功能材料結(jié)構(gòu)及設(shè)計

1、功能材料結(jié)構(gòu)與設(shè)計功能材料結(jié)構(gòu)與設(shè)計胡中波胡中波材料科學與光電技術(shù)學院第一章 功能材料概述 功能材料的概念、分類及特點 功能設(shè)計的概念及方法第二章 材料結(jié)構(gòu)原理 對稱操作和對稱元素-分子篇 對稱操作和對稱元素-晶體篇 晶體學中的群論 二維晶體學 三維晶體學 空間群與晶體結(jié)構(gòu)第三章 固體總論 固體中的化學鍵 固體中的缺陷 無機固體的合成第四章 功能設(shè)計的原理和方法簡介 固體結(jié)構(gòu)與性能之間的相互關(guān)系 功能材料設(shè)計原理 功能材料設(shè)計方法第五章 不同功能材料結(jié)構(gòu)與設(shè)計選講 磁性材料 超導(dǎo)材料 特殊熱性能材料 智能材料 功能高分子材料 納米功能材料 其它功能材料第六章 現(xiàn)代功能材料應(yīng)用及其設(shè)計方法展望

2、內(nèi)容提要內(nèi)容提要第一章第一章 功能材料概述功能材料概述 功能材料定義功能材料定義: 在聲、光、電、磁、熱及化學性能上有特殊效應(yīng)的，用于非結(jié)構(gòu)目的非結(jié)構(gòu)目的的(高技術(shù))材料。 功能材料分類功能材料分類: 根據(jù)材料的化學組成、應(yīng)用領(lǐng)域、使用性化學組成、應(yīng)用領(lǐng)域、使用性能能進行分類。 功能材料的現(xiàn)狀功能材料的現(xiàn)狀: 現(xiàn)已開發(fā)的以物理功能材料最多有，現(xiàn)已開發(fā)的以物理功能材料最多有， 單單功能材料功能材料，功能轉(zhuǎn)換材料功能轉(zhuǎn)換材料，多功能材料多功能材料，復(fù)合和綜合功能復(fù)合和綜合功能材料材料，新形態(tài)和新概念功能材料。新形態(tài)和新概念功能材料?；瘜W和生物功能材料的化學和生物功能材料的種類較少，但其發(fā)展速度很快

3、，其功能也更多樣化。種類較少，但其發(fā)展速度很快，其功能也更多樣化。電功能材料電功能材料 電功能材料電功能材料按導(dǎo)電機理導(dǎo)電機理可分為：電子導(dǎo)電材料電子導(dǎo)電材料和離子離子導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料兩大類。電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體導(dǎo)體、超導(dǎo)體超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。 導(dǎo)體材料的電阻率隨著溫度升高而升高。導(dǎo)體材料的電阻率隨著溫度升高而升高。分類:金屬材料，合金材料（鉑銠-鉑熱電偶），無機非金屬材料。 半導(dǎo)體材料具有半導(dǎo)體材料具有負的電阻溫度系數(shù)負的電阻溫度系數(shù)。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理：半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理：半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子（導(dǎo)帶）和空穴（價帶）的運動，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。電功能材料電功能材料 雜質(zhì)半

4、導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 固溶體固溶體 化合物半導(dǎo)化合物半導(dǎo)體體 原子數(shù)比原子數(shù)比: 1/109 1/100 1/100原子站位原子站位: 同位同位 同位同位 異位異位電功能材料電功能材料 超導(dǎo)電現(xiàn)象超導(dǎo)電現(xiàn)象：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象。電阻的現(xiàn)象。超導(dǎo)體：超導(dǎo)體：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。 超導(dǎo)體的基本特性： 特性一：完全導(dǎo)電性（零電阻）完全導(dǎo)電性（零電阻） 特性二：完全抗磁性完全抗磁性 特性三：臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流Jc是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件 特性四：約瑟夫森（約瑟夫森（

5、B D JosephsonB D Josephson）效應(yīng)（）效應(yīng)（隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)） 超導(dǎo)合金其中Ge-Nb3的臨界溫度最高（23.2K） 陶瓷超導(dǎo)體YBaCuO（Tc90K）磁功能材料磁功能材料 磁功能材料 磁化強度（磁化強度（M）：只有當內(nèi)部磁矩同向有序排列時才對外顯示強磁性。 磁場強度（磁場強度（H）：指空間某處磁場的大小。 磁感應(yīng)強度（磁感應(yīng)強度（B）：物質(zhì)在外磁場作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個附加磁場。 Hc-矯頑磁力；Br-剩余磁感應(yīng)強度；Bm-飽和磁感應(yīng)強度。軟磁材料：鎳鐵合金（軟磁材料：鎳鐵合金（Hc1kA/m）硬磁材料：硬磁材料：釹鐵硼永磁合金釹鐵硼永磁合金矩

6、磁材料：矩磁材料：磁滯回線為矩形磁滯回線為矩形其他功能材料其他功能材料 磁致伸縮材料磁致伸縮材料：磁性材料在外磁場作用下，產(chǎn)生伸長或縮：磁性材料在外磁場作用下，產(chǎn)生伸長或縮短的現(xiàn)象為磁致伸縮效應(yīng)。短的現(xiàn)象為磁致伸縮效應(yīng)。 （聲納、傳感器敏感元件聲納、傳感器敏感元件） 功能高分子功能高分子 - 指當有外部刺激時，能通過化學或物理的方指當有外部刺激時，能通過化學或物理的方法做出反應(yīng)的高分子材料。法做出反應(yīng)的高分子材料。 熱功能材料：熱功能材料：隨著溫度的變化，有些材料的某些物理性能會發(fā)生顯著變化，如熱脹冷縮、出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)或熱電效應(yīng)等，這類材料稱為熱功能材料。 分類:(正/負)熱膨脹材料 形狀記

7、憶材料 測溫材料（熱電） 納米功能材料、光功能材料納米功能材料、光功能材料 、敏感材料、儲氫材料、隱敏感材料、儲氫材料、隱形材料。形材料。功能材料設(shè)計的概念及方法功能材料設(shè)計的概念及方法原 料材料試樣組織結(jié)構(gòu)特 性評 價可 否制備觀測測試試用改進微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計制備方法設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計材料設(shè)計功能設(shè)計基本思想功能設(shè)計基本思想 基本思想基本思想Basic Structure +/- d d(Structure)(Structure) = New StructureBasic Properties/functions+ 3+New Properties/functions第二章第二章 材料結(jié)構(gòu)原理材料

8、結(jié)構(gòu)原理- 分子篇分子篇 分子的對稱性：分子的對稱性：是指存在一定的操作，它在保持任意兩點間距離不變的條件下，使分子內(nèi)部各部分變換位置，而且變換后的分子整體又恢復(fù)原狀。這種操作稱為對稱操作對稱操作。對稱操作據(jù)以進行的元素稱為對稱元素對稱元素。分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群C1點群點群：分子完全不對稱 對稱元素: E 一階群(E)Ci點群: 對稱元素: i 二階群(E，i)HFClFHCl二氟二氯乙烷分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群Cs點群: 對稱元素: 二階群(E，)C2點群: 對稱元素: n 二階群(C2，C22=E) H2O2 C2分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群

9、C3點群: 對稱元素: n 三階群CCl3CH3 C3分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Cn點群（n1） 對稱元素: n n 階群(Cn, Cn2, Cn3 Cnn-1, Cnn=E)分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Cnv 點群 對稱元素: n，n個v /d 2n 階群 C4v BrF5 C5v Ti(C5H5)分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Cnv 點群:H2ONH3分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Cnh 點群 對稱元素: n，h 2n 階群 C1h =Cs分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 點群 對稱元素: (和鍵軸方向一致) v (無窮多個,通

10、過鍵軸的垂直鏡面) 例: CO、HCN 無對稱中心的線型分子均屬 點群vCCvCHCN分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Dn點群 對稱元素: Cn，C2(在主軸的垂面方向上) 含三個相同雙齒配體的六配位化合物均屬D3點群N4N1N3N6N5N2C2C2C2D3： Co(NH2CH2CH2NH2)33+分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Dnh點群 對稱元素: Cn，C2(在主軸的垂面方向上)，h (水平)D2hE,C2,2C2, h,i,2vD3h重疊式乙烷E,2C3,2S3, 3C2,3v h分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Dnd點群 對稱元素: Cn C2(在主軸的

11、垂面方向上) d (一套平分每一對C2軸間夾角的垂直鏡面) 43HCD2d分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Dnd點群例: 分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 點群 對稱元素: (和鍵軸方向一致) v (無窮多個,通過鍵軸的垂直鏡面) h (水平鏡面) C2(無窮多個,垂直于 ) 例: H2 、CO2 、XeF2 有對稱中心的線型分子對稱中心的線型分子均屬 點群 Sn點群 對稱元素: Sn (映軸) n=奇數(shù)，Sn=Cnh n=偶數(shù)， S2=Ci S4 ，S6新群hDCChDNCH3H3CH3CCH3S4 E, S41, S42, S43 E,hC41,C21, hC43分子結(jié)構(gòu)

12、中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Td 點群 正四面體正四面體構(gòu)型的分子或離子（對稱操作: 24個） CH4 ， CCl4 ，GeCl4 Oh 點群 正八面體正八面體構(gòu)型的分子或離子（對稱操作: 48個） UF6 ， SF6 ，PtCl62- 分子結(jié)構(gòu)中的重要點群分子結(jié)構(gòu)中的重要點群 Ih 點群 二十面體二十面體構(gòu)型的分子或離子（對稱操作: 120個） 富勒烯、B12H122- BBBBBBBBBBBB分子結(jié)構(gòu)中的重要點群列表分子結(jié)構(gòu)中的重要點群列表對稱操作的表示矩陣對稱操作的表示矩陣恒等操作E的表示矩陣反映操作xy的表示矩陣反演操作i的表示矩陣旋轉(zhuǎn)Cn操作矩陣方程,繞Z軸對稱操作的表示矩陣對

13、稱操作的表示矩陣 旋轉(zhuǎn)-反映操作Sn的表示矩陣(繞 z 軸按逆時針方向轉(zhuǎn)動 角)對稱操作群對稱操作群 群的定義：按照某種規(guī)律聯(lián)系著的一組元素的集合。對于給定的乘法乘法滿足下述四條公設(shè)：滿足封閉性滿足封閉性、結(jié)結(jié)合律成立合律成立、單位元單位元E E存在存在、逆元素存在逆元素存在。 封閉性封閉性：若a?G, b?G，則ab?G 結(jié)合律：結(jié)合律：(ab)c=a(bc) 單位元單位元E E：ae=ea=a 逆元素逆元素: : aaaa-1-1=e=e 對稱操作的集合構(gòu)成的群稱為對稱操作群,簡稱對稱群對稱群。 分子所有對稱元素必須至少通過一點,故稱分子點群點群。對稱群對稱群 證明：封閉性對稱群對稱群 旋

14、轉(zhuǎn)-反映Snm的逆操作與m和n的奇偶性有關(guān) n=是偶數(shù)，不論M是偶或奇數(shù)，它的逆操作都是Snn-m n=是奇數(shù)，m=偶數(shù)，則Snm = Cnm ，因而它的逆操作是Cnn-m n=是奇數(shù)，m=奇數(shù)，則Snm = Cnm ，它的逆操作應(yīng)為Cnn-m 的乘積，且等于Cn2n-m ，因而可寫成單一的操作Sn2n-m 反映 的逆操作就是 本身： = 2=E 旋轉(zhuǎn)Cnm的逆操作是Cnn-m，因為：Cnm Cnn-m = Cnn = E 群的表示群的表示 對稱操作群所含的一組對稱操作的表示矩陣也構(gòu)成群對稱操作的表示矩陣也構(gòu)成群.簡稱群的表示群的表示 特征標 - 矩陣的對角元素之和.任何表示矩陣的集合，任何表

15、示矩陣的集合，包含了點群的全部對稱信息，這些信息也包含在矩陣包含了點群的全部對稱信息，這些信息也包含在矩陣的特征標之中。的特征標之中?？杉s表示不可約表示特征標表特征標表 任何表示矩陣的集合，包含了點群的全部對稱信息，這些信息也包含在矩陣的特征標之中。 同類元素: 若A, B, C為群的元素.當有關(guān)系式BAB-1=C成立時,稱A和C是群的類元素。C3v 的特征標表 群的不可約表示和特征標規(guī)則群的不可約表示和特征標規(guī)則 群的不可約表示維數(shù)平方和等于群的階。 C3v點群的三個不可約表示中，兩個一維，一個二維，階為6。(12 + 12 + 22 = 6 = h) 2. 群的不可約表示的數(shù)目等于群中類的

16、數(shù)。 C3v點群的群元素分成三類因而必須有三個不可約表示。3. 群的不可約表示特征標的平方和等于群的階。 4. 群的兩個不可約表示的特征標滿足正交關(guān)系。5. 屬于同一類的對稱操作具有相同的特征標?？杉s表示的分解可約表示的分解 可約表示可以分解為組成它的一系列不可約表示分解公式：其中：n( v)為第v個不可約表示在可約表示中出現(xiàn)的次數(shù);h為群的階；hi第i類對稱操作數(shù)；xiv為第v個不可約不可約表示表示對應(yīng)于第i類對稱操作的特征標，xi為可約表示可約表示對應(yīng)于第i類對稱操作的特征標上式對i的求和遍及所有求和遍及所有的對稱操作類的對稱操作類可約表示的分解可約表示的分解分子的對稱性應(yīng)用分子的對稱性應(yīng)

17、用 若分子的正負電荷中心重合，就表示分子的偶極矩等于零，否則分子就有偶極矩，這種分子就是極性分子。 例如：H2O和NH3分子有偶極矩，為極性分子； CO2的永久偶極矩為零； CCl4分子永久偶極矩為零。 2. 分子有無旋光性就看它是否能跟它的鏡像重合。所有不對稱分子都具有旋光性。第二章第二章 材料結(jié)構(gòu)原理材料結(jié)構(gòu)原理- 晶體篇晶體篇 晶體結(jié)構(gòu)可表述為：晶體結(jié)構(gòu) = 點陣 + 結(jié)構(gòu)基元 點陣：在空間任何方向任何方向上均為周期性周期性排布的無限無限個個全同全同點點的集合。點操作的集合構(gòu)成的群稱為點群。 給定晶體，其中任意兩個點陣點所代表的兩個結(jié)構(gòu)基元應(yīng)該滿足： 1)化學組成相同 2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同

18、3)周圍環(huán)境相同 旋轉(zhuǎn)、倒反、反映、旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)、倒反、反映、旋轉(zhuǎn)-倒反、旋轉(zhuǎn)倒反、旋轉(zhuǎn)-反映、螺旋旋轉(zhuǎn)、滑移反映反映、螺旋旋轉(zhuǎn)、滑移反映點對稱操作點對稱操作軸次定理軸次定理 繞A軸旋轉(zhuǎn)，將B點轉(zhuǎn)至B點 繞B軸反向旋轉(zhuǎn)，將A點轉(zhuǎn)至A點 線段BA長度為t，且與線段AB平行 A，B點是點陣點，A,B點也必是點陣點AB與BA屬于同方向的點列，該方向點列的周期為t，BA的距離t必為t的整數(shù)倍，即 t =mt由左圖可得 t=-2tcos +t聯(lián)立 cos =(1-m)2即-2(1-m)2 m=-1 ,0, 1, 2, 3相應(yīng)的 =0, 2/6, 2 /4, 2 /3, 2 /2軸次定理軸次定理：晶體中只可能

19、存在1，2，3，4，6重對稱軸，5重和6重以上對稱軸不存在 。ABABtt軸次定理軸次定理 正五邊形沿豎直軸每旋轉(zhuǎn)正五邊形沿豎直軸每旋轉(zhuǎn)720恢復(fù)原狀，但它不能重復(fù)排列恢復(fù)原狀，但它不能重復(fù)排列充滿一個平面而不出現(xiàn)空隙。因此晶體的旋轉(zhuǎn)對稱軸中不存充滿一個平面而不出現(xiàn)空隙。因此晶體的旋轉(zhuǎn)對稱軸中不存在五次軸，只有在五次軸，只有1，2，3，4，6度度旋轉(zhuǎn)對稱軸旋轉(zhuǎn)對稱軸。對稱群對稱群 群的階：有限群中互不相同的元素的個數(shù)稱為該群的階。 對稱群中對稱群中兩個元素的乘積乘積為順次進行兩個操作，乘積a2a1表示先操作a1，后操作a2，即先進行右邊的操作。 對稱操作的乘積不一定不一定服從交換律. 有限群、

20、無限群、子群、交換群、循環(huán)群。 重排定理：有限群G的所有元素的階都是有限的，并且不大于群G的階。共軛與相似共軛與相似 定義：設(shè)a與b是群G的兩個元素，若G中可找到一元素x，使得b=xax-1，則稱b與a共軛共軛。共軛操作是同類型同類型的對稱操作，x是使操作a的對稱要素與操作b的對稱要素重合的對稱操作。（反身性、相互性、傳遞性） 群G中的所有相互共軛的元素的集合稱為G的一個共軛類。每一元素屬于且僅屬于一個共軛類。 定義：設(shè)A，X為兩個操作，則滿足B=XAX-1 ，則稱B與A是相似操作相似操作。X是使操作A的幾何要素與操作B的幾何要素重合的操作. 萬花筒原理: 兩個交角為兩個交角為n 的對稱面的交線是的對稱面的交線是n重旋轉(zhuǎn)對重旋轉(zhuǎn)對稱軸。稱軸。萬花筒原理萬花筒原理 把對鏡面mj的反映轉(zhuǎn)化為對鏡面mi反映的表達式。由相似操作的概念 m