上海交大考研材料科學(xué)基礎(chǔ)總結(jié)

第1章原子結(jié)構(gòu)和鍵合

1.1原子結(jié)構(gòu)

1.1.1物質(zhì)的組成(SubstanceConstruction)

物質(zhì)由無數(shù)微粒(Particles)聚集而成

分子(Molecule)：單獨存在保存物質(zhì)化學(xué)特性

dH20=0.2nmM(H2)為2M(protein)為百萬

原子(Atom)：化學(xué)變化中最小微粒

1.1.2原子的結(jié)構(gòu)

質(zhì)子：卬函電荷1.672610kg-27

原子核(nucleus)：位于原子中心、帶正電

中子：(n電由性m=L674810kg-27

電子(electron)：核外高速旋樂帶負(fù)電，按能量高低排列，如電子云(electroncloud)

肝9.1095x10^為質(zhì)子的i/i836

原子核(nucleus)：位于原子中心、帶正電

11.3原子的電子結(jié)構(gòu)

主量子數(shù)ihcprincipalquantumnumber)

決定原子中電子能量和核間距離Gtheenergyoftheelectron)

即量子殼層，取正整數(shù)L2I4、5,

用K、L.表1示N

軌道動量量子數(shù).(theorbitalquantumnumber)

給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級，

與電子運動的角動量有關(guān)(shapeoftheelectronsubshell)

取值為蛇xWn-用，6,p表示f

磁量子數(shù)成(theinnerquantumnumber)

決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向Gspatialorientationofanelectroncloud)

取值為從聲您段*1。1,xxxxx|

自旋角動量量子數(shù)與(thespinquantumnumber)

表示電子自旋(游的nto向ent

取值為+羲4

22

核外電子排布遵循以下3個原則:

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能量最低原理(MinimumEnergyprinciple)電子總是占據(jù)能量最低的殼層

Is-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-

Pauli不相容原理(PauliExclusionprinciple):不可能有運動狀態(tài)完全相同的電子，

2n2

Hund原則(Hund'Rule)〕南-亞層中電子盡量分占不同能級，旋方向相同

全充滿

＜半充滿

全空

1.L4元素周期表

同周期元素：左右也余厚端睛帶鶴2

同主族元素：上下，最鬻I慨睜幅那

1.2原子間的鍵合

1.2.1金屬鍵(Metallicbonding)

典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價電子(valence

electron)極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子

(Freeelectron),形成電子云(electroncloud)金屬中自由電子

與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵

特點：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)

性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好

1.2.2離子鍵(Ionicbonding)

實質(zhì)：金屬原子帶正電的正離子(Cation)

非金屬原子帶負(fù)電的負(fù)離子(anion)

特點：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，

且無方向性，無飽和性

性質(zhì)：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體

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1.2.3共價鍵(covalentbonding)

亞金屬(C、Si>Sn^Ge),聚合物和無機非金屬材料

實質(zhì)：由二個或多個電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對而成

J極性健也時鑲。nding)洪用子偏于某成原子

［非極性鍵題辨制arbonding):位于成原子中

特點：飽和性配位數(shù)較小，方向性(s電子除外)

性質(zhì)：熔點高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差

1.2.4范德華力(Vanderwaalsbonding)

包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力

(dispersiveforce)

屬物理鍵，系次價鍵，不如化學(xué)鍵強大，但能很大程度改變材料性

質(zhì)

1.2.5氫鍵(Hydrogenbonding)

極性分子鍵存在于HF、H20、NH3中，在高分子中占重要地位，

氫原子中唯一的電子被其它原子所共有(共價鍵結(jié)合)，裸露原子核

將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引——氫橋

介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性

1.3高分子鏈(HighpolymerChain)

高分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)結(jié)構(gòu)"haSStructure)

［聚集態(tài)結(jié)構(gòu)(Structureofaggregationstate)

「近程結(jié)構(gòu)(一次結(jié)構(gòu))：化學(xué)結(jié)構(gòu)，分子鏈中的原子排列，結(jié)構(gòu)單元

高分子鏈結(jié)構(gòu)｛的鍵接順序，支化，交聯(lián)等

I相對分子質(zhì)量及其分布，鏈的柔順性及構(gòu)象

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1.3.1高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)

1.結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成(theChemistryofmerunits)

2.高分子鏈的兒何形態(tài)(structure)

線性高軟通(Iinearpolymers):加后，甚至流，可反復(fù)加工一

塑性(thermp拾sotid

〈支高分子(branchedpolymers)：

交高級股聯(lián)改雁卻Jinkedpolymer)：性天然橡用S交后耐磨

體型(立體網(wǎng)狀高分子(networkonthree-dimensionalpolymer)

熱塑性：具有線性和支化高分子鏈結(jié)構(gòu)，加熱后會變軟，可反復(fù)加工

再成型

熱固性：具有體型(立體網(wǎng)狀)高分子鏈結(jié)構(gòu)，不溶于任何溶劑，也

不能熔融，一旦受熱固化后不能再改變形狀，無法再生

圖1.11線型(a)、支化(b)、交聯(lián)(c)和三維網(wǎng)絡(luò)分子結(jié)構(gòu)(d)示意圖

3.高分子鏈的鍵接方式

4.高分子鏈的構(gòu)型(Molecularconfigurations)

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金網(wǎng)立構(gòu)

同同勾(syndisotacticconfigurations)R取代基父替士也在曲I怦,

即旋光異構(gòu)元交替單

■全同立構(gòu)(isotacticconfigurations):R取代基全雌淳面一，

即全部由一種旋光異構(gòu)體

無規(guī)立構(gòu)(atacticconfigurations):R取代基在主普囿蝦聯(lián)場II

1.3.2高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)

1.高分子的大小

2.高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象

主鏈以共價鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長d和鍵角0,每個單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)

(Chaintwisting)故高分子在空間形態(tài)有mn-l(m為每個單鍵內(nèi)旋

轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目)

派鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)使得高分子存在多種構(gòu)象

統(tǒng)計學(xué)角度高分子鏈取伸直(straight)構(gòu)象幾率極小，呈卷曲

(zigzag)構(gòu)象兒率極大

3.影響高分子鏈柔性的主要因素

(themaininfluencingfactorsonthemolecularflexibility)

高分子鏈能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性(Flexibility)

’主檎的膨決起定性像用,C-O,C-N,Si-旋的比C-Of氐，而使聚酯，

聚胺、聚胺鑿，聚二甲基硅氧烷等柔性好

取代基的影響取伏基的極恤，沿分子排布距離，在主上性，體均有影

交前第聯(lián)困鍵附班的腱贊阻，交度大，柔性II

第2章固體結(jié)構(gòu)

2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)(BasisFundamentalsofcrystallography)

晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：原子(或分子、離子)在三維空間呈周期性重

復(fù)排列(periodicrepeatedarray),即存在長程有序(long-range

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order)

性能上兩大特點：1.固定的熔點(meltingpoint),2.各向異性

(anisotropy)

2.1.1空間點陣和晶胞

※空間點陣的概念

將晶體中原子或原子團抽象為純兒何點(陣點latticepoint),即

可得到一個由無數(shù)幾何點在三維空間排列成規(guī)則的陣列一空間點陣

(spacelattice)

特征：每個陣點在空間分布必須具有完全相同的周圍環(huán)境

(surrounding)

※晶胞(Unitecells)

代表性的基本單元(最小平行六面體)smallrepeatentities

選取晶胞的原則：

I)選取的平行六面體應(yīng)與宏觀晶體具有同樣的對稱性；

II)平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多；

III)當(dāng)平行六面體的棱角存在直角時，直角的數(shù)目應(yīng)最多；

IV)在滿足上條件，晶胞應(yīng)具有最小的體積。

晶系布拉菲晶系布拉菲

點陣點陣

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三斜Triclinic簡單三六方Hexagonal簡單六

aWbWc,aWB#斜al=a2=a‘3Wc,a=B方

Y=90°,Y=120°

菱方Rhombohedral

單斜Monoclinic簡單單a=b=c,a=0=YW90簡單菱

aWbWc,a=y=90斜方

°WB底心單

斜四方(正方)

Tetragonal簡單四

a=bWc,a=B=、(=方

正交Orthorhombic90°體心四

aNbWc,a=B=y簡單正方

=90°交立方Cubic

底心正a=b=c,a=3=Y=90簡單立

交。方

體心正體心立

交方

面心正面心立

交方

2.1.2晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

1.晶向指數(shù)(Orientationindex)

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求法：

1)確定坐標(biāo)系

2)過坐標(biāo)原點，作直線與待求晶向平行；

3)在該直線上任取一點，并確定該點的坐標(biāo)(x,y,z),若某一坐標(biāo)

值為負(fù)，則在其上加一負(fù)號。

4)將此值化成最小整數(shù)u,v,w并加以方括號[uvw]即是。(代表一

組互相平行，方向一致的晶向)

※晶向族＜uvw＞：具有等同性能的晶向歸并而成；

2.晶面指數(shù)(IndicesofCrystallographicPlane)

求法：

1)在所求晶面外取晶胞的某一頂點為原點o,三棱邊為三坐標(biāo)軸X,

V，z

2)以棱邊長a為單位，量出待定晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距。若

某一截距為負(fù)，則在其上加一負(fù)號。

3)取截距之倒數(shù)，并化為最小整數(shù)h,k,1并加以圓括號(hkl)

即是。(代表一組互相平行的晶面；指數(shù)相同符號相反晶面互相平行)

晶面族｛hkl｝：晶體學(xué)等價的晶面總合。

3.六方晶系指數(shù)(Indicesofhexagonalcrystalsystem

orhexagonalindices)

晶面

詈2指數(shù)的標(biāo)定方式與前述相同

晶向J

＜(hki1)i=-(h+k：

[uVtw]t=-(u+v)

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三指數(shù)系統(tǒng)f四指數(shù)系統(tǒng)

three-indexsystemfour-indexsystem

4.晶帶(Crystalzone)

所有相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構(gòu)成一個“晶帶”

此直線稱為晶帶軸(crystalzoneaxis),所有的這些晶面都稱為共

帶面。

晶帶軸［nvw］與該晶帶的晶面(hk1)之間存在以下關(guān)系

凡滿足此關(guān)系的晶面都屬于以［hk1］為晶帶軸的晶帶

5.晶面間距(Interplanarcrystalspacing)

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1

直角坐標(biāo)系(1“L下工—--

J(-)2+(-)2+(-)2

\abc

立方晶系d.

Jh~+k'+l

/、方日日系djjj，,''

出(h5”2)+石

V3a*c

上述公式僅適用于簡單晶胞，對于復(fù)雜晶胞則要考慮附加面的影響

立方晶系:

,,a,

fee當(dāng)(hkl)不為全奇、偶數(shù)時，有附加面…得貓心?{110}

bcc當(dāng)h+k+l=奇數(shù)時，有附加面：如U00},{111}

六方晶系

當(dāng)hb2k(令n,n,Q1931:奇數(shù)，有附加面:

瑞坤=1

J_2

VJaC

※通常低指數(shù)的晶面間距較大,而高指數(shù)的晶面間距則較小

2.1.3

對稱性元素

,回轉(zhuǎn)對稱軸(n)1,2,3,4,6

廣對稱面(m)

f宏觀＜am-、z-x

對稱中心(1)

回轉(zhuǎn)一反演軸L2,3,4,6

滑動面a,b,c,n,d

1微觀

螺旋軸2］；3"32；4』43,42；6?65,62,6〃63

點群(pointgroup)一晶體中所有點對稱元素的集合

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根據(jù)晶體外形對稱性，共有32種點群

空間群(spacegroup)一晶體中原子組合所有可能方式

根據(jù)宏觀、微觀對稱元素在三維空間的組合，可能存在230種空間群

(分屬于32種點群)

2.1.4極射投影Stereographicprojection

2.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2.2.1三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)

表2.5三種典型金屬結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特點

晶體結(jié)構(gòu)類型

結(jié)構(gòu)特征

面心立方(A1)體心立方(A2)密排六方(A3)

點陣常數(shù)aaa,c(c/a=1.633)

42息

原子半徑R~ra

4Ta王仔?)

晶胞內(nèi)原子數(shù)426

配位數(shù)12812

致密度0.740.680.74

四面體間隙數(shù)量81212

大小0.225R0.291R

間隙0.225R

八面體間隙數(shù)量466

0.154R<100>

大小0.414K0.633R<110>0.414R

點陣常數(shù)(latticeparameter)a,c

原子半徑(atomicradius)R

配位數(shù)(coordinationnumber)Nnv〃。乃

K=—=---

VV

致密度(Efficiencyofspacefilling)

軸比(axialratio)c/a

2.2.2晶體的原子堆垛方式和間隙

fee,hep間隙為正多面體，且八面體和四面體間隙相互獨立

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bcc間隙不是正多面體,四面體間隙包含于八面體間隙之中

?金屬原子

o四面體間怎

?金屬原子?金屬原子

O八面體間隙O，四而體間歐

2.2.3多晶型轉(zhuǎn)變(allotropictransformation)

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

2.3合金的相結(jié)構(gòu)

合金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉，燒結(jié)或其他

方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)

固溶體

合金相一SolidSolution

(Phase)<

中間相Intermidiatephase

2.3.1固溶體Solidsolution

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固溶體：溶質(zhì)原子（soluteatom）溶入基體（matrix）中所形成的均勻

結(jié)晶相。晶體結(jié)構(gòu)保持

基體金屬的結(jié)構(gòu)

置換固溶體

按溶質(zhì)原子位置分固溶體Substitutionalsolidsolution

間隙固溶體

Interstitialsolidsolution

,無限completesolubility

按固溶度(solidsolubility)分］

l有限limited

1.置換固溶體Substitutionalsolidsolution

溶質(zhì)原子置換了部分的溶劑原子

影響溶解度的因素：

i）組元的晶體結(jié)構(gòu)crystalstructureofcomponents

晶體結(jié)構(gòu)相同是組元之間形成無限固溶體的

必要條件

ii）原子尺寸因素thesizefactoreffect

△rV14?15%才有可能形成溶解度較大甚至

無限固溶的固溶體

iii）化學(xué)親和力（電負(fù)性因素）theelectrochemicaleffect

在不形成化合物的條件下，電負(fù)性差值增大，

溶解度增大

在形成化合物的條件下，電負(fù)性差值增大，溶

解度減小

iv）電子濃度（原子價因素）therelativevalencyeffect

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合金中各組元的價電子總和（e）與組元的原子

數(shù)總和（a）之比

（）

,Vet1a0-0--x--+--vx

100

極限電子濃度（臨界電子濃度）與溶劑晶體點陣類型有關(guān)

對一價溶劑而言fcc\1.36;bcc\1.48;hep:1.75

2.間隙固溶體Interstitialsolidsolution

間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體

溶質(zhì)原子（R〈0.1nm）

如：HBCN0

0.0460.0970.0770.0710.060

※間隙固溶體都是有限固溶體，且溶解度很小

溶解度不僅與溶質(zhì)原子大小有關(guān)，溶解度還與溶劑元素的晶格類型密

切相關(guān)

C在a/e（bcc）0.0218wt%

v-Fe（fee）2.11wt%

3.固溶體的微觀不均勻性

※長程有序固溶體——超結(jié)構(gòu)

4.固溶體的性質(zhì)

⑴點陣畸變點陣常數(shù)間隙原子

⑵固溶強化HV,

⑶物理化學(xué)性能Pu電極電位

⑷有序化影響PHV磁性

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2.3.2中間相IntermediatePhase

中間相：兩組元A和B組成合金時，除了形成以A為基或以B為基的

固溶體外，還可以形成晶體結(jié)構(gòu)與A、B兩組元均不相同的新相。由

于它們在二元相圖的位置是位于中間，故通常把這些相稱為中間相。

中間相的特征：具有不同于組元的晶體結(jié)構(gòu)可用化學(xué)分子式表示，但

并不一定符合化合價規(guī)律

原子間的結(jié)合方式：(金屬鍵+其他鍵)混合，具有金屬性

電負(fù)性

中間相的形成和晶體結(jié)構(gòu)的影響因素?電子濃度

原子尺寸

1.正常價化合物(electrochemicalcompounds)

M+W、V、VI族元素

按化學(xué)上的正常原子價規(guī)律形成

成分可用分子式來表示：,磨2%,」監(jiān)2sA,Mg2Ge,Mg2Si

負(fù)電性差愈大，化合物愈穩(wěn)定，愈趨于離子鍵結(jié)合

負(fù)電性差愈小，化合物愈不穩(wěn)定，愈趨于金屬鍵結(jié)合

2.電子化合物

對應(yīng)于同類分子式的離子化合物結(jié)構(gòu)

特點：凡具有相同電子濃度，則相的晶體結(jié)構(gòu)類型相同

3.原子尺寸因素化合物SizefactorCompounds

(1)間隙相和間隙化合物InterstitialPhaseandCompounds

原子半徑較小的非金屬元素占據(jù)晶格的間隙，然而間隙相，間隙化合

物的晶格與組成他們的任一組元晶格都不相同。他們成分可在一定范

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圍內(nèi)波動，但組成他們的組元大致都具有一定的原子組成比,可用化

學(xué)分子式來表示。

（2）拓?fù)涿芏严郥opologicalclose-packedphase

由兩種大小不同的原子所構(gòu)成的一類中間相，其中大小原子通過適當(dāng)

的配合構(gòu)成空間利用率和配位數(shù)很高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，具有拓?fù)鋵W(xué)特點。

a）結(jié)構(gòu)特點

大小原子的適當(dāng)配合，由四面體間隙組成的晶體點陣，配位數(shù)可

以達12、14、15及16

①配位多面體：把晶體點陣中一個原子周圍最近鄰原子的中心彼此用

直線連接起來所構(gòu)成的多面體

特點：凸出的面，呈三角形；每個頂角至少連接五

個三角形

②原子密堆層

TCP相可以看作由兩種排列不同的原子層相間地組成密集層狀結(jié)構(gòu)。

主層系由三角形、四邊形、六邊形組成起來的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。系由原子半

徑較小組元構(gòu)成的密堆層；次層則由較大原子組成并分布于主層的大

空隙中（由小原子組成三維配位多面體的中心位置）

4.超結(jié)構(gòu)（有序固溶體）

有序化影響因數(shù)：

1.溫度升高，原子熱運動提高，S降低

2.冷卻速度Tc以上溫度快速冷卻一無序

3.合金成分例對CuAu合金Cu:Au=3:l或1:1時完全有序

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2.4離子晶體結(jié)構(gòu)IonicCrystal

這類晶體是以正離子(cation)、負(fù)離子(anions)為結(jié)合單元，即依

靠正、負(fù)離子之間的庫侖作用結(jié)合。例如成々晶體Na+、C1-

為單元結(jié)合成的。

陶瓷材料(Ceramics)的晶體結(jié)構(gòu)，大多屬離子晶體，部分則為共價晶

體。

離子鍵沒有方向性和飽和性

離子晶體的配位數(shù)也較高

典型結(jié)構(gòu)有四種：AB、AB2、A2B3、AB204

2.4.1離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則

1.Pauling第一規(guī)則一負(fù)離子配位多面體規(guī)則

在離子晶體中，正離子(cations)的周圍形成一個負(fù)離子(anions)

配位多面體，正負(fù)離子間的平衡距離取決于離子半徑之和，而正離子

的配位數(shù)則取決于正負(fù)離子的半徑比。

r+/r-0~0.1550.155^0.2550.255?0.414

0.414~(3.7320.732~11

配位數(shù)2346

812

形狀啞鈴狀三角形四面體八面體

立方體立方八面體

2.Pauling第二規(guī)則一電價規(guī)則

3.Pauling第三規(guī)則一負(fù)離子多面體共用頂、棱和面規(guī)則

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在一個配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。

對電價高，配位數(shù)低的正離子，此效應(yīng)尤為顯著

4.Pauling第四規(guī)則一不同種類正離子多面體間連接規(guī)則

在含多種正負(fù)離子的離子晶體中，電價高、配位數(shù)低的正離子配位多

面體間，盡量互不結(jié)合

5.Pauling第五規(guī)則一節(jié)約規(guī)則

同一晶體同種正離子與同種負(fù)離子的結(jié)合方式應(yīng)最大限度的趨于一

致

2.4.2典型的離子晶體結(jié)構(gòu)

1.AB型化合物結(jié)構(gòu)

CsCl型結(jié)構(gòu)：Cs+和C1—各自組成簡單立方，套配而成的復(fù)式簡

單立方點陣

NaCl型結(jié)構(gòu)：由Na+和C1-各自組成的兩個fee疊加而成的：

其中一個不動，而另一個fee的所有陣點都相對于第一個點陣平移一

個點陣矢量

2.4.3硅酸鹽(Silicate)晶體結(jié)構(gòu)

基本特點：?Na*OQ

NaCl晶體結(jié)構(gòu)

(1)基本結(jié)構(gòu)單元[Si04]4-四面體Silicon-oxygentetrahedron

(2)每個02-最多只能為兩個[Si04]4-四面體所共有

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(3)可共用四面體頂點彼此連接成單鏈、雙鏈或成層狀、網(wǎng)狀復(fù)

雜結(jié)構(gòu)，不能共棱和共面連接，且同一類硅酸鹽中[Si04]4-四

面體間連接只有1種

(4)[Si04]4-四面體中的Si-0-Si結(jié)合鍵

通常呈鍵角為145。的折線。

1.孤島狀硅酸鹽

特點：[Si04]4-以孤立態(tài)存在，即[Si04]4-只通過與其他正離子連

接，而使化合物達到飽和，可以是單一四面體，成對或環(huán)狀四面體

2.組群狀硅酸鹽

特點：通過共用氧而連接成2個，3個，4個或6個硅氧組群。

3.鏈狀硅酸鹽

特點：通過橋氧在一維方向伸展或單鏈或雙鏈

4.層狀硅酸鹽

特點：[Si04]4-的某一面在平面內(nèi)以共用頂點方式連接成六角對稱的

二維結(jié)構(gòu)即層狀結(jié)構(gòu)。

5.架狀硅酸鹽

特點：每個[Si04]4-四面體中的氧離子全部都被共用。[Si04]4-四面

體連成無限六元環(huán)狀。

2.5共價晶體結(jié)構(gòu)CovalentCrystal

※金剛石結(jié)構(gòu)

碳的價電子數(shù)為4,按8-N規(guī)則，

其配位數(shù)為8-4=4復(fù)雜立方晶體結(jié)構(gòu)

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該結(jié)構(gòu)可視為兩個面心立方晶胞沿體對角線相對位移1/4長度穿插

而成。碳原子在胞內(nèi)除按fee排列之外，在相當(dāng)于fee內(nèi)四個四面體

間隙位置處還各有一個碳原子，故每個晶胞內(nèi)原子數(shù)為8。

在SiC晶體結(jié)構(gòu)與金剛石結(jié)構(gòu)相同，只不過Si原子取代了復(fù)雜立

方晶體結(jié)構(gòu)中位于四面體間隙中的C原子。

2.6聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)

當(dāng)聚合物的一次和二次結(jié)構(gòu)規(guī)則簡單的以及分子鍵作用力強的大分

子易于形成晶體結(jié)構(gòu)。

與一般低分子晶體相比，聚合物晶體具有不完善、無完全確定的熔點

結(jié)晶速度慢的特點。

聚合物晶體結(jié)構(gòu)包括晶胞結(jié)構(gòu)、晶體中大分子鏈的形態(tài)以及單晶和多

品的形態(tài)等。

2.6.1聚合物的晶體形態(tài)

1.高分子單晶

2.高分子球晶

3.高分子樹枝狀晶

4.高分子串晶

5.伸直鏈晶體

2.6.2聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型

基本模型有三種：

1、纓須狀膠束模型一它認(rèn)為聚合物結(jié)晶中存在許多膠束和膠束間區(qū)

域，膠束是結(jié)晶區(qū)，膠束間是非晶區(qū)；

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2、折疊鏈模型一它認(rèn)為在聚合物晶體中大分子鏈?zhǔn)且哉郫B形式堆砌

而成；

3、伸直鏈模型一如聚乙烯和聚四氟乙烯等不帶側(cè)基的聚合物在極高

壓力下緩慢結(jié)晶一多層片晶，片晶是大分子鏈系取最緊密伸直鏈結(jié)

構(gòu)。

2.7非晶態(tài)(Amorphous)結(jié)構(gòu)

氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)都是非晶體。

固體的非晶體實際上是一種過冷狀態(tài)的液體，其原子在三維空間不存

在長程的周期性排列。

玻璃是典型例子，故往往將非晶體稱為玻璃態(tài)。

性能特點：1.沒有固定熔點2.各向同性

第3章晶體缺陷

r宏觀缺陷：孔洞，裂紋，

氧化，腐蝕，雜質(zhì)…

材料中的缺陷J「晶體缺陷

、微觀缺陷：V

琲晶體缺

晶體缺陷：晶體中各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域

根據(jù)幾何特征分為三類：

1.點缺陷(pointdefect)三維空間的各個方向均很小

2.線缺陷(linedefect)在二個方向尺寸均很小

3.面缺陷(planedefect)在一個方向上尺寸很小

3.1點缺陷

3.1.1點缺陷的形成

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空位：原子有足夠大的振動能使振幅增大到一定程度時，就能克服周

圍原子對它的制約作用，跳離原來的位置，使點陣中形成空結(jié)點，稱

為空位。

原因：熱運動：強度是溫度的函數(shù)

能量起伏=〉原子脫離原來的平衡位置而遷移別處

空位(vacancy)：Schottky空位，-〉晶體表面

Frenkel空位，-〉晶體間隙

色心電：電子受激活而逸出，脫離原子核束縛變成載流子進入到負(fù)離

子的空位上，在其原位留下正孔，這種并發(fā)缺陷稱為色心FM

色心電子受激活而逸出，脫離原子核束縛變成載流子進入到正離

子的空位上，在其原位留下負(fù)孔，這種并發(fā)缺陷稱為色心J

3.1.2點缺陷的平衡濃度

3.1.3點缺陷的運動

v=yozexp(-AEm/kT)exp(-ASm/k)

點缺陷對性能的影響：

lo電阻增大

2o提高機械性能

3o有利于原子擴散

4o體積膨脹，密度減小

3.2位錯

3.2.1位錯的基本類型和特征

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1.刃型位錯

其形狀類似于在晶體中插入一把刀刃而得名O

特征：1）有一額外原子面，額外半原子面刃口處的原子列稱為位

錯線

2）位錯線垂直于滑移矢量，位錯線與滑移矢量構(gòu)成的面是滑

移面，刃位錯的滑移面是唯一的。

3）半原子面在上，正刃型位錯,；在下，負(fù)刃型位錯丁

4）刃位錯的位錯線不一定時直線，可以是折線，也可以是

曲線，但位錯線必與滑移矢量垂直。

5）刃型位錯周圍的晶體產(chǎn)生畸變，上壓，下拉，半原子面

是對稱的，位錯線附近畸變大，遠(yuǎn)處畸變小。

6）位錯周圍的畸變區(qū)一般只有兒個原子寬（一般點陣畸變程

度大于其正常原子間距的1/4的區(qū)域?qū)挾?，定義為位錯寬度，約

2~5個原子間距。）

※畸變區(qū)是狹長的管道，故位錯可看成是線缺陷。

2.螺型位錯

特征：1）無額外半原子面，原子錯排是軸對稱的

2）位錯線與滑移矢量平行，且為直線

3）凡是以螺型位錯線為晶帶軸的晶帶由所有晶面都可以為滑

移面。

4）螺型位錯線的運動方向與滑移矢量相垂直

5）分左（右）螺旋位錯

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6）螺型位錯也是包含幾個原子寬度的線缺陷

3.混合型

3.2.2伯氏矢量

1.伯氏矢量的確定

2.伯氏矢量的特性

該矢量的方向表示位錯運動導(dǎo)致晶體滑移的方向，而該矢量的模表示

畸變的程度稱為位錯的強度。

3柏氏矢量的表不法記為￡<Uvw>其中n為整數(shù)

n

在立方晶體中，可用于相同的晶向指數(shù)來表示：

網(wǎng)=-y/u2+v2+w2

11n

位錯強度

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rUrU

位錯合并4=-<U1V!W,>,b2=-<U2V2W2>

n

3.2.3位錯的運動

1.位錯的滑移

螺形位錯的交滑移：從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面

螺型位錯

螺形位錯的雙交滑移:

2.位錯的攀移

3.位錯的交割

3.2.4位錯的彈性性質(zhì)（靜力學(xué)）

1.位錯的應(yīng)力場

螺型位錯的應(yīng)力場

G6x

0=%=豆.亦7,

%=憶=%=%=0

圖3.23螺型位錯的

連續(xù)介質(zhì)模型

刃型位錯的應(yīng)力場

直角坐標(biāo)系：

圓柱坐標(biāo)系：

%=一%=-Dn：sin--，

n_Gb

D=2x(1-v)

2.位錯的應(yīng)變能

位錯周圍點陣畸變引起彈性應(yīng)力場導(dǎo)致晶體能量增加，這部分能量稱

為位錯的應(yīng)變能

=E』+邑"爵盟畸+啥^嘮二線唬

K=■-2

1-NCOS。

混合位錯角度因素：‘螺於1刃后1-n

應(yīng)變能與b2成正比，故具有最小b的位錯最穩(wěn)定b,大的位錯有

可能分解為b小的位錯，以降低系統(tǒng)能量。

錯的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，可見位錯是熱力學(xué)不穩(wěn)定

的晶體缺陷。

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3位.錯的線張力

嚶或「_Gb

rLr2r

4.作用在位錯上的力y

i(x^y)

JO^^-力

/&

5?位錯間的作用力z

/

/

z/

a.兩平行螺形位錯的交互作用z

/

/

6A戊也工(/1-2)r

4=%.通=京=亍(；2+?翠，

,Gbib]y(3/2+V2)圖3.30兩平行刃型位錯

4=-%?3=2*(1一0匕+赤，間的交互作用

兩刃位錯間作用力的討論

…介穩(wěn)

介穩(wěn)1介穩(wěn)、、，|/

U音7：一、T丘/…

'■一丁4\,尸丁

防②弓槨胡—(O-②二米四步

—，/\」:一下7/卜、丁

/1\

T

分轉(zhuǎn)穩(wěn)1定1;濾尸7南一\

吸引排斥

同號位錯異號位錯

3.2.5位錯的生成和增殖

1.位錯的密度

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2.位錯的生成

晶體生長過程中產(chǎn)生的位錯：

lo成分不同=〉晶塊點陣常數(shù)不同=〉位錯過渡

20晶塊偏轉(zhuǎn)、彎曲=〉位相差=〉位錯過渡

3o晶體表面受到影響=〉臺階或變形=〉產(chǎn)生位錯

快速凝固=〉過飽和空位=〉聚集=〉位錯

熱應(yīng)力和組織應(yīng)力=〉界面和微裂紋處應(yīng)力集中=〉局部滑移=〉位

錯

3.位錯的增殖

Frank-Read位錯源(a)(b)(c)

0(d)-0(e)

圖3,32F-R源動作過程

步接M(111)交清移向

刃網(wǎng)割階.

“11)滑移而\/

(a)(b)(C)

圖3.33螺型位錯通過雙交滑移增殖

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3.2.6實際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯

1.實際晶體中位錯的伯氏矢量

典型晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯的柏氏矢量

衰3.】典蟄一體結(jié)構(gòu)中單位位錯的柏氏矢，

結(jié)構(gòu)類型柏氏矢量方向|?|數(shù)量

施單立方a<100><100>a3

面心立方j(luò)<no><110>6

體心立方^<H1><111>4

密排六方<1120>a3

單位位錯：伯氏矢量等于單位點陣矢量的位錯

全位錯：伯氏矢量等于點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯

不全位錯：伯氏矢量不等于點陣矢量整數(shù)倍的位錯

部分為錯：伯氏矢量小于點陣矢量

2.堆垛層錯

堆垛層錯：實際晶體中的密排面的正常堆垛順序遭到破壞

實際晶體中的堆垛順序：密排原子面按一定順序堆垛而成。

面心立方：

密排六方：

△

△A?B

△C-A-

△B?〃〃〃〃〃〃〃////▽B〃〃〃〃〃〃〃〃〃

△A.C

B-△B

AA

(b)

圖3.34密排面的堆探順序圖3.35面心立方結(jié)構(gòu)的推垛層錯

(a)面心立方結(jié)構(gòu)(b)再推六方結(jié)構(gòu)(a)抽出型(b)插入型

特點：一個插入型層錯相當(dāng)于兩個抽出型層錯

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面心立方晶體中存在層錯時相當(dāng)于在其間形成了一薄層的hep晶體

結(jié)構(gòu)

3.不全位錯

不全位錯：堆垛層錯與完整晶體的分界線（b矢量不等于點陣矢量），

不全位錯與堆垛層錯有關(guān)。

Fee晶體中兩種重要的不全位錯：

肖克萊（Schckley）不全位錯（可動位錯）：

特點：l）b矢量永遠(yuǎn)平行于層錯面

2）層錯為一平面=>其邊界在一平面內(nèi)

3）可以為刃型、螺形、混和位錯

4）滑移的結(jié)果是層錯面的擴大或縮小。但不能攀移，因它必須

和層錯始終相連

弗蘭克（Frank）不全位錯（固定位錯）

特點：a）（a/3）*<lll>,純?nèi)行臀诲e

b）不能在滑移面上滑移，只能攀移

c）屬不動位錯（sessiledislocation）

4.位錯反應(yīng)

1）兒何條件：b矢量總和不變

2）能量條件：反應(yīng)降低位錯總能量

5.面心立方晶體中的位錯

湯普森四面體（1）四個面即為4個可能的滑移面（111）,（-1,1,1）,

（1,1,T）

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(2)6條棱邊代表12個晶向，即FCC中所有可能的12個全位錯的b

矢量

※每個頂點與其中心的連線共代表24個(a/6)＜112＞肖克萊不全位

錯的b矢量

派4個頂點到它所對的三角形中點連線代表8個(a/3)〈lll＞弗蘭克不

全位錯的b矢量

派4個面中心相連即為(a/6)＜110＞壓桿位錯

b.擴展位錯

一種特殊的位錯組態(tài)，系由兩個不全位錯以及在兩個不全位錯之間的

一片層錯所構(gòu)成。一般由全位錯分解而成。

擴展位錯：通常把一個全位錯分解為兩個不全位錯中間夾著一個堆垛

層錯的整個位錯組態(tài)稱為擴展位錯

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沖印一加斗92Tli——…

(1)擴展位錯的寬度：X

I—

圖3.42對心立方晶體中的擴展位錯

(2)擴展位錯的束集：在外切應(yīng)力作用下，層錯寬度減小至零，局

部收縮成原來的全位錯：位錯擴展的反過程

(3)擴展位錯的交滑移

擴展位錯=＞束集=＞交滑移=＞重新擴展(在新滑移面上)

擴展位錯的交滑移比全位錯困難，層錯能越低，擴展位錯越寬，交滑

移越困難

c.位錯網(wǎng)絡(luò)

d.面角位錯

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(Hl)

面角位錯對面心立方的加工硬化可起重大作用

6.其他晶體中的位錯

a.體心立方晶體中的位錯

單位位錯：（a/2）〈Ul>,滑移方向Gll>,通?？赡艿幕泼嬗?/p>

{110},{112},{123},隨成分、溫度計變形速度而異。

交滑移=>滑移線呈波紋形7層錯能高，不易出現(xiàn)擴展位錯

滑移切應(yīng)力的不對稱性

<111>螺位錯的核心具有獨特的性質(zhì)

3.3表面及界面

界面包括：外表面（自由表面）和內(nèi)界面

表面：固體與氣體或液體的分界面

界面：幾個原子層厚，原子排列于成分不同于內(nèi)部

3.3.1外表面

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表面能：定義為形成單位面積的新表面所需做的功

3.3.2晶界和亞晶界

晶界：屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面（內(nèi)界面）

晶界具有5個自由度：兩晶粒的位相差（3）,界面的取向（2）

L小角浮磷;傾斜晶界：由一列平行的刃形位錯所構(gòu)成

D=―當(dāng)8很小時，sin-s-:.D）

2、sm.一e22e

A2

￡/不對稱傾斜晶界：可看成由兩組柏氏向量_L的位錯交錯排列而成

角\

度b、b

區(qū)D=7D=—一r

晶一^sin（p-3cos（p

界

I扭轉(zhuǎn)晶界：可看成是由互相交叉的螺型位錯所組成

扭轉(zhuǎn)晶界：一般小角度晶界都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度

而形成，不過該轉(zhuǎn)軸即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位錯,

螺位錯或混合位錯的網(wǎng)絡(luò)組成°

2.大角度晶界

大角度晶界：相鄰晶粒在交界處的形狀不是光滑的曲面，而是由不規(guī)

則臺階組成的

重合位置點陣

（垂直于黑面）

%2_723_731

sin①］之sin①23sinO31

4.晶界特性

1）晶界處點陣畸變大，存在晶界能，故晶粒長大和晶界平直化是一

個自發(fā)過程

2）晶界處原子排列不規(guī)則一阻礙塑性變形一Hb,sbt（細(xì)晶強化）

3）晶界處存在較多缺陷（位錯、空位等）一有利原子擴散

4）晶界能量高一固態(tài)相變先發(fā)生，dl形核率f

5）晶界能高一晶界腐蝕速度f

亞晶界：每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成，相

鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。

※事實上每個晶粒中還可分成若干個更為細(xì)小的亞晶粒（0.001mm）,

亞晶粒之間存在著小的位相差，相鄰亞晶粒之間的界面成為亞晶界。

亞晶粒更接近于理想的單晶體。

※位相差一般小于2度，屬于小角度晶界，具有晶界的一般特征。

3.3.3攣晶界Twinboundary

李晶——指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成對

稱的位相關(guān)系，這兩個晶體就稱為李晶，這個公共的晶面即成為李晶

面

共格李晶界：即李晶面，其上的原子同時位于兩側(cè)晶體點陣的節(jié)點上,

為兩者共有。無畸變的完全共格界面，界面能（約為普通晶界能1/10）

很低很穩(wěn)定

非共格李晶界：李晶界相對于李晶面旋轉(zhuǎn)一角度，其上的原子只有部

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分為兩者共有，原子錯排校嚴(yán)重，李晶能量相對較高，約為普通晶界

李晶的形成與堆垛層錯密度相關(guān)，如fee的｛111｝面發(fā)生堆垛層錯時

為ABCACBACBA

△△△△△△△一△△△▽▽▽▽▽

CAC處為堆垛層錯

李晶與層錯密切相關(guān)一一般層錯能高的晶體不易產(chǎn)生李晶

3.3.4相界

相界:具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面

共格界面：界面上的原子同時位于兩相

的節(jié)點上，彈性畸變

半共格相界：兩相結(jié)構(gòu)相近而原子間距相差較大時,

部分保持匹配

3二上現(xiàn)

錯配度：’

位錯間距：D=afil8

非共格相界：兩相在界面處的原子排列相差很大，相界與大角度晶界

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相似

第4章固體中原子及分子的運動

物質(zhì)的傳輸方式

_______J

V

擴散機制不同

4.1表象理論（擴散的宏觀規(guī)律）

4.1.1菲克第一定律

穩(wěn)態(tài)擴散(*=o)

dx

Pl■P2

（pi>p）——k

2dx

J

J：擴散通量（〃lassflux),kg/(nt?s)

D:擴散系數(shù)（d1ffusivity),ni2/s

p：質(zhì)量濃度,/cg/ni3

孚:濃度梯度

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4.1.2菲克第二定律

4.1.3擴散方程的解

1.兩端成分不受擴散影響的擴散偶

2.一端成分不受擴散影響的擴散體

3衰減薄膜源

4.成分偏析的均勻化

固溶體合金在非平衡凝固條件下，晶內(nèi)會出現(xiàn)枝晶偏析，由此對合金

性能產(chǎn)生不利的影響。通常需通過均勻化擴散退火來削弱這種影響。

這種均勻擴散退火過程中組元濃度的變化可用菲克第二定律來描述。

4.1.4置換型固溶體中的擴散

對于