3-晶体结构及其与材料性能的关系(3)
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5.1_晶体材料的结构与物理性能
晶体缺陷
一方面对材料的某些性能产生不良影响 一方面也使材料的性能产生各种变化，达到材料
的改性，甚至赋于材料新的或特殊的性能。 改变晶体中缺陷的种类或缺陷的浓度，可制得所需性能 的晶体材料，是材料改性和制备新型或特殊性能材料的有效 方法之一，非整比化合物构成的材料即是其中的一类。
实例1：在钠蒸汽中加热NaCl晶体 氯化钠晶体中有少量钠原子掺入，此时，若晶体受到辐 射时，钠原子将电离为钠离子和自由电子，钠离子占据正常 正离子位置、电子占据负离子格点，形成Na1+δCl，此时电 子处于空缺位置，他们能够吸收可见光而使晶体材料带有颜 色，为绿色化合物 。
晶体的稳定性： 组成晶体的微粒是对称排列的，形成很规则的几何空 间点阵，组成点阵的各个原子之间，都相互作用着， 它们的作用主要是静电引力。对每一个原子来说，其 他原子对它作用的总效果，使它们都处在势能最低的 状态，因此很稳定，宏观上就表现为形状固定，且不 易改变。
晶体的范性：
晶体内部原子有规则的排列，引起了晶体各向不同的 物理性质。例如原子的规则排列可以使晶体内部出现 若干个晶面，立方体的食盐就有三组与其边平行的平 面。如果外力沿平行晶面的方向作用，则晶体就很容 易滑动（变形），这种变形还不易恢复，称为晶体的 范性。同样也可以看出沿晶面的方向，其弹性限度 小，只要稍加力，就超出了其弹性限度，使其不能复 原；
衍射效应 由于组成材料的周期性排列的晶体相当于三维光 栅，能使波长相当的x射线、电子流或中于流产生衍射 效应，这成为了解晶体材料内部结构的重要实验方法。 测定晶体立体结构的衍射方法，有X射线衍射、电 子衍射和中子衍射等方法。其中以X射线衍射法的应用 所积累的精密分子立体结构信息最多。 例：XRD谱图示例
（2）不同晶体材料的特殊性 不同的晶体材料具有不同的微观结构，使之区 别于其他的晶体，因而又使不同晶体材料之间各 有特点。 例：晶体缺陷形成非整比化合物构成的材料。
金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)
金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)1. 引言1.1 概述金属组织结构是材料科学领域中的一个重要研究内容，它涉及到金属材料的微观结构和性能之间的关系。
金属材料广泛应用于制造业和其他领域，因此深入了解金属组织结构对于提高材料性能、改进加工工艺以及开发新型高性能金属具有重大意义。
1.2 文章结构本文将从晶粒、晶界、亚晶和晶体结构四个方面来介绍金属组织结构的基本轮廓。
首先，我们将探讨晶粒的定义、特征以及形成机制与生长过程；其次，我们将详细研究晶界的定义、分类以及对材料力学性能的影响；然后，我们将介绍亚晶的定义、形成机制、观测方法以及研究进展；最后，我们将深入探讨晶体结构，并分析不同类型的晶格结构对材料性质的影响。
1.3 目的本文旨在向读者介绍金属组织结构的基本概念和特征，并探讨其与材料性能之间的关系。
通过对晶粒、晶界、亚晶和晶体结构的详细讨论，读者将能够了解金属材料中微观组织的形成原理以及不同组织结构对材料性质（如强度、塑性、导电性等）的影响。
这将为材料科学工作者和工程师提供有力的指导，以优化金属材料的设计和应用。
2. 晶粒晶粒是金属材料中的基本组织单位，它由大量的原子或分子有序排列而成。
每个晶粒内的原子结构和取向相对稳定，在固态材料中晶粒大小和形状各不相同，具有一定的特征。
2.1 定义与特征晶粒是由同一种晶体结构组成的半球或多面体区域，在结构上呈现出高度有序、周期性和规则性。
它们在材料中是随机分布的，并且相邻晶粒之间以边界进行分割。
每个晶粒具有自己独特的取向和晶格结构，这使得不同的晶粒在外部场合下会表现出不同的性质。
2.2 形成机制与生长过程初始时，金属材料以液态或气态形式存在。
当冷却或凝固时，从液态转变为固态，并开始形成初生晶核。
这些初生晶核会通过吸收周围溶质进行长大并扩张，直到与其他固相结合形成完整的晶体。
这个过程叫做再结晶或冷却结晶。
2.3 晶粒大小与材料性能的关系晶粒的大小对金属材料的性能具有重要影响。
结晶与相图铁碳合金工程材料基础知识
2．晶粒大小与控制措施
20钢
F+P基体+G球
（1）增加过冷度 随着过冷度的增加，形核率和长大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要快，所以产生的晶核数目增加。因此，通过加快冷却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化。 （2）变质处理 在金属液中加入变质剂（高熔点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细化晶粒，这种方法称变质处理，变质处理在生产中应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷度时，采用变质处理可有效地细化晶粒。 （3）附加振动等 在金属结晶时、施以机械振动、电磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，起到细化晶粒的目的。
三、金属铸锭的组织
[合金]：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。 [组元]：组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。 [相]：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。 [显微组织]：在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织，因此相是组成组织的基本物质。
（2）金属化合物 [金属化合物]：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的Fe3C（渗碳体）。 [金属化合物性能]：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。 合金的组织可以是单相固溶体，但由于其强度不够高，其应用具有局限性；绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属化合物组成的混合物。
20钢
F+P基体+G球
（1）增加过冷度 随着过冷度的增加，形核率和长大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要快，所以产生的晶核数目增加。因此，通过加快冷却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化。 （2）变质处理 在金属液中加入变质剂（高熔点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细化晶粒，这种方法称变质处理，变质处理在生产中应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷度时，采用变质处理可有效地细化晶粒。 （3）附加振动等 在金属结晶时、施以机械振动、电磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，起到细化晶粒的目的。
三、金属铸锭的组织
[合金]：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。 [组元]：组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。 [相]：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。 [显微组织]：在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织，因此相是组成组织的基本物质。
（2）金属化合物 [金属化合物]：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的Fe3C（渗碳体）。 [金属化合物性能]：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。 合金的组织可以是单相固溶体，但由于其强度不够高，其应用具有局限性；绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属化合物组成的混合物。
第一章晶体结构(四晶体的结构与性质--无机化合物结构 )
纤锌矿型结构的晶体， 纤锌矿型结构的晶体，如ZnS、CdS、GaAs等和 、 、 等和 其它II与 族 族化合物， 其它 与IV族，III与V族化合物，制成半导体器件，可 与 族化合物 制成半导体器件， 以用来放大超声波。这样的半导体材料具有声电效应。 以用来放大超声波。这样的半导体材料具有声电效应。 通过半导体进行声电相互转换的现象称为声电效应。 通过半导体进行声电相互转换的现象称为声电效应。 声电效应
二、AX2型结构
AX2型结构主要有萤石（CaF2，fluorite）型，金红石 型结构主要有萤石（ ） （TiO2，rutile）型和方石英（SiO2，α-cristobalite）型结构。 ）型和方石英（ ）型结构。 其中CaF2为激光基质材料，在玻璃工业中常作为助熔剂和晶 其中 为激光基质材料， 核剂，在水泥工业中常用作矿化剂。 核剂，在水泥工业中常用作矿化剂。TiO2为集成光学棱镜材 料，SiO2为光学材料和压电材料。AX2型结构中还有一种层 为光学材料和压电材料。 型的CdI2和CdCl2型结构，这种材料可作固体润滑剂。AX2 型结构，这种材料可作固体润滑剂。 型的 型晶体也具有按r 选取结构类型的倾向， 型晶体也具有按 +/r-选取结构类型的倾向，见表1-7。 。
型化合物的结构类型与r 表1-4 AX型化合物的结构类型与 +/r-的关系 型化合物的结构类型与
结构类型 CsCl 型 NaCl 型 r+/r1.000~0.732 0.732~0.414 KF RbCl PbBr SrS SrSe MgO NaBr LiCl 1.00 0.82 0.76 0.73 0.66 0.59 0.50 0.43 实例（右边数据为 r+/r-比值） CsCl 0.91 CsBr 0.84 CsI 0.75 SrO 0.96 BaS 0.82 BaSe 0.75 RbI 0.68 CaS 0.62 LiF 0.59 CaTe 0.50 MgSe 0.41 BaO 0.96 RbF 0.89 CaO 0.80 CsF 0.80 NaF 0.74 KCl 0.73 KBr 0.68 BaTe 0.68 KI 0.61 SrTe 0.60 CaSe 0.56 NaCl 0.54 MgS 0.49 NaI 0.44 LiBr 0.40 LiF 0.35 0.20 BeSe 0.18
材料物理性能
经典电子理论认为：正离子形成的电场是均匀的，自由电子运动的规律遵循经典力学气体分子的运动规律。
量子自由电子理论的主要内容：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子不被原子所束缚，可以在整个金属中自由地运动。
满带：全带中每一能级都被都被两个电子占据的能带。在能带图中满带是在最下方，该处电子能量低，不足以参加物理过程（除非受激发），因此满带没有导电性。
线膨胀系数：温度升高1K时，物体的相对伸长。
线性振动：是指质点间的作用力与距离成正比。
热膨胀和结合能、熔点的关系:固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，而质点的位能性质是由质点间的结合力特性所决定的。所以，质点间结合力强 ，热膨胀系数小.熔点也取决于质点间的结合力。所以熔点高的材料膨胀系数小。
空带：所属各能级上没电子的能带。因此也无导电性。
价带：与原子中价电子的能量相对应的能带。在半导体或电绝缘体中，价带是满带中能量最高的能带。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，价带可能失去少量电子，留下空穴，从而产生空穴导电性。
导带：最靠近价带而能量较高的能带.这是除去完全被电子充满的一系列能带外，还有部分被填表满的能带.此带中，电子能自由活动。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，导带出现少量电子，从而产生电子导电性。
（1）材料抵抗发生瞬时断裂这类破坏的性能，称为抗热冲击断裂性；
（2）材料抵抗在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质这类破坏的性能，称为抗热冲击损伤性。
提高抗热冲击断裂性能的措施:1．提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ／E提高。2．提高材料的热导率λ，使R′提高。3．减小材料的热膨胀系数α。4减小表面热传递系数h。5减小产品的有效厚度rm。6有意引入裂纹，是避免灾难性热震破坏的途径。
量子自由电子理论的主要内容：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子不被原子所束缚，可以在整个金属中自由地运动。
满带：全带中每一能级都被都被两个电子占据的能带。在能带图中满带是在最下方，该处电子能量低，不足以参加物理过程（除非受激发），因此满带没有导电性。
线膨胀系数：温度升高1K时，物体的相对伸长。
线性振动：是指质点间的作用力与距离成正比。
热膨胀和结合能、熔点的关系:固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，而质点的位能性质是由质点间的结合力特性所决定的。所以，质点间结合力强 ，热膨胀系数小.熔点也取决于质点间的结合力。所以熔点高的材料膨胀系数小。
空带：所属各能级上没电子的能带。因此也无导电性。
价带：与原子中价电子的能量相对应的能带。在半导体或电绝缘体中，价带是满带中能量最高的能带。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，价带可能失去少量电子，留下空穴，从而产生空穴导电性。
导带：最靠近价带而能量较高的能带.这是除去完全被电子充满的一系列能带外，还有部分被填表满的能带.此带中，电子能自由活动。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，导带出现少量电子，从而产生电子导电性。
（1）材料抵抗发生瞬时断裂这类破坏的性能，称为抗热冲击断裂性；
（2）材料抵抗在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质这类破坏的性能，称为抗热冲击损伤性。
提高抗热冲击断裂性能的措施:1．提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ／E提高。2．提高材料的热导率λ，使R′提高。3．减小材料的热膨胀系数α。4减小表面热传递系数h。5减小产品的有效厚度rm。6有意引入裂纹，是避免灾难性热震破坏的途径。
3-常见晶体结构
小结和作业
1 典型金属的晶体结构（面、体、密）
2 常见无机化合物晶体结构
以立方晶系为主 离子取代原子
重点：各典型金属的晶体结构的晶体学参数
3 固溶体的晶体结构（置换、间隙） 4 固溶体的性能（固溶强化）
作业：1、试从晶体结构的角度说明间隙固溶体、间隙相以及间隙化合物 之间的区别; 2、有一正交点阵，点阵常数a=b、c=a/2，某晶面在3个晶 轴上的截距分别为2个，3个和6个原子间距，求该晶面的密勒指数。 3、解释概念：配位数 、致密度、固溶强化
V K= V 0
V
V0
一个晶胞中原子所占的体积
一个晶胞的体积
在元素周期表一共约有110种元素，其中80
多种是金属，占2/3。而这80多种金属的晶体 结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分 别是： 体心立方、面心立方、密排六方
二 典型金属的晶体结构
结构特点:以金属键结合，靠失去外层电子的金属离子 与自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密 堆结构。 常见结构：
图2-45 面心立方结构
面心立方结构ABCABC排列
沿着面心立方的体对角线观察，就可以看到（111）面的这种堆 垛方式
密排六方结构：属于六方紧密堆积，以ABAB ...的堆积方式堆 积，具有这种结构的金属有：Mg、Zn、α-Ti等
图2-46 密排六方结构
体心立方结构：属于体心立方紧密堆积，原子是以体 心立方空间点阵的形式排列，具有这种结构的金属 有： α-Fe 、Cr、 V、Mo、W等
有序化
EAB结合能与EAA+EBB/2
原子间结合能是指原子结合时克服原子 间相互作用力外力所作的功。结合能越 大，原子越不容易结合。
《材料科学基础》总复习(完整版)
《材料科学基础》上半学期内容重点第一章固体材料的结构基础知识键合类型（离子健、共价健、金属健、分子健力、混合健）及其特点；键合的本质及其与材料性能的关系，重点说明离子晶体的结合能的概念；晶体的特性（5个）；晶体的结构特征（空间格子构造）、晶体的分类；晶体的晶向和晶面指数（米勒指数）的确定和表示、十四种布拉维格子；第二章晶体结构与缺陷晶体化学基本原理：离子半径、球体最紧密堆积原理、配位数及配位多面体；典型金属晶体结构；离子晶体结构，鲍林规则（第一、第二）；书上表2－3下的一段话；共价健晶体结构的特点；三个键的异同点（举例）；晶体结构缺陷的定义及其分类，晶体结构缺陷与材料性能之间的关系（举例）；第三章材料的相结构及相图相的定义相结构合金的概念：固溶体置换固溶体（１）晶体结构无限互溶的必要条件—晶体结构相同比较铁（体心立方，面心立方）与其它合金元素互溶情况（表３－１的说明）（２）原子尺寸：原子半径差及晶格畸变；（３）电负性定义：电负性与溶解度关系、元素的电负性及其规律；（４）原子价：电子浓度与溶解度关系、电子浓度与原子价关系；间隙固溶体（一）间隙固溶体定义（二）形成间隙固溶体的原子尺寸因素（三）间隙固溶体的点阵畸变性中间相中间相的定义中间相的基本类型：正常价化合物：正常价化合物、正常价化合物表示方法电子化合物：电子化合物、电子化合物种类原子尺寸因素有关的化合物：间隙相、间隙化合物二元系相图：杠杆规则的作用和应用；匀晶型二元系、共晶（析）型二元系的共晶（析）反应、包晶（析）型二元系的包晶（析）反应、有晶型转变的二元系相图的特征、异同点；三元相图：三元相图成分表示方法；了解三元相图中的直线法则、杠杆定律、重心定律的定义；第四章材料的相变相变的基本概念：相变定义、相变的分类（按结构和热力学以及相变方式分类）；按结构分类：重构型相变和位移型相变的异同点；马氏体型相变：马氏体相变定义和类型、马氏体相变的晶体学特点，金属、陶瓷中常见的马氏体相变（举例）（可以用许教授提的一个非常好的问题――金属、陶瓷马氏体相变性能的不同――作为题目）有序-无序相变的定义玻璃态转变：玻璃态转变、玻璃态转变温度、玻璃态转变点及其黏度按热力学分类：一级相变定义、特点，属于一级相变的相变；二级相变定义、特点，属于二级相变的相变；按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变（spinodal相变）按原子迁动特征分类：扩散型相变、无扩散型相变第5章 金属材料的显微结构特征一、纯金属的凝固及结晶1、结晶的热力学条件结晶后系统自由能下降。
材料科学基础第三章典型晶体结构(共71张PPT)
Zn离子的位置交叉错开。
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体连 接方式
与金刚石晶胞的比照 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、 -ZnS〔纤锌矿〕型结构 〔AB type〕
六方晶系，简单六方格子
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍生物，例如
C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原子掺进C60分子 的笼内，就能使其具有超导性能。再有C60H60这些相 对分子质量很大地碳氢化合物热值极高，可做火箭的 燃料等等。
2〕碳纳米管
碳纳米管又称纳米碳管〔 Carbon nanotube，CNT〕，是 单质碳的一维结构形式。碳纳米 管按照石墨烯片的层数分类可分 为：单壁碳纳米管〔Singlewalled nanotubes, SWNTs〕和多 壁碳纳米管〔Multi-walled nanotubes, MWNTs〕。
4. -ZnS〔闪锌矿〕型结构 〔AB type〕 点群：
空间群：
配位数：
晶胞中正负离子个数Z：
堆积及间隙情况：
• 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 • Zn2+如何填充？ • 空隙如何分布？
等同点分布：
共有2套等同点。这种结构 可以看作是Zn离子处在由S离 子组成的面心立方点阵的4个
四面体间隙中，即有一半四面 体间隙被占据，上层和下层的
晶体结构的描述通常有三种方法：
1〕坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这种采用
数值化方式描述晶体结构是最标准化的。为了方便表示晶胞， 化学式可写为MO，其中M2＋是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了NaCl中钠离子和氯离子的位置。 以由体正积 负还较离大子可的半径S以2比-作rN采立a方+/r用紧cl-密≈堆投0.积 影图，即所有的质点在某个晶面〔001〕上的投
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体连 接方式
与金刚石晶胞的比照 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、 -ZnS〔纤锌矿〕型结构 〔AB type〕
六方晶系，简单六方格子
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍生物，例如
C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原子掺进C60分子 的笼内，就能使其具有超导性能。再有C60H60这些相 对分子质量很大地碳氢化合物热值极高，可做火箭的 燃料等等。
2〕碳纳米管
碳纳米管又称纳米碳管〔 Carbon nanotube，CNT〕，是 单质碳的一维结构形式。碳纳米 管按照石墨烯片的层数分类可分 为：单壁碳纳米管〔Singlewalled nanotubes, SWNTs〕和多 壁碳纳米管〔Multi-walled nanotubes, MWNTs〕。
4. -ZnS〔闪锌矿〕型结构 〔AB type〕 点群：
空间群：
配位数：
晶胞中正负离子个数Z：
堆积及间隙情况：
• 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 • Zn2+如何填充？ • 空隙如何分布？
等同点分布：
共有2套等同点。这种结构 可以看作是Zn离子处在由S离 子组成的面心立方点阵的4个
四面体间隙中，即有一半四面 体间隙被占据，上层和下层的
晶体结构的描述通常有三种方法：
1〕坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这种采用
数值化方式描述晶体结构是最标准化的。为了方便表示晶胞， 化学式可写为MO，其中M2＋是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了NaCl中钠离子和氯离子的位置。 以由体正积 负还较离大子可的半径S以2比-作rN采立a方+/r用紧cl-密≈堆投0.积 影图，即所有的质点在某个晶面〔001〕上的投
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Cs+
Cl
图3-4 CsCl 晶体结构
第三作业
2. 结 合 Pauling 规 则 ， 解 释 为 何 CsCl和NaCl是典型的离子晶体。
5. -ZnS（闪锌矿）型结构
• 立方晶系
同晶型物质：
• 面心立方格子 • -SiC
• 空间群
• z=4
• GaAs • AlP • InSb
0,100
结构与性能的关系： • CaF2熔点较低，用作 助熔剂 / 作晶核剂 • 质点间键力较NaCl强 硬度稍高（莫氏4 级），熔点1410C，在水中溶解度小
• 在（111）面上存在着相互毗邻的同号负离 子层，因静电斥力导致晶体平行于（111）方 向发生解理，故萤石常呈八面体解理
第三章作业
3.根据萤石型结构特点，解释立方ZrO2为 什么可用来制备： ①测氧传感器探头 ②固体电解质
判断共用一个顶点的多面体的数目。
硅酸盐晶体中，一个[SiO4] 顶点的O2-还可以 和另一个[SiO4] 相连接（2个配位多面体共用一 个顶点），或者和另外3个[MgO6] 相连接（4个配 位多面体共用一个顶点），即可使O2-电价饱和。
鲍林第三规则──多面体共顶、共棱、共面规 则
“在一个配位结构中，共用棱，特别是共用 面的存在会降低这个结构的稳定性。其中高电 价，低配位的正离子的这种效应更为明显”。
两个配位多面体连接时，随共用顶点数目 增加，中心阳离子间距缩短，库仑斥力增大， 结构稳定性降低。则结构中[SiO4]只能共顶连 接，而[AlO6]却可以共棱连接，在有些结构， 如刚玉型结构中，[AlO6]还可以共面连接。
鲍林第四规则──不同配位多面体连接规 则
“若晶体结构中含有一种以上的正离 子，则高电价、低配位的多面体之间有尽 可能彼此互不连接的趋势”。
[配例M位g如O数，6]低在两，镁种所橄配以位榄[S多石iO面结4]体构之，中间但，彼S有此i4+[无电Si连价O4接高] 和，、 它们之间由[MgO6] 所隔开。
鲍林第五规则──节约规则 “在同一晶体中，组成不同的结构基元的数
目趋向于最少”。
在硅酸盐晶体中，不会同时出现[SiO4]四面 体和[Si2O7]双四面体结构基元，尽管它们之间 符合鲍林其它规则。
rNa/rCl = 0.102/0.181 = 0.56 处于0.414~0.732 之间
阳离子填充在八
面体空隙中
正、负离子的配
位数都是 6)，一个 晶胞内含有4个 NaCl“分子”。
Cl
Na
图3-3 NaCl 晶体结构
性质：NaCl型结构在三维方向上键力分布 均匀，无明显解理，破碎后其颗粒呈现多 面体形状。
2．石墨结构
IV族元素，六方晶系， P63/mmc空间群， a＝0.146nm，h＝0.670nm。 层状结构： 层内六节环，C－C原子间距0.142nm，共价键相
连； 层间C －C原子间距0.335nm，范德华键相连。 C原子四个外层电子在层内形成三个共价键，配
位数为3，多余一个电子可在层内移动。 同类结构物质： h-BN
于是，按第二规则，负离子的电价数为 ：
W
i
Si
i
(W ) n i
电价规则的作用
判断晶体是否稳定
在CaTiO3结构中，Ca2+、Ti4+、O2-配位数分别 为12、6、6。O2-配位多面体是[OCa4Ti2]，则O2-的 电荷数，与O2-的电价相等，故晶体结构稳定。
25 0,100
75 50
C
0,100
图3-1 金刚石的晶胞图和投影图
结构与性能的关系
性能：最高硬度
极好导热性
半导体性
应用：高硬度切割材料
磨料及钻井用钻头
集成电路中散热片
高温半导体材料
同类型结构的物质有： • 硅、锗、灰锡（-Sn） • 立方氮化硼（c-BN）：
硬度仅次于金刚石，但热稳定性远高于 金刚石，对铁系金属元素有较大的化学稳 定性。用以制造的磨具，适于加工既硬又 韧的材料，如高速钢、工具钢、模具钢、 轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。
性质：晶体结构中的某些离子、原子或分子的位置部分或 全部地被性质相近的其他粒子所占据，但晶体结构形式和 化学键类型等(基本)保持不变，仅晶胞参数和物理性质随 置换数量的改变而作线性变化的现象。
KH2PO4与 KHAsO4 、 NiSO4·7H2O 与MgSO4·7H2O 、CaCO3 与NaNO3等分别是同晶体。
第三章无机非金属材料的晶体结构
3.1 鲍林规则 3.2 无机材料典型的晶体结构 3.3 硅酸盐晶体结构
大多数无机材料为晶态材料，其质点的排列具有 周期性和规则性。不同的晶体，其质点间结合力 的本质不同，质点在三维空间的排列方式不同， 使得晶体的微观结构各异，反映在宏观性质上， 不同晶体具有截然不同的性质。
8. TiO2（金红石）型结构
四方晶系 简单四方点阵
z=2 P42/mnm空间群 ao=0.459nm， co=0.296nm
同类结构晶体：
GeO2、SnO2、 PbO2、MnO2、 MoO2、NbO2、WO2、 CoO2、MnF2和 MgF2
图3-8 金红石晶体结构
结构与性能的关系： 光学性质：很高的折射率（2.76） 制备高折射率玻璃 电学性质：高的介电系数 金红石是一种陶瓷电容器瓷料中的主晶相
50
0,100
图3-5 闪锌矿晶体结构
75 50
25 0,100
25 0,100
50
75
50
0,100
6. -ZnS（纤锌矿）型结构
六方晶系
简单六方格子
P63mc空间群 ao=0.382nm，co=0.625nm z=2 CN = 4
图3-6 纤锌矿晶体结构
同类的晶体：BeO、ZnO、AlN
纤锌矿型结构的晶体，如ZnS、CdS、GaAs 等和其它II－IV族，III－V族化合物半导 体材料，制成半导体器件，可用来放大超 声波，具有声电效应。
高温环境下的固体润滑剂 航天航空中的热屏蔽材料 原子反应堆的结构材料
同质多晶现象
• 化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下 生成不同的晶体结构的现象，称为同质多晶现 象。 • 当外界条件改变时，各变体之间就要发生结构 转变，称为同质多晶转变
产生同质多晶现象的原因较为复杂，简单说来主要有 以下两种情况：
9. CdI2（碘化镉）型结构
三方晶系
ao = 0.424 nm， co = 0.684 nm z=1
具有层状结构
同类型结构晶体：
Ca(OH)2 Mg(OH)2 CaI2 MgI2
图3-9 CdI2晶体结构
层内[CdI6] 之间共面连接（共用3个顶点），由于 正负离子强烈极化作用，层内化学键带有明显共 价键成分。
(1)由于化学组成类型和离子半径比一定，决定了正、 负离子有一定的配位数，在此前提下，负离子可有不 同的堆积方式，从而有不同的晶体构型。
(2)同一物质在不同温度、压力等条件下，产生的同质 多晶现象。典型的如金属铁的多晶体：
根据转变时的速度和晶体结 构发生变化的不同，可以将 多晶转变分为两类。
3.1鲍林规则
1928年，鲍林根据当时已测定的晶体结 构数据和晶格能公式所反映的关系，提 出了判断离子化合物结构稳定性的规则 ──鲍林规则。
鲍林规则共包括五条规则。
鲍林第一规则──配位多面体规则： “在离子晶体中，在正离子周围形成一个 负离子多面体，正负离子之间的距离取决 于离子半径之和，正离子的配位数取决于 离子半径比”。
• 位移性转变：这种转变仅仅 使结构畸变，并不打开任何 键或改变最邻近的配位数， 只是原子从它们原先的位置 发生少许位移，使次级配位 有所改变，这类转变有时也 称为高低温转变。
• 重建性转变：结构的改变不 能简单地通过原子位移来实 现，必须打开原子间的键， 并且改建成一个新的结构
类质同晶现象
类质同晶现象：所谓类质同晶现象，是指一些化学式相似 的物质，具有相似的晶体外形。
1912年以后，由于X射线晶体衍射实验的成功， 不仅使晶体微观结构的测定成为现实，而且在晶 体结构与晶体性质之间相互关系的研究领域中， 取得了巨大的进展。
许多科学家 ，如鲍林（Pauling）、哥希密特（ Goldschmidt）、查哈里阿生（Zachariason）等在 这一领域作出了巨大的贡献，本章所述内容很多 是他们研究的结晶。
声电效应：通过半导体进行声电相互转换 的现象。
7. CaF2（萤石）型结构
立方晶系 面心立方格子
Fm3m空间群 z = 4。
同类型结构晶体：
UO2、ThO2、 CeO2、BaF2、 PbF2、SnF2
图3-7 CaF2晶体结构
根据Pauling第一规则
r+/r- = 0.75 > 0.732 CN+ = 8
该规则的结晶学基础是晶体结构的周期性和 对称性，如果组成不同的结构基元较多，每一 种基元要形成各自的周期性、规则性，则它们 之间会相互干扰，不利于形成晶体结构。
哥希密特结晶化学定律
结晶化学定律 ：“晶体的构型，取决于其结 构基元(原子、离子或原子团)的数量关系、离 子的大小关系和极化作用的性质。”这一概括 一般称为哥希密特结晶化学定律
此定律不仅适用于离子晶体，也适用于其他晶 体。
3.2 无机材料典型的晶体结构
要求了解: • 无机材料典型的晶体结构类型 • 晶胞分析和描述——晶系、基本格子、等
同点分析、正负离子配位数（CN）、晶胞分 子数z、质点坐标、四面体和八面体空隙数量、
位置及被占据情况 • 同晶型典型物质及特性 • 结构与性能的关系