功能材料概论-哈工大版.ppt

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1、功能材料概论功能材料概论Introduction to Functional Materials 1课程简介课程性质：专业基础课先修课程：无机化学，物理化学，高分子化学，高分子物理总学时：36学时教材：功能材料概论殷景华王雅珍等编参考书：现代功能材料及其应用郭卫生,汪济奎功能材料学周馨我新型功能材料贡长生，张克立课程内容：1功能材料的科学基础2金属功能材料3无机非金属功能材料4功能高分子材料2第一章第一章 绪绪 论论现代文明的三大支柱-能源、信息和材料。材料是一切技术发展的物质基础。3一、一、材料科学及其发展材料科学及其发展 材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。师昌绪主编：材料大辞

2、典 材料是“具有一定性能的物质,可以用来制成一些机器、器件、结构和产品”美国科学院、工程院联合编写材料：人类的需求1 1、什么是材料？什么是材料？什么是材料？什么是材料？4 几乎所有的物质都可以称为是材料，但并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注。那么，什么样的材料值得我们关注？实用价值5材料实用价值的五个判据材料实用价值的五个判据v资源v能源v环保v经济v质量6考虑到上述各种因素之后，有人提出材料应该定义为：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质 72、材料科学及其发展材料科学及其发展 第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物第二代（烧炼材料）：烧结烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥；

3、冶炼冶炼：铜铁第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品，塑料、橡胶、纤维等已广泛用于生活。第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需 要设计特殊性能的材料。例20世 纪40年代的复合材料 第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例记忆合金等。8材料科学的发展过程材料科学的发展过程：P6 发现与使用自然材料发现与使用自然材料 合成与设计材料合成与设计材料 赋予材料生命体功能赋予材料生命体功能920 世纪科学技术领域发生了一系列惊人的重大发现（原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域），它有力地促进了材料的发展，使得材料在20 世纪中叶，发生了一次“革命性”的飞跃：v超音速飞机(

4、镍基超级合金)v计 算 机(晶体管、半导体)v航天飞机(高温结构陶瓷)这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。103、材料科学形成的背景、材料科学形成的背景 20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其中的主要内容之一。v1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了全球性的材料科学研究。v美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料科学作为一个学科对待。11v美国：50年代末美国政府就制定了全国材料发展规划，70 80 年代又进行了多次的补充和修正，把重点放在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。v日本：在 1980 年开展了为期 10 年

5、耗资 4 亿美元的新材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。v欧洲：与前苏联也制订了类似的规划，竞争的项目也集中在这些领域。12英国人悲哀地说：英国没有硅工业了，英国从第一流的经济大国变为了第二流的经济发达国家，而日本却从第二流的经济发达国家变成了第一流的经济大国。13二、材料的分类二、材料的分类141.按材料的组成分类按材料的组成分类金属材料（纯金属、合金）：优良力学性能（强度、塑性）；可加工性；优异的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度小；比强度大；绝缘性好；耐腐蚀；易加工。无机非金属材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高温；抗腐蚀；高硬度；优良 介

6、电、压电、光学、磁学性能。复合材料（玻璃钢，碳纤维聚合物，陶瓷基、金属基）：两种以上；特殊方法。152.按材料内部原子排列情况分类按材料内部原子排列情况分类o 晶态材料o 非晶态材料o 液态材料o 气态材料163.从材料尺度角度分类从材料尺度角度分类三维材料-块体材料二维材料-薄膜、涂层等(金刚石薄膜、高温 超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)一维材料-纤维、晶须等(光导纤维、高强纤维)零维材料-粉 体174.按材料的用途分类按材料的用途分类结构材料结构材料(structural material)(structural material)：是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材

7、料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。（例支撑件、连接件、传动件、紧固件）功能材料功能材料(functional material)functional material)：指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。（磁性、电子、信息、光学、敏感、能源）1965年由美国贝尔实验室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。在国外，常将这类材料称为在国外，常将这类材料称为功能材料功能材料功能材料功能材料(Fu

8、nctional Materials)(Functional Materials)、特种材料特种材料特种材料特种材料(Speciality Materials)(Speciality Materials)或或精细材料精细材料精细材料精细材料(Fine Materials)(Fine Materials)。结构材料与功能材料的划分并不严格：生物医学材料？18材料的材料的特定的功能特定的功能特定的功能特定的功能与材料的与材料的特定结构特定结构特定结构特定结构是相联系的。是相联系的。如对于如对于导电聚合物导电聚合物来说，它一般具有来说，它一般具有长链共轭双键长链共轭双键；金属结构中由于金属结构中由于

9、弹性马氏体相变弹性马氏体相变能产生记忆效应，能产生记忆效应，因此出现了因此出现了形状记忆合金形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极；压电陶瓷晶体必须有极轴等。轴等。19三、功能材料的特征和分类201、功能材料的特征与结构材料相比，有以下主要特征：1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，是最本质的特征。2）功能材料的聚集态和形态非常多样化，除晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、混合态和等离子态。除三维材料外，还有二维、一维和零维材料。3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元件形式为最终产品，即材料元件一体化。214）功能材料是利用现代科学技术，多学科交叉的

10、知识密集型产物。5）功能材料的制备技术不同于结构材料用的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精细控制和检测技术。222、功能材料的分类功能材料的种类繁多，为了研究、生产和应用的方便，常把它分类。目前尚无统一的分类标准，由于着眼点不同，分类方法也不同，目前主要有以下六种分类方法：23即按材料的化学键、化学成分分类，功能材料可分为：金属功能材料；无机非金属功能材料；有机功能材料；复合功能材料等。功能材料无机金属(精密合金)非金属半导体陶瓷玻璃其它有机(高分子)复合高分子系复合金属系复合陶瓷系复合基于材料的物质性物质性的分类24按材

11、料的物理性质分类，功能材料可分为：磁性材料；电性材料、光学材料；声学材料；力学材料；化学功能材料；热学功能材料；生物医学功能材料，核功能材料等。目前，现代技术对物理功能材料的需求最多，因此，物理功能材料发展最快，品种多，功能新，商品化率和实用化率高。有时，习惯上把功能材料和物理功能材料看作一个名称。基于材料的物理性质、功能分类25基于材料的应用领域的分类按材料的应用领域，功能材料可分为仪器仪表材料；电子材料；军工材料；反应堆材料；信息工业用材料；能源材料；生物医学工程材料等。26按聚集态分类：气态、液态、固态、液晶态、非晶态、混合态功能材料等。按材料形态分类：体积、膜、纤维和颗粒等功能材料。按

12、维度分类：三维、二维、一维和零维功能材料。三维材料即固态体相材料；二维、一维和零维能材料分别为其厚度、径度和粒度小到纳米量级的薄膜、纤维和微粒，其主要特征是具有量子化效应。27四、功能设计的原理和方法四、功能设计的原理和方法28 下图为材料显示功能的示意图。下图为材料显示功能的示意图。输输入入材材料料输输出出材料的材料的功能显示过程功能显示过程功能显示过程功能显示过程是指向材料输入某种能量，经过材料是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。29功能材料按其功能材料按其功能的显示过程功能的显示过程功

13、能的显示过程功能的显示过程又可分为又可分为一次功能材料一次功能材料一次功能材料一次功能材料和和二次功能材料二次功能材料二次功能材料二次功能材料。30当向材料当向材料输入的能量输入的能量输入的能量输入的能量和从材料和从材料输出的能量输出的能量输出的能量输出的能量属于属于同一种形式同一种形式同一种形式同一种形式时，材料起到时，材料起到能量传输能量传输能量传输能量传输部件的部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。作用。材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料载体材料载体材料载体材料。、一次功能、一次功能31一次功能主要有下面的八种一次功能主

14、要有下面的八种一次功能主要有下面的八种一次功能主要有下面的八种。力学力学力学力学功能。如功能。如惯性惯性、粘性粘性、流动性流动性、润滑性润滑性、成型性成型性、超塑性超塑性、恒弹性恒弹性、高弹性高弹性、振动性振动性和和防震性防震性。声声声声功能。如功能。如隔音隔音性、性、吸音吸音性。性。热热热热功能。如功能。如传热传热性、性、隔热隔热性、性、吸热吸热性和性和蓄热蓄热性等。性等。电电电电功能。如功能。如导电导电性、性、超导超导性、性、绝缘绝缘性和性和电阻电阻等。等。32磁磁磁磁功能。如功能。如硬磁性硬磁性、软磁性软磁性、半硬磁性半硬磁性等。等。光光光光功能。如功能。如遮光性遮光性、透光性透光性、折

15、射光性折射光性、反射光性反射光性、吸吸光性光性、偏振光性偏振光性、分光性分光性、聚光性聚光性等。等。化学化学化学化学功能。如功能。如吸附作用吸附作用、气体吸收性气体吸收性、催化作用催化作用、生物生物化学反应化学反应、酶反应酶反应等。等。其他其他其他其他功能。如功能。如放射特性放射特性、电磁波特性电磁波特性等。等。33 当向材料当向材料输入的能量输入的能量输入的能量输入的能量和从材料和从材料输出的能量输出的能量输出的能量输出的能量属于属于不同形式不同形式不同形式不同形式时，材料起时，材料起能量的转换能量的转换能量的转换能量的转换部件作用，材部件作用，材料的这种功能称为料的这种功能称为二次功能二次

16、功能或或高次功能高次功能。有人认为。有人认为这种材料才是真正的功能材料。这种材料才是真正的功能材料。、二次功能、二次功能34二次功能按二次功能按能量的转换系统能量的转换系统能量的转换系统能量的转换系统可分为如下四类。可分为如下四类。光光光光能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；电电电电能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；磁磁磁磁能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；机械机械机械机械能与其他形式能量的转换。能与其他形式能量的转换。35如如光合成光合成光合成光合成反应、反应、光分解光分解光分解光分解反应、反应、光化光化光化光化反应、反应、光致抗蚀光致抗蚀光致抗蚀光致

17、抗蚀、化学发光化学发光化学发光化学发光，感光感光感光感光反应，反应，光致伸缩光致伸缩光致伸缩光致伸缩，光生伏特光生伏特光生伏特光生伏特效应和效应和光导电光导电光导电光导电效应。效应。光光能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换36如如电磁电磁电磁电磁效应、效应、电阻发热电阻发热电阻发热电阻发热效应、效应、热电热电热电热电效应、效应、光电光电光电光电效应、效应、场致发光场致发光场致发光场致发光效应、效应、电化学电化学电化学电化学效应和效应和电光电光电光电光效应等。效应等。电电能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换37磁磁能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换如如光磁光磁光磁光磁效

18、应、效应、热磁热磁热磁热磁效应、效应、磁冷冻磁冷冻磁冷冻磁冷冻效应和效应和磁性转变磁性转变磁性转变磁性转变效应等。效应等。38机械机械能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换。如如形状记忆形状记忆形状记忆形状记忆效应、效应、热弹性热弹性热弹性热弹性效应、效应、机械化学机械化学机械化学机械化学效应、效应、压电压电压电压电效应、效应、电致伸缩电致伸缩电致伸缩电致伸缩、光压光压光压光压效应、效应、声光声光声光声光效应、效应、光弹性光弹性光弹性光弹性效应和效应和磁致伸缩磁致伸缩磁致伸缩磁致伸缩效应等。效应等。39无论哪种功能材料，其无论哪种功能材料，其能量传递过程能量传递过程能量传递过程能量传递过

19、程或者或者能量转能量转能量转能量转换形式换形式换形式换形式所涉及的微观过程都与所涉及的微观过程都与固体物理固体物理和和固体化学固体化学相相联系。正是这两门基础科学为新兴学科联系。正是这两门基础科学为新兴学科功能材料功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。它们把功能材料推进到究和应用。它们把功能材料推进到功能设计功能设计功能设计功能设计的时代。的时代。40所谓所谓功能设计功能设计功能设计功能设计，就是赋予材料以，就是赋予材料以一次功能一次功能一次功能一次功能或或二次功能二次功能二次功能二次功能特性的科学方法。有人认为特性的科学

20、方法。有人认为21世纪将逐世纪将逐渐实现渐实现按需设计按需设计按需设计按需设计材料。材料。41材料科学与工程材料科学与工程材料科学与工程材料科学与工程一般都认为由一般都认为由四要素四要素四要素四要素组成，即组成，即结构结构结构结构/成分成分成分成分、合成合成合成合成/流程流程流程流程、性能性能性能性能与与效能效能效能效能。但考虑到结构与成分并非同义词，。但考虑到结构与成分并非同义词，相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现不同性能，所以现不同性能，所以材料科学与工程材料科学与工程材料科学与工程材料科学与工程应为五要素，即应为

21、五要素，即成分成分成分成分、合成合成合成合成/流程流程流程流程、结构结构结构结构、性能性能性能性能与与效能效能效能效能。根据材料所要求的性能不同，根据材料所要求的性能不同，材料设计材料设计材料设计材料设计可以从可以从电子电子、光子光子出发也可从出发也可从原子原子、原子集团原子集团出发，可以从出发，可以从微观微观、显微显微到到宏观宏观。42材料设计材料设计材料设计材料设计是一个很复杂的过程：是一个很复杂的过程：如如材料的制备材料的制备与与存在状态存在状态存在状态存在状态往往属于往往属于非平衡热力学非平衡热力学非平衡热力学非平衡热力学；有些结构敏感性质有些结构敏感性质(材料的力学性质材料的力学性质

22、)的的可变因素可变因素可变因素可变因素太多，太多，即使一个微小缺陷都会产生很大影响；即使一个微小缺陷都会产生很大影响；表面与内部表面与内部表面与内部表面与内部结结构及性质的不一致性；复杂的构及性质的不一致性；复杂的环境因素环境因素环境因素环境因素等等。等等。43材料设计的实现材料设计的实现材料设计的实现材料设计的实现是一个是一个长期过程长期过程长期过程长期过程，其最终应达，其最终应达到到提出一个需求目标提出一个需求目标提出一个需求目标提出一个需求目标就可就可设计出成分设计出成分设计出成分设计出成分、制造流程制造流程制造流程制造流程并并做出合乎要求的工程材料做出合乎要求的工程材料做出合乎要求的工

23、程材料做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或构件。以至零件、器件或构件。44为实现为实现材料设计材料设计材料设计材料设计，必须开展深入的，必须开展深入的基础研究基础研究基础研究基础研究，以，以了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的数数数数据库据库据库据库；建立正确的；建立正确的物理模型物理模型物理模型物理模型；需要有；需要有大容量计算机大容量计算机大容量计算机大容量计算机；更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力合作。合作。45五、功能材料的现状与展望五、功能材料的现状与展望46功能材料的现状

24、o 近几年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，10万多品种，且每年都有大量新品种问世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：o1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。o2）功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。47功能材料的现状o3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。o4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。o5）新

25、形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。48功能材料的展望展望21世纪，功能材料的发展趋势为：1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等）工作的高性能功能材料。2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能发展。49功能材料的展望3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化。4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结

26、构化，结构材料功能化。5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。6）完善和发展功能材料检测和评价的方法。7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，加强推广成熟的研究成果，以形成生产力。50六、功能材料的内容和相关学科51功能材料的内容和相关学科1.功能材料学科的内容：1）功能材料学是研究功能材料的成分、结构、性能、应用及其间的关系，在此基础上，研究功能材料的设计和发展途径；2）功能材料工程学是研究功能材料的合成、制备、提纯、改性、储存和使用的技术和工艺；3）功能材料的表征和测试技术是研究一般通用的理化测试技术在功能材料上的应用和各类功能材料特征功能的测试技术和表征。52功

27、能材料的内容和相关学科2.相关的学科功能材料学科是一门与多学科交叉的学科，与其相关的学科很多，主要有：1）基础学科：固体物理、结构化学、无机化学、有机高分子化学、生物和医学等；2）工艺类学科：材料类、化工、冶金、硅酸盐、陶瓷、制药等学科；3）现代技术类学科：光、电、磁、声、热等；4）分析测试类学科：成分、结构、显微等。53第二章晶体学基础及材料性能本章要讨论的主要问题是：本章要讨论的主要问题是：一、原子是以何种聚集方式形成固体结构的？原子是以何种聚集方式形成固体结构的？二、如何描述晶体中原子的排列？二、如何描述晶体中原子的排列？三、晶体类型三、晶体类型四、晶体缺陷四、晶体缺陷五、晶体的结构和性

28、能五、晶体的结构和性能54一、基本概念551.固体及其属性固体固体:是是物质物质存在的一种状态。与存在的一种状态。与液体液体和和气体气体相比固体相比固体有比较固定的有比较固定的体积体积和形状、质地比较坚硬和形状、质地比较坚硬特点特点:微观微观：具有固体性（质点在确定的位置平衡振动，不易发生运动）宏观宏观：有确定的外形。56固体中原子排列的作用固体中原子排列的作用原子排列研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。展新材料的途径。组织性能 5

29、72.晶体及其特点固态物质按其原子或分子的聚集状态可分为两大类，一类是晶体，另一类是非晶体。晶体：就是原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间呈有规律的周期性重复排列的固体。即不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离也称为周期。显然，沿不同的方向有不同的周期。特点：1.各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异能也有差异2.固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈

30、现不能定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体保持自己形状的液体3.规则外形：规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。理想环境中生长的晶体应为凸多边形。4.自范性：晶体能够自发地呈现封闭的规则的外形。自范性：晶体能够自发地呈现封闭的规则的外形。58非晶体非晶体(Amorphous)不具有上述特征。在非晶体中原子（或分子、离子）无规则地堆积在一起。液体和气体都是非晶体。在液体中，原子也处于相对紧密聚集的状态，但不存在长程的周期性排列。特点：特点：1.各向同性；各向同性；2.黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的

31、为固体，不能保持自己形状的为液体；的为固体，不能保持自己形状的为液体；3.随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。明显的温度界限。3.非晶体及其特点非晶体及其特点59非晶体非晶体(石英玻璃石英玻璃)：没没有规有规则的外形，各向同性，没有则的外形，各向同性，没有固定的熔点。固定的熔点。石英晶体石英晶体 60简单而言：晶体就是短程、长程有序；非晶体是短程有序，长程无序61固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，只是它的物理性质不同于通常的液体。玻璃是一个典型的固态非晶体，所以，往往将非晶态称为玻璃态。几点说明：（1）绝大多数固体物质为晶体

32、；（2）晶态与非晶态在一定的条件下可以相互转化；如非晶态的玻璃经高温长时间加热后即可转变为晶态玻璃。（3）晶体有固定的熔点，而非晶体只有一个软化温度范围.624、空间点阵（SpaceLattice）晶体中原子或原子集团排列的周期性规律，可以用一些在空间有规律分布的几何点来表示。并且，令沿任一方向上相邻点之间的距离就等于晶体沿该方向的周期。这样的这样的几何点的集合就构成空间点阵（简称点阵），几何点的集合就构成空间点阵（简称点阵），每个几何点称为点阵的结点或阵点。每个几何点称为点阵的结点或阵点。特点:点阵是由无限多个点组成;每个点周围的环境相同;同一个方向上相邻点之间的距离一样.63既然点阵只是表

33、示原子或原子集团分布规律的一种几何抽象，那么，每个结点就不一定代表一个原子。就是说，可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有一群原子（原子集团）。但是，每个结点周围的环境（包括原子的种类和分布）必须相同，亦即点阵的结点都是等同点。5.晶体结构与空间点阵o晶体结构空间点阵结构基元o结构基元：原子、分子或其集团646.晶格与晶胞晶格：为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子晶格：为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子原子或分子)在空间的平衡位置作为节点，人为地将在空间的平衡位置作为节点，人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格节点用一系列相互平行的直线连接起来形

34、成的空间格架称为晶格。架称为晶格。晶胞：构成晶格的最基本单元。晶胞：构成晶格的最基本单元。晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足为小的平行六面体。晶胞要顺序满足能充分反映整能充分反映整个空间点阵的对称性，个空间点阵的对称性，具有尽可能多的直角，具有尽可能多的直角，体体积要最小。（晶胞选择的原则）积要最小。（晶胞选择的原则）65原胞和晶胞（了解内容）o由一组基矢围起来的最小重复单元就叫原胞(或初基单胞PrimitiveCell)。(固体物理常用)。原胞往往不能反映晶体的对称性,因而,习惯上常选择能反映晶体对称性

35、的重复单元,这种重复单元就叫晶胞（conventionalcell）(或非初基单胞,nonprimitivecell)。晶胞一般不是最小的重复单元。其体积（面积）可以是原胞的数倍。66晶体与点阵的对应关系：抽象 空间点阵 空间点阵单位 平面点阵 直线点阵 点阵点具体内容 晶体 晶胞 晶面 晶棱 结构基元67晶胞：晶体结构基本单元晶胞：晶体结构基本单元晶体常数（点阵常数）晶体常数（点阵常数）:（a,b,c)size（,)shapexyzabcxyzg ga ab b7.7.点阵常数点阵常数可决定平行六面体尺寸和形状。可决定平行六面体尺寸和形状。688.8.晶系晶系 按点阵常数的特征对晶体的分类。

36、按点阵常数的特征对晶体的分类。69布拉菲点阵布拉菲点阵(14种）种）o按照按照“每个阵点的周围环境相同每个阵点的周围环境相同“的要求，的要求，布拉菲（布拉菲（BravaisA。）用数学方法推导出能。）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有有14种，这种，这14种空间点阵也称布拉菲阵。种空间点阵也称布拉菲阵。709.晶向和晶向指数晶向和晶向指数o晶向：空间点阵中各阵点列的方向代表晶体中原子排列的方向。o晶向指数：是表示晶体中点阵方向的指数，有晶向上阵点的坐标值决定。7110.1晶向指数的确定晶向指数的确定o建立坐标系o确定坐标值o化整

37、并加方括号7210.2求晶向指数的另一种方法o确定起点的坐标x1,y1,z1o确定终点的坐标x2,y2,z2o得到矢量x2-x1,y2-y1,z2-z1o化整73o说明：一个晶向代表相互平行，方向一致的所有晶向两晶向相互平行但方向相反，则数字相同但符号相反。7410.310.3晶面指数晶面指数标定步骤：1.在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；2.求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值；3.取各截距的倒数；4.将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为(h k l)。正交

38、点阵中一些晶面的面指数75晶面指数的意义：1、晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。2、在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以hkl表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。76 11.晶体结构的对称性晶体结构的对称性晶体的宏观对称元素和微观对称元素：晶体的宏观对称元素和微观对称元素：o宏观对称性o晶体的对称性最直观地表现在其几何外形上，由于晶体外形为有限的几何图形，故晶体外形上所体现的对称性与分子一样为点对称性，称为宏观对称性。有四种类型的对称操作和对称元素o旋转旋转轴o反映反映面(镜面)o反演对称中心o旋

39、转反演反轴77晶体的微观对称性o由于晶体内部结构为点阵结构，点阵结构是一种无限的几何对称图形。故晶体结构具有这种基本的空间对称性(通过平移对称操作能使点阵结构复原)，常称为晶体的微观对称性.o平移点阵o螺旋螺旋轴o滑移滑移面78晶系晶系特征对称元素特征对称元素晶胞特点晶胞特点空间点阵型式空间点阵型式立方晶系4个按立方体对角线取向的3重旋转轴a=b=ca=b=c=90=90简单立方 立方体心 立方面心 六方晶系6重对称轴a=bca=bc=90,=1=90,=12020简单六方 四方晶系4重对称轴a=bca=bc=90=90简单四方 体心四方 三方晶系3重对称轴a=b=ca=b=c=90=90简单

40、六方 R心六方 正交晶系2个互相垂直的对称面或3个互相垂直的2重对称轴abcabc=90=90简单正交 C心正交 体心正交 面心正交 单斜晶系2重对称轴或对称面abcabc=90=90 简单单斜 C心单斜 三斜晶系无abcabcabc90abc90 简单单斜 79化学键与晶体类型80晶体结构基本类型晶体结构基本类型1、金属晶体金属晶体：性质：容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。组成粒子：阳离子和自由电子 作用力：金属键，金属阳离子和自由电子之间的作用力结构特点：密堆程度高；对称性高；配位数高结构特点：多数金属以面心立方排列，配位数为12 81熔点最低

41、的金属是熔点最低的金属是-汞汞熔点最高的金属是熔点最高的金属是-钨钨密度最小的金属是密度最小的金属是-锂锂密度最大的金属是密度最大的金属是-锇锇硬度最小的金属是硬度最小的金属是-铯铯硬度最大的金属是硬度最大的金属是-铬铬最活泼的金属是最活泼的金属是-铯铯最稳定的金属是最稳定的金属是-金金延性最好的金属是延性最好的金属是-铂铂展性最好的金属是展性最好的金属是-金金82延性延性是一种物理特性。其所指的是，材料在受力而产生破坏之前的塑性变形能力。展性展性指物体可以压成薄片的性质83离子晶体o由阳离子与阴离子通过离子键结合而形成的晶体称为离子晶体。o这种作用力本质是静电作用力，无方向性和饱和性，其键的

42、极性和元素的电负性有关o离子晶体一般具有较高的熔点、沸点和较大的硬度。o典型的结构有两种：oNaCl结构：配位数为6oCsCl结构：配位数为884NaClCsCl85原子晶体o原子间通过共价键结合成的具有空间网状结原子间通过共价键结合成的具有空间网状结构的晶体。构的晶体。o这种作用的特点是方向性和饱和性这种作用的特点是方向性和饱和性o熔沸点很高，硬度很大，难溶于一般溶剂。熔沸点很高，硬度很大，难溶于一般溶剂。86分子晶体o定义：分子间以分子间作用力相结合形成的定义：分子间以分子间作用力相结合形成的晶体。晶体。o这种作用力的特点是无方向性和饱和性。这种作用力的特点是无方向性和饱和性。o物理性质：

43、低熔点、低沸点、高挥发性、硬物理性质：低熔点、低沸点、高挥发性、硬度小、不导电性度小、不导电性87晶体缺陷晶体缺陷88晶体缺陷晶体缺陷（晶格的不完整性）：晶体中任何对完晶体缺陷（晶格的不完整性）：晶体中任何对完整周期性结构的偏离就是晶体的缺陷。整周期性结构的偏离就是晶体的缺陷。晶体的缺陷晶体的缺陷化学缺陷：化学缺陷：没有杂质的具有理想的化学配比的没有杂质的具有理想的化学配比的晶体中的缺陷，如空位，填隙原子，晶体中的缺陷，如空位，填隙原子，位错。位错。结构缺陷：结构缺陷：由于掺入杂质或同位素，或者化学由于掺入杂质或同位素，或者化学配比偏离理想情况的化合物晶体中配比偏离理想情况的化合物晶体中的缺陷

44、，如杂质、色心等。的缺陷，如杂质、色心等。89意意义义：1）实际晶体存在缺陷；2）功能材料需要人为制造缺陷（例人造宝石）；3）材料制备过程质点扩散缺陷90晶体缺陷的类型晶体缺陷的类型o分类方式：分类方式：o几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等o形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等量缺陷等91一、按缺陷的几何形态分类一、按缺陷的几何形态分类o1.点缺陷点缺陷o2.线缺陷线缺陷o3.面缺陷面缺陷921.点缺陷（零维缺陷）点缺陷（零维缺陷）缺缺陷陷尺尺寸寸处处于于原原子子大大小小的的数数量量级级上上，即即三维方向上缺陷的尺寸

45、都很小。三维方向上缺陷的尺寸都很小。包包 括括：空空 位位（vacancy）、间间 隙隙 原原 子子（interstitial particle）、异异 类类 原原 子子（foreignparticle），如），如图图1-1所示。所示。点点缺缺陷陷与与材材料料的的电电学学性性质质、光光学学性性质质、材材料的高温动力学过程等有关。料的高温动力学过程等有关。93图图1-1晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷(a)空位空位(b)异类原子异类原子(c)间隙原子间隙原子942.线缺陷（一维缺陷）线缺陷（一维缺陷）指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，

46、即缺陷尺寸在一维规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错位错（dislocation），），如如图图1-2所示。所示。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。密切相关。95图图2-2(a)刃型位错刃型位错(b)螺型位错螺型位错(a)(b)963.面缺陷面缺陷面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延

47、伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。关。97二、按缺陷产生的原因分类二、按缺陷产生的原因分类1.热缺陷热缺陷2.杂质缺陷杂质缺陷3.非化学计量缺陷非化学计量缺陷4.其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等98导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体 1、导体：善于传导电流的物体，其电阻率很小、导体：善于传导电流的物体，其电阻率很小 2、绝缘体：电阻率极高的物体、绝缘体：电阻率极高的物体 3、半导体：导电能

48、力介于导体与绝缘体之间、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间 4、晶体的能带结构、晶体的能带结构 1947年年12月，美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿月，美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱三人利用半导体材料锗制成第一个晶体和肖克莱三人利用半导体材料锗制成第一个晶体管，同获管，同获1956年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。99（1）、能带的形成）、能带的形成a、外层电子共有化、外层电子共有化对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核的作用，而且受到邻近原子核的影响的作用，而且受到邻近原子

49、核的影响,内层内层电子因受原子核的牢牢束缚而影响较小；价电子因受原子核的牢牢束缚而影响较小；价电子或外层电子却不同，外层电子受邻近原电子或外层电子却不同，外层电子受邻近原子的作用更强，容易脱离原来的原子而进入子的作用更强，容易脱离原来的原子而进入到其他原子当中。到其他原子当中。即电子不再分属各个原子即电子不再分属各个原子所有，而是属于整个原子所共有，这称所有，而是属于整个原子所共有，这称电子电子的共有化，的共有化，b、能带的形成、能带的形成100 因为当有因为当有N个相同的自由原子时，每个原子内个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是的电子有相同的分立的能级，它们是N重简

50、并的，重简并的，当这当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）从而只能分裂成容原则）从而只能分裂成N个非常靠近的能级个非常靠近的能级（10-22ev），因为能量差甚小，可看成能量连续），因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。的区域，称为能带。1s2p2sEo原子间距原子间距禁带禁带禁带禁带能带能带101（2）电子填空能带的情况）电子填空能带的情况a、满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带、满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带满带满带 当电子从原来状