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晶态和非晶态材料的特性第二章方铅矿(Galena,PbS)石英(Quartz,SiO2),玻璃(glass,SiO2)第二章非整比化合物材料与亚稳态材料2.1晶体结构和晶体的性质2.2非整比化合物材料2.3液晶材料2.4亚稳态材料2.5玻璃和陶瓷主要内容：2.1晶体结构和晶体的性质一、晶体特征二、晶体点群和晶体的物理性质2.3.3Structure&physicalperformanceofcrystalmaterials（1）均匀性（2）各向异性（3）自范性（4）晶体具有明显确定的熔点（5）晶体的对称性（6）晶体对X射线的衍射一、晶体特征（1）均匀性整个晶体是由晶胞并置堆砌而成所以晶体必然表现为各部分性状相同的物体，例如有着相同的密度，化学组成非晶体的各种性质均具有均匀性,但与晶体的均匀性的起源并不相同,前者是等同晶胞在空间按同一方式重复排列的结果,而后者则是质点的杂乱无章排列所致.所以二者有实质不同的均匀性。(1)（2）各向异性晶体的导热、导电、光的透射、折射、偏振、压电性、硬度等性质常因晶体取向不同而异，叫做各向异性。如石墨在与层平行的方向上具有导电性，而在与层垂直的方向上就不具有导电性。如：从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发现宝石的颜色不同，这是由于方向不同，晶体对光的吸收性质不同。晶体的各向异性是由其内部质点的有序排列，即晶体内部原子的周期性排列所决定的（3）自范性F+V=E+2其中，F-晶面，V-顶点，E-晶棱在适当的条件下,晶体能自发的长出由晶面、晶棱、晶顶等几何元素围成的凸多面体外形,这种性质就称为晶体的自范性.凸多面体的晶面数（F）、晶棱数（E）、和顶点数（V）相互之间的关系符合公式晶面夹角守恒定律:尽管同一种晶体其外形可能不同，但相应的两晶面之间的夹角总是不变的，这称为晶面夹角守恒定律。丹麦化学家斯单诺在玩水晶时，不小心把水晶打烂了，当他很心痛地弯腰捡起打碎了的水晶时，惊奇地发现，破碎了的水晶碎片都是一样的，具有固定的角度，这就是著名的晶面角守恒定理。（4）晶体具有明显确定的熔点晶体与非晶体的加热时间-温度（即t-T）曲线上晶体具有固定的熔点,反映在加热时间-温度曲线上出现平台,而非晶体没有固定的熔点,反映在曲线上不会出现平台.（5）晶体的对称性（6）晶体对X射线的衍射内部结构在空间排列的周期性（等距性）使得晶体可作为X射线衍射的天然光栅,而晶体外形的对称性又使得衍射线（点）的分布具有特定的对称性.这是X射线衍射测定晶体结构的基础和依据.ComparisonComparisonCurveofX-rayDiffraction非晶体的宏观特征（1）只有玻璃转化温度，无熔点。（2）没有规则的多面体几何外型，可以制成玻璃体，丝，薄膜等特殊形态。（3）物理性质各向同性。（4）均匀性来源于原子无序分布的统计性规律，无晶界。3/5/20205:49:21PM172.2.2TransformationTransformationJ晶态非晶态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。•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。如把水晶的结晶溶化，再使它冷却，可得非晶体的石英玻璃。而非晶体的玻璃，经过相当长的时间后，在它里面生成了微小的晶体，形成透明性减弱的模糊斑点。这说明晶体转化为非晶体需要一定的条件，而非晶体经过一定时间会自动变成晶体。1、晶体学点群的分类2、晶体的点群和晶体的物理性质二、晶体点群和晶体的物理性质一、晶体学点群的分类32个晶体学点群的分类非中心对称的点群中心对称的点群（Laue）点群纯旋转操作点群非纯旋转点群循环群双面群立方群11个21个尽管自然界中晶体的外形是多种多样变化无穷的，而就其对称性来看却并不超出32种点群代表的宏观对称类型。由于晶体的物理性质由晶体对称性决定，而且也只决定于它的点群的对称性，所以对晶体学点群的研究十分重要。纯旋转操作点群（11个）循环群双面群循环群循环群循环群循环群循环群双面群双面群双面群双面群立方群立方群立方群二、晶体的点群和晶体的物理性质晶体的点群是它的任意一种物理性质对称群的子群。一种晶体的任意一种性质的对称群必须包括该晶体的点群的对称操作。晶体对称性的这种关系称为Neumann定理物理性质晶体对称性的信息根据这种关系可以从晶体的物理性质推引出有关晶体对称性的信息；也可以从对称性寻找具有某种物理性能的材料当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。压电效应利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量力和能转变成力的各种物理量压电性：要求晶体的对称性为:没有对称中心晶体的物理性质热电效应，是当受热物体中的电子(空穴)，随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。热电效应美国旧金山大学的一位科学家在英国《自然》杂志上报告说，他从鲨鱼鼻子的皮肤小孔里提取了一种与普通明胶相似的胶体，能把海水温度的变化转换成电信号，传送给神经细胞，使鲨鱼能够感知0.001摄氏度的温度变化，从而准确地找到食物—科学家猜测，其他动物体内也可能存在类似的胶体.这种因温差而产生电流的性质与半导体材料的热电效应类似生物热电效应热电体的主要作用是将热辐射转变为电信号。铁电效应所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电效应”。铁电现象是在一种名为钙钛矿的材料中发现的，而钙钛矿材料的晶格点阵中的离子，是在某一方向上被分离成的正负离子，也就是在钙钛矿晶体内部产生了一个电耦极子。当给这种晶体加上一个电压时，这些耦极子就会在电场作用下排列。改变电压的方向，可使耦极子的方向反转。耦极子的这种可换向性，意味着它们可以在记忆芯片上表示一个“信息单元”。而且，即使在电压断开时，这些耦极子也会保持在原来的位置，使铁电存储器不用电就能保存数据。目前，铁电效应已在低容量的铁电存储器芯片中得到应用。晶体的力学性能晶体的力学性能重要决定于晶体内部原子间的结合力，但与晶体对称性没有直接关系。改进的Mohs硬度标度和相应的材料2.2非整比化合物材料晶体中出现空位或填隙原子，使化合物的成分偏离整比性，该化合物被称为非整比化合物，是指它的组成中各类原子的相对数目不能用几个小的整数比表示的化合物。非整比化合物生成的情况，以及在不同方面的应用可以有以下几种情况：一氧化钛的化学组成变化范围很宽，可以从TiO0.82到TiO1.18。将整比的TiO在高于或低于整比TiO的分解压的各种不同的氧分压下加热，既可以在空位中加入过量的氧，也可以脱去部分的氧形成过量的钛。氧的数量不同，钛的价态不同，电导性质不同。1.某种原子过多或短缺半导体材料应用2.层间嵌入某些离子、原子或分子而以Ni部分地取代LiCoO2中的Co，制成的非整比化合物晶体LiNixCo1-xO2兼备了Co系、Ni系材料的优点充电电池材料应用3.晶体中吸收了某些小原子氢可以和许多过渡金属形成可变组成的间隙型氢化物，例如PdHx、LaNi5Hx、FeTiHx等。由于这些金属氢化物可以可逆地分解，从而得到金属和氢气，因此是很好的储氢材料，它们的储氢量往往可以超过相同体积的液态氢。储氢材料2.4液晶材料目前作为一种新型的显示材料，与集成电路一起在图像显示技术上开创了新的方法，在电光学、热化学、分子光谱等许多领域中有广泛的用途。液晶属于晶体?非晶体?根据固体物质的组成原子(分子、离子)在空间排列是否长程有序，可将固体物质分为晶态和非晶态。液晶——像晶体的液体第四态液晶的发现1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶化，先生成一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？F·Reinitzer把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。后来,德国物理学家Otto·Leimann把处于“中间地带”的浑浊液体叫做液晶，简称为“LC”(liquidcrystal)。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD。液晶好比是既不象马,又不象驴的骡子,所以有人称它为“有机界的骡子”.结晶状的固体各向同性的液体中间相塑性晶体液态晶体圆球状位置有序，方向无序晶格排列，不具流动性长条状、圆盘状位置无序，方向有序有流动性塑晶——像液体的固体液晶——像晶体的液体液晶（LC：LiquidCrystal）•液晶（液态晶体的简称）像晶体的液体叫液晶液晶态：是一种介于液体和晶体之间的中间态，也有人称其为物质的第四态。液晶是一种同时具备液体的流动性和晶体的规则排列特性的物质。既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。•1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）首先发现了液晶•1968年，美国RCA公司海麦尔（G.H.Heilmeier）首先发现了液晶的电光效应•1973年日本SHARP公司制造出世界上第一个液晶显示器件（LCD：LiquidCrystalDevice）小分子液晶:用于液晶显示器高分子液晶:高强度纤维，用于防弹衣，高功能塑料等。液晶的类型（按相对分子质量大小分）有液晶态的化合物条件：形状呈棒状，长约数纳米，分子的长度约为宽度的4－8倍，分子量为200～500gmol-1的有机化合物才具有液晶态。现已发现的有液晶特性的物质（主要是一些有机化合物）有六七千种。并非所有化合物都有液晶态（1）热致液晶（2）溶致液晶热致性液晶是依靠温度的变化，在某一温度范围形成液晶态物质。•将某些物质溶于水或有机溶剂中显示出液晶态•溶致液晶广泛存在于自然界，特别是生物体内。很多生物体的构造，例如大脑、神经、肌肉、血液等生命的新陈代谢、知觉、信息传递等生命现象都与溶致液晶有关热致性液晶溶致性液晶液晶的类型（按成因分）作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。流致性液晶压致性液晶除了这两类液晶物质外，人们还发现了在外力场（压力、流动场、电场、磁场和光场等）作用下可形成液晶。例如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种压致性液晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼在施加流动场后可呈现液晶态，因此属于流致性液晶。（4）流致性液晶（3）压致性液晶根据分子排列的形式和有序性的不同，热致性液晶有三种结构类型：近晶型、向列型和胆甾型。（见图）。近晶型向列型胆甾型热致性液晶：在这类液晶中，液晶分子呈二维有序性：棒状分子互相平行排列成层状，分子的长轴垂直于层状平面。分子可在本层内运动，但不能来往于各层之间。因此，层状结构之间可以相互滑移，而垂直于层片方向的流动却很困难。近晶型液晶相近晶型液晶是所有液晶中最接近结晶结构的一类，因此得名。•近晶型液晶的粘度与表面张力都较大，对外界磁场、温度变化不敏感。•液晶分子只有一维有序：分子长轴彼此平行但分子重心分布无序、不分层，分子可以自由流动，分子在空间排列成线状，始终平行某一方向•向列型液晶流动性最大；对外界电磁、温度、应力变化都很敏感，（目前显示器中应用最多的液晶材料）向列型液晶相•液晶分子排列成层，每层分子长轴方向相同，且平行于层，但每层长轴方向转动变化，多层扭转成螺旋形胆甾型液晶通常具有彩虹般的漂亮颜色，并有极高的旋光能力。胆甾型液晶相在属于胆甾型液晶的物质中，有许多是胆甾醇的衍生物，因此得名。现在发现，除了长棒型结构的液晶分子外，还有一类液晶是由刚性部分呈盘型的分子形成。在形成的液晶中多个盘型结构叠在一起，形成柱状结构。•盘型液晶分子排列呈圆盘状没有电各向异性有光学各向异性在电的作用下，液晶分子的初始排列发生改变，从而使液晶的光学性质发生变化的现象•液晶的电光效应微小的外部能量——电场、磁场、应力、热能等就能实现液晶分子状态间的转变，从而引起液晶的光、电、磁等物理性质的各向异性的改变•液晶的各向异性•液晶的应用物理性质液