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1、4 24 2020 1 第2章材料的结构 Chapter2StructureofMaterials 4 24 2020 2 材料性能 材料应用 Relationship 4 24 2020 3 本章内容2 1元素和化学键2 2晶体学基本概念2 3晶体材料的结构2 4晶体缺陷2 5固溶体 4 24 2020 4 2 1元素和化学键 元素及其性质原子间的键合原子间的相互作用与键能 4 24 2020 5 元素 单质 化合物 材料 2 1 1元素及其性质 4 24 2020 6 地球上一些元素的相对丰度 4 24 2020 7 周期表中各元素在室温下的状态 4 24 2020 8 第一电离能 Fir
2、stIonizationEnergy I1 从气态原子移走一个电子使其成为气态正离子所需的最低能量 同周期主族 从左至右 Z逐渐增大 I1也逐渐增大 稀有气体I1最大 同周期副族 从左至右 Z增加不多 原子半径减小缓慢 其I1增加不如主族元素明显 同一主族 从上到下 Z增加不多 但原子半径增加 所以I1由大变小 同一副族电离能变化不规则 4 24 2020 9 气态原子俘获一个电子成为一价负离子时所产生的能量变化 形成阴离子时放出能量 则EA为正 吸收能量则EA为负 EA的大小涉及核的吸引和核外电荷相斥两个因素 故同一周期和同一族元素都没有单调变化规律 大体上 同周期元素的电子亲和势从左到右呈
3、增加趋势 更负 而同族元素的电子亲和势变化不大 电子亲和势 ElectronAffinity EA 4 24 2020 10 衡量原子吸引电子能力的一个化学量 同一周期的元素 从左到右电负性逐渐增大 同族元素电负性从上到下逐渐减小 电负性 Electronegativity 4 24 2020 11 原子及离子半径 AtomicandIonicRadii 从左到右 有效核电荷逐渐增大 内层电子不能有效屏蔽核电荷 外层电子受原子核吸引而向核接近 导致原子半径减小 所以从左到右 原子半径趋于减小 而从上到下 随着电子层数的增加 原子半径增大 对于离子来说 通常正离子半径小于相应的中性原子 负离子的
4、半径则变大 4 24 2020 12 电离能 电子亲和势 原子及离子半径 电负性 4 24 2020 13 MetallicbondIonicbondCovalentbondHydrogenbondVanderWaalsbonding 2 1 2原子间的键合 4 24 2020 14 1 Metallicbond 4 24 2020 15 Characteristic properties 高导电率和高导热率不透明性金属表面的高反射性延展性 电子的离域性键的球对称性质 4 24 2020 16 金属键示意图 4 24 2020 17 离子键的特点Attention 既无饱和性也无方向性 离子化
5、合物的特性配位数高 堆积致密 本质上可以归结于静电引力 2 Ionicbond 4 24 2020 18 NaCl的离子键 4 24 2020 19 离子键CsCl结构示意图 4 24 2020 20 离子键的形成 4 24 2020 21 库仑引力与离子间距离的关系 4 24 2020 22 离子间作用力与离子间距离的关系 4 24 2020 23 两个原子共有最外壳层电子的键合 3 Covalentbond 4 24 2020 24 共价键的特点方向性和饱和性 共价键晶体的特性很高的熔点和硬度良好的光学特性不良的导电性 4 24 2020 25 Example 共价键示意图 4 24 20
6、20 26 金刚石中的共价键 4 24 2020 27 金刚石的结构 4 24 2020 28 甲烷的电子层结构 4 24 2020 29 共价键的断裂 4 24 2020 30 两个条件 分子中必须含氢另一个元素必须是显著的非金属元素 电负性大 原子半径小 有饱和性和方向性 4 Hydrogenbond 4 24 2020 31 水分子之间的氢键 4 24 2020 32 电中性的分子之间的长程作用力 orientationforce inductionforceanddispersionforce JohannesDiderikVanderWaals1837 1923TheNobelPri
7、zeinPhysics1910 forhisworkontheequationofstateforgasesandliquids 5 VanderWaalsbonding 无方向性和饱和性 4 24 2020 33 氩原子间的范德华键形成示意图 4 24 2020 34 碘晶体结构示意图 4 24 2020 35 范德华键 范德华键 分子链受力滑动 聚氯乙烯分子间的范德华键 4 24 2020 36 物理键 化学键 离子键共价键金属键 范德华键氢键 Comparison 4 24 2020 37 各种结合键主要特点比较 4 24 2020 38 实际材料中的结合键 4 24 2020 39 吸
8、引能 attractiveenergy EA 源于原子核与电子云间的静电引力 离子 m 1分子 m 6 排斥能 repulsiveenergy ER 源于两原子核之间以及两原子的电子云之间相互排斥 总势能 potentialenergy 吸引能与排斥能之和 n 排斥指数 2 1 3原子间的相互作用与键能 1 势能阱 PotentialEnergyWell 4 24 2020 40 势能阱示意图 势能阱 键长r0 平衡键合距离 较深的势能阱表示原子间结合较紧密 其对应的材料就较难熔融 并具有较高的弹性模量和较低的热膨胀系数 4 24 2020 41 41 形成正负离子所需能量 离子键形成过程中的
9、总势能 在平衡位置的势能E0 2 键能计算 4 24 2020 42 例 NaCl的键能计算 离子形成能 吸引能EA 0 类比 可得 排斥能ER 0 键能E0 推导 4 24 2020 43 2 2 1晶体与非晶体 非晶体 固态物质原子或分子聚集状态不同 晶体 2 2晶体学基本概念 4 24 2020 44 Concepts 长程有序Long rangeorder 晶体 非晶体 原子或原子团 离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成宏观性质 几何外形 各向异性 熔点 原子 分子或离子无规则地堆积在一起所形成 长程无序Long rangedisorder短程有序Short rangeorde
10、r 4 24 2020 45 Comparison Comparison CurveofX raydiffraction 4 24 2020 46 2 2 2Transformation Transformation 4 24 2020 47 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 4 24 2020 48 晶体结构的几个基本概念周期性 同一种质点在空间排列上每隔一定距离重复出现 周期 任一方向排在一直线上的相邻两质
11、点之间的距离 晶格 lattice 把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架 结点 latticepoints 质点的中心位置 空间点阵 spacelattice 由这些结点构成的空间总体 晶胞 unitcell 构成晶格的最基本的几何单元 2 2 2晶格 晶胞和晶格参数 4 24 2020 49 结点 latticepoint 4 24 2020 50 a b c 确定晶胞大小 确定晶胞形状 晶格常数latticeparameter 晶胞的三条棱的长度a b和c就是点阵沿这些方向的周期 这三条棱就称为晶轴 晶胞 晶胞UnitCell 4 24 2020 51 Lattice actual
12、crystalstrcture 空间点阵和实际晶体结构之间的关系 a c 为空间点阵 b d 为实际晶体 4 24 2020 52 8种基本对称元素 由以上8种基本对称元素组合成的对称操作群 一般称为点群 需要注意的是 点群是在操作中至少有一点保持不动的对称操作群 旋转 中心反演和对称面都是点对称操作 由于晶格周期性的限制 对称元素组合成群受到很严格的限制 因而点群数目有限 8种基本对称元素的组合只能得到32种点群 也就是说 晶体的宏观对称性只有32种不同类型 分别由32个点群来描述 这32种点群分布在7个晶系 分属于14种空间点阵 布拉维点阵Bravaislattice 类型 4 24 20
13、20 53 使晶体复原的全部旋转 与平移对称操作 螺旋轴 滑移反映面 的组合构成空间群 在点群的讨论中没有包含有关平移对称性的操作 所以点群只是反映了晶体的宏观对称性 如果加上平移的对称操作以及转动与平移结合构成的对称操作 就可以充分反映晶体的全部对称性 晶体的全部对称性群称为空间群 空间群的元素是点群操作和平移操作的组合 已知共有230个晶体空间群 也就是说 所有晶体结构 就其对称性而言 共有230种类型 每一类由一个空间群来描述 4 24 2020 54 7个晶系和14种空间点阵类型 2 2 3晶系 crystalsystems 4 24 2020 55 底心单斜 简单单斜 简单三斜 4
14、24 2020 56 简单正交 面心立方 面心正交 4 24 2020 57 简单菱方 简单立方 简单六方 简单四方 4 24 2020 58 体心立方 体心四方 体心正交 4 24 2020 59 2 2 4晶向指数和晶面指数 晶面 crystallographicplanes 晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面 即结晶多面体上的平面 晶向 crystallographicdirections 点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组 晶列 晶列所指方向就是晶向 4 24 2020 60 晶列 晶面簇 晶列和晶面簇 4 24 2020 61 将坐标原点选在OP的任一结点O点
15、 把OP的另一结点P的坐标经等比例化简后按X Y Z坐标轴的顺序写在方括号 内 则 uvw 即为OP的晶向指数 晶向指数 crystallographicdirectionindices 的确定 晶向指数与晶面指数 国际上统一采用密勒指数 Millerindices 来进行标定 4 24 2020 62 A 110 B 111 C 晶向指数实例 4 24 2020 63 PROBLEM Drawthefollowingdirectionvectorsincubicunitcells a 100 and 110 b 112 c d a 4 24 2020 64 Solution 4 24 202
16、0 65 用 hkl 来表示一组平行晶面 称为晶面指数 数字hkl是晶面在三个坐标轴 晶轴 上截距 r s t 的倒数的互质整数比 晶面指数 crystallographicplaneindices 的确定 4 24 2020 66 晶面A r s t 1 1 1 其倒数为1 1 1 则晶面指数记为 111 晶面B r s t 1 2 其倒数为1 1 2和0 化为互质的整数比为2 1 0 则晶面指数记为 210 晶面C 晶面过原点 0 0 0 沿y轴平移一个晶格参数 平移后代表同一晶面 使其在y轴截距为 1 则r s和t分别为 1和 其倒数为0 1和0 则晶面指数记为 其中的负号写在数字上面 4 24 2020 67 应该是 632 晶面指数示例 4 24 2020 68 4 24 2020 69 具有相同密勒指数的两个相邻平行晶面之间的距离 用dhkl表示 对于正交晶系 i e 90 2 2 5晶面间距 interplanarspacing 4 24 2020 70 立方晶体的晶面间距 4 24 2020 71 2 2 6间隙 4 24 2020 72 4 24 2020 73 4
