2.2-晶体学基本概念

1材料的结构Chapter2StructureofMaterialsChapter2StructureofMaterials2RelationshipChapter2StructureofMaterials材料的结构划分多个层次：微观结构、介观结构和宏观结构微观结构：原子或分子水平的结构原子间的键合和作用力微粒间排列方式宏观结构：肉眼或放大镜可分辨出的结构和构造状况，尺度范围在毫米级以上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Chapter2StructureofMaterials442.1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Chapter2StructureofMaterials5MetallicbondIonicbondCovalentbondHydrogenbondVanderWaalsbonding2.1.1原子间的键合Chapter2StructureofMaterials6（1）金属键MetallicbondChapter2StructureofMaterials金属正离子与自由电子构成的键合7Chapter6MetallicMaterials①无方向性和饱和性•金属晶格具有较高配位数的紧密型堆积•无方向性，滑移系统较多，塑性较好②电子共有化，可以自由流动，即离域性•电子流动表现出良好的导电性、导热性•自由电子吸收多种波长的光并能立即放出，使金属不透明，有金属光泽•自由电子的胶合作用，当晶体受外力作用时，原子间容易进行滑动，延展性和可塑性金属键的特点和特性8金属键示意图Chapter2StructureofMaterials阴、阳离子间通过静电引力形成的化学键（2）离子键Ionicbond离子键的形成：电子转移10库仑引力与离子间距离的关系Chapter2StructureofMaterials11离子间作用力与离子间距离的关系Chapter2StructureofMaterials两个离子逐渐接近，势能达到最低点时，吸引力和排斥力达到平衡，形成稳定的离子键本质：离子键是离子静电吸引力与电子短程排斥力平衡的结果离子化合物的特性配位数高的致密堆积键合强度高，高熔点、高强度、低膨胀系数固态不导电，熔融态离子迁移导电离子键的特点无饱和性和定向性原因：离子键无固定的配对关系，一个离子对周围的异号离子都有吸引力，只是由于空间的限制，才造成特定的结合数量13氯化钠的离子键Chapter2StructureofMaterials14两个原子间通过共用电子对形成的化学键（3）共价键CovalentbondChapter2StructureofMaterials15Example共价键示意图Chapter2StructureofMaterials16共价键的特点方向性和饱和性共价键晶体的特性键和强度高，很高的熔点和硬度，低膨胀系数良好的光学特性不良的导电性Chapter2StructureofMaterials17金刚石中的共价键Chapter2StructureofMaterials18金刚石的结构Chapter2StructureofMaterials19共价键的断裂：均裂、异裂Chapter2StructureofMaterials20两个条件分子中必须含氢(电负性大、强极性键结合)半径较小、电负性较大的原子F、O、N特点：方向性饱和性（4）氢键HydrogenbondX-H···YChapter2StructureofMaterials键强弱于上述三种化学键，但在高分子材料中，氢键数目巨大对聚合物性质如熔点、力学性能等影响很大。如分子间氢键利于定向排列易结晶21水分子之间的氢键Chapter2StructureofMaterials22电中性的分子之间的长程作用力JohannesDiderikVanderWaals1837–1923TheNobelPrizeinPhysics1910“forhisworkontheequationofstateforgasesandliquids”（5）VanderWaalsbondingChapter2StructureofMaterials来源有三种：取向力：极性分子相互接近时，它们的固有偶极矩相互吸引而产生分子间的作用力—极性分子诱导力：极性分子与非极性分子接近时，非极性分子在极性分子固有偶极作用下极化产生偶极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间的作用力-----极性、非极性色散力：非极性分子间，由于组成分子的正、负微粒不断运动，产生瞬间正负电荷重心不平衡而出现瞬时偶极，这种瞬时偶极间的作用力特点：无方向性、无饱和性对性能的影响：对物质的熔点、沸点、溶解度都有决定性的影响。如相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔点、沸点越高。特别是对于聚合物材料来说，由于分子链很长，分子间作用力总和很大，对聚合物性质有很大影响。如聚合物不存在气态；内聚能大于400J/cm3以上聚合物作为纤维，小于300J/cm3作橡胶，介于两者间的作塑料使用。25碘晶体结构示意图Chapter2StructureofMaterials26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Chapter2StructureofMaterials27物理键次价键化学键主价键离子键共价键金属键氢键范德华键ComparisonChapter2StructureofMaterials类型作用力来源键合强弱形成晶体的特点离子键原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力最强无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电共价键相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力强有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、在熔态也不导电金属键自由电子气与正离子实之间的库仑引力较强无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性范德华键原子间瞬时电偶极矩的感应作用最弱无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘氢键氢原子核与极性分子间的库仑引力弱各种结合键主要特点比较29实际材料中的结合键Chapter2StructureofMaterials30吸引能（attractiveenergy，EA）：源于原子核与电子云间的静电引力AmaEr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RnbErABmnabEEErr惰性气体离子核外层电子构型n惰性气体离子核外层电子构型nHe1s25Kr3d104s24p610Ne2s22p67Xe4d105s25p612Ar3s23p69总势能（potentialenergy）：吸引能与排斥能之和n：排斥指数2.1.2原子间的相互作用与键能（1）势能阱（PotentialEnergyWell）势能阱示意图势能阱dEFdr键长r0——平衡键合距离。00rrdEFdr10nmnbrma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。3110/5/20209:05:20PM32ARionsEEEE形成正负离子所需能量离子键形成过程中的总势能：在平衡位置的势能E00,0,0ARionsEEEE32（2）键能计算Chapter2StructureofMaterials例：NaCl的键能计算类比，可得：AmaEr20/4ae1,498354144kJ/molionsNaClEIEA离子形成能吸引能EA,0220/(4)AFer02,000/(4)rAAEFdrer排斥能ER,02,000/(4)REenr22200000001922311222101144411(1.610C)(6.0210mol)114284(8.85410C/Nm)(2.3610m371kJ/molionsionseeeEEErnrnr键能E0推导？342.2.1晶体与非晶体非晶体固态物质微粒排列的有序性晶体2.2晶体学基本概念Chapter2StructureofMaterials35Concepts长程有序Long-rangeorder晶体非晶体原子或原子团、离子或分子在空按一定规律呈周期性地排列构成原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成长程无序，即大范围内无序短程有序，即有限范围内有序Chapter2StructureofMaterials石英晶体石英玻璃晶体特征：1、长程有序，结构的周期性、对称性2、各向异性：某些性质随观察方向不同而不同（不同方向上原子排列不同）3、有整齐、规则的几何外形：表明晶体内部结构是规则的4、有明确熔点：熔化是晶体长程序晶体的过程5、X-射线衍射图像：同心圆环或排列整齐斑点非晶体特征：1、结构上：短程有序，长程无序2、宏观性质上：•无固定熔点，软化温度范围•各向同性：如熔化的石蜡在玻璃板上呈圆形•无固定形态，可按要求改变形态，如橡胶40ComparisonComparison方石英石英玻璃石英凝胶2θ(°)衍射强度Chapter2StructureofMaterialsCurveofX-rayDiffraction非晶：慢散的中心斑点，峰宽多晶半径不同同心圆环，峰窄区别1、结构上：晶体---有序性2、性质上:熔点：晶体—固定熔点形状：晶体---规则3、X-射线衍射：晶体---衍射图样422.2.2TransformationTransformationJ晶态非晶态Chapter2StructureofMaterials43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---较难较复杂的过程•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。如石英水晶熔化后快冷，即成非晶体的玻璃如晶态的金属合金与金属玻璃Chapter2StructureofMaterials44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的现象—周期性重复的方式和重复的内容结构基元：晶体中周期性重复排列的那部分内容结点：为了更好的研究晶体物质周期性结构的普遍规律，将晶体结构中的每个结构基元抽象成一个点，又称阵点。2.2.2晶格、晶胞和晶格参数Chapter2StructureofMaterialsPE结构基元46结点Chapter2StructureofMaterials1.抽象出来的没有大小、没有质量、不可分辨的点2.晶体中几何环境和物质环境完全相同的点3.结点的选取：原子（分子、离子）本身或空间任一位置aab石墨中每一个六边形的中心选成一个点阵点，则就是点阵结构------由这些结点构成的空间总体。空间点阵晶格------把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架晶格或点阵是晶体结构周期性的数学抽象，它忽略了晶体结构的具体内容，保留了晶体结构的周期性。晶体结构=晶格（点阵）+基元基元：即结点代表的具体内容各种粒子（结构基元）并不是被束缚在结点不动，而是在此平衡位置不停地无规则振动。50Lattice&actualcrystalstrcture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Chapter2StructureofMaterials51a、b、c:确定晶胞大小、、:确定晶胞形状晶胞参数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。周期：在任一方向排在一直线上相邻两质点间的距离晶胞UnitCellChapter2StructureofMaterials--