《晶體和非晶質(zhì)體》課件

晶體和非晶質(zhì)體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定了其在不同條件下的表現(xiàn)。晶體和非晶質(zhì)體是物質(zhì)存在兩種常見(jiàn)形態(tài)，具有截然不同的微觀結(jié)構(gòu)。引言11.定義晶體和非晶質(zhì)材料是物質(zhì)存在的兩種基本形態(tài)。22.研究意義了解材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)理解材料的性質(zhì)和應(yīng)用至關(guān)重要。33.課程內(nèi)容本課程主要講解晶體和非晶質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)特征、性質(zhì)和應(yīng)用。結(jié)構(gòu)與分類晶體晶體是原子或分子以規(guī)則的三維周期性排列的固體。它們具有明確的幾何形狀、熔點(diǎn)和對(duì)稱性。非晶體非晶體是原子或分子排列不規(guī)則的固體。它們?nèi)狈γ鞔_的幾何形狀和對(duì)稱性。多晶型一種物質(zhì)可以以多種不同的晶體結(jié)構(gòu)形式存在。這種現(xiàn)象稱為多晶型現(xiàn)象。晶體結(jié)構(gòu)基本單元晶體結(jié)構(gòu)的基本單元是晶胞，它是晶體中最小的重復(fù)單元。晶胞包含了晶體的所有信息，包括原子種類、原子位置和原子之間的距離。晶胞可以看作是晶體結(jié)構(gòu)的“積木”，通過(guò)無(wú)限重復(fù)堆砌，就能構(gòu)建出完整的晶體結(jié)構(gòu)。晶體的幾何結(jié)構(gòu)晶體的幾何結(jié)構(gòu)是指晶體中原子、離子或分子在空間的排列方式，是晶體的重要特征之一。晶體的幾何結(jié)構(gòu)可以用空間格子來(lái)描述，空間格子是由一系列平行且等距的平面的交點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)交點(diǎn)代表晶體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)原子、離子或分子。晶體的幾何結(jié)構(gòu)決定了其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，例如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、密度、硬度、顏色等。晶系與空間格子晶系晶體根據(jù)其晶胞的對(duì)稱性分為七個(gè)晶系。立方晶系六方晶系四方晶系正交晶系單斜晶系三斜晶系三方晶系空間格子空間格子是晶體結(jié)構(gòu)的基本單元。空間格子是由晶胞在三維空間中周期性重復(fù)排列而成。布拉菲格子共有14種布拉菲格子，它們代表了所有可能的晶體結(jié)構(gòu)。晶格缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是晶格中原子排列的局部偏差。最常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷是空位和間隙原子?？瘴皇侵妇Ц裰腥鄙僖粋€(gè)原子。間隙原子是指一個(gè)原子位于晶格中不應(yīng)存在的位置。線缺陷線缺陷是指一維的晶格缺陷，例如位錯(cuò)。位錯(cuò)是指晶格中原子排列發(fā)生的一維錯(cuò)位。位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和塑性發(fā)生變化。面缺陷面缺陷是指二維的晶格缺陷，例如晶界、孿晶界和堆垛層錯(cuò)。晶界是指兩個(gè)晶粒之間的界面。孿晶界是指兩個(gè)晶粒以鏡像對(duì)稱的方式連接。堆垛層錯(cuò)是指晶體結(jié)構(gòu)中原子排列出現(xiàn)錯(cuò)誤的二維缺陷。體缺陷體缺陷是指三維的晶格缺陷，例如空洞、裂紋和夾雜物?？斩词侵覆牧蟽?nèi)部的空腔。裂紋是指材料內(nèi)部的斷裂。夾雜物是指材料內(nèi)部的雜質(zhì)。晶格缺陷的產(chǎn)生1熱力學(xué)因素材料在高溫下原子振動(dòng)加劇2非平衡凝固快速冷卻過(guò)程原子來(lái)不及排列3機(jī)械應(yīng)力材料受到壓力或拉伸晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變4輻射損傷高能粒子轟擊原子被擊出晶格材料的晶體結(jié)構(gòu)并非完美無(wú)缺，存在各種缺陷。這些缺陷的形成通常由多種因素影響，例如材料的熱力學(xué)性質(zhì)、凝固條件、機(jī)械應(yīng)力、以及輻射損傷等。晶體的生長(zhǎng)成核晶體生長(zhǎng)始于成核，即原子或分子聚集形成微小的晶核。晶核長(zhǎng)大這些晶核通過(guò)吸附周圍介質(zhì)中的原子或分子而長(zhǎng)大。晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，晶體在不斷地吸附和釋放原子或分子。晶體生長(zhǎng)的技術(shù)熔融生長(zhǎng)法將晶體材料加熱至熔融狀態(tài)，然后緩慢冷卻，使晶體逐漸結(jié)晶。水熱生長(zhǎng)法在高溫高壓的水溶液中進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，適合于難熔材料的生長(zhǎng)。氣相生長(zhǎng)法在高溫條件下，將晶體材料蒸發(fā)，在合適的基底上進(jìn)行沉積，生長(zhǎng)出晶體。溶液生長(zhǎng)法將晶體材料溶解在溶劑中，然后通過(guò)控制溶劑的蒸發(fā)或溫度變化，使晶體從溶液中析出。單晶與多晶單晶整個(gè)晶體由一個(gè)完整的晶格組成，所有晶胞排列一致，具有相同的晶體結(jié)構(gòu)。具有高度的各向異性。多晶由許多大小不同的晶粒組成，晶粒之間存在晶界，晶粒方向隨機(jī)排列。宏觀上表現(xiàn)為各向同性。單晶單晶硅、單晶鍺、單晶金剛石等。多晶金屬、陶瓷、玻璃等。非晶質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)特征非晶質(zhì)材料內(nèi)部原子排列是無(wú)序的，缺乏周期性結(jié)構(gòu)。原子和分子以短程有序的方式排列，缺乏長(zhǎng)程有序性。無(wú)規(guī)則排列的原子和分子原子排列非晶質(zhì)材料中，原子和分子沒(méi)有規(guī)則的排列，而是以隨機(jī)方式分布。分子運(yùn)動(dòng)與固體相比，非晶質(zhì)材料的分子運(yùn)動(dòng)更自由，沒(méi)有固定位置。短程有序雖然沒(méi)有長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，但非晶質(zhì)材料在短距離內(nèi)存在原子或分子排列的微觀結(jié)構(gòu)。非晶質(zhì)材料的制備方法11.快速冷卻法熔融的材料快速冷卻，防止結(jié)晶形成，常見(jiàn)于玻璃、金屬玻璃等。22.蒸發(fā)沉積法材料蒸發(fā)后在冷的基底上凝結(jié)，例如薄膜材料。33.濺射法利用高能粒子轟擊材料表面，使材料原子濺射到基底上，例如半導(dǎo)體薄膜。44.化學(xué)氣相沉積法氣相反應(yīng)產(chǎn)物沉積在基底上，例如光學(xué)鍍膜。非晶質(zhì)態(tài)的熱性質(zhì)非晶質(zhì)材料的熱性質(zhì)與晶體材料相比存在顯著差異。非晶質(zhì)材料由于結(jié)構(gòu)無(wú)序，原子或分子之間的相互作用力更弱，導(dǎo)致其熱容、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等熱學(xué)性質(zhì)與晶體材料不同。非晶質(zhì)材料的熱容通常高于晶體材料，因?yàn)榉蔷з|(zhì)材料中原子或分子運(yùn)動(dòng)的自由度更高。同時(shí)，由于缺乏晶格結(jié)構(gòu)，非晶質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)也較高。熱導(dǎo)率方面，非晶質(zhì)材料通常低于晶體材料，這是因?yàn)闊崃吭诜蔷з|(zhì)材料中傳遞時(shí)，難以通過(guò)有序排列的原子或分子進(jìn)行傳遞。非晶質(zhì)材料的熱穩(wěn)定性也較差，更容易在較高溫度下發(fā)生軟化或熔化。這是因?yàn)榉蔷з|(zhì)材料中原子或分子之間缺乏強(qiáng)的鍵合作用，導(dǎo)致其在高溫下更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。非晶質(zhì)材料的機(jī)械性能非晶質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)決定了它們獨(dú)特的機(jī)械性能。由于原子排列無(wú)序，非晶質(zhì)材料沒(méi)有明顯的晶界，導(dǎo)致它們?cè)谀承┓矫姹染w材料表現(xiàn)出更優(yōu)越的機(jī)械性能。100強(qiáng)度與同類晶體材料相比，非晶質(zhì)材料具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。50塑性非晶質(zhì)材料的塑性變形能力通常較低，表現(xiàn)出脆性斷裂。10韌性一些非晶質(zhì)材料，如金屬玻璃，展現(xiàn)出優(yōu)異的韌性和抗疲勞性。1硬度非晶質(zhì)材料的硬度通常比晶體材料高，這是由于原子排列的無(wú)序性。非晶質(zhì)材料的機(jī)械性能受制備方法、熱處理工藝以及材料的成分影響，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)材料、工具材料、生物材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。非晶質(zhì)材料的電學(xué)性能非晶質(zhì)材料電學(xué)性能高電阻率電子移動(dòng)受阻低電導(dǎo)率電子不易流動(dòng)非晶態(tài)半導(dǎo)體應(yīng)用于電子器件高介電常數(shù)儲(chǔ)存電荷的能力強(qiáng)非晶質(zhì)材料的應(yīng)用電子器件非晶態(tài)硅廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池，液晶顯示器，以及薄膜晶體管等包裝材料聚合物基非晶態(tài)材料可以制作各種包裝盒，容器，以及薄膜光學(xué)材料非晶態(tài)玻璃可以制作光纖，鏡頭，以及各種光學(xué)儀器燒結(jié)技術(shù)與制備非晶質(zhì)材料1粉末混合將不同成分的粉末混合在一起，確保均勻分布。2成型將混合好的粉末壓制成所需的形狀，如片狀或棒狀。3燒結(jié)將成型后的粉末在高溫下加熱，使粉末顆粒相互結(jié)合。4冷卻將燒結(jié)后的材料緩慢冷卻至室溫，以減少內(nèi)部應(yīng)力。燒結(jié)技術(shù)是制備非晶質(zhì)材料的重要方法之一，通過(guò)對(duì)粉末進(jìn)行高溫加熱，使其顆粒之間發(fā)生相互擴(kuò)散和結(jié)合，最終形成致密的固體材料。熱處理技術(shù)與非晶質(zhì)材料1退火降低材料的硬度和脆性，改善材料的加工性能。2淬火提高材料的硬度和強(qiáng)度，增加材料的抗磨損能力。3回火降低淬火后的內(nèi)應(yīng)力，提高材料的韌性。非晶固體的玻璃化轉(zhuǎn)變定義玻璃化轉(zhuǎn)變是指非晶固體從高彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的過(guò)程。溫度玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是指非晶固體從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚椥誀顟B(tài)的溫度。特征玻璃化轉(zhuǎn)變是一個(gè)可逆過(guò)程，但不是一個(gè)相變，而是動(dòng)力學(xué)過(guò)程。應(yīng)用玻璃化轉(zhuǎn)變?cè)诜蔷B(tài)材料的應(yīng)用中至關(guān)重要，如玻璃、塑料和高分子材料。玻璃化轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)可逆性玻璃化轉(zhuǎn)變是一個(gè)可逆過(guò)程，冷卻時(shí)材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，加熱時(shí)則從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。連續(xù)性玻璃化轉(zhuǎn)變沒(méi)有明顯的相變點(diǎn)，而是逐漸發(fā)生的，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，材料的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生連續(xù)的變化。溫度依賴性玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越快，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高。非平衡態(tài)玻璃態(tài)是非平衡態(tài)，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生緩慢的變化。非晶質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)模型非晶質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)模型用于解釋其無(wú)序結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。常見(jiàn)的模型包括隨機(jī)密堆積模型、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型和自由體積模型。這些模型有助于理解非晶質(zhì)材料的獨(dú)特?zé)崃W(xué)、力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。X射線衍射分析晶體結(jié)構(gòu)衍射圖譜X射線衍射儀可以產(chǎn)生衍射圖譜，顯示晶體中原子排列的周期性。X射線衍射儀X射線衍射儀用來(lái)研究材料的結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量衍射光的強(qiáng)度和角度來(lái)分析材料的結(jié)構(gòu)。電子顯微鏡觀察晶體結(jié)構(gòu)電子顯微鏡是一種強(qiáng)大的工具，可以用于觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，包括晶體結(jié)構(gòu)。透射電子顯微鏡(TEM)可以用于觀察晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如晶格缺陷、晶界和相變。掃描電子顯微鏡(SEM)可以用于觀察材料的表面形貌，以及晶體的外部形態(tài)和生長(zhǎng)方式。電子顯微鏡觀察提供了豐富的晶體結(jié)構(gòu)信息，有助于我們理解材料的性能和應(yīng)用。材料的晶態(tài)與非晶態(tài)晶態(tài)晶體結(jié)構(gòu)有序排列，具有長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，其原子或分子在空間呈周期性重復(fù)排列。非晶態(tài)非晶態(tài)材料結(jié)構(gòu)無(wú)序排列，不具備長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，但可能存在短程有序結(jié)構(gòu)。區(qū)別晶態(tài)材料具有固定熔點(diǎn)，非晶態(tài)材料沒(méi)有固定熔點(diǎn)，而是逐漸軟化。晶體與非晶質(zhì)材料的區(qū)別晶體具有規(guī)則的周期性結(jié)構(gòu)。原子排列有序，形成晶格。具有確定的熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)突然瓦解。非晶質(zhì)材料沒(méi)有規(guī)則的周期性結(jié)構(gòu)，原子排列無(wú)序。沒(méi)有確定的熔點(diǎn)，在加熱時(shí)會(huì)逐漸軟化，最后變?yōu)橐后w。晶體和非晶質(zhì)材料的應(yīng)用前景晶體材料應(yīng)用晶體材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如光學(xué)、電子、機(jī)械等。非晶質(zhì)材料應(yīng)用非晶質(zhì)材料具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、良好的透光性等特點(diǎn)，在航空航天、電子器件、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。未來(lái)發(fā)展方向隨著科學(xué)技術(shù)的不