1-《材料科学基础》第一章-晶体学基础

第一篇结构与性质第一章晶体学基础第二章晶体结构第三章晶体结构缺陷第四章非晶态结构第二篇热力学平衡第五章相平衡和相图第三篇动力学过程第六章固体中的扩散第七章材料中的相变第八章材料制备中的固态反应第九章材料的烧结FundamentalsofMaterialsScience浙大南航参考书：[1]《无机材料科学基础》，张其土主编,华东理工大学出版社，2007.1[2]《材料科学基础》，杜丕一潘颐编著，中国建材工业出版社，2002.3[3]《材料科学基础》，陶杰姚正军薛烽主编，化学工业出版社，2006.3南工目录§1.1晶体的基本概念与性质§1.2空间点阵§1.3晶向指数和晶面指数★§1.4晶体的对称性第一章晶体学基础一、晶体的基本概念二、晶体的基本性质三、晶体学的主要研究内容§1.1晶体的基本概念与性质凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固体都称之为晶体？图片一、晶体的基本概念无色水晶水晶晶簇黄铁矿石盐冰州石石榴石绿柱石金刚石萤石停，玻璃玻璃电气石(碧玺)石墨人造刚玉多晶晶体？软玉晶体？翡翠1912年，X射线晶体衍射实验成功，对晶体的研究从晶体的外部进入到晶体的内部。食盐现已证明，一切晶体不论其外形如何，它的内部质点（原子、离子、分子）都在三维空间有规律排列。晶体★：晶体是内部质点（原子、离子或分子）在三维空间呈周期性重复排列的固体。有些固体如玻璃、琥珀、松香等，它们的内部质点不作规则排列，称为非晶体。NaCl晶体结构比较图古堡液、准液晶:介于固态和液态之间的各向异性的流体。性质上：既具有液体的可流动性、粘滞性，又具有晶体的各向异性结构上，具有一维或二维近似有序晶，即分子按某一从优方向排列平移无序或部分平移无序的液晶准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有长程定向有序，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。基本性质以色列人达尼埃尔·谢赫特曼以发现准晶体赢得2011年度诺贝尔化学奖。伊朗某清真寺的建筑设计，类似准晶的排列penrose瓷砖1、结晶均一性2、异向性3、自限性4、对称性5、最小内能性二、晶体的基本性质4、对称性：是指同一晶体中的相同部分或某种相同的性质在不同的方向或位置上作有规律地重复。5、最小内能性：在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。蓝晶石晶体的硬度4～4.56～7晶体学？1、结晶均一性：同一晶体的各部分的物理化学性质相同。2、异向性：同一晶体在不同方向上性质有所差异3、自限性：是指晶体在适当条件下可以自发地形成封闭的凸几何多面体的性质。云母、排队、冰晶体生长学：研究晶体发生、成长机理和晶体的合成。几何结晶学：研究晶体外形的几何规律。晶体结构学：研究晶体内部结构的几何规律、结构型式和构造的缺陷。晶体化学：主要研究晶体的化学成分和结构的关系，并进而探讨成分、结构与其性能和生成条件的关系。晶体物理学：研究晶体的物理性质及其产生机理。三、晶体学的主要研究内容本节重点掌握：1、概念：晶体2、晶体的基本性质一、晶体结构与空间点阵二、单胞（单位平行六面体）三、布拉维点阵§1.2空间点阵NaNO2一、晶体结构与空间点阵34(a)体心立方结构晶胞(C)六方密堆结构晶胞(b)面心立方结构晶胞金属中最常见的三种晶体结构的晶胞:体心立方结构面心立方结构六方密堆结构晶体结构是指晶体中原子、原子团或分子的具体分布情况。1.1.2晶体结构34(a)晶体结构(b)结构单元(C)空间点阵两个定义等同点：是指晶体结构中占据相同位置和具有相同环境的一系列几何点。CsCl•结构基元：是指晶体结构中重复排列的基本单位。每个结构基元化学组成相同、空间结构相同、排列取向相同、周围环境相同。以氯化铯（CsCl）的晶体结构为例定义从晶体结构中抽象出来的一系列在三维空间周期性排列的几何点称为空间点阵。空间格子是表示晶体内部中质点重复规律的几何图形。空间点阵为无限图形。空间点阵的要素：•结点•行列•面网•平行六面体说明和外形的关系区别注意：晶体结构和空间点阵的区别（了解）空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性。由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型。晶体结构是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列方式。它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构类型是无限的。联系：晶体结构的结构基元与相应空间点阵的结点在空间排列的周期一致看四种晶体点阵点群与点阵点的位置点群晶体结构空间点阵+结构基元单胞金属晶体分子晶体原子晶体离子晶体晶体结构空间点阵单胞定义选取原则表征二、单胞（单位平行六面体）构成空间格子的具有代表性的基本单元（平行六面体）称为单胞。将单胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。1、定义①所选取的平行六面体应能反映整个空间点阵的对称性；②在上述前提下，平行六面体棱与棱之间的直角应最多；③在遵循上两个条件的前提下，平行六面体的体积应最小。2、单胞的选取原则具有L44P的平面点阵单胞表征单位平行六面体的三根棱长a、b、c及其夹角α、β、γ是表示它本身的形状、大小的一组参数，称为单胞参数或点阵常数★（或晶格常数）3、单胞的表征晶胞坐标系原点：单胞角上的某一阵点坐标轴：单胞上过原点的三个棱边x，y，z点阵参数：a，b，c，α，β，γ晶胞★：是指能够反映整个晶体结构特征的最小结构单位。由具体的有物理、化学属性的物质点所组成。单胞：构成空间格子的具有代表性的基本单元。由不具有任何物理、化学特性的几何点构成联系：一般情况下，晶胞的几何形状、大小与对应的单胞是一致的，可由同一组晶格常数来表示。不区分图示注意：晶胞与单胞的区别（了解）空间点阵晶胞单胞大晶胞•NaCl晶体的晶胞，对应的是立方面心格子•晶格常数a=b=c=0.5628nm，α=β=γ=90°大晶胞：是相对于单位晶胞而言的例：六方原始格子形式的晶胞就是常见的大晶胞（由3个底面为菱形的柱体拼成）布拉维点阵空间点阵到底有多少种排列新方形式？按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，在这样一个限定条件下，法国晶体学家布拉维（A.Bravais）在1848年首先用数学方法证明，空间点阵只有14种类型，这14种空间点阵以后就被称为布拉维点阵。三、布拉维点阵1、单胞的形状分类及其格子常数特点根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属7种晶系。晶系单胞形状格子常数特点等轴晶系a=b=cα=β=γ=90°四方晶系a=b≠cα=β=γ=90°六方晶系a=b≠cα=β=90°γ=120°三方(菱方)晶系a=b=cα=β=γ≠90°斜方(正交)晶系a≠b≠cα=β=γ=90°单斜晶系a≠b≠cα=γ=90°β＞90°三斜晶系a≠b≠cα≠β≠γ≠90°Bravais晶系的格子常数特点根据平行六面体中结点的分布情况，又可以分为四种格子类型：原始格子（P）、底心格子（C）、体心格子（I）和面心格子（F）。原始格子底心格子体心格子面心格子2、单胞的结点分布类型：（P）（C）（I）（F）细分3、14种布拉维格子具体p11三斜原始格子单斜原始格子单斜底心格子斜方原始格子斜方底心格子斜方体心格子斜方面心格子C＝PI＝PF＝PI＝CF＝C三斜晶系单斜晶系斜方晶系表：十四种布拉维格子原始格子（P）底心格子（C）体心格子（I）面心格子（F）正交晶系四方原始格子四方体心格子立方原始格子立方体心格子菱面体格子（标记为R）六方原始格子立方面心格子C＝PF＝I与本晶系对称不符I＝RF＝R不符合六方对称与空间格子条件不符与空间格子条件不符与本晶系对称不符四方晶系菱方晶系六方晶系等轴晶系续表：十四种布拉维格子总结晶体结构空间格子(14种)单胞(14种)晶胞晶系(7个)形状、大小一致找等同点找代表找代表据点阵参数晶体划分为本节重点掌握：1、概念：空间点阵；晶胞；点阵常数2、空间点阵及其要素3、Bravais晶系的格子常数特点一、晶向指数二、晶面指数三、六方晶系的晶向指数和晶面指数四、晶带五、晶面间距晶向、晶面§1.3晶向指数和晶面指数（参考P13-16）钯的PDF卡片-----Pd89－4897crystalsystem,spaceroup图2CdS纳米棒的TEM照片（左）和HRTEM照片（右）图2选区电子衍射图图1.La(Sr)3SrMnO7的低温电子衍射图晶向、晶面、晶面间距晶向：空间点阵中行列的方向代表晶体中原子排列的方向，称为晶向。晶面：通过空间点阵中任意一组结点的平面代表晶体中的原子平面，称为晶面。MNL(2,2,2)或222P点坐标?2、求法1）建立坐标系。以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点，三条棱为坐标轴，以晶胞的点阵常数a、b、c分别为x、y、z轴的长度单位，建立坐标系。注意，坐标原点的选取应便于确定坐标值。2）确定坐标值。在待定晶向OP上确定距原点最近的一个结点P的坐标值(x,y,z)3）化整并加方括号。将坐标的比化为最小整数比，即x:y:z=u:v:w,把所得最小整数加以方括号，即得待定晶向OP的晶向指数[uvw]。如果u、v、w中某一数为负值，则将负号标注在该数的上方。1、晶向指数：表示晶体中点阵方向的指数，由晶向上结点的坐标值决定。一、晶向指数例1：在晶胞里例2：注意例3①建坐标②定坐标③化整并加方括号例3：（1/3，2/3，1）（1/3，2/3，1）1/3:2/3:1=1:2:3[123]练习立方晶向、晶面立方晶系一些重要晶向的晶向指数画线3、几点说明①一个晶向指数代表着相互平行、方向一致的所有晶向。②若晶体中两晶向相互平行但方向相反，则晶向指数数字相同、符号相反。③晶体中具有等同条件（即这些晶向上的原子排列情况完全相同）而只是空间位向不同的一组晶向称为晶向族，用uvw表示。例：立方格子中100晶向族包括[100]、[010]、[001]、[00]、[00]、[00]六个晶向。111晶向族包括[111]、[11]、[11]、[1]、[]、[1]、[1]、[11]八个晶向。111111111111111晶向族:任意交换指数的位置和改变符号后的所有指数。1111作业1：标定晶向指数说明1.、2、31、晶面指数：表示晶体中点阵平面的指数，由晶面与三个坐标轴的截距值决定。2、求法1）建坐标。以晶胞的某一阵点O为原点，三条棱为坐标轴，以晶胞的点阵常数a、b、c分别为x、y、z轴的长度单位，建立坐标系。注意，坐标原点的选取应便于确定截距，且不能选在待定晶面上。2）定截距。量出待定晶面在三个坐标轴上的截距x,y,z。如果该晶面与坐标轴平行，则其截距为∞。3）取倒数。取截距的倒数1/x,1/y,1/z。4）化整并加圆括号。将倒数比化为最小整数比，即1/x:1/y:1/z=h:k:l,把所得最小整数加以圆括号，即得待定晶面的晶面指数（hkl）。如果截距为负值，则将负号标注在相应指数的上方（）。lkh密勒指数二、晶面指数例1：晶面指数图解(321)2，3，61/2，1/3，1/61/2︰1/3︰1/6=3︰2︰1①建坐标②定截距③取倒数④化整并加圆括号例2：练习立方1/2，1/3，2/32，3，3/2(463)①建坐标②定截距③取倒数④化整并加圆括号2:3:3/2=4:6:3立方晶系中一些晶面的晶面指数练习计算（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。练习：标定晶面指数解：（2）h:k:l=1/1/2:1/1/3:1/1/6=3:2:1∴该晶面的米勒指数为（321）解：（1）h:k:l=1/2:1/3:1/6=3:2:1∴该晶面的米勒指数为（321）3、几点说明①晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表着一组相互平行的晶面；②平行晶面的晶面指数相同，或数字相同而正负号相反，如(hkl)和（）；③晶体中具有等同条件（即这些晶面上的原子排列情况和晶面间距完全相同）而只是空间位向不同的