表示矩阵,旋转,C,n,操作矩阵方程,绕Z轴,对称操作的表示矩阵,旋转-反映操作,Sn,的表示矩阵,(绕,z,轴按逆时针方向转动,角),对称操作群,群的定义：按照某种规律联系着的一组元素的集合。对于给定的乘法满足下述四条公设：满足封闭性、结合律成立、单位元E存在、逆元素存在。,封闭性：假设aG,bG，那么abG,结合律：(ab)c=a(bc),单位元E：ae=ea=a,逆元素:aa-1=e,对称操作的集合构成的群称为对称操作群,简称对称群。,分子所有对称元素必须至少通过一点,故称分子点群。,对称群,证明：封闭性,对称群,旋转-反映Snm的逆操作与m和n的奇偶性有关,n=是偶数，不管M是偶或奇数，它的逆操作都是Snn-m,n=是奇数，m=偶数，那么Snm=Cnm，因而它的逆操作是Cnn-m,n=是奇数，m=奇数，那么Snm=Cnm，它的逆操作应为Cnn-m 的乘积，且等于Cn2n-m ，因而可写成单一的操作Sn2n-m,反映,的逆操作就是,本身：,=,2,=E,旋转,C,n,m,的逆操作是,C,n,n-m,，,因为：,C,n,m,C,n,n-m,=,C,n,n,=,E,群的表示,对称操作群所含的一组,对称操作的表示矩阵也构成群,.简称,群的表示,特征标-矩阵的对角元素之和.,任何表示矩阵的集合，包含了点群的全部对称信息，这些信息也包含在矩阵的特征标之中。,可约表示,不可约表示,特征标表,任何表示矩阵的集合，包含了点群的全部对称信息，这些信息也包含在矩阵的特征标之中。,同类元素:假设A,B,C为群的元素.当有关系式BAB-1=C,成立时,称A和C是群的类元素。,C3v,的特征标表,群的不可约表示和特征标规那么,群的不可约表示维数平方和等于,群的阶,。,C,3v,点群的三个不可约表示中，两个一维，一个二维，阶为6。(,1,2,+1,2,+2,2,=6=,h,),2.群的不可约表示的数目等于群中,类,的数。,C,3v,点群的群元素分成三类因而必须有三个不可约表示。,3.群的不可约表示特征标的平方和等于群的阶。,4.群的两个不可约表示的特征标满足正交关系。,5.属于同一类的对称操作具有相同的特征标。,可约表示的分解,可约表示可以分解为组成它的一系列不可约表示分解公式：,其中：n(v)为第v个不可约表示在可约表示中出现的次数;h为群的阶；hi第i类对称操作数；xiv为第v个不可约表示对应于第i类对称操作的特征标，xi为可约表示对应于第i类对称操作的特征标上式对i的求和普及所有的对称操作类,可约表示的分解,分子的对称性应用,假设分子的正负电荷中心重合，就表示分子的偶极矩等于零，否那么分子就有偶极矩，这种分子就是极性分子。,例如：H2O和NH3分子有偶极矩，为极性分子；,CO2的永久偶极矩为零；CCl4分子永久偶极矩为零。,2.分子有无旋光性就看它是否能跟它的镜像重合。所有不对称分子都具有旋光性。,第二章 材料结构原理,-,晶体篇,晶体结构可表述为：,晶体结构=点阵+,结构基元,点阵：在空间,任何方向,上均为,周期性,排布的,无限,个,全同,点,的集合。,点操作的集合构成的群称为,点群。,给定晶体，其中任意两个点阵点所代表的两个结构基元应该满足：,1)化学组成相,同,2),内部结构相同,3),周围环境相同,旋转、倒反、反映、旋转-倒反、旋转-反映、螺旋旋转、滑移反映,点对称操作,轴次定理,绕,A,轴旋转,，,将,B,点转至,B,点,绕,B,轴反向旋转,，,将,A,点转至,A,点,线段,BA,长度为,t，,且与线段,AB,平行,A，B,点是点阵点，,A,B,点也必是点阵点,AB,与,BA,属于同方向的点列，该方向点列的周期为,t，BA,的距离,t,必为,t,的整数倍，即,t=mt,由左图可得,t=-,2,tcos+t,联立,cos=(1-m)2,即-2(1-,m)2,m=-1,0,1,2,3,相应的,=0,2,/6,2,/4,2,/3,2,/2,轴次定理,：晶体中只可能存在1，2，3，4，6重对称轴，5,重和,6,重以上对称轴不存在,。,A,B,A,B,t,t,轴次定理,正五边形沿竖直轴每旋转,72,0,恢复原状，但它不能重复排列充满一个平面而不出现空隙。因此晶体的旋转对称轴中不存在五次轴，只有,1,，,2,，,3,，,4,，,6,度,旋转对称轴,。,对称群,群的阶：有限群中互不相同的元素的个数称为该群的阶。,对称群中,两个元素的,乘积,为顺次进行两个操作，,乘积,a,2,a,1,表示先操作,a,1,，,后操作,a,2,，,即先进行右边的操作。,对称操作的乘积,不一定,服从交换律.,有限群、无限群、子群、交换群、循环群。,重排定理：有限群,G