晶体生长理论部分.ppt

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1、工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程二、晶体生长二、晶体生长 晶体生长过程是物质从晶体生长过程是物质从其它相转变为结晶相其它相转变为结晶相的过程，的过程，实际上是实际上是组成它的质点从不规则排列到规则排列形成格子组成它的质点从不规则排列到规则排列形成格子构造的过程。构造的过程。一）晶体生长理论一）晶体生长理论1 1、层生长理论层生长理论（KosselKossel-StranskiStranski模型）模型）由由科塞尔在科塞尔在19271927年提出，后经斯年提出，后经斯特兰斯基特兰斯基(StranskiStranski)加以发展。加以发

2、展。晶体生长时，以单个质点方式往晶芽上堆积，首先是晶体生长时，以单个质点方式往晶芽上堆积，首先是完成一个行列完成一个行列,再长相邻行列再长相邻行列;长完一层面网再长第二层长完一层面网再长第二层面网，即晶面是平行向外推移而生长的面网，即晶面是平行向外推移而生长的。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程注解：关于层生长理论注解：关于层生长理论q溶液中质点堆积到晶芽的不同位置上时，所受引力大溶液中质点堆积到晶芽的不同位置上时，所受引力大小不同，小不同，质点将优先堆积到引力最强的位置上，以便释质点将优先堆积到引力最强的位置上，以便释放出可能多的能

3、量，而使晶体的内能达到最小放出可能多的能量，而使晶体的内能达到最小；q 晶体生长过程中，在晶体上可能存在晶体生长过程中，在晶体上可能存在三面凹入角，两三面凹入角，两面凹入角面凹入角，一般位置一般位置.由于引力与质点数量成正比、与距离的平方成反比，由于引力与质点数量成正比、与距离的平方成反比，质点向晶芽上堆积时，将优先落在三面凹入角，其次是质点向晶芽上堆积时，将优先落在三面凹入角，其次是两面凹入角，最后是一般位置两面凹入角，最后是一般位置。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程 q理想晶体的生长过程理想晶体的生长过程 在晶芽的基础上，在晶芽

4、的基础上，落入质点根据引力大小落在相应位落入质点根据引力大小落在相应位置，长完一条行列再长相邻的行列，长满一层面网再长相置，长完一条行列再长相邻的行列，长满一层面网再长相邻的面网，整个面网成层向外平移。邻的面网，整个面网成层向外平移。q当晶体停止生长时，其当晶体停止生长时，其最外层的面网就是实际晶面最外层的面网就是实际晶面。每两个相邻面网相交的公共行列就是实际晶棱。每两个相邻面网相交的公共行列就是实际晶棱。q整个晶体被晶面包围，形成整个晶体被晶面包围，形成占有一定空间的封闭几何多占有一定空间的封闭几何多面体形态面体形态，表现出晶体的，表现出晶体的自限性。自限性。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇

5、 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程q层生长理论的缺陷层生长理论的缺陷 把晶体的生长过程把晶体的生长过程简单化简单化，所描述的晶体生，所描述的晶体生长过程只有在长过程只有在理想情况下理想情况下才能出现。才能出现。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程三、布拉维法则三、布拉维法则 1)1)布拉维法则布拉维法则内容内容 在在18551855年，年，法国结晶学家布拉维法国结晶学家布拉维(A(ABravisBravis)从晶体具从晶体具有空间格子构造的几何概念出发，论述了有空间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与空间

6、实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系（格子构造中面网之间的关系（布拉维法则）：布拉维法则）：即实际晶体的晶面常常平行面网中结点密度最大的面网。即实际晶体的晶面常常平行面网中结点密度最大的面网。2 2）关于布拉维法则的几点说明）关于布拉维法则的几点说明q晶体生长时，晶体生长时，面网上的结点密度与该面网在垂直方向的面网上的结点密度与该面网在垂直方向的生长速度成反比生长速度成反比。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程q面网密度小的晶面（面网密度小的晶面（BCBC）在生长过程中生长速度快，在生长过程中生长速度快，最后被面网密度大的、生长速度慢

7、的相邻晶面（最后被面网密度大的、生长速度慢的相邻晶面（ABCD)ABCD)所遮盖；所遮盖；q晶体上最终保留下来的晶面都是一些面网密度大的晶晶体上最终保留下来的晶面都是一些面网密度大的晶面面-布拉维法则的实质布拉维法则的实质。q理论的不足理论的不足：该法则比较粗略，：该法则比较粗略，忽视了晶体生长环忽视了晶体生长环境对晶面生长速度的影响。境对晶面生长速度的影响。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程四四、面角守恒定律面角守恒定律 在晶体生长过程中由于受到外部条件的影响，在晶体生长过程中由于受到外部条件的影响，同种晶同种晶面发育的形状和大小不

8、同，从而形成偏离理想晶体状态的面发育的形状和大小不同，从而形成偏离理想晶体状态的的歪晶的歪晶,因此在很长的历史年代，人们没能掌握晶体形态因此在很长的历史年代，人们没能掌握晶体形态的规律。的规律。在在16691669年，年，丹麦学者斯丹诺丹麦学者斯丹诺（N.Steno)N.Steno)在对石英和赤在对石英和赤铁矿的研究发现（铁矿的研究发现（面角守恒定律面角守恒定律）：即同种物质的所有晶体，对应晶面间的角度守恒即同种物质的所有晶体，对应晶面间的角度守恒。小知识：小知识：1780年，法国学者年，法国学者克兰乔发明了接触测角仪克兰乔发明了接触测角仪。其老师。其老师法国学者罗美德法国学者罗美德利尔利尔（

9、Rom De LIsle）利用这种测角仪进行了利用这种测角仪进行了20多年的晶体测角工作，测量了多年的晶体测角工作，测量了500多种矿物晶体的形状，肯定了面角守恒定律的普遍意义。多种矿物晶体的形状，肯定了面角守恒定律的普遍意义。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程五、晶体定向和晶面符号五、晶体定向和晶面符号一）晶体定向一）晶体定向 晶体定向晶体定向在矿物鉴定、矿物形态、内部构造和物理性在矿物鉴定、矿物形态、内部构造和物理性质的研究工作质的研究工作中具有重要的意义。中具有重要的意义。晶体定向：在晶体上建立一个三维空间坐标系统，在晶体晶体定

10、向：在晶体上建立一个三维空间坐标系统，在晶体上选择坐标轴和确定每个轴上的度量单位。上选择坐标轴和确定每个轴上的度量单位。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程1 1、晶体定向的相关概念、晶体定向的相关概念1 1）晶轴及轴单位）晶轴及轴单位q晶轴晶轴为给晶体定向，在晶体上所建立的坐标轴称为为给晶体定向，在晶体上所建立的坐标轴称为晶轴晶轴。晶轴是晶轴是设想设想的贯穿晶体中心的直线，的贯穿晶体中心的直线，利用它们可以确利用它们可以确定晶体中各晶面、晶棱和单形的方位。定晶体中各晶面、晶棱和单形的方位。q轴单位轴单位各晶轴上的度量单位称为各晶轴上的

11、度量单位称为轴单位轴单位（常用（常用a b ca b c表示表示)。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程2 2）晶体定向）晶体定向晶轴数目晶轴数目的确定的确定 取决于晶系的类型（对称特点）取决于晶系的类型（对称特点）三方晶系及六方晶系为三方晶系及六方晶系为4 4个晶轴个晶轴（分别用（分别用X X、Y Y、U U、Z Z轴表轴表示示)，其它晶系为，其它晶系为3 3个晶轴个晶轴(用用X X、Y Y、Z Z 轴表示轴表示)。q三轴定向时，晶轴的三轴定向时，晶轴的表示方法表示方法 前后轴为前后轴为x x轴，左右轴为轴，左右轴为y y轴，直立轴为

12、轴，直立轴为z z轴轴，各轴的各轴的交点为晶体的中心。交点为晶体的中心。正负规定：正负规定：各晶轴由中心向前、向右及向上的方向各晶轴由中心向前、向右及向上的方向为正，反之为负。为正，反之为负。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程在四晶轴在四晶轴定向定向中中=y轴轴 z轴轴=z轴轴 x轴轴=轴轴 z轴轴=90=x轴轴 y轴轴=y轴轴 轴轴=轴轴 x轴轴=120 3 3）轴角）轴角 各晶轴之间有一定的夹角关系，结晶学中各晶轴之间有一定的夹角关系，结晶学中规定两个晶规定两个晶轴正端的夹角称为轴角轴正端的夹角称为轴角，分别用分别用、表示。表示。

13、在三晶轴定向中在三晶轴定向中 =yz=yz轴轴 =z=z轴轴 x x轴，轴，=x=x轴轴 y y轴轴工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程2 2、晶轴的选择原则、晶轴的选择原则v晶体中晶轴选择与其内部晶胞划分一致，晶体中晶轴选择与其内部晶胞划分一致，晶体中三根晶体中三根晶轴的方向应平行于晶胞三根棱的方向，轴单位等于晶晶轴的方向应平行于晶胞三根棱的方向，轴单位等于晶胞的三根棱长，胞的三根棱长，即晶体行列结点间距即晶体行列结点间距a a0 0、b b0 0、c c0 0。v晶轴选择时，晶轴选择时，首先选择对称轴为晶轴，当对称轴数量首先选择对称

14、轴为晶轴，当对称轴数量不足或无对称轴时，则选对称面法线方向为晶轴不足或无对称轴时，则选对称面法线方向为晶轴。v如果对称轴和对称面的法线不足或无对称轴时，如果对称轴和对称面的法线不足或无对称轴时，则选则选择较发育的晶棱方向为晶轴。择较发育的晶棱方向为晶轴。v选出的晶轴位置选出的晶轴位置应相互垂直或尽可能互相垂直。应相互垂直或尽可能互相垂直。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程3 3、晶体常数（、晶体常数（轴率和轴角轴率和轴角）晶胞常数中的晶胞常数中的a a0 0、b b0 0、c c0 0都是用都是用x x射线测定的实际长度射线测定的实际

15、长度值，由于晶体定向的目的主要是值，由于晶体定向的目的主要是确定晶面的方向，而不在确定晶面的方向，而不在于确定其于确定其具体位置具体位置，因此只要知道三个轴单位的比值就可因此只要知道三个轴单位的比值就可以了。以了。q轴率：轴率：定义轴单位定义轴单位a a0 0、b b0 0、c c0 0的连比值的连比值a:b:ca:b:c为为轴率轴率。q晶体常数：晶体常数：定义定义轴率轴率a:b:ca:b:c及轴角及轴角总称为晶体常总称为晶体常数数，它表示坐标系特征的一组常数。，它表示坐标系特征的一组常数。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程4 4）各

16、晶系的晶体定向方法）各晶系的晶体定向方法 由于各晶系对称特点不同，由于各晶系对称特点不同，晶轴的选择方法和晶体常晶轴的选择方法和晶体常数的特点也不同数的特点也不同。q在等轴、四方、斜方、单斜和三斜晶系中在等轴、四方、斜方、单斜和三斜晶系中采用三轴定向采用三轴定向；q在三方和六方晶系中，采用在三方和六方晶系中，采用四轴定向四轴定向，定向时，以唯一，定向时，以唯一的高次轴的高次轴L L3 3、L L6 6（或（或L Li i6 6）为）为Z Z轴；轴；在垂直在垂直Z Z轴平面内选择三个正端互成轴平面内选择三个正端互成120120交角的交角的L L2 2 或对称面的法线方向或适当的晶棱方向作为水平晶

17、轴或对称面的法线方向或适当的晶棱方向作为水平晶轴x x、y y、u u轴。此时轴角轴。此时轴角=90=90，=120=120。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程二）晶面符号与单形符号二）晶面符号与单形符号1 1、晶面符号晶面符号（简称面号）（简称面号）1 1）晶面符号概念）晶面符号概念 晶体定向后，各晶面在空间的相对位置就可确定，晶体定向后，各晶面在空间的相对位置就可确定，表示表示晶面在空间的相对位置的符号晶面在空间的相对位置的符号,称为晶面符号称为晶面符号。2 2）关于晶面符号的说明）关于晶面符号的说明q晶面符号种类很多，通常采用英

18、国人晶面符号种类很多，通常采用英国人米勒尔米勒尔（W.W.HmilerHmiler)于于18391839年年所创的符号，也称为所创的符号，也称为米氏符号米氏符号。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程q米氏符号用米氏符号用晶面在三个晶轴上的截矩系数的倒数比来晶面在三个晶轴上的截矩系数的倒数比来表示表示。例如：如果晶面例如：如果晶面ABCABC在在x x、y y、z z三个晶轴上的截距分别为三个晶轴上的截距分别为2a2a、3b3b、6C6C。系数系数2 2、3 3、6 6称为截距系数称为截距系数（通常用（通常用p p、q q、r r表示表示

19、)，其，其倒数比为倒数比为3 3：2 2：1 1，则记作（，则记作（321321）为该晶面的米氏符号，）为该晶面的米氏符号，小括号内的数字称为晶面指数。小括号内的数字称为晶面指数。q确定米氏符号时，应注意以下几点确定米氏符号时，应注意以下几点工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程晶面指数排列有统一的规定顺序：晶面指数排列有统一的规定顺序：对三轴定向：按照对三轴定向：按照x y zx y z轴排列，轴排列，表示为（表示为（h k lh k l）;对三方、六方晶系的四轴定向者，指数按照对三方、六方晶系的四轴定向者，指数按照x y u x y

20、u z z 轴排列顺序，轴排列顺序，一般写成（一般写成（h k I Lh k I L）。）。在读在读晶面符号时晶面符号时按照字面顺序读出。按照字面顺序读出。当当晶面平行于某一晶轴时，则看成晶面与该晶轴在无限晶面平行于某一晶轴时，则看成晶面与该晶轴在无限远处相交，其截矩系数为远处相交，其截矩系数为，此晶面在此晶轴上的晶面指，此晶面在此晶轴上的晶面指数就为数就为0 0。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程当晶面与各晶轴相截且截矩系数相等时，当晶面与各晶轴相截且截矩系数相等时，则其晶面指数则其晶面指数相同，晶面符号为（相同，晶面符号为（111

21、111）；晶面指数根据晶面截晶轴在负端或正端晶面指数根据晶面截晶轴在负端或正端有正负之分有正负之分，在，在负截矩相应的指数上方加上负截矩相应的指数上方加上“-”“-”号，如（号，如（3 32 21 1）如果只知道晶面与晶轴相截交，但不能确定截矩系数时，如果只知道晶面与晶轴相截交，但不能确定截矩系数时，则晶面符号写成一般形式：则晶面符号写成一般形式：如（如（h k lh k l），如果与某一轴如果与某一轴平行，则用平行，则用“0”“0”表示，记为（表示，记为（h 0 lh 0 l）。）。同一晶体上，同一晶体上，任何两个互相平行的晶面任何两个互相平行的晶面，晶面指数的绝，晶面指数的绝对值相等，但正

22、负号相反。对值相等，但正负号相反。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程六、六、整数定律整数定律1 1）整数定律的内容）整数定律的内容17741774年，年，法国学者阿羽依法国学者阿羽依（R.J.R.J.HaiigHaiig)发现：发现：晶体上任何晶面在各晶轴上的截矩系数之比，恒为简单晶体上任何晶面在各晶轴上的截矩系数之比，恒为简单整数比。整数比。截矩系数之比数值都是整数截矩系数之比数值都是整数;晶面指数也是小整数，晶面指数也是小整数，一般绝对值不大于一般绝对值不大于3 3或或4 4，大于，大于6 6的情况极少。的情况极少。工艺矿物学工艺

23、矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程2 2）机理解释）机理解释晶面是晶体结构中最外层的晶面是晶体结构中最外层的面网面网，而晶轴又是晶体，而晶轴又是晶体构造中的构造中的行列行列，所以，所以晶面与晶轴交截地方必定是结点晶面与晶轴交截地方必定是结点所在的位置。所在的位置。晶面在晶轴上的截矩即晶面在晶轴上的截矩即是该晶轴上结点间距的整数是该晶轴上结点间距的整数倍，截矩系数之比也因而必为整数比。倍，截矩系数之比也因而必为整数比。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程又根据布拉维法则，晶体往往又根据布拉维法

24、则，晶体往往被面网密度较大的晶面被面网密度较大的晶面所包围。所包围。由由page48page48图图2-272-27，面网密度越大，其截矩系数之比面网密度越大，其截矩系数之比越简单。越简单。结论：晶体上任何晶面在晶轴上的截矩系数之比为简单结论：晶体上任何晶面在晶轴上的截矩系数之比为简单整数比，其相应的倒数比也是简单整数比整数比，其相应的倒数比也是简单整数比，即晶面指数，即晶面指数为小整数。为小整数。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程七、单形符号七、单形符号 单形是由对称要素联系起来的一组同形等大、性质单形是由对称要素联系起来的一组同形

25、等大、性质相同的晶面，而晶轴又是相同的晶面，而晶轴又是根据晶体的对称要素来根据晶体的对称要素来选择的，选择的，因此，同一单形的各个晶面与晶轴都有相同的因此，同一单形的各个晶面与晶轴都有相同的相对位置相对位置。实例：立方体的每一个晶面都垂直一根晶轴而平行于另外实例：立方体的每一个晶面都垂直一根晶轴而平行于另外两根晶轴，八面体的每一个晶面都截晶轴于等长的位置）两根晶轴，八面体的每一个晶面都截晶轴于等长的位置）。所以所以同一单形的同一单形的各个晶面指数的绝对值不变，只有各个晶面指数的绝对值不变，只有顺序与正负号的区别顺序与正负号的区别。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物

26、加工工程适用专业：矿物加工工程 如果知道了单形的一个晶面的符号，则该单形的其它晶如果知道了单形的一个晶面的符号，则该单形的其它晶面符号即可导出。面符号即可导出。注解注解 习惯上单形的代表晶面一般习惯上单形的代表晶面一般选择选择正正指数最多的晶面为指数最多的晶面为代表面代表面；同时遵循同时遵循先前、次右、后上先前、次右、后上的原则。的原则。如图如图2-282-28中的立方体，前端只有一个（中的立方体，前端只有一个（100100）晶面与）晶面与x x轴正端相交，故以它作为代表面，其单形符号为轴正端相交，故以它作为代表面，其单形符号为100 100。单形符号概念：在单形中选择一个代表晶面，把该晶面单

27、形符号概念：在单形中选择一个代表晶面，把该晶面的符号用的符号用 括起来，代表一单形，称之为单形符号（简括起来，代表一单形，称之为单形符号（简称形号），如立方体的形号称形号），如立方体的形号100100，八面体的形号，八面体的形号111111。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用

28、专业：矿物加工工程 石英石英结晶外形晶外形面角：指晶面面角：指晶面法线之间的夹法线之间的夹角，其数值等角，其数值等于相应晶面的于相应晶面的实际夹角之补实际夹角之补角。角。工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程 三晶轴三晶轴定向定向=yz=yz轴轴 ，=z=z轴轴 x x轴，轴，=x=x轴轴 y y轴轴四晶轴四晶轴定向定向=y=y轴轴 z z轴轴=z=z轴轴 x x轴轴=轴轴 z z轴轴=90=90=x=x轴轴 y y轴轴=y=y轴轴 轴轴=轴轴 x x轴轴=120=120 工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加

29、工工程适用专业：矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程举例1（2D）z zy yx xOE ED DF FABCyx举例2（3D）ABO=(?)ABO=(?)ACO=(?)ACO=(?)DEF=(?)DEF=(?)ABC=(?)ABC=(?)XYOABC试试看，你试试看，你掌握了么？掌握了么？工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程布拉维法则图解布拉维法则图解工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程图图228立方体和八面体的晶面符号立方体和八面体的晶面符号工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学第一篇第一篇 矿物通论矿物通论适用专业：矿物加工工程适用专业：矿物加工工程