材料結(jié)構(gòu)理論PPT課件

1、2、四量子數(shù) n:主量子數(shù)，決定原子中電子能量以及離核平均距離，即電子層數(shù)； l:副（角）量子數(shù)，與角動量有關(guān)，與電子能量也有關(guān)，還影響軌道的形狀； ml:磁量子數(shù)，與電子運動的角動量在z軸上的分量有關(guān)，影響原子軌道的伸展方向； ms:自旋量子數(shù)，表示電子自旋方向； 以四量子數(shù)可以完整描述電子運動的狀態(tài)第1頁/共74頁 能量最低原理：多電子原子處在基態(tài)時，總是盡量占有能量最低的軌道 Pauli不相容原理：同一軌道上能且只能排布兩個自旋方向相反的電子； Hund規(guī)則：電子將盡可能多地分占不同的等價軌道，且自旋平行（同向），符合能量最低原理3、核外電子排布規(guī)律第2頁/共74頁4、電子排布規(guī)律與性質(zhì)

2、元素周期表第3頁/共74頁原子尺寸第4頁/共74頁電負性第5頁/共74頁二、原子結(jié)合與結(jié)合鍵p吸引力：源于異性電荷的庫侖引力，長程力，與原子間距離的平方成反比；p排斥力：源于同性電荷之間的庫侖斥力和Pauli不相容的排斥作用，短程力；1 1、原子間的相互作用力、原子間的相互作用力第6頁/共74頁 成鍵機理：電負性相差較大的兩原子相互接近時，通過得失電子形成價層全空或全滿的正負離子，再通過靜電作用成鍵。2、離子鍵第7頁/共74頁2、離子鍵離子鍵的形成示意圖離子鍵的形成示意圖第8頁/共74頁2、離子鍵離子鍵的特征在電負性相差較大的原子間形成電子在原子間發(fā)生轉(zhuǎn)移，生成離子 無方向性和飽和性每個離子被

3、最大數(shù)目的相反離子包圍強度高 (150370 kcal/mol，即6271546.6 kJ/mol) 第9頁/共74頁2、離子鍵離子化合物性質(zhì)特點熔點較高，硬度較大；易溶于水；本身導(dǎo)電性并不好，但溶于水或熔化時都能導(dǎo)電第10頁/共74頁3、共價鍵成鍵機理電負性相差較小的兩原子相互接近時，價電子在雜化軌道上重排后形成共用電子對而成鍵。第11頁/共74頁3、共價鍵共價鍵的特征高電負性原子間形成兩個相鄰原子間共用電子飽和性、方向性（電子云交疊有方向，價電子數(shù)量有限）高強度 (稍低于離子鍵; 125300 kcal/mol，即522.51254 kJ/mol) 第12頁/共74頁3、共價鍵共價化合物的

4、性質(zhì)特點高熔點、高硬度和強度；一般是絕緣體，熔融狀態(tài)下也不能導(dǎo)電。第13頁/共74頁4、金屬鍵 成鍵機理金屬原子相互靠近時，原子核形成緊密堆積，所有原子的價電子脫離原軌道形成廣域電子云被所有原子共用。第14頁/共74頁4、金屬鍵金屬鍵的特征低電負性原子間形成 高強度 (稍小于共價鍵和離子鍵; 25200 kcal/mol,即104.5836 kJ/mol) 無方向性：趨向于與最大數(shù)目的相鄰原子結(jié)合無飽和性：電子為所有原子共享第15頁/共74頁4、金屬鍵金屬材料的性質(zhì)特點良好的延展性，適于機械加工良好的導(dǎo)電性良好的導(dǎo)熱性第16頁/共74頁 成鍵機理電負性相差較大的原子之間形成共價鍵后，共用電子對

5、強烈偏向電負性大的原子一側(cè)，從而使分子一端呈正電，另一端呈負電，從而可再以靜電作用成鍵。5、極化鍵（Van Der waals鍵）第17頁/共74頁5、極化鍵極化鍵的特點極化使分子間產(chǎn)生靜電引力（二次鍵）一般無方向性，但影響周圍區(qū)域的分子弱結(jié)合力 (強結(jié)合力的1/100；10 kcal/mol，即41.8 kJ/mol) 氫鍵是典型極化鍵第18頁/共74頁5、極化鍵HHHHoxygenoxygen氫鍵形成示意圖氫鍵形成示意圖第19頁/共74頁5、極化鍵極化鍵對材料性質(zhì)的影響增強材料內(nèi)部的作用力；提高材料的熔點和沸點；改變材料的強度，剛度，塑性等特性第20頁/共74頁6、結(jié)合鍵小結(jié) 離子鍵、共價

6、鍵、金屬鍵結(jié)合能較大，屬一次鍵；極化鍵結(jié)合力較弱，僅強結(jié)合鍵的1/100，屬二次鍵 四種鍵都源于靜電作用 材料中四種結(jié)合鍵并不能截然分開。存在不同程度的過渡型 通常，結(jié)合能大的材料，強度和熔點也高，但存在極化鍵的材料性能上會有很大變化第21頁/共74頁三、晶體結(jié)構(gòu)與晶體學第22頁/共74頁1、晶體概述 定義晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。 注意（1）一種物質(zhì)是否是晶體是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，而非由外觀判斷；（2）周期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。第23頁/共74頁1、晶體概述（3）晶體的有序性，既要求近程有序，也要求長程有序第24頁/共74頁1、晶體概述晶體的特征自

7、限性：自發(fā)形成規(guī)則外形的幾何多面體解理性：能沿一定晶面發(fā)生劈裂第25頁/共74頁 對稱性：晶體旋轉(zhuǎn)一定角度后格點重合的特性，晶體只具有1，2，3，4，6次對稱軸 固定熔點：晶體的熔點即向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變時的臨界溫度 各向異性：晶體在不同的方向上，性質(zhì)各不相同第26頁/共74頁2、晶體學基礎(chǔ)晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣陣點的基本特征周期性: 周期性排列；同一性:每個陣點在空間分布必須具有完全相同的周圍環(huán)境(surrounding)第27頁/共74頁晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣的區(qū)別 晶體結(jié)構(gòu)指原子或離子在晶體中的真實排列情況 空間點陣是對晶體結(jié)構(gòu)的抽象和提煉第28頁/共74頁晶胞是晶體結(jié)構(gòu)中能夠反映晶體周期性和對稱性的最

8、小平行六面體格子；晶格是對晶胞的幾何抽象和簡化；晶胞與晶格第29頁/共74頁選取晶胞的原則 選取的平行六面體應(yīng)與宏觀晶體具有同樣的對稱性； 平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多； 當平行六面體的棱角存在直角時，直角的數(shù)目應(yīng)最多； 在滿足上條件，晶胞應(yīng)具有最小的體積。 第30頁/共74頁a c b 晶格常數(shù)晶格的結(jié)構(gòu)通常用晶格常數(shù)進描述；邊長a、b、c，決定晶格的大??；夾角a a、b b、g g，決定晶格的形狀；第31頁/共74頁布喇菲晶格 理論上空間點陣中可以選取任意多個不同的晶格，但能夠反映晶體周期性和對稱性的晶格只有14種，即布喇菲晶格。第32頁/共74頁第33頁/共74頁布喇菲晶格 立方

9、晶系特點：a=b=c, a a=b b=g g=90 簡單立方體心立方面心立方第34頁/共74頁布喇菲晶格 六方晶系（簡單六方）特點：a1=a2=a3c, a a=b b=90, g g=120 三方晶系（簡單三方）特點：a=b=c，a a=b b=g g 90第35頁/共74頁布喇菲晶格 四方晶系特點：a=bc， a a=b b=g g=90 簡單四方體心四方第36頁/共74頁布喇菲晶格 正交晶系特點：abc，a a=b b=g g=90 簡單正交底心正交體心正交面心正交第37頁/共74頁布喇菲晶格 三斜晶系（簡單單斜）特點：abc，a ab bg g90 單斜晶系特點：abc，a=ba=b

10、=9090 g g簡單單斜底心單斜第38頁/共74頁原胞 定義：能反映晶體結(jié)構(gòu)周期性的最小重復(fù)單元 原胞與晶胞的比較原胞原胞晶胞晶胞反映特征反映特征周期性周期性周期性和對稱性周期性和對稱性包含基元包含基元11體積體積最小最小不定不定第39頁/共74頁晶格所含的基元數(shù) 由于晶體具有周期性，晶格不同位置的基元被不同的晶格所共用第40頁/共74頁晶格所含的基元數(shù)格子格子類型類型頂角頂角格點格點面上面上格點格點中心中心格點格點格點格點總數(shù)總數(shù)簡單簡單格子格子8001體心體心格子格子8012底心底心格子格子8202面心面心格子格子8604第41頁/共74頁p晶格內(nèi)格點的方位可用晶向表示，晶向可晶格內(nèi)格點

11、的方位可用晶向表示，晶向可用晶向指數(shù)（密勒指數(shù)）記作用晶向指數(shù)（密勒指數(shù)）記作UVWp晶向指數(shù)計算方法晶向指數(shù)計算方法1）確定坐標系）確定坐標系2）從原點出發(fā)朝目標格點做一直線）從原點出發(fā)朝目標格點做一直線3）取目標格點坐標與原點坐標相減，結(jié)果相約，取）取目標格點坐標與原點坐標相減，結(jié)果相約，取最小整數(shù)比最小整數(shù)比4）結(jié)果數(shù)組外加方括號，負號記在對應(yīng)數(shù)字上方，）結(jié)果數(shù)組外加方括號，負號記在對應(yīng)數(shù)字上方，即為晶向指數(shù)即為晶向指數(shù)晶向指數(shù)第42頁/共74頁晶向指數(shù) 重要晶向示例第43頁/共74頁晶向指數(shù)晶向指數(shù)要點一個晶向指數(shù)代表著相互平行、方向一致的所有晶向；由于晶格具有周期性，成倍數(shù)關(guān)系的晶向

12、指數(shù)表示的是同一晶向由于晶格的對稱性，部分晶向完全等價，如立方晶系中 , 等價晶向可用晶向族表示,1 100000 01 10 000001 1001001010010100100第44頁/共74頁 由于晶體的對稱性，間距相同的晶面具有相同的性質(zhì)，這些晶面可用晶面指數(shù)表示為（hkl） 晶面指數(shù)的計算方法1）在所求晶面外取一格點作為原點，由格點伸展出的三條棱作為坐標軸；2）以晶格常數(shù)a、b、c為單位，求出晶面在各坐標軸上的截距；3）取截距的倒數(shù)，化作互質(zhì)整數(shù)比，加括號即為晶面指數(shù)晶面指數(shù)第45頁/共74頁晶面指數(shù) 晶面計算實例第46頁/共74頁晶面指數(shù)晶面指數(shù)要點晶面指數(shù)表示的是一組相互平行，間

13、距相等的晶面；由于晶格具有對稱性，晶面與其負晶面是相同晶面；由于晶格具有周期性，晶面指數(shù)成倍數(shù)關(guān)系的晶面不一定相同，即晶面指數(shù)不需約至最簡比；第47頁/共74頁六方晶系指數(shù) 六方晶系具有特殊的對稱性，常用密勒-布喇菲指數(shù)表示其晶向和晶面 密勒-布喇菲晶向指數(shù) uvtw，t=-(u+v) 密勒-布喇菲晶面指數(shù) (hkil)，i=-(h+k)第48頁/共74頁三指數(shù)與四指數(shù)的轉(zhuǎn)換 密勒晶向指數(shù)UVW 密勒-布喇菲晶向指數(shù)uvtw u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W 密勒晶面指數(shù)(hkl) 密勒-布喇菲晶面指數(shù)(hkil) h=h, k=k, i=-(h+

14、k), l=l第49頁/共74頁晶格致密度74740 04 42 23 34 44 43 33 3.)(= = = =aa 第50頁/共74頁晶格致密度 密排六方致密度格點數(shù)：格點數(shù)：致密度：致密度：6 63 32 22 21 112126 61 1= = = =n74740 04 43 36 62 23 34 46 62 23 3.)(= = = =caa 第51頁/共74頁面心立方與密排六方的堆垛方式 密排六方 ABABABAB 面心立方 ABCABCABC第52頁/共74頁manbpc 兩相鄰近平行晶面間的垂直距離晶面間距，用dhkl表示 dhkl求解方法（以正交晶系為例）：晶面間距第5

15、3頁/共74頁不同晶系的晶面間距注意：以上計算式是對簡單晶胞而言，如果為復(fù)雜注意：以上計算式是對簡單晶胞而言，如果為復(fù)雜晶胞，在計算時應(yīng)考慮到晶面層數(shù)增加的影響晶胞，在計算時應(yīng)考慮到晶面層數(shù)增加的影響第54頁/共74頁晶面密度晶面密度與晶面間距之間關(guān)系的示意圖第55頁/共74頁晶面密度計算方法2aA =例：計算晶格常數(shù)為a的BCC晶體（100）晶面的晶面密度。abc(100)a解：如圖截取晶胞的（100）截面晶面面積：晶面上原子數(shù)目：1414=n晶面密度：2)100(1aAn=第56頁/共74頁立方晶體各主要晶面的原子排列與晶面密度晶面指數(shù)BCCFCC原子排列晶面密度原子排列晶面密度10011

16、0111第57頁/共74頁線密度晶向指數(shù)BCCFCC原子排列線密度原子排列線密度第58頁/共74頁3、準晶、非晶和液晶非晶 基元呈無序排列，但基元結(jié)構(gòu)具有一定規(guī)律性，即短程有序、長程無序p 玻璃p 金屬玻璃p 非晶態(tài)高分子聚合物 通常宏觀上均勻，具有各向同性 結(jié)構(gòu)處于亞穩(wěn)態(tài)第59頁/共74頁準晶 晶體只有1，2，3，4，6次對稱軸； 具有其他對稱軸的，即晶格排列只有對稱性而無周期性的即為準晶態(tài)（quasi-crystalline state）具有五次對稱軸定向長程有序但具有五次對稱軸定向長程有序但無重復(fù)周期的圖形無重復(fù)周期的圖形第60頁/共74頁液晶（Liquid Crystals）p 液晶是

17、晶體和液體之間的中間狀態(tài)，液晶具有液體的流動性，又具有晶體的某些各向異性。向列相向列相近晶相近晶相膽甾相膽甾相第61頁/共74頁液晶（Liquid Crystals）液晶的性質(zhì)p 液晶不是固體，具有一定的流動性p 也不是液體，它的分子有明顯的取向性p 液晶分子具有一維或二維的長程有序，在光學、電學和磁學方面具有各向異性液晶的應(yīng)用p 雖然液晶的分子不固定，有流動性，但其分子軸基本上定向。這種定向排列會影響液晶的光學性能，而液晶分子排列狀態(tài)可受到外在電場的調(diào)控。所以液晶常用來作液晶顯示器第62頁/共74頁4、 材料結(jié)構(gòu)的實驗研究對于晶體材料，有多種方法對其空間點陣的結(jié)構(gòu)進行表征：X射線衍射電子衍射掃描隧道顯微鏡原子力顯微鏡第63頁/共74頁X射線衍射 1912年Laue通過實驗觀察到了X射線的衍射現(xiàn)象，同時證明了X射線的波動性和空間點陣的存在。 1915年Bragg父子提出了晶體衍射理論，建立Bragg公式，為X射線衍射測定晶體結(jié)構(gòu)建立基礎(chǔ)。第64頁/共74頁X射線衍射 X射