材料科学基础 第一章
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(完整版)1《材料科学基础》第一章晶体学基础
一、晶向指数 二、晶面指数 三、六方晶系的晶向指数和晶面指数 四、晶带 五、晶面间距
晶向、晶
钯的PDF卡片-----Pd 89－4897
crystal system,space
图 2 CdS纳米棒的TEM照片（左）和 HRTEM照片（右）
图2 选区电子衍射图
图1. La(Sr)3SrMnO7的低 温电子衍射图
晶向、晶面、晶面间距
晶向：空间点阵中行列的方向代表晶体中原子排 列的方向，称为晶向。
晶面：通过空间点阵中任意一组结点的平面代表 晶体中的原子平面，称为晶面。
L M
P点坐标?
(2,2,2)或222
N
一、晶向指数
1、晶向指数：表示晶体中点阵方向的指数，由晶向上结点的 坐标值决定。
2、求法 1）建立坐标系。 以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点，
联系：一般情况下，晶胞的几何形状、大小与对应的单胞是 一致的，可由同一组晶格常数来表示。
不区分 图示
晶 胞
空间点阵
单
胞
•NaCl晶体的晶胞，对应的是立方面心格子 •晶格常数a=b=c=0.5628nm，α=β=γ=90°
大晶胞
大晶胞：是相对 于单位晶胞而言 的
例：六方原始格子形式的晶胞就是常见的大晶胞
① 所选取的平行六面体应能反映整个空间点阵的对称性； ② 在上述前提下，平行六面体棱与棱之间的直角应最多； ③ 在遵循上两个条件的前提下，平行六面体的体积应最小。
具有L44P的平面点阵
单胞表
3、单胞的表征
原点：单胞角上的某一阵点 坐标轴：单胞上过原点的三个棱边 x，y，z 点阵参数：a，b，c，α，β，γ
准晶
是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有长程定向有 序，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有 晶体所不允许的宏观对称性。
晶向、晶
钯的PDF卡片-----Pd 89－4897
crystal system,space
图 2 CdS纳米棒的TEM照片（左）和 HRTEM照片（右）
图2 选区电子衍射图
图1. La(Sr)3SrMnO7的低 温电子衍射图
晶向、晶面、晶面间距
晶向：空间点阵中行列的方向代表晶体中原子排 列的方向，称为晶向。
晶面：通过空间点阵中任意一组结点的平面代表 晶体中的原子平面，称为晶面。
L M
P点坐标?
(2,2,2)或222
N
一、晶向指数
1、晶向指数：表示晶体中点阵方向的指数，由晶向上结点的 坐标值决定。
2、求法 1）建立坐标系。 以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点，
联系：一般情况下，晶胞的几何形状、大小与对应的单胞是 一致的，可由同一组晶格常数来表示。
不区分 图示
晶 胞
空间点阵
单
胞
•NaCl晶体的晶胞，对应的是立方面心格子 •晶格常数a=b=c=0.5628nm，α=β=γ=90°
大晶胞
大晶胞：是相对 于单位晶胞而言 的
例：六方原始格子形式的晶胞就是常见的大晶胞
① 所选取的平行六面体应能反映整个空间点阵的对称性； ② 在上述前提下，平行六面体棱与棱之间的直角应最多； ③ 在遵循上两个条件的前提下，平行六面体的体积应最小。
具有L44P的平面点阵
单胞表
3、单胞的表征
原点：单胞角上的某一阵点 坐标轴：单胞上过原点的三个棱边 x，y，z 点阵参数：a，b，c，α，β，γ
准晶
是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有长程定向有 序，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有 晶体所不允许的宏观对称性。
材料科学基础(第1章)
2.原子间的结合力与结合能
原子能够结合为晶体的原因是原子结合起来后
体系的能量可以降低，在原子结合成晶体的过 程中，会有一定的能量E释放出来，这个能量 叫做结合能。
假设 fa 代表引力（attraction），fb代表斥力
(repulsion)， d代表原子间距离(distance)，则有：
原子间净作用力
1.2共价键
两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用 电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特 点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用 电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构 稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材 料一般是绝缘体，其导电性能差。
式中 a、b、m、n均为常数，且m<n，m、n均为大 于2的常数。
当d较大时，fr很小，｜fa｜较大，故f < 0，即 相互吸引。当d小到一定程度后，fr很大，而
｜fa｜很小，故f > 0, 即相互排斥。
在d=d0处， ｜fa｜= fr，f = 0，即晶体内原子间 距保持恒定。
上述双原子结合模型虽然很粗糙，但用于 描述大量原子组成的聚集状态，还是较为简明 的。
二、金属原子间的结合
1、原子间的结合键 1.1离子键 大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键
的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子 而不是以原子为结合单元。
↓（外层电子重新分布） 金属+非金属 → 离子键
↑（离子间静电作用）
一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合 牢固。因此。其熔点和硬度均较高。这类化合 物通常变形能力差，具有硬而脆的性质。另外， 在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此， 它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融 状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运 动，即呈现离子导电性。
材料科学基础-第1章
晶面指数及晶面间距
现在广泛使用的用来表示晶面指数的密勒指数是由 英国晶体学家ler于1939年提出的。
z
确定晶面指数的具体步骤如下： 1.以各晶轴点阵常数为度量单位,求 出晶面与三晶轴的截距m,n,p； 2.取上述截距的倒数1/m,1/n,1/p； 3. 将以上三数值简为比值相同的三 个最小简单整数,即 1 1 1 h k l (553) : : : : h:k :l x m n p e e e 其中e为m,n,p三数的最小公倍数,h,k,l为简单整数； 4.将所得指数括以圆括号, (hkl)即为密勒指数。
13 体心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
14 面心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
§ 1.5 晶体结构的对称性
一、对称：对称是指物体相同部分作有规律的 重复。对称操作所依据的几何元素，亦即在对 称操作中保持不动的点、线、面等几何元素称 为对称元素。 二、对称性
1．晶体的宏观对称性 2. 晶体的32种点群 3. 晶体的微观对称性 4．230种空间群
晶体结构＝空间点阵+基元
注意：上式并不是一个数学关系式，而只是用来表示这三者之间的 关系。
二、晶体的点阵理论
1 、点阵(Lattice):
将晶体中重复出现的最小单元作为结构基元，用一个数 学上的点来代表 , 称为点阵点，整个晶体就被抽象成一组 点,称为点阵。 1 点阵点必须无穷多； 点阵必须具备的三个条件 2 每个点阵点必须处于相同的环境； 3 点阵在平移方向的周期必须相同。
c
b
a
空间点阵及晶胞的不同取法
选取晶胞的原则： 1.要能充分反映整个空间点阵的周期性和对称性； 2.在满足1的基础上，单胞要具有尽可能多的直角； 3.在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
材料科学基础第一章晶体的堆垛方式
3
3
合。堆垛次序为ABAB···
面心立方（FCC）：
• {200}面：堆垛次序为ABAB···，相邻两层错动了12 010 • {111}面：堆垛次序为ABCABC···，相邻两层错动了16 112
教材p23图1－23有详细的说明，请大家仔细看懂。
问题：为什么不讨论(100)面的堆垛 次序，而讨论(200)面？
2. 计算FCC晶格中 (100), (110), (111)的晶面间距，指出间 距最大的晶面。
3. 比较石墨和金刚石的晶体结构、原子键和宏观性质。
4. 已知单斜相氧化锆的晶胞参数为：a=5.156, b=5.191, c=5.304 Å，β =98.9°；四方相氧化锆的晶胞参数为： a=5.094 ，c=5.304 Å. 计算氧化锆从四方相转变为单斜 相时，体积变化的百分比。相变过程中发生了拉伸还是 收缩？相变对于氧化锆的机械性能有何影响？
解答：
由于Cu是FCC结构，所以：
2a 4r
a为晶胞边长，r为Cu原子半径
a 4r 4 0.1278 0.361 nm
2
2
Cu的密度为 4 M
v
No
4 63.54
6.021023 0.3613
8.98 g / cm3
1. 根据FCC和HCP结构原子堆垛方式的区别，证明这两种 结构中八面体间隙和四面体间隙体积相等。
1 2
(u1v2
u2v1 )
w1w2
c a
2
u12 v12 u1v1 w12
c a
2
u22 v22 u2v2 w22
c a
2
九、晶向[uvw]的长度L
A ua vb wc
L A A
材料科学基础.第一章
3.标准投影图
以晶体的某个晶面平行于投影 面，作出全部主要晶面的极射投影 图称为标准投影图（图1.16）。立方 系中，相同指数的晶面和晶向互相 垂直，所以立方系标准投影图的极 点既代表了晶面又代表了晶向。
4.吴/乌氏网（Wulff net）
吴氏网是球网坐标的 极射平面投影，具有保 角度的特性，如右下图。
立方系 六方系
对复杂点阵(体心立方，面心立方等)，要考虑晶面层数的增加。 体心立方(001)面之间还有一同类的晶面（002），因此间距减半。
1.2.4 晶体的极射赤面投影
通过投影图可将立体图表现于平面上。晶体投影方法很多， 包括球面投影和极射赤面投影。 1.参考球与球面投影 将立方晶胞置于一个大圆球的中 心，由于晶体很小，可认为各晶面均 过球心。由球心作晶面的法线， 晶面法线与球面的交点称为极点，每 个极点代表一个晶面；大圆球称为 参考球，如图1.14所示。用球面上的 极点表示相应的晶面，这种方法称为 球面投影；两晶面的夹角可在参考球 上量出。
6.晶面间距
晶面族不同，其晶面间距也不同。通常低指数晶面的面间距 较大，高指数晶面的面间距较小；原子密集程度越大，面间距 越大。可用数学方法求出晶面间距：
d hkl ( d hkl d hkl 1 h 2 k l ) ( )2 ( )2 a b c a 正交系
h2 k 2 l 2 1 4 h 2 hk k 2 l ( ) ( )2 3 c a2
图1.12 六方系中的一些晶面与晶向
（2）用四轴坐标确定晶向指数的方法如下： 当晶向OP通过原点时，把OP沿四个轴分解成四个分量（由 晶向上任意一点向各轴做垂线，求出坐标值），可表示为 OP=u a1+v a2+l a3+w C 晶向指数用[u v l w]表示，其中t=-(u + v)。 原子排列相同的晶向属于同一晶向族。在图1.12中
材料科学基础第1章原子结构和键合
原子能量与原子间距的关系
1.2.5 结合键与性能 1.物理性能 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共、离子键化合物的Tm较高。 密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列 导热、导电性 2.力学性能 弹性模量与结合能有较好的对应关系。 强度 塑性
原子结构
原子结构(atomic structure) 原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。 原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。
核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauli principle)、Hund规则(Hund ’s rule)。
03
04
金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键
陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合
一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力
05
聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键
1.2.3 混合键 （补充）
1.2.4 结合键的本质及原子间距（补充） 原子间距：两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离r0相当于原子间的平衡距。 把两个原子平衡距离下的作用能称为原子的结合能（E）。结合能的大小相当于把两原子分开所需做的功，E越大，原子结合越稳定。离子键、共价键的E最大；金属键的次之；范德华力的最小。
1.2.1 化学键（主价键、一次键） 1. 金属键(metallic bond) 1）自由电子—弥漫于金属正离子间 金属原子的外层电子数比较少，且各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 2）定义：由金属正离子和自由电子之间互相作用所构成的键合称为金属键。 3）特点： 电子共有化，无饱和性，无方向性。 4）可以解释金属的一些特征：
材料科学基础 第1章 晶体学基础
晶体内部质点排列规律性以及晶体结构的不
完整性 应用广泛： 化学 物理学 冶金学 材料科学 分子生物学 固体电子学等 晶体学发展：
经典晶体学 现代晶体学
1.1.2 晶体结构与空间点阵(crystal structure and space lattice) 一、晶体结构 结构基元(分子、原子、离子、原子团)＋结合键结合在三维空间 作有规律的周期性的重复排列方式。 晶体结构种类繁多，可以借助x射线衍射等方法测定。
¯ ¯ [010] 、[001] 等六个晶向，它们的性质是完全相同的， ¯
用符号<100>表示。
注意: 如果不是立方晶系，改变晶向指数的顺序，所
表示的晶向可能不是等同的。
例如，对于正交晶系 [100]、[010]、[001]这三个 晶向并不是等同晶向，因为以上三个方向上的原子间 距分别为a、b、c，沿着这三个方向，晶体的性质并
二、晶体学 晶体学是一门研究晶体的自然科学。包括：
晶体几何学 晶体外表面几何形状及它们之间的规律性 晶体生长学 天然及人工晶体的发生、成长和变化过程及机制 晶体物理学 晶体的光学、电学、力学等物理性质及相关结构对称性 晶体化学 晶体的化学组成和晶体结构与晶体物理化学性质间关系 晶体结构学
第一章 晶体学基础
为什么要学习晶体结构？
什么是晶体？ 晶体有何特点？
什么是晶体学？ 什么是晶体结构与空间点阵？ 什么是布拉菲点阵？ 描述晶体点阵结构的晶面指数和晶向指数是如何建立的？ 什么是晶带定理？
1.1.1 晶体与晶体学(Crystal and Crystallography) 人类使用的材料中大多为晶态(Crystalline)，包括单晶、多晶、 微晶和液晶等。那么什么是晶体？ 晶体有何特点？ 晶体是由结构基原（原子、分子、离子、原子团 等）在三维空间按长程有有序排列的物质。
材料科学基础第一章
38
5）晶体中原子的堆垛方式
39
40
6）晶体结构的多晶型性
多晶型性:有些金属（如Fe， Mn，Ti，Co，Sn，Zr等） 固 态下在 不同温 度或不 同 范 围内具 有不同 的晶体 结 构的性质。 同素异构转变：多晶型的金属在温度或压力变 化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称 为多晶型性转变，也称为同素异构转变。
晶胞－空间点阵中反映晶格特征的最小的几何 单元。
10
通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为 晶胞。 晶胞参数： 点阵常数晶胞大小 晶轴夹角晶胞形状
11
晶胞选取原则：
a 能够充分反映空间点阵的对称性；
b 相等的棱和角的数目最多；
c 具有尽可能多的直角；
d 体积最小。
12
结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分 的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。
44
SiC型：类似于金刚石型 SiO2型：面心立方 点阵，1个硅原子 被4个氧原子所包 围，每个氧原子则 介于两个硅原子之 间，起着连接两个 四面体的作用。单 胞共有24个原子。
45
第三节 原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷（在晶体中所 占比例低）。 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现 不完整性的区域。 晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律 产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能 和物理化学变化有重要的影响。
53
2）螺型位错 screw dislocation
模型：滑移面//位错线。（位错线//晶体滑移方 向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位 错运动方向。） 分类：左螺型位错,右螺型位错。 左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。 无论位置如何摆放也不会改变其类型。 螺型位错特征：滑移方向//位错线
5）晶体中原子的堆垛方式
39
40
6）晶体结构的多晶型性
多晶型性:有些金属（如Fe， Mn，Ti，Co，Sn，Zr等） 固 态下在 不同温 度或不 同 范 围内具 有不同 的晶体 结 构的性质。 同素异构转变：多晶型的金属在温度或压力变 化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称 为多晶型性转变，也称为同素异构转变。
晶胞－空间点阵中反映晶格特征的最小的几何 单元。
10
通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为 晶胞。 晶胞参数： 点阵常数晶胞大小 晶轴夹角晶胞形状
11
晶胞选取原则：
a 能够充分反映空间点阵的对称性；
b 相等的棱和角的数目最多；
c 具有尽可能多的直角；
d 体积最小。
12
结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分 的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。
44
SiC型：类似于金刚石型 SiO2型：面心立方 点阵，1个硅原子 被4个氧原子所包 围，每个氧原子则 介于两个硅原子之 间，起着连接两个 四面体的作用。单 胞共有24个原子。
45
第三节 原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷（在晶体中所 占比例低）。 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现 不完整性的区域。 晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律 产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能 和物理化学变化有重要的影响。
53
2）螺型位错 screw dislocation
模型：滑移面//位错线。（位错线//晶体滑移方 向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位 错运动方向。） 分类：左螺型位错,右螺型位错。 左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。 无论位置如何摆放也不会改变其类型。 螺型位错特征：滑移方向//位错线
材料科学基础-第1章
复合材料和纳米材料
1 复合材料
由两种或更多种不同材料组成，具有综合性 能优于单一材料。
2 纳米材料
具有纳米级尺寸的材料，具有特殊的电学、 磁学和光学性质造和航空航天等领域。
聚合物材料
用于塑料制品、纤维和包装材料等领域。
陶瓷材料
用于电子、玻璃和医疗器械等领域。
材料的晶体结构、晶格缺陷和晶界等对性能的影响。
2
特定结构的特定性能
不同结构的材料具有不同的力学、电学和热学性能。
3
性能优化
通过调整材料的结构来优化其性能，例如热处理和合金化。
基础金属和非金属材料
基础金属材料
如铁、铜、铝等，具有良好的导电性和导热性，广 泛用于电子和建筑领域。
非金属材料
如玻璃、塑料和陶瓷等，具有良好的绝缘性和耐腐 蚀性，在化工和医疗领域有重要应用。
复合材料
用于航空航天、运动器材和建筑领域。
材料科学的发展和未来趋势
1
新材料的发展
石墨烯、有机发光二极管等新材料的研究和应用。
2
可持续发展
可再生能源、环保材料和循环利用的发展。
3
智能材料的兴起
具有传感、响应和自修复功能的智能材料的研究。
总结和回顾
材料科学是一个广泛的领域，涵盖了各种材料和应用领域。掌握材料特征、结构与性能的关系对于材料科学的 发展至关重要。
材料科学基础-第1章
材料科学研究材料的特征、性能和应用。它是现代工程学的基础，涉及多个 领域，包括金属、聚合物、陶瓷、复合材料和纳米材料等。
材料的特征和分类
1 材料的特征
2 材料的分类
材料的密度、强度、导电性和导热性等特性。
金属、陶瓷、聚合物和复合材料等不同类型 的材料。
材料科学基础第一章晶体结构(一结晶学基础知识)
说明： a 指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相
同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。 e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 立方晶系若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。
（2）晶面指数的标定 a 建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。 b 量截距：x,y,z。 c 取倒数：h’,k’,l’。 d 化整数：h,k,k。 e 加圆括号：(hkl)。 （最小整数？）
（2）晶面指数的标定
例：标定下列A,B,C面的指数。
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
平移坐标原点：为了标定方便。
2.六方晶系的晶面指数和晶向指数
六方晶系的晶胞如图1-4所示，是边长为a，高为c的 六方棱柱体。
四轴定向：晶面符号一般写为（hkil），指数的排 列顺序依次与a轴、b轴、d轴、c轴相对应，其中a、b、d 三轴间夹角为120o，c轴与它1们垂直。它们之间的关系为： i=－（h＋k）。
晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶 面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互 质整数比。
晶向：点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，结点 等距离地分布在直线上。位于一条直线上的结点构成一个晶 向。 同一直线组中的各直线，其结点分布完全相同，故其中任何 一直线，可作为直线组的代表。不同方向的直线组，其质点 分布不尽相同。 任一方向上所有平行晶向可包含晶体中所有结点，任一结点 也可以处于所有晶向上。
材料科学基础第一章
材料科学基础第一章绪论第二章怎么做：从原料到产品第三章怎么样：从结构到功能第四章是什么：从宏观到微观第五章纳米材料第1章绪论1、什么是材料2、材料的地位3、材料的分类4、常见材料的用途5、材料研究的内涵-----四要素6、材料研究的外延------相关学科7、材料的学科定位材料性能提高材料的使用范围扩大材料性能提高材料的使用范围扩大材料是用来制造器件的物质。
人类文明的发展依赖于材料的进步。
旧石器时代：约170万年前~约公元前8000年新石器时代：约公元前8000年~约公元前3000年青铜器时代：约公元前3000年~约公元前1000年铁器时代：约公元前1000以后钢铁时代： 1850年以后材料性能提高材料的使用范围扩大钢铁时代 1854和1864年发明了转炉和平炉炼钢。
新材料时代半导体材料的发展制作越来越小的硅芯片新材料时代，这一时代的特征是:不像以前的各个材料时代，它是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代;新材料以人造为特征，而不是在自然界中有现成的。
尼龙的商业发展是高分子材料发展的关键时期高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展高温超导体，高温超导的革命时代。
人类文明社会的先导--新材料1、材料的发展史，就是人类社会的发展史2、材料的发展史，就是科学技术的发展史材料的分类从化学组成和原子结构角度分类金属材料 (Metals) 无机非金属材料 (Ceramics)高分子材料 (Polymers)复合材料 (Composites) 从特性和性质角度分类结构材料 (力学性能)功能材料 (化学性能和物理性能)从应用角度分类航空材料建筑材料电子材料半导体材料生物材料智能材料纳米材料…主要材料的特性和用途金属材料化学组成和原子结构金属材料是由一种或几种金属元素以及少量的非金属元素的无机物。
合金是由两种或两种以上的金属元素和非金属元素构成的，其中至少一种是金属元素。
金属元素: iron(Fe), copper (Cu), aluminum (Al),magnesium(Mg), nickel(Ni), titanium(Ti)非金属元素: Carbon(C), nitrogen (N), oxygen (O),晶体结构是原子定向排列。
材料科学基础第一章材料结构的基本知识
• 理论计算(自学P24例题) 五、结合键与性能
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高
，高分子材料
的最低． 2) 密度：金属键的25 最高，共价键
2、对力学性能的影响 （1） 强度：结合键强，则强度
也高，但还受组织的影响． （2） 塑韧性：金属键最好，共
价键、离子键最低. （3） 弹性模量：共价键、离子
键最高，金属键次之，二次键 最低
26
第三节 原子排列方式
• 晶体与非晶体 • 原子排列的研究方法 一、晶体与非晶体 1、晶体
原子(原子团或分子)在空间有规则的周期 性重复排列的固体。
一般情况下，金属、大多数陶瓷、少 数高分子材料为晶体。
27
• 非晶体：
排列无序，不存在长程的周期 规则排列。
二氧化硅结构示意图 28
• 材料最终得到什么结构，必须综合考虑 结构形成的热力学条件和动力学条件。
1、热力学条件 结构形成时必须沿着36 能量降低的方向进
• 等温等容过程：
亥姆过霍程兹自由能变化A，T, V 0
自发
•吉布等斯温自等由压能过变程化：G，T, P 0
程
自发过
2、动力学条件
反应速度。
化学反应动力学的Arhennius方程：
一、一次键 1、离子键 • 通过正负离子间相互吸引力
使原子结合的结10 合键．
• 例如：NaCl, MgO 对于 NaCl： Na：1S22S22P63S1 Cl： 1S22S22P63S23P5 Na 原子失去一个外层电子，变成
正离子，带正电 Cl 原子得到一个外层电子，变成
负离子，带负电
11
12
第一章 材料结构的基本知识
结构分4个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列 • 显微组织
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高
，高分子材料
的最低． 2) 密度：金属键的25 最高，共价键
2、对力学性能的影响 （1） 强度：结合键强，则强度
也高，但还受组织的影响． （2） 塑韧性：金属键最好，共
价键、离子键最低. （3） 弹性模量：共价键、离子
键最高，金属键次之，二次键 最低
26
第三节 原子排列方式
• 晶体与非晶体 • 原子排列的研究方法 一、晶体与非晶体 1、晶体
原子(原子团或分子)在空间有规则的周期 性重复排列的固体。
一般情况下，金属、大多数陶瓷、少 数高分子材料为晶体。
27
• 非晶体：
排列无序，不存在长程的周期 规则排列。
二氧化硅结构示意图 28
• 材料最终得到什么结构，必须综合考虑 结构形成的热力学条件和动力学条件。
1、热力学条件 结构形成时必须沿着36 能量降低的方向进
• 等温等容过程：
亥姆过霍程兹自由能变化A，T, V 0
自发
•吉布等斯温自等由压能过变程化：G，T, P 0
程
自发过
2、动力学条件
反应速度。
化学反应动力学的Arhennius方程：
一、一次键 1、离子键 • 通过正负离子间相互吸引力
使原子结合的结10 合键．
• 例如：NaCl, MgO 对于 NaCl： Na：1S22S22P63S1 Cl： 1S22S22P63S23P5 Na 原子失去一个外层电子，变成
正离子，带正电 Cl 原子得到一个外层电子，变成
负离子，带负电
11
12
第一章 材料结构的基本知识
结构分4个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列 • 显微组织
材料科学基础第一章
单晶体 晶体位向（或方向）一致的晶体
晶体
多晶体 包含许多小晶体，每个小 晶体内的晶格位向是一致 的，而各小晶体之间彼此 方位不同。
晶体的主要特点是：①结构有序；②物理 性质表现为各向异性；③有固定的熔点； ④在一定条件下有规则的几何外形。
晶体性质随方位 不同而有差异的 特性。
晶体中由于各晶面和晶向上的原子排列的密 度不同，因而同一晶体的不同晶面和晶向上 的原子密度不同，所以不同晶向上原子之间 的结合力便不同
§1.2原子键合
共有电子对→键有 饱和性和方向性
3.共价键
性能特点： 1）高熔点、高硬度、低 塑性 2）电绝缘体等 3）脆性大 金刚石
§1.2原子键合
分子键
正负电荷中心不重合而产生 的极化作用，以微弱静电引 力相引而结合在一起称为分 子键。
特点：分子晶体因其 结合键能很低，所以 其熔点很低，硬度也 低。但其绝缘性良好。
§1.4 晶体材料的组织
• 相组成 • 相的相对量、尺寸、形状及分布 • 组织影响强度、塑性 • 组织易随加工工艺变化
空位，间隙原子 位错 晶界，相界
原子 的不规 则排列
第一章 材料结构的基本知识
§1.2原子键合 键的定义
在所有物质结构中，质点（原子、离子或分子）
都按照一定的规则进行排列，质点之间都具有一定的 结合力，也就是说物质是依靠质点之间的键合结合在 一起的，这种质点之间所存在的结合力称为键。
第一章 工程材料中的原子排列
§1.2原子键合
氢键
形成：含氢物质中，H 与其它原子 形成共价键，共有电子强烈偏离H ， H 原子几乎为半径很小带正电的核， H 可以与另外一原子吸引，形成附 加键。 特性：有方向性，结合力较强，比 离子键、共价键小
材料科学基础第一章晶面和晶向指数
• 顶点到面心方向<112>：
[112]、[112]、[1 1 2]、[1 12] [121]、[12 1]、[121]、[1 21] [211]、[21 1]、[2 1 1]、[211]
§1-6 六方晶系的晶面和晶向指数
一、晶面指数
c
E
D
F A
C B
E’ F’
A’ a
D’
C’ b
B’
首先用三指数来表示六方晶胞 的六个侧面：
Total: 12
{123} (123) (1 23) (123) (123) (132) (1 32) (132) (132) (231) (231) (231) (23 1) (213) (213) (2 1 3) (213) (312) (312) (3 1 2) (312) (321) (321) (321) (32 1) Total: 4×3！=24
如何定义面密度和面堆积密度？
面密度
晶面上原子数 晶面面积
(010)
1 (0.334nm)2
8.961014
atoms/cm2
面堆积密度
晶面上原子所占面积 晶面面积
(010)
1 ( r2 )
(2r)2
0.79
（020）面？
由于（020）面上没有原子，所以（020）面的面 密度和面堆积密度都是0。
(3). c 轴：[0001]
六方晶系的晶向的确定方法：
Fc E
• 另外一些特殊的晶向：
D
B
可以由简单的晶向求出，如：
AB AC CB [1100] [0001] [1101] a3
O
C a2
[2110] a1
A [1010] [1120 ]
材料科学基础第一章
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
（3）金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光
的能量 ）
4.范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微 弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也 叫分子键。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 比化学键的键能少1～2个数量级。
1.共价键 （1）共价键的定义 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产 生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。 （2）共价键的特点 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠， 形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。 共价键具有方向性、饱和性。 金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。
最强
金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力
分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
较强
无方向性键、配位数高、 塑性较好、有光泽、好 的导热、导电性
无方向性键、结构密堆、 高熔点、绝缘
最弱
思考题
为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?
图 金属的变形
图 共价键的断裂
§1.1.2 工程材料的键性
密排六方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
第一章 材料的结构
第一节 材料的结合方式
§1.1.1 化学键
结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固 体的方式和结合力的大小。 结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学 键和物理键。 化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后 不再仅仅属于原来的原子 )。 化学键有：离子键、共价键、金属键。
材料科学基础第一章
材料科学基础第一章第一章：基本概念和定义材料科学是研究材料性质、结构和制备方法的学科，它是现代科学和工程技术的基础之一、材料科学的发展与人类社会的进步息息相关，它为现代化生产和科技创新提供了重要的支撑。
材料是构成物质的基本单元，是由原子、离子或分子组成的。
材料可分为金属材料、非金属材料和新型材料三大类。
其中，金属材料具有良好的导电性和热传导性，主要用于制造工程结构和电子器件；非金属材料具有绝缘性和高温耐受性，主要用于绝缘和耐火材料；新型材料则是指在人工合成的基础上通过改变晶格结构、添加元素等手段制造出来的材料。
材料科学的研究对象主要包括材料的结构、性能、制备方法和应用等。
材料的结构是指材料的组织形态，包括晶体结构、非晶态结构和微观结构等。
晶体结构是指材料中原子、离子或分子排列成有序的方式，它对材料性能有重要影响。
非晶态结构是指材料中原子、离子或分子排列成无序的方式，具有特殊的物理和化学性质。
微观结构是指材料中原子、离子或分子的尺寸和形态分布等，它也会直接影响材料的性能。
材料的性能是指材料在特定条件下表现出来的特性，包括机械性能、电磁性能、热性能、化学性能和光学性能等。
机械性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为，主要包括强度、硬度和韧性等。
电磁性能是指材料在电场、磁场和光场等作用下的响应能力，主要包括导电性、磁性和光学性质等。
热性能是指材料在热力学条件下的热传导、膨胀和熔化等特性。
化学性能是指材料与其他物质之间的化学反应和变化行为，主要包括腐蚀性、氧化性和还原性等。
光学性能是指材料对光的透射、反射和吸收等特性。
材料的制备方法是指制造材料的过程和方法，主要包括物理方法、化学方法和生物方法等。
物理方法是指通过物理性质的变化来改变材料的结构和性能，如高温熔炼、沉淀和烧结等。
化学方法是指通过化学反应来合成材料，如溶胶-凝胶法、沉淀法和电化学方法等。
生物方法是指利用生物体或生物分子来制备材料，如生物矿化和生物复合材料等。
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第一章晶体学基础
材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。
原子无规则堆积。
非晶体：蜂蜡、玻璃
金刚石、NaCl、冰
等。
Y
X
§1-1 空间点阵
一、空间点阵的概念
为了便于分析研究晶体的结构，进行如下处理：组成晶体的原子（或分子、原子集团）
抽象几何点(点阵的结点
自然形成
三维阵列（空间点阵
平行线连接
空间格子（
原子（离子）的刚球模型
原子中心位置
X Y Z a b
c
X Z
a
b c §1-2晶面指数、晶向指数——Miller 指数晶面——穿过晶体中原子的平面。
晶向——晶体中任意原子列的直线方向。
§1-3常见晶体结构
常见的晶体结构主要有：体心立方一、体心立方(BCC)
体心立方结构可以缩写为BCC 钢球模型质点模型
(face-centered cubic)
a
从晶体结构的钢球模型可以看出，原子与原子之间存在许多间隙。
分析这些间隙的数量、位置、形状和大小，对于了解晶体的性能、合金的相结构以及相变、扩散等问题都是十分重要的。
一、FCC 晶体
FCC 中的间隙有2种：八面体间隙，四面体间隙
1、正八面体间隙
边长为：2
a §1-4常见晶体结构的间隙
八面体间隙四面体间隙
§1-5 晶体的堆垛方式
任何晶体都可以看作是由任意晶面
的。
一般是以最密排晶面的堆垛方式作为晶体的堆垛方式。
一、BCC晶体
视频
最密排晶面：(110)
堆垛次序：ABAB……
§1-6 晶带
所有相交于某一直线的或平行于此直线的晶面构成一个此直线称为晶带轴。
晶带轴[uvw]与该晶带的晶面
存在如下关系——晶带方程
hu+kv+lw
例如：在正交（立方、正方、四方）点阵中，
(101
(100)、(010)、(110)、
向平行，构成以[001]为晶带轴的晶带。