固体材料的结构
区分晶体和非晶体方法
区分晶体和非晶体方法
晶体和非晶体是固体材料的两种基本结构状态。
晶体具有有序排列的结构、定向性良好和规则的几何形状，而非晶体没有有序排列的结构、定向性较差和无规则的几何形状。
下面是一些区分晶体和非晶体的方法：
1. X射线衍射：晶体材料的结构具有明显的点阵结构，可以通过X射线衍射图谱来确定其晶体结构。
而非晶体材料没有点阵结构，因此X射线衍射图谱呈现出弥散环形。
2. 热分析：晶体材料在特定温度范围内具有明显的热稳定性，即熔点和结晶温度。
非晶体材料则没有这些性质，其热分析图形似乎缺少明显的熔点和结晶峰。
3. 密度：晶体材料的密度通常比同种元素的非晶体材料高，因为晶体具有更紧密的结构和更少的空隙。
4. 光学性质：晶体具有各向异性，即其物理性质（如光学、电学和磁学等）取决于不同方向的取向。
而非晶体的物理性质是各向同性的。
5. 硬度：晶体材料的表面有规则的细微结构，通常比非晶体材料更坚硬。
6. 拉伸性能：晶体通常具有较好的拉伸性能，而非晶体则通常较为脆性。
固体材料的结构
八面体间隙
四面体间隙
36
密排六方晶格原子堆垛顺序
堆垛方式: ABABAB…顺序堆垛 hcp结构金属有:Mg、Zn、Be、Cd等
37
密排六方晶格（特征）
• 原子排列: 正六棱柱体 12 个顶角和上下底中心各有一 个 原子，正六棱柱体中心有三个原子
• 点阵参数: a1=a2=a3≠c，α=β=90º ，γ =120º • 晶胞中原子数：n=12×1/6＋2×1/2＋3=6个 • 原子半径:2R=a R=a/2 • 配位数和致密度
52
5）固溶体的微观不均匀性
固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的。一般认 为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子分布在宏观上 是均匀的,在微观上是不均匀的。 在一定条件下,溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按一定 的顺序排列起来,形成有序固溶体。有序固溶体中溶质原 子和溶剂原子之比是固定的,可以用化学分子式来表示,因 此把有序固溶体结构称为超点阵。 例如：在Cu－Al合金中,Cu：Al原子比是1：1或3：1时 从液态缓冷条件下可形成有序的超点阵结构,用CuAl或Cu 3Al来表示。
面心立方点阵 A1 或 fcc 立方晶系 体心立方点阵 A2 或 bcc 立方晶系 密排六方点阵 A3 或 hcp 六方晶系
13
描述晶胞从以下几个方面： • 晶胞中原子的排列方式 (原子所处的位置) • 点阵参数 (晶格常数和晶轴间夹角) • 晶胞中原子数 • 原子半径 R(原子的半径和点阵常数关系) • 配位数和致密度 • 密排方向和密排面 • 晶体结构中间隙 (大小和数量) • 原子的堆垛方式
2
• 2.1.2 能级图和原子的电子结构 • 2.1.3 周期表与周期性 • 2.1.4 晶体中的原子结合
化学键：化学上把原子间强烈的相互作用 金属键 共价键 离子键 分子键和氢键
固体材料的结构基础知识
〔3〕金属键
14
金属键的意义及其特点： 〔1〕由金属正离子和自由电子之间相互作用而形成
的结合称为金属键 〔2〕金属键中的电子处于共用化状态,将原子维持
在一起的电子并不固定在一定的位置上,所以,没有 饱和性和明显的方向性. 〔3〕金属键结合的金属材料具有良好的导电性能、 导热性能.此外,金属键的结合能比离子晶体和共价 晶体低一些,但是过渡族金属的结合能则要大些.各 种金属键的结合能存在着较大的差异,因此各种金 属的强度、熔点等相差较大.
则为范德华键或氢键.
18
1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
19
原子间距<r0> ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等,此时,该
两原子便被稳定在此相对位置上,这一距离r0称为 原子的平衡距离,简称原子间距. 结合能〔E〕:
原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能. 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的 功,E越大,原子的结合也就越稳定. 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而 范德华的E最小.
6
1．1．2 元素周期表及其性能的周期变化
7
几个概念： 〔1〕原子的电离能 指气态原子在最低能态失去电子时所需要的能量. 元素的电离能越小,则越容易失去电子而成为正离 子. 〔2〕电子的亲和能 指气态原子获得一个电子时所放出的能量.元素的 电子亲和能越大,则越容易获得电子形成负离子. 〔3〕原子的电负性 原子在形成价键时吸引电子的能力,用以比较各种 原子形成负离子或正离子的倾向.两元素的电负性 差越大,所形成的键的极性就越强.
增大而增高.
主要参数 ,电子的能量随n的
〔2〕 L〔次量子数〕：反映轨道的形状,由s、 p、d、f四个量
材料科学基础 第二章 固体材料的结构
第二章固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。
原子之间的作用结合键与晶体结构密切相关。
通过研究固体材料的结构可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征。
固体材料主要包括：金属、合金、非金属、离子晶体、陶瓷研究方法：X光、电子、中子衍射——最重要、应用最多§2-1 结合键结合键——原子结合成分子或固体的结合键决定了物质的物理、化学、力学性质。
一切原子之间的结合力都起源于原子核与电子间的静电交互作用（库仑力）。
不同的结合键代表了实现结构）的不同方式。
一、离子键典型的金属与典型的非金属元素就是通过离子键而化合的。
从而形成离子化合物或离子晶体由共价键方向性特点决定了的SiO2四面体晶体结构极性共价键非极性共价键五、氢键含有氢的分子都是通过极性共价键结合，极性分子之间结合成晶体时，通过氢键结合。
例如：H 2O ，HF ，NH 3等固态冰液态水§2-2 金属原子间的结合能一、原子作用模型固态金属相邻二个原子之间存在两种相互作用：a) 相互吸引——自由电子吸引金属正离子，长程力；b) 相互排斥——金属正离子之间的相互排斥，短程力。
平衡时这二个力相互抵消，原子受力为0，原子处于能量最低状态。
此时原子间的距离为r0。
§2-3 合金相结构基本概念♦合金——由两种或两种以上的金属或金属非金属元素通过化学键结合而组成的具有金属特性的材料。
♦组元、元——组成合金的元素。
♦相——具有相同的成分或连续变化、结构和性能的区域。
♦组织——合金发生转变（反应）的结果，可以包含若干个不同的相，一般只有一到二个相。
♦合金成分表示法：(1) 重量（质量）百分数A-B二元合金为例m B——元素B的重量(质量m A——元素A的重量(质量合金中的相分为：固溶体，化合物两大类。
固溶体金属晶体(溶剂)中溶入了其它元素(溶质)后，就称为固溶体。
一、固溶体的分类：♦按溶质原子在溶剂中的位置分为：置换固溶体，间隙固溶体♦按溶解度分为：有限固溶体，无限固溶体♦按溶质原子在溶剂中的分布规律分为：有序固溶体，无序固溶体置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。
潘金生《材料科学基础》(修订版)(章节题库 固体材料的结构)【圣才出品】
【解析】置换型固溶体分为连续置换和有限置换。只有离子价相同或者离子价总和相
等时才能生成连续置换型固溶体。
三、判断题 1．形成连续固溶体的最主要条件是溶质和溶剂的晶体结构要一致，例如，银和铝都 具有面心立方结构。( ) 【答案】× 【解析】溶质和溶剂晶体结构相同，能形成连续固溶体，这是形成连续固溶体的必要 条件，而不是充分必要条件。
3．以金属为基的固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么？ 答：（1）结构上，固溶体晶体结构最大的特点是保持着原溶剂的晶体结构，根据溶 质原子在溶剂点阵所处的位置，可以分为置换固溶体和间隙固溶体。中间相的结构一般与 两组元的结构都不同，它们处于二元相图的位置总是位于中间，中间相可以是化合物也可 以是以化合物为基的固溶体，中间相可以用化学分子式表示。 （2）键性上，固溶体原子间多以金属键结合；而大多数中间相中，原子间的结合方 式属于金属键与其他典型键（如离子键、共价键、分子键）相混合的一种结合方式，因此 它们具有金属性，也正是由于中间相各组元间的结合含有金属的结合方式，所以表示它们 组成的化学分子式并不一定符合化合价规律。 （3）性能上，固溶体由于溶质与溶剂的原子半径大小不同，总会引起点阵畸变并导 致点阵常数发生变化，点阵畸变增大，一般固溶体的电阻率升高，同时降低电阻温度系数， 且由于溶质原子的溶入，使固溶体的强度和硬度升高；而对于中间相来说，它们的熔点较 高，硬度和强度也比较高，韧性和塑性较差。
【答案】配位多面体；正负离子半径和；半径比
2 / 10
圣才电子书
十万种考研考证电子书、题库视频学习平
台
3．斜长石 Na（A1Si3O8）与钙长石 Ca（Al2Si2O8）可以形成______型固溶体，其中
斜长石中的______和钙长石中的______可以相互替代。
材料科学基础第2章
晶胞示意图
晶胞大小和形状表示方法
晶胞大小和形状表示方法为：
晶胞的棱边长度ａ、ｂ、ｃ（称为点阵常数、晶格常 数(lattice constants/parameters))； 棱边的夹角为α、β、γ（称为晶轴间夹角）。 选取晶胞的原则： 1、应反映出点阵的高度对称性 2、棱和角相等的数目最多 3、棱边夹角为直角时，直角数目最多 4、晶胞体积最小
晶面指数（hkil）其中i=-（h+k）
晶向指数 [uvtw] 其中t=-（u+v）
六方晶系按两种晶轴系所得的晶面指数和晶向 指数可相互转化：
六方晶系的晶向（面）指数示意图
六方晶系的一些晶向（面）指数
4.晶带
晶带——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。属此晶带的晶面称为共 带面。 晶带定理：同一晶带上晶带轴[uvw]和晶带面（hkl） 之间存在以下关系：hu+kv+lw=0 通过晶带定理可以求晶向指数或晶面指数。 a) 求两不平行的晶面（h1k1l1）和（h2k2l2）的晶 带轴。 b) 求两个不平行的晶向[u1v1w1]和[u2v2w2]所决定 的晶面。
面心立方八面体间隙面心立方Biblioteka 面体间隙面心立方四面体间隙
面心立方四面体间隙
面心立方原子堆垛顺序
面心立方晶体的 ABCABC 顺序密堆结构
2.体心立方晶格(特征）
原子排列:晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个原子 点阵参数:a=b=c，α=β=γ=90º 晶胞中原子数:n=8×1/8＋1=2个 3 原子半径: 4R 3a, R a
三种典型金属晶体结构刚球模型
三种典型金属晶体结构晶胞原子数
原子半径与晶格常数
三种典型金属晶格密排面的堆垛方式
尖晶石结构和反尖晶石结构
尖晶石结构和反尖晶石结构尖晶石结构和反尖晶石结构是固体材料中常见的晶体结构类型，它们具有特定的排列方式和晶胞结构，对于材料的性质和应用具有重要影响。
本文将分别介绍尖晶石结构和反尖晶石结构的基本特点和应用。
一、尖晶石结构尖晶石结构是一种典型的立方晶体结构，由四面体和八面体构成。
其化学式一般为AB2O4，其中A位为正离子，B位为两种不同的正离子，O为氧离子。
尖晶石结构中的A和B位离子都占据着特定的晶胞位置，形成稳定的晶格结构。
尖晶石结构的晶胞通常由两个四面体和一个八面体组成，四面体位的离子通常是正离子，八面体位的离子则是两种正离子。
由于晶胞结构的稳定性，尖晶石结构在多种材料中都得到了广泛应用。
尖晶石结构的典型代表是磁铁矿，其化学式为Fe3O4。
磁铁矿具有良好的磁性，因此在磁性材料和电子器件中被广泛应用。
此外，尖晶石结构还存在于多种氧化物中，如铝酸盐、镁铝尖晶石等，这些材料在电子、光学、热学等领域都具有重要的应用价值。
二、反尖晶石结构反尖晶石结构是尖晶石结构的一种变种，其晶胞由四面体和六面体组成。
反尖晶石结构的化学式一般为ABO3，其中A位为正离子，B位和O位分别由两种不同的离子组成。
与尖晶石结构不同的是，反尖晶石结构中的A、B和O离子都占据着特定的晶胞位置。
反尖晶石结构中的四面体和六面体位离子的排列方式决定了材料的结构和性质。
反尖晶石结构的晶胞通常由两个四面体和一个六面体组成，四面体位的离子通常是正离子，六面体位的离子则是两种不同的离子。
由于晶胞结构的稳定性，反尖晶石结构在多种材料中都得到了广泛应用。
反尖晶石结构的典型代表是铁电材料，如PbTiO3。
铁电材料具有特殊的电性质，可以在外电场的作用下产生电极化现象，因此在电子器件和存储器件中有重要应用。
此外，反尖晶石结构还存在于多种氧化物中，如钛酸盐、锆酸盐等，这些材料在电子、光学、热学等领域都具有重要的应用价值。
总结：尖晶石结构和反尖晶石结构是固体材料中常见的晶体结构类型，它们具有不同的晶胞结构和离子排列方式。
固体材料的晶格结构对其物理性能有重要影响
固体材料的晶格结构对其物理性能有重要影响引言：固体材料的晶格结构是由原子、离子或分子排列成的有序三维结构。
这种结构在固体材料的物理性能方面发挥着重要作用。
不同的晶格结构会影响材料的力学性能、电学性能、热学性能等。
本文将探讨晶格结构对固体材料物理性能的影响，并举例说明不同晶格结构对材料性能的影响。
一、晶格结构与力学性能的关系：晶格结构对固体材料的力学性能有着重要影响。
晶体中原子、离子或分子之间的相互作用力与晶格结构的排列方式有关。
不同的结构排列方式会导致材料的力学性能差异。
1. 金属晶体：金属晶体通常具有紧密排列的结构，如面心立方晶格和体心立方晶格。
这些晶格结构具有高度的结构稳定性和强大的键合能，因此金属晶体具有较高的刚性和强度。
例如，铁、铝和钛等金属常用于制造坚固的结构材料，如汽车和飞机的零部件。
2. 离子晶体：离子晶体是由带正电和负电的离子相互吸引而形成的晶体。
这些离子通常以六方最密堆积或面心立方最密堆积的方式排列。
晶格中正离子和负离子之间的静电相互作用是离子晶体的主要结构特征。
不同的离子和离子之间的电荷和大小差异会影响离子晶体的力学性能。
例如，氯化钠晶格具有较高的强度和硬度，因此广泛应用于制备玻璃和陶瓷。
3. 共价晶体：共价晶体是由共价键连接的原子或分子构成的晶体。
这些晶体的晶格结构由电子云的重叠决定。
共价键很强，因此共价晶体具有较高的硬度和刚性。
例如，金刚石晶格由碳原子形成的四面体结构，几乎是纯晶体的碳，因此具有很高的硬度和热导率。
二、晶格结构与电学性能的关系：晶格结构对固体材料的电学性能也会产生重要影响。
晶体中原子或离子之间的排列方式会影响材料的电荷传导和电子结构。
1. 金属晶体：金属晶体中，金属原子以自由电子形式存在，并且在整个晶体中可以自由传导电荷。
这种电子传导性质使金属成为良好的导电体。
金属晶格结构的紧密排列提供了稳定的电子运动通道，因此金属具有出色的电导率。
2. 半导体晶体：半导体晶体具有禁带结构，其中带有最高能量的电子不可容忍地、必须克服禁带，从而形成带电电子与带有相反电荷的空穴。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.Write the relation formula about micro-particle duality
A: contact micro-particle duality formula is:h h
λ==
P mu
λ-Wavelength，P-Momentum，h-Planck’s constant，m-Quality，u-Velocity
2.讨论波函数的意义与其电子云的关系。
答：波函数是为了定量地描述电子的状态和出现在某处的几率而引入的一个复函数，既有实数部分又有虚数部分，且各部分都可根据欧拉公式写成正余弦函数形式，但这两部分合起来就不再是简单正余弦了，它本身并无实际意义，但它平方后得到的新函数可表示粒子在空间各点出现的概率密度（但其图相并不表示粒子轨道）。
电子云是电子在核外空间出现的几率密度分布的形象化描述，几率密度分布也就是波函数和其共轭的乘积，乘积是一个实数，也就是波函数和其共轭模相乘，所以说是模的平方。
3.定性讨论四个量子数的意义。
答：主量子数n主要表示电子距离原子核“平均距离”的远近，是决定能量的主要参数。
当n=1，2，3，4，5，6，7 电子层符号分别为K，L，M，N，O，P，Q。
当主量子数增大，电子出现离核的平均距离也相应增大，电子的能量增加。
轨道角量子数l确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。
电子绕核运动，不仅具有一定的能量，而且也有一定的角动量M，它的大小同原子轨道的形状有密切关系，决定了轨道角动量的大小。
对于给定的n值，量子力学证明l 只能取小于n的正整数：l=0，1，2，3…(n-1)。
轨道磁量子数m决定了轨道角动量在外磁场方向的投影值，即原子轨道在空间的取向。
某种形状的原子轨道，可以在空间取不同方向的伸展方向，从而得到几个空间取向不同的原子轨道。
这是根据线状光谱在磁场中还能发生分裂，显示出微小的能量差别的现象得出的结果。
磁量子数可以取值：m=0,+/-1,+/-2……+/-l。
自旋磁量子数m s决定了自旋角动量在外磁场方向的投影值，正负号表示投影方向与磁场方向相同或相反。
4.准晶、液晶、非晶的定义和基本结构。
答：准晶是同时具有长程准周期平移性和非晶体学旋转对称性的固态有序相。
准周期性和非晶体学对称性构成了准晶结构的核心特征。
液晶是液态的晶体，是介于三维有序晶态与无序晶态之间的一种中间态。
在热力学上是稳定的，它既具有液体的易流动性，又具有晶体的双折射等各向异性的特征。
处于液晶态的物质，其分子排列存在位置上的无序性，但在取向上仍有一维或二维的长程有序性，因此液晶又可称为“位置无序晶体”或“取向有序液体”。
液晶材料都是有机化合物，有小分子也有高分子，其数量已近万种，通常将其分为二大类，热致液晶和溶致液晶。
热致液晶只在一定温度范围内呈现液晶态，即这种物质的晶体在加热熔化形成各向同性的液体之前形成液晶相。
热致液晶又有许多类型，主要有向列型、近晶型和胆甾型。
非晶体原子排列的短程有序、长程无序，因此非晶态固体的性能是各向同性的。
对于液态金属来说，原子的排列没有晶体那种周期性、对称性，既不存在长程有序（或说原子排列是长程无序的），这一点非晶态金属也具备；另外从一个原子与其近邻的原子间的相互关系来看，同晶体相比，非晶体的最近邻原子间距与晶体的差别很小，配位数也相近，但在次近邻原子的关系上差别就可能变得相差很大，表明非晶体结构是短程有序，但这种短程有序与液态金属有区别。
5.什么是能带？导体、半导体和绝缘体的能带有什么区别？
答：量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级，变成了N条靠得很近的能级，称为能带，用来定性地阐明了晶
体中电子运动的普遍特点。
能量最高的满带与最低的空带有重叠，结果两个能带都不满，晶体仍是导体；能量最高的满带与最低的空带没有重叠，被禁带分开，这种晶体是绝缘体或半导体。
导体在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。
绝缘体在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。
从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg约3～6 eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。
半导体的能带结构，满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（E g约3 eV以下)。
6.比较石墨和金刚石的晶体结构、结合键和性能。
答：石墨晶体结构为简单六方点阵，碳原子位于点阵结点上，层间由共价键结合，邻层之间由范德华力结合，因此石墨组织稀松，有一定的导电性，常用作润滑剂。
金刚石晶体结构为带四面体间隙的FCC，碳原子位于FCC点阵的结合点和四个不相邻的四面体间隙位置，碳原子之间都由共价键结合，因此金刚石硬度高，结构致密。
7. Discuss the general rule of oxide structure.
A: The important features of oxide structure is oxygen ion densely. Most simple oxide structure of oxygen ion is simple cubic in heart cubic, densely face six party or approximate the densely, and positive ions is located in the octagonal gap, gap or simple tetrahedral the cube of the body heart.。