[理学]第2章晶态和非晶态材料的特性
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2.1 晶体特征的结构基础
1
晶体的均匀性
晶体的各向异性
晶体的性质不随观察位置而变异-------------晶体由晶胞并置而成
2
某些性质随观察方向不同而不同 例如：NaCl晶体的力学性质，拉力c : b+c : a+b+c = 1:2:4；但光学性 质，热传导等是各向同性的。 方解石的折光率，霞石的热传导等。
同一晶种的晶体相应的晶面交角保持恒等不变
2
材料化学课件
4
晶体有明显的熔点
T T
相应原子周围环境相同
t
t
5
晶体的对称性
内部结构
非晶态固体
晶体
理性外形；化学、物理性质……—— 宏观对称性
—— 微观对称性
6
晶体对X射线的衍射
结构周期 ~ X-射线波长
3
材料化学课件
2.2 晶体学点群和晶体的性质
2.2.1 晶体学点群的分类 1. 纯旋转操作点群或第一类操作的点群 (1)具有一个 n 次轴的点群: 循环群 C1 C2 D2 C3 D3 C4 D4 C6 D6
11
材料化学课件
2.5玻璃和陶瓷 晶体材料是固体材料的核心—— 晶体的广泛存在,并可以用各种 偏离理想晶体的“缺陷”使其具有一定的性质. 1.5.1 晶态材料与非晶态材料的异同 1. 晶体和非晶体都具有固体的基本属性 原子处在完全确定的平衡位置附近, 并在围绕此平衡位置振动 宏观表现为连续刚体; 不流动并有确定的形状; 体积不变动 具有弹性硬度,可反抗切应力
510
1150
2160 材料化学课件
1
2.1 晶体特征的结构基础
3
晶体的自范性
晶面与平面点阵相对应 晶棱与直线点阵相对应
在合适的外界条件下，能够自发地生 长出具有规则多面体外形的晶体。
多面体满足： F + V = E + 2；即：面数 + 顶点数 = 棱数 + 2 — 晶面交角守恒定律（1669年） 特定两点阵面交角不变
掺铁TiO2 纳米微粒的制备及光催化性能
6
材料化学课件
(2) 层间嵌入某些离子,原子,或分子: LiTiS2 (0<<1)——良好的导电性, 锂电池的电解质 TiS2 层形分子S原子间van de Walls力, Li蒸气或正丁基锂非 极性溶液 《应用化学》2003年第1期 目前商品锂离子电池正极材料LiCoO2，但Co价格昂贵 以层状结构的LiNiO2或尖晶石结构的LiMnO4代替，可以很大 程度的降低成本。但是 充电过程中存在着严重的容量衰减现象 合成条件苛刻，热稳定性差，不安全
12
材料化学课件
2. 晶体和非晶体内部组成粒子的排列的明显区别
晶态材料 ——长程有序（长程序） ——结构的周期性，对称性 ——X射线衍射 非晶态材料 ——无序结构 ——短程有序（短程序）
13
材料化学课件
长程无序 大范围内排列不规则: 位置无序, 也称几何无序，拓扑无序——组成粒子在空间位 置上排列无序 成分无序，也称化学无序——多元体系中不同组分无规则地 随机分布 短程有序,短程序 每个粒子的近邻粒子的排列具有一定的规则性 较好地保留了相应的晶态材料中的配位状况： 具有一定结构的单元，包括确定配位数，键长，键角 例如，在非晶态硅中保留了晶态硅中的硅四面体结构单元 但, 这些配位多面体有不同程度的变形
以一个群元素自 身重复操作可获 得全部群元素
(2)具有一个n次轴和n个与之垂直的二次轴的点群: 双面群
(3)具有一个以上高次轴的点群: 立方群
T O
4
材料化学课件
2.2.2、晶体学点群和晶体的物理性质： Neumann定理 晶体学点群是它的任意一种物理性质的对称群的子群 即任意一种性质的对称群必须包括该晶体点群的对称性
10
材料化学课件
2.4.3 液晶材料 液晶材料－－－长棒形或者园盘形有机化合物 已经发现的具有液晶性质的分子有六七千种，常用的有：
2.4.4液晶显示技术 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 颜色对温度敏感－－－－－测量温度和温度梯度 医学上用来探测静动脉的位置
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材料化学课件
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, 无规则取向的小集团所组成 小集团内部原子排列有序 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
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材料化学课件
2.5.2 非晶态材料 一般地是指以非晶态半导体和非晶态金属为主的普通低分子 的非晶态材料; 广义地理解,还应包括玻璃、陶瓷，以及非晶态聚 合物（塑料、橡胶）等. 1. 玻璃——高温下熔融，冷却过程中粘度逐渐增大、不析晶、 室温下保持熔体结构的非晶固体。
(1) 氧化物“青铜”：MWO3 ；MV2O5 钨青铜和类似体钨青铜, M=碱金属,碱土金属,铜,银,铊,铅,钍,铀, 稀土,氢,铵等
(2) 夹杂化合物： K1.5+MoO3· LiTiS2
9
材料化学课件
2.4.1 液晶和塑晶 物质一般有固、液、气三种状态，常见的冰、水和蒸气就是 的水的三种状态。不过，自然界的物质往往要复杂得多，有时 故态和液态很难区分，存在许多中间状态。晶体和液体之间就 存在两种状态：象晶体的液体和象液体的晶体，前者称为液晶， 后者称为塑晶。 2.4.2液晶的特性 根据织构形态的不同，热致性液晶可分为三种不同相： 1、类似细火柴棒状的向列相（Nematic）液晶 2、类似胆固醇状的胆甾醇相（Cholesteric）液晶 3、类似粘土状的近晶相（Smectic）液晶
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材料化学课件
2.3 非整比化合物材料 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 1. 过渡元素二元化合物 (1) 某种原子过多或短缺
Zn1+O —— n性半导体， 1000K ZnO晶体在Zn蒸气中加热
TiO1+—— 导电性, 在不同氧气分压下加热TiO, TiO0.82 -TiO1.18 过渡金属氧化物——混合价态化合物 可以作颜料、磁性材料、氧化还原催化剂、蓄电池的电极材料 《应用化学》2003年第1期 染料敏化TiO2 光电极制备方法的改进
7
材料化学课件
以Ni部分地取代LiCoO2中的Co，
制成非整比化合物晶体LiNixCo1-xO2
兼备了Co系、Ni系材料的优点
Ni(OH)2和NiNO3、CoO
空气气氛条件下800C恒温8小时 具有规整的-NaFeO2层状结构
制备条件比较温和、材料成本低、电化学性能优良
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(3) 晶体中吸收了某些小原子: LaNi5Hx 2. 三元插入化合物
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晶体的均匀性
晶体的各向异性
晶体的性质不随观察位置而变异-------------晶体由晶胞并置而成
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某些性质随观察方向不同而不同 例如：NaCl晶体的力学性质，拉力c : b+c : a+b+c = 1:2:4；但光学性 质，热传导等是各向同性的。 方解石的折光率，霞石的热传导等。
同一晶种的晶体相应的晶面交角保持恒等不变
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晶体有明显的熔点
T T
相应原子周围环境相同
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晶体的对称性
内部结构
非晶态固体
晶体
理性外形；化学、物理性质……—— 宏观对称性
—— 微观对称性
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晶体对X射线的衍射
结构周期 ~ X-射线波长
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2.2 晶体学点群和晶体的性质
2.2.1 晶体学点群的分类 1. 纯旋转操作点群或第一类操作的点群 (1)具有一个 n 次轴的点群: 循环群 C1 C2 D2 C3 D3 C4 D4 C6 D6
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2.5玻璃和陶瓷 晶体材料是固体材料的核心—— 晶体的广泛存在,并可以用各种 偏离理想晶体的“缺陷”使其具有一定的性质. 1.5.1 晶态材料与非晶态材料的异同 1. 晶体和非晶体都具有固体的基本属性 原子处在完全确定的平衡位置附近, 并在围绕此平衡位置振动 宏观表现为连续刚体; 不流动并有确定的形状; 体积不变动 具有弹性硬度,可反抗切应力
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2160 材料化学课件
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2.1 晶体特征的结构基础
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晶体的自范性
晶面与平面点阵相对应 晶棱与直线点阵相对应
在合适的外界条件下，能够自发地生 长出具有规则多面体外形的晶体。
多面体满足： F + V = E + 2；即：面数 + 顶点数 = 棱数 + 2 — 晶面交角守恒定律（1669年） 特定两点阵面交角不变
掺铁TiO2 纳米微粒的制备及光催化性能
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材料化学课件
(2) 层间嵌入某些离子,原子,或分子: LiTiS2 (0<<1)——良好的导电性, 锂电池的电解质 TiS2 层形分子S原子间van de Walls力, Li蒸气或正丁基锂非 极性溶液 《应用化学》2003年第1期 目前商品锂离子电池正极材料LiCoO2，但Co价格昂贵 以层状结构的LiNiO2或尖晶石结构的LiMnO4代替，可以很大 程度的降低成本。但是 充电过程中存在着严重的容量衰减现象 合成条件苛刻，热稳定性差，不安全
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材料化学课件
2. 晶体和非晶体内部组成粒子的排列的明显区别
晶态材料 ——长程有序（长程序） ——结构的周期性，对称性 ——X射线衍射 非晶态材料 ——无序结构 ——短程有序（短程序）
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材料化学课件
长程无序 大范围内排列不规则: 位置无序, 也称几何无序，拓扑无序——组成粒子在空间位 置上排列无序 成分无序，也称化学无序——多元体系中不同组分无规则地 随机分布 短程有序,短程序 每个粒子的近邻粒子的排列具有一定的规则性 较好地保留了相应的晶态材料中的配位状况： 具有一定结构的单元，包括确定配位数，键长，键角 例如，在非晶态硅中保留了晶态硅中的硅四面体结构单元 但, 这些配位多面体有不同程度的变形
以一个群元素自 身重复操作可获 得全部群元素
(2)具有一个n次轴和n个与之垂直的二次轴的点群: 双面群
(3)具有一个以上高次轴的点群: 立方群
T O
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材料化学课件
2.2.2、晶体学点群和晶体的物理性质： Neumann定理 晶体学点群是它的任意一种物理性质的对称群的子群 即任意一种性质的对称群必须包括该晶体点群的对称性
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材料化学课件
2.4.3 液晶材料 液晶材料－－－长棒形或者园盘形有机化合物 已经发现的具有液晶性质的分子有六七千种，常用的有：
2.4.4液晶显示技术 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 颜色对温度敏感－－－－－测量温度和温度梯度 医学上用来探测静动脉的位置
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材料化学课件
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, 无规则取向的小集团所组成 小集团内部原子排列有序 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
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材料化学课件
2.5.2 非晶态材料 一般地是指以非晶态半导体和非晶态金属为主的普通低分子 的非晶态材料; 广义地理解,还应包括玻璃、陶瓷，以及非晶态聚 合物（塑料、橡胶）等. 1. 玻璃——高温下熔融，冷却过程中粘度逐渐增大、不析晶、 室温下保持熔体结构的非晶固体。
(1) 氧化物“青铜”：MWO3 ；MV2O5 钨青铜和类似体钨青铜, M=碱金属,碱土金属,铜,银,铊,铅,钍,铀, 稀土,氢,铵等
(2) 夹杂化合物： K1.5+MoO3· LiTiS2
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材料化学课件
2.4.1 液晶和塑晶 物质一般有固、液、气三种状态，常见的冰、水和蒸气就是 的水的三种状态。不过，自然界的物质往往要复杂得多，有时 故态和液态很难区分，存在许多中间状态。晶体和液体之间就 存在两种状态：象晶体的液体和象液体的晶体，前者称为液晶， 后者称为塑晶。 2.4.2液晶的特性 根据织构形态的不同，热致性液晶可分为三种不同相： 1、类似细火柴棒状的向列相（Nematic）液晶 2、类似胆固醇状的胆甾醇相（Cholesteric）液晶 3、类似粘土状的近晶相（Smectic）液晶
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材料化学课件
2.3 非整比化合物材料 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 1. 过渡元素二元化合物 (1) 某种原子过多或短缺
Zn1+O —— n性半导体， 1000K ZnO晶体在Zn蒸气中加热
TiO1+—— 导电性, 在不同氧气分压下加热TiO, TiO0.82 -TiO1.18 过渡金属氧化物——混合价态化合物 可以作颜料、磁性材料、氧化还原催化剂、蓄电池的电极材料 《应用化学》2003年第1期 染料敏化TiO2 光电极制备方法的改进
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以Ni部分地取代LiCoO2中的Co，
制成非整比化合物晶体LiNixCo1-xO2
兼备了Co系、Ni系材料的优点
Ni(OH)2和NiNO3、CoO
空气气氛条件下800C恒温8小时 具有规整的-NaFeO2层状结构
制备条件比较温和、材料成本低、电化学性能优良
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(3) 晶体中吸收了某些小原子: LaNi5Hx 2. 三元插入化合物