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1、1 材料物理基础 2012年 9月 Fundamentals of Materials Sciences 第二章 固体结构 （ 6）单质晶体结构 同类原子 化合物 固溶体 Cu-Ni ZrO2-CeO2 共价化合物 SiC 分子化合物 C4H10 离子化合物 NaCl 金属化合物 FeAl 分子晶体 N2 元素 共价晶体 非（类）金属 C, Si 金属晶体 Fe， Al Cu， Zn 异类原子 固体结构 -晶体结构分类 2 单质晶体结构 同类原子组成 金属元素晶体 金属键 非金属元素晶体 共价键 (+范德华键 ) 金刚石结构 菱方结构 三角结构 双原子分子结构 石墨结构 面心立方 体心立方 密
2、排六方 无离子键！ 惰性气体晶体 范德华键 3 固体结构 单质晶体结构 4 1. 基本概念 原子半 径 ， 晶胞原子数 ， 原子配 位 数 致密度 ， 面密度 ， 线密度 ， 密 度 密 排面和密排方 向 ， 间隙 2. 重 要关 系 原 子半径 与晶格常数 3. 金属晶体结构 （ 常见三种结构 *） 晶胞形式和物理参量 间隙类型 ， 结构 ， 大小 ， 数量 ， 位置 密排面堆垛顺序 4. 非金属晶体结构 （ 金刚石结构 *） 固体结构 单质晶体结构 5 晶体结构 符号 晶体结构 符号 面心立方FCC A1(cF4) 菱方（ R) A7 体心立方BCC A2 三角 A8 密排六方HCP A3
3、 六方 H 金刚石 立方 A4(cF8) 正交 O 体心正方 A5 复杂立方 C 面心正方 A6 正方 T 单斜 M 1. 晶体结 构符号 固体结构 单质晶体结构 6 南航 固体结构 单质晶体结构 晶胞原子数 N： 一个晶胞中原子总个数 致密度 K： 晶胞中原子体积与晶胞体积之比 面密度： 单位面积原子个数； 线密度： 单位长度原子个数 配位数 CN： 晶体中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。 密度 ： 单位体积的物质量 g/cm3 VRnVnvK334 7 82cfiNNNN 2.晶体结构的物理参量 阿伏加德罗常数晶胞体积原子质量晶胞原子数VAnm固体结构 单质晶体结构 8 原子半径 R：
4、 最近邻的两个原子核之 间距 离的一半 。 同种原子在不同条件 （ 环境 ） 下有不同的原子半径数值 。 （ 1） 金属晶体原子半径和晶体配位数有关 。 同一元素具有不同配位数的同素异构体 ， 原子半径不同 。 配位数从高到低 ，原子半径从大到小 。 采用配位数为 12 （ CN12） 的原子半径 r表示金属晶体的原子半径 （ 歌德斯密德原子半径 ） 。 （ 2） 共价晶体原子半径与共价键键型有关 。 同一元素单键共价半径大于双键或三键 。 采用单键共价半径 r表 示共价晶体的原子半径 。 固体结构 单质晶体结构 9 3. 常见金属的晶体结构 固体结构 单质晶体结构 10 R. E. Smal
5、lman, A. H.W. Ngan Physical Metallurgy andAdvanced Materials （ A1） face-centred cubic(fcc) （ A2） body-centred cubic(bcc) （ A3） close-packed hexagonal(hcp) （ 1）晶胞图 固体结构 单质晶体结构 11 （ 2）配位数 体心立方 面心立方 密排六方 BCC CN=8 HCP CN=12 FCC CN=12 固体结构 单质晶体结构 12 R R a0 R R 2R a0 R R 2R a0 Ra 20 Ra 2320 Ra 2220 （ 3）晶格
6、常数与原子半径的关系 体心立方 简单立方 面心立方 密排六方？ 固体结构 单质晶体结构 13 21881 4621881 体心立方 面心立方 密排六方？ （ 4）晶胞原子数 固体结构 单质晶体结构 14 （ 5）致密度 33432 ( )34 0 . 6 8aKa33424 ( )34 0 . 7 4aKa343nRnvKVV体心立方 面心立方 密排六方？ 固体结构 单质晶体结构 15 晶体结构 原子半径点阵 常数晶胞 原子数 配位数 致密度 例子 SC 1 6 0.52 Polonium (Po), -Mn BCC 2 8 0.68 Fe,Ti,W,Mo,Nb,Ta,K,Na,V,Zr,Cr
7、 FCC 4 12 0.74 Fe,Cu,Au,PtAg,Pb,Ni HCP 6 12 0.74 Ti,Mg,Zn,BeCo,Zr,Cd ra 20 ra 340 ra 240 0006 3 3.12acra固体结构 单质晶体结构 16 晶面 指数 BCC FCC 原子排列 面密度 原子排列 面密度 100 110 111 221414aa 224.121414aa 2258.023613aa2221414aa 224.12212414aa 223.223213613aaa2 a22 a a 2 a 2 a a a a a 2 a 2 a 2 a a （ 6）面密度 固体结构 单质晶体结构 1
8、7 晶向 指数 BCC FCC 原子排列 线密度 原子排列 线密度 aa1212aa7.02212aa16.131212aa1212aa4.121212aa58.03212a 2 a 3 a a a 2 a 3 （ 7）线密度 固体结构 单质晶体结构 18 （ 8）密排面和密排方向 ( 0 0 0 1 ) 1 1 2 0 1 1 1 1 1 01 1 0 1 1 1HCP BCC FCC 固体结构 单质晶体结构 19 （ 9）原子平面的堆垛 密排晶面的堆积 （ ABAB） 密排六方 固体结构 单质晶体结构 20 密排晶面的堆积 （ ABCABC） 面心立方 固体结构 单质晶体结构 21 fcc
9、 1 1 1 ABCABCABC hcp0 0 0 1 ABABABAB 固体结构 单质晶体结构 22 晶体中常见的两种间隙 八面体间隙： 由 6个原子组成的八面体中间隙 。 四面体间隙： 由四个原子组成的四面体中间隙。 晶体中间隙大小、多少、分布对晶体中发生的物理过程、晶体性能有明显影响。 （ 10）间隙（ Interstice) 固体结构 单质晶体结构 23 面心立方中的间隙：相互独立 ， 正多面体 八面体间隙： 数量： 4个 位置：每条棱边中心 、 体心位置处 。 大小： Ri=0.414R 固体结构 单质晶体结构 24 四面体间隙： 数量： 8个 位置：体对角线的 1/4和 3/4处
10、大小： Ri=0.225R 固体结构 单质晶体结构 25 密排六方中间隙 大小和形状与 FCC同 八面体间隙 : 数量： 6个 位置：三对顶 -底三角形 中心连线的 1/4和 3/4处 大小： Ri= 0.414R 固体结构 单质晶体结构 26 四面体间隙 : 数量： 12个 位置：体内和棱边上。 大小： Ri=0.225R 5 8 c 7 8 c 3 8 c c 8 1 固体结构 单质晶体结构 27 体心立方间隙 四面体间隙包含于八面体间隙之中 不是正多面体 八面体间隙： 数量： 6个 位置：棱边中心和面心位置处 大小： Ri=0.154R Ri=0.633R 固体结构 单质晶体结构 28
11、四面体间隙： 数量： 12个 位置：面中分线的 1/4和 3/4处 大小： Ri=0.291R 固体结构 单质晶体结构 29 N CN K 间隙 Ri/R 八面体 四面体 八面体 四面体 BCC 2 8 0.68 6 12 0.15 0.29 FCC 4 12 0.74 4 8 0.41 0.22 HCP 6 12 0.74 6 12 0.41 0.22 固体结构 单质晶体结构 30 IVA： CN=4；金刚石结构 共价键 +范德华键 VA： CN=3；菱方结构 VIA： CN=2；三角结构 共价键 VIIA： CN=1 链状结构 4. 其它单质元素的晶体结构 (IVA-VIIA) 配位数满足
12、休谟 -偌瑟瑞 （ Hume-Rothery） 规则： 当原子以单键与其它原子共价结合形成单质晶体 ， 则每个原子周围共价配位原子的数目 （ 配位数 ） 为： CN（ 配位数 ） =8 N（ 族数 ） 固体结构 单质晶体结构 31 IVA族 ： 按 C， Si， Ge， Sn， Pb的顺序，电负性减弱，由强 共价键逐渐减弱转变为金属键，从绝缘体经半导体过渡到金 属。 C， Si， Ge， Sn；形成典型的 金 刚石结构 。 原 子之间先以共价 结合成四面体单 元 ， 由 四面体单元以共顶方式共价 结合形成三维晶体 。 CN=8-4 4，共价 单 键个数为 4，每个原子有 4个配位原子 。 硅
13、固体结构 单质晶体结构 32 750 , 1 0 00 , 1 0 0 0 , 1 0 00 , 1 0 00 , 1 0 0505050 5075 2525ABC碳：金刚石 立方晶系；空间点阵：面心立方 空间群符号 ： Fd3m；晶格参数 a= 0.356nm 固体结构 单质晶体结构 33 石墨碳 六方晶系 固体结构 单质晶体结构 34 VA族： P， As(砷 )， Bi(铋 )， Sb(锑 ) 原子之间先共价结合形成层状结构； 层与层单元之间以范德华键结合形成三维晶体 。 CN 8-5 3；共价单 键个数为 3， 每个原子有 3个配位原 子 。 菱方结构 固体结构 单质晶体结构 35 V
14、IA族 ： Se(硒 )， Te(碲 )， S 原子之间共价结合形成链状分子或有限环状分子单元。 链或环单元之间由通过范德华力结合形成三维晶体。 CN 8-N 2，共价 单键个数 2， 每个原子有 2个配位原子。 三角结构 固体结构 单质晶体结构 36 VIIA族 :卤族元素 ， F， Cl， Br(溴 )， I(碘 ) 两 个原子先以单键共价结合成双原子分 子 。 双 原子分子之间再通过范德华力结合形成分子晶 体 。 CN=8-7=1， 单键个数为 1， 每个原子周围 有 1个配位原子 。 固体结构 单质晶体结构 37 惰性气体在低温下形成的晶体为 A1（ 面心立方 ） 型或 A3（ 六方密堆 ） 型结构 。 由于惰性气体原子外层为满电子构型，它们之间并不形成化学键，低温时形成的晶体是靠微弱的没有方向性的范德华力直接凝聚成最紧密
