材料科学基础-第二章-固体结构

1第二章固体结构李怀勇聊城大学材料科学与工程学院2本章章节结构2.1晶体学基础2.2金属的晶体结构2.3合金相结构2.4离子晶体结构2.5共价晶体结构2.6聚合物的晶体结构2.7准晶态结构2.8液晶态结构2.9非晶态结构3本章学习重点与难点1.选取晶胞的原则2.7个晶系，14种布拉维空间点阵的特征。3.晶向指数与晶面指数的标注4.晶面间距的确定与计算5.晶体的对称元素与32种点群6.极射投影与Wulff网7.3种典型金属晶体结构的晶体学特点8.晶体中的原子堆垛方式和间隙9.固溶体的分类及其结构特点10.影响固溶体固溶度的因素11.超结构的类型和影响有序化的因素12.中间相的分类及其结构特点13.离子晶体的结构规则14.NaCl型、A2B2型和硅酸盐晶体结构特点15.金刚石型共价晶体结构特点16.聚合物晶态结构模型、晶体形态及其结构特点17.非晶态结构及其性能与晶体结构的区别4物质的状态stat)classic状态传统态（物质（eofmatter）气态（gasstate）液态（liquidstate）固态（solidstate）ploth)super等离子其它态（超固超临界态（asma）态（supersolid）态（ercriticalfluid）5•气体物质处于高温条件下，或者气体物质被射线照射以后，原子被电离，整个气体含有足够数量的离子和带负电的电子，而且一般情况下正负电荷量几乎处处相等，这种聚集态叫等离子态。（发光星体内部，荧光灯，霓虹灯放电时）•如果物质处于极高的压力作用下，大气压的140万倍，电子壳层都会被“挤破”，电子都变成为“公有”，“光身”的原子核在高压作用下会紧密地堆积起来，成为密度非常大的（大约是水成密度的3万至6.5万倍）状态，称为超固态。（恒星的最后阶段-白矮星）•如果对气-液共存的体系同时提高温度和压力，在一特定的温度、压力点时，气-液相之间的界面就会消失，此时体系就处于一种即不同于气态，也不同于液态的新流体态，称之为超临界态6质点排列方式晶体（crystal）固态（）非晶体（amorphoussolid）物理性质的区别1、熔点；2、结构上的各向同性与各向异性7晶体结构crystalstructure非晶体结构amorphousstructure准晶体结构quasicrystalstructure在空间规则排列，存在长程有序long-rangeorder长程无序，但在几个原子距离范围内有序，即短程有序short-rangeorder8晶体（crystal）：物质的基元（基本单元，包括原子、离子、分子等）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质。空间点阵阵点晶体基元将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点latticepoint），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列----点阵（lattice）1．空间点阵2.1晶体学基础9点阵是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。三维点阵又称空间点阵（晶格crystallattice）。基元可以是单个原子，也可以是彼此等同的原子群或分子群。特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)晶体结构=空间点阵+基元10基元排列11abcxyz基元排列12abcxyz基元排列13代表晶格原子排列规律的最小几何单元原子堆垛atomicpacking晶胞unitcell空间点阵/晶格Crystallattice刚球模型（hardspheremodel）142．晶胞（Unitecells）能够代表结构特点的基本单元（最小平行六面体）同一空间点阵中，不同的选取方式会得到不同的晶胞。选取晶胞的原则：Ⅰ)反映出点阵的最高对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。15晶格常数latticeconstants各棱边a、b、c各棱间的夹角、、uvwruavbwc点阵矢量ruvw晶胞xyzOabc16晶系与布拉菲点阵7大晶系的分类依据：6个点阵参数间的相互关系。14种布拉菲格子的分类依据：根据平移对称性推导，每个阵点的周围环境相同。17七大晶系，14个布拉菲点阵简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90º，γ=120º菱方(三方）Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90º四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90º立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90º简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ单斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90º≠β正交(斜方)orthorhombica≠b≠c，α=β=γ＝90º布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系18晶系晶胞参数关系点阵名称阵点坐标三斜(triclinic)abc90o简单三斜[0,0,0]单斜(monoclinic)abc==90o简单单斜底心单斜[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,0]斜方（正交）(orthorhombic)abc===90o简单斜方体心斜方底心斜方面心斜方[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,1/2][0,0,0][1/2,1/2,0][0,0,0][1/2,1/2,0][1/2,0,1/2][0,1/2,1/2]四方（正方）(tetragonal)a=bc===90o简单四方体心四方[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,1/2]立方(cubic)a=b=c===90o简单立方体心立方面心立方[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,1/2][0,0,0][1/2,1/2,0][1/2,0,1/2][0,1/2,1/2]三方（菱方）(rhombohedral)a=b=c==90o简单三方[0,0,0]六方(hexagonal)a=b=dc(a=bc)==90o=120o简单六方[0,0,0]191.三斜Triclinic：简单三斜(1),90oabc14种Bravais格子202.单斜Monoclinic：简单单斜(2)；底心单斜(3),90oabc21底心单斜简单单斜223.正交Orthorhombic：简单正交(4)底心正交(5)体心正交(6)面心正交(7),90oabc23简单正交面心正交体心正交底心正交244.六方Hexagonal：简单六方(8)123,90,120ooaaac简单六方255.菱方Rhombohedral：简单菱方(9),90oabc简单菱方266.四方Tetrahedral：简单四方(10)；体心四方(11),90oabc27简单四方体心四方287.立方Cubic：简单立方(12)体心立方(13)面心立方(14),90oabc29面心立方29Chapter2StructureofMaterials简单立方体心立方30两对容易混淆的概念1.原子和阵点；2.点阵结构和晶体结构。31原子和阵点1.阵点是在空间中无穷小的点。2.原子是实在物体。3.阵点不必处于原子中心。晶体结构=结构基元＋点阵晶体结构是在每个点阵点上安放一个结构基元。32CuNaClCaF2面心立方FCC33简单立方SC-CsCl体心立方BCC-VCsClV34晶体结构与空间点阵两者区别：空间点阵是晶体中质点排列的几何抽象，各阵点周围环境相同，只可能有14种；晶体结构是指实际的物质质点的具体排列，有各种各样的类型。两者之间联系：晶体结构=空间点阵+基元35思考题1试证明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种空间点阵类型，为什么没有底心和面心。切入点：紧扣概念。作图，通过选取晶胞的原则来证明。36思考题1试证明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型，为什么没有底心和面心。切入点：作图，通过选取晶胞的原则来证明。1、四个简单四方格子拼出的大格子里面可以勾出一个底心格子，但不是最小体积；反之，在底心格子里面肯定能构出比底心格子小的简单格子，所以没有底心格子。2、同上，四个体心四方格子拼出的大格子里面可以勾出一个面心格子，但不是最小体积，所以。。。。。37思考题2为什么密排六方结构不能称作为一种空间点阵？从定义入手：空间点阵的定义，要求各个点所处的环境一样38思考题2因为空间点阵中的各点要求具有完全相同的环境，而密排六方结构中顶点上的点和内部的点环境不同连接两黄球392.2、晶体的对称性1、对称的概念对称性：围绕假想的几何要素（对称要素）进行一定几何操作（对称操作），几何图形能重复的性质。对称操作：能使对称物体各相同部分作有规律重复的操作动作。有的对称操作有实际动作，如伞的旋转。有的对称操作无实际动作，如镜面反映。对称要素：进行对称操作时所依赖的几何(点、线、面)要素。40晶体中，对称性分为：宏观对称（点对称性）：反映晶体外形即宏观性质的对称性。微观对称（平移对称性）：反映晶体内原子排列的对称性。41回转对称轴（n）1，2，3，4，6对称面（m）对称中心（i）回转—反演轴3，4，6微观对称性元素宏观对称性元素11213215243滑动面a，b，c，n，d螺旋轴2；3，3；4，4，4；6，6，6，6，6422、宏观对称要素与对称操作1）回转对称对称要素:对称轴回转一周，图形重复n次称为n次对称轴。（国际符号1、2、3、4、6）对称操作:回转L1(1)L2(2)L3(3)L4(4)L6(6)43晶体中的各种对称轴442）镜面对称对称要素：对称面（国际符号m）对称操作：反映3）反演对称对称要素：对称中心（国际符号i）对称操作：反伸对称面m反演对称中心454）回转-反演对称（复合对称）对称要素:回转-反伸轴（国际符号）对称操作：回转+反伸1,2,3,4,61次回转反伸（国际符号1）：等价于反演。1=C2次回转反伸（国际符号2）：等价于对称面。2=m3次回转反伸（国际符号3）：3=3+i4次回转反伸（国际符号4）:不能以其他对称要素组合代替。6次回转反伸（国际符号6）:6=3+m(与对称轴垂直)4632个点群点群是点对称操作按一点规则所组成的集合。根据晶胞是否含有特征对称要素，将晶体分为7个晶系32个晶体学点群是满足“晶体制约”的点群。32晶类的推演://neon.mems.cmu.edu/degraef/pointgroups/47晶体点群的Schönflies和国际符号48三斜11()C1()iC49单斜()smC22()C22/()hmC50正交2()vmmC2222()D2()hmmmD51四方44()C44()S44/()hmC44()vmmC52四方242()dmD4422()D44/()hmmmD53三方33()C33()iC33()vmC54三方332()D33()dmD55六方36()hC66()C66/()hmC66()vmmC56六方362()hmD6622()D66/()hmmmD57立方23()T3()hmT43()dmT58立方432()O3()hmmO593、晶体内部的微观对称1）平移轴图形沿平移轴移动一定距离，图形相等部分重合。平移轴移距：使图形重复的最小平移距离平移轴移距平移轴602）滑动面（一种混合对称要素）由一个对称面和沿此面的平移组成。对称操作：先沿对称面反映，而后沿平行于对称面的某方向平移一定距离（或先平移一定距离，而后沿对称面反映），使结点重合。对称面反映平移反映平移61滑动面对称操作按平移方向和距离分5种情况：①沿晶体a轴平移1/2结点距离（a/2），记为a。②沿晶体b轴平移1/2结点距离（b/2），记为