-材料结构

晶向指数
立方晶格方向的表示法与一般三维空间的向量相同，即將向量分別投影到晶格 之三个轴上，获得三个线段长度，將此三者化成简单整数比u:v:w，晶格方向即 表示为[ u v w ] 。
三个常用晶向
晶向族
<111>
将对称性相同的方向归为一族，称晶向族，表示< u v w >，例如 ， <110> =[1 1 0]，[1 0 1]，[0 1 1]，[1 1 0]，[1 0 1]，[0 1 1]
化学键与材料热膨胀系数
晶体和非晶体
晶体：固体材料中原子在三维空间呈周期性规则
排列，有规则外形，有一定熔点，各向异性。
雪
花
非晶体：原子不规则排列，无规则外形，无一定
六
熔点，各向同性。
出
SEM
实 际 晶 体
照 片
晶体和非晶体
晶体的结构与形状
晶体的结构 晶体的形状
介观
宏观
Morphology of PbS crystal with NaCl structure
氢键
O HC
O
HO CH
HO
二甲酸分子
为什么冰的密度低于水
冰中水分子的排列
分子键
在某一瞬间，一个原子的正负电荷中心可能不重合，从而形成小的 偶极子。小偶极子之间的相互作用力称范德华力。 • 结合过程没有电子得失、共有或公有化，价电
子分布几乎不变。 • 范得瓦耳斯力其实是分子偶极之间作用力。 • 由分子键形成的物质熔点低、硬度低、绝缘。
电负性
表征原子获得电子的能力
电负性增加
电负性降低
化学键种类
由于核外电子结构，特别是价电子结构的不同，原子 之间的结合方式（化学键）也不同。可以分为离子键、 共价键、金属键、范德华力和氢键。
离子键
• 价电子被电负性大的元素原子吸引，正负离子平衡形成离子键 • 特点：结合力大，无方向性 • 组成的离子晶体硬度高、强度高、脆性大、绝缘 • 举例：NaCl、Al2O3、CaF2
Cl Cl Cl2
共价键
• 共用价电子对； • 特点：结合力大、饱和性、方向性 • 由它组成的共价键晶体熔点高、强度高、脆性大 • 举例：金刚石、BN 、 SiC 、 Si3N4
金属键
1. 原子失去价电子形成正离子； 2. 正离子在三维空间规则排列形成晶格； 3. 价电子为全体原子共有（自由电子），在晶格间自由
同素异构体
一种元素的固体的不同晶体结构形态称为同 素异构体。例如，C有5种同素异构体：石墨、 金刚石、富勒烯、纳米管、石墨烯。
晶面指数
立方晶系晶格平面的表示法（米勒指数）：
由平面与晶格三轴相交所得的截距取倒数后，化为简单指数比h:k:1，晶 格平面即表示为(h k l)。
晶面指数举例
晶面族
将对称性相同的平面归为一族平面，称晶面族，表示为{h k 1}，例如 ， {1 1 0}=（1 1 0），（1 0 1），（0 1 1），（1 1 0），（1 0 1），（0 1 1）
原子尺度 Atomic Level
亚原子尺度 Subatomic Level
化学键
材料的性能是由以下因素决定的： 内因 1. 成分——材料是由哪些物质（原子）构成的？ 2. 化学键——构成材料的原子如何结合在一起？ 3. 晶体结构——构成材料的原子是如何排列的？ 外因 温度、压力 和化学键关系密切的材料性能：密度、导电性、导热性、热膨胀、硬度
运动，形成电子气； 4. 正离子和电子气之间产生静电吸引使离子结合起来。
金属键特点：无方向性、价电子可以在晶体中自由运动
氢键
H与O、N、F等电负性高的原子A（A=O、N、F等）组成共价键分子时，共有电 子对（电荷中心）偏向原子A。此时，H原子一侧带正电，A原子一侧带负电。一 个分子的H原子可以和另一个分子的A原子通过正负电荷相互作用而形成一种附加 键，即氢键。氢键存在于H2O、HF、NH3和许多高分子化合物中。
化学键结合强度比较
各种材料中可能存在的化学键
陶瓷的化学键
陶瓷材料主要是离子键和共价键的混合结构，其中离子键的比例和阴 阳离子的电负性X密切相关，可用下式估算：
% ionic character = [1 - exp(-0.25{Xa - Xb}2)] 100%
化学键与材料熔点
* Increasing covalent bonding
FCC结构
举例：Al、Cu、-Fe、Ag、Au
晶胞原子数： 6×1/2 +8×1/8 =4 晶胞常数：
a 4R / 2
FCC结构
原子填充率（晶胞中被原子填充的体积百分率）APF：
4 ( 4 R3 ) 4 ( 4 R3 )
3
3
0.74ห้องสมุดไป่ตู้
a3
(4R / 2)3
BCC结构
举例：Cr、Mo、W、V
BCC结构
晶胞原子数： 1+8×1/8 =2 晶胞常数：
a 4R / 3
原子填充率：
2 ( 4 R3 ) 2 ( 4 R3 )
3 a3
3
0.68
(4R / 3)3
HCP结构
举例：Cd、Ti、Be、Mg、Zn、Zr
HCP结构
晶胞原子数： 3+12×1/6+2 ×1/2 =6 晶胞常数：
c / a 8 / 3 1.633, a 2R
材料结构基础
主要内容
❖ 金属键、离子键和共价键 ❖ 晶体结构、晶体缺陷 ❖ 固溶体和中间相 ❖ 金属材料、无机非金属材料、高分子材料结构
尺度单位
Examples
材料的尺度
超级细菌
禽流感病毒 TiO2颗粒
材料的结构层次
宏观结构 Macroscopic Structure
微观结构 Microscopic Structure
原子填充率：
6 ( 4 R3 )
6 ( 4 R3 )
3
3
0.74
6 3 a2c 6 3 (2R)2 1.633 2R
4
4
纯铁在910 C以上为FCC结构（-Fe， a=0.129 nm），910 C以下为BCC结构（Fe，a=0.126 nm）。估算纯铁从910 C以上 冷却到910 C以下后的体积变化。
ATOMIC PACKING
ABCA
ABA
金属晶体结构
大多数固态金属內部的原子都在三维空间整齐规律地排列（晶体）。 因此其原子位置可以画成三维空间立体格子形式，称为晶格 (crystal lattice)； 构成晶格的最小立体格子单位称晶胞(unit cell)。 金属的主要晶体结格有三种： 面心立方（Face-centered cubic, FCC） 体心立方（Body-centered cubic, BCC） 密排六方（Hexagonal close-packed, HCP）