第五章几种新型材料的结构与性能
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类似, 正二十面体 (13个项点) 对三 维空间的充填值得注意的有两点:
① 做为一具有5轴的结构单元, 正二 十面体不能实现对三维空间的无空 隙充填;
② 由正二十面体划分出来的两种 菱形平行六面体按一定规则可以实 现对三维空间的无空隙充填.
菱形平行四边形I 边棱矢量夹角为63.43o
菱形平行四边形II 边棱矢量夹角为116.57o
“瘦菱形”和 “胖菱形”虽不是正五边形, 却可从正五边形 引伸出来, 如下图所示
由“瘦菱形”和 “胖菱形”无空隙充填所形成的具有无限 结构的二维图形具有五重轴对称性 (五重对称轴从下图五角星位 置穿过并垂直于地面).
沿与箭头垂直的方向, 由米色标记的结构色带呈现近似的 等间距性, 这种近似等距离性可视为具有5重轴对称性结构的准 周期性.
1984年, D. Shechtman发现经急冷制得的Al-Mn合金的电子散 射显示出清晰的五重对称性 (电子的波动性). 因D. Shechtman的 首次发现, 人们将这种具有异常轴对称性的固体材料称为准晶体 (Quasicrystal), 或谢氏体.
研究表明, 准晶体的内部结构虽有严格的位置序, 但无严格的 平移周期性, 是一种准周期性晶体。
LaNi5晶胞
(001)方向
沿 (001)方向, 晶体由两种结 构不同的双金属原子层交替堆积 而成.
LaNi5晶胞 共有 6个 储 氢 La2Ni2 四面体空隙; 储存于LaNi5晶胞 的氢为原子氢.
LaNi5晶胞的储氢La2Ni2四面体空隙.
晶胞另有3个变形八面体空隙 (即 8 1/4 + 2 1/2 3), 每个空隙由2La + 4Ni共6个原子围成.
☺美国用于储氢技术的经费为氢能研究经费的50%; ☺日本将储氢材料的开发列入国家能源发展战略规划; ☺我国将储氢材料和应用技术的研究列入“九五”规划.
② 储氢材料的种类 i 活性炭吸附储氢 (富勒烯, 碳纳米管); ii 深冷液化储氢; iii 无机化合物储氢 (NaHCO3); iv 有机化合物储氢 (C6H6, C6H5CH3); v 金属氢化物储氢 (LaNi5).
液氢密度为 0.061 g·cm-3.
*Baidu Nhomakorabea1s
e
1s
1s
H
H
1s
H2
* 1s
e
3d
H2的*轨道 (分子轨道) 与Ni的3d轨道 (原子轨道) 相互作用, 结果使Ni的3d电子转移至H2的* , 从而导致H2解离成原子H.
储氢材料的重要指标: 高容量, 高寿命.
2. 准晶态材料
根据晶体学的点阵对称性定理, 与点阵结构相一致的对称轴 的轴次只可能是1、2、3、4和6.
红外热成象技术已成为军队 装备现代化的重要标志之一, 其核心器件的材质是热释电 材料-碲镉汞晶体.
§5.1 储氢材料
① 氢能是理想的能源: i 资源丰富, 氢在水中的含量为11.1%; ii 绿色友好, 氢的燃烧产物为水; iii 应用范围广, 氢能可用于燃料电池和氢能汽车等.
因此, 氢能的开发和利用成为世界各国争相研究的科 技领域, 而氢能的储存是其应用的前题.
目前, 已经发现的具有超导性的元素有20多种, 超导合金和 化合物有数千种. 时至今日, 人们尚不能完全阐明高温超导材料, 尤其是氧化物的超导机理, 但总结的规律有如下两条:
① 高温超导材料仅出现在共价性很强的氧化物中, 可以提 供具有金属性的能带;
② 氧化物超导材料的特征主要是其含有混合价态正离子.
3. 高温超导材料
1911年, K. Onners在研究金属汞的低温物理性质时, 首次发 现了超导性. 1933年, W. Meissner等人发现处于超导态的超导体 的完全排斥磁力线现象 (迈斯纳效应). 因此, 超导体的零电阻和迈 斯纳效应是超导态的两个极为重要的独立的电磁特性. 从正常态 转变为超导态的温度称为超导体的临界温度Tc .
第五章 几种新型材料的结构与性能
1. 储氢合金 2. 非晶态材料和准晶态材料 3. 陶`瓷材料 4. 纳米材料 5. 分子筛
第五章 几种新型材料的结构与性能
材料被称为人类社会进化的里程碑, 现代文明的三大支 柱之一. 新材料已成为所有高新技术领域发展的基础.
本章着重介绍储氢合金, 准晶态材料, 高温超导材料, 纳 米材料和分子筛的结构特征和物理化学性能.
“延伸线”方向也有5个, 即下图5个红箭头的垂直方向 (不 过, 其余4种延伸没有画出). 5个方向的延伸线的交角为72度. 所以,样品的电子散射显示五重对称性.
5 正二十面体
Ih的对称元素集合: 6×5、10×3 、 15×2、15×m和i ;
Ih的群阶h: 120 与正五边形对二维空间的充填
就结构而言, 准晶体的生成需首先实现结构上的连续性, 做为 二维问题, 长方形、正三角形、正方形和正六边形均可完成对二 维空间的无空隙充填. 相反, 单独用正五边形充填二维空间则会出 现“失配”现象.
1974年, R. Penrose提出同时使用两种菱形平行四边形可实 现对二维空间的无空隙充填, 只是这种充填方式不能只沿两个独 立方向重复, 即无非周期性 (平移对称性); 两种菱形平行四边形 分别称为“瘦菱形”和 “胖菱形”, 二者边长相等但夹角不等.
1968年, 人们发现Mg-Ni合金 具有储氢性能. 此后, 储氢合金材 料的研究得到了迅速的发展.
目前, 已经发现了Ni, Mg和 Fe基三个系列的储氢材料, 其中 LaNi5具有良好的储氢性能, 储氢 密度超过液氢密度.
LaNi5与CaCu5的晶体结构相 同, 属六方晶系. LaNi5的晶胞如 右图所示, 含有1个La和5个Ni.
H原子充填变形四面体空隙后, 生成LaNi5H6 .
3H2 + LaNi5
LaNi5H6
晶格常数: a 0.511nm, c 0.397 nm
V晶胞体积 9.0 10-24 g·cm-3
假定吸氢后合金的体积不变, 则合金中的氢密度为: (6个H的质量) / (晶胞体积) (氢的密度) [6/(6.0221023)] g / (9.0 10-25 cm3) 0.111 g·cm-3
① 做为一具有5轴的结构单元, 正二 十面体不能实现对三维空间的无空 隙充填;
② 由正二十面体划分出来的两种 菱形平行六面体按一定规则可以实 现对三维空间的无空隙充填.
菱形平行四边形I 边棱矢量夹角为63.43o
菱形平行四边形II 边棱矢量夹角为116.57o
“瘦菱形”和 “胖菱形”虽不是正五边形, 却可从正五边形 引伸出来, 如下图所示
由“瘦菱形”和 “胖菱形”无空隙充填所形成的具有无限 结构的二维图形具有五重轴对称性 (五重对称轴从下图五角星位 置穿过并垂直于地面).
沿与箭头垂直的方向, 由米色标记的结构色带呈现近似的 等间距性, 这种近似等距离性可视为具有5重轴对称性结构的准 周期性.
1984年, D. Shechtman发现经急冷制得的Al-Mn合金的电子散 射显示出清晰的五重对称性 (电子的波动性). 因D. Shechtman的 首次发现, 人们将这种具有异常轴对称性的固体材料称为准晶体 (Quasicrystal), 或谢氏体.
研究表明, 准晶体的内部结构虽有严格的位置序, 但无严格的 平移周期性, 是一种准周期性晶体。
LaNi5晶胞
(001)方向
沿 (001)方向, 晶体由两种结 构不同的双金属原子层交替堆积 而成.
LaNi5晶胞 共有 6个 储 氢 La2Ni2 四面体空隙; 储存于LaNi5晶胞 的氢为原子氢.
LaNi5晶胞的储氢La2Ni2四面体空隙.
晶胞另有3个变形八面体空隙 (即 8 1/4 + 2 1/2 3), 每个空隙由2La + 4Ni共6个原子围成.
☺美国用于储氢技术的经费为氢能研究经费的50%; ☺日本将储氢材料的开发列入国家能源发展战略规划; ☺我国将储氢材料和应用技术的研究列入“九五”规划.
② 储氢材料的种类 i 活性炭吸附储氢 (富勒烯, 碳纳米管); ii 深冷液化储氢; iii 无机化合物储氢 (NaHCO3); iv 有机化合物储氢 (C6H6, C6H5CH3); v 金属氢化物储氢 (LaNi5).
液氢密度为 0.061 g·cm-3.
*Baidu Nhomakorabea1s
e
1s
1s
H
H
1s
H2
* 1s
e
3d
H2的*轨道 (分子轨道) 与Ni的3d轨道 (原子轨道) 相互作用, 结果使Ni的3d电子转移至H2的* , 从而导致H2解离成原子H.
储氢材料的重要指标: 高容量, 高寿命.
2. 准晶态材料
根据晶体学的点阵对称性定理, 与点阵结构相一致的对称轴 的轴次只可能是1、2、3、4和6.
红外热成象技术已成为军队 装备现代化的重要标志之一, 其核心器件的材质是热释电 材料-碲镉汞晶体.
§5.1 储氢材料
① 氢能是理想的能源: i 资源丰富, 氢在水中的含量为11.1%; ii 绿色友好, 氢的燃烧产物为水; iii 应用范围广, 氢能可用于燃料电池和氢能汽车等.
因此, 氢能的开发和利用成为世界各国争相研究的科 技领域, 而氢能的储存是其应用的前题.
目前, 已经发现的具有超导性的元素有20多种, 超导合金和 化合物有数千种. 时至今日, 人们尚不能完全阐明高温超导材料, 尤其是氧化物的超导机理, 但总结的规律有如下两条:
① 高温超导材料仅出现在共价性很强的氧化物中, 可以提 供具有金属性的能带;
② 氧化物超导材料的特征主要是其含有混合价态正离子.
3. 高温超导材料
1911年, K. Onners在研究金属汞的低温物理性质时, 首次发 现了超导性. 1933年, W. Meissner等人发现处于超导态的超导体 的完全排斥磁力线现象 (迈斯纳效应). 因此, 超导体的零电阻和迈 斯纳效应是超导态的两个极为重要的独立的电磁特性. 从正常态 转变为超导态的温度称为超导体的临界温度Tc .
第五章 几种新型材料的结构与性能
1. 储氢合金 2. 非晶态材料和准晶态材料 3. 陶`瓷材料 4. 纳米材料 5. 分子筛
第五章 几种新型材料的结构与性能
材料被称为人类社会进化的里程碑, 现代文明的三大支 柱之一. 新材料已成为所有高新技术领域发展的基础.
本章着重介绍储氢合金, 准晶态材料, 高温超导材料, 纳 米材料和分子筛的结构特征和物理化学性能.
“延伸线”方向也有5个, 即下图5个红箭头的垂直方向 (不 过, 其余4种延伸没有画出). 5个方向的延伸线的交角为72度. 所以,样品的电子散射显示五重对称性.
5 正二十面体
Ih的对称元素集合: 6×5、10×3 、 15×2、15×m和i ;
Ih的群阶h: 120 与正五边形对二维空间的充填
就结构而言, 准晶体的生成需首先实现结构上的连续性, 做为 二维问题, 长方形、正三角形、正方形和正六边形均可完成对二 维空间的无空隙充填. 相反, 单独用正五边形充填二维空间则会出 现“失配”现象.
1974年, R. Penrose提出同时使用两种菱形平行四边形可实 现对二维空间的无空隙充填, 只是这种充填方式不能只沿两个独 立方向重复, 即无非周期性 (平移对称性); 两种菱形平行四边形 分别称为“瘦菱形”和 “胖菱形”, 二者边长相等但夹角不等.
1968年, 人们发现Mg-Ni合金 具有储氢性能. 此后, 储氢合金材 料的研究得到了迅速的发展.
目前, 已经发现了Ni, Mg和 Fe基三个系列的储氢材料, 其中 LaNi5具有良好的储氢性能, 储氢 密度超过液氢密度.
LaNi5与CaCu5的晶体结构相 同, 属六方晶系. LaNi5的晶胞如 右图所示, 含有1个La和5个Ni.
H原子充填变形四面体空隙后, 生成LaNi5H6 .
3H2 + LaNi5
LaNi5H6
晶格常数: a 0.511nm, c 0.397 nm
V晶胞体积 9.0 10-24 g·cm-3
假定吸氢后合金的体积不变, 则合金中的氢密度为: (6个H的质量) / (晶胞体积) (氢的密度) [6/(6.0221023)] g / (9.0 10-25 cm3) 0.111 g·cm-3