第六章 非晶态与准晶材料概述
第六章 非晶态与半晶态材料
高分子链的运动是以链段为单元的，是蠕动。高分 子链在分子内旋转作用下可采取各种可能的形态，如 取不同的构象，如伸直链、无规线团、折叠链、螺旋 链等。
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。
(3)氢键
如果高分子链的分子内或分子间可以形成氢键，
氢键的影响比极性更显著，可大大增加分子链的刚
性。
(4)链的长短 如果分子链较短，内旋转产生的构象数小，刚 性大。如果分子链较长，主链所含的单键数目多， 因内旋转而产生的构象数目多，柔顺性好。 链长超过一定值后，分子链的构象服从统计规 律，链长对柔顺性的影响不大。
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)
高分子链中的单键可内旋转，每个键的空间
i+1 i
位置受其键角的限制，但是离第一个键越远，
其空间位置的任意性越大，两者空间位置的相 互关系越小，可以想象从第i+1个键起，其空
间位置的取向与第一个键完全无关，因此高分
特点：聚合物中晶区与非晶区同时存 在，同一条高分子链可以是一部分结 晶，一部分不结晶；并且同一高分子 链可以穿透不同的晶区和非晶区。
折叠链模型
3.影响结晶度的因素
热固性聚合物不会结晶。
热塑聚合物部分结晶的能力取决于分子是否容 易移动并有效地堆垛在一起形成长程有序的难易。
影响聚合物链堆垛效率的因素： 侧基的尺寸 链分支的程度 立构规整度 重复单元的复杂性
聚合物串晶是一种类似于串珠式的多晶体。
第6章 非晶合金
组元间电负性及原子尺寸相差越大 （10%~20%），越容易形成非晶态。 由一种过渡金属或贵金属和类金属元素（B， C，N，P 非晶材料的制备
如前所述，非晶态固体与晶态固体相比，从微 观结构讲有序性低；从热力学讲，自由能要高，因而 是一种亚稳态。基于这样的特点，制备非晶态固体必 须解决下述两个问题： （1）必须形成原子或分子混乱排列的状态； （2）必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度 范围内保存下来，使之不向晶态转变。 基于上述特点，最常见的非晶态制备方法有液 相急冷和从稀释态凝聚等，包括蒸发、离子溅射、辉 光放电和电解沉积等，近年来还发展了离子轰击、强 激光辐照和高温压缩等新技术。 下面我们主要从原理方面介绍几种方法。
只有三T曲线前端即鼻尖对
T
结晶相
应析出10－6体积分数的晶体的 时间是最少的。为避免析出10
－6分数的晶体所需的临界冷却
t
速率可由下式近似求出
临界冷却速度（dT/dt）c≈△Tn/τn，△Tn=TMTn，Tn和τn分别是三T图曲线头部(Nose of Curve)之点的温度和时间。
非晶材料是亚稳材料中的一个重要分支。 近年来远离平衡态的亚稳材料已成为最活跃 的领域之一. 一是不少新的制备技术的出现，大大扩展获得 各种亚稳材料的手段; 二是世界高科技的发展，要求各种各样具有特 异性能的新材料来满足其需要; 三是理论领域的深人，使科技人员对非晶的认 识和对非平衡态的理解，指导和推动了非晶 材料的研究。
原子在非晶合金中的扩散会受到扩散基体自身 结构、化学成分、扩散原子种类等诸多因素的 影响。弛豫对非晶合金扩散的影响取决样品的 制备方法，即与它的热历史有关。一般来说， 弛豫所产生的结构变化对扩散的影响是微小的， 所以测量难度很大。对那些制备过程中已经产 生自弛豫的非晶合金来说，弛豫对其扩散没有 明显影响。
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。
2-7非晶和准晶、纳米晶态固体结构
同色顶点相接
格点旳 排列无 周期性， 但到处 具有5次 对称性
准晶构造类型
a.一维准晶 在一种取向是准周期性而其他两个取向
是周期性，存在于二十面体或十面体与结晶 相之间发生相互转变旳中间状态。
b.二维准晶 由准周期有序旳原子层周期地堆垛而构成，
是将准晶态和晶态旳构造特征结合在一起。 存在8、10 和 12 次对称
1.准晶态旳构造
准晶是准周期晶体旳简称，它是一种无平 移周期性但有位置序旳晶体。
有无方法能够铺砌成具有五重对称性旳 无空隙地面？
面积之比为 1.618：1
具有5次 对称轴
1974年penrose提出利用两种夹角分别为72、 72、144、72 和 36、72、36、216度旳四边 形能够将平面铺满.相当于将一种菱形切开成上 述两个四边形。这种图形具有5次对称性。
旳固体材料。
(1)各向同性；
（2）介稳性 有析晶（晶化）旳倾向； （3）熔融态向玻璃态转化旳过程是可逆旳与 渐变旳；
（4）无固定旳熔点；
(5)熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质 随温度变化旳连续性。
2、玻璃旳形成条件
A：玻璃形成旳动力学条件
硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等无机熔体或一定成 份旳合金只有冷凝速度不小于一定旳临界速度 才干转变为玻璃。
金属键物质，在熔融时失去联络较弱旳电子， 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），原子相遇构成晶格 旳几率最大，最不易形成玻璃。
纯粹共价键化合物多为分子构造。在分子内 部，由共价键连接，分子间是无方向性旳范德华 力。一般在冷却过程中质点易进入点阵而构成份 子晶格。
所以以上三种键型都不易形成玻璃。
c.二十面体准晶
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。
准晶材料制备技术
晶体的结构是高度有序化的,它具有以原胞周期性排列 为特征的程平移序和满足晶体学点群为标志的最近邻价健长 程指向序.
相反地,非晶固体却不具备这种晶体长程相关性. 准晶体作为一种被新发现的晶体结构形态,在结构特征 上是处于两者之间的.
增加Al-Mn合金中的Mn含量，准晶的硬度随之增大。 A178 Mn22 准晶在室温的硬度超过700kg/mm2。
准晶虽然硬度高，耐磨性能并不一定好，Al-15wt%Mn2wt%Fe准晶的耐磨性比相应的晶态差。
准晶材料的特性
8、准晶的韧性差： 大多呈穿晶断裂，故准晶难于单独作为结构材料
使用，但可以将韧性好的晶态材料作基体，以准晶作 弥散第二相，可以提高材 料的综合性能。如果将准晶 的晶粒减小到纳 米尺寸后，准晶的强度和韧性都有很 大提 高， 如A1基合金中准晶晶粒减小到纳米量级后，材料中准 晶含量达70 -80％，材料的强度和韧性都超过不含准 晶的同类合金。
准晶材料的特性
6、磁性能——较为关注但知之甚少 研究Al2 M n系准晶合金的直流和交流磁化率与温度之间的 关系发现： ➢ 磁化率与温度之间遵守居里-外斯规律, 显示负的居里温度，
并在约10K时存在自旋玻璃转变。 ➢ 直流磁化率与温度关系求出含M n为20at%的Al2Mn及
Al2Mn2Si系平均有效磁矩为1. 4μB。 ➢ 进一步核磁共振、核比热与磁比热以及饱和磁矩研究发现，
准晶材料的特性
9、光学特性
高质量的准晶样品具有与绝缘体、半导体不同的光学特性。块体的 纯准晶或准晶薄膜，在很宽的波长范围内均有60%的反射率，比导电材 料Al、Fe要低，但优于半导体材料Si和绝缘材料。
6.2 准晶的形成机理
第六章 准晶材料的制备技术 材料制备技术
• (2）热传导特性
• ①与普通金属材料相比，准晶的热导率都很低，在室温下准晶的热导 率要比普通的铝合金低两个数量级，可以与常见的隔热材料ZrO2相媲 美。
• ②准晶材料的热阻值随着温度升高而下降，即具有负的温度系数，热 扩散系数和比热容均随着温度升高而增大。 • ③准晶样品质量越好，结构越完善，其热导性能就越差。 • ④结构复杂的准晶类似相得导热性能接近于准晶。 • （3）光传导特性 • ①与普通的金属材料相比，结构完好的准晶样品的光传导特性，显得 非常特殊，在较低的频率范围内，准晶的光导率很小，且在104cm-1时 有很宽的峰值。 • ②在二维的准晶材料中，光导率对其结构的各向异性很敏感。
• 6.1.3.2表面特性
• 表面性能主要由其表层的化学成分和原子排列方式所决定，由于准晶 表面结构比较独特，由此引发的表面行为如氧化行为、润湿行为和摩 擦行为等也与众不同。 • （1）氧化行为特性 • 迄今为止发现的准晶材料，绝大多数为铝系准晶。而Al是极易氧化的 活泼元素，因而研究铝基准晶氧化表面的结构和成分的变化规律意义 重大。实验研究发现，在相同条件下，准晶相表面的氧化现象明显低 于铝合金和相近成分的晶体相。当准晶在室温下长期暴露在干燥空气 孔，氧化层平均厚度为2~3nm。但在潮湿空气和较高温度下氧化层会 进一步加深（厚度为6~7nm），并且化学成分也因此而变化，表层铝 的摩尔分数随之增大（Al可达90％，摩尔分数）。 • （2）不粘特性 • 准晶材料的不粘性，实质上是热力学中润湿性的问题，与准晶的表面 能有关。最近的研究发现，准晶的最外层原子没有重构现象和准晶在 费米能级处的电子态密度很低（即准晶在费米能级处存在伪能隙）是 造成其表面能很低的主要原因。
• （3）摩擦特性 • 准晶材料的摩擦磨损行为的研究相对开展较早，这主要是由于镀膜和 热喷涂技术的日臻完善。在相同环境和实验条件下，块体Al-Cu-Fe准 晶和其准晶涂层的显微硬度与摩擦系数大致相近，而准晶的显微硬度 却要比铝合金高一个数量级，但摩擦系数仅为铝合金的1/3。此外， 当对准晶材料进行往复摩擦实验时，其摩擦系数还会逐渐降低，且磨 痕上的微裂纹会自动愈合，这显示了准晶具有一定的应力塑性。
非晶合金与准晶
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。
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。
第六章 非晶态与准晶材料
平移对称性：当晶体从一个点阵平移到另一个点阵，整个晶体结构完
全自相重合，就像晶体未发生移动一样。
旋转对称性：当晶体质点绕旋转轴转一定角度，再平行与此轴平移一
定距离后，整个晶体中的质点均与完全相同的质点重合，晶体的构形又完全重
合。
School of Materials Science & Engineering Dalian University of Technology
一般的非晶态形成存在气态、液态和固态三者之间的相互转变。图 中粗黑箭头表示物态之间的平衡转变。空心箭头表示非晶态转变。
1. 非晶态固体的形成规律
（1）热力学规律 对于非晶态，从固态到液态， 一般没有明显的熔化温度，存
在一个玻璃化温度Tg。
玻璃化温度：Tg，粘度相当于1013泊时的温度。 热力学熔点：Tm，晶态材料固态到液态的转变温度。 过冷度：ΔT， ΔT =Tm－Tg
二.非晶态材料的结构模型
由于目前还不能唯一并精确的确定非晶固体中原子的三 维排列情况，故只能采用模型方法勾画可能的原子排布，然 后将由模型得出的性质与实验比较，再据此修改模型，最终 确定非晶固体的组成，并由建立的模型来讨论非晶态固体的 微观结构。我们在此只介绍两种简单流行的结构模型。
1 微晶模型
4 非晶态材料在微观结构特征：
(1)只存在小区间范围内的短程有序，在近程或次近邻的原子
间的键合（如配位数、原子间距、键角、键长等）具有某种 规律性，但没有长程序结构。
(2) 非晶态材料的电子衍射是漫散的中心衍射斑点。X射线衍射
图上非晶没有特征峰。但由于短程有序，仍存在择优性衍射， 出现非晶态馒头峰。
凝固时，快速越过晶体形成温度Tm而进入玻璃转化温度Tg，
单晶多晶非晶微晶无定形准晶的区别要理解这几个概念首先要理解...
原因是波矢k的分立化。这个跟普通的半导体绝缘体中的禁带，是不同的概念。
晶粒是另外一个概念，搞材料的人对这个最熟了。首先提出这个概念的是凝固理论。从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性,是多晶。英文晶粒用Grain表示，注意与Particle是有区别的。
再说说非晶，非晶是无规则排列，无周期无对称特征，原子排列无序，没有一定的晶格常数，描叙结构特点的只有径向分布函数，这是个统计的量。我们不知道具体确定的晶格常数，我们总可以知道面间距的统计分布情况吧。非晶有很多诱人的特性，所以也有一帮子人在成天做非晶，尤其是作大块的金属非晶。因为它的应力应变曲线很特别。前面说了，从液态到到固态有个成核长大的过程，我不让他成核呢，直接到固态，得到非晶，这需要很快的冷却速度。所以各路人马一方面在拼命提高冷却速度，一方面在不断寻找新的合金配方，因为不同的合金配方有不同的非晶形成能力，通常有Tg参数表征，叫玻璃化温度。非晶没有晶粒，也就没有晶界一说。也有人曾跟我说过非晶可以看成有晶界组成。那么另一方面，我让他成核，不让他长大呢，不就成了纳米晶。
现在，从显微学上来看单晶，多晶，微晶，非晶，准晶，纳米晶，加上孪晶。单晶与多晶，一个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒就是非晶。单晶只有一套衍射斑点；多晶的话，取向不同会表现几套斑点，标定的时候，一套一套来，当然有可能有的斑点重合，通过多晶衍射的标定可以知道晶粒或者两相之间取向关系。如果晶粒太小，可能会出现多晶衍射环。非晶衍射是非晶衍射环，这个环均匀连续，与多晶衍射环有区别。
准晶纳米晶非晶和液晶结构
准晶纳米晶非晶和液晶结构首先是准晶结构，准晶是指具有部分有序和部分无序排列的结构。
与晶体相比，准晶的原子排列稍微有一些规则性，但并不具备完全规则的晶体结构。
准晶具有特定的旋转对称性，常见的准晶有五重轴对称结构、十重轴对称结构等。
准晶具有比纯随机无序结构更多的规则性，具备一些晶体的性质，如有一些可预测的物理性质。
其次是纳米晶结构，纳米晶是指晶体的晶粒尺寸在纳米级别范围内的材料。
晶体的晶粒尺寸在纳米级别时，由于晶界面面积相对较大，可以导致材料的物理、化学性质发生显著变化。
与传统晶体相比，纳米晶材料具有更高的韧性、更优异的力学性能和更高的强度。
纳米晶结构的材料还具有较高的表面能，有助于提高催化活性和电化学性能。
第三是非晶结构，非晶是指材料缺乏长程有序结构，具有完全无序的原子或分子排列。
非晶结构没有明确的晶格，无法通过传统的晶体学方法来描述。
非晶材料在玻璃、金属合金和一些塑料中广泛存在。
非晶材料具有高硬度、高抗磨损性、良好的抗腐蚀性能和优异的电学性能。
非晶结构的材料还具有较好的弹性形变能力和高温稳定性。
最后是液晶结构，液晶是介于固体和液体之间的新型物质状态。
液晶材料在较低的温度下表现出有序排列的液体行为，同时又具备晶体的一些性质。
液晶的分子在空间中呈现出有序排列的特点，可以形成不同的液晶相，如向列型液晶、扭曲向列型液晶等。
液晶材料具有响应外界电场和温度的特性，在显示技术和光电器件等领域有广泛应用。
总之，准晶、纳米晶、非晶和液晶结构是材料科学中常见的四种晶体结构。
每种结构具有独特的原子或分子排列方式和特性，对材料的性质和应用有着重要的影响。
通过研究和利用这些不同的结构，可以设计和制造出具有特定性能和功能的材料。
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。
无机材料科学基础 第六章 非晶态固体
第一节 熔 体
• 一、对熔体的一般认识 • 二、熔体的性质 • 三、熔体的形成
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第一节 熔 体
一、对熔体的一般认识 （一）液体 液体具有流动性和各相同性， 液体具有流动性和各相同性，与气体 相似，又具有较大凝聚力和很小的压缩性， 相似，又具有较大凝聚力和很小的压缩性， 则又与固体相似。 则又与固体相似。液体的结构在气化点和 凝固点之间变化很大，在高温（ 凝固点之间变化很大，在高温（接近气化 时与气体相近， 点）时与气体相近，在稍高于熔点时与晶 体接近。因此， 体接近。因此，液体内部的质点排列并不 像气体那样杂乱无章， 像气体那样杂乱无章，相反具有某种程度 的规律性。即近程有序远程无序。 的规律性。即近程有序远程无序。
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Si- 间电负性差值为1.7，此时Si- 键约有52％ Si-O间电负性差值为1.7，此时Si-O键约有52％ 1.7 Si 52 共价键和48 的离子键。 48％ 共价键和48％的离子键。 Si-O键的键合方式决定它有以下特点： Si- 键的键合方式决定它有以下特点： 高键能： Si- 键能在熔体中持久存在。 高键能：使Si-O键能在熔体中持久存在。 方向性：键有明显的取向性， 方向性：键有明显的取向性，因而可以形成一 定的结构。 定的结构。 低配位：一个原子所能形成的键的数目较少， 低配位：一个原子所能形成的键的数目较少， 所以配位数小。 所以配位数小。 键有韧性：键角可以在一定范围内绕轴转动。 键有韧性：键角可以在一定范围内绕轴转动。
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气体
晶体非晶准晶在结构上的异同
晶体非晶准晶在结构上的异同
晶体、非晶体和准晶体是固体材料中常见的三种结构形态。
它们在
结构上有着明显的异同，下面将分别进行介绍。
一、晶体
晶体是由原子、离子或分子按照一定的规律排列而成的固体材料。
晶
体的结构具有高度的有序性和周期性，其内部原子排列呈现出一定的
对称性。
晶体的结构可以用晶格和基元来描述，晶格是指晶体中原子、离子或分子排列的空间周期性结构，基元是指晶格中最小的重复单元。
晶体的结构可以通过X射线衍射等方法进行表征。
二、非晶体
非晶体是由原子、离子或分子无规则排列而成的固体材料。
非晶体的
结构缺乏周期性，其内部原子排列呈现出无序性。
非晶体的结构可以
用连续分布函数来描述，连续分布函数是指非晶体中原子、离子或分
子的位置分布函数。
非晶体的结构可以通过透射电镜等方法进行表征。
三、准晶体
准晶体是介于晶体和非晶体之间的一种结构形态。
准晶体的结构具有
一定的周期性，但是其周期性不如晶体那么完美，同时也存在着一定
的无序性。
准晶体的结构可以用准晶体晶格和准晶体基元来描述，准
晶体晶格是指准晶体中原子、离子或分子排列的空间周期性结构，准
晶体基元是指准晶体中最小的重复单元。
准晶体的结构可以通过透射
电镜等方法进行表征。
总的来说，晶体、非晶体和准晶体在结构上有着明显的异同。
晶体具
有高度的有序性和周期性，非晶体缺乏周期性，准晶体介于两者之间。
三者的结构可以用不同的方法进行表征，这些方法也反映了它们的结
构特点。
晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别
晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别晶，多晶，非晶，微晶，无定形，准晶的区别要理解这几个概念，首先要理解晶体概念，以及晶粒概念。
我想学固体物理的或者金属材料的都会对这些概念很清楚！自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。
晶体共同特点：均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。
各向异性：晶体种不同的方向上具有不同的物理性质。
固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。
规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。
对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。
对晶体的研究，固体物理学家从成健角度分为：离子晶体原子晶体分子晶体金属晶体显微学则从空间几何上来分，有七大晶系，十四种布拉菲点阵，230种空间群，用拓扑学，群论知识去研究理解。
可参考《晶体学中的对称群》一书（郭可信，王仁卉著）。
与晶体对应的，原子或分子无规则排列，无周期性无对称性的固体叫非晶，如玻璃，非晶碳。
一般，无定型就是非晶英语叫amorphous，也有人叫glass(玻璃态）.晶粒是另外一个概念，搞材料的人对这个最熟了。
首先提出这个概念的是凝固理论。
从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。
晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。
多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性,是多晶。
英文晶粒用Grain表示，注意与Particle是有区别的。
有了晶粒，那么晶粒大小（晶粒度），均匀程度，各个晶粒的取向关系都是很重要的组织（组织简单说就是指固体微观形貌特征）参数。
对于大多数的金属材料，晶粒越细，材料性能（力学性能）越好，好比面团，颗粒粗的面团肯定不好成型，容易断裂。
所以很多冶金学家材料科学家一直在开发晶粒细化技术。
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二.非晶态材料的结构模型
由于目前还不能唯一并精确的确定非晶固体中原子的三 维排列情况，故只能采用模型方法勾画可能的原子排布，然 后将由模型得出的性质与实验比较，再据此修改模型，最终 确定非晶固体的组成，并由建立的模型来讨论非晶态固体的 微观结构。我们在此只介绍两种简单流行的结构模型。
1 微晶模型
非晶态的形成：热力学上， 只有当液体（熔体）冷却温
度在玻璃化温度 Tg 以下时， 非晶态才趋于稳定。
晶态物质从液态到固态的过程： 在液态环境下，随着温度的降低，首先形成临界晶核， 在扩散的作用下，晶核生长形成晶态材料。
若要从液态的冷却中形成非晶态材料：控制形成晶核。 在液体凝固时要抑制晶体相的形核，要求熔体从熔点Tm以上
微晶模型的基本思想是： 大多数原子与其最近邻原子的相对位置与晶体情形完全相 同，这些原子组成一百至数百nm的晶粒，体现了短程有序。
长程有序性消失主要是因为这些微晶取向杂乱、无规则。
2 硬球无规堆积模型
基本思想： 视原子为一直径不可压缩的钢球； 球近可能紧密堆积，排列无规则； 结构中不包含可以容纳一个球的间隙； 任两球间间距大于球直径的五倍； 球与球之间关系性很弱。 硬球随即密堆时，存在五种多面体，多面体每个面均为 三角形。 这五种多面体堆积时， 按一定的几率出现，从而构成短 程有序，长程无序的非晶态固体。
类型
数目百分比 体积百分比
四面体
八面体 三角柱（3个半 八面体）
73%
20.3% 3.2%
48.4 %
26.9 % 7.8 % 2.1 % 14.8 %
阿基米德 反棱柱（2个半八面体） 0.4% 四角十二面体 3.1%
(a)四面体 (b)八面体 (c)三角柱（3个半 八面体） (d)阿基米德 反棱柱（2个半八面体） (e)四角十二面体
4 非晶态材料在微观结构特征：
(1)只存在小区间范围内的短程有序，在近程或次近 邻的原子间的键合（如配位数、原子间距、键角、 键长等）具有某种规律性，但没有长程序结构。
(2) 非晶态材料的电子衍射是漫散的中心衍射斑点。X射线衍射图
上非晶没有特征峰。但由于短程有序，仍存在择优性衍射，出 现非晶态馒头峰。
理想晶体：短程有序，长程有序，衍射谱线是布拉格方向对 应的 2θ 处产生没有宽度的衍射线条。
I
2θ
实际晶体：由于存在晶体缺陷等破坏晶体完整性的 因素，导致衍射谱线的峰值强度降低，峰形变宽。
（3）非晶材料在电子显微镜下看不到晶粒间界、晶格 缺陷等形成的衍衬反差。 （4）任何体系的非晶态固体与其对应的晶态材料相 比，都是亚稳态。当温度升高时，在某个很窄的温 度区间，原子重排会发生明显的结构相变 。
凝固时，快速越过晶体形成温度Tm而进入玻璃转化温度Tg，
这样液体的无序状态就被保存下来，成为非晶的固态。
一般的非晶态形成存在气态、液态和固态三者之间的相互转变。图 中粗黑箭头表示物态之间的平衡转变。空心箭头表示非晶态转变。
1. 非晶态固体的形成规律
（1）热力学规律 对于非晶态，从固态到液态， 一般没有明显的熔化温度，存
在一个玻璃化温度Tg。
玻璃化温度：Tg，粘度相当于1013泊时的温度。 热力学熔点：Tm，晶态材料固态到液态的转变温度。 过冷度：ΔT， ΔT =Tm－Tg
样的材料成为非晶态材料
特点：长程无序，短程有序。
非晶态固体中的无序并不是绝对的ห้องสมุดไป่ตู้混乱”，而是破坏了有序系 统的某些对称性，形成了一种有缺陷、不完整的短程有序。 晶体 非晶
3 比较气态、液态、非晶态、晶态中原子分布
以某原子中心作为原点：
原子径向分布函数：
(r ) g (r ) 0
p0：单位体积中原子的平均个数
第六章 非晶态与准晶材料
本章内容
6.1 非晶态材料 6.2 准晶材料
6.1 非晶态材料
一.非晶态材料的结构
1 有序态和无序态
根据组成物质的原子模型，自然界中物质状态分为有序结构 和无序结构两大类。 晶体——有序结构 ，平行六面体作为结构基胞，用这个平行 六面体可以布满整个空间。晶体的阵点构成有规则的三维周期 点阵，具有平移对称性。 特点：长程有序，短程有序。
即平均数值密度 p(r):离原点r处的平均数值密度 g(r):离原点r处原子出现的几率
气体
短程无序，长程无序
晶体
短程有序，长程有序
液体
非晶
可以看出，非晶态的分布函数与完全无序分布的气态和长 程有序的晶态的分布函数差别很大，与液态相似。这说明非 晶态在结构上与液态相似，原子排列是短程有序的。非晶态 的第一峰更尖，说明非晶态的短程有序比液态更突出。从总 体结构上非晶态是长程无序的，在宏观上可将其看作均匀、 各向同性的。
三.非晶态材料的制备
制备非晶态的过程就是防止结晶的过程。非晶态固体与晶 态固体相比 微观结构——有序性低；
热力学——非晶态的混乱度大于晶态，自由能要高，
因而是一种亚稳态。
制备非晶态固体必须解决下述两个问题：
（1）必须形成原子或分子混乱排列的状态；
（2）必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度范围
内保存下来，使之不向晶态转变。
非晶体的电子衍射花样
单晶是一套排列整齐的衍射斑点，斑点分布在平行四边形 网络格点上。多晶是取向不同的几套衍射斑点（晶粒变小， 成环），非晶没有环。
(a)单晶体
(b)多晶体
气体：近程无序，远程无序，在进行X射线分析时，只能得到 一条近乎水平的衍射背底谱线。
I
非晶体材料：近程有序，远程无序，由于近程原子的有序排列， 在配位原子密度较高原子间距对应的 2θ 附近产生非晶散射峰。 近程原子有序度越高，则配位原子密度较高，原子间距对应的 非晶散射峰越强，且散射峰越窄。
气体、液体——无序结构 气体特点：长程无序，短程无序。 液体特点：长程无序，短程有序。
2 非晶态材料的基本定义
非晶态是介于晶体和液体之间有序度的一种聚集态。它不 像晶态物质在三维空间具有周期性和平移对称性，非晶是 长程无序的。但由于原子间的相互关联作用，使每个原子 在几纳米-几十纳米内，与邻近原子在化学键长、键角与晶 体相似，称为类晶区，因此非晶具有短程有序的特点。非 晶态材料不同于液体，类晶区不能移动，没有流动性。这