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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。

无机材料科学基础课件_ppt课件

Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
相律应用必须注意以下四点： 1.只能处理真实的热力学平衡体系。
2.相律表达式中的“2”是代表外界条件温度和压力。如果研究的体系为固态物质，可以忽略
压力的影响，相律中的“2”应为“1”。 3.必须正确判断独立组分数、独立化学反应式、相数以及限制条件数，才能正确应用相律。 4.自由度只取 0 或 0 以上的正值。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
相平衡的研究方法
相图即平衡状态图，反映的是体系所处的热力学平衡状态, 与达平衡所需的时间无关。平衡态一个不随时间而发生变化的状态。相图是在实验结果的基础上制作的，所以测量方法、测试的精度等都直接影响相图的准确性和可靠性。研究凝聚系统相平衡，有二种基本方法：动态法和静态法。
相
系统中具有相同物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。
特点： 1、相与相之间有界面。各相可以用机械方法
加以分离，越过界面时性质发生突变。 2、一个相必须在物理性质和化学性质上都是均匀的，这里的“均匀”是指一种微观尺度的均匀，但一个相不一定只含有一种物质。 3、一种物质可以有几个相。同一个相不一定连续。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
相数(P)：一个系统中所含相的数目，叫做相数，以P表示。按照相数的不同，系统可分为：单相系统（P＝1）二相系统（P＝2）三相系统（P＝3）等等。含有两个相以上的系统，统称为多相系统。
1、气体不论有多少种气体都只可能有一个气相。对于系统中的气体，因其能够以分子形式按任何比例互相均匀混合。
##
注意：指的平衡不是在高压条件
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉

无机材料科学基础(第一章)

第一章结晶学基础§1-1 晶体的基本概念与性质一、晶体的基本概念1、晶体的概念：晶体是内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体。

晶体是具有格子构造的固体。

2、等同点：在晶体结构中占据相同的位置和具有相同的环境的几何点。

3、空间点阵：由一系列在三维空间按周期性排列的几何点。

4、阵点or结点：空间点阵中的几何点或等同点。

5、行列：在空间点阵中，分布在同一直线上的结点构成一个行列。

6、结点间距：行列中两个相邻结点间的距离。

7、网面：连接分布在三维空间内的结点构成空间格子。

二、晶体的性质1、结晶均一性：由于晶体内部结构的特性，因此，晶体在其任一部位上都具有相同的性质。

2、各向异性：晶体在不同的方向上表现出的性质的差异。

3、自限性：or自范性晶体能自发形成封闭的凸几何多面体外形的特征。

晶面：结晶多面体上的平面。

晶棱：晶面的交棱。

4、对称性：晶体中相同部分（包括晶面、晶棱等）以及晶体的性质能够在不同的方向或位置上有规律地重复出现。

5、最小内能性：在相同的热力学条件下，晶体与同组气体、液体以及非晶质固体相比其内能为最小。

§1-2 晶体的宏观对称性一、对称的概念1、对称：是指物体中相同部分之间的有规律重复。

2、对称条件：物体必须有若干个相同的部分以及这些相同部分能借助于某种特定的动作发生有规律的重复。

3、对称变换（对称操作）：指能使对称物体中各个相同部分作有规律重复的。

4、对称要素：指在进行对称变换时所凭借的几何要素—点、线、面等。

二、晶体的对称要素宏观晶体中的对称要素有：1、对称中心（符号C）：是一个假象的几何点，其相应的对称变换是对于这个点的倒反（反伸）。

在晶体中如有对称中心存在必位于晶体的几何中心。

2、对称面（符号P）：假想的平面，其相应的对称变换是对此平面的反映。

3、对称轴（符号Ln）：是一根假想的直线，相应的对称变换是绕此直线的旋转。

轴次n：物体在旋转一周的过程中复原的次数对称该对称轴的轴次。

无机材料科学基础(共117张PPT)

无机材料科学基础
29
四次旋转反伸轴
L
4 i
无机材料科学基础
L
4 i
A
B
C
D
30
六次旋转反伸轴
L
6 i
L
6 i
无机材料科学基础
三方柱
31
5 、旋转反映轴——映转轴（Lsn）
映转轴由一根假想的直线和垂直于直线的一个平面构成，即图形绕此直线旋转一定角度后并对此平面进行反映后，相同部分重复出现。旋转反映轴有：L1s、L2s、L3s、L4s、L6s。
2、《硅酸盐物理化学》浙江大学等建工出版社
3、《结晶学》
翁臻培等
建工出版社
4、《陶瓷导轮》
W.D. 金格瑞等建工出版社
5、《如何看硅酸盐相图》沈鹤年·
轻工出版社
6、《固体材料结构基础》张孝文等
建工出版社
7、《无机材料物理化学》叶瑞伦等
建工出版社
无机材料科学基础
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6
第一章结晶学基础
何谓结晶学？
23
一个晶体中可以有对称面，也可以没有对称面；可以有一个，也可以有多个，但最多不能超过9个。
1P
5P
无机材料科学基础
24
3 、对称轴（Ln）：通过晶体中心的一条假想的直线，绕这条直线旋转一定的角度后，能使图形相同的部分重复出现
对应的对称操作：绕对称轴的旋转轴次（n）：旋转一周重复的次数基转角（）：重复时所旋转的最小角度
7
§1-1 晶体的基本概念与性质
一、晶体的基本概念
1、晶体的基本概念
以NaCl晶体为例
Cl Na
0.563nm
晶体：内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体；或具有格子构造的固体。

无机材料科学基础电子讲稿—中南大学

绪论一、课程意义在人民的日常生活中，在基本建设工程中，在各种工业生产中，在现代国防和现代科学技术中，无机材料都有着各式各样的用途，其用量之大居于所有人造材料首位。

因此在无机材料的生产过程中，如何合理地使用原材料，提高产品质量，改善产品性能，缩短生产周期，减少能源消耗，降低生产成本，对于提高人民生活水平和促进国民经济和科学技术发展，具有十分重要的意义。

不言而喻，要解决上述问题，必须深入研究各种无机材料制备和生产过程中的内在物理化学变化规律，用现代科学理论来指导生产实际活动。

无机材料是一门高温化学工业，其生产过程包括多种物理化学变化，所以说，无机材料的发展，依赖于物理化学知识的丰富。

二、课程形成、地位及内容1．形成：《物理化学》→ 《硅酸盐物理化学》→ 《无机材料物理化学》→ 《无机材料科学基础》2．地位：《物理化学》、《结晶化学》→ 《无机材料物理化学》→ 《无机材料工艺学》《硅酸盐物理化学》是在《物理化学》原理的基础上总结了硅酸盐工业生产的共性规律而形成，是硅酸盐材料科学的重要基础理论部分。

近二十年来，技术革新的浪潮席卷全世界，作为技术革新支柱的新材料也飞速发展，在传统硅酸盐材料基础上发展出各种结构和功能材料，其成分已远远超出硅酸盐范畴，总称为无机非金属材料。

与此相应，作为基础理论的《硅酸盐物理化学》也有了蓬勃发展。

除《物理化学》原理以外，《固体物理》、《结构化学》、《结晶化学》等的理论不断渗透进来，涉及的范围日益广泛，理论日益深化，从而改名为《无机材料科学基础》。

所以说《无机材料科学基础》是从无机材料领域内的各种材料制品的工艺技术实践中总结出来的共性规律而形成的。

这门课程把基础科学理论，如《物理化学》、《固体物理》、《结构化学》、《结晶化学》中的基本理论，具体应用到无机材料的制备工艺和性能研究中，用理论来阐明无机材料形成过程的本质，阐述如何应用基础理论来解决生产实际问题，为生产、研究和开发新材料提供理论依据。

《无机非金属材料科学基础》第1章晶体几何基础

面心点阵。符号F。除八个角顶外，在单位平行六面体的每一个面的面心都各分布一个结点，故其包含4个结点。8×(1/8)+6×(1/2)
1.4 晶体的定向和结晶符号
晶体定向结点位置表示法晶向表示法晶面表示法——密勒指数六方晶系的四轴指数
晶体定向
结点位置表示法
晶体点阵的结点位置以它们的坐标值来表示。如图中P点，则P点在x、y、z三轴的投影为OA、OB、OC， OA=2a， OB=4b，OC=3c，则P点坐标为243。
在某一方向上出现的旋转轴或倒转轴系指与这个方向平行的旋转轴或倒转轴；
在某一方向上出现对称面系指与这个方向垂直的对称面。
如果在某一方向上同时出现旋转轴和对称面时，可将旋转轴n 写在分子上，对称面m写作分母。
例如，m2 表示某方向上有一个二次旋转轴和与此方向相垂直的对称面。国际符号有全写和缩写两种，如表中括号中为缩写符号。
晶面指数
晶面指数的确定：
（1）建立坐标系，注意原点应位于待定晶面之外，以免出现零截距。
（2）求出待定晶面在三个晶轴上的截距系数p 、q、r（如该晶面与某轴平行，则截距为∞）。截距系数指晶面在一个晶轴上的截距除以相应的晶轴单位长度。
（3）求这些截距数的倒数1/p、1/q、1/r，将上述倒数化为一组互质整数，并加上圆括号，即表示该晶面的米勒指数（hkl）。例如，（110），（111），（112）等。如果所求晶面在晶轴上的截距为负值，则在对应的指数上方加一负号。
任意排列组合，就可构成这个晶面族所包括的所
有晶面的指数。例如
111 (111) (111) (111) (111)
同一晶面族中各平行晶面的面间距相等。
36
六方晶系的晶面指数和晶向指数

无机材料科学基础习题与解答完整版

第一章晶体几何基础1-1 解释概念：等同点：晶体结构中，在同一取向上几何环境和物质环境皆相同的点。

空间点阵：概括地表示晶体结构中等同点排列规律的几何图形。

结点：空间点阵中的点称为结点。

晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。

对称：物体相同部分作有规律的重复。

对称型：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反伸轴）的集合为对称型，也称点群。

晶类：将对称型相同的晶体归为一类，称为晶类。

晶体定向：为了用数字表示晶体中点、线、面的相对位置，在晶体中引入一个坐标系统的过程。

空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的集合。

布拉菲格子：是指法国学者 A.布拉菲根据晶体结构的最高点群和平移群对称及空间格子的平行六面体原则，将所有晶体结构的空间点阵划分成14种类型的空间格子。

晶胞：能够反应晶体结构特征的最小单位。

晶胞参数：表示晶胞的形状和大小的6个参数（a、b、c、α 、β、γ ）.1-2 晶体结构的两个基本特征是什么？哪种几何图形可表示晶体的基本特征？解答：⑴晶体结构的基本特征：①晶体是内部质点在三维空间作周期性重复排列的固体。

②晶体的内部质点呈对称分布，即晶体具有对称性。

⑵14种布拉菲格子的平行六面体单位格子可以表示晶体的基本特征。

1-3 晶体中有哪些对称要素，用国际符号表示。

解答：对称面—m，对称中心—1，n次对称轴—n，n次旋转反伸轴—n螺旋轴—ns ，滑移面—a、b、c、d1-5 一个四方晶系的晶面，其上的截距分别为3a、4a、6c，求该晶面的晶面指数。

解答：在X、Y、Z轴上的截距系数：3、4、6。

截距系数的倒数比为：1/3:1/4:1/6=4:3:2晶面指数为：（432）补充：晶体的基本性质是什么？与其内部结构有什么关系？解答：①自限性：晶体的多面体形态是其格子构造在外形上的反映。

②均一性和异向性：均一性是由于内部质点周期性重复排列，晶体中的任何一部分在结构上是相同的。

异向性是由于同一晶体中的不同方向上，质点排列一般是不同的，因而表现出不同的性质。

无机材料科学基础(陆佩文)

无机材料科学基础概论一. 研究对象与学习目的自古以来,材料的发展一直是人类文明的里程碑.材料、能源、•信息被公认为是现代文明的三大支柱.新材料已成为各个高技术领域的突破口.材料主要包括：金属材料、有机材料、无机非金属材料.本课程研究的对象是无机非金属材料.无机非金属材料的最大特点是耐高温、耐腐蚀,这些特点是其它材料无法比拟的.无机非金属材料的发展在国民经济中的重要作用是显而易见.研究的对象是"无机非金属材料〞,从化学组成上看：包含硅酸盐,和各种氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、氟化物等.从物质结构上看：可以包括单晶体、多晶体或无定形体.本专业主要研究多晶、多相无机非金属材料,也可称为"陶瓷".从材料形态上看：不仅包括块体材料,还包括粉体材料、纤维材料、晶须材料和薄膜材料.从所属的工业产品来看：可分为传统材料和现代陶瓷,所属的工业产品涉与各个领域.传统材料主要包括陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、磨料、砖瓦等.现代陶瓷按其功能又可分为两大部分：高温结构陶瓷：能在高温条件下承受各种机械作用的陶瓷材料.如：陶瓷发动机的部件、切削工具、耐磨轴承、火箭燃气喷嘴、各种密封环〔石墨〕、能承受超高温作用的结构部件.功能陶瓷：具有声、光、•电、•磁、•热等功能的陶瓷制品.•如:•压电陶瓷〔PbTiO3系>、热敏陶瓷、陶瓷基片、光电陶瓷、生物陶瓷、超导材料、核燃料、磁性材料、化学电池〔β-Al2O3>材料等.我们学习无机材料科学基础的目的是：从理论上定性的了解无机非金属材料的组成、结构与性能之间的关系和变化规律,了解控制材料性能的基本和共性规律.至于如何具体从技术上实现这些,则属于工艺课的范畴.二.学习的内容分为四大部分：材料的结构：晶体结构晶体缺陷玻璃体和熔体固体表面过程热力学和动力学：热力学应用相图相图的热力学推导扩散相变材料制备原理：硅酸盐晶体结构坯料制备与成型的理论基础固相反应烧结材料的制备实验：包括基础实验和选作实验两部分,独立设课三.学习要求材料科学基础对无机非金属材料的性能与生产过程中的一些共性问题从理论上做了系统的讨论.该课程是后续工艺课的理论基础课,同样也是今后指导实际工作,进行理论研究的理论基础.其重要性显而易见.学习过程中实现思维方式的两个转变：--从微观结构的角度考虑问题如：扩散原高浓度—低浓度现为什么在不同的物质中扩散速度不同—结构决定--建立工程意识科学教育—是与非；工程教育—是否可行、是否有效、是否最优.谈到某一因素的影响时既有有利一面又有不利一面.应结合具体情况进行综合考虑.材料科学基础研究无机非金属材料的共性问题,是一门新兴学科,一些理论和学说仍在发展之中,这使我们更容易了解这些理论和学说建立的过程,从中可学习到材料科学的一些研究方法和研究思路.材料科学基础是以物理、化学、物化等学科的知识为基础.要求在学习过程中与时复习所涉与到的有关内容.材料科学基础是一门新兴学科,有些理论尚不成熟.在某些问题上不同学派存在不同观点,为了广泛了解这些观点授课内容不只限于选用教材.所以要求同学们课上做好笔记,课下多看参考书.为了加强同学们独立分析解决问题的能力,习题的选择有一定的难度.某些习题是课堂授课内容的延伸.希望能独立、认真地完成,以收到良好的学习效果.第一章晶体无机非金属材料所用原料与其制品大多数是以结晶状态存在的物质.然而不同的晶体结构具有不同的性质.例如 ,TiO2光催化材料可以在太阳光的照射下降解污染物,TiO2有金红石、锐钛矿、板钛矿等几种晶体结构,锐钛矿型TiO2材料的光催化性能优于金红石型；陶瓷行业中常用的粘土,由于晶体结构不同,工艺性能也表现出很大的差异；α－Al2O3是良好的绝缘材料,而β－Al2O3可作为电池中的电解质以离子导电的方式传递电荷.人们对晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开始的,1912年X射线晶体衍射实验的成功,使人们对晶体的研究从晶体的外部进入到了晶体的内部,使得对晶体的认识有了质的变化.晶体所具有的性质是由晶体中质点排列方式所决定,结构发生变化,性质随之发生变化.然而晶体结构又取决于晶体的化学组成,组成晶体的质点不同意味着质点间键的作用形式和排列方式发生改变.所以,本章主要研究晶体的组成、空间结构和性质之间的关系.本章主要介绍了几何结晶学、晶体化学的基本概念和原理.从这些基本原理出发,介绍了描述晶体结构的方法,包括：i 从几何结晶学角度——空间格子ii 从球体堆积角度——负离子做堆积,正离子填充空隙iii 用鲍林规则分析——多面体堆积iv 取晶胞,晶胞中质点的具体位置以通过这些方法掌握NaCl型、CsCl 型、闪锌矿型、萤石型、刚玉型的晶体结构,并了解纤锌矿型、金红石型、碘化镉CdI2型、钙钛矿型和尖晶石型结构.在此基础上,了解晶体的组成、空间结构和性质之间的关系.第一节几何结晶学基本概念一、晶体的定义1、定义晶体是内部质点在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体,是具有格子构造的固体.晶体的这一定义表明,不论晶体的组成如何不同,也不论其表观是否具有规则的几何外形,晶体的共同特征是内部质点在三维空间按周期性的重复排列.不具备这一特征的物体就不是晶体.以NaCl晶体为例.NaCl的晶胞结构2、空间点阵〔空间格子〕在三维空间按周期性重复排列的几何点的集合称为空间点阵〔空间格子〕.空间点阵〔空间格子〕中的结点是抽象的几何点并非实际晶体中的质点.阵点或结点：空间点阵中的几何点称为阵点或结点.等同点：同一套空间格子中的结点叫等同点.实际晶体是由组成晶体的离子或原子去占据一套或几套穿插在一起的空间格子的结点位置而构成.实际晶体的内部质点是有实际内容的原子或离子.实际晶体中化学组成相同、结晶化学环境相同的质点占据的结点构成一套等同点.所谓结晶化学环境相同是指质点周围在相同方位上离开相同距离有相同的质点.晶体中有几套空间格子就有几套等同点,判断晶体中有几套空间格子的方法是看晶体中有几套等同点.NaCl晶体有2套空间格子,Na+ 离子和Cl-离子各构成一套空间格子.CsCl晶体有2套空间格子,Cs+ 离子和Cl-离子各构成一套空间格子.CaF2 晶体有3套空间格子,Ca2+离子构成一套空间格子；F-离子有两套空间格子. 3、晶体的性质：结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、最小内能性.二、晶系：根据晶体的对称性,将晶体分为三大晶族、七大晶系.高级晶族：立方晶系〔等轴晶系〕中级晶族：六方晶系、三方晶系〔菱方晶系〕、四方晶系〔正方晶系〕低级晶族：斜方晶系〔正交晶系〕、单斜晶系、三斜晶系三、晶胞晶胞是晶体中重复出现的最小结构单元,它包含了整个晶体的特点.对应于七大晶系,晶胞形状有七种.四、空间格子的类型：〔14种布拉维空间格子〕以等同点为基准取晶胞,根据七大晶系,晶胞的形状共有7种. 等同点在晶胞的位置可以有以下几种：1.原始式：等同点占据晶胞的各个角顶2.体心式：等同点占据晶胞的各个角顶和体心3.面心式：等同点占据晶胞的各个角顶和面心4.底心式：等同点占据晶胞的各个角顶和上下底面中心根据某一套等同点为基准所取晶胞的形状和该套等同点在晶胞中的位置可以判断该套等同点构成的空间格子类型,共有十四种空间格子类型,通常称为十四种布拉维空间格子〔布拉维空间点阵〕.晶胞种类等同点在晶胞的位置立方晶胞原始式体心式面心式六方晶胞底心式三方晶胞原始式四方晶胞原始式体心式斜方晶胞原始式体心式面心式底心式单斜晶胞原始式体心式三斜晶胞原始式如：①NaCl晶体是由一套Na+离子立方面心格子和一套Cl-离子立方面心格子穿插而成.②CsCl晶体是由一套Cl-离子立方原始格子和一套Cs+离子立方原始格子穿插而成.CsCl晶体结构③立方ZnS〔闪锌矿〕晶体是由一套S2-离子立方面心格子和一套Zn2+离子立方面心格子穿插而成.④CaF2〔萤石〕晶体是由一套Ca2+离子立方面心格子和两套F-离子立方面心格子穿插而成.⑤TiO2〔金红石〕晶体是由两套Ti4+离子四方原始格子和四套O2-离子四方原始格子穿插而成.第二节晶体化学基础一、晶体中键的形式：1. 典型键型化学键：原子或离子结合成为分子或晶体时,相邻原子或离子间的强烈的吸引作用称为化学键.分子键：分子间较弱的相互作用力.电负性〔X〕可衡量电子转移的情况,因而可用来判断化学键的键型.原子的X越大,越易得到电子,X 大于2,呈非金属性；原子的X越小,越易失去电子,X小于2,呈金属性.化学键的类型：离子键：凡是X值相差大的不同种原子作用形成离子键.X值小的原子易失电子形成正离子,X值大的原子易得电子形成负离子.如：碱土金属与氧原子结合.离子键无饱和性和方向性.共价键：凡是X值较大的同种或不同种原子组成共价键.共价键有饱和性和方向性.金属键：凡是X值都较小的同种或不同种原子组成金属键,被给出的电子形成自由电子气,金属离子浸没其中.金属键无饱和性和方向性.分子键的类型：范德华键：分子间由于色散、诱导、取向作用而产生的吸引力的总和.氢键：X—H…Y,可将其归入分子键.氢键键键力 > 范德华键键力一般的情况下各种键的强度顺序如下：共价键最强,离子键很强,金属键较强,三种化学键的键力远大于分子键,分子键中氢键的键力大于范德华键.2.键型的过渡性凡是X值有相当差异、但差异并不过大的原子之间形成离子键和共价键之间的过渡键型.如：Si-O键〔共价键和离子键成份各占50%〕.依据鲍林公式计算过渡键型中离子键占的百分数P：P=1-exp[-1/4〔xA-xB〕2]二离子半径：对于独立存在的离子,它的离子半径是不确定的,但在离子晶体中,设离子为点电荷 ,根据库仑定律,正、负离子之间的吸引力：F∝<q1q2>/r2随着离子的相互靠近,电子云之间的斥力出现并迅速增大.当引力=斥力时处于平衡,平衡间距r=r0.r0为正离子中心到负离子中心的距离,即正、负离子都可以近似看成球形,各有一个作用圈半径,平衡间距就是相邻的正、负离子相互接触时半径之和.对于存在于离子晶体中的离子,它有确定的离子半径.r0=r++ r-三、球体的堆积方式：1. 球体的最紧密堆积原理假设球体是刚性球,堆积密度越大,堆积体的内能越小,结构越稳定.球体的堆积倾向于最紧密方式堆积.2. 等径球体的堆积方式：〔1〕最紧密堆积①六方最紧密堆积：ABAB……〔ACAC……〕每两层重复一次,其球体在空间的分布与六方格子相对应,堆积体中有两套六方底心格子.其密排面//〔0001〕②立方最紧密堆积：ABCABC……〔ACBACB……〕每三层重复一次,球体分布方式与立方面心格子相对应,堆积体中有一套立方面心格子.其密排面//〔111〕除上述这两种常见的最紧密堆积方式,最紧密堆积也可能出现ABACABAC……,每四层重复一次,或ABABCABABC……,每五层重复一次,等等.密堆率〔堆积系数〕：晶胞中含有的球体体积与晶胞体积之比.最紧密堆积密堆率都是74.05%,空隙率25.95%.最紧密堆积体中是有空隙的,空隙类型有：①四面体空隙：处于四个球体包围之中的空隙,四个球体中心连线形成一个四面体.②八面体空隙：处于六个球体包围之中的空隙,六个球体中心连线形成一个八面体.空隙半径〔空隙中内切球半径〕：八面体>四面体有n个球体作最紧密堆积：①每个球周围有四面体空隙8个,每个四面体空隙为4个球共有,每个球占有四面体空隙数8*1/4=2②每个球周围有八面体空隙6个,每个八面体空隙为6个球共有,每个球占有八面体空隙数6*6/1=1n个球体作最紧密堆积的堆积体中,有2 n个四面体空隙,有n个八面体空隙.〔2〕简单立方堆积简单立方堆积不是最紧密堆积.球体分布方式与立方原始格子相对应,密堆率为52%.堆积体中只形成立方体空隙〔8个球包围,其球心连线形成一个立方体〕.同理可知,n 个球做简单立方堆积有n个立方体空隙.〔3〕不等径球体的堆积不等径球体的堆积可看成较大的球体作等径球体的最紧密堆积,较小的球填充于堆积体的空隙中.在离子晶体中,负离子一般较大,负离子通常作最紧密堆积,正离子较小,填充于堆积体的四面体空隙或八面体空隙中,如果正离子太大,八面体空隙也填不下,则要求负离子改变堆积方式,作简单立方堆积,产生较大的立方体空隙,正离子填充于堆积体的立方体空隙中.用这种方式描述离子晶体结构,虽不严密但有助于我们想象.如：NaCl ：n个Cl-离子做立方最紧密堆积,产生n 个八面体空隙,Na+离子填充全部八面体空隙.CsCl：Cl-做简单立方堆积,Cs+离子填充于全部的立方体空隙当中.ZnS：S2-做立方最紧密堆积,Zn2+填充一半的四面体空隙.CaF2：F-做简单立方堆积,Ca2+填充一半的立方体空隙.不等径球体堆积达到的密堆率可以大于等径球体的密堆率.四、配位数〔CN〕：定义在离子晶体中,每个离子都被与其电荷相反的异名离子相包围,则异名离子的数量就是这个离子的配位数.如：NaCl,Na+周围有6个Cl-,则Na+的CN=62.配位多面体配位数决定了配位多面体的形态.配位数：8——配位多面体：立方体；配位数：4——配位多面体：四面体假设离子是刚性球,正离子的配位数由R+/R-决定：在最紧密堆积体中,八面体空隙内切球的半径：设：堆积球的半径为R,八面体空隙内切球的半径为r,连接四个堆积球的球心为正方形, 所以, 2〔2R〕2=〔2R+2r〕2解得,1.414R=R+r 所以, r/ R=0.414可见,当R+/ R-=0.414 时,正离子恰好填入八面体空隙,此时正离子的配位数为6.同理,当R+/ R-=0.225时,正离子恰好填入四面体空隙,此时正离子的配位数为4.当R+/ R-=0.732 时,正离子恰好填入立方体空隙,此时正离子的配位数为8.实际上,离子晶体中的R+/ R-很少恰好是这些数值,当R+/ R-在两临界值之间时,配位数取下限值.正离子的配位数与R+/ R-的关系如下：R+/ R- <0.155≤R+/ R- <0.225≤R+/ R- <0.414≤ R+/ R- <0.732≤ R+/ R- <1≤ R+/ R-配位数 2 3 4 6 8 12 注意：当配位数为12 相当于等径球体的最紧密堆积.3. 离子的极化对晶体结构的影响在外电场作用下离子被极化,产生偶极矩.离子晶体中每个离子都有双重能力,既有极化别的离子的能力,又有被别的离子极化的能力.极化率〔极化系数〕α：离子被极化的难易程度〔α越大,变形程度越大；α越小,变形程度越小〕极化力β：离子极化其它离子的能力,主极化.一般地,只考虑正离子对负离子的极化作用,而对于最外层电子是18、18+2型正离子,除考虑正离子对负离子的极化作用外,还必须考虑负离子对正离子的极化,因为最外层电子为18、18+2型离子不仅β大.而且α也大,总的极化作用大大加强,晶体结构类型可能因此而改变.* 例：离子极化对卤化银晶体结构的影响AgClAgBrAgIR+/R-0.6350.5870.523实际配位数664〔理论为6〕理论结构类型NaClNaClNaC l实际结构类型NaClNaCl立方ZnS五、决定离子晶体结构的因素——结晶化学定律离子晶体结构取决其组成质点的数量关系、大小关系和极化性能.数量关系：正负离子的比例,如：NaCl中为1:1〔两套立方面心格子〕,CaF2中为1:2〔三套立方面心格子〕大小关系：NaCl中,R+/R-=0.95/1.81=0.52,CN=6.CsCl 中,R+/R-=1.69/1.81=0.93,CN=8.极化性能：AgCl,CN=6；AgI,CN=4.六、晶格能1.定义：把1mol离子晶体中各离子拆散至气态时所需要的能量.对于二元离子晶体U=W1W2e2N0A<1-1/n>/r0其中：W1W2——正负离子的电价, e——电子电荷,r0——平衡间距,N0——阿佛加德罗常数,A——马德伦常数, n——波恩指数.2.晶格能的意义：对于二元晶体,晶格类型相同,且离子间的极化作用不太强烈时,由晶格能大小可比较晶体有关的物理性质如：MgO、CaO、SrO、BaO二元晶体,结构类型为NaCl型,故：晶格能UMgO>U CaO >U SrO >UBaO故熔点 MgO>CaO>SrO>BaO硬度 MgO>CaO>SrO>BaO在利用晶格能比较晶体物理性质时必须注意极化的影响,如ZrO2、CeO2、ThO2均为CaF2型二元晶体,且RZr<RCe<RTh晶格能U ZrO2>U CeO2>U ThO2实际熔点为：2710℃<2750℃<3050℃,熔点ZrO2最低而ThO2最高.七从多面体堆积角度认识晶体——鲍林规则1 第一规则：关于组成负离子多面体的规则在每个正离子周围都形成一个负离子多面体,正负离子间距取决于它们的半径之和,正离子的配位数取决于正负离子半径之比.2 第二规则：电价规则在一个稳定的离子化合物结构中,每一负离子的电价等于或近似等于从邻近的正离子至该负离子各静电强度的总和.W-=∑Si〔偏差不超过1/4价〕其中：Si—静电键强度〔中心正离子分配给每个负离子的电价分数〕〔1〕对于二元晶体可推断其结构〔已知结构稳定〕如：NaClR+/R-=0.95/1.81=0.52,形成[NaCl6]八面体,Si=1/6∴W-=1=∑Si=1/6*i 推出i=6即：每个Cl-周围有6个Na+,或每个Cl-是6个[NaCl6]八面体的共用顶点.〔2〕判断结构是否稳定〔已知结构〕如：镁橄榄石〔Mg2SiO4〕已知结构中,一个[SiO4]四面体和三个[MgO6]八面体共用一个O顶点∴∑Si=1*4/4+3*2/6=2= W- 故结构稳定3第三规则：关于负离子配位多面体共用顶点规则在一个配位结构中,两个负离子多面体以共棱方式特别是共面方式存在时,结构稳定性较低,对于电价高而配位数小的正离子此效应尤为显著.阴离子多面体存在方式不连共顶共棱共面阴离子多面体共用顶点123随着顶点共用数增加,导致两个正离子中心距减小,如在八面体中以点、棱、面相连时,两中心正离子之间的距离以1：0.71：0.58的比例减小,而四面体以点、棱、面相连时,两中心正离子之间的距离以1：0.58：0.33的比例减小.正离子间距减小,排斥力增大,不稳定程度增大.4、第四规则：不同种类配位多面体之间的连接规则在含有不同种类正离子的晶体中,电价高而配位数小的正离子的配位多面体趋向于相互不共用顶点.该规则的物理基础与第三规则相同.5、第五规则：节约规则八、典型无机化合物的结构* 描述晶体结构的方法：i 从几何结晶学角度——空间格子ii 从球体堆积角度——负离子做堆积,正离子填充空隙iii 用鲍林规则分析——多面体堆积iv 取晶胞,晶胞中质点的具体位置1、AX型〔1〕NaCl型方法i：一套Cl-和一套Na+的立方面心格子穿插而成.方法ii：Cl-做立方最紧密堆积,Na+填充全部的八面体空隙.方法iii：第一规则：RNa+/RCl-=0.52,形成[NaCl6]八面体.第二规则：已知结构稳定,W-=1=∑Si在[NaCl6]八面体中,Si=1/6 ∴1=1/6*i 推出：i=6即：每个Cl-是6个[NaCl6]八面体的共用顶点.第三规则：最高连接方式是共棱连接,结构稳定.方法iv：Cl-为基准取晶胞,立方晶胞：Cl- <0,0,0>,<1/2,0,1/2>,<0,1/2,1/2>,<1/2,1/2,0>Na+ <1/2,1/2,1/2>NaCl晶胞中含有的式量分子数：Na+：体心,各边心 1+1/4*12=4Cl- ：各角顶,各面心 1/8*8+1/2*6=4即：每个晶胞中含有4个式量分子.〔"分子〞〕碱土金属氧化物MgO、CaO、SrO、BaO具有NaCl型晶体结构.〔其中的Mg2+、Ca2+、Cs2+、Ba2+相当于NaCl中的Na+离子,而O离子相当于Cl-离子〕〔2〕CsCl型方法i：由一套Cl-和一套Cs+离子的立方原始格子穿插而成.方法ii：Cl-做简单立方堆积,Cs+填充全部立方体空隙.方法iii：第一规则：RCs+/RCl-=0.167/0.181=0.93,形成[CsCl8]立方体第二规则：W-=1=∑Si在[CsCl8]立方体中,Si=1/8 ∴1=1/8*i 推出：i=8即：每个Cl-是8个[CsCl8]立方体的共用顶点.方法iv：立方晶胞：Cl-：<0,0,0>Cs+：<1/2,1/2,1/2>晶胞中含有的式量分子数：Cs+：体心 1Cl-：角顶 1/8*8=1即：每个晶胞中含有1个CsCl式量分子.属于该类型结构的晶体有CsBr、CsI、TlCl、NH4Cl等〔3〕闪锌矿型〔立方ZnS〕方法i：由一套S2-和一套Zn2+的立方面心格子穿插而成.方法ii：S2-做立方最紧密堆积,Zn2+填充1/2的四面体空隙.方法iii：R Zn2+/R S2-=0.44,理论上为[ZnO6]八面体,实际为[ZnO4]四面体.W-=2=∑Si Si=2/4=1/2 ∴1/2*i=2 推出：i=4即：每个S2-是4 个[ZnO4]四面体的共用顶点.最高连接方式为共顶连接.立方晶胞中S2-：<0,0,0>,<0,1/2,1/2>,<1/2,0,1/2>,<1/2,1/2,0>Zn2+：<1/4,1/4,3/4>,<1/4,3/4,1/4>,<3/4,1/4,1/4>,<3/4,3/4,3/4> 晶胞中含有的式量分子数：S2-：各角顶,各面心 1/8*8+1/2*6=4Zn2+：各1/8小立方体的体心 8*1/2=4即：每个晶胞含有4个ZnS"分子".β-SiC、GaAs、AlP、InSb等具有该类型结构.〔4〕纤锌矿型〔六方ZnS〕由2套S2-和2套Zn2+的六方底心格子穿插而成.2. AX2型〔1〕CaF2〔萤石型〕方法i：由一套Ca2+和2套F-的立方面心格子穿插而成.方法ii：F-做简单立方堆积,Ca2+填充一半的立方体空隙.方法iii：R Ca2+/R F-=0.112/0.131=0.85,形成[CaF8]立方体W-=1=∑Si Si=2/8=1/4 ∴1/4*i=1 推出：i=4即：4个[CaF8]立方体共用1 个顶点最高连接方式为共棱连接.方法iv：立方晶胞：Ca2+：<0,0,0>,<1/2,1/2,0>,<1/2,0,1/2>,<0,1/2,1/2>F-：<1/4,1/4,1/4>,<3/4,3/4,1/4>,<3/4,1/4,3/4>,<1/4,3/4,3/4>,<3/4,3/4,3/4>,<1/4,1/4,3/4>,<1/4,3/4,1/4>,<3/4,1/4,1/4> 晶胞中含有的式量分子数：Ca2+：各角顶、各面心 1/8*8+6*1/2=4F-：各1/8小立方体体心 8即：每个晶胞中含有4个CaF2式量分子.该类型结构晶体有ZrO2、UO2、ThO2等* 反萤石结构：与萤石结构相反,正、负离子位颠倒的结构,阴离子做立方最紧密堆积,阳离子填充全部的四面体空隙.晶体举例：碱金属氧化物Li2O、Na2O、K2O〔2〕TiO2〔金红石型〕方法i：由2套Ti4+和4套O2-的四方原始格子穿插而成.方法ii：O2-做六方最紧密堆积,Ti4+填充一半的八面体空隙.方法iii：R Ti4+/R O2-=0.06/0.125=0.46,形成[TiO6]八面体W-=2=∑Si Si=4/6=2/3 ∴2/3*i=2 推出：i=3即：每个O2-是三个[TiO6]八面体的共用顶点.最高连接方式为共棱连接.方法v：四方晶胞：Ti4+：各角顶、体心 1/8*8+1=2O2-：2个1/8立方体体心、4个小立方体底心 2+4*1/2=4即：每个晶体中含有2个TiO2式量分子.晶体举例：GeO2、SnO2、PbO2、MnO2等.* TiO2变体：①金红石型：八面体之间共用棱边数为2条②板钛矿型：八面体之间共用棱边数为3条③锐钛矿型：八面体之间共用棱边数为4条〔3〕CdI2型I-做近似的六方最紧密堆积,Cd2+填充一半的八面体空隙.填充方式为I-形成的层间一层填满一层不填,形成层状结构晶体.两片I-离子夹一片Cd2+离子,电价饱和,层之间靠范德华力连接.方法iii：R Cd2+/R I-=0.095/0.22=0.44,形成[CdI6]八面体W-=1=∑Si Si=2/6=1/3 ∴1/3*i=1 推出：i=3即：每个I-是三个[CdI6]八面体的共用顶点.晶体举例：Mg<OH>2、Ca<OH> 23. A2X3型：α-Al2O3〔刚玉型〕——三方晶系O2-做近似六方最紧密堆积,Al3+填充2/3的八面体空隙.晶胞中存在6个八面体空隙,Al3+填充4个,故不可避免出现八面体共面现象,但α-Al2O3是稳定的,因为Al-O键很强, Al3+配位数高,比4配位时斥力小的多.R Al3+/R O2-= 0.057/0.13 5 = 0.40,形成[AlO6]八面体W-=2=∑Si Si=3/6=1/2 ∴1/2*i=2 推出：i=4即：每个O2-是4个[AlO6]八面体的共用顶点.晶体举例：α-Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3等.4、ABO3型：〔1〕 CaTiO3〔钙钛矿型〕Ca2+：个角顶 O2-：个面心 Ti4+：体心——[TiO6]Ti4+：个角顶 Ca2+：体心 O2-：各边边心——[CaO12]可视做Ca2+、 O2-〔较大的Ca2+〕做立方最紧密堆积〔2〕钛铁矿：FeTiO3〔A离子较小〕O2-做立方最紧密堆积,Fe2+、Ti4+共同填充八面体空隙.〔3〕络阴离子团的ABO3：CaCO3〔B离子较小〕5、AB2O4型：MgAl2O4〔镁铝尖晶石〕O2-做立方最紧密堆积,Al3+填充一半的八面体空隙,Mg2+填充1/8的四面体空隙.将一个晶胞分为8个小立方体〔4个为A,4个为B〕其中A：O2-：各角顶、各面心 Al3+：6条边边心 Mg2+：2个小立方体体心B：O2-：各角顶、各面心 Al3+：另6条边边心和体心无Mg2+* 正尖晶石：二价离子填充四面体空隙,三价离子填充八面体空隙.反尖晶石：一半三价离子填充四面体空隙,另一半三价离子和二价离子填充八面体空隙.第二章晶体缺陷固体在热力学上最稳定的状态是处于0K温度时的完整晶体状态,此时,其内部能量最低.晶体中的原子按理想的晶格点阵排列.实际的真实晶体中,在高于0K的任何温度下,都或多或少的存在着对理想晶体结构的偏离,即存在着结构缺陷.结构缺陷的存在与其运动规律,对固体的一系列性质和性能有着密切的关系,尤其是新型陶瓷性能的调节和应用功能的开发常常取决于对晶体缺陷类型和缺陷浓度的控制,因此掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础.晶体缺陷从形成的几何形态上可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类.其中点缺陷按形成原因又可分为热缺陷、组成缺陷〔固溶体〕和非化学计量化合物缺陷,点缺陷对材料的动力性质具有重要影响.本章对点缺陷进行重点研究,对线缺陷的类型和基本运动规律进行简要的介绍,面缺陷的内容放在表面和界面一章中讲解.第一节热缺陷一.热缺陷定义当晶体的温度高于绝对0K时,由于晶格内原子热振动,使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷.由于质点热运动产生的缺陷称为热缺陷.二.热缺陷产生的原因当温度高于绝对温度时,晶格中原子热振动,温度是原子平均动能的度量,部分原子的能量较高,大于周围质点的约束力时就可离开其平衡位置,形成缺陷.三.热缺陷的基本类型1.肖特基缺陷。

无机材料科学基础第一章

＋ H , Al 3 , Ba 2 , Sr 2 ,Ca 2 , Mg 2 , NH 4 , K , Na , Li
11
4．粘土胶粒大小与形状：颗粒小，活性边表面多，接触性大，易形成触变结构；颗粒形状呈条状、板状，易形成卡片结构，触变性↑； 5．温度：温度升高，质点热运动剧烈，颗粒间作用减弱，不易形成卡片结构； 6．PH值：PH↑，介质为碱性，边棱及板面均带负电荷，成层片状，浆体η↓，易流动，触变性↓； PH↓，酸性，易形成卡片结构，浆体η↑，触变性↑。
(2)提高ζ-电位须有一价金属离子交换粘土原来吸附的离子。
天然粘土吸附大量Ca2+、Mg2+、H+等离子（在吸附层），ζ-电位较低，用一价碱金属离子交换后，使扩散层变厚，ζ-电位升高，粘土胶粒间的斥力f 增大，粘度降低，流动性好。 2 （粘土胶粒间的斥力 f d ， d——扩散层厚度）
6
(3)阴离子的作用 ① 选择阴离子，使其与原土上的 Ca2+ 、 Mg2+ 离子形成不可溶物或
稳定的络合物，促进一价金属离子对Ca2+、Mg2+的交换。因为从阳离子交换序可知，Na+、K+离子交换Ca2+、Mg2+离子，在相同浓度下不可能，必须有较高的浓度才行。若能形成沉淀，则交换反应趋于完全。泥浆的粘度降低，流动性提高。如： Ca-土 + 2NaOH ===2Na-土 + Ca(OH)2 该反应 Ca-土 + Na2SiO3 ==2Na-土 + Ca SiO3↓ 更易进
未加稀释剂时的边－面和边－边结构
加稀释剂后的面－面结构
4
5
3. 泥浆的胶溶（稀释）须具备以下几个条件： (1)介质呈碱性

材料科学基础第一章

（2）对称面（用P表示）对称面是通过晶体中心的一个假想平面，它将晶体平分为互为镜像的两个相等部分。对称面的操作是对此平面的反映。
（3）对称轴(Ln) 对称轴是通过晶体中心的一根假想直线，晶体围绕此直线旋转一定角度后，可使相等部分重复或者说使晶体复原。
旋转一周重复的次数称为轴次（n），重复时所旋转的最小角度称为基转角（α），周次与基转角之间的关系为n=360°/ α
第三节晶体的理想形态
一、单形：由对称要素联系起来的一组晶面组合（47
种）。二、聚形：有二个或二个以上单形的晶形。
第四节晶体定向与晶面指数
空间点阵的结点可以看成是分列在一系列相互平行的直线上，这些直线系称为晶列
同一个点阵可以形成方向不同的晶列每一个晶列定义了一个方向称为晶向如果从一个结点沿晶向到最近的结点的位移矢量
7 大晶系的几何特征
(1) 三斜晶系：a b c; 90 (2) 单斜晶系：a b c; = = 90； 90 (3) 正交晶系：a b c; = = = 90 (4) 三方晶系：a = b = c; = = 90 (5) 四方晶系：a = b c; = = = 90 (6) 立方晶系：a = b = c; = = = 90 (7) 六方晶系：a = b c; = = 90; = 120
对称轴的种类
晶体对称定律：在晶体中，只可能出现轴次为一次、二次、三次、四次和六次的对称轴，而不可能存在五次和高于六次的对称轴。
（4）旋转反伸轴(Lin) 旋转反伸轴是通过晶体中心的一根假想的直线，晶体围绕此直线旋转一定角度后，再对此直线上的一点反伸，可使相等部分重复即晶体复原。
定理四如果有一个二次对称轴L2垂直Lin （或者有一个对称面P包含Lin ），当n为偶数时，则必有n/2个L2垂直 Lin 和n/2个P包含Lin ；当n为奇数时，则必有n个L2垂直 Lin 和n个P包含Lin ，而且对称面P的法线与相邻L2之间的交角δ均为360°/2n。

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第一章晶体几何基础
晶体与材料
组成材料的物质（包括天然的固态物质）按其原子（分子）的聚集状态可分为晶体与非晶体。晶体可以有单晶体和多晶体，其构成的材料分别为单晶材料和多晶材料。单晶材料有人造半导体材料单晶硅和锗、金刚石、红宝石等，多晶材料包括金属及陶瓷等。晶体固有的性质对材料的性质具有重要的决定作用。
晶体与材料
金属和陶瓷等很大一部分材料主要是由晶体组成的晶质材料。在晶质材料中，晶体本身的性质是影响材料性质的最主要因素之一。例如构成耐火材料的主晶相一般具有较高的熔点；氮化铝陶瓷良好的导热性，是因为氮化铝晶粒具有高的热导率，等等。Fra bibliotek晶体与材料
一般来讲，一种晶体具有一定的物质组成和一定的内部结构，物质组成确定后，晶体的性质主要与其内部结构（或者说内部质点的排列方式）有关。例如，金刚石和石墨，都是由碳构成的，由于碳的排列方式（内部结构）不同，金刚石具有很高的硬度，而石墨则很软。当然，不同的物质成分，也可具有相同的排列方式。本章就是关于晶体内部质点排列规律性及由此决定的晶体宏观形态规律性的认识。