材料结构理论.pptx

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1、2、四量子数n:主量子数，决定原子中电子能量以及离核平均距离，即电子层数；l:副（角）量子数，与角动量有关，与电子能量也有关，还影响轨道的形状；ml:磁量子数，与电子运动的角动量在z轴上的分量有关，影响原子轨道的伸展方向；ms:自旋量子数，表示电子自旋方向；以四量子数可以完整描述电子运动的状态第1页/共74页能量最低原理：多电子原子处在基态时，总是尽量占有能量最低的轨道Pauli不相容原理：同一轨道上能且只能排布两个自旋方向相反的电子；Hund规则：电子将尽可能多地分占不同的等价轨道，且自旋平行（同向），符合能量最低原理3、核外电子排布规律第2页/共74页4、电子排布规律与性质元素周期表第3页

2、/共74页原子尺寸第4页/共74页电负性第5页/共74页二、原子结合与结合键p吸引力：源于异性电荷的库仑引力，长程力，与原子间距离的平方成反比；p排斥力：源于同性电荷之间的库仑斥力和Pauli不相容的排斥作用，短程力；1 1、原子间的相互作用力、原子间的相互作用力第6页/共74页成键机理：电负性相差较大的两原子相互接近时，通过得失电子形成价层全空或全满的正负离子，再通过静电作用成键。2、离子键第7页/共74页2、离子键离子键的形成示意图离子键的形成示意图第8页/共74页2、离子键离子键的特征在电负性相差较大的原子间形成电子在原子间发生转移，生成离子 无方向性和饱和性每个离子被最大数目的相反离子

3、包围强度高(150370 kcal/mol，即6271546.6 kJ/mol)第9页/共74页2、离子键离子化合物性质特点熔点较高，硬度较大；易溶于水；本身导电性并不好，但溶于水或熔化时都能导电第10页/共74页3、共价键成键机理电负性相差较小的两原子相互接近时，价电子在杂化轨道上重排后形成共用电子对而成键。第11页/共74页3、共价键共价键的特征高电负性原子间形成两个相邻原子间共用电子饱和性、方向性（电子云交叠有方向，价电子数量有限）高强度(稍低于离子键;125300 kcal/mol，即522.51254 kJ/mol)第12页/共74页3、共价键共价化合物的性质特点高熔点、高硬度和强度

4、；一般是绝缘体，熔融状态下也不能导电。第13页/共74页4、金属键成键机理金属原子相互靠近时，原子核形成紧密堆积，所有原子的价电子脱离原轨道形成广域电子云被所有原子共用。第14页/共74页4、金属键金属键的特征低电负性原子间形成 高强度(稍小于共价键和离子键;25200 kcal/mol,即104.5836 kJ/mol)无方向性：趋向于与最大数目的相邻原子结合无饱和性：电子为所有原子共享第15页/共74页4、金属键金属材料的性质特点良好的延展性，适于机械加工良好的导电性良好的导热性第16页/共74页成键机理电负性相差较大的原子之间形成共价键后，共用电子对强烈偏向电负性大的原子一侧，从而使分子

5、一端呈正电，另一端呈负电，从而可再以静电作用成键。5、极化键（Van Der waals键）第17页/共74页5、极化键极化键的特点极化使分子间产生静电引力（二次键）一般无方向性，但影响周围区域的分子弱结合力(强结合力的1/100；10 kcal/mol，即41.8 kJ/mol)氢键是典型极化键第18页/共74页5、极化键氢键形成示意图氢键形成示意图第19页/共74页5、极化键极化键对材料性质的影响增强材料内部的作用力；提高材料的熔点和沸点；改变材料的强度，刚度，塑性等特性第20页/共74页6、结合键小结离子键、共价键、金属键结合能较大，属一次键；极化键结合力较弱，仅强结合键的1/100，属

6、二次键四种键都源于静电作用材料中四种结合键并不能截然分开。存在不同程度的过渡型通常，结合能大的材料，强度和熔点也高，但存在极化键的材料性能上会有很大变化第21页/共74页三、晶体结构与晶体学第22页/共74页1、晶体概述定义晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。注意（1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断；（2）周期性是晶体结构最基本的特征。第23页/共74页1、晶体概述（3）晶体的有序性，既要求近程有序，也要求长程有序第24页/共74页1、晶体概述晶体的特征自限性：自发形成规则外形的几何多面体解理性：能沿一定晶面发生劈裂第25页/共74页对称性

7、：晶体旋转一定角度后格点重合的特性，晶体只具有1，2，3，4，6次对称轴固定熔点：晶体的熔点即向非晶态转变时的临界温度各向异性：晶体在不同的方向上，性质各不相同第26页/共74页2、晶体学基础晶体结构与空间点阵阵点的基本特征周期性:周期性排列；同一性:每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)第27页/共74页晶体结构与空间点阵的区别晶体结构指原子或离子在晶体中的真实排列情况空间点阵是对晶体结构的抽象和提炼第28页/共74页晶胞是晶体结构中能够反映晶体周期性和对称性的最小平行六面体格子；晶格是对晶胞的几何抽象和简化；晶胞与晶格第29页/共74页选取晶胞的原则选取的平

8、行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。第30页/共74页a c b 晶格常数晶格的结构通常用晶格常数进描述；边长a、b、c，决定晶格的大小；夹角a a、b b、g g，决定晶格的形状；第31页/共74页布喇菲晶格理论上空间点阵中可以选取任意多个不同的晶格，但能够反映晶体周期性和对称性的晶格只有14种，即布喇菲晶格。第32页/共74页第33页/共74页布喇菲晶格立方晶系特点：a=b=c,a a=b b=g g=90 简单立方体心立方面心立方第34页/共74页布喇菲晶格六方晶系

9、（简单六方）特点：a1=a2=a3c,a a=b b=90,g g=120三方晶系（简单三方）特点：a=b=c，a a=b b=g g 90第35页/共74页布喇菲晶格四方晶系特点：a=bc，a a=b b=g g=90 简单四方体心四方第36页/共74页布喇菲晶格正交晶系特点：abc，a a=b b=g g=90 简单正交底心正交体心正交面心正交第37页/共74页布喇菲晶格三斜晶系（简单单斜）特点：abc，a ab bg g90 单斜晶系特点：abc，a=ba=b=9090 g g简单单斜底心单斜第38页/共74页原胞定义：能反映晶体结构周期性的最小重复单元原胞与晶胞的比较原胞原胞晶胞晶胞反

10、映特征反映特征周期性周期性周期性和对称性周期性和对称性包含基元包含基元11体积体积最小最小不定不定第39页/共74页晶格所含的基元数由于晶体具有周期性，晶格不同位置的基元被不同的晶格所共用第40页/共74页晶格所含的基元数格子格子类型类型顶角顶角格点格点面上面上格点格点中心中心格点格点格点格点总数总数简单简单格子格子8001体心体心格子格子8012底心底心格子格子8202面心面心格子格子8604第41页/共74页p晶格内格点的方位可用晶向表示，晶向可晶格内格点的方位可用晶向表示，晶向可用晶向指数（密勒指数）记作用晶向指数（密勒指数）记作UVWp晶向指数计算方法晶向指数计算方法1）确定坐标系）确

11、定坐标系2）从原点出发朝目标格点做一直线）从原点出发朝目标格点做一直线3）取目标格点坐标与原点坐标相减，结果相约，取）取目标格点坐标与原点坐标相减，结果相约，取最小整数比最小整数比4）结果数组外加方括号，负号记在对应数字上方，）结果数组外加方括号，负号记在对应数字上方，即为晶向指数即为晶向指数晶向指数第42页/共74页晶向指数重要晶向示例第43页/共74页晶向指数晶向指数要点一个晶向指数代表着相互平行、方向一致的所有晶向；由于晶格具有周期性，成倍数关系的晶向指数表示的是同一晶向由于晶格的对称性，部分晶向完全等价，如立方晶系中 ,等价晶向可用晶向族表示第44页/共74页由于晶体的对称性，间距相同

12、的晶面具有相同的性质，这些晶面可用晶面指数表示为（hkl）晶面指数的计算方法1）在所求晶面外取一格点作为原点，由格点伸展出的三条棱作为坐标轴；2）以晶格常数a、b、c为单位，求出晶面在各坐标轴上的截距；3）取截距的倒数，化作互质整数比，加括号即为晶面指数晶面指数第45页/共74页晶面指数晶面计算实例第46页/共74页晶面指数晶面指数要点晶面指数表示的是一组相互平行，间距相等的晶面；由于晶格具有对称性，晶面与其负晶面是相同晶面；由于晶格具有周期性，晶面指数成倍数关系的晶面不一定相同，即晶面指数不需约至最简比；第47页/共74页六方晶系指数六方晶系具有特殊的对称性，常用密勒-布喇菲指数表示其晶向和

13、晶面密勒-布喇菲晶向指数uvtw，t=-(u+v)密勒-布喇菲晶面指数(hkil)，i=-(h+k)第48页/共74页三指数与四指数的转换密勒晶向指数UVW密勒-布喇菲晶向指数uvtwu=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W密勒晶面指数(hkl)密勒-布喇菲晶面指数(hkil)h=h,k=k,i=-(h+k),l=l第49页/共74页晶格致密度第50页/共74页晶格致密度密排六方致密度格点数：格点数：致密度：致密度：第51页/共74页面心立方与密排六方的堆垛方式密排六方ABABABAB面心立方ABCABCABC第52页/共74页manbpc两相邻近平行晶面间的垂

14、直距离晶面间距，用dhkl表示dhkl求解方法（以正交晶系为例）：晶面间距第53页/共74页不同晶系的晶面间距注意：以上计算式是对简单晶胞而言，如果为复杂注意：以上计算式是对简单晶胞而言，如果为复杂晶胞，在计算时应考虑到晶面层数增加的影响晶胞，在计算时应考虑到晶面层数增加的影响第54页/共74页晶面密度晶面密度与晶面间距之间关系的示意图第55页/共74页晶面密度计算方法例：计算晶格常数为a的BCC晶体（100）晶面的晶面密度。abc(100)a解：如图截取晶胞的（100）截面晶面面积：晶面上原子数目：晶面密度：第56页/共74页立方晶体各主要晶面的原子排列与晶面密度晶面指数BCCFCC原子排列

15、晶面密度原子排列晶面密度100110111第57页/共74页3、准晶、非晶和液晶非晶基元呈无序排列，但基元结构具有一定规律性，即短程有序、长程无序p玻璃p金属玻璃p非晶态高分子聚合物通常宏观上均匀，具有各向同性结构处于亚稳态第59页/共74页准晶晶体只有1，2，3，4，6次对称轴；具有其他对称轴的，即晶格排列只有对称性而无周期性的即为准晶态（quasi-crystalline state）具有五次对称轴定向长程有序但具有五次对称轴定向长程有序但无重复周期的图形无重复周期的图形第60页/共74页液晶（Liquid Crystals）p液晶是晶体和液体之间的中间状态，液晶具有液体的流动性，又具有晶

16、体的某些各向异性。向列相向列相近晶相近晶相胆甾相胆甾相第61页/共74页液晶（Liquid Crystals）液晶的性质p液晶不是固体，具有一定的流动性p也不是液体，它的分子有明显的取向性p液晶分子具有一维或二维的长程有序，在光学、电学和磁学方面具有各向异性液晶的应用p虽然液晶的分子不固定，有流动性，但其分子轴基本上定向。这种定向排列会影响液晶的光学性能，而液晶分子排列状态可受到外在电场的调控。所以液晶常用来作液晶显示器第62页/共74页4、材料结构的实验研究对于晶体材料，有多种方法对其空间点阵的结构进行表征：X射线衍射电子衍射扫描隧道显微镜原子力显微镜第63页/共74页X射线衍射1912年L

17、aue通过实验观察到了X射线的衍射现象，同时证明了X射线的波动性和空间点阵的存在。1915年Bragg父子提出了晶体衍射理论，建立Bragg公式，为X射线衍射测定晶体结构建立基础。第64页/共74页X射线衍射X射线衍射原理Bragg公式第65页/共74页X射线衍射X射线粉晶衍射第66页/共74页X射线衍射第67页/共74页X射线衍射第68页/共74页电子衍射电子衍射通过聚焦的电子束与样品接触后产生的衍射花样（pattern）表征晶体结构第69页/共74页扫描隧道显微镜利用探针针尖与样品表面之间的隧道电流作为信号表征样品的表面结构第70页/共74页扫描隧道显微镜第71页/共74页原子力显微镜通过探针针尖与样品表面的接触力作为信号表征样品表面结构第72页/共74页原子力显微镜第73页/共74页感谢您的观看。第74页/共74页