材料科學(xué)基礎(chǔ)1 晶系結(jié)構(gòu)

材料學(xué)基礎(chǔ)

FundamentalofMaterialogy預(yù)備知識：原子結(jié)構(gòu)與元素周期表

sspdf最外層電子數(shù)依次+1電子層數(shù)依次+1第一章工程材料中的原子排列材料的性能取決于材料的成分、加工工藝和結(jié)構(gòu)。材料結(jié)構(gòu)學(xué)是材料科學(xué)體系中最重要的學(xué)科之一。第一節(jié)結(jié)合鍵(BindingBond)定義:原子(離子或分子)之間的相互作用力二、結(jié)合鍵離子鍵氯鈉

NaCl的晶體結(jié)構(gòu)

Si形成的四面體109°金屬離子金屬鍵模型電子氣共價鍵金屬鍵分子鍵和氫鍵非方向鍵，高配位數(shù)，低溫不導(dǎo)電，高溫離子導(dǎo)電空間方向鍵，低配位數(shù)，純晶體在低溫下導(dǎo)電率很小非方向鍵，配位數(shù)及密度都極高，導(dǎo)電率高，延性好低的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，壓縮系數(shù)大，保留了分子的性質(zhì)三、材料的鍵性金屬材料金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。金屬特性：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好；正電阻溫度系數(shù)；好的延展性；金屬光澤等。陶瓷村料陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結(jié)合鍵主要是離子鍵和共價鍵，大多數(shù)是離子鍵。離子鍵賦予陶瓷材料相當(dāng)高的穩(wěn)定性，所以陶瓷材料通常具有極高的熔點(diǎn)和硬度，但同時陶瓷材料的脆性也很大。高分子材料高分子材料的結(jié)合鍵是共價鍵、氫鍵和分子鍵。其中，組成分子的結(jié)合鍵是共價鍵，而分子間的結(jié)合鍵是范德華鍵和氫鍵。盡管范德華鍵較弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子間的作用力也相應(yīng)較大，這使得高分子材料具有很好的力學(xué)性能

Chap.2Crystalstructures1.Lattice,unitcell,basis,andCrystalstructuresIdealcrystals:Periodicity&long-rangeorder

(平移周期性和長程有序性）

x1d2d3d等同格點(diǎn)基矢元胞t1t3t2(Primaryunitcell:thesmallestunit)晶胞：晶體結(jié)構(gòu)基本單元晶體常數(shù)（點(diǎn)陣常數(shù)）:（a,b,c)——size（α,β,γ)——shape2.坐標(biāo)系Coordinatesxyzabcxyzgab3.7類晶系(syngonies)、14種Bravais點(diǎn)陣SyngoniesAxes(a,b,c)Angles（α,β,γ）立方cubica=b=ca=b=g=900四方tetragonala=b≠cα=β=γ=900六方hexagonala=b≠ca=b=900,g＝1200菱方rhombohedrala=b=ca=b=g≠900正交orthorhombica≠b≠cα=β=γ=900單斜monoclinica≠b≠cα=β=900≠γ三斜triclinica≠b≠cα≠β≠γ≠900

14種Bravais點(diǎn)陣：7種晶系可以構(gòu)成多少種空間點(diǎn)陣？每種晶系最多可構(gòu)成4種空間點(diǎn)陣：簡單點(diǎn)陣（s）底心點(diǎn)陣（C）體心點(diǎn)陣（b）面心點(diǎn)陣（F）a≠b≠c

，α≠β≠γ

aP1簡單三斜三斜TriclinicPearson符號底心單斜簡單單斜單斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90o≠β

βabcmP

mC

2底心正交

oC2簡單正交

oP1面心正交

oF4體心正交

oI2正交a≠b≠c，α=β=γ＝90o簡單六方hP六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90o，γ=120oa1a2a3簡單菱方hR1菱方Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90o

簡單四方tP1體心四方tI2四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90o

簡單立方cP1體心立方cI2面心立方4立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90o4.MillerindexABC1）

晶面指數(shù)xyzn1n2n3(n1n2n3)——Weiss指數(shù)hx+ky+lz=j

(hkl)——晶面Miller指數(shù)n1n2n3hkl表示法111111(1,1,1)3

33111(1,1,1)

∞∞1001(0,0,1)1∞∞100(1,0,0)∞1∞010(0,1,0)-11∞

10(,1,0)OOA=n1aOB=n2bOC=n3c＋＋＝1n1n2n3hkl(hkl)111111（111）333111（111）1001（001）1100（100）1010（010）123632（632）-11-110（10）(hkl)——晶面Miller指數(shù){hkl}晶面族：等價晶面e.g.,{100}=(100)+(010)+(001)(Forcubiclattice)例：1、已知晶面求晶面指數(shù)

2、已知晶面指數(shù)在晶胞中作出晶面2）晶向指數(shù)xyzrr=Ux+Vy+Wzuvw

[UVW]——晶向Miller指數(shù)e.g.,x-axis[100]y-axis[010]z-axis[001][111][110]<UVW>

晶向族：等價晶向

e.g.,<100>=[100]+[010]+[001]+[100]+[010]+[001](Forcubiclattice)5.六方晶系的四軸坐標(biāo)系的晶面指數(shù)與晶向指數(shù)5.1晶面指數(shù)(hkil)比三軸增加了一個指數(shù)，其余的與三軸系統(tǒng)相同例：a3a1a2c5.1晶向指數(shù)[uvtw]四軸[uvtw]與[UVW]三軸之間的轉(zhuǎn)換例：a3a1a2c以SC、FCC為例，說明晶胞和原胞的異同。分別給出立方和四方晶系的{101}晶面族中所包含的等價晶面。Homewrok1部分參考書（I）：杰羅得，《固體結(jié)構(gòu)》（科學(xué)版）（中譯本）俞文海，《晶體物理學(xué)》（科大）陳綱，《晶體物理學(xué)基礎(chǔ)》（科學(xué)版）張克從，《近代晶體學(xué)基礎(chǔ)》（科學(xué)版）馮端，《金屬物理學(xué)》第一卷（科學(xué)版）第三節(jié)金屬及合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

StructureCharacteristicofMetal&Alloy

一、常見純金屬的晶格類型

體心立方晶格：記為BCC（a）（b）（c）體心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)屬于這種晶格類型的金屬有α-Fe、Cr、W、Mo、V等

致密度：晶格常數(shù)為a，原子半徑為；；；所以：致密度

配位數(shù)為8面心立方晶格：記為FCC

屬于這種晶格類型的金屬有γ－Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。

（a）（b）（c）面心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)配位數(shù)＝12；致密度＝0.74密排六方晶格：記為HCP

密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，由六個呈長方體的側(cè)面和兩個呈六邊形的底面所組成，如圖所示。屬于這種晶格類型的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。

（a）（b）（c）密排六方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)配位數(shù)：12；致密度：0.74（與面心立方相同）晶胞中的間隙

由致密度計算結(jié)果可知，晶體中應(yīng)存在一定數(shù)量的間隙。例如，對于體心立方，致密度k＝0.68，說明僅有68％的體積被原子占有，存在32％的間隙。這些間隙對金屬的性能，合金的相結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散以及相變等都有重要的影響。從幾何形狀上看，晶格中有兩種間隙：八面體間隙和四面體間隙。

金屬原子八面體間隙金屬原子四面體間隙(a)(b)體心立方結(jié)構(gòu)中的間隙(a)八面體間隙(b)四面體間隙

面心立方晶格中也有八面體間隙與四面體間隙兩種，如圖所示，它們分別是正八面體間隙和正四面體間隙

金屬原子八面體間隙金屬原子四面體間隙(a)(b)面心立方結(jié)構(gòu)中的間隙(a)八面體間隙(b)四面體間隙原子的堆垛方式

前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度與配位數(shù)完全一致，均屬于最密排列晶格，但是晶格類型卻不同，為了搞清這個問題，就需要了解原子的堆垛方式。面心立方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式密排六方的原子堆垛方式A層B層C層A層B層C層面心立方晶胞原子堆垛方式密排六方晶胞原子堆垛方式金剛石型結(jié)構(gòu)碳原子除位于面心立方結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)外，還有四個位于四面體間隙。二、共價晶體的晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶體致密度？CSiOSiC,高溫SiO2晶體結(jié)構(gòu)硅酸鹽的層狀和鏈結(jié)構(gòu)35

三、離子晶體的晶體結(jié)構(gòu)

1.離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則負(fù)離子配位多面體規(guī)則

——鮑林第一規(guī)則

電價規(guī)則

——鮑林第二規(guī)則

關(guān)于負(fù)離子多面體共用點(diǎn)、棱的規(guī)則

——鮑林第三規(guī)則1.1負(fù)離子配位多面體規(guī)則在離子晶體中，離子的配位數(shù)由兩種異號離子的半徑比決定，而配位數(shù)大小直接影響晶體結(jié)構(gòu)。半徑比配位數(shù)間隙形狀

示意圖<0.1152線性0.115~0.2253三角形0.225~0.4144四面體0.414~0.7326八面體0.732~1.0008立方體NaCl型結(jié)構(gòu)有幾百種化合物屬于NaCl型結(jié)構(gòu)，它可以看成是由兩個面心立方點(diǎn)陣穿插而成的超點(diǎn)陣。如果把一個鈉離子和一個氯離子共同看成一個基元，則點(diǎn)陣為面心立方。Na+(Mg2+)Cl-(O2-)O2+Zr4+在ZrO2結(jié)構(gòu)中，Zr4+占據(jù)面心立方結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)位置，而O2+處于四面體間隙中(1/4,1/4,1/4)。ZrO2(CaF2)型結(jié)構(gòu)O2-Al3+EmptyholeAl2O3型結(jié)構(gòu)O2+處于密排六方結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)，Al3+位于八面體間隙，為維持電荷平衡，有1/3間隙空著。第四節(jié)、晶體缺陷Crystaldefects理想晶體——相對，晶體缺陷——絕對e.g.,Ruby——Cr-dopedAl2O3B-dopedSi:p-typesemiconductorP-dopedSi:n-typesemiconductor1)缺陷分類：①0-d——點(diǎn)缺陷晶格位置缺陷(本征)雜質(zhì)缺陷(非本征)電子缺陷：e/h空位間隙②1d——線缺陷

(位錯dislocation)③2d——面位錯：界面/晶界棱位錯(刃型位錯)螺位錯2)點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生：①熱振動（T>0K)：本征②雜質(zhì)引入：非本征③外界條件(應(yīng)力、射線輻照等)3）熱缺陷

(本征缺陷intrinsicpointdefects)TE熱起伏(漲落)E原子

>E平均

原子脫離其平衡位置在原來位置上產(chǎn)生一個空位②

表面位置(間隙小/結(jié)構(gòu)緊湊)①

間隙位置(結(jié)構(gòu)空隙大)Frenkel

缺陷MMVM+Mi

MX:MXVM+VX

Schottky

缺陷①空位：VM——M原子的空位②間隙：Mi——M間隙原子③錯位原子：MX，XM④締合中心:(VMVX)⑤雜質(zhì)缺陷:LM——L雜質(zhì)原子在M位上⑥帶電缺陷:電子缺陷：自由電子e,電子空穴h原子缺陷：V’M移走M(jìn)原子，留下它的電子（相當(dāng)于移走一個M+）

V’MVM+e4）點(diǎn)缺陷表示方法

Kroger-Vink

記號MX：Kroger-Vink

記號MX：帶電缺陷:V·X移走（X原子+電子）（相當(dāng)于移走一個X-）

V·XV·X+h總結(jié)符號規(guī)則：P缺陷種類：缺陷原子M

或空位VC帶電荷P’負(fù)電荷·正電荷（x中性）缺陷位置（i間隙）Max.C=P

的電價