材料科学基础复习(总结) 2

固体结构

(一) 原子结构与键合

原子结构(元素的核外电子分布)

原子间的键合

☆金属键：掌握金属的电子结构特征，金属键的特征，懂得用上述内容解释金属的特有的性能

⊙金属键（Metallic bonding）(一次键)

典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云（electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键

特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构

性质：良好导电、导热性能，延展性好

☆离子键：键合特点和离子晶体的特点

⊙离子键（Ionic bonding)(一次键)

特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体(熔融状态可导电)

☆共价键：键合特点和共价晶体的特点

⊙共价键（covalent bonding）(一次键)

亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料

实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成

特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）

性质：熔点高、质硬脆、导电能力差

(二) 固体结构

☆晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序

懂得下列名词的含义：

☆空间点阵：这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。

☆阵点：为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。

☆晶胞：具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。

☆简单晶胞：晶胞中的阵点数为一。

☆复合晶胞：晶胞中的阵点数大于一。

晶体结构与空间点阵的关系：1.同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞；

2.○1空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14中类型；○2晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。

☆晶向指数的确定步骤：

⏹ 1)以晶胞的某一阵点O 为原点，过原点O 的晶轴为坐标轴x,y, z, 以晶胞点阵矢量的

长度作为坐标轴的长度单位。(建立坐标系)

⏹ 2)过原点O 作一直线OP ，使其平行于待定晶向。

⏹ 3)在直线OP 上选取距原点O 最近的一个阵点P ，确定P 点的3个坐标值。

⏹ 4)将这3个坐标值化为最小整数u ，v ，w ，加以方括号，[u v w]即为待定晶向的晶

向指数。

☆晶面指数标定步骤：

⏹ 1)在点阵中设定参考坐标系(右手系)，设置方法与确定晶向指数时相同(原点在所求

晶面之外)；

⏹ 2)求出待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无

穷大；若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值；

⏹ 3)取各截距的倒数；

⏹ 4)将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为( h k l )。 ☆晶带：平行或相交于同一直线的所有晶面构成一个晶带，该直线称为晶带轴。属此晶带的

晶面称为晶带面。

☆晶带轴，晶带轴与晶面间的关系：

晶带轴[u v w]与该晶带的晶面（h k l ）之间存在以下关系： hu + kv + lw = 0。

☆计算给定晶面的晶带轴：

已知两不平行晶面)(

111l k h 和)(222l k h 则有其所决定的晶带轴][uvw 由下式求得： k h k h l l h l l k l k w v u 122112211221,,-=-=-=

金属的晶体结构

☆三种典型金属晶体的原子排列

⏹ 晶胞原子数面心立方结构 n = 8*1/8 + 6 * 1/2 = 4

⏹ 体心立方结构 n = 8*1/8 + 1 =2

⏹ 密排六方结构 n = 12*1/6 +2*1/2 +3 = 6

☆配位数：配位数(CN)是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。

fcc: CN=12, K=0.74 bcc: CN=8+6, K=0.68 hcp: CN=6+6, K=0.74

☆致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分比。

如以一个晶胞来计算，则致密度就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比值，即 V

nv K = 式中K 为致密度；n 为晶胞中原子数；v 是一个原子的体积。

☆原子半径与点阵常数之间的关系（三种结构）：

如果把金属原子看作刚球，并设其半径为R ，根据几何学关系不难求出三种典型金属晶体结构的点阵常数与R 之间的关系：

★体心立方结构（a=b=c ） R a )3/3(4=

★面心立方结构（a=b=c ） R a )2(2=

★密排六方结构（a=b ≠c ） R a 2=

☆多晶型性的概念：有些固态金属在不同的温度和压力下具有不同的晶体结构即具有多晶型性，转变的产物称为同素异构体。

离子晶体结构

☆L.Pauling 结构规则：1.负离子配位多面体规则；2.电价规则；3.负离子多面体共用顶、棱和面的规则；4.不同种类正离子配位多面体间连接规则；5.节约规则。【书P57】

☆典型的离子晶体：1.NaCl 晶型;2.CsCl 晶型;【前两个课件的】3.闪锌矿（立方ZnS ）晶型；

4.纤锌矿（六方ZnS ）晶型;

5.萤石（CaF 2）晶型;

6.金红石（TiO 2）晶型。【书P59~P60】

共价晶体结构

☆共价晶体的特点，主要类型(重点在金刚石结构，与Cu 等的区别)

共价晶体最典型代表是金刚石结构。碳有多种同素异构体，金刚石是碳的一种结晶形式。这里，每个碳原子均有4个等距离（0.154nm ）的最近邻原子，全部按共价键结合，符合 8-N 规则。

晶体缺陷

☆晶体缺陷的分类（三大类）：1.点缺陷；2.线缺陷；3.面缺陷。【书P92】

☆点缺陷：是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位-溶质原子对等。

☆空位：当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。

空位的种类+点缺陷的运动：

☆空位(间隙原子)的平衡浓度：点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度 ☆过饱和空位的产生方法：有时晶体中点缺陷的数目会明显超过平衡值，这些点缺陷称为过

饱和空位（点缺陷）。产生过饱和空位的原因有高温淬火，辐照，冷加工等。

☆点缺陷的作用（对性能的影响）：晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，TS

U F -=