晶体结构与晶体材料
晶体结构与材料性能的关系
晶体结构与材料性能的关系导语：在现代材料科学领域中，晶体结构与材料性能的关系一直都是一个热门的研究领域。
本文将探讨晶体结构对材料性能的影响，并通过实例加以说明。
一、晶体结构简介晶体是由原子、分子或离子按照一定的规则排列而形成的固态物质。
晶体结构是指晶体中原子、分子或离子的排列方式和几何形状。
晶体结构的确定与晶体的性质密切相关。
晶体结构的研究主要利用X射线衍射、电子衍射等现代物理技术手段。
二、晶体结构对材料性能的影响1. 机械性能晶体结构对材料的机械性能有着直接的影响。
晶体结构的稳定性决定了材料的硬度、韧性和强度等机械性能的表现。
例如，金刚石是一种由碳原子构成的晶体，其中的碳原子以三维逻辑排列形成稳定的晶格结构，导致金刚石具有极高的硬度和强度，适用于各种高强度加工需求的场合。
然而，如果修改其晶体结构，形成非晶态或其他晶体形态，将导致材料的硬度和强度降低。
2. 导电性晶体结构中的电子排布方式决定了材料的导电性能。
金属晶体具有良好的导电性，原因在于金属晶体中的原子形成一种能够迅速传导电子的电子云结构。
相比之下，非金属晶体通常没有这种电子云结构，因而导电性较差。
例如，铜是一种典型的金属，其晶体结构中具有自由电子，能够自由移动，因此铜具有优良的导电性能，适用于电导线等应用。
3. 光学性能晶体结构还决定了材料的光学性能。
晶体结构中的原子、分子或离子会对光线的传播和散射产生影响，从而影响材料的透明度、折射率和吸收特性。
例如，钻石的晶体结构具有高度的对称性，使光线能够在晶体中得到高度聚焦并透明传播，赋予钻石极高的折射率和光学透明度，因此被广泛应用于珠宝和激光器等领域。
4. 热学性能晶体结构对材料的热传导性能有一定的影响。
晶体结构中的晶格振动与热量的传导有关。
不同结构的晶体存在着不同的晶格振动模式，从而影响热量的传导速度。
例如，钻石的晶体结构中碳原子之间存在着较为强烈的共价键，使得碳原子之间热量的传导受到较大阻碍，从而形成了优良的绝热性能，被广泛应用于热敏探测器、激光散热器等领域。
晶体结构与材料力学性质关联分析
晶体结构与材料力学性质关联分析晶体结构是材料科学中的重要概念，是指物质中原子或分子的有序排列形式。
晶体结构的不同，对材料的力学性质有着直接的影响。
本文将从晶体结构的原理和材料力学性质的相关性等方面进行探讨。
首先，晶体结构的原理是由一定的几何规则和对称性来决定。
常见的晶体结构包括立方晶体、正交晶体、单斜晶体、正斜晶体等等。
在晶体结构中，晶胞是最基本的结构单位，所有的晶体结构都是由晶胞堆积而成。
晶胞内部的原子或分子的排列方式呈现一定的规律性，这种规律性主要体现在晶胞的对称性上。
不同的晶体结构对材料的性质具有不同的影响。
其次，晶体结构对材料的力学性质有着直接的影响。
晶体的力学性质主要包括弹性性质、塑性性质和断裂性质等。
弹性性质是指材料在受力作用下能够恢复原状的能力。
晶体结构的对称性可以影响晶体的弹性性质，比如立方晶体具有各向同性的弹性性质，而正交晶体由于具有不同的晶轴长度，其弹性性质则表现出各向异性。
塑性性质是指材料在受力作用下发生永久形变的能力。
晶格结构中的晶胞和晶胞之间的排列方式直接影响了晶体材料的塑性性质，比如晶胞的堆积方式决定了晶体的滑移系以及滑移面的取向等。
断裂性质是指材料在受力作用下发生破裂的能力。
晶体结构的切向力和剪切力对材料的断裂性质有着重要的影响，晶体结构中存在的位错等缺陷会对断裂行为起到关键的作用。
此外，晶体结构的有序排列还可以影响材料的热膨胀性质和导热性质等。
晶体结构中的原子排列方式决定了晶体对温度的响应。
不同晶体结构的原子排列方式会导致不同的热膨胀系数，即在不同温度下晶体材料的尺寸变化程度不同。
此外，晶体结构中的原子之间的距离和键强度也会影响材料的导热性能，即不同晶体结构的导热性能也会存在差异。
最后，晶体结构与材料力学性质关联的研究对材料科学和工程应用有着重要意义。
通过深入了解晶体结构和材料力学性质之间的关联，在材料设计和合成方面可以更加精准地控制材料的性能。
例如，在晶体材料的工程应用中，可以通过调控晶体结构来实现材料的功能化设计。
工程材料学之晶体材料的结构
第一节 晶体基础知识
晶胞
从晶格中取一个最小的立体单元（最小的 平行六面体）称为晶胞。晶格是晶胞在空间的 叠加。
晶胞的选择原则： ①能充分反映整个空间点阵的对称性。 ②晶胞内的棱、角相等的数目最多，且具有尽 可能多的直角。
③体积要最小。
第一节 晶体基础知识
一、晶格常数
二 晶格常数与晶系
在晶胞中取某一点为原点（通常取在左下角后面 一结点），建立坐标系，以晶胞的三个棱边作为 坐标轴x，y，z（可以是垂直的，也可以不垂直） 。以三边的长度a，b，c及相互间夹角α，β，γ 六个参数来表示晶胞的大小和形状，其中三棱边 的长度a，b，c 称为晶格常数，它们反映了晶胞 的大小。
实际晶体中的原子排列不是理想的，不具有完全的平移 对称性，而是存在一些偏离了理想原子排列的区域，这些区 域即构成缺陷。
缺陷会引起材料性能的巨大变化，如：理想完整晶体 的强度通常是实际晶体的数十倍，甚至数百倍。
晶体缺陷的类型：
•点缺陷 •线缺陷 •面缺陷
1、点缺陷
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小
a bc, ===90
第二节 立方晶系晶向与晶面指数
一、晶向与晶面的概念
晶向：在晶胞中，通过若干原子中
心（结点）连接一起的具有不同 空间方位的直线——晶向
任何两个结点间的连线即构成 一个晶向。
晶面：在晶胞中，通过若干
原子中心构成的二维平面 ——晶面
二、晶向指数的标定
1、 为什么要标定：区别不同方位的晶向, 因为材料在不同晶向上会
线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)
，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。
其具体形式就是晶体中的位错（Dislocation）
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
材料科学基础第三章
注意： 阵点可以是原子或分子的中心， 也可以是彼此等同 阵点可以是原子或分子的中心，
的原子群或分子群的中心， 的原子群或分子群的中心 ，但 各个阵点的周围环境必须相 同。
4
空间点阵： 空间点阵：阵点在三维空间呈周期性规则排列所组成 的阵列。（阵点是构成空间点阵的基本要素） 的阵列。 阵点是构成空间点阵的基本要素） 晶格（空间格子） 为了便于描述空间点阵的图形， 晶格（空间格子）：为了便于描述空间点阵的图形， 可用许多平行的直线把所有阵点连接起来， 可用许多平行的直线把所有阵点连接起来 ， 构成一个 三维的几何格架， 称为晶格或空间格子 。 （ 可以形象 三维的几何格架 ， 称为晶格或空间格子。 描述空间点阵的几何形状，实质仍是空间点阵） 描述空间点阵的几何形状，实质仍是空间点阵） 晶胞：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。 晶胞：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。 （将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵） 将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵）
c/a值的范围：1.568（铍， 值的范围： 值的范围 （ Be）～ 1.886（镉，Cd） ）～ （ ）
21
22
3.3.3 晶胞中的原子数 fcc： n = 8 × 1 （顶角） 6 × 1 2 ： 8 + （面心）= 4 bcc： n = 8 × 1 8 ： （顶角） 1(体心) = 2 + hcp： hcp：n = 12 × 1 6 （顶角） 2 × 1 2 + （面心） （中心）＝6 +3
5
c
β
a γ
α b
空间点阵、 空间点阵、晶胞
6
3.2.2 晶
胞
晶胞通常是平行六面体。 晶胞通常是平行六面体。 选取晶胞的原则： 选取晶胞的原则： a. 几何形状与晶体具有同样的对称性； 几何形状与晶体具有同样的对称性； b. 平行六面体内相等的棱和角的数目最多； 平行六面体内相等的棱和角的数目最多； c. 当平行六面体棱间夹角存在直角时，直角数目 当平行六面体棱间夹角存在直角时， 应最多； 应最多； d. 在满足上述条件下，晶胞应具有最小的体积。 在满足上述条件下，晶胞应具有最小的体积。
第2章 材料中的晶体结构
b. 已知两不平行晶向[u1v1w1]和[u2v2w2 ]，由其决定的 晶面指数(hkl)为：
h v1 w 2 v 2 w 1 , k w 1u 2 w 2 u 1, l u 1 v 2 u 2 v1
补充
cos
2
(对于立方晶系)
两个晶面（h1k1l1）与（h2k2l2）之间的夹角φ
h h
1 2
k k
1 2
2
2
ll
1
2 2 2
(h1
k
2 1
l1 )
(h 2
k
l
2 2
)
两个晶向[u1v1w1]与[u2v2w2]之间的夹角θ
cos
2
u u
1
2
vv
1 2
2
w w
1 2
2
(u 1
v
2 1
w1)
(u 2
v
2 2
w
2 2
)
晶面（hkl）与晶向[uvw]之间的夹角ψ
晶向指数用[uvtw] 来表示。其中 t =－（u＋v）
120° 120°
晶面指数的标定
1.求晶面与四个轴的截距
2.取倒数
3.再化成简单整数
4.用圆括号括起来（h k i l）
六方系六个侧面的指数分别为：
(1 1 00),(01 1 0),(10 1 0),(1 100),(0 1 10),(1 010)
(210)
(012)
(362)
注意
选坐标原点时，应使其位于待定晶面以外，防止 出现零截距。 已知截距求晶面指数，则指数是唯一的；而已知 晶面指数，画晶面时，这个晶面就不是唯一的。
晶体结构与材料导电性质的关联研究
晶体结构与材料导电性质的关联研究导电性质是材料科学中一个重要的研究方向，通过研究材料的导电性质，可以揭示材料的内在性质以及可能的应用价值。
在导电性质的研究中，晶体结构起着至关重要的作用。
晶体结构是材料内部原子的排列方式，不同的晶体结构会导致材料具有不同的电导率。
本文将探讨晶体结构与材料导电性质的关联。
首先，我们需要了解晶体的基本结构。
晶体是一种具有周期性排列的固体材料，其内部原子或分子呈现高度有序的排列方式。
晶体结构可以由晶胞和晶格来描述。
晶胞是晶体的基本单位，它是由若干个原胞组成的。
原胞则是晶胞中最小的可重复结构，通常是一个或多个原子及其周围的电子。
晶格则是指晶体中所有晶胞的集合。
晶格的对称性决定了晶体的宏观性质，包括导电性质。
晶体结构对材料的导电性质有着直接的影响。
在晶格中，原子或分子通过离子键、共价键或金属键相连，形成电子的导电路径。
晶格的对称性决定了这些电子路径的有效性和连通性，进而影响材料的导电性质。
例如，金属材料常常具有良好的导电性能，这是由于金属晶格中的自由电子能够自由流动。
而对于离子晶体，由于离子间存在强烈的静电作用力，电子难以在离子晶格中自由传导，因此离子晶体一般具有较低的导电性能。
此外，晶体结构中存在的缺陷也对导电性质产生影响。
晶格缺陷是指晶格中的位置发生了改变，如原子空位、杂质原子等。
这些缺陷可以导致电子的局域化和散射，从而改变材料的导电性能。
例如，掺杂某些杂质原子可以改变半导体材料的导电性质，从使其从绝缘体变为导体。
这是因为杂质原子引入了额外的能级，改变了电子在晶格中的能带结构。
除了晶格结构和缺陷对导电性质的影响外，温度也是一个重要的因素。
温度对晶格结构的稳定性产生影响，进而影响材料的导电性质。
随着温度的升高，晶格结构会发生变化，原子的振动幅度会增大。
这些变化会影响到电子的运动，从而改变材料的导电性质。
一些材料在较低温度下可能表现出绝缘体特性，而在高温下则变为导体。
综上所述，晶体结构与材料导电性质之间存在密切的关联。
大学材料科学基础第二章材料中的晶体结构
4．晶面间距（Interplanar crystal spacing）
两相邻近平行晶面间的垂直距离—晶面间 距，用dhkl表示,面间距计算公式见(1-6)。 通常，低指数的面间 距较大，而高指数的 晶面间距则较小 晶面间距愈大，该晶 面上的原子排列愈密 集；晶面间距愈小， 该晶面上的原子排列 愈稀疏。
晶体结构 = 空间点阵 + 结构单元
如：Cu, NaCl, CaF2有不同的晶体结构， 但都属于面心立方点阵。 思考题：空间点阵与布拉菲点阵。
三、 晶向指数与晶面指数
（Miller Indices of Crystallographic Directions and Planes） 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称 为晶面，原子在空间排列的方向称为晶向。 晶体的许多性能都与晶体中的特定晶面和晶 向有密切关系。为区分不同的晶面和晶向， 采用晶面和晶向指数来标定。
5．晶带 (Crystal zone) 所有平行或相交于同一直线的晶面构 成一个晶带，此直线称为晶带轴。
晶带轴[u v w]与该晶带的晶面（h k l） 之间存在以下关系： hu + kv + lw = 0 凡满足此关系的晶面都属于以[u v w]为 晶带轴的晶带，律应用举例
1 晶胞中原子数 (Number of Atoms in Unit Cell)
一个晶胞内所包含的原子数目。 体心立方晶胞：2个。 面心立方晶胞：4个。 密排六方晶胞：6个。
2 原子半径 r 与点阵常数 a 的关系
严格的说，原子半径并不是一个常数，它 随外界条件（温度）、原子结合键、配位数而 变，在理论上还不能精确地计算原子半径。 定义为晶胞中原子密排方向上相邻两原子 之间平衡距离的一半，用点阵常数表示。
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第6章晶体结构与晶体材料
1.写出CsCl，NaCl和金属W三种晶体的晶胞形式。
【答案】
CsCl是体心立方，NaCl是面心立方，金属W是体心立方。
2.晶体有哪些基本物性？
【答案】
均匀性和各向异性，确定的熔点，对称性，能使X射线产生衍射。
3.CsCl和NaCl晶体中的配位数各是多少。
【答案】
6，8
4.晶体可分为几种晶系？写出它们的名称。
【答案】
七大晶系：
立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系5.写出BGO晶体的化学式，它属哪个晶系？有什么重要用途？
【答案】
Bi4Ge3O12，立方晶系，BGO在室温下有很强的发光性质，是性能优异的新一代闪烁晶体材料，可用于探测X射线、γ射线、正电子和带电粒子等，在高能物理、核物理、核医学、核工业和石油勘探等方面有广泛的应用。
6.举例说明什么是理想晶体和实际晶体？
【答案】
理想晶体：水晶
实际晶体：BGO晶体。