5.1_晶体材料的结构与物理性能

晶体缺陷
一方面对材料的某些性能产生不良影响 一方面也使材料的性能产生各种变化，达到材料
的改性，甚至赋于材料新的或特殊的性能。 改变晶体中缺陷的种类或缺陷的浓度，可制得所需性能 的晶体材料，是材料改性和制备新型或特殊性能材料的有效 方法之一，非整比化合物构成的材料即是其中的一类。
实例1：在钠蒸汽中加热NaCl晶体 氯化钠晶体中有少量钠原子掺入，此时，若晶体受到辐 射时，钠原子将电离为钠离子和自由电子，钠离子占据正常 正离子位置、电子占据负离子格点，形成Na1+δCl，此时电 子处于空缺位置，他们能够吸收可见光而使晶体材料带有颜 色，为绿色化合物 。
晶体的稳定性： 组成晶体的微粒是对称排列的，形成很规则的几何空 间点阵，组成点阵的各个原子之间，都相互作用着， 它们的作用主要是静电引力。对每一个原子来说，其 他原子对它作用的总效果，使它们都处在势能最低的 状态，因此很稳定，宏观上就表现为形状固定，且不 易改变。
晶体的范性：
晶体内部原子有规则的排列，引起了晶体各向不同的 物理性质。例如原子的规则排列可以使晶体内部出现 若干个晶面，立方体的食盐就有三组与其边平行的平 面。如果外力沿平行晶面的方向作用，则晶体就很容 易滑动（变形），这种变形还不易恢复，称为晶体的 范性。同样也可以看出沿晶面的方向，其弹性限度 小，只要稍加力，就超出了其弹性限度，使其不能复 原；
衍射效应 由于组成材料的周期性排列的晶体相当于三维光 栅，能使波长相当的x射线、电子流或中于流产生衍射 效应，这成为了解晶体材料内部结构的重要实验方法。 测定晶体立体结构的衍射方法，有X射线衍射、电 子衍射和中子衍射等方法。其中以X射线衍射法的应用 所积累的精密分子立体结构信息最多。 例：XRD谱图示例
（2）不同晶体材料的特殊性 不同的晶体材料具有不同的微观结构，使之区 别于其他的晶体，因而又使不同晶体材料之间各 有特点。 例：晶体缺陷形成非整比化合物构成的材料。
非整比化合物有两种类型： ①化合物中某一种原子短缺，或过多； ②在层状结构的夹层之间嵌入某些中性分子或金属原子。 非整比化合物与其母体化合物的不同之处在于：它们的 组成可以改变；呈现深的颜色；具有金属性或半导体性和 不同的化学反应活性；具有特殊的光学和磁学性质。 非整比化合物常见于过渡元素的二元化合物，如氢化物、 氧化物 、硼化物、碳化物、氮族化合物、硫族化合物等。
几种晶体的多面体连接结构及其演示： 金刚石、石墨、碳60 多面体连接方式
晶体有三个特征： (1)晶体有一定的几何外形； (2)晶体有固定的熔点； (3)晶体有各向异性的特点 常见的晶体有：金刚石、石墨、食盐等。 晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：离 子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。
材料化学
材料的结构与物理性能
1. 晶体材料的结构与物理性能 2. 非晶体材料的结构与物理性能 3. 液晶材料的结构与物理性能
1、晶体材料的结构与物理性能
固体
晶体 非晶体 准晶体
晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来 的一样，其内部原子的排列十分规整严格，如果把晶体中任 意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的 原子；而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排 列则是杂乱无章的；准晶体是最近发现的一类新物质，其内 部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。
金刚石的多面体外形、晶体结构和晶胞示意图
材料化学
一般的物理性能 特殊的物理性能
材料应用的基础
结构材料:以一般的物理性能作为应用基础的材料，起 到承担力学负荷的结构件作用。 功能材料:以特殊的物理性能作为应用基础的材料，应 用的主要目标为光、电、磁、声等特殊功能。
材料化学
材料的结构与物理性能
晶体材料：组成材料的分子、原子或离子在空间有一定规律 的、并且按照周期性重复排列的材料称为晶体材料。 （1）晶体材料的共同特征： 均匀性 由于材料中分子、原子或离子排列的周期很小，在宏观 上分辨不出这种微观上的不连续性，晶体材料的各个部位所 体现出来的宏观性能是相同的，也即材料总体体现出来的性 能是均匀的，如密度、硬度等；
实例3：ZnO 晶体在锌蒸气中加热得Zn1+δO 在600～1200℃将氧化锌 ZnO 晶体放在锌蒸气中 加热 ，晶体变为红色氧化锌Zn1+δO，该非整比化合物 是N型半导体。由于过量锌原子进入晶体的间隙位置， 导电性增加。
许多其他过渡金属如铌、铁、钛的氧化物，容易形成非正比 化合物，金属离子出现混合价态。而混合价态化合物一般说 来其导电性比单纯价态化合物更强，颜色要深，磁性能也要 改变。 混合价态化合物中的异价离子，在一定条件下可以由一种氧 化态变到另一种氧化态，便于吞吐电子，因此可以做氧化还 原反应的催化剂。
由于组成材料的元素不同，以及制备、加工的 方法、加工工艺的不同，分子、原子或离子在 晶体材料中不同方向上的排列往往是不相同 的，这使得晶体材料在不同方向上的宏观性能 也往往产生差异，即宏观的物理性能具有各向 异性，如电导率、热膨胀系数、折光率乃至机 械强度等；
多面体外形 晶体内部结构中的质点(原子、离子、分子)有规则 地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶 格，外形上表现为一定形状的几何多面体。组成某种几 何多面体的平面称为晶面，由于生长的条件不同，晶体 在外形上可能有些歪斜，但同种晶体晶面间夹角(晶面 角)是一定的，称为晶面角守恒原理。
沿其他方向则弹性限度很大，能承受较大的压力、拉力 而仍满足虎克定律，保持原来的形状。 当晶体吸收热量时，由于不同方向原子排列疏密不同， 间距不同，吸收的热量多少也不同，于是表现为有不同 的传热系数和膨胀系数。 石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精等就是 常见的晶体
材料的结构与物理性能
晶体特性的原因： 晶体的宏观特点是由晶体的内部结构决定的，人们从对 晶体微观结构的探索中，建立起了晶体的空间点阵结构 理论。根据这一理论，组成晶体的物质微粒按照一定的 规律规则排列在空间结点上。 组成结点结构的物质微粒间具有很强的相互作用，这 使得处在结点上的物质微粒只能在结点附近做微小的振 动，这就是晶体的微观结构模型。
几种多面体
晶体材料在制备或加工过程中，晶体生长自发 形成晶面，晶面相交成为晶棱，而晶棱相交又 会聚成晶体的顶点，这使得堆积的晶体总体也 呈现多面体的特性；
确定的和明显的熔点 这是由晶体的分子排列结构决定的： 当晶体从外界吸收热量时，其内部分子、原子的平均动能增 大，温度也开始升高，但并不破坏其空间点阵，仍保持有规则 排列。继续吸热达到一定的温度——熔点时，其分子、原子运 动的剧烈程度可以破坏其有规则的排列，空间点阵也开：由TiS2制备金属插入化合物LiδTiS2 TiS2具有层状结构，每一层包括硫-钛-硫的夹层，夹层间由 弱的范德华力联系。锂能嵌入TiS2层间，形成层间化合物 LiδTiS2，锂组成在0-1间连续变化，是理想的非计量化合物。 LiδTiS2可由二硫化钛和正丁基锂在己烷溶液中制得，或通 过电化学反应制备。 LiδTiS2具有良好的导电性能，也可以作为 能量存贮器件或电池的基础，因而受到重视，进来研究也比较 多。
各向异性
亦称非均质性，各向异性是晶体的重要特征之一，即在各个 不同的方向上具有不同的物理性质，如力学、热学、电学、 光学性质等。 晶体具有各向异性，是由于在晶体结构中，任一物质微粒与 周围微粒之间并不处于球形对称状态，因而晶体中沿不同方 向上物质微粒的排列情况有所不同，造成了不同方向上物理 性质的不同。这即是晶体在宏观上表现出具有各向异性的原 因.
Al10的XRD谱图
Al5的XRD谱图
在晶体从固体向液体的转化过程中，吸收的热量用来一部分一 部分地破坏晶体的空间点阵，所以固液混合物的温度并不升高。 当晶体完全熔化后，随着从外界吸收热量，温度又开始升高。
另一种解释：晶体分子排列规则,分子只能在平衡位置附近 不停地振动,因此它具有动能,由于规则排列的分子间的相 互作用,它又具有热能.晶体在开始熔化之前,吸热使物体获 得的能量，主要转变成分子的动能，因此晶体的温度不断 升高．当到达一定温度即熔点时，吸热所获得的能量主要 用来克服分子之间的引力做功，增大分子间的距离，使分 子离开原来的平衡位置移动，这样分子的有规律排列被破 坏，晶体从固态变为液态．