第二章-晶态和非晶态材料优秀PPT.ppt

气态气态液态液态固态固态T(K)TbTfTg V(dm3)12气体气体液体液体晶体晶体非晶体非晶体Tb 沸点沸点Tf 凝固点凝固点Tg 玻璃化温度玻璃化温度1.连续的固化到非晶态固体连续的固化到非晶态固体 缓慢降温；缓慢降温；2.不连续的固化到晶态固体不连续的固化到晶态固体 快速降温；快速降温；2.1 晶体特征及其结构基础晶体特征及其结构基础 晶体以其特有的点阵结构的特殊性，晶体以其特有的点阵结构的特殊性，呈现出与其它物质（气、液、非晶态）呈现出与其它物质（气、液、非晶态）完全不同的特殊性质。完全不同的特殊性质。1.晶体的匀整性晶体的匀整性 晶体结构是由相同晶胞周期的并置而晶体结构是由相同晶胞周期的并置而成。从宏观上来说，晶体的性质是一个成。从宏观上来说，晶体的性质是一个连续的整体，并不随视察的位置而变更。连续的整体，并不随视察的位置而变更。如：相同的密度、化学组成如：相同的密度、化学组成2.晶体的各向异性晶体的各向异性 在在晶晶体体中中不不同同的的方方向向上上具具有有不不同同的的物物理理性性质质，即即为为各各向向异异性性。主要是由于晶体内的粒粒子子在在不不同同方方向向上上排排列列、取向不同取向不同导致的。例如，在不同的方向具有不同的电导率、膨胀系数、折光率、机械强度等。3.晶体的自范性晶体的自范性 晶晶体体物物质质在在适适宜宜的的外外界界条条件件下下能能自自发发的的生生长长出出由由晶晶面面，晶晶棱棱等等几几何何元元素素所所围围成成的的凸凸多多面面体体外外形形来来，晶晶体体的的这这一一性性质质即即为为晶晶体的自范性。体的自范性。在在志志向向的的环环境境中中，晶晶体体可可以以生生长长成成凸凸多多面面体体，凸凸多多面面体体的的晶晶面面数数(F)，晶晶棱棱数数(E)和顶点数和顶点数(V)之间的关系符合下面公式：之间的关系符合下面公式：F+V=E+2 即即：面面数数+顶顶点点数数=晶晶棱棱数数+2 若对各相应的晶面分别引法线，则每两条法线之间夹角称作晶面交角，它也必为一常数。这一规律叫做“晶晶面面夹夹角角（或或 交交 角角）守守 恒恒 定定 律律”-1669年 由 斯 特 诺（N.Steno）首先提出。玻璃体不会自发的形成多面体外形，当一块玻璃冷却时，随着温度降低，粘度变大，流淌性变小，固化成表面圆滑的无定形体，与晶体的有棱、有顶角、有平面的性质完全不同。4.晶体的熔点晶体的熔点 晶晶体体具具有有周周期期性性结结构构，各各个个部部分分都都按按同同一一方方式式排排列列，当当温温度度上上升升，热热振振动动加加剧剧，晶晶体体起起先先熔熔化化时时，各各部部分分须须要要同同样样的的温温度度，因因而而晶晶体体具具有有确确定定的熔点。的熔点。TtTt非晶态非晶态晶态晶态5.晶体的对称性 晶体的志向外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。其主要是由于晶体组成微粒的规则排列而产生的。事实上，晶体的对称性与晶体的性质关系特别亲密。2.2 晶体学点群和晶体的性质晶体学点群和晶体的性质 尽管自然界中晶体的外形是多种多样变更无穷的，而就其对称性来看却并不超出32种点群代表的宏观对称类型。由于晶体的物理性质由晶体对称性确定，而且也只确定于它的点群的对称性，所以对晶体学点群的探讨特别重要。2.2.1 晶体学点群的分类晶体学点群的分类 晶体学点群可分为两类，即11个个纯纯旋旋转转操操作作点点群群或只含第I类操作的点群以及21个个非非纯纯旋旋转转群群或含第II类操作的点群。其中纯旋转点群又可分为循环群（只具有1个n次轴的点群）、双面群（具有一个n次轴和n个与之垂直的二次轴的点群）和立方群（具有一个以上高次轴的点群）。21个非纯旋转的晶体学点群中包含有11个中心个中心对称的点群对称的点群，这11个中心对称点群也可以由11个纯旋转的、非中心对称的晶体学点群在对称轴系的中心点加一对称中心而得。表2.2-1列出32个晶体学点群的分类。在表中，前面两列的点群分别为11个非个非纯旋转中心对称的点群纯旋转中心对称的点群和和11个纯旋转非对称中心点个纯旋转非对称中心点群群。这11对点群之间只是差一个对称中心，所以阶次也正好是相差一倍。11个中心对称的点群又称为Laue(劳埃劳埃)点群。点群。2.2.2 晶体的点群和晶体的物理性质 晶体的点群是它的各种宏观物理性质所共有的对称性。换言之，晶体的点群是它的随意一种物理性质对称群的子群。一种晶体的随意一种性质的对称群必需包括该晶体的一种晶体的随意一种性质的对称群必需包括该晶体的点群的对称操作。晶体对称性的这种关系称为点群的对称操作。晶体对称性的这种关系称为Neumann定理；依据这种关系可以从晶体的物理性定理；依据这种关系可以从晶体的物理性质推引出有关晶体对称性的信息，例如推断有无对质推引出有关晶体对称性的信息，例如推断有无对称中心，也可以从对称性找寻具有某种物理性能的称中心，也可以从对称性找寻具有某种物理性能的材料以及获得切割晶体制造晶体器件的信息。材料以及获得切割晶体制造晶体器件的信息。非中心对称的晶体所属的点群及其物理性质间的相互联系。一些重要的物理性质仅出现在非中心对称的晶体中。晶体属于11种纯旋转对称的点群晶体的对映体现象晶体的对映体现象手性和不对称性手性和不对称性压电效应和压电效应和二次谐波倍频效应二次谐波倍频效应晶体属于非中心对称的晶体热电效应和铁电效应热电效应和铁电效应晶体必需是极性晶体晶体的力学性能晶体的力学性能晶体对称性没有干脆关系 晶体折光率在不同方向上的大小数值，可以用折光率椭球表示。不同晶系其光学性质有很大区分。2.3晶体结构缺陷晶体结构缺陷志向晶体的完整点阵结构是一个理论上的概念，自然界选择的是不完整志向晶体的完整点阵结构是一个理论上的概念，自然界选择的是不完整志向晶体的完整点阵结构是一个理论上的概念，自然界选择的是不完整志向晶体的完整点阵结构是一个理论上的概念，自然界选择的是不完整的点阵结构。的点阵结构。的点阵结构。的点阵结构。在可能的现实温度下，晶体中存在对志向晶体结构的偏离和结构不完整在可能的现实温度下，晶体中存在对志向晶体结构的偏离和结构不完整在可能的现实温度下，晶体中存在对志向晶体结构的偏离和结构不完整在可能的现实温度下，晶体中存在对志向晶体结构的偏离和结构不完整的几种状况为：的几种状况为：的几种状况为：的几种状况为：1.1.温度增加时候，电子被激发到较高能级（激发态的原子或离子），温度增加时候，电子被激发到较高能级（激发态的原子或离子），温度增加时候，电子被激发到较高能级（激发态的原子或离子），温度增加时候，电子被激发到较高能级（激发态的原子或离子），电子被激发以后形成的空穴叫电子空穴，电子电子被激发以后形成的空穴叫电子空穴，电子电子被激发以后形成的空穴叫电子空穴，电子电子被激发以后形成的空穴叫电子空穴，电子-电子空穴对称为激子，电子空穴对称为激子，电子空穴对称为激子，电子空穴对称为激子，所需能量为色子；所需能量为色子；所需能量为色子；所需能量为色子；2.2.原子缺陷包括外来原子置换正常结点位置的原子、填隙原子、原原子缺陷包括外来原子置换正常结点位置的原子、填隙原子、原原子缺陷包括外来原子置换正常结点位置的原子、填隙原子、原原子缺陷包括外来原子置换正常结点位置的原子、填隙原子、原子空位等，主要为点缺陷；子空位等，主要为点缺陷；子空位等，主要为点缺陷；子空位等，主要为点缺陷；3.3.几何尺寸的线、面或体缺陷。几何尺寸的线、面或体缺陷。几何尺寸的线、面或体缺陷。几何尺寸的线、面或体缺陷。缺陷生成的热力学说明：缺陷生成的热力学说明：G=H-T S 其中其中 H表明生成缺陷所需的热焓，表明生成缺陷所需的热焓，S为生成缺陷过程中产生的熵。为生成缺陷过程中产生的熵。重点内容缺陷形成的热力学基础点缺陷的类型缺陷的表示方法和缺陷反应式2.3.1缺陷晶体化合物材料缺陷晶体化合物材料 晶体中出现空位或填隙原子，使化合物的成分偏离整比性（即各类原子的相对数目不能用几个小的整数比表示），这样的化合物被称为非整比化合物，。非整比化合物由于它们的成分可以变更，因而出现变价原子，而使晶体具有特异颜色等光学性质、半导体性甚至金属性、特殊的磁学性质以及化学反应活性等，因而成为重要的固体材料。按非整比化合物生成的状况，以及在不同方面的应用可以有以下几种状况：1.某种原子过多或短缺 晶体中点缺陷的存在，破坏了点阵结构，使得缺陷四周的电子能级不同于正常位置原子四周的能级，因此赐予晶体以特定的光学、电学和磁学性质。例如(1):ZnS中掺进约10-4%（原子）的AgCl，形成杂质缺陷的ZnS晶体，在阴极射线激发下，放射波长为450nm的特征荧光，可作显示器蓝色荧光粉。(2)氧化锌在约1000K放在锌蒸气中加热，能生成具有很小化学配比偏差的Zn1+O，为N型半导体型半导体。(3)TiO在高于或低于整比TiO的分解压的各种不同的氧分压下加热，可生成电导性质不同的电导性质不同的TiO1+。(4)很多过渡金属氧化物中，金属离子出现混合价态，例如Ni1-O中，与NiO 相比较少了个Ni，就会有2个Ni2+氧化为Ni3+。混合价态化合物一般电导性比单纯价态化合物强，颜色要深，磁学性质变更，可用以制作颜料、磁性材料、氧化还原催化剂、蓄电池的电极材料等多种材料。2.层间嵌入某些离子、原子或分子 TiS2 为层形分子，Li+可进入层间，形成LiTiS2(085%或或55%的的硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃、非非硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃（如如硼硼酸酸盐盐、磷磷酸酸盐盐、铝铝酸酸盐盐等等）、非非氧氧化化物物玻玻璃璃（如如卤卤化化物物、氮氮化化物物、硫硫化化物物、金金属属玻玻璃璃）等等。特特种种玻玻璃璃是是光光电电子子技技术术应应用用的的基基础础材材料料之之一一，在在激激光光、光光纤纤通通讯讯、集集成成电路以及其它很多领域都要用到特种玻璃。电路以及其它很多领域都要用到特种玻璃。磷酸盐玻璃通常比硅酸盐玻璃具有更低的玻璃转变温度和更大的热膨胀系数，因而成为一些玻璃-金属的封接材料。磷酸盐玻璃也可以作为激光基质材料、固态离子导体、隔热玻璃、抗氢氟酸玻璃和核探讨中定量测定损害性辐射的剂量计玻璃等。红红外外玻玻璃璃是是在在确确定定的的红红外外波波段段有有高高透透光光率率的的玻玻璃璃，是是红红外外光光学学技技术术的的关关键键材材料料，用用于导弹的制导和微光夜视。于导弹的制导和微光夜视。激激光光玻玻璃璃是是在在硅硅酸酸盐盐、磷磷酸酸盐盐等等玻玻璃璃中中添添加钕、铒等激活离子制得。加钕、铒等激活离子制得。吸吸热热玻玻璃璃是是在在玻玻璃璃原原料料中中添添加加铁铁、钴钴、镍镍、铜铜、锌锌等等元元素素的的氧氧化化物物，透透过过可可见见光光，吸吸取取红红外外热热辐辐射射，可可以以改改善善采采光光色调、节约能源和装饰效果。色调、节约能源和装饰效果。化化学学器器皿皿玻玻璃璃，如如Pyrex玻玻璃璃，是是由由 SiO2、B2O3 及及少少量量Al2O3 等等熔熔制制而而成成，它它的的膨膨胀胀系系数数小小、耐耐热热，可可以以制制成成烧烧杯、烧瓶等化学试验玻璃仪器。杯、烧瓶等化学试验玻璃仪器。光光导导玻玻璃璃纤纤维维是是由由高高折折射射率率玻玻璃璃芯芯料料和和低低折折射射率率玻玻璃璃皮皮料料组合成的复合纤维。组合成的复合纤维。2.5.3 陶瓷 陶瓷是指通过烧结包含有玻璃相和结晶相的特征的无机材料，一般由陶土或瓷土等硅酸盐，经过成型烧结，部分熔融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其他氧化物晶体包袱结合而成。陶瓷包括陶器和瓷器，陶器是多孔透气的、强度较低的产品，瓷器是加了釉层、质地致密而不透气的、强度较高的产品。1.性能 （1）力学性能）力学性能 耐磨性、高强度难变形性、超高硬度；（2）热学性能）热学性能 耐热性、隔热性、导热性；（3）光学性能）光学性能 透光性、偏光透光性；（4）电学和磁学性能）电学和磁学性能 绝缘性、导电性、离子导电、压电性、介电性、磁性；（5）生物和化学性能）生物和化学性能 生物体相容性、耐化学腐蚀性2.应用 先进陶瓷材料大致可分为结构陶瓷与功能陶瓷两个部分。国家战略：战略导弹上的防热端头帽、各类卫星星体和箭体用防热温控涂层材料、火箭喷管碳、陶瓷梯度复合材料和导弹防卫系统中的微波介质材料等等，均是先进陶瓷材料。卫生医药：先进的医疗设备（如高辨别超仪、高速CT和正电子断层扫描成像仪PET等）中最关键的探测材料，如超声波放射与探测材料、高能射线探测材料是陶瓷或晶体材料。人工关节、齿科材料等是一类具有生物活性的结构陶瓷材料。环环保保领领域域：各各类类高高档档耐耐磨磨耐耐腐腐蚀蚀密密封封材材料料、陶陶瓷瓷轴轴承承、钢钢筋筋轧轧制制用用复复合合陶陶瓷瓷材材料料不不仅仅提提高高了了相相关关传传统统行行业业的的效效率率，节节约约了了成成本本，减减轻轻了了劳劳动动强强度度，还对环境爱护大有禅益。还对环境爱护大有禅益。从更宏观的角度看，不同类型的材料经过结构的设计，完全有可能发掘出其他方面的功能特性，从而为现有的材料找寻到新的用途。因此充分理解和驾驭无机材料在不同层次上的结构特征，对结构实现进行科学的设计，对于找寻新材料，提高和发挥现有材料性能都是特别重要的。结构设计与制备科学（尤其是制备过程中结构形成过程的限制）成为当前先进陶瓷材料各主要探讨方向上的共同热点。