北科大非晶态与半晶态
晶态和非晶态的概念
晶态和非晶态的概念晶态和非晶态是固体物质的两种基本状态，它们的区别在于它们的原子或分子排列方式不同。
晶态的物质具有高度有序的排列结构，而非晶态的物质则没有这种高度有序的排列结构，它们的原子或分子是随机排列的。
在实际应用中，晶态和非晶态的物质具有截然不同的性质和应用范围。
晶态的物质结构晶态的物质结构是高度有序的，它们的原子或分子排列方式是非常规则的。
晶体的结构通常由周期性的基本单元组成，这个基本单元被称为晶胞。
晶体的物理性质与晶胞内的原子或分子排列方式、晶胞的大小和形状、以及晶体整体的对称性等因素有关。
晶体的结构可以用X射线衍射等方法来确定。
在X射线衍射中，X射线通过晶体时会发生衍射，衍射的图案可以反映出晶体的结构。
晶体的结构可以用布拉维格子来描述，布拉维格子是一种虚拟的晶胞，它可以用来描述晶体的周期性结构。
晶体的结构可以用空间群来描述，空间群是一个对称性操作的集合，它描述了晶体的对称性。
晶态的物质性质晶态的物质具有一些特殊的物理性质，这些性质与晶体的结构有关。
晶体的结构决定了它们的热力学性质、光学性质、电学性质等。
晶体的结构也决定了它们的机械性质，如硬度、弹性、塑性等。
晶体的结构还决定了它们的化学性质，如反应性、溶解度等。
晶态的物质应用晶态的物质在现代科技中有广泛的应用。
晶体管、LED等电子器件中的半导体材料就是晶态的物质。
晶态的物质还被用于制造光学器件、激光器等。
晶态的物质还被用于制造陶瓷、金属合金等工程材料。
非晶态的物质结构非晶态的物质结构是无序的，它们的原子或分子是随机排列的。
非晶态的物质可以看作是一种无序的、不规则的、没有周期性结构的固体。
非晶态的物质结构通常由玻璃态、胶态、凝胶态等状态组成。
非晶态的物质性质非晶态的物质具有一些独特的物理性质，这些性质与它们的无序结构有关。
非晶态的物质通常没有明显的熔点，而是通过玻璃转变或热分解来失去结构稳定性。
非晶态的物质通常具有较高的硬度和弹性模量，但它们的塑性和延展性较差。
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。
（新版~全）北科大材物电子显微学复习提纲答案
复习题：1.什么是轴对称场？为什么电子只有在轴对称场中才被聚焦成像？①轴对称场是指在这种场中，电位的分布对系统的主光轴具有旋转对成性。
（可以使电子束折射，其点位的分布和等位面的形状能起透镜作用）②非轴对称场中，电子在透镜的不同方向有不同的聚焦能力，因此不能将所有电子汇聚到轴上一点，进而发生像散。
2.磁透镜的象散是怎样形成的？如何加以矫正？像散属于几何像差，是由于电磁透镜磁场的非旋转对称引起的,主要原因是极靴质量不高，即极靴的形状、材质、杂质成分不均匀等都会造成像散，表现为电子在不同方向的聚焦能力不同，结果使物点通过透镜后无法汇聚成一点。
可通过消像散器消除。
3.什么是透镜畸变？为什么电子显微镜进行低倍率观察时会产生畸变？如何矫正?①畸变是由于球差引起的，球差的存在使透镜对边缘区域的聚焦能力比中心部分大，反映在像平面上，即像的放大倍数将随离轴径向距离的增大而增大或减小。
②低放大倍数时，在物面上被照射的面积有相当大的尺寸，畸变更明显，但畸变是一直都产生的，只是明显与不明显的区别。
③矫正方法：a.在不破坏真空的条件下，根据所需放大率选取不同内孔径直径的极靴，低倍时选内孔大的极靴。
b.使用两个投影镜，使它们畸变相反，互相抵消。
4.TEM的主要结构，按从上到下列出主要部件①三大系统:电子光学系统,真空系统,电源和控制系统②从上到下：电子枪、加速管、第一聚光镜、第二聚光镜、聚光镜光阑、样品台、物镜、物镜光阑、选区光阑、中间镜、投影镜、荧光屏、观察室（显微镜）、照相室（相机）5. TEM和光学显微镜有何不同？①光学显微镜：光束照明，波长λ大，分辨能力低（0.2μm），只能观察表面形貌，不能做微区成分分析。
②TEM显微镜：电子束照相，波长λ小，分辨能力高（0.1nm），可把形貌观察、结构分析、成分分析结合起来。
但仪器贵，不直观分析困难，操作复杂，要求真空条件，对样品要求较高，制样复杂。
6.几何像差和色差产生原因，消除办法。
金属材料的非晶态与纳米晶态
金属材料的非晶态与纳米晶态金属材料是工业生产中最重要的材料之一，其特殊性能和优异的物理力学性能已经被广泛应用于各个领域。
随着人们对材料性能的要求越来越高，金属材料的非晶态和纳米晶态也逐渐引起人们的关注。
本文将探讨金属材料的非晶态和纳米晶态的概念、制备方法以及应用前景。
一、非晶态金属材料非晶态金属材料是一种具有非晶结构的材料，其原子排列没有规则的长程周期性。
它的金属原子是以一种无序排列的方式分布于空间中的，因此称为“非晶态”。
它是介于晶态和液态之间的一种结构状态。
一般来说，非晶态材料由高温下迅速冷却而成，这个过程被称为快速凝固或淬火。
这种材料的熔点相对较高，可以达到晶态材料的熔点，但其热膨胀系数小，机械性能优异，导电性能良好。
因此，在很多领域都具有广泛的应用前景。
制备非晶态金属材料的方法有很多种，比如快速凝固法、气冷快速凝固法、感应熔化法、电子束辐照法等等。
其中，最常用的就是快速凝固法，这种方法可以制备出大面积、高稳定性的非晶态金属材料，并且可以制备出很多种不同的金属和合金。
例如，Fe-Si、Fe-Co、Fe-Ni-Cr、Zr-Cu-Ni-Al等合金都可以用快速凝固法制备。
另外，非晶态金属材料的制备技术也在不断发展和改进中。
例如，现在已经出现了一种叫做“烷基辅助快速凝固法”的新方法，该方法利用烷基分子作为快速凝固材料，可以获得非常高的凝固速度和均匀度，从而获得更好的非晶态金属材料。
二、纳米晶态金属材料纳米晶态金属材料是一种由纳米晶组成的材料，其晶粒尺寸一般小于100纳米，因此也被称为“纳米材料”。
这种材料相比于普通金属材料具有更好的力学性能、电学性能、热学性能和光学性能等等，可能成为未来各种领域的重要材料。
目前制备纳米晶态金属材料的方法有很多种，包括机械碾磨、高温球磨、溶液化学合成、气相合成等等。
其中，机械碾磨和高温球磨是比较常用的制备方法。
这两种方法可以通过机械剪切和冲击力对金属粉末进行加工，形成纳米晶态金属材料。
晶态和非晶态的概念
晶态和非晶态的概念
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晶态与非晶态是描述物质性质的重要概念，它们有着鲜明的区别。
首先，晶态是由晶体单胞内的微粒有序排列而成的构造形式。
晶体的形状有块状、柱状、针状等，它们都是由一定的晶格构成的，晶体中的微粒完全相等，极为规则及密度均匀。
比如，锰矿电学元件里面最常见的锰矿就是有晶态状态出现。
非晶态是杂质物质构成的复合形式，微粒粒径而且形状差异较大，它们排列不规则，同一种物质的穿插也比较严重，如熔体金属、放射性材料、多维定向晶非晶体、核复合材料等都属于非晶态。
非晶态材料的性质会沿着结构的方向受到显著的影响，比如，非晶合金陶瓷等在其微观结构方向上特有的性能使得它们在工程应用中有更强的使用性能。
总之，晶态与非晶态是我们描述物质性质的重要参照概念，具有明显的区别，晶态下物质的微粒有序排列密度均匀，而非晶态下的物质的复合性质，微粒大小及形状不一，排列不规则，同一物质的穿插也比较严重。
因此，晶态与非晶态的概念在我们描述物质性质上拥有十分重要的意义。
北京科技大学科技成果——半固态铝合金流变成形技术及设备
北京科技大学科技成果——半固态铝合金流变成形技术及设备成果简介在传统的半固态铝合金触变成形技术中，电磁搅拌和电磁感应重熔加热的功率较大、效率很低、能耗很高，半固态坯料的液相分数不能太高，成形非常复杂零件毛坯时遇到困难，而且坯料的锯屑、坯料重熔加热时的流失金属、浇注系统和废品不能马上回用，增加了触变成形的生产成本。
因此如何进一步降低生产成本成为当今半固态铝合金成形技术应用的最重要的主题。
在国家九五、十五和十一五“863”高技术发展计划的支持下，我校研制开发的先进铝合金半固态流变成形技术已经成熟，成功地流变成形了汽车零件，如图1所示。
与一般半固态铝合金触变成形相比，该半固态铝合金流变成形的生产工艺流程大大缩短，设备投资也将大幅度减少，半固态流变成形零件的生产成本将会明显降低。
目前该项目已经通过国家“863”计划组织的专家委员会的验收。
图1 半固态铝合金成形零件毛坯左边为邮政分拣论，右边为汽车制动总泵壳由于半固态铝合金流变成形不易发生喷溅、裹气少、凝固收缩小，流变成形的零件毛坯致密，能够热处理强化，因此采用本半固态流变成形技术成型的铝合金零件的力学性能远远超过铝合金压铸件的力学性能，满足国家技术标准。
而且，流变成形的零件毛坯不存在宏观偏析，力学性能更均匀；可以实现近终化成形，大为减少机加工量，降低加工成本；易于实现机械化或自动化操作，生产效率高；减轻了模具的热冲击，提高了模具的寿命。
该技术具有电磁搅拌和均热能耗低，浆料表面氧化程度轻，输送方便，浆料的固相分数可以灵活控制，便于成形各种复杂零件，而且半固态铝合金浆料流变成形后的浇注系统、废品将直接在本车间回用，降低原料成本。
与传统的半固态铝合金触变成形相比，半固态铝合金流变成形的生产工艺流程大大缩短，设备投资也将大幅度减少，半固态流变成形零件的生产成本将会明显降低。
该技术以北京科技大学拥有的中国发明专利00109540.4为支撑，具有原创性及完全的知识产权。
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。
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。
材料科学基础2版余永宁 (4)
在熔点时的 数值对不同材料是不同：一般的bcc 金属，大约为
0.11，一般的fcc金属，大约为0.07。
非晶态是一种过冷液态 不具有长程有序，但因为它相对于液体熔点有很大的过冷，所 以原子是定域化的。
材料科学基础
北京科技大学 材料科学与工程学院
编制
第4章 非晶态与半晶态
固态
物体可分为
液态
气态
从结构看可分为 原子的迁移性接近
晶态
非晶态
气态
刚性固体
周期性长程有序
缺少长程有序 具有短程序
原子的迁移性接近
非晶态材料
• 大多数热固性塑料 • 氧化物及非氧化物（硫属化合物及氟化物）玻璃态 • 非晶态聚合物、干凝胶 • 非晶态半导体 • 非晶态金属或合金 • 非晶态电介质 • 非晶态离子导体 • 非晶态超导体
非晶态材料具有其他状态物质所没有的特性和优异性能。 在很多新材料应用领域如：光通信材料、激光材料、光集成电 路、新型太阳能电池、高效磁性材料、输电和输能材料等其都 是研究和开发的热点。
聚合物
• 聚合物是一类由长分子组成的有机材料，通常由碳骨架与 其他元素或结构单位连接作为侧基构成。
• 聚合物不容易晶化。即使在缓慢冷却条件下，聚合物通常 只是部分结晶或完全不结晶，而形成半晶态或非晶态。
• 在20世纪已经能够人工合成聚合物，并且可通过人工调整分 子的结构获得所希望的性能，这使得聚合物成为一大类重 要的材料，在建筑、汽车、通信甚至航空工业等领域都获 得重要的应用。
本章主要讨论非晶态和半晶态的结构、它们的基本特 征和一些简单材料。
4.1 非晶态
北京科技大学科技成果——金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备与工艺
北京科技大学科技成果——金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备与工艺项目简介金属玻璃（又称非晶合金）是指在固态下原子排列具有短程有序而长程无序，并在一定温度范围内保持这种状态相对稳定的金属合金。
近十几年来，块体金属玻璃的发展更是其发展过程的一个里程碑，使得金属玻璃作为结构材料成为可能。
与传统晶体材料相比，块体金属玻璃很高的强度、大的弹性极限（2%-3%）及良好的耐腐蚀性等突出优点。
正是由于其独特性能，使得块体金属玻璃在体育用品、电子、医学及国防等领域得到了越来越广泛的应用。
本项目开发了一种短流程、适合于大规模工业生产、并能获得完全清洁复合界面的金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备与工艺。
设备构成为，由真空系统、预热系统、加热系统、冷却系统、牵引机构组成。
牵引机构上下各有一个导轮，两导轮竖直方向相切，且下部导轮与电机相连，可以将制备的丝直接缠绕起来，实现连续生产；冷却装置紧置于坩埚下部，保证包覆的合金液快速凝固形成金属玻璃。
工艺过程为：将按照名义成分配好的合金先用电弧炉熔炼成均匀的母合金，然后将母合金和金属丝装在底部带有小孔的坩埚中，金属丝一端自内而外穿过坩埚的小孔，在加热炉中重熔母合金并保温，然后通过牵引机构由电机带动下拉浸渍在熔体中的金属丝，使其表面均匀浸渍一层合金液，在穿过加热区后通过冷却介质快速冷却形成金属玻璃，最终获得具有较高强度与延伸率的金属玻璃包覆金属丝复合材料。
技术特点：金属丝可以选用具有较高熔点及较高强度的钨丝，金属玻璃合金可以选用具有较强玻璃形成能力及较好力学性能的锆基合金体系。
电机牵引拉丝速率为1-5mm/min，冷却装置的冷却速率为所吹氩气流速1-5m/s。
已申请专利：一种金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备与工艺，200710120355.4。
经济效益及市场分析本技术已经初步在实验室连续制备金属玻璃包覆金属丝如图1和图2所示。
图1 金属玻璃包覆的钨丝图2 金属玻璃包覆的钨丝断面样品技术成果成熟度，初步在实验室阶段，本丝的应用将有如下几个方面：金属玻璃包覆金属丝编织成层状，或棒状，再过冷液相区压结成复合材料板或棒，有潜在的军工用途，如装甲板或穿甲弹弹芯材料；该金属玻璃包覆金属丝由于耐腐蚀、耐磨损，兼具非晶的高强度和晶态合金的高塑性，具有广泛的工业用途。
材料科学中的晶态与非晶态材料性能对比研究
材料科学中的晶态与非晶态材料性能对比研究材料科学是一门研究材料结构、性能和制备方法的学科。
在这个领域中，晶态和非晶态材料是两个常见的材料类型。
晶态材料具有有序的周期性结构，而非晶态材料则没有明显的结晶性质，具有无定形的结构。
这两种材料的性能在一些方面存在巨大的差异，研究其对比可以为材料设计和应用提供有益的指导。
首先，晶态材料在物理性质方面表现出一些独特的特性。
晶体的周期性结构使其具有明确的晶格常数和方向选择性，这导致晶态材料具有较高的硬度和强度。
这种结构还使得晶体在电子行为方面显示出一些特殊性质，例如晶体可以表现出半导体、绝缘体或导体的行为，这对于电子器件的应用非常重要。
此外，晶体的周期性结构还赋予其优良的光学性质，例如单晶材料可以实现光学透明并具有高的光学折射率。
相比之下，非晶态材料的性质更加随机和各向同性。
由于其无定形的结构，非晶态材料通常具有较低的硬度和强度，相对来说较易变形。
然而，这种无定形的结构也带来了一些独特的性能。
非晶态材料往往具有较好的塑性，可以抵抗损伤的传播并具有较好的韧性。
另外，非晶态材料还常常表现出较低的抗腐蚀性和化学稳定性，对某些特殊环境具有较好的耐久性。
此外，非晶态材料在光学和电子行为方面也显示出一些特殊性质，虽然不及晶态材料突出，但在一些特殊应用中仍具有一定优势。
除了物理性质，晶态和非晶态材料在制备和加工方面也存在差异。
晶态材料往往需要经历晶化过程，通过控制温度和冷却速度来形成有序的晶体结构。
而非晶态材料可以直接由熔化态制备，通过快速冷却避免结晶，形成无定形的非晶态。
这种制备方法的差异导致了晶态和非晶态材料在制备成本、工艺复杂度和可扩展性等方面的差异。
非晶态材料的制备相对简单，适用于大规模制备和加工，而晶态材料的制备则需要更多的控制和条件。
在应用方面，晶态和非晶态材料也有各自的优势。
晶态材料常用于环境要求严苛的骨干结构和功能部件，例如航空航天领域的发动机叶片和高速运动部件。
4.非晶态和半晶态习题解答
33040 = 785.2 42.01 (4) 这个聚丙烯聚合度的分散性 PD 为 M 36240 = 1.097 PD = w = M n 33040 n=
4-5．什么是单体、聚合物的链节（重复单元）？它们之间有什么关系？写出以下聚合物的 链节结构式。(1)聚乙烯；(2)聚氯乙烯；(3)聚甲醛；(4)聚对苯二甲酰对苯二胺。 解： 高分子由许多相同的简单结构单元通过共价键重复连接而成， 这些重复结构单元简称重 复单元，又称链节，形成结构单元的分子称单体。 (1) 聚乙烯链节结构式是
图 x4-1 当玻璃板两侧表面激冷至室温时，因为快冷，在较高的温度转变为玻璃，即 Tg 较高，并且 比体积 V 较大。在继续冷却时，虽然表面层的比体积比内层的过冷液体大，但由于内层是 过冷液态，可以松弛因此而产生的应力。当板的中心缓慢地冷却至室温，因它的 Tg 较表面 层低，在比较低的温度转变为玻璃态，它的比体积 V 比表层的小，对表层产生平行表面的 压应力。因为这时表层已是玻璃态，不能松弛这压应力。表层这种压应力，是表层不易产生 裂纹（裂纹都是由张应力产生的） ，起到强化玻璃的作用。 4-4. 下表列出聚丙烯的相对分子质量的资料，(1)计算数均相对分子质量。(2)计算重均相对 分子质量。(3)求其聚合度。(4)求聚合度的分散性。ٛ 相对分子质量范围 （g/mol）ٛ ٛ ٛ 8000∼16000 所占数量分数 0.05
把给出聚乙烯分子链的数据代入上式，得
2 Rn = 400003 / 5 × 3.08
1 + cos109.5o nm = 1256 nm 1 − cos109.5o
4-8. 官能度与聚合物结构形态有什么关系？ 解：如果聚合物单体的官能度等于 2，那么，单体只能连接成长的分子链，没有分支，是线 型结构。若官能度等于 3 或大于 3，聚合时，三官能度的一个官能度提供与另一个分子链桥 接共价交联形成网状， 是体型结构。 这样的聚合物实际上是一个整体的分子量非常巨大的分 子。 4-9. 辐照特别是高能辐照，会破坏聚合物中的共价键。高能辐照会对半晶态聚合物结晶度 有什么影响？ 解：因为高能辐照破坏聚合物中的共价键，使聚合物链的规则性降低，因此，不易堆垛 4-10. 您认为普通窗玻璃的玻璃转变温度在室温以上还是以下？橡胶带聚合物的玻璃转化 温度又如何？
固体材料中的非晶态与晶态及其结构分析
固体材料中的非晶态与晶态及其结构分析随着材料科学技术的不断发展和进步，人们对于固体材料的研究也不断深入。
在固体材料中，非晶态和晶态是两种基本的结构类型。
非晶态材料的结构之所以不规则和无序，是因为其分子、原子或离子是以无序排列方式组成的，没有明显的晶体结构。
而晶态材料则是由严格重复出现的周期性结构组成。
那么，如何理解材料的非晶态与晶态结构，并进行相应的分析呢？一、非晶态材料的特点及结构非晶态材料是指无法通过常规的晶体结构观察或确定的结构类型。
当非晶态材料被制备时，它们的分子或原子被随机地分布在材料中，形成类似于“玻璃”的无序结构。
这种结构特点决定了非晶态材料与晶态材料有很多不同之处。
首先，非晶态材料的物性表现出不同于晶态材料的奇异特性。
它们常常具有很高的玻璃转变温度、强烈的非弹性变形以及高的柔韧性。
其次，非晶态材料的制备条件必须非常精细和独特，必须保持材料的柔性和平衡状态。
与此同时，非晶态材料的对称性是低的，其结构可以近似看作是一种随机玻璃状结构。
最后，非晶态材料的结构需要通过一系列原位和外场检测手段来分析和确定。
二、晶态材料的特点及结构晶态材料的结构是由一些离子、原子或分子按照精密的规律排列组合而成的。
在晶体中，正交解析法是最常用的方法，即将晶体零件订定在正交坐标轴上，采用三角函数的形式来描绘晶体结构的周期性和对称性。
晶体中存在着大量的大分子晶体，尽管它们的结构不同，但单晶结构中任意两个分子之间的距离都是确定的，而且这种距离还是个固定的模式或者称之为晶格。
晶体的特点主要表现在其成分中，即晶体许多成分均有严格规律排布。
晶体的正交解析法已成为晶体结构分析的基础方法。
此外，晶体对于外场的外力干扰远比非晶态材料更高，这表明晶体是更加有序的材料。
最后，在晶体的制备条件下，晶体材料的对称性被更好地保持，这有助于坚固的晶格结构的稳定性。
三、非晶态材料和晶态材料之间的比较尽管非晶态材料和晶态材料是不同的材料类型，但它们之间存在一些相同之处。
晶态与非晶态材料的结构特征探究
晶态与非晶态材料的结构特征探究材料科学是以材料为研究对象的一门交叉学科，材料的组织结构对材料的性能有着决定性的影响。
在材料科学中，晶态和非晶态材料是两种特别重要的材料类型，其结构特征各不相同，对于来自制备、应用、理论的各个角度的研究都有着非常重要的意义。
本文就将对晶态和非晶态材料的结构特征进行探究和分析，并从中看到材料世界的多样性。
一、晶态材料的结构特征晶态材料的结构是有规律的、有序排列的。
它的结构特征通常被描述为长程有序性，是由于其分子或原子间定向排列形成的可重复的、有序的结构。
晶体之所以拥有这种性质是因为它的原子或分子在形成晶体时按照一定的方式排列，而这种排列方式保证了晶体具有对称性。
1. 晶体的周期性结构晶体是由无限的周期性结构组成的，其基本单位被称为晶胞。
一个晶体中的许多晶胞是由相同的原子或分子构成的，每个晶胞都可以通过平移或旋转作为整体复制出来。
这种高度有序性的周期性结构使得晶体具有非常特殊的物理和化学性质。
2. 晶胞与晶格晶胞是晶体最小的重复单元，它是由一组原子或离子构成的。
晶胞可以用三个晶轴完成描述，晶轴的长度一般是不同的。
晶体的几何形状由晶胞的形状和尺寸决定。
晶胞的外壳由晶格点围成，晶格点是晶胞中最重要的点，一个晶胞中的所有晶格点和其他晶胞中的晶格点有相同的排列方式。
晶格是由所有晶格点构成的。
3. 晶向和晶面当一些球体在无规律的状态下静止时，会形成一个随机堆积状。
相反，晶体内的原子或分子按照特定方式有序分布，存在着排列方向，晶向和晶面对应着这种排列，它们是晶体的必要表征。
晶向是晶胞中一条与晶格点平行的直线，在晶胞中的位置有规律地重复出现。
晶面是晶胞中由多个晶向围成的平面，它也在晶体中有规律地重复出现。
晶向和晶面可以用Laue衍射和X射线衍射进行测定，这些测量技术使得我们能够确定一个晶体的结构。
二、非晶态材料的结构特征非晶态材料也叫做无定形材料，是指在凝固时没有晶体形成的材料，因此，它们的结构通常不具备规律性和周期性。
非晶态材料的结构与性质
非晶态材料的结构与性质非晶态材料，又称无定形材料或非晶材料。
与晶态材料不同，它们没有经过晶化，也就是说它们的分子没有像晶体一样有序排列。
这些化合物往往是由由金属、半导体或塑料构成的合金或陶瓷，有着非常特殊的性质。
本文将探讨非晶态材料的结构与性质，并探索其在现代工业中的应用。
一、非晶态材料的结构非晶态材料的结构比较难以描述，因为它们不是经过晶体结构有序排列的。
与之对应的，相对应于晶格的是非定向的、无规则的玻璃态；相对于晶体中的原子位置周期性排列，非晶体中的原子位置则是凌乱无序的。
在晶体中，原子的排列是周期性、有序的，而在非晶质中，在几近无序的背景下，原子与原子之间只有短程有序，也就是说，原子之间的距离与平均含量是变化无常且不依赖于空间位置的。
非晶态材料也可以看成是一个微小晶体组成的复合材料，不同晶粒的尺寸从几十Å到几百Å不等，而每个晶粒内的原子则分布得比晶体中原子分布更为凌乱。
二、非晶态材料的性质相比于晶态材料，在非晶态材料中，由于没有晶格，材料的物理性质更加复杂与难以描述。
以下将会介绍几个典型的非晶态材料的性质：1. 坚硬度高：许多非晶态金属材料的硬度都非常高，高达1500-1600HM，相比之下，很多晶体金属材料都只有100-600HM的硬度。
2. 形状记忆效应强：非晶态合金在各种情况下都有优秀的形态回复和形状记忆效应，这让它们在制造高弹性元器件时更加适用。
3. 震动阻尼性能强：非晶态合金的震动阻尼性能非常高，可以有效地抑制振动响应，这对于航空航天等领域有着十分广泛的应用。
4. 导电性能优异：非晶态的金属材料也有一些优秀的导电性能，可以作为微电子元器件的制造材料。
三、非晶态材料的应用除了上述提到的性质外，非晶态材料还具有较好的抗腐蚀性、抗疲劳性能和良好的潜变行为。
因此，非晶态材料在现代工业中的应用越来越广泛。
以下是几种常见的应用：1. 磁存储材料：非晶态磁性材料是计算机、电子元器件及储存介质等高科技产品中必不可少的基础材料。
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4.1.3 非晶态结构的描述
液体和晶体一样也近似是不可压缩的，原子（分子）十分紧密地 堆积。每个原子（分子）同时和多个原子（分子）接触，但两个 原子（分子） 不能同时占据相同的空间区域，这个空间区域称为 排斥体积。 对于缺乏长程有序的结构，一般用统计的方法描述。采用硬球模 型，引入原子（分子）径向分布函数g(r)（RDF）来描述。 径向分布函数的意义是：以某个选定的原子为中心引出矢量r， 端点处微小区域的单位体积内出现原子或分子的概率。它是量纲 为1的函数，可表达为
结合键型
共价键 共价键 共价键 金属键 金属键 金属键 离子键 共价键，范德华键 共价键，范德华键 共价键，范德华键 共价键，氢键 共价键，氢键
Tg / K 1430 470 约800 580 410 290 520 370 310 65 140 90
4.1.2 玻璃态的形成 • 快速冷却，只要液态冷却时能避开晶化，任何材料 （包括金属键、离子键和共价键材料）都可以形成 玻璃 • 气相沉积法，用化学或物理方法使欲制成非晶态固 体的物质气化，然后沉积到冷的基底上，在原子能 迁移形成低能晶态之前基底就已吸收了它们的热 能，从而冻结为非晶态 • 晶态固体泵入能量，例如使用高能射线辐射、离子 注入等方法，使晶态直接变成非晶态 • 溶胶—凝胶法。这种方法以金属醇盐或有机、无机 盐为原料配制成溶液，经水解形成溶胶，再聚缩成 湿凝胶，通过适当的干燥、烧结制成非晶玻璃态
A2O3二维非晶玻璃网络
A2O3型氧化物的二维晶
结构的示意图
体结构的示意图
满足查卡里阿森规则的氧化物能形成大面积的三维玻璃网络，这 些氧化物如SiO2、GeO2、Ba2O3、P2O3和As2O3等称为网络形成体； 在玻璃中不能形成网络的其他氧化物如Li2O、K2O、Na2O、Cs2O、 MgO、BaO、CaO、ZnO和PbO等称为网络修饰体。 网络修饰体的意义在于：它的加入可以改变玻璃的键结构，降低 网络一次键的密度从而降低玻璃化温度，也降低材料在较低温度 下的刚性。
除SiO2外，满足查卡里阿森规则的常见氧化物玻璃还有GeO2、 B2O3、P2O5、As2O5等。
A2O3（A代表正离子）型玻璃态结构，满足查卡里阿森规则的多 面体是氧离子构成三角形，三角形的分子式是(AO3)3-。
①满足官能度的要求又同时满足了查卡里阿森的第四规则：两 个 (AO3)3-三角形共享一个顶点； ②满足查卡里阿森第三规则：(AO3)3-三角形不会共享棱而只是共 享顶点； ③A-O-A的键角θ一定偏离180º（因为如果精确为180º 则会导致规 则排列的晶体），但平均键角也约为180º。
径向分布函数揭示的信息:液体和玻璃态的结构。 不足:它是统计平均的结果，不能给出非晶态原子（分子）分布的全貌，在统 计过程中还抹去了不少结构信息。
4.1.4 非晶态结构的硬球模型
•伏龙诺伊（Voronoi）多面体 二维的伏龙诺伊多边形：虚线是原子 球中心的连线，实线是虚线的二等分 线，它们构成伏龙诺伊胞的网络。
气体，在2R0后g(r)=1
简单立方晶体，第一个峰 出现在2R0处，峰高为6（简 单立方的配位数）；第二 个峰出现在2 2R0 处，峰高 为12 。线不是锋锐的，而 是一个很窄的峰。
液体或玻璃态， g(r) r从2R0 开始上升，经第一个峰值 处又重新下降，峰端对应 的径向距离略比2R0大。第 二峰比较宽展，峰高也大 幅度降低，逐渐和其他峰 合并。到r→∞时，g(r)=1。
非晶态材料具有其他状态物质所没有的特性和优异性能。 在很多新材料应用领域如：光通信材料、激光材料、光集成电 路、新型太阳能电池、高效磁性材料、软输电和输能材料等其 都是研究和开发的热点。
聚合物
• 聚合物是一类由长分子组成的有机材料，通常由碳骨架与 其他元素或结构单位连接作为侧基构成。 • 聚合物不容易晶化。即使在缓慢冷却条件下，聚合物通常 只是部分结晶或完全不结晶，而形成半晶态或非晶态。 • 在20世纪已经能够人工合成聚合物，并且可通过人工调整 分子的结构获得所希望的性能，这使得聚合物成为一大类 重要的材料，在建筑、汽车、通信甚至航空工业等领域都 获得重要的应用。
本章主要讨论非晶态和半晶态的结构、它们的基本特 征和一些简单材料。
4.1 非晶态
晶态的原子—在其点阵位置附近运动，它不破坏晶体的周期长 程有序，是定域化的。
(u 2 )1 / 2 a = δ 超过某一定值时，原子不能维持晶体的长程有序，原
子运动是非定域化的，晶态消失，变成液态。 相对熔点的δ 数值对不同材料是不同：一般的bcc 金属，大约为 0.11，一般的fcc金属，大约为0.07。 非晶态是一种过冷液态 不具有长程有序，但因为它相对于液体熔点有很大的过冷，所 以原子是定域化的。
液体结晶过程既是从结构无序转变为结构有序，又是原子从非 定域化转变为定域化二者耦合同时实现。 玻璃态转变实现了原子从非定域性到定域性的转变（固化）， 而原子被冻结在无序结构之中，保留了液体的无序，这就是玻 璃态转变的实质。
一些典型玻璃态材料的结合键类型和玻璃态化转变温度
玻璃态
SiO2 As2Se3 Si Pd0.4Ni0.4P0.2 FeO0.82B0.18 Au0.8Si0.2 BeF2 聚苯乙烯 Se 异戊烷 H2O C2H5OH
Se1-x-yAsxGey无规网络结构模型示意图
加入网络形成体元素促进玻璃形成.
大块非晶的独特性能
大块金属玻璃的力学性能
4.2 聚合物
聚合物一般是高分子化合物，由数量巨大的原子组成的大分子构成。大分子 是由一种或多种小分子通过主价键逐个连接而成的链状或网状分子。 高分子与低分子的界线是不严格的，一般将相对分子质量在10000以上的分子 称做高分子化合物，高分子化合物的相对分子质量甚至可达几十万或几百 万。 高分子由许多相同的简单结构单元通过共价键重复连接而成，这些重复结构 单元简称重复单元，又称链节，形成结构单元的分子称单体。高分子中重复 单元的数目很大，在104—107之间。 若A表示高分子中的单体，则高分子的分子式可表示为： X─A─A─A─A─A· · · · · · A─A─A─A─Y
聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯、对酞酸盐 及尼龙等
Au4Si、Pd4Si、（Fe-Si-B）、Zr-Al-Ni-Cu, Zr-Al-Ni-Cu-Ti、Zr-Al-NiCu-Be和Pd-Cu-Ni-P、Fe-(Zr,Hf,Nb)-B、Ti-Ni-Cu-Sn, Co-(Zr,Hf,Nb)B、Ni-(Zr,Hf,Nb)-B、Nd-Fe-Al等
无规网络模型
共价键材料，由于键的饱和性和方向性要求近邻原子间有相应的 键长和键角以及确定的近邻数，故无规网络模型必须满足近程化 学键的要求。 结构 官能度
单官能度 双官能度 三官能度 A—A
—B—B—B—B—B
查卡里阿森（Zachariasen）在研究SiO2玻璃结构时提出了无规 网络模型： 结构基元是硅氧四面体的(SiO4)4-，φ角固 定近似为109º28’，四面体的每个顶点都 与相邻的四面体共顶点，形成无限的网 络结构。
物
As2S3、Sb2S3、CS2及B、Ca、In、Te、Ge、Sn、N、P和Bi的多种化
合物
Tl、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Si及P的多种化合物 Tl、Sn、Pb、As、Sb、Bi及Ge的多种化合物 KNO3-Ca(NO3)2及很多含碱及碱土硝酸盐的二元混合物 KHSO4和其他二元及三元混合物 K2CO3-MgCO3
引进了相互作用势的软球模型，结构产生弛豫期间形状也作了调 整，主要是四面体和八面体两种间隙。
液态Ni(红线)和玻璃态Ni（蓝线） 的实验径向分布函数
无规密堆模型的径向分布函数
无规密堆模型曲线接近玻璃态。玻璃态出现的第二个峰分裂在无规 密堆模型曲线中大体有相应的反映。 Inoue提出形成金属玻璃的3条经验规律： ① 系统有3个以上组元；② 组元之间的原子尺寸有较大的差别，大于12%；③组元之间有负的 混合焓 。
三维伏龙诺伊多面体的例子。多面体的面数相当于原子的配位 数。在位置无序的原子系统中，每个原子的配位数是不同的， 其平均值是描述结构的一个很有意义的参数。
•贝纳耳无规密堆模型
模型的思想是：“假设液体是均匀、相干的，基本上是分子的无规集合； 它不含晶态区域，并且在低温下不存在大到足以容纳其他分子的空洞”。 用79994个滚珠，将所有空间坐标一一定出，再由计算机算出伏龙诺伊多 面体，从构造的模型得出统计数据：堆垛致密度平均值为 (63.66±0.004)%，显然比最密排堆垛的对应值74.05%低；平均面数是 14.251，多面体每个面的平均边数是5.158。
从原点直至g(r)接近1 的距离ξ是衡量短程序空间范围的大小，称相关距离。 第一个峰对应中心原子周围的第一个配位层，第一个峰下的面积乘以〈ρ〉等于 此结构的平均最近邻数〈NN〉（配位数）。由于结构存在无序，这个配位数就 不一定是整数。〈NN〉表达为
〈 NN 〉 = 〈 ρ 〉
第一峰
2 g ( r ) 4 π r dr ∫
第4章 非晶态与半晶态
物体可分为 固态 液态 从结构看可分为 晶态
刚性固体 周期性长程有序 原子的迁移性接近 缺少长程有序 具有短程序
气态
原子的迁移性接近
非晶态
气态
物质 的第 四态
非晶态材料
• • • • • • • • 大多数热固性塑料 氧化物及非氧化物（硫属化合及氟化物）玻璃态 非晶态聚合物、干凝胶 非晶态半导体 非晶态金属或合金 非晶态电介质 非晶态离子导体 非晶态超导体
4.1.1 玻璃化温度
冷却过程中没有足够的时间形成晶态，使液态过冷到低温而形 成非晶玻璃态。
传统使用的氧化物（主要成分为SiO2）玻璃态，在一般的冷却速 率下（10-4∼10-3 K/s）就可以形成玻璃态。 一般金属要在极大的冷却速率（∼106 K/s）才可能形成玻璃态。
∆V是某种状态与晶态的相对体积差，称自由体积， （dV/VdT）是 体积膨胀系数α，Tg是玻璃化转化温度。