功能材料概論

第一章晶體學(xué)根底及材料性能南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程系楊和梅物質(zhì)：氣態(tài)，液態(tài)，固態(tài)固態(tài)物質(zhì)：晶體，非晶體晶體：粒子(原子、離子或分子)在三維空間呈周期性的規(guī)那么重復(fù)排列。非晶體：粒子(原子、離子或分子)無(wú)規(guī)那么的堆積。黏度為其力學(xué)性能的根本參數(shù)，能保持自己形狀的為固體，不能保持自己形狀的為液體；各向同性；隨溫度的升高黏度減小，在液體和固體之間沒(méi)有明顯的溫度界限。1.1晶體的特征

晶體中原子排列的作用原子排列研究固態(tài)物質(zhì)的內(nèi)部構(gòu)造，即原子排列和分布規(guī)律是了解掌握材料性能的根底，才能從內(nèi)部找到改善和開(kāi)展新材料的途徑。組織性能1.1晶體的特征

1.1晶體的特征

原子排列：粒子(原子、離子或分子)在三維空間呈周期性的規(guī)那么重復(fù)排列。特點(diǎn)：各向異性：不同方向原子的排列方式不一樣，因而其表現(xiàn)的性能也有差異固定的熔點(diǎn)：排列規(guī)律能保持時(shí)呈現(xiàn)固體，溫度升高到某一特定值，排列方式的解體，原子成無(wú)規(guī)那么堆積，這時(shí)大多呈現(xiàn)不能保持自己形狀的液體。一、空間點(diǎn)陣和晶胞陣點(diǎn)空間點(diǎn)陣為了便于分析研究晶體中質(zhì)點(diǎn)的排列規(guī)律性，可先將實(shí)際晶體構(gòu)造看成完整無(wú)缺的理想晶體并簡(jiǎn)化，將其中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)抽象為規(guī)那么排列于空間的幾何點(diǎn)，稱(chēng)之為陣點(diǎn)。這些陣點(diǎn)在空間呈周期性規(guī)那么排列并具有完全一樣的周?chē)h(huán)境，這種由它們?cè)谌S空間規(guī)那么排列的陣列稱(chēng)為空間點(diǎn)陣，簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)陣。1.1晶體的特征

晶格為了表達(dá)空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子(原子或分子)在空間的平衡位置作為節(jié)點(diǎn)，人為地將節(jié)點(diǎn)用一系列相互平行的直線(xiàn)連接起來(lái)形成的空間格架稱(chēng)為晶格。

晶胞構(gòu)成晶格的最根本單元。晶胞在三維空間重復(fù)堆砌可構(gòu)成整個(gè)空間點(diǎn)陣，通常為小的平行六面體。晶胞要順序滿(mǎn)足①能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱(chēng)性，②具有盡可能多的直角，③體積要最小。點(diǎn)陣常數(shù)平行六面體的三個(gè)棱長(zhǎng)a、b、c和及其夾角α、β、γ，可決定平行六面體尺寸和形狀，這六個(gè)量亦稱(chēng)為點(diǎn)陣常數(shù)。二、晶系按點(diǎn)陣常數(shù)的特征對(duì)晶體的分類(lèi)。布拉菲點(diǎn)陣

簡(jiǎn)單單斜底心單斜晶體構(gòu)造和空間點(diǎn)陣的區(qū)別空間點(diǎn)陣是晶體中質(zhì)點(diǎn)排列的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體構(gòu)造的周期性和對(duì)稱(chēng)性，由于各陣點(diǎn)的周?chē)h(huán)境一樣，它只能有14種類(lèi)型晶體構(gòu)造那么是晶體中實(shí)際質(zhì)點(diǎn)〔原子、離子或分子〕的具體排列情況，它們能組成各種類(lèi)型的排列，因此，實(shí)際存在的晶體構(gòu)造是無(wú)限的。Cu3Au,simplecubicg-Fe,fcc三、晶向與晶面指數(shù)1、晶向與立方晶系晶向指數(shù)

晶向：空間點(diǎn)陣中節(jié)點(diǎn)列的方向?？臻g中任兩節(jié)點(diǎn)的連線(xiàn)的方向，代表了晶體中原子列的方向。晶向指數(shù)：表示晶向方位符號(hào)。

標(biāo)定方法：建立坐標(biāo)系結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣常數(shù)為單位；2.在晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(假設(shè)平移晶向或坐標(biāo)，讓在第一點(diǎn)在原點(diǎn)那么下一步更簡(jiǎn)單)；3.計(jì)算x2-x1：y2-y1：z2-z1；4.化成最小、整數(shù)比u：v：w；5.放在方括號(hào)[uvw]中，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方。晶向族：原子排列情況一樣，但空間位向不同的一組晶向的集合。表示方法：用尖括號(hào)<uvw>表示。舉例：可見(jiàn)任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所有結(jié)果都是該族的范圍。

晶向指數(shù)特征：與原點(diǎn)位置無(wú)關(guān)；每一指數(shù)對(duì)應(yīng)一組平行的晶向。

晶面：空間中不在一直線(xiàn)任三個(gè)陣點(diǎn)的構(gòu)成的平面，代表了晶體中原子列的方向。晶面指數(shù)：表示晶面方位的符號(hào)。標(biāo)定方法：建立坐標(biāo)系結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣常數(shù)為單位〔原點(diǎn)在標(biāo)定面以外，可以采用平移法〕；晶面在三個(gè)坐標(biāo)上的截距a1a2a3；計(jì)算其倒數(shù)b1b2b3；化成最小、整數(shù)比h：k：l；放在圓方括號(hào)(hkl)，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方。2、晶面與立方晶系晶面指數(shù)晶面族：原子排列情況一樣，但空間位向不同的一組晶面的集合。表示方法：用花括號(hào){hkl}表示。

舉例：可見(jiàn)任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所有結(jié)果都是該族的范圍。

晶面指數(shù)特征：與原點(diǎn)位置無(wú)關(guān)；每一指數(shù)對(duì)應(yīng)一組平行的晶面。

3、六方晶系晶面與晶向指數(shù)晶面指數(shù)：建立坐標(biāo)系：在六方晶系中，為了明確的表示晶體底面的(六次)對(duì)稱(chēng)性，底面用互成120度的三個(gè)坐標(biāo)軸x1、x2、x3，其單位為晶格常數(shù)a，加上垂直于底面的方向Z，其單位為高度方向的晶格常數(shù)c。注意x1、x2、x3三個(gè)坐標(biāo)值不是獨(dú)立的變量。

方法同立方晶系，(hkil)為在四個(gè)坐標(biāo)軸的截距倒數(shù)的化簡(jiǎn)，自然可保證關(guān)系式h＋k＋i＝0。底面指數(shù)為(0001),側(cè)面的指數(shù)為(1010)。晶向指數(shù)標(biāo)定方法：平移晶向(或坐標(biāo))，讓原點(diǎn)為晶向上一點(diǎn)，取另一點(diǎn)的坐標(biāo)，有:并滿(mǎn)足p＋q＋r＝0；化成最小、整數(shù)比u：v：t：w放在方括號(hào)[uvtw]，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方

。晶向族與晶面族同一族的晶向或晶面也具有等同的效果；三個(gè)水平方向具有等同的效果，指數(shù)的交換只能在他們之間進(jìn)展，Z軸只能改變符號(hào)；改變符號(hào)時(shí)，前三項(xiàng)要滿(mǎn)足p＋q＋r＝0的相關(guān)性要求。四、其他晶體學(xué)概念

2.晶面的原子密度：該晶面單位面積上的節(jié)點(diǎn)(原子)數(shù)。

1.晶向的原子密度：該晶向單位長(zhǎng)度上的節(jié)點(diǎn)(原子)數(shù)。3.晶帶和晶帶軸：相交和平行于某一晶向的所有晶面的組合稱(chēng)為晶帶，此直線(xiàn)叫做它們的晶帶軸。晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示。在立方晶系中：

晶面(hkl)和其晶帶軸[uvw]的指數(shù)之間滿(mǎn)足關(guān)系：4.晶面間距：指相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離。晶面間的距離越大，晶面上的原子排列越密集。同一晶面族的原子排列方式一樣，它們的晶面間的間距也一樣。不同晶面族的晶面間距也不一樣。1.2化學(xué)鍵與晶體類(lèi)型離子鍵與離子晶體-正負(fù)電荷之間的靜電引力、1A族(Li,Na,K,Rb,Cs)和7A族(F,Cl,Br,I)，特點(diǎn)：構(gòu)造穩(wěn)定，結(jié)合能較大，導(dǎo)電性差、熔點(diǎn)高、硬度高、膨脹系數(shù)小，大多數(shù)離子晶體對(duì)可見(jiàn)光是透明的，但在紅外區(qū)域有一個(gè)特征吸收峰。共價(jià)鍵與原子晶體-一對(duì)原子共有的電子構(gòu)造，4A-6A族,(C,Si,Ge,Sn)；其導(dǎo)電性很弱，一般屬于結(jié)緣體或半導(dǎo)體金屬鍵與金屬晶體-電子為晶體共有，原子間結(jié)合較強(qiáng)，具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱和高延展性，熔點(diǎn)較高范德華力與分子晶體-分子間的作用力，作用力在0.2-0.5nm，一般不具有方向性和飽和性。1.3晶體構(gòu)造構(gòu)造特點(diǎn):以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與自由電子的吸引力。無(wú)方向性，對(duì)稱(chēng)性較高的密堆構(gòu)造。常見(jiàn)構(gòu)造：體心立方bccBody-centeredcubic面心立方fccFace-centeredcubic密堆六方cphClose-packedhexagonal1.3晶體構(gòu)造一、元素的晶體構(gòu)造-分為三類(lèi)：第一類(lèi)金屬晶體構(gòu)造(fcc,bcc,cph)；第三類(lèi)非金屬共價(jià)鍵，鏈狀(I)、層狀(Te)、網(wǎng)狀(As);第二類(lèi)構(gòu)造1、面心立方原子位置立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心

面心立方中原子排列在面心立方晶格中密排面為{111}，密排方向?yàn)?lt;110>2、體心立方原子位置立方體的八個(gè)頂角和體心

體心立方中原子排列在體心立方晶格中密排面為{110}，密排方向?yàn)?lt;111>3、密堆六方原子位置12個(gè)頂角、上下底心和體內(nèi)3處

在密堆六方晶格中密排面為{0001}，密排方向?yàn)?lt;1120>4、面心立方和密堆六方的原子堆垛原子的密排面的形式：

在平面上每個(gè)原子與六個(gè)原子相切。

hcp中為(0001)面，按

–ABABABABAB-方式堆垛Fcc中為{111}面，按

–ABCABCABCABC-方式堆垛NaCl型面心立方構(gòu)造CsCl型簡(jiǎn)單立方構(gòu)造金剛石型面心立方構(gòu)造閃鋅礦構(gòu)造〔面心立方構(gòu)造〕纖維礦構(gòu)造(六方晶系)螢石構(gòu)造〔面心立方構(gòu)造〕鈣鈦構(gòu)造〔立方構(gòu)造〕尖石構(gòu)造〔立方構(gòu)造〕二、化合物的典型晶體構(gòu)造1.4晶體缺陷點(diǎn)缺陷-空位、間隙原子、雜質(zhì)原子線(xiàn)缺陷-位錯(cuò)面缺陷-外表、界面和堆垛層錯(cuò)1.5導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體的電阻率：10-5-10-4Ω·cm半導(dǎo)體的電阻率：10-5-1010Ω·cm絕緣體的電阻率：1010-1022Ω·cm固體的能帶理論可以說(shuō)明三者的區(qū)別1.5導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體一、能帶的形成1.5導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體二、金屬的電子能帶構(gòu)造特點(diǎn)鈉的能帶構(gòu)造示意圖1.5導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三、絕緣體和半導(dǎo)體的電子能帶構(gòu)造特點(diǎn)固體材料能帶特征示意圖

Eg=0;Eg>2eV0<Eg<2eV

1.5導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體四、影響材料電導(dǎo)率的因素材料的本性〔原子鍵、原子排列以及電子構(gòu)造等〕；環(huán)境溫度；材料的加工工藝過(guò)程。1.6功能材料的性能一、半導(dǎo)體電性根據(jù)能帶理論，晶體中并非所有電子或價(jià)電子參與導(dǎo)電，只有導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶頂部的空穴才能參與導(dǎo)電。本征電導(dǎo)--導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電或價(jià)帶中空穴才導(dǎo)電同時(shí)存在的情況本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體-n型、p型二、超導(dǎo)電性1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K時(shí)，汞的電阻突然降低到接近于零。“超導(dǎo)態(tài)〞。電阻突然變?yōu)榱愕臏囟确Q(chēng)為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，Tc表示。1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部排除體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。R=0,B=0是超導(dǎo)體的兩個(gè)最根本屬性1.6功能材料的性能1.6功能材料的性能電阻率與溫度關(guān)系曲線(xiàn)示意圖磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)臨界溫度的影響三、壓電性和電致伸縮現(xiàn)象當(dāng)外力作用于晶體時(shí)，發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷，這種由于形變而產(chǎn)生的電效應(yīng)，稱(chēng)為壓電效應(yīng)壓電材料及電致伸縮現(xiàn)象示意圖1.6功能材料的性能1.6功能材料的性能四、鐵電性(在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的構(gòu)造使正負(fù)電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強(qiáng)度，使晶體具有自發(fā)極化，晶體的這種性質(zhì)叫鐵電性〔ferroelectricity〕)鈦酸鋇晶胞及偶極子示意圖1.6功能材料的性能電場(chǎng)對(duì)極化強(qiáng)度和偶極子排列的影響1.6功能材料的性能鐵電性能測(cè)試儀1.6功能材料的性能五、熱電效應(yīng)熱電偶示意圖六磁性能磁化與介電材料在電場(chǎng)中的極化相似，當(dāng)磁性材料在磁場(chǎng)作用下，使感生的或固有的磁偶極子排列時(shí)取向趨于一致，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁化。磁偶極子主要是由于原子中環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子造成的。這種電子磁矩又分為軌道磁矩和自旋磁矩。

1.6功能材料的性能六磁性能

1.磁矩物體內(nèi)部所有電子自旋磁矩、軌道磁矩之和為物體的磁矩。六磁性能2.磁化率和磁導(dǎo)率為了描述材料磁性的強(qiáng)弱和磁化狀態(tài)，常用磁化強(qiáng)度M來(lái)表示，即單位體積內(nèi)的總磁矩。磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值，稱(chēng)為磁化率，記為。磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值，稱(chēng)為磁導(dǎo)率，記為。定義r=/0為相對(duì)磁導(dǎo)率〔其中0為真空磁導(dǎo)率〕。六磁性能3.磁性分類(lèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系曲線(xiàn)示意圖六磁性能4.磁化曲線(xiàn)磁性材料磁滯回線(xiàn)示意圖六材料的磁性能振動(dòng)樣品測(cè)試儀B-H特性測(cè)試儀七熱學(xué)性能1、熱容1mol固體溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量，單位為J/(mol

K)；金屬的熱容與溫度關(guān)系曲線(xiàn)七熱學(xué)性能2、熱導(dǎo)率

單位時(shí)間內(nèi)在1K溫差的1cm3正方體的一個(gè)面向其所對(duì)的另一個(gè)面流過(guò)的熱量，單位是J/(cm

s

K)或W/m

K七熱學(xué)性能3、熱膨脹系數(shù)單位長(zhǎng)度物體的長(zhǎng)度隨溫度的變化率，單位為：1/K