§6-8 非晶态和准晶态 (2)
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02晶态和非晶态材料的特性
（1）由于负离子缺位，使金属离子过剩 Ti02、ZrO2会产生这种缺陷，分子式可 写为TiO2-x， ZrO2-x，产生原因是环境中 缺氧，晶格中的氧逸出到大气中，使晶体
中出现了氧空位。
图 TiO2-x结构缺陷示意图（I）
TiO2-x结构缺陷 在氧空位上捕获 两个电子，成为 一种色心。色心 上的电子能吸收 一定波长的光， 使氧化钛从黄色 变成蓝色直至灰 黑色。
（2）折射率的各向异性
（3）磁化率的各向异性和电导率的各向异性 （4）反射率的各向异性
J
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2.非整比化合物
晶体中出现空位或填隙原子，使化合物的成分偏离整 比性。 例如Fe1-xO，Ni1-xO等许多过渡金属氧化物和硫化物。
这类化合物的组成中，各元素的原子(或离子)可以一定 的比例范围内波动，组成不符合化合价规则，不能用 小的整数来表示，只能用小数描述，人们称此类化合 物为非整比化合物或非计量化合物。
2.2.2 非整比化合物材料及其应用
非整比化合物属于缺陷化合物，由于其实际晶体中存在缺陷
和畸变的部位，正常的点阵结构受到了一定程度的破坏或搅
乱，因而对晶体的生长，晶体的力学性能、电学性能、磁学性 能和光学性能等都有着极大的影响，在生产上和科研中都非常 重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内 容。
2.3.1 液晶和塑晶
通常物质有固态、液态和气态三种形态，常见的冰、 水和水蒸气就是人人知晓的水的三态。 不过，自然界的物质往往要复杂的多，有时固态和
液态就很难区分，存在许多中间状态。
晶体和液体之间即存在着两种中间状态：像晶体的
液体和像液体的晶体，前者称为液晶，后者称为塑
晶。
(a)液晶和(b)塑晶在升温过程中出现的变化情况
非晶态
谢谢观看
非晶态
固态物质原子的排列所具有的近程有序、长程无序的状态
目录
01 的形成
03 结构的表征
02 转变 04 合金
基本信息
非晶态，是指固态物质原子的排列所具有的近程有序、长程无序的状态。对晶体，原子在空间按一定规律作 周期性排列，是高度有序的结构，这种有序结构原则上不受空间区域的限制，故晶体的有序结构称为长程有序。 具有长程有序特点的晶体，宏观上常表现为物理性质（力学的、热学的、电磁学的和光学的）随方向而变，称为 各向异性，熔解时有一定的熔解温度并吸收熔解潜热。
下面描绘了气体、液体、非晶体和晶体典型的径向分布函数RDF图。气体分子完全无序，因此当R>R0时，其 g（R）恒等于1；液体与非晶体的RDF类似，它们都是长程无序而短程有序的，但液体的RDF的峰值明显降低，峰 宽展宽，曲线更加平滑，缺乏非晶体的某些细节。而晶体的RDF为很窄的峰，表明晶体中原子的有序排列。
图1不同状态时材料性能随温度的变化非晶态可由气相、液相快冷形成，也可在固态直接形成（如离子注入、 高能离子轰击、高能球磨、电化学或化学沉积、固相反应等）。
普通玻璃的形成方法，是将原料经过高温熔融形成熔体，然后将熔体进行过冷（急冷）固化变为玻璃体。一 般的冷却速度无法将金属和合金熔体转化为非晶态，必须采用特殊的制备方法，冷却速度要达到极快使它来不及 结晶而形成非晶态。纯金属形成非晶态的冷却速率为1010K/s以上，合金形成非晶态的冷却速率为106K/s以上。 20世纪70年代以后，人们开始采用熔体旋淬急冷方法（Melt Spinning）制备非晶条带，即将高温熔体喷射到高 速旋转的冷却辊上，熔体以每秒百万摄氏度的速度迅速冷却，以致金属中的原子来不及重新排列，杂乱无章的结 构被冻结，这样就形成了非晶态合金。
非晶合金与准晶
非晶合金 与 准晶1.非晶态合金的发现长期以来，提到合金指的就是晶态合金。
提到非晶 态，指的是玻璃态的硅酸盐。
上个世纪六十年代，非 晶态合金的出现，改变了这种情况。
60年代初Duwez等发展了溅射淬火技术，用快速冷 却的方法，使液态合金的无序结构冻结起来，形成非 晶态合金Au3Si，对传统的金属结构理论是一个不小的 冲击，由于非晶态合金具有许多优良性能：高强度、 良好的软磁性、耐腐蚀性等，很快成为重要的功能材 料，获得很快发展。
2.非晶态合金的结构特征非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无 序。
晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由 于周期性，固体中所有原子的排布都知道了。
而非 晶态合金结构特点为短程有序、长程无序，即某一 个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的，而更 远的原子是无序的。
从X射线衍射强度图可以看出， 晶态有明确、锐利的衍射峰，而非晶态只有较圆滑 的峰，后面是一些不可分辨的曲线，即非晶态合金 不能从X射线衍射中获得太多的信息，目前用径向分 布函数来表征非晶态合金结构。
晶态材料与非晶态材料数值密度函数随距离变 化的示意图2.非晶态合金的结构特征非晶态固体与晶态固体相比，结构上的最本质的差别 是不存在长程有序性。
组成晶体的粒子在宏观尺度上 规则排列的周期性，就称为长程有序性。
在非晶态固体中，原子位置的空间分布并不是无规 则的，而是存在一种局域关联性，因此，在非晶态固 体中存在着极为明显的短程有序性。
所谓短程有序 性，就是在原子周围小区域内原子排列的规则性，一 般是用在任一特定原子的最近邻的原子数(即配位数) 来表示。
①非晶合金具有比普通金属更高的强度。
②非晶态合金因其结构呈长程无序，故在物理 性能上与晶态合金不同，显示出异常情况。
③非晶合金比普通金属具有更强的耐化学腐蚀 能力。
非晶态合金是均匀的多元固溶体，不 存在晶界、第二相、析出物等结构缺陷，有 利于抗化学腐蚀。
非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无 序。
准晶非晶液晶单晶
结构特点性能应用制备法准晶概念随着材料技术的发展，出现了一类结构不符合晶体的对称条件，但呈一定的周期性有序排列新的原子聚集状态的固体，这种状态被称为准晶态，此固体称为准晶。
结构既不同于晶体，也不同于非晶态，原子分布不具有平移对称性，但仍有一定的规则，且呈长程的取向性有序分布，可认为是一种准周期性排列。
一位准晶：原子有二维是周期分布的，一维是准晶周期分布。
一维准晶模型————菲博纳奇（fibonacci）序列其序列以L→L+S S →L(L,S分别代表长短两段线段）的规律增长，若以L为起始项，则会发现学列中L可以成双或成单出现，而S只能成单出现，序列的任意项均为前两项之和，相邻的比值逐渐逼近i，当n →∞时，i=（1+√5）/2二维准晶：一种典型的准晶结构是三维空间的彭罗斯拼图(Penrose)。
二维空间的彭罗斯拼图由内角为36度、144度和72度、108度的两种菱形组成，能够无缝隙无交叠地排满二维平面。
这种拼图没有平移对称性，但是具有长程的有序结构，并且具有晶体所不允许的五次旋转对称性。
三维准晶：原子在三维上的都是准周期分布包括二十面体准晶，立方准晶。
性能准晶室温下表现为硬而脆，韧性较低，准晶材料密度低于其晶态时的密度，比热容比晶态大。
准晶大多由金属元素构成，由金属元素形成的晶体，他们的导电性是人所共知的，金属晶体这些导电性质相比，准晶体一般具有较大的电阻，当温度不太高是，准晶的电阻随温度的增加而减少，实验发现，准晶的导电性随样品质量的改善而降低。
其电阻率甚高，电阻温度系数甚小，电阻随温度的变化规律也各不相同。
应用准晶材料的性能特点是较高的硬度，低摩擦系数，不粘性，耐腐，耐热和耐磨等，但是准经材料的本质脆性大大限制了其应用，目前准经材料的应用主要作为表面改性材料或者作为增强相弥散分布与结构材料中，准经材料在表面改性材料中的应用将准晶材料以涂层，耐热，耐磨，低的摩察系数，耐腐，特殊的光学性能，从而改变材料表面的性质，优化整体材料的性能。
晶体 非晶体 准晶体
结晶质（crystalline）：
是内部质点（原子、离子或分子）在三 维空间成周期性平移重复排列的固态物质。 即具有格子构造的固态物质。
1 显晶质：借助于肉眼或一般放大镜能分 辨出结晶颗粒者。 2 隐晶质：用一般放大镜无法分辨出结晶 颗粒者。
二、非晶质体的概念
非晶质体（non-crystal）： ➢是内部质点在三维空间不作周期性重复排列的
三、准晶体的概念
准晶体（quasicrystal）： 是内部质点的排布具长程有序（远程规 律），但不具有三维周期性重复的格子构造的 固体。
§ 2 空间格子
一、空间格子的导出
空间格子： 表示晶体内部结构中质点在周期
性重复规律的三维无限的几何图形。
对实际晶体结构作抽象：
1 在晶体结构中任选一几何点。
2
在结构中找出与此点相当的几何点，这样一
系列的点称相当点。
相当点（等同点）：在晶体结构中的位置及环 境均完全相同的点。
3 将相当点从晶体结构中抽象出来，构成一个 空间点阵。
4 以三组不共面的直线将阵点连接起来，即形 成了三维格子状的空间格子。
二、空间格子的要素
1．结点
➢ 空间格子中的点，代表晶体结构中的相当点， 为几何点。
§ 3 晶体的基本性质
1. 自限性 晶体在自由空间中生长时，能自发地形成封
闭的凸几何多面体外形。 晶面：晶体表面上自发长成的平面。 晶棱：晶面的交棱。
2. 均一性 同一晶体的任一部位的性质都是相同的。
注意：
1）晶体的均一性是由其格子构造决 定的，称为结晶均一性。
2）非晶质体也具均一性，但它是宏 观统计、平均近似的，称为统计均一性。
不同的方向或位置上有规律地重复出 现。
第二章晶态和非晶态结构
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小分子间相互作用能 < 共价键键能
高分子间相互作用能 》共价键键能
高聚物无气态 物质只有在破坏掉其分子间力时才会变为气态， 高聚物气化所需的能量 》破坏化学键所需的能量
不可能用蒸馏的方法来纯化聚合物
五、分子间作用力的表征
以上各种分子间作用力共同起作用才使相同或不同分子 聚集成聚合物；而聚合物的一些特性，如沸点、熔点、气化 点、熔融热、溶解度、粘度和强度都受到分子间作用力的影 响； 因为分子间作用力与分子量有关，而高分子的分子量一 般都很大，致使分子间的作用力的加和超过化学键的键能， 所以一般聚合物不存在气态。所以我们不能用单一作用能来 表示高分子链间的相互作用能，而用宏观量： 内聚能 内聚能密度
第二章 高分子的凝聚态结构
基本要求
掌握内聚能密度的概念，内聚能密度大小与分 子间作用力之间的关系；结晶度的概念、测定 方法和计算方法；取向和解取向的概念、机理 以及取向对高聚物性能的影响。理解晶体结构 的基本概念，聚合物（聚乙烯、聚丙烯）的晶 体结构，聚合物的结晶形态、晶态高聚物的结 构模型；理解非晶态和液晶态高聚物的结构。 掌握高分子合金相容性、形态和性能之间的关 系。
第二章晶态和非晶态
26
晶体与非晶态固体的根本区别，在于其内部 结构的周期性，以及因此而生的对称性、Ｘ射线 的衍射效应。
晶体结构的周期性表现为长程有序。非晶态 固体则是一种长程无序结构，这种无序可表现为 两种形式：一为组成粒子在空间位置上的排列无 序；二是多元体系中不同组分无规则地随机分布， 也称成分无序。
但是在非晶态固体中存在着短程有序，即在 每个粒子的近邻的排列有规则性，在这个小范围 内较好地保留了相应的晶态材料中的配位状况。
2.1 晶体特征的结构基础 晶态物质有别于气体、液体的最典
型特征是具有点阵结构，正是由于本身 结构的特殊性，使晶体呈现出与其它物 质完全不同的特殊性质。
2
１、晶体的均匀性
由于晶体中原子排布的周期性规则，同时该周 期非常小，在宏观观察中不能分辨出晶体微观结构 中的不连续性，从而导致了晶体各部分具有相同的 密度、化学组成等性质。因此，从宏观角度看，晶 体具有均匀性。
18
并非所有的有机化合物分子都具有液晶态， 只有那些形状类似棒状，长宽比在４~８之间， 分子量为200~500，长度达几个纳米的分子才会 出现液晶形态。进而在液晶状态出现多种特殊的 性质和应用价值。液晶最常见的应用领域为各种 液晶显示器。
19
液晶的分类
液晶的分类有几种方法，以相对分子量的 大小，液晶可分为低分子液晶和高分子液晶；
27
28
利用X衍射线的峰形数据，能够测定粉未材 料中平均晶粒大小的数据，当晶粒粒径小于 200nm时，衍射峰开始变宽，晶粒越小，宽化越 多，当粒径小于几个纳米时，衍射峰消失在背底 之中。晶粒大小和衍射峰的关系如下：
D＝Kλ/（B－B0）cosθ 式中：D是晶粒粒径； λ是X射线波长；K为一固 定常数数值约为0.9；B0为晶粒较大时衍射线半高 宽，B为待测样品衍射线半高宽（2 θ标度的峰）， B－B0要以弧度表示。
晶体与非晶态固体的根本区别，在于其内部 结构的周期性，以及因此而生的对称性、Ｘ射线 的衍射效应。
晶体结构的周期性表现为长程有序。非晶态 固体则是一种长程无序结构，这种无序可表现为 两种形式：一为组成粒子在空间位置上的排列无 序；二是多元体系中不同组分无规则地随机分布， 也称成分无序。
但是在非晶态固体中存在着短程有序，即在 每个粒子的近邻的排列有规则性，在这个小范围 内较好地保留了相应的晶态材料中的配位状况。
2.1 晶体特征的结构基础 晶态物质有别于气体、液体的最典
型特征是具有点阵结构，正是由于本身 结构的特殊性，使晶体呈现出与其它物 质完全不同的特殊性质。
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１、晶体的均匀性
由于晶体中原子排布的周期性规则，同时该周 期非常小，在宏观观察中不能分辨出晶体微观结构 中的不连续性，从而导致了晶体各部分具有相同的 密度、化学组成等性质。因此，从宏观角度看，晶 体具有均匀性。
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并非所有的有机化合物分子都具有液晶态， 只有那些形状类似棒状，长宽比在４~８之间， 分子量为200~500，长度达几个纳米的分子才会 出现液晶形态。进而在液晶状态出现多种特殊的 性质和应用价值。液晶最常见的应用领域为各种 液晶显示器。
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液晶的分类
液晶的分类有几种方法，以相对分子量的 大小，液晶可分为低分子液晶和高分子液晶；
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利用X衍射线的峰形数据，能够测定粉未材 料中平均晶粒大小的数据，当晶粒粒径小于 200nm时，衍射峰开始变宽，晶粒越小，宽化越 多，当粒径小于几个纳米时，衍射峰消失在背底 之中。晶粒大小和衍射峰的关系如下：
D＝Kλ/（B－B0）cosθ 式中：D是晶粒粒径； λ是X射线波长；K为一固 定常数数值约为0.9；B0为晶粒较大时衍射线半高 宽，B为待测样品衍射线半高宽（2 θ标度的峰）， B－B0要以弧度表示。
第二章晶态和非晶态材料的特性
纤维增强复合材料
以晶态或非晶态聚合物为基体，通过添加纤维增强体，可制备出高 性能的纤维增强复合材料，用于航空航天、汽车等领域。
层状复合材料
由不同性质的晶态或非晶态材料交替叠加而成，具有优异的力学性 能和功能特性，可用于制造防护装甲、隔热材料等。
多功能复合材料
通过设计不同组分的晶态和非晶态材料，实现多种功能的集成，如 导电、导热、耐磨等，满足复杂应用场景的需求。
结构材料应用
建筑工程
晶态材料如钢铁、混凝土等广泛应用于桥梁 、大坝、高层建筑等结构工程，提供强度和 稳定性。
航空航天
非晶态合金由于具有优异的力学性能和耐腐蚀性， 在航空航天领域用于制造轻量化、高强度的零部件 。
汽车工业
晶态和非晶态材料在汽车工业中均有应用， 如铝合金车身、非晶态涂层等，以提高汽车 性能和降低能耗。
原子排列无序性
无晶格结点
非晶态材料中原子不是按照固定的晶格 结点排列，而是呈现出连续、无规则的 分布。
VS
密度涨落
由于原子排列的无序性，非晶态材料的密 度会在不同区域出现涨落，即密度不均匀 。
局部有序结构存在
化学短程序
在非晶态材料中，原子之间倾向于形成特定 的化学键合，从而形成化学短程序。
拓扑短程序
面缺陷
面缺陷是指晶体中沿二维方向延伸的缺陷，如晶界、孪晶 界等。面缺陷会影响晶体的力学、电学和热学性能，同时 也会影响晶体的腐蚀和氧化行为。
典型晶态材料举例
金属
金属是典型的晶态材料，如铁、 铜、铝等。金属的晶体结构多为 面心立方或体心立方，具有良好 的导电性、导热性和延展性。
陶瓷
陶瓷材料也是晶态材料的一种， 如氧化铝、氮化硅等。陶瓷的晶 体结构复杂，具有高硬度、高熔 点和良好的化学稳定性等特点。
2.2 晶态与非晶态材料
化学强化处理
◦ 在玻璃表面进行离子交换使玻璃强化的方法统称 为化学钢化。 ◦ 原理是把玻璃组成中的Na+置换为半径较大的K+， 由于这种置换作用，将其抵抗拉应力的压应力层 预先置入玻璃表面，实现了玻璃强化的目的。 ◦ 将普通玻璃置于欲置换离子的熔岩中，在高温下 进行离子交换处理是一种使玻璃化学钢化的方法。
太阳能电池
玛瑙
硅酸盐 种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧 化硅和金属氧化物的形式来表示其组成。 硅酸钠：Na2SiO3可以写成Na2O · SiO2 高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4 Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O 钙长石：CaAl2SiO6 CaO · Al2O3 · SiO2 正长石： K2Al2Si6O16 K2O ·Al2O3 ·6SiO2
CCC强制认证（安全玻璃、陶瓷砖放射性） 产品自愿性认证（水泥、玻璃和陶瓷等50类建材产品） 体系认证（质量管理体系、环境管理体系、职业健康安全管理体系） 汽车玻璃零配安装服务认证
中国安全玻璃认证中心简介
中国安全玻璃认证中心： ※1989年11月就开始开展汽车安全玻璃安全认证工作。 ※ 2002年4月经国家认证认可监督管理委员会授权对汽 车、建筑和机车用安全玻璃实施CCC强制认证。 ※认证中心在汽车安全玻璃方面，拥有国内知名的技术 专家和众多技术人员，熟悉了解产品的生产工艺和检测 技术。 享受政府特贴专家2人、 博士7人、工程硕士33人、 管理学硕士5人、教授级 高工13人、高级工程师 及工程师84人等专业技 术人才，计100余人
玻璃的命名
•
由两种以上玻璃形成体氧化物组成的玻璃， 以其含量多少来命名。 ◦ 举例：在SiO2 , B2O3 , Al2O3 作玻璃形成体 构成的玻璃中，如果氧化物含量SiO2 > B2O3 > Al2O3 叫做铝硼硅酸盐。
第2讲 晶态与非晶态
如萤石的解理块为八面体，仅靠八面体 不能堆砌出完整的晶体。
萤石的八面体解理块
⑵许多晶体，如石英，不能破碎成几何 多面体。 ⑶最小的平行六面体并不是“分子”。
惠更斯：认为晶体中质点的有序排列导 致晶体具有一定的多面体外形。
布拉维（A.Bravais） 推导出32种对称型和14种空间格子，提 出晶体结构的空间格子理论。 劳埃(Max Von Laue)，德国科学家。
⑹定熔性 指晶体具有固定熔点的性质。
熔 点 熔 点
t 非晶质体的加热曲线 非晶质体的加热曲线 晶体的加热曲线 晶体的加热曲线
t t
原子堆积与晶体中的缺陷 实际的晶体可以看作一些一定尺寸的硬球的堆积： 尺寸大的原子或离子尽量靠近，为了使自由能最小，它们作最紧 密堆积(ccp或hcp)；在形成密堆积时，还有四面体空位和八面体 空位，小尺寸原子或离子就进入这些空位 金属结构大部分由等原子半径的金属元素面心密积或六方密堆积 化合物中通常由离子半径大的离子作密堆积，半径小的离子占空位
传导电子、空穴、极化子、陷阱 杂质、空位、位错
√
晶体的许多性质因缺陷改变，控制缺陷可以控制晶体的性能
点缺陷(零维缺陷)：填隙原子、空位、杂质和空位对等
Frenkel
Schottky
纯度：99％， 99.9％， 99.99％， 99.999％， 99.9999％ 铁 ＋ 碳 ZnS ＋ 10－4 钢 ％ (原子)AgCl 45号钢（0.45％ C）
NaC1晶体的抗拉强度的异向性 （单位：g/mm2）
⑶均一性 同一晶体任何部位的物理性质和化学组 成均相同。 如何理解晶体异向性和均一性的统一？
⑷对称性 所有的晶体都是对称的。晶体的对称 不但表现在外形上，其内部构造和物 理性质也是对称的。 ⑸稳定性 在相同的热力学条件下，晶体与同种成 分的非晶质体、液体、气体相比，以晶 体最为稳定。
萤石的八面体解理块
⑵许多晶体，如石英，不能破碎成几何 多面体。 ⑶最小的平行六面体并不是“分子”。
惠更斯：认为晶体中质点的有序排列导 致晶体具有一定的多面体外形。
布拉维（A.Bravais） 推导出32种对称型和14种空间格子，提 出晶体结构的空间格子理论。 劳埃(Max Von Laue)，德国科学家。
⑹定熔性 指晶体具有固定熔点的性质。
熔 点 熔 点
t 非晶质体的加热曲线 非晶质体的加热曲线 晶体的加热曲线 晶体的加热曲线
t t
原子堆积与晶体中的缺陷 实际的晶体可以看作一些一定尺寸的硬球的堆积： 尺寸大的原子或离子尽量靠近，为了使自由能最小，它们作最紧 密堆积(ccp或hcp)；在形成密堆积时，还有四面体空位和八面体 空位，小尺寸原子或离子就进入这些空位 金属结构大部分由等原子半径的金属元素面心密积或六方密堆积 化合物中通常由离子半径大的离子作密堆积，半径小的离子占空位
传导电子、空穴、极化子、陷阱 杂质、空位、位错
√
晶体的许多性质因缺陷改变，控制缺陷可以控制晶体的性能
点缺陷(零维缺陷)：填隙原子、空位、杂质和空位对等
Frenkel
Schottky
纯度：99％， 99.9％， 99.99％， 99.999％， 99.9999％ 铁 ＋ 碳 ZnS ＋ 10－4 钢 ％ (原子)AgCl 45号钢（0.45％ C）
NaC1晶体的抗拉强度的异向性 （单位：g/mm2）
⑶均一性 同一晶体任何部位的物理性质和化学组 成均相同。 如何理解晶体异向性和均一性的统一？
⑷对称性 所有的晶体都是对称的。晶体的对称 不但表现在外形上，其内部构造和物 理性质也是对称的。 ⑸稳定性 在相同的热力学条件下，晶体与同种成 分的非晶质体、液体、气体相比，以晶 体最为稳定。
材料科学基础：第6章 非晶态与半晶态材料
按分子间键合类型： 热塑性聚合物(TP): 分子链间有二次键 热固性聚合物(TS)：在主链上一次键
“在这个TS聚合 物中由现存的3 个等同键合位 置与每一个酚 单体连接而构 成三维一次键 网络”
2.聚合物的结构
I. 高分子的链结构 高分子的二级结构： (1)高分子的大小(即分子量) (2)高分子链的形态(构象)
高分子 链构象
构象是由分子内热运动引起的物理现象，是不断改变的， 具有统计性质。因此讲高分子链取某种构象是指的是它取这 种构象的几率最大。
Ⅱ.高分子的柔顺性
高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能 称为高分子链的柔顺性。 高分子链能形成的构象数越 多，柔顺性越大。
由于分子内旋转是导致分子链柔顺性的根本原因， 而高分子链的内旋转又主要受其分子结构的制约，因 而分子链的柔顺性与其分子结构密切相关。
CH2CH2 柔顺性：聚乙烯
CH2CH2CH2CHCH2 Cl
>
氯化聚乙烯
>
CH2CH Cl
聚氯乙烯
非极性侧基的体积越大，内旋转位阻越大，柔
顺性越差;
CH2CH H
柔顺性：聚乙烯
CH2 CH CH3
> 聚丙烯
CH2CH Ph
>
聚苯乙烯
对称性侧基，可使分子链间的距离增大，相互作
用减弱，柔顺性大。侧基对称性越高，分子链柔顺
性越好。如：
CH2 CH CH3
CH3 CH2C
《材料科学基础》
第六章 非晶态与半晶态材料
第一节 前言
非晶：原子在空间的排列无周期性和平移对称性， 短程有序而长程无序结构的固体。 种类：大多数热固性塑料、透明聚合物、橡胶、氧 化物和金属玻璃等。
第二章晶态和非晶态材料的特性
玻璃是一种脆性材料，其强度一般用抗压、抗张 强度等来表示。玻璃的抗张强度较低，由于玻璃 的脆性和玻璃表面的瑚裂纹所引起的。玻璃的抗 压强度约为抗张强度的14—15倍
(2)硬度
玻璃的硬度较大，硬度仅次于金刚石、炭化硅等材 料，它比一般金属硬，不能用普通刀和锯进行切割； 玻璃的硬度值在莫氏硬度5—7之间，可根据玻璃的 硬度选择磨料、磨具和加工方法，如雕刻、抛光、 研磨和切割等
晶体能自发形成多面体外形(晶体的自范性) ，满足欧拉定理 F(晶面数)+V(顶点数)=E(晶棱数)+ 2
6+8=12+2 8+6=12+2 4+4=6+2
晶体的理想外形具有特定的对称性，这是内部结构对称性的反映
4、晶体有确定的熔点而非晶体没有
晶体加热至熔点开始熔化，熔化过程中温度 保持不变，熔化成液态后温度才继续上升。 而非晶态玻璃体熔化时，随着温度升高，粘 度逐渐变小，成流动性较大的液体
第二章 晶态和非晶态材料的特性
1. 晶体特征的结构基础 2. 晶体学点群和晶体的性质 3. 非整比化合物材料 4. 液晶材料 5. 玻璃和陶瓷
2.1 晶体特征的结构基础
晶体结构最基本的特征是周期性，晶体是由 原子或分子在空间按一定规律周期重复排列 构成的固态物质，具有三维空间周期性。由 于这样的内部结构，晶体具有以下性质:
(3)光学性质
玻璃是一种高度透明的物质，具有一定的光学常数、 光谱特性，具有吸收或透过紫外线和红外线、感光、 光变色、光储存和显示等重要光学性能。通常光线 透过愈多，玻璃质地越好。由于玻璃品种较多，各 种玻璃的性能也有很大的差别，如有的铅玻璃具有 防辐射的特性。一般通过改变玻璃的成分及工艺条 件，可使玻璃的性能有很大的变化
(2)硬度
玻璃的硬度较大，硬度仅次于金刚石、炭化硅等材 料，它比一般金属硬，不能用普通刀和锯进行切割； 玻璃的硬度值在莫氏硬度5—7之间，可根据玻璃的 硬度选择磨料、磨具和加工方法，如雕刻、抛光、 研磨和切割等
晶体能自发形成多面体外形(晶体的自范性) ，满足欧拉定理 F(晶面数)+V(顶点数)=E(晶棱数)+ 2
6+8=12+2 8+6=12+2 4+4=6+2
晶体的理想外形具有特定的对称性，这是内部结构对称性的反映
4、晶体有确定的熔点而非晶体没有
晶体加热至熔点开始熔化，熔化过程中温度 保持不变，熔化成液态后温度才继续上升。 而非晶态玻璃体熔化时，随着温度升高，粘 度逐渐变小，成流动性较大的液体
第二章 晶态和非晶态材料的特性
1. 晶体特征的结构基础 2. 晶体学点群和晶体的性质 3. 非整比化合物材料 4. 液晶材料 5. 玻璃和陶瓷
2.1 晶体特征的结构基础
晶体结构最基本的特征是周期性，晶体是由 原子或分子在空间按一定规律周期重复排列 构成的固态物质，具有三维空间周期性。由 于这样的内部结构，晶体具有以下性质:
(3)光学性质
玻璃是一种高度透明的物质，具有一定的光学常数、 光谱特性，具有吸收或透过紫外线和红外线、感光、 光变色、光储存和显示等重要光学性能。通常光线 透过愈多，玻璃质地越好。由于玻璃品种较多，各 种玻璃的性能也有很大的差别，如有的铅玻璃具有 防辐射的特性。一般通过改变玻璃的成分及工艺条 件，可使玻璃的性能有很大的变化
准晶、纳米晶、非晶和液晶结构
揭示了玻璃的微不均匀性，描述了玻璃结构近程有 序的特点。晶子尺寸太小，无法用x－射线检测，晶子 的含量、组成也无法得知。
（2）无规则网络学说
学说要点： a:形成玻璃的物质与相应的晶体类似，形成相似的 三维空间网络。
b:这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维 空间无规律的发展而构筑起来的。
c:电荷高的网络形成离子位于多面体中心，半径大 的变性离子，在网络空隙中统计分布，对于每一个变 价离子则有一定的配位数。
离子键化合物在熔融状态以单独离子存在， 流动性很大，凝固时靠静电引力迅速组成晶格。 离子键作用范围大，又无方向性，且离子键化合 物具有较高的配位数（6、8），离子相遇组成晶 格的几率较高，很难形成玻璃。
金属键物质，在熔融时失去联系较弱的电子， 以正离子状态存在。金属键无方向性并在金属晶 格内出现最高配位数（12），原子相遇组成晶格 的几率最大，最不易形成玻璃。
折射率等
第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等
Tg ：玻璃形成温度，又称脆性温度。它是玻 璃出现脆性的最高温度，由于在这个温度下可 以消除玻璃制品因不均匀冷却而产生的内应力， 所以也称退火温度上限。
Tf ：软化温度。它是玻璃开始出现液体状态 典型性质的温度。相当于粘度109dPa·S，也是 玻璃可拉成丝的最低温度。
二是双辊法，此法也生产带状制品。与单辊法不同的 是，液体状金属喷射到两辊间隙处，进行双面冷却和 压延。
三是水中拉丝法。金属玻璃丝有独特的用途，但难以 用上述的辊面冷却方法制作，故常用水中拉丝法制作， 即把液体金属连续注入冷却水中，直接获得金属玻璃 丝。
此外，晶体材料在高能辐照或机械驱动作用下 也会发生非晶转变。
准晶体目前的应用包括耐磨涂层、不黏涂层、 热阻涂层(引擎绝热)、高效热电转换、聚合物 母体合成、选择性太阳能吸收和储氢等，主要 有铝系合金准晶体、Ti(zr)基准晶二大体系。
（2）无规则网络学说
学说要点： a:形成玻璃的物质与相应的晶体类似，形成相似的 三维空间网络。
b:这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维 空间无规律的发展而构筑起来的。
c:电荷高的网络形成离子位于多面体中心，半径大 的变性离子，在网络空隙中统计分布，对于每一个变 价离子则有一定的配位数。
离子键化合物在熔融状态以单独离子存在， 流动性很大，凝固时靠静电引力迅速组成晶格。 离子键作用范围大，又无方向性，且离子键化合 物具有较高的配位数（6、8），离子相遇组成晶 格的几率较高，很难形成玻璃。
金属键物质，在熔融时失去联系较弱的电子， 以正离子状态存在。金属键无方向性并在金属晶 格内出现最高配位数（12），原子相遇组成晶格 的几率最大，最不易形成玻璃。
折射率等
第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等
Tg ：玻璃形成温度，又称脆性温度。它是玻 璃出现脆性的最高温度，由于在这个温度下可 以消除玻璃制品因不均匀冷却而产生的内应力， 所以也称退火温度上限。
Tf ：软化温度。它是玻璃开始出现液体状态 典型性质的温度。相当于粘度109dPa·S，也是 玻璃可拉成丝的最低温度。
二是双辊法，此法也生产带状制品。与单辊法不同的 是，液体状金属喷射到两辊间隙处，进行双面冷却和 压延。
三是水中拉丝法。金属玻璃丝有独特的用途，但难以 用上述的辊面冷却方法制作，故常用水中拉丝法制作， 即把液体金属连续注入冷却水中，直接获得金属玻璃 丝。
此外，晶体材料在高能辐照或机械驱动作用下 也会发生非晶转变。
准晶体目前的应用包括耐磨涂层、不黏涂层、 热阻涂层(引擎绝热)、高效热电转换、聚合物 母体合成、选择性太阳能吸收和储氢等，主要 有铝系合金准晶体、Ti(zr)基准晶二大体系。
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应用最普遍的非晶态固体是有机聚合物，包括有机
玻璃、各种塑料和合成纤维等，已经深入到几乎所有
的技术领域和人们的日常生活之中。不仅用于制作形 形色色的日用品，也是重要的结构材料，而且还有许 多特殊的用途。 还有富 Te和 Ge-Te半导体玻璃以及软磁非晶态合金
（铁磁玻璃）等材料。
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二、准晶态简介 若将晶体绕某固定轴旋转一定角度 =2n后，仍能 自身重合，则该晶体具有 n次旋转对称性。同时，晶 体还具有平移周期性，将该晶体的基元晶胞一个挨 一个排列起来，可以充满整个晶体，中间不会留下任 何空隙。为了满足平移周期性，旋转对称性就要受到 很大的限制，理论可以证明，n只能为2、3、4和6。 前面所说的十四种布喇菲晶胞就是同时满足这两种 特性的晶体基元。譬如，在用一种相同形状的地砖铺 地时，地砖形状可以是平行四边形（n=2）、正三角 形（n=3）、正方形（n=4）或正六角形（n=6），将 它们一个挨一个地排列，必定铺满地面，中间是不会 3 留下任何空隙的。
不存在5次和大于6次以上的旋转对称性。
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1984 年谢赫特曼（ D.Shechtman ）在快速冷却的铝 锰合金中发现了一种新相，其电子衍射斑点的分布具 有明显的 5 次旋转对称性。我国科学家郭可信等人在 钛钒镍合金和铬镍硅合金中分别发现了 5 次旋转对称 性和 8 次旋转对称性，还观测到了 12 次旋转对称性。 这一系列发现极大地震动了固体物理学领域，打破了 一百多年来已经形成的晶体学概念。谢赫特曼也因此 获得了2011年诺贝尔化学奖。
这种5次和大于 6次以上的旋转对称性的结构，不具 有完全的平移周期性，人们把它叫作准周期性，而把 具有准周期性结构的晶体叫作准晶体，简称准晶。准 晶的发现为固体物理的研究开辟了新的领域，推动了 固体物理理论的发展。 5
丹尼尔· 舍特曼（Dan Shechtman）1941年出生于特 拉维夫的以色列材料科学家，任以色列理工学院菲利 普托比亚斯材料科学教授、美国能源部能源埃姆斯实 验室助理、艾奥瓦州立大学材料科学教授。1982年发 现二十面体相，开辟了准晶体研究的新领域。 2011年 获得诺贝尔化学奖。
作用的约束。原子局域关联性的存在决定了在非晶
态固体中存在着极为明显的短程有序性。短程有序 性，就是在原子周围小区域内原子排列的规则性。
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非晶态固体与人们的生活密有切联系：
玻璃和各种玻璃制品，已经成了各种现代建筑和交 通工具不可替代的结构材料；Si-Ge玻璃制成的高纯 度和高均匀性的玻璃纤维大量用于光纤通讯。
* §6-8 非晶态和准晶态
一、非晶态固体及其应用 组成晶体的粒子在宏观尺度上规则排列的周期性，
就称为长程有序性。非晶态固体与晶态固体相比，体中，原子位置的空间分布并不是无
规则的，而是存在一种局域关联性，反映了相邻原
子之间，在短距离内受到物理的和化学的成键相互
但是，如果采用除了这四种形状以外的其它形状的 地砖，例如，正五角形（n = 5）地砖，地面各处必定 会留下一些空隙的。 如果还想继续把地面铺好，就必须另外再选一种或 多种其它形状的地砖，才能把空隙填补起来。这就说 明了，5次和大于6次以上的旋转对称性与平移周期性 是不相容的。所以，在已有的固体物理概念中，晶体
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玻璃、各种塑料和合成纤维等，已经深入到几乎所有
的技术领域和人们的日常生活之中。不仅用于制作形 形色色的日用品，也是重要的结构材料，而且还有许 多特殊的用途。 还有富 Te和 Ge-Te半导体玻璃以及软磁非晶态合金
（铁磁玻璃）等材料。
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二、准晶态简介 若将晶体绕某固定轴旋转一定角度 =2n后，仍能 自身重合，则该晶体具有 n次旋转对称性。同时，晶 体还具有平移周期性，将该晶体的基元晶胞一个挨 一个排列起来，可以充满整个晶体，中间不会留下任 何空隙。为了满足平移周期性，旋转对称性就要受到 很大的限制，理论可以证明，n只能为2、3、4和6。 前面所说的十四种布喇菲晶胞就是同时满足这两种 特性的晶体基元。譬如，在用一种相同形状的地砖铺 地时，地砖形状可以是平行四边形（n=2）、正三角 形（n=3）、正方形（n=4）或正六角形（n=6），将 它们一个挨一个地排列，必定铺满地面，中间是不会 3 留下任何空隙的。
不存在5次和大于6次以上的旋转对称性。
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1984 年谢赫特曼（ D.Shechtman ）在快速冷却的铝 锰合金中发现了一种新相，其电子衍射斑点的分布具 有明显的 5 次旋转对称性。我国科学家郭可信等人在 钛钒镍合金和铬镍硅合金中分别发现了 5 次旋转对称 性和 8 次旋转对称性，还观测到了 12 次旋转对称性。 这一系列发现极大地震动了固体物理学领域，打破了 一百多年来已经形成的晶体学概念。谢赫特曼也因此 获得了2011年诺贝尔化学奖。
这种5次和大于 6次以上的旋转对称性的结构，不具 有完全的平移周期性，人们把它叫作准周期性，而把 具有准周期性结构的晶体叫作准晶体，简称准晶。准 晶的发现为固体物理的研究开辟了新的领域，推动了 固体物理理论的发展。 5
丹尼尔· 舍特曼（Dan Shechtman）1941年出生于特 拉维夫的以色列材料科学家，任以色列理工学院菲利 普托比亚斯材料科学教授、美国能源部能源埃姆斯实 验室助理、艾奥瓦州立大学材料科学教授。1982年发 现二十面体相，开辟了准晶体研究的新领域。 2011年 获得诺贝尔化学奖。
作用的约束。原子局域关联性的存在决定了在非晶
态固体中存在着极为明显的短程有序性。短程有序 性，就是在原子周围小区域内原子排列的规则性。
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非晶态固体与人们的生活密有切联系：
玻璃和各种玻璃制品，已经成了各种现代建筑和交 通工具不可替代的结构材料；Si-Ge玻璃制成的高纯 度和高均匀性的玻璃纤维大量用于光纤通讯。
* §6-8 非晶态和准晶态
一、非晶态固体及其应用 组成晶体的粒子在宏观尺度上规则排列的周期性，
就称为长程有序性。非晶态固体与晶态固体相比，体中，原子位置的空间分布并不是无
规则的，而是存在一种局域关联性，反映了相邻原
子之间，在短距离内受到物理的和化学的成键相互
但是，如果采用除了这四种形状以外的其它形状的 地砖，例如，正五角形（n = 5）地砖，地面各处必定 会留下一些空隙的。 如果还想继续把地面铺好，就必须另外再选一种或 多种其它形状的地砖，才能把空隙填补起来。这就说 明了，5次和大于6次以上的旋转对称性与平移周期性 是不相容的。所以，在已有的固体物理概念中，晶体
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