材料科学基础(东北大学)第三章课件.ppt

1、3.1.1 晶体多面体及晶体多面体及对称对称晶体的宏观对称元素晶体的宏观对称元素 晶体的对称性与有限分子的对称性一样也是点对称，具有点群的性质。1、旋转轴2、镜面（反映面）3、对称中心对称元素：1、旋转2、反映3、倒反对称操作：但由于习惯的原因，讨论晶体对称性时所用的对称元素和但由于习惯的原因，讨论晶体对称性时所用的对称元素和对称操作的符号和名称与讨论分子对称性时不完全相同。对称操作的符号和名称与讨论分子对称性时不完全相同。虚虚操操作作)(Lncinsnc ins nminIL)(MI晶体宏观对称性与分子对称性中对称元素与对称操作对照表实实操操作作nP=2nhnncs=ns在分子点群中有象转轴

2、在分子点群中有象转轴 ,其对称操作是旋转反映。其对称操作是旋转反映。在晶体中反轴在晶体中反轴 ，对应的操，对应的操作是先绕轴旋转作是先绕轴旋转 ，再过，再过轴的中心进行倒反。轴的中心进行倒反。n晶体学中我们常用晶体学中我们常用反轴反轴而不用而不用象转轴象转轴。由此可知，由此可知，与与S Sn n都属于复合对称操作，且都由旋转与另都属于复合对称操作，且都由旋转与另一相连的操作组合而成。一相连的操作组合而成。n关于旋转反映轴与反轴的说明nP2IL)()(LI关于旋转反映轴与反轴的说明_,_,_,_,_12 21 36 44 63=晶体的宏观对称性和组成该晶体的分子对称性是两个不同层次的对称性问题，

3、两者不一定相同。例如苯分子的正六边形结构为苯分子的正六边形结构为D D6 h6 h群，而晶态苯的正群，而晶态苯的正交结构为交结构为D D2 h2 h点群，两者显然不同。点群，两者显然不同。晶体的宏观对称性与有限分子对称性晶体的宏观对称性与有限分子对称性最本质的区别最本质的区别是：是：晶晶体的点阵结构使晶体的宏观对称性受到了限制体的点阵结构使晶体的宏观对称性受到了限制，表现在两方面：，表现在两方面：在晶体的空间点阵结构中，任何对称轴(包括旋转轴、反轴以及以后介绍的螺旋轴)都必与一组直线点阵平行，与一组平面点阵垂直(除一重轴外)；任何对称面(包括镜面及微观对称元素中的滑移面)都必与一组平面点阵平行

4、，而与一组直线点阵垂直。晶体宏观对称性受到的限制晶体中的对称轴(包括旋转轴,反轴和螺旋轴)的轴次n并不是可以有任意多重，n仅为1,2,3,4,6，即在晶体结构中，任何对称轴或轴性对称元素的轴次只有一重、二重、三重、四重和六重这五种，不可能有五重和七重及更高的其它轴次，这一原理称为“晶体的对称性定律”。由于点阵结构的限制，晶体中实际存在的独立的宏观对称元素总共只有八种。晶体宏观对称性受到的限制im4IM)0(L)180(L)120(L)90(L)60(LIL)90(2133=i63=m123461231233 晶体的独立的宏观对称元素只有八种，但在某一晶体中可以晶体的独立的宏观对称元素只有八种，

5、但在某一晶体中可以只存在一个独立的宏观对称元素，也可能有由一种或几种对称只存在一个独立的宏观对称元素，也可能有由一种或几种对称元素按照组合程序及其规律进行合理组合的形式存在。元素按照组合程序及其规律进行合理组合的形式存在。(1)(1)晶体多面体外形是有限图形，故对称元素组合时必通晶体多面体外形是有限图形，故对称元素组合时必通过质心，即通过一个公共点。过质心，即通过一个公共点。(2)(2)任何对称元素组合的结果不允许产生与点阵结构不相任何对称元素组合的结果不允许产生与点阵结构不相容的对称元素，如容的对称元素，如5 5、7 7、。晶体中，宏观对称元素组合时，必受以下两条的限制：组合程序：（1）组合

6、时先进行对称轴与对称轴的组合，（2）再在此基础上进行对称轴与对称面的组合，（3）最后为对称轴、对称面与对称中心的组合。按照以上程序及限制进行组合，我们可以得到的对称元按照以上程序及限制进行组合，我们可以得到的对称元素系共素系共3232种，即种，即3232个晶体学点群（晶体的对称性只有个晶体学点群（晶体的对称性只有3232种，种，尽管自然界中晶体的外形多样）尽管自然界中晶体的外形多样）。1.旋转轴(C=cyclic)：C1,C2,C3,C4,C6;1,2,3,4,62.旋转轴加上垂直于该轴的对称平面：C1h=Cs,C2h,C3h,C4h,C6h;m,2/m,3/m(),4/m,6/m3.旋转轴加

7、通过该轴的镜面：C2v,C3v,C4v,C6v;mm2,3m,4mm,6mm4.旋转反演轴S2=Ci,S4,S6=C3d;-1,-4,-35.旋转轴(n)加n个垂直于该轴的二次轴：D2,D3,D4,D6;222,32,422,622 6.旋转轴(n)加n个垂直于该轴的二次轴和镜面：D2h,D3h,D4h,D6h;mmm,3/mm,4/mm,6/mmm7.D群附加对角竖直平面：D2d,D3d;-42m,-3m8.立方体群(T=tetrahedral，O=octahedral)T,Th,O,Td,Oh;23,m3,432,-43m,m3m特征对称元素特征对称元素 由于晶胞或空间点阵的小平行六面体都

8、是不可能直接观察到的内部微观结构，而特征对称元素却是它们在整个晶体外形上的反映，是能够直接观察到的，所以特征对称结构可以作为实际划分晶体的依据。在32晶体学点群中，某些点群均含有一种相同的对称元素，如T、Th、Td、O和Oh五个点群都有4个3，C2v、D2和D2h三个点群都有2，这样的对称元素叫做特征对称元素。特征对称元素：晶系的划分和选晶轴的方法特征对称元素：晶系的划分和选晶轴的方法特征对称元素：晶系的划分和选晶轴的方法特征对称元素：晶系的划分和选晶轴的方法正当空间格子正当空间格子（布拉维格子）（布拉维格子）只有只有 7 种形状种形状 14 种型式。种型式。a,b,c 七大晶系(crysta

9、l systems)立方六方四方三方正交三斜单斜晶系格子参数高中低（c）（h）（t）（h）（o）（m）（a）(晶族）周期性的两要素周期性的两要素 重复的大小与方向（重复的大小与方向（点阵点阵）周期性重复的内容（周期性重复的内容（结构基元结构基元）结构基元结构基元(Structural Motif)每个点阵点所代表的具体内容（包括粒子的种类、数量及其在每个点阵点所代表的具体内容（包括粒子的种类、数量及其在空间的排列方式等）空间的排列方式等）.3.1.2 空间点阵空间点阵LatticeStructural Motif（晶体结构）（晶体结构）2 2 晶体结构的点阵理论晶体结构的点阵理论周期性与点阵周

10、期性与点阵(1)为了讨论晶体周期性，不管重复单元的具体内容为了讨论晶体周期性，不管重复单元的具体内容,将其将其抽象为几何点（无质量、无大小、不可区分抽象为几何点（无质量、无大小、不可区分)，则晶体中，则晶体中重复单元在空间的周期性排列就可以用几何点在空间排列重复单元在空间的周期性排列就可以用几何点在空间排列来描述。来描述。构成点阵的几何点称为点阵点，简称阵点。构成点阵的几何点称为点阵点，简称阵点。用点阵的性质来研究晶体的几何结构的理论称为点阵理论用点阵的性质来研究晶体的几何结构的理论称为点阵理论.构成点阵的条件：构成点阵的条件：阵点数无穷大阵点数无穷大(阵点是无限的阵点是无限的)；每个阵点周围

11、具有相同的环境；每个阵点周围具有相同的环境；平移后能复原。平移后能复原。平移：所有点阵点在同一方向移动同一距离且使图形复原平移：所有点阵点在同一方向移动同一距离且使图形复原 的操作。的操作。按连接其中任意两点的向量进行平移能够复原的一组按连接其中任意两点的向量进行平移能够复原的一组点点,称为点阵称为点阵.点阵的定义和构成点阵的条件点阵的定义和构成点阵的条件()点阵的定义相邻两阵点的矢量a a,a a是这直线点阵的单位矢量,长度称为点阵参数,因是平移时阵点复原的最小距离,故a a 为平移素向量.直线点阵A以直线连接各个阵点形成的点阵。以直线连接各个阵点形成的点阵。直线点阵中连接任意两相邻阵点的向

12、量称直线点阵中连接任意两相邻阵点的向量称素向量素向量（基本向量）。（基本向量）。(3)常见点阵形式常见点阵形式一维周期排列的结构及其点阵一维周期排列的结构及其点阵 0,1,2,mTmm=a 如何从点阵结构中抽取点阵是从具体到抽象的过如何从点阵结构中抽取点阵是从具体到抽象的过程程.只有从点阵的定义出发只有从点阵的定义出发,来判断抽出的点是否构来判断抽出的点是否构成点阵成点阵.点阵点阵是晶体结构周期性的几何表达是晶体结构周期性的几何表达.平移群平移群则是代数表达则是代数表达.直线点阵对应的平移群直线点阵对应的平移群 直线点阵直线点阵A 最简单的情况是等径圆球密置层最简单的情况是等径圆球密置层.每个

13、球抽取为一个每个球抽取为一个点点.这些点即构成平面点阵这些点即构成平面点阵.平面点阵平面点阵B在二维方向上排列的阵点,即为平面点阵.ab平面点阵可划分为一组相互平行的直线点阵平面点阵可划分为一组相互平行的直线点阵,选择两个不平行的单位向量选择两个不平行的单位向量 a a 和和 b b,可将平面点阵划分为并置的平行四边形单位可将平面点阵划分为并置的平行四边形单位,称为平面格子称为平面格子.(a)(b)(c)(d)平面点阵平面点阵B 顶点顶点上的阵点，对每个单位的贡献为上的阵点，对每个单位的贡献为1/4；边边上的阵点，对每个单上的阵点，对每个单位的贡献为位的贡献为1/2；四边形内四边形内的阵点，对

14、每个单位的贡献为的阵点，对每个单位的贡献为1。平面格子中的每一个平行四边形称为一个单位。平面格子中的每一个平行四边形称为一个单位。在平面格子中，在平面格子中，a,b的选取方式不同，平面格子的划分就的选取方式不同，平面格子的划分就不同。不同。当一个格子中只有一个点阵点时当一个格子中只有一个点阵点时,称为素格子；称为素格子；当一个格子中含有一个以上点阵点时当一个格子中含有一个以上点阵点时,称为复格子称为复格子平面点阵对应的平移群平面点阵对应的平移群 0,1,2,mnT=m+n m,n=ab平面点阵平面点阵B划分平面格子的规则划分平面格子的规则格子划分不能是任意的格子划分不能是任意的,应尽量选取具有

15、较规则的形状的、面积应尽量选取具有较规则的形状的、面积较小的平行四边形单位较小的平行四边形单位.按此原则划分出的格子称为正当格子按此原则划分出的格子称为正当格子.a=b正方格子ab=90 a=b六方格子ab=120 a b 矩形格子ab=90 a b带心矩形格子ab=90 a b(一般)平行四边形格子ab 90 120 abababbaab平面正当格子只有平面正当格子只有 4 种形状种形状 5 种型式种型式 选取三个不平行、不共面的单位向量选取三个不平行、不共面的单位向量 a a,b b,c c,可将空间点阵划分为可将空间点阵划分为空间格子。空间格子一定是空间格子。空间格子一定是平行六面体平行

16、六面体。空间点阵空间点阵C向三维方向伸展的点阵称为空间点阵向三维方向伸展的点阵称为空间点阵.空间点阵与正当空间格子空间点阵与正当空间格子顶点顶点的阵点，对每单位贡献的阵点，对每单位贡献1/8；边边上的阵点，对每单位贡献上的阵点，对每单位贡献1/4；面面上的阵点，对每单位的献上的阵点，对每单位的献1/2；六面体内六面体内的阵点，对每单位贡献的阵点，对每单位贡献1。=0,1,2,mnpTmanbpcm,n,p=空间点阵对应的平移群空间点阵对应的平移群划分空间正当格子划分空间正当格子(Bravais)的原则的原则正当空间格子只有正当空间格子只有 7 种形状种形状 14 种型式。种型式。空间点阵空间点

17、阵C要能充分反映整个空间点阵的周期性和对称性；在满足的基础上，单胞要具有尽可能多的直角；在满足、的基础上，所选取单胞的体积要最小。说明：数学（固体物理）中格子的选取只注意反映点阵结构的周期性（体积最小），不反映晶体结构的对称性。三斜三斜aP(4)90cba十四种布拉维十四种布拉维(Bravais)格子格子 单斜单斜mP 单斜单斜mC(4)9090=cba十四种布拉维十四种布拉维(Bravais)格子格子正交正交oP 正交正交oF 正交正交oC 正交正交oI(4)90=cba十四种布拉维十四种布拉维(Bravais)格子格子三方三方R(hR)(4)90120=cba十四种布拉维十四种布拉维(Br

18、avais)格子格子六方六方H（hP）(4)12090=cba十四种布拉维十四种布拉维(Bravais)格子格子四方四方tI 四方四方tP(4)十四种布拉维格子十四种布拉维格子90=cba简单简单cP 立方立方cI 立方立方cF(4)90=cba十四种布拉维十四种布拉维(Bravais)格子格子 晶体结构最基本的特点是具有晶体结构最基本的特点是具有空间点阵结构空间点阵结构。因此除。因此除旋转、旋转、反映、反演、旋转反映反映、反演、旋转反映等操作外，晶体结构还包括等操作外，晶体结构还包括三类平移相三类平移相关关的操作：的操作：点阵(平移轴)螺旋轴滑移面对称元素：对称操作：平移操作螺旋旋转操作反映

19、滑移操作 由于晶体的微观对称操作受点阵的制约，因此只有由于晶体的微观对称操作受点阵的制约，因此只有1 1，2 2，3 3，4 4，6 6次轴，滑移面和螺旋轴中的滑移量，也要受点阵的制约。次轴，滑移面和螺旋轴中的滑移量，也要受点阵的制约。微观对称操作宏观对称操作+平移操作微观对称性和宏观对称性的主要区别对复格子，在单胞之内附加点阵点位置由一套带心操作描述：对复格子，在单胞之内附加点阵点位置由一套带心操作描述：底心底心(C)：在在 0有附加的点阵点有附加的点阵点体心体心(I)：在：在 附加的点阵点；附加的点阵点；面心面心(F)：在在0 、0 和和 0有附加的点阵点；有附加的点阵点；螺旋旋转操作为旋

20、转和平移的复合操作。21Ttwww.uwgb.edu/dutchs/PETROLGY/QuartzStruc.HTM 反应平移操作为反映和平移的复合操作。滑移反映改变了不对称单元的手性。滑移反映改变了不对称单元的手性。点阵的周期性要求点阵的周期性要求重复两次滑移重复两次滑移反映反映后产生的新位置后产生的新位置与起始位置与起始位置相差一个点阵周期相差一个点阵周期，所以，所以滑移面滑移面的平移量的平移量等于该方向等于该方向点阵平移周点阵平移周期的一半期的一半。对于晶体结构中的反映和平移复合操作，如平移分量为点阵平移矢量的分数值，则进行反映操作所依据的平面就是滑移面。m b/2=b对应的滑移面平移分

21、量可以为：晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数用于表示不同晶面和晶向的一种符号 1)晶向 空间点阵中一个方向,代表晶格中原子列的方向晶向指数标定oA111PCB 建立坐标系；待定晶向上选取一点(最方便的点),确定其坐标值；化整最小整数并加方括号 uvwuvw举例OB=PA=110OA=1113.1.4 晶体的几何计算晶体的几何计算 一个晶向指数代表相互平行、方向 一致的所有晶向；若晶体中两晶向相互平行但方向相反，则晶向指数中的数字相同，符号相反；晶体中原子排列情况相同但空间位向 不同的一组晶向称为晶向族晶向族 如立方晶系中：100001010010001100100=2)晶面 通过空间点阵中的

22、任意一组阵点的原子平面确定晶面指数 建立坐标系；求待定晶面在三个轴的截距；取三个截距值的倒数；化整并加园括号（hkl）晶面指数：晶面法线的晶向指数 平行晶面的晶面指数相同-一个晶面指数代表一组相互平行的晶面；数字相同，正负号相反的是同一晶面；晶体中原子排列情况相同而只是空间位向不 同的各组晶面称为晶面族晶面族,hkl,如立方晶系中：111(111)(111)(111)(111)=)111()111(=3）六方晶系的晶向指数和晶面指数三轴系 a1 a2 c四轴系 a1 a2 a3 c四轴晶面指数(hkil)特点：同一平面上的h、k、i三个坐标数中有一个是不独立的i=(h+k)确定六方晶系晶面指数

23、步骤：晶面指数与三轴坐标系相同，取晶面在四个坐标轴上的截距即可（hkil）六方晶系晶向指数特点：六方晶系晶向指数特点：用用 uvtw uvtw 表示晶向，表示晶向，t=(u+v)t=(u+v)确定六方晶系晶向指数步骤：确定六方晶系晶向指数步骤：1)1)晶格常数三等分法晶格常数三等分法2)2)先确定三轴坐标系的晶向指数先确定三轴坐标系的晶向指数 UVWUVW，然后换算成四轴坐标系的晶向指数然后换算成四轴坐标系的晶向指数 uvtwuvtw u=u=（2U V2U V）/3/3，v=v=（2V U2V U）/3/3，t=(u+v)t=(u+v)w=W w=W4）晶面间距（inter-planer s

24、pacing）：相邻两个平行晶面之间的距离222)/()/()/(1clbkahdhkl=222lkhadhkl=在立方晶系中在简单正交晶系中晶面间距越大，晶面上原子排列越密集1coscoscoscoscoscos2222222=clbkahdlckbhadhklhkl上述上述方法针对简单晶胞，对于复杂晶胞方法针对简单晶胞，对于复杂晶胞要做修正要做修正上述上述方法针对简单晶胞，对于复杂晶胞要做修正方法针对简单晶胞，对于复杂晶胞要做修正(111)3/3da=(100)/2da=5）晶带 相交于某一晶向直线的所有晶面的组合称为晶带,该直线称为晶带轴。晶带用晶带轴的晶向指数表示为uvw 晶带轴uvw

25、与该晶带中任一晶面（hkl）之间有：hu+kv+lw=0 晶带定律：凡满足上式的晶面都属于以 uvw 为晶带轴的晶带3.2.1 金属的晶体结构1、典型的晶体结构面心立方结构 face-centered cubic，fcc，3.2 金属及其合金的结构金属及其合金的结构点阵常数:晶胞中的原子数：4 配位数：12 晶体结构中任一原子周围 最近邻且等距离的原子数致密度%74)22()3/4(433=rrVnvK面心立方结构（FCC）顶角原子 1/8 x 8=1面心位置原子 1/2 x 6=3原子半径：原子间最短距离之半ar42=a体心立方结构（the body-centered cubic cryst

26、al structure，BCC，A2）点阵常数ar34=ra334=晶胞中的原子数：2顶角原子 1/8 x 8=1体心位置原子 1配位数：8致密度%68)3/4()3/4(233=rrVnvK体心立方结构（BCC）密排六方结构（the hexagonal close-packed crystal structure，HCP，A3）点阵常数：a=bc r=a/2,c=1.633a（理想状况）晶胞中的原子数：6 顶角原子 1/6 x 12=2 底心位置原子 1/2 x 2=1 中间层原子 3配位数：12致密度 K=74%密排六方结构（HCP）原子堆垛方式(atom packed structur

27、e)：三组晶体结构中各有一组原子密排面和原子密排方向，晶体结构可以视为原子密排面在空间一层层平行堆垛的结果 FCC：111 BCC：110 HCP：0001 FCCFCC与与HCPHCP的密排堆垛结构的密排堆垛结构HCP:ABABAB.八面体间隙(octahedral interstices)：位于六个原子组成的八面体中间的间隙面心立方结构（FCC）的间隙晶体结构中的间隙(interstices in crystal structure)1+12 =4个22/0.414244BAarraa=位置：棱边中心8 x 1=8个rB/rA=0.225四面体间隙：位于四个原子组成的四面体中间的间隙体心立

28、方结构（BCC）的间隙6 x 1/2+12 x 1/4 =6个24 x 1/2 =12个r rB B/r/rA A=0.291扁八面体扁八面体 r rB B/r/rA A=0.154=0.15412 x 1/3 +8=12个6 x 1 =6个密排六方结构（HCP）的间隙合金相结构合金相固溶体中间相合金（合金（alloyalloy）：两种或两种以上的金属或金属与非金属 经熔炼或其它方法制成的具有金属特性的物质。组元（组元（componentcomponent）：组成合金的基本的独立的物质，组元可以是纯金属、非金属元素、或化合物相（相（phasephase）：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构

29、和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。单相合金：由一种相组成的合金多相合金：由几种不同的相组成的合金 3.2.2 固溶体固溶体以某一组元为溶剂,在其晶体点阵中溶入其它组元原子(溶质原子）所形成的与溶剂有相同的晶体结构的均匀混合的固相置换固溶体置换固溶体在固溶体中，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，所形成的固溶体就称为置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体固溶体的晶体结构与溶剂（基固溶体的晶体结构与溶剂（基体）金属相同体）金属相同影响置换固溶体溶解度的因素影响置换固溶体溶解度的因素：晶体结构 相同可形成无限固溶体，不同则只能形成有限固溶体原子尺寸因素 原子半径差小于1

30、5%，可形成溶解度较大的固溶体；原子半径差大于15%时，半径差越大，溶解度越低；原因：点阵畸变随原子半径差增大而增加化学亲和力,电负性因素,溶剂和溶质之间的化学亲和力越大，越容易形成化合物；电负性相近的元素间可能有较大的固溶度原子价因素,或电子浓度因素）：电子浓度电子浓度(electron concentration)合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数的比值 e/a=VA（1 x）+VB x；x为溶质B的原子分数*过渡族金属的价电子数规定为零试验规律表明，溶质的原子价越高，溶解度越低。溶解度对应电子浓度1.4超过极限电子浓度（1.4),固溶体不稳定，可能形成新相 即电子浓度因素决定溶解度

31、利用e/a=1.4 计算的溶解度Cu-Zn:40%，Cu-Ga：20%，Cu-Ge:13%,Cu-As:10%利用e/a=1.4 计算的溶解度 e/a=VA（1 x）+VB x Cu-Zn:10%，Cu-Ga：13%，Cu-Ge:20%,Cu-As:40%间隙固溶体（间隙固溶体（interstitial solid solutioninterstitial solid solution）溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体；原子半径小，且与溶剂原子半径差大于41%；一般为原子半径小于0.1nm的一些非金属元素，H、B、C、N、O（0.046、0.097、0.077、0.071、0.061n

32、m）间隙固溶体为有限固溶体，产生较大的晶格畸变，有较大的强化效果 间隙固溶体的溶解度不仅与溶质大小有关，也与溶剂晶体结构中间隙的形状和大小有关 C在-Fe的溶解度为 0.0218%C在-Fe的溶解度为 2.11%rB/rA=0.154,0.633rB/rA=0.4143.2.3 中间相中间相（intermediate phaseintermediate phase）：）：两种组元组成合金时，形成的晶体结构与两组元均不相同的新相。-金属间化合物（intermetallic compound）中间相大都具有有金属的性质，不一定符合化学价规律：CuZn、Fe3C等1 1正常价化合物正常价化合物(no

33、rmal-valency compoundsnormal-valency compounds)：金属与电负性较强的A、A、A族的一些元素按原子价规律所形成的化合物。如：Mg2Pb、AlN、Mg2Si 正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物，如NaCl型、ZnS型、CaF2型等 组元间电负性大，趋于离子键或共价键结合，如Mg2Si，熔点高、稳定；组元间电负性小，趋于金属键结合，如Mg2Pb，熔点低、有金属特性2 2电子化合物（电子化合物（electron compound,electron compound,Hume-Rothery phaseHume-Rothery phase

34、）：）：特征：形成的化合物不符合正常化学价规律，电子浓度是决定晶体结构的主要因素。一定的电子浓度对应于一定的晶体结构 电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特性 电子化合物的成分可在一定范围内变化，可视为以化合物为基的固溶体 电子浓度化合物中价电子数 与原子数之比3尺寸因素化合物尺寸因素化合物(size factor compoundsize factor compound)：这类化合物的形成受组元的相对尺寸控制 间隙相与间隙化合物间隙相与间隙化合物：原子半径较小的非金属元素C、H、N、B 与金属元素（以过渡族金属为主）形成的化合物 间隙相间隙相(interstitial phaseint

35、erstitial phase)：当非金属（X）和金属（M）原子半径的比值 rX/rM小于0.59时形成的具有简单晶体结构的相。间隙原子占据金属晶体结构的四面体间隙（rX/rM小于0.414）或八面体间隙 （rX/rM大于0.414）形成新的晶体结构。一般具有高熔点、高硬度。间隙化合物间隙化合物(interstitial compoundinterstitial compound)：当非金属（X）和金属（M）原子半径 的比值rX/rM大于0.59时形成的具有复杂晶体结构的相。有M3C型（如Fe3C）、M7C3型（如Cr7C3）、M23C6型（如Cr23C6）等间隙化合物一般具有高熔点、高硬度，

36、但间隙相具有更高的熔点及硬度陶瓷是以各种粘土为主要原料，成形后经高温烧制而成的制品。陶瓷材料的特点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，因此具有耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀，以及质量轻、弹性模量打、强度高等优良特性，能够在各种苛刻的环境（如高温、腐蚀、辐射等）下工作，已经成为重要的结构材料。陶瓷材料的基本相：晶相、玻璃相、气相晶相是最主要的组成相，它决定着陶瓷材料的物理化学性质。玻璃相是非晶态的熔点低的固体。其作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料的致密度，具有降低烧结温度，改善工艺性能，抑制晶粒长大等作用。气相在陶瓷材料中占有重要地位。98共价键共价键离子键离子键3.3.2 陶瓷材料的结合键陶瓷材

37、料的结合键陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键等，因而其结合键以离子键(如如Al2O3)、共价键、共价键(如如Si3N4)及两者的混合键为主。及两者的混合键为主。99NaClNaCl (1)CsCl (1)CsCl型型 (2)NaCl (2)NaCl型型 1.AB1.AB型型 (3)(3)立方立方ZNS(ZNS(闪锌矿闪锌矿)型：型：(4)(4)六方六方ZNS(ZNS(纤锌矿纤锌矿)型：型：(1)CaF (1)CaF2 2(萤石型萤石型)2.AB2.AB2 2型型 (

38、2)TiO (2)TiO2 2(金红石金红石)型型 (3)(3)SiOSiO2 2(方晶石方晶石.方石英方石英)型型 3.A3.A2 2B B型型 (1)(1)赤铜矿结构赤铜矿结构 (2)(2)反萤石结构（反萤石结构（K K2 2O O）4.A2B3型(1)Al2O3 (2)A、B、C型稀土化合物5.AB3型 WO36.A2B5型 V2O57.ABO3型(1)CaTiO3(钙钛矿、灰钛矿)型 (2)CaCO3(方解石)型、三方晶系 6.AB2O4型 尖晶石(MgAl2O4)1）AB型结构NaCl型结构，其化学式为NaCl，晶体结构为立方晶系。氯化钠是一种立方面心格子。其中阴离子按立方最紧密方式

39、堆积，阳离子填充于全部的八面体空隙中，阴、阳离子的配位数都为6。闪锌矿型结构，如立方ZnS，为立方晶系,ZnS是面心立方格子，阴离子位于立方面心格子的节点位置，而阳离子交错分布于立方体内的1/8小立方体的中心。阳离子的配位数是4，阴离子的配位数也是4。立方ZnSZnS六方ZnSZnS（2）AB2型结构萤石结构，CaF2,结构属于立方晶系，阳离子位于立方面心的节点位置上，阴离子则位于立方体内8个小立方体的中心。阳离子的配位数位8，而阴离子的的配位数为4。（3）A2B3型结构 刚玉型结构，属于三方晶系。阴离子按六方紧密堆积排列，而阳离子填充于2/3的八面体空隙，因此阳离子的分布必须有一定的规律，其

40、原则就是在同一层和层与层之间，阳离子之间的距离应保持最远，这是符合于鲍林规则的。3.3.4 硅酸盐的晶体结构硅酸盐的晶体结构硅酸盐的结构组成：都是由硅氧四面体作为骨架组成。硅酸盐晶体的结构特点：(1)构成的基本结构单元是由Si和O组成的SiO44-四面体。(2)每个O最多只能为两个SiO44-四面体所共用(3)SiO4四面体可以独立地在结构中存在，也可以通过SiO44-共用四面体顶点连接(4)SiO44-中SiOSi结合键不是一条直线,呈145夹角。1.孤岛状硅酸盐：SiO44-以孤立状存在。如镁橄榄石Mg2SiO4，锆英石ZrSiO4等 2.组群状硅酸盐：由SiO44-通过共用氧(桥氧)相生

41、成2、3、4或者6个硅氧组群。绿宝石 3.链状硅酸盐：由SiO44-通过桥氧的连接在一维方向伸长成单链或双链、链与链间为正离子链结。辉石 4.层状硅酸盐：由SiO44-四面体某个面在平面内以共用顶点的方式连接成六角对称的二维结构,多为二节单层。当活性氧与其它负离子一起与金属正离子组成八面体层,就与四面体构成双层结构。滑石，白云母5.骨架状硅酸盐：由SiO44-四面体连成无限六元环状,层中未饱合和交替指向上或向下,把这样的层叠置起来使两个为一个公共氧所代替。石英 113一、单体一、单体 二、链节：组成高分子材料的结构单元二、链节：组成高分子材料的结构单元三、聚合度：大分子链的链节数三、聚合度：大

42、分子链的链节数链节链节114高分子材料的命名高分子材料的命名按其化学组成来命名热塑性高分子材料，常在单体前加“聚”聚乙烯，聚甲醛由两种或两种以上单体聚合而成的高分子，可在单体后加“共聚物”腈丁苯共聚物热固性高分子材料在单体后加“树脂”酚醛树脂用高分子材料的商品名和习惯名以结构为基础的系统命名(IUPAC)通俗名称通俗名称商品名称商品名称简写代号简写代号 聚氯乙烯聚氯乙烯氯纶氯纶PVC聚丙烯聚丙烯丙纶丙纶PP 丙烯腈丙烯腈-丁二烯丁二烯-苯乙苯乙烯烯ABS树脂树脂ABS聚对苯二甲酸乙二聚对苯二甲酸乙二酯酯涤纶涤纶PET 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃有机玻璃PMMA聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯

43、乙烯聚苯乙烯PS 3.4.1 高分子材料的分类高分子材料的分类按高聚物的热行为按高聚物的热行为1.热固性高聚物热固性高聚物2.热塑性高聚物热塑性高聚物按性能和用途按性能和用途1.塑料塑料2.橡胶橡胶3.纤维纤维4.胶粘剂胶粘剂5.涂料涂料6.泡沫材料泡沫材料按来源按来源1.天然高聚物天然高聚物2.合成高聚物合成高聚物按主链结构按主链结构1.碳链高分子化合物碳链高分子化合物2.杂链高分子化合物杂链高分子化合物3.元素有机高分子化合物元素有机高分子化合物4.元素无机高分子化合物元素无机高分子化合物高分子化合物高分子化合物聚合物结构包括单价上分子结构和聚集态结构。聚集态结构是指聚合物材料中的许多大分

44、子是堆砌在一起的，分子间的作用力以及结晶的形成。单个分子结构是指大分子键的形式、长度和立体构型。大分子键有线型、支化交联等形式。概念：键接结构是指结构单元在高分子链中的联结方式，它也是影响性能的重要因素之一。（1）单烯类单体(CH2CHR)（2）共聚物的序列结构晶态结构晶态结构的研究对象单个晶粒的大小、形状以及它们的聚集方式。聚合物晶态结构模型 聚合物晶态结构模型的中心问题是晶体中大分子链的堆砌方式，基本模式有两种：缨状胶束模型：由非晶态结构的无规线团模型衍生出来的结晶中存在许多胶束和胶束间区域，胶束是结晶区，胶束间是非晶区解释晶区与非晶区之间的强力结合而形成具有优良力学性能的结构等更适合于低

45、结晶度及中等结晶度的情况；折叠链模型：从局部有序的非晶态结构模型衍生出来的晶体中，大分子链是以折叠的形式堆砌起来的适合于结晶度较高的情况。但高结晶度存在以下缺陷：a.点缺陷：如空出的晶格位置和在缝隙间的原子、链端、侧基等；b.位错：主要是螺型位错和刃型位错；c.二维缺陷：如折叠链表面；d.链无序缺陷：如折叠点、排列改变等；e.非晶态缺陷：即无序范围较大的区域。124无规线团模型无规线团模型非晶态结构聚合物凝固时，非晶态结构聚合物凝固时，分子不能规则排列，呈长程分子不能规则排列，呈长程无序、近程有序状态。非晶无序、近程有序状态。非晶态聚合物分子链的活动能力态聚合物分子链的活动能力大，弹性和塑性较好。由于大，弹性和塑性较好。由于其聚集态结构态是均相的，其聚集态结构态是均相的，因而材料各个方向的性能是因而材料各个方向的性能是相同的。相同的。