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结构与物性6.材料与化学第六章材料与化学6.1材料及其分类材料是指可以用来制造各种有用物品的物质。材料是人类生活和生产的物质基础。按组成分类金属材料-钢铁,铜,贵金属,合金等无机非金属材料-陶瓷,玻璃,耐火材料,混凝土等有机高分子材料-纤维,橡胶,塑料等复合材料-轮胎橡胶等按材料的性能特征分类结构材料-以力学性能为主的材料(强度及韧性)功能材料-以物理化学性能为主的材料(光,电,磁等)按材料的结构状态分类晶体材料-包括单晶和多晶,如钻石,氯化钠晶体等非晶体材料-如玻璃等文石sillimFig.1.Two-dimensionalmodelofanAl2O3glass其他分类方法如按材料的用途分类建筑材料电子材料航空材料能源材料……..6.2晶体材料一.晶体的基本特性及分类1.晶体(1)定义:由原子,离子或分子在空间按周期性规律重复排列而成的物质.(2)晶体的外型:多种多样—针形,薄片,立方体,八面体,长方体等.(3)晶体的颜色:绚丽多彩.同一种晶体可有不同的颜色.纳米带,纳米环K3[Fe(CN)6]0.015M,140℃SEM2.晶体结构的周期性晶体结构周期性规律的研究可有两种方式:晶胞和点阵.(1)晶胞(cell)指按实际重复周期将晶体划分成一个个完全相同且可以并置的平行六面体的晶体的基本单位.主要研究晶胞的形状,大小及其内容.1)晶胞的形状,大小和型式形状与大小:由组成晶胞的三个基本向量a,b,c表示.这三个向量的长度a,b,c及彼此之间的夹角α,β,γ称为晶胞参数.型式:简单(P)带心:面心(F),底心(C),体心(I).2)晶胞的内容指晶胞中原子的种类,数目和在晶胞中的相对位置.根据原子在晶胞中的位置可计算晶胞中原子的个数.即:处于顶点位置的原子为8个晶胞所共有,对每个晶胞的贡献为1/8处于棱上的原子为4个晶胞所共有,对每个晶胞的贡献为¼处于面上的原子为2个晶胞所共有,对每个晶胞的贡献为½处于体内的原子为1个晶胞所有,对每个晶胞的贡献为1.(2)点阵是一组数目无限的点,连结其中任意两点可得一向量,将各点按此向量平移能使它复原.点阵中每个点都具有完全相同的周围环境.将晶体中周期性重复排列的内容抽象成几何上的点,即成为点阵.包括:1)直线点阵:描述一维晶体和晶棱上原子的周期性排列2)平面点阵:描述二维晶体和晶面上原子的周期性排列3)空间点阵:描述三维晶体和晶体空间结构的周期性排列将点阵点用直线相连成为晶格.晶体的空间点阵共有十四种型式:3.晶体的特性(1)均匀性:晶体内部各个部分的宏观性质相同.如密度,化学组成等.(2)各向异性:与方向有关的物理性质(如电导率,热膨胀系数,折光率等),在晶体的不同方向上不同.(3)自发形成多面体外形.一般为凸多面体外形.凸多面体的晶面数F,晶棱数E,顶点数V满足欧拉公式:F+V=E+2(4)具有确定的熔点(5)在良好的生长条件下,其外形表现有一定的对称性(6)衍射效应(7)晶体中存在缺陷.4.晶体的分类(1)按晶胞形状分类:分为七个晶系.(2)按化学键分类金属晶体离子晶体共价晶体分子晶体混合型晶体二.等径球的密堆积•1.密堆积原理最紧密堆积是自然界一种最基本的结构模式.指的是在每单位体积中容纳数最多.空间利用率最高的结构可能是最稳定的结构.如果把原子或离子看作是硬的圆球,则它们在空间排列的方式是服从密堆积原理的.2.原子的密堆积排列将同种原子看成是等径的圆球,它们在二维的平面上最紧密的排列为:如果在上述的排列层上再紧密地排列原子时,则每个原子就自然地进入第一层的每三个原子形成的“凹坑”里.再排列到第三层原子时,就有两种可能的方式:(1)ABABAB堆积--------六方密堆积方式(hcp)(A3型)如果通过A层的原子从上到下作六根垂直线,就构成一个六方的棱住.(2)ABCABCABC堆积--------立方最密堆积(ccp)(A1型)面心立方晶格中的原子,如果从它的(111)截面方向上看,就是按这种方式排列的.A1,A3堆积中,球的配位数均为12。球的总体积与晶胞体积比,即空间利用率均为74.05%.(3).体心立方密堆积(A2)和金刚石堆积(A4)1)A2堆积(bcp):每个等径球邻接8个球.8个球均与体心球密接触,但彼此之间不接触.空间利用率为:68.02%2)A4堆积A4堆积中球的配位数为4,空间利用率仅为34.01%.所以不是密堆积.主要原因:共价成键.三.晶体的基本类型及其结构1.金属晶体由金属元素组成的金属晶体分为金属单质和合金两种.在74种已测金属单质中:A1和A3两种堆积的金属近50种,A2堆积方式的金属10多种,极少数为A4.A1型:Ca,Sr,Cu,Ag,Al,Au,Ni,Pt,Pd,Rh,Ir.A3型:Be,Mg,Sc,Ti,Zr,Hf,Tc,Re,Ru,Os,Co,Zn,Cd,Tl.A2型:Li,Na,K,Rb,Cs,Ba,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,FeA4型:Sn,Ge,Mn,Hg.2.离子晶体为不等径圆球的堆积,负离子作密堆积,正离子填在多面体空隙中.(1)、氯化钠结构(立方晶系)可以看成是两个分别由钠离子和氯离子构成的面心立方格子互相渗入交错而形成的。每个离子周围均有六个最邻近的异性离子。即配位数为6。所有碱金属卤化物(除CsCl,CsBr,CsI外)、碱土金属氧化物和硫族化合物、卤化银(除AgBr外)均具有氯化钠型的结构。(2)、氯化铯结构(立方晶系)可以看成是一个铯离子的立方格子和氯离子的立方格子相互渗入交错而构成。每个离子的配位数为8。具有此类结构的化合物有:铯的卤化物(除CsF),一些络合物,如:K[SbF6],Ag[NbF6],[Be(H2O)]SO4等(3)、闪锌矿(ZnS)结构(立方晶系)Zn2+离子被S2-以四面体的四个顶角的方式包围着,每个离子的配位数为4.属于这种结构的还有:CuX,MS和Mse(M=Be,Mn,Zn,Cd,Hg);MP、MAs和MSb(M=Al,Ga,In);SiC等.(4)、纤锌矿(ZnS)结构负离子S2-按ABAB……六方密堆积,Zn2+离子占据其中一半的四面体间隙.S2-和Zn2+的配位数为4具有这种结构的化合物还有:BeO,ZnO,MN(M=Al,Ga,In),MnS等.SiC,CuCl,CuBr,CuI,AgI,ZnSe,ZnTe,CdS,MnS,MnSe等均具有两种型式的ZnS型结构.(5)、萤石(CaF2)结构Ca2+离子占据面心立方格子各格点的位置,格子中有8个F-离子,每个F-被最邻近的4个Ca2+以四面体方式配位.即:阴离子的配位数为4阳离子的配位数为8许多金属(Cd,Hg,Pb,Sr,Ba)的氟化物,镧系和锕系元素的二氧化物,二氧化锆等具有这种结构.如果在CaF2结构中,阳离子和阴离子互易位置,则形成一种反萤石结构.如:Li2O,Na2O等3.共价晶体共价晶体为原子间以工价键结合而成的晶体,又称为原子晶体.如金刚石等.4.分子晶体单原子分子或以共价键结合的有限分子以分子间作用力结合成的晶体称为分子晶体.6.3常用的功能材料一.磁性材料1.某些基本磁学量的定义(1)磁矩和磁化强度磁偶极子—尺寸小到原子的小磁体.为了充分反映磁偶极子的固有特性,用真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大力矩来度量它的磁偶极矩.m-磁矩pm-磁偶极矩μ0-真空磁导率磁化强度M–单位体积材料内磁矩的矢量和.磁极化强度J--单位体积材料内磁偶极矩的矢量和.(2)磁场强度H与磁感应强度B两者均是描述磁场的重要物理量.H–由导体中的电流或永磁体产生.是矢量,有大小和方向.B的定义公式为:B=μ0(H+M)上式表明,在没有磁性材料的真空中,磁场强度与磁感应强度除了差一系数外,没有本质上的差别.或者说,当磁场中有磁性材料时,材料内部的磁场和真空情况下是不同的.(3)磁化率χ定义:χ=M/H磁化率是材料磁化难易程度的标志.在同样大小的磁场中,χ大的材料呈现的磁化强度大.2.物质磁性的起源材料的磁性来源于原子的磁性,而原子的磁性来源于其电子的自旋磁矩以及电子的轨道磁矩.3.物质磁性的分类物质磁性的分类:磁性无永久磁矩抗磁性有永久磁矩弱磁性强磁性顺磁性反铁磁性铁磁性亚铁磁性(1)抗磁性按照Pauli原理,如果每个轨道上都有2个电子,则其自旋必须相反,由这2个电子的自旋运动产生的磁矩,大小相同,方向相反,无净的磁矩.对满壳层组态的原子(如稀有气体原子),不仅总自旋磁矩为零,由于电子对原子核呈球对称分布,原子的轨道磁矩也为零.这类物质在外磁场中可诱导出一净的磁偶极矩,其方向与外加磁场相反(即χ0),即为抗磁性.抗磁性的特点:1)χ和温度无关,为负值(102)抗磁磁化率具有加和性,即化合物的抗磁性可以从组成化合物的原子或官能团的抗磁性加和得到.-6数量级)(2)顺磁性组成材料的原子或原子团具有原子磁矩,且原子磁矩间不存在相互作用.无外加磁场时,热运动导致原子磁矩随机取向,无宏观磁矩.有外加磁场时,原子磁矩尽量沿磁场方向取向,加强磁场.此称为顺磁性.其χ0,但数值很小(10-6数量级).一般顺磁性物质的χ与T的关系为:χ=C/T(有例外,如Na,Li的χ与T无关),物质顺磁性的来源:1)原子中的未成对电子2)奇电子数的分子,如NO3)简并轨道半充满的分子,如O2(3)铁磁性在金属铁和钴等材料中,由于每个原子的未成对电子数较多,原子的磁矩较大,相邻原子磁矩间存在一定的相互作用,使原子磁矩平行排列,它们只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和。其χ0,且数值很大(102~106数量级)χ与T的关系:χ=C/(T–Tc)C—居里常数,Tc—居里温度上式表明,当TTc时,公式与χ=C/T相似,即当TTc时时,铁磁性将变为顺磁性,只有在TTc时,材料才表现为铁磁性。目前,已经发现的具有铁磁性的金属单质只有9种:Fe,Co,Ni,Gd(钆),Tb(铽),Dy(镝),Ho(钬),Er(铒),Tm(铥)等。其相应的Tc温度如下:FeCoNiGdTbDyHoErTmTc/K1043139663129321989202032另有许多合金和化合物具有铁磁性。(4)反铁磁性指磁性或磁结构与铁磁性相反的材料。从宏观的χ数值(10-4数量级)看,它属于弱磁性,但从微观的磁结构看,它又属于磁矩有序排列的反铁磁性。特点:当温度达到某个临界值TN(Neel温度)以上时,此类物质表现为顺磁性(即磁化率随温度升高而降低),而当温度低于TN时,磁化率反而随温度的降低而减小。如:α-Fe2O35.亚铁磁性此类材料的宏观磁性与铁磁性相似,但磁化率的数量级稍低一些(102~104数量级),其内部磁结构与反铁磁性的相同,但相反排列的磁矩不等量。“亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性。”如:Fe3O4几种不同磁性的图形总结:(1)χ~T关系(2)磁结构4.磁性材料及其分类(1)磁性材料一般将强磁性物质称为磁性材料.宏观特点:1)具有高的磁化率:10~1062)其磁化强度与外加磁场有十分复杂的依赖关系(非线性和不可拟)3)当温度升高到一定的临界温度时,强磁性会消失,转变为顺磁性.(2)磁畴在强磁性物质中,虽然由于原子磁矩之间的相互作用而使磁矩平行排列,但并不是全部的一整块材料中的原子磁矩都是平行于同一方向排列的.而是同一方向的自发磁化只存在于大小在微米量级的小区域内,这样的小区域称为磁畴.在未加磁场时,各个磁畴取向不同.整体材料的磁化强度为零.(3)磁化曲线与磁滞回线指B~H关系(工程技术中常用)或M(或μ0M)~H关系(物理学中常用)(4)几种典型的磁性材料1)永磁材料(硬磁材料)指一类经过施加外磁场磁化以后,能长期保留其磁性的材料.即HC,Mr等均要大的材料.目前应用的永磁材料可分为四大类:a.稀土永磁材料SmCo5,Sm2Co17,Nd-Fe-B,Sm-Fe-N等b.金属永磁材料:Fe-Cr-Co系等c.铁氧体永磁材料:MFe12O19d.其他类型永磁材料2)软磁材料指矫顽力很低,既容易受到外加磁场磁化,又容易退磁的材料.矫顽力小,意外着磁滞回线狭窄.主要包
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