第二章晶态和非晶态的特性案例
非晶态金属的特点
非晶态金属的特点全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：非晶态金属是一类特殊的金属材料，具有许多独特的特性。
非晶态金属具有无序的结构，与晶态金属相比，非晶态金属具有更高的硬度、强度和耐腐蚀性。
在工程领域中，非晶态金属已经被广泛应用于各种领域，如电子、汽车、医疗等，取得了显著的成就。
非晶态金属的最大特点之一是其无晶格结构。
晶体具有有序的排列结构，而非晶态金属中原子的排列是无序的。
这种无序结构使得非晶态金属具有高度均匀性和致密性，因此具有更高的硬度和强度。
相比之下，晶体结构中原子的有序排列会导致晶界的存在，降低了金属的强度和硬度。
除了高硬度和强度外，非晶态金属还具有优异的耐腐蚀性。
由于其无晶格结构，非晶态金属在原子尺度上没有缺陷和孔隙，减少了氧化和腐蚀的可能性。
这使得非晶态金属在恶劣环境下具有更长的使用寿命和更好的稳定性。
另一个非晶态金属的特点是其优异的磁性能。
由于非晶态金属的无晶格结构，使得其具有优异的磁性特性，包括高饱和磁感应强度、低磁滞损耗和低磁导率。
这使得非晶态金属在磁记录和磁传感器等领域中具有广泛的应用前景。
非晶态金属还具有良好的形变性能和高温抗氧化性。
经过适当的处理，非晶态金属可以具备良好的可塑性，可以进行冷热加工，制备出各种复杂形状的零件。
非晶态金属在高温条件下能够抵抗氧化和腐蚀，具有优异的高温稳定性和耐久性。
非晶态金属具有无晶格结构、高硬度和强度、优异的耐腐蚀性、良好的磁性能、良好的形变性能和高温抗氧化性等特点，使得其在工程领域中具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，相信非晶态金属将在未来取得更大的突破和进展，为人类社会的发展和进步作出更大的贡献。
第二篇示例：非晶态金属，又称非晶合金，是一种具有非晶结构的金属材料。
相对于晶态金属，在非晶态金属中，原子排列是无规则的，而且没有长程周期性的结构。
非晶态金属具有很多独特的特点，使其在材料科学领域得到了广泛的应用和研究。
非晶态金属具有优异的力学性能。
[经济学]第二章 晶态和非晶态材料1
![[经济学]第二章 晶态和非晶态材料1](https://img.taocdn.com/s3/m/0465fff1b14e852458fb57d8.png)
碱土金属、铜、银、铊、及稀土元素等可以插入到 WO3结构中，形成MδWO3
2.3 液晶材料
液晶
介于晶体和液体之间的物质状态
晶体
各向异性液体液晶
液体-各向同性
像晶体，具有长程有序，某些性能呈现各向异性 像液体，具有流动性，不能承受应切力
思考
液晶是不是晶体？
液晶与塑晶
物质状态
物质一般存在三态，固态、液态和气态 但有些物质比较复杂，介于固液两者之间
2. 扭曲向列（TN）液晶显示器 用于数字显示及低电路驱动的简单字符——信息容量小
3. 超扭曲向列（STN）液晶显示器 掌上微机——扫描线大，视角较好，对比度好
4. 薄膜晶体管（TFT）液晶显示器 笔记本电脑、投影屏幕——相应时间、对比度、亮度、 可视角度大幅提高好
1995年以前，TFT-LCD仅用于高档摄像机、掌上游戏机等 ，价格昂贵，分辨率仅为320×200 1995年，尺寸达到300mm×400mm，分辨率800×600
有兴趣的同学自学
2.3 非整比化合物晶体
定义
组成中各类原子的相对数目不能用几个小 的整数比表示的化合物
分类
1.某种原子过多或短缺
Zn1+δO—n型半导体:1000K时将ZnO在Zn蒸汽中加热 TiO1+δ—导电氧化物:不同氧蒸气压中加热TiO， TiO0.82-TiO1.18
用途
半导体、颜料、磁性材料、氧化还原催化剂、 蓄电池电极材料等
原因
晶体由晶胞周期排列而成，微观上 性能不均匀，但宏观上不能表现此 不连续性
各向异性
表现
某些性质随观察方向的不同而不同： 如力学性能，光学性能、热传导等 不同方向上，原子的排列、取向各 有不同
第二章晶态与非晶态材料的特性
第二章晶态与非晶态材料的特性引言：材料是构成各种物质的基本组成单位，不同种类的材料在原子结构和物理特性上存在显著的差异。
本章将介绍晶态和非晶态材料的特性，包括结构、力学特性、热学特性、电学特性以及光学特性等方面。
一、晶态材料的特性：1.结构特性：晶态材料具有有序的原子排列，呈现出规则的晶格结构。
晶格结构可以通过X射线衍射和电子衍射等实验方法进行表征，其结果常用晶胞参数和晶面指数表示。
2.力学特性：晶态材料在外力作用下存在明确的弹性行为，其力学性能可以通过弹性模量、屈服强度和断裂韧性等指标来评估。
不同晶向的材料在力学特性上表现出明显的各向异性。
3.热学特性：晶态材料的热导率和热膨胀系数常随着温度的变化而变化。
晶态材料的热导率和热膨胀系数通常沿不同的晶向显示出很大的差异。
4.电学特性：晶态材料具有离散的能带结构，其导电性质主要与能带结构和载流子特性有关。
电学特性可以通过电导率、介电常数和磁导率等参数来表征。
5.光学特性：晶态材料对光的传播和相互作用表现出明显的各向异性。
晶态材料的光学特性主要包括折射率、吸收系数和散射等。
二、非晶态材料的特性：非晶态材料的原子排列呈现出无序的状态，缺乏长程的周期性结构。
由于缺乏晶格结构，非晶态材料具有一些与晶态材料不同的特性。
1.结构特性：非晶态材料的原子排列没有明确的规则，其结构可以通过X射线衍射和中子衍射等方法进行分析。
非晶态材料的结构通常表现为短程有序和中程有序的特点。
2.力学特性：非晶态材料的力学性能表现出明显的非线性行为。
非晶态材料的硬度和断裂韧性较低，但延展性和形变能力较好。
3.热学特性：非晶态材料的热导率通常较低，但热膨胀系数较高。
非晶态材料的热导率和热膨胀系数随温度变化较小。
4.电学特性：非晶态材料通常表现出低电导率和较高的电阻率。
其导电性主要受原子之间的无规则排列和有序排列之间的相互作用影响。
5.光学特性：非晶态材料的光学特性与晶态材料有较大的区别。
聚合物结晶态与非晶态
（1）中子散射技术观测拉伸聚合物相同伸长、 不 同松弛时间的结构变化。
（2）同步辐射SAXS /WAXS和介电谱技术可以用 来研究结晶高分子非晶区的结构及其动力学松弛行 为。
（3）结晶高分子中柔性非晶相和刚性非晶相的比 例可以根据示差扫描量热( DSC ) 结果进行估算。
完 毕！ 谢 谢！
聚合物
非结晶性 聚合物
结晶性聚 合物
结条 晶件
非晶 态
晶态
结晶能力是内因，条件外 因。具有结晶能力的聚合 物，即可是晶形的，也可 是非晶形的。
分子链的对称 性与规整性
温度、时间
（1）缨束状模型
Hale Waihona Puke （2）折叠链模型实际高聚物结晶大 多 是晶相与非晶相 共存的， 而各种结 晶模型都有其片 面 性，R.Hosemann 综合了各种结晶模 型，提出了一种折 衷的模型，称为隧 道-折叠链模型。 这个模型综合了在 高聚物晶态结 构中
聚合物
玻璃化转变温度85℃，
熔点285℃，长期使用
温度为200℃-220℃。
6. 结晶度与材料性能
提 非晶区高弹态 高 结 晶 度 非晶区玻璃态
弹性模量 硬度 拉伸强度 断裂伸长率 冲击强度
~ 弹性模量
变脆 拉伸强度 断裂伸长率 冲击强度
相同结晶度时，晶体尺寸越大，脆性越大，力学性能越差。
6. 结晶度与材料性能
6. 结晶度与材料性能
例如：聚醚醚酮（poly
ether ether ketone, PEEK）
Tm
树脂结晶度间于
结晶性聚 合物
15%~35%，玻璃化转变 温度143℃，熔点334℃， 可在250℃下长期使用；
Tg
聚苯硫醚 （polyphenylene sulfide，
晶态和非晶态材料
可形成（ Mg1-3xAl2x· Mg）O xV’’
2.固溶体的分类
（1）按照杂质原子在固溶体中的位置
取代型固溶体 ----------- 正常格点 例如：金属氧化物中主要发生在金属离子位置上的互换。 填隙型固溶体 ------------ 间隙位置 在固溶体中也可以形成离子空位结构，常由于异价离子取 代或生成添隙离子引起，不是一种独立的固溶体类型。 TiO2-X 可以看为晶体中存在氧空位，因此必存在Ti4+ 和Ti3+，可看成部分Ti3+取代TiO2中的Ti4+所形成的固溶体。
1摩尔固体中缺陷摩尔固体中缺陷dd的数目的数目1摩尔固体中所含分子数摩尔固体中所含分子数nnaa重点内容重点内容缺陷形成的热力学基础缺陷形成的热力学基础点缺陷的类型点缺陷的类型缺陷的表示方法和缺陷反应式缺陷的表示方法和缺陷反应式233晶体中出现空位或填隙原子使化合物的成分偏离整比性即各类原子的相对数目不能用几个小的整数比表示这样的化合物被称为非整比化非整比化合物由于它们的成分可以改变因而出现变价原子而使晶体具有特异颜色等光学性质半导体性甚至金属性特殊的磁学性质以及化学反应活性等因而成为重要的固体材料
离整比性（即各类原子的相对数目不能用几个小
的整数比表示），这样的化合物被称为非整比化
合物，。
非整比化合物由于它们的成分可以改变，因而出 现变价原子，而使晶体具有特异颜色等光学性质、 半导体性甚至金属性、特殊的磁学性质以及化学 反应活性等，因而成为重要的固体材料。
按非整比化合物生成的情况，以及在不同方面的 应用可以有以下几种情况：
以CaCl2进入KCl中举例
：
不考虑电荷：
CaCl2（S）
KCl
CaK +VK+2ClCl
第二章无极精细化学品第2-3节单晶化、非晶化
3单晶
一、非晶态合
元素周期
大家都知道的非晶态材料仅有窗玻璃，它的主要成分是非晶态二氧化硅。
非晶态材料是
由晶态材料变来的。
它们相比有两个最基本的特点：一是非晶态材料中原子排列不具有周期性；二是非晶态材料属于热力学的亚稳态。
在晶态中，原子的排列是规则的、有序的，共有
32种基本排列方式，从一个原子位置出发，在各个方向每隔一定的距离，一定能找到另一
个相同的原子；而在非晶态中，原子排列混乱，千变万化、无章可循。
无定型材料、无序材料、玻璃态材料是它的别名。
非晶态合金是在研究合金快速淬火处理过程中意外发现的。
这一发现从根本上解决了晶
态和非晶态之间的转换难题。
非晶态金属又称玻璃金属，分为金属-半金属合金系、金属-金
属合金系。
讲
授
山东理工职业学院教案纸
山东理工职业学院教案纸。
第二章晶态和非晶态结构
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Ó Õ µ ¼ Á ¦ £ º¼ « Ð Ô · Ö × Ó µ Ä Ó À ¾ à Š¼ ¼ « Ó ë Ë ü Ô Ú · Ö × Ó É Ï Ò ý Æ ð µ Ä Ó Õ µ ¼ Å ¼ ¼ « Ö ® ¼ ä µ Ä Ï à » ¥ × ÷Ó Ã Á ¦ ¡ £ Ó Õ µ ¼ Å ¼ ¼ « µ Ä Ï à » ¥ × ÷Ó Ã Ä Ü Î ª £ º 2 11 2 2 2 E0 £ ¨6.3¡ « 20.9 KJ/mol£ © R6 ¡ ª ¡ ª ¼ « » ¯ Â Ê Ó Õ µ ¼ Á ¦ ² » ½ ö ´ æ Ô Ú Ó Ú ¼ « Ð Ô Ó ë · Ç ¼ « Ð Ô · Ö × Ó Ö ® ¼ ä £ ¬Ò ² ´ æ Ô Ú Ó Ú ¼ « Ð Ô Ó ë ¼ « Ð Ô · Ö × Ó Ö ® ¼ ä ¡ £
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
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。
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。
第二章晶态和非晶态材料
液晶显示技术的发展主要分四个阶段： 第一代为动态散射（DSM）液晶显示器； 第二代是扭曲向列（TN）液晶显示器； 第三代超扭曲（STN）液晶显示器； 第四代薄膜晶体管（TFT）液晶显示器。
液晶显示器的关键部分是液晶板，在液晶板产品中， 较为先进的产品应属TFT-LCD(半导体薄膜晶体管 液晶板)。由于液晶显示器工作原理的自身因素， 虽然LCD有健康、环保、低辐射、低能耗等优点， 但LCD液晶板的视角、色饱和度、亮度及反应速度 等方面的缺陷一直是困扰液晶显示屏普及的问题。
商品锂离子电池正极材料多用LiCoO2，但Co价格昂 贵、有毒。
现在研制的低成本替代产品：层状结构的 LiNiO2 （合成条件苛刻，热稳定性差，不安全）；尖晶石 结构的LiMn2O4（充电过程中存在着严重的容量衰 减现象）。
对这些电极材料的掺杂改性就是制成非整比化合物 晶体：LiNixCo1-xO2；Li1+xMn2O4；LiScxMn2-xO4。
目前已知的液晶都是有机化合物，分子的形状有 长棒形和圆盘形两种，长棒形液晶材料较早地被 应用，均六苯酚的酯类化合物具有盘状液晶性质。
几种液晶化合物的相转变温度
2.4.4 液晶显示技术 LCD
19世纪末，奥地利植物学家莱尼兹发现了液晶，并发现液 态晶体分子排列有一定的顺序，这种顺序在电场的作用下 会发生变化，从而影响它的光学性质，人们把这种现象称 为电光效应；
晶体熔化时会产生两种无序作用：平动作用和转动作用。
液晶是先熔化失去平移对称性，进一步升高温度后产生转动。 塑晶是先进行转动，这时从统计的角度看依然保持平移对称 性，再升温后熔化而失去平移对称性。
塑晶：在塑晶中分子的重心依然保持周期性的点阵
结构，仍具有晶体的平移对称性，本质上仍是晶体。
高分子物理第二章习题及解答
第二章2.1聚合物的晶态和非晶态结构2.1.1内聚能密度例2－1 根据高聚物的分子结构和分子间作用能，定性地讨论表2-3中所列各高聚物的性能。
表2-3线形高聚物的内聚能密度高聚物内聚能密度兆焦/米3 卡/厘米3聚乙烯259 62聚异丁烯272 65天然橡胶280 67聚丁二烯276 66丁苯橡胶276 66聚苯乙烯305 73高聚物内聚能密度兆焦/米3 卡/厘米3聚甲基丙烯酸甲酯347 83聚醋酸乙烯酯368 88聚氯乙烯381 91聚对苯二甲酸乙二酯477 114尼龙66 774 185聚丙烯腈992 237解：（1）聚乙烯、聚异丁烯、天然橡胶、聚丁二烯和丁苯橡胶都有较好的柔顺性，它们适合于用作弹性体。
其中聚乙烯由于结构高度对称性，太易于结晶，从而实际上只能用作塑料，但从纯C－C单键的结构来说本来应当有很好的柔顺性，理应是个橡胶。
（2）聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯和聚氯乙烯的柔顺性适中，适合用作塑料。
（3）聚对苯二甲酸乙二酯、尼龙66和聚丙烯腈的分子间作用力大，柔顺性较差，刚性和强度较大，宜作纤维。
可见一般规律是内聚能密度<70卡/厘米3的为橡胶；内聚能密度70～100的为塑料；>100的为纤维。
2.1.2 比容、密度、结晶度例2－2 由文献查得涤纶树脂的密度ρc=1.50×103kg·m-3，和ρa=1.335×103kg·m-3，内聚能ΔΕ=66.67kJ·mol-1(单元)．今有一块1.42×2.96×0.51×10-6m3的涤纶试样，重量为2.92×10-3kg，试由以上数据计算：(1)涤纶树脂试样的密度和结晶度；(2)涤纶树脂的内聚能密度．解(l) 密度结晶度或(2) 内聚能密度文献值CED＝476(J·cm-3)例2－3 试从等规聚丙烯结晶（α型）的晶胞参数出发，计算完全结晶聚丙烯的比容和密度。
材料化学第二章晶态和非晶态材料的特性
普通玻璃——
大规模生产的平板玻璃、器皿玻璃、电真空器件玻璃等；
特种玻璃—— SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐
氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸 盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等） ； 非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、 金属玻璃等）以及光学纤维等。
不同的物质，其清亮点的高低和熔点至清亮点之间的
温度范围是不同的。
（2）溶致性液晶：是依靠溶剂的溶解分散，在一定浓度
范围形成的液晶态物质。
除了这两类液晶物质外，人们还发现了在外力场（压力、
流动场、电场、磁场和光场等）作用下形成的液晶。例
如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种压致型液 晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼在施加流动场后可呈 现液晶态，因此属于流致型液晶。
向列相--纹影织构
粒状织构
滴状织构（两相共存时）
胆甾相--指纹状织构
平面织构
油状织构
近晶相--焦锥织构
扇形织构
多边形织构
取向时的条带织构
电取向后手性近晶相的条纹织构
蓝相织构
五、液晶显示技术
液晶显示器（liquid crystal display,简称LCD）：
驱动电压低——几伏 功耗极小——μW/cm2 黑白显示：向列相液晶，各向异性随电场变化； 彩色显示：彩色偏振薄膜
即指石英（SiO2）玻璃 SiO2玻璃结构模型：
连续无规网络模型——1932年由查哈里森（Zachariasen） 提出。认为在石英玻璃中，每个硅原子与周围4个氧原子形 成化学键，组成硅氧四面体[SiO4]，各个四面体之间又通过 共用顶点O而相互连接，形成三维延伸的无规则网络结构。 ���
微晶模型——1921年前苏联学者列别捷夫提出。该模型认
第2章 高分子的晶态结构
聚合物的晶胞密度计算
其中:
MZ c N AV
M是结构单元分子量;
Z为单位晶胞中单体(即链结构单元)的数目; 单位晶胞中所含链数 V为晶胞体积; NA为阿佛加德罗常数
PE：以z＝2代入上式可得 ρc ＝1.00g/ml， 而实测的聚乙烯密度， ρ= 0.92~0.96g/cm3。
2.3.2 聚合物的结晶形态
剖析
内聚能密度同分子的极性有关，分子的极性 越小，内聚能密度越 高 低
内聚能密度对聚合物的性能有很大影响，内 聚能密度越高，大分子间的作用力越 从而材料可作为 橡胶 塑料 纤维 使用。
对耐热性材料，要求其内聚能密度
强 弱
高 低
2.3 聚合物的晶态结构
2.3.1 聚合物的晶体结构
2.3.2 聚合物的结晶形态
极性分子的永久偶极与其它分子上（包括极性和非极性分子） 引起的诱导偶极之间的相互作用力。6-31 kJ/mol.
色散力
• 分子之间瞬时偶极之间的相互作用力。0.8-8 kJ/mol.
氢键
与电负性较强的原子结合的氢原子同时与另一个电
负性较强的原子之间的相互作用。这种电负性较强 的原子可以是N、O和卤素原子等。 13-29 kJ/mol.
分子的凝聚态结构
决定
控制成型加工条件
获得
聚合物的基本性能特点
决定
预定材料的结构
得到
材料的性能
预定材料性能
• 2.1 高分子聚集态结构的类型和影响因素
1. 高分子的聚集态结构 Polymer Aggregate Structure 大量高分子聚集体中高分子的空间排列方式。 2. 高分子聚集态结构的类型 Types of Polymer Aggregate Structure 结晶的、非结晶的、液晶态、取向态、织态
第2讲 晶态与非晶态
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。
第二章晶态和非晶态材料的特性
(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
22 晶态材料和非晶态材料 - 科学网
2.2晶态材料和非晶态材料2.2.1晶态材料和非晶态材料的异同晶体广泛存在，并可以用各种偏离理想晶体的缺陷使其具有一定的性质，晶体材料是固体材料的核心。
非晶态材料指非结晶状态的材料，一般指以非晶态半导体和非晶体金属为主的普通低分子的非晶态固体材料，广义地，还包括玻璃、陶瓷以及非晶态聚合物。
晶态材料和非晶态材料都是真实的固体，其内部的原子都处于完全确定的平衡位置附近，并围绕平衡位置坐振动；都具有固体的基本属性，即宏观表现为连续刚体，不流动有确定的形状，体积不变动；具有弹性硬度，可反抗切应力。
两者的本质区别是晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原子或基元处于一定格式空间排列的状态；非晶态材料只有在几个原子间距量级的短程范围内具有原子有序的状态，为短程有序。
2.2.2水泥和玻璃水泥、玻璃和陶瓷都属于传统的无极非金属材料。
它们都是以硅酸盐为主要成分的材料，也包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料。
由于化学结构的原因，它们大多具有耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀等特点。
1.水泥水泥是一类非常基础的建筑材料，与水混合后，经过物理化学过程能由可塑性浆体变成坚硬而具有一定强度的石状体并能将散粒材料胶结成为整体。
硅酸盐水泥兴起于19世纪。
它的化学成分复杂，但主要的胶结成分是水化硅酸钙。
它是一种水硬性胶凝材料。
普通硅酸盐水泥强度高、能抗硫酸盐腐蚀、水化热，也可用于制备砂浆。
为了建筑需要，水泥可做成白色、黑色或其他各种颜色。
（1）水泥的优点：水泥具有以下优点，因此在土木工程领域得到广泛的应用。
水硬性、与钢筋粘结性好、耐久性、工艺简单、可塑性、低成本、多样性（2）水泥的分类水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。
通用水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合水泥专用水泥包括砌筑水泥、油井水泥特性水泥包括快硬水泥、膨胀水泥、抗硫酸盐水泥、中热水泥水泥按化学成份可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。
第2章-晶态和非晶态材料的特性
但这些配位多面体有不同程度的变形
与多晶相比较，有一定的类似之处:
非晶态材料是由数目很多的，无规则取向的 小集团所组成，小集团内部的原子排列有序
与多晶相比较，也有不同之处:
这些粒子集团的尺度比多晶中的晶体微粒小得多。
2.5.2 玻璃——非晶态材料 玻璃——高温下熔融，冷却过程中黏度逐渐增
大、不析晶、室温下保持熔体结构的非晶固体。
上述现象对不同玻璃，有一定普遍性。 400—600℃为玻璃的Tg、Tf温度。
研究钠硅二元玻璃的X－射线散射强度曲线：
1、未加热
2、618℃保温1小时
3、800℃保温10分钟 (670℃保温20小时)
sin /
27Na2O－73SiO2的x射线散射强度曲线
第一峰：是石英玻璃衍射的主峰与晶体 石英特征峰一致。 第二峰：是Na2O-SiO2玻璃的衍射主峰与 偏硅酸钠晶体的特征峰一致。
10.000 8.000 6.000 4.000 2.000
第一峰： Si－O 间距1.62 A0 面积4.3 第二峰： O－O 间距2.65 A0
第三峰： Si－Si
第四峰： O－O 第五峰： Si－Si
0 1 2 3 4 5 6
3.12 A0 4.15 A0 5.25 A0
在钠硅玻璃中，上述两个峰均同时出现。
SiO2的含量增加，第一峰明显，第二峰 减弱； Na2O含量增加，第二峰强度增加。
钠硅玻璃中同时存在方石英晶子 和偏硅酸钠晶子，而且随成分和制 结 论
备条件而变。提高温度或保温时间
延长衍射主峰清晰，强度增大，说 明晶子长大。但玻璃中方石英晶子 与方石英晶体相比有变形。
2. 非纯旋转群(含第II类操作的点群)：21个
(1)中心对称的点群（Laue点群）: 11个 可由11个纯旋转的、非中心对称的晶体学点 群在对称轴系的中心点加一对称中心而得。 (2)非中心对称非对映对称型：10个
2-1 第二章 凝聚态-晶态、非晶态
1
• • • • •
2.1晶态聚合物的结构 2.2非晶态聚合物结构 2.3 高分子液晶 2.4 聚合物的取向结构 2.5 多组分聚合物
2
教学内容：聚合物的各种凝聚态结构（晶 态、非晶态、液晶态、取向和织态结构）
教学目的：通过本章的学习全面掌握高分子链之间的 各种排列方式及由此而产生的各种凝聚态结构，弄清 高分子链结构条件和外部条件与凝聚态结构之间的关 系，了解各种凝聚态结构的表征和应用，初步建立凝 聚态结构与性能之间关系。 重点和难点：各种凝聚态结构（晶态、非晶态、液晶 态、取相态、高分子合金的织态）的结构特点、形成 条件和性能差异。
24
空间格子（空间点阵）
• 把组成晶体的质点抽象成为几何点，由这些等同的几 何点的集合所形成的格子，称为空间格子，也称空间 点阵。 • 点阵结构中，每个几何点代表的是具体内容，称为晶 体的结构单元。 • 所以，晶体结构=空间点阵+结构单元
晶体结构与点阵的关系
25
• 直线点阵——分布在同一直线上的点阵
a b c, a b g 90 0
a b c, a g 90 0 , b 90 0
a b c,a b g 90 0
28
晶面和晶面指数
晶格内所有格子点全部集中在相互平行的 等间距的平面群上，这些平面叫做晶面。 晶面与晶面之间的距离叫做晶面间距。
• 具有较大的侧基的高分子，为了减小空间阻碍， 降低位能，则必须采取旁式构象。 例如：全同PP， 聚邻甲基苯乙烯， 聚甲基丙烯酸甲酯PMMA， 聚4-甲基-1-戊烯 ， 聚间甲基苯乙烯 等。
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等规聚丙烯（IPP）
1．PP构象（螺旋构象H31） 2．晶系：单斜、六方、拟六方 3．晶胞俯视图（单斜）
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Comparison
Curve of X-ray Diffraction
Comparison
非晶体的宏观特征
（1）只有玻璃转化温度，无熔点。 （2）没有规则的多面体几何外型，可以制成
玻璃体，丝，薄膜等特殊形态。 （3）物理性质各向同性。 （4）均匀性来源于原子无序分布的统计性规
律，无晶界。
Transformation
第二章
晶态和非晶态材料的特性
方铅矿(Galena, PbS) 石英(Quartz, SiO2), 玻璃(glass, SiO2)
第二章 非整比化合物材料与亚稳态材料
主要内容：
2.1 晶体结构和晶体的性质 2.2 非整比化合物材料 2.3 液晶材料 2.4 亚稳态材料 2.5 玻璃和陶瓷
2.1 晶体结构和晶体的性质 一、晶体特征 二、晶体点群和晶体的物理性质
压电性：要求晶体的对称性为: 没有对称中心
热电效应
热电效应，是当受热物体中的电子(空穴)，随 着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生 电流或电荷堆积的一种现象。
热电体的主要作用是将热辐射转变为电信号。
生物热电效应
美国旧金山大学的一位科学家在英国《自然》杂志上 报告说，他从鲨鱼鼻子的皮肤小孔里提取了一种与普 通明胶相似的胶体，能把海水温度的变化转换成电信 号，传送给神经细胞，使鲨鱼能够感知0.001摄氏度 的温度变化，从而准确地找到食物—科学家猜测，其 他动物体内也可能存在类似的胶体.这种因温差而产 生电流的性质与半导体材料的热电效应类似
如石墨在与层平行的方向上具有导电性，而 在与层垂直的方向上就不具有导电性。
如：从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发 现宝石的颜色不同，这是由于方向不同，晶 体对光的吸收性质不同。
晶体的各向异性是由其内部质点的有序排 列，即晶体内部原子的周期性排列所决定 的
（3）自范性
在适当的条件下, 晶体能自发的长出由晶 面、晶棱、晶顶等几何元素围成的凸多面体 外形, 这种性质就称为晶体的自范性. 凸多面 体的晶面数（F）、晶棱数（E）、和顶点数 （V）相互之间的关系符合公式
一、晶体特征
（1）均匀性 （2）各向异性 （3）自范性 （4）晶体具有明显确定的熔点 2.3.3 Structure & physical
performance of crystal materials
（5）晶体的对称性 （6）晶体对X射线的衍射
（1）均匀性
整个晶体是由晶胞 并置堆砌而成
所以晶体必然表现为各部分性状相同的物体， 例如有着相同的密度，化学组成
非晶体的各种性质均具有均匀性, 但与晶体的均匀性的 起源并不相同, 前者是等同晶胞在空间按同一方式重复 排列的结果, 而后者则是质点的杂乱无章排列所致. 所 以二者有实质不同的均匀性。
(1) （2）各向异性
晶体的导热、导电、光的透射、折射、偏振、 压电性、硬度等性质常因晶体取向不同而异， 叫做各向异性。
晶体对称性的这种关系称为Neumann定理
物理性质
晶体对称性的信息
根据这种关 系可以从晶 体的物理性 质推引出有 关晶体对称 性的信息； 也可以从对 称性寻找具 有某种物理 性能的材料
晶体的物理性质
压电效应
当压电材料受到外力作用时，其表面将产生 电荷，将机械能转变成电能。
利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量 力和能转变成力的各种物理量
2.2.2 Transformation
晶态
非晶态
J
3/2/2020 3:14:05 AM
17
晶态与非晶态之间的转变
• 非晶态所属的状态属于热力学亚稳态，所以非 晶态固体总有向晶态转化的趋势，即非晶态固 体在一定温度下会自发地结晶，转化到稳定性 更高的晶体状态。
• 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下 来也可能得到非晶态。
F+V=E+2 其中，F-晶面，V-顶点，E-晶棱
丹麦化学家斯单诺在玩水晶时，不小心把水晶打烂了， 当他很心痛地弯腰捡起打碎了的水晶时，惊奇地发现， 破碎了的水晶碎片都是一样的，具有固定的角度，这 就是著名的晶面角守恒定理。
晶面夹角守恒定律:
尽管同一种晶体其外形可能不同，但相应 的两晶面之间的夹角总是不变的，这称为晶 面夹角守恒定律。
一、晶体学点群的分类
尽管自然界中晶体的外形是多种多样变化无穷的，
而就其对称性来看却并不超出32种点群代表的宏观
对称类型。由于晶体的物理性质由晶体对称性决定，
而且也只决定于它的点群的对称性，所以对晶体学
点群的研究十分重要。
循环群
纯旋转操作点群 双面群 11个
32个晶
立方群
体学点 群的分 类
非纯旋转点群
如把水晶的结晶溶化，再使它冷却，可得非晶体的石英玻璃。 而非晶体的玻璃，经过相当长的时间后，在它里面生成了微小 的晶体，形成透明性减弱的模糊斑点。这说明晶体转化为非晶 体需要一定的条件，而非晶体经过一定时间会自动变成晶体。
二、晶体点群和晶体的物理性质 1、晶体学点群的分类 2、晶体的点群和晶体的物理性质
（4）晶体具有明显确定的熔点
晶体具有固定的熔点, 反映在加热时间-温度曲线上 出现平台, 而非晶体没有固定的熔点, 反映在曲线上 不会出现平台.
晶体与非晶体的加热时间-温度（晶体对X射线的衍射
内部结构在空间排列的周期性（等距性）使得 晶体可作为 X 射线衍射的天然光栅, 而晶体外 形的对称性又使得衍射线（点）的分布具有特 定的对称性. 这是 X 射线衍射测定晶体结构的 基础和依据.
铁电效应
所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加 外电场时就具有自发极化现象，其自发极化 的方向能够被外加电场反转或重新定向。
铁电材料的这种特性被称为 “铁电效应”。
铁电现象是在一种名为钙钛矿的材料中发现的，而钙钛矿材料 的晶格点阵中的离子，是在某一方向上被分离成的正负离子， 也就是在钙钛矿晶体内部产生了一个电耦极子。当给这种晶体 加上一个电压时，这些耦极子就会在电场作用下排列。改变电 压的方向，可使耦极子的方向反转。耦极子的这种可换向性， 意味着它们可以在记忆芯片上表示一个“信息单元”。而且， 即使在电压断开时，这些耦极子也会保持在原来的位置，使铁 电存储器不用电就能保存数据。
中心对称的点群 （Laue）点群 21个
非中心对称的点群
循环群 双面群
纯旋转操作点群 （11个）
循环群 循环群 双面群 循环群 双面群 循环群 双面群 循环群 双面群 立方群 立方群 立方群
二、晶体的点群和晶体的物理性质
晶体的点群是它的任意一种物理性质对称群 的子群。
一种晶体的任意一种性质的对称群必须包括该 晶体的点群的对称操作。