材料化學(xué)導(dǎo)論Chapter2

1、3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter213/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter22化學(xué)組成化學(xué)組成組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)材料性能材料性能合成合成與與加工加工3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter232.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 晶體與非晶體晶體與非晶體 2.3 2.3 晶體的結(jié)構(gòu)與性能晶體的結(jié)構(gòu)與性能 2.4 2.4 晶體缺陷及其對性能的影響晶體缺陷及其對性能的影響 2.5 2.5 非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)與性能非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)與性能JJJ

2、JJ3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter242.1 概述概述2.1.1 材料組元的結(jié)合形式材料組元的結(jié)合形式2.1.2 材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2.1.3 材料性能簡介材料性能簡介JJJ3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter252.1 概述概述2.1.1 材料組元的結(jié)合形式材料組元的結(jié)合形式2.1.1.1 基本概念基本概念組組元元組成材料最基本、組成材料最基本、獨立的物質(zhì)獨立的物質(zhì)相相材料中具有同一化材料中具有同一化學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)相學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分同的均勻部分組織組織材料內(nèi)

3、部的材料內(nèi)部的微觀形貌微觀形貌3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter26phaseatom 組織是材料性能的組織是材料性能的決定性因素決定性因素Relation of component，phase and textureFigure 2-1chemical elementchemical substancemoleculecomponenttexturesimplex texturemultiple texture3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2720 nm 20 nmSi (11

4、1) 7 7 surface3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter28Photonic Crystal3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter291D Photonic Crystal3D Photonic Crystal2D Photonic Crystal3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter210溶液溶液2.1.1.2 Solid solution（1）定義）定義3/15/2022Chemistry of Materials 2004,

5、 Chapter211Solvent 溶劑溶劑Solute溶質(zhì)溶質(zhì) 一個（或幾個）一個（或幾個） 組元的原子（化合物）組元的原子（化合物）溶入另一個組元的晶格溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態(tài)晶體。的晶格類型的固態(tài)晶體。固溶體固溶體3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter212 溶質(zhì)和溶劑原子占據(jù)一個共溶質(zhì)和溶劑原子占據(jù)一個共同的晶體點陣，點陣類型和溶劑同的晶體點陣，點陣類型和溶劑的點陣類型相同的點陣類型相同。 有一定的成分范圍有一定的成分范圍 具有比較明顯的金屬性質(zhì)具有比較明顯的金屬性質(zhì)（2） 基本基

6、本 特征特征solid solubility結(jié)合鍵主要是金屬鍵3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter213按溶質(zhì)原子在按溶質(zhì)原子在點陣中的位置點陣中的位置Substitutional solid solutionInterstitial solid solution （3）分類）分類按各組元原子按各組元原子分布的規(guī)律性分布的規(guī)律性 Disordered solid solutionOrdered solid solution按固溶度按固溶度Finite solid solutionInfinite solid solution 3/15/20

7、22Chemistry of Materials 2004, Chapter214A A、置換型固溶體、置換型固溶體由溶質(zhì)原子代替由溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子而占據(jù)著溶劑晶格某些一部分溶劑原子而占據(jù)著溶劑晶格某些結(jié)點位置所組成。結(jié)點位置所組成。 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter215結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Ni : 1s22s22p63s23p63d84s2Cu: 1s22s22p63s23p63d94s2半徑半徑Ni ：0.1246nmCu：0.1278nm 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2

8、16MgOMgO的結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)中MgMg2+2+離子被離子被FeFe2+2+離子所取代。離子所取代。條件：條件：1. 1. 半徑相近半徑相近 2. 2. 電荷數(shù)相同電荷數(shù)相同CaCa2+2+能取代能取代MgMg2+2+嗎？嗎？ LiLi+ + 能取代能取代MgMg2+2+嗎？嗎？Ionic solid solution3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2173/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter218晶格結(jié)構(gòu)的空隙越大，晶格結(jié)構(gòu)的空隙越大，越有利于形成固溶體。越有利于形成固溶體。形成填隙

9、型固溶體的次序？形成填隙型固溶體的次序？片沸石、片沸石、CaF2、TiO2、MgO 為什么高溫下碳易于填入鐵晶格的空隙？為什么高溫下碳易于填入鐵晶格的空隙？3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter219確定固溶體的點陣類型和點陣常數(shù)，確定固溶體的點陣類型和點陣常數(shù)，由此推出一個晶胞內(nèi)的原子數(shù)由此推出一個晶胞內(nèi)的原子數(shù)n n 和晶胞體積和晶胞體積V V利用利用X X射線衍射射線衍射或電子衍射或電子衍射 置換型還是填隙型？置換型還是填隙型？根據(jù)該固溶體的平均原子量根據(jù)該固溶體的平均原子量A A及阿弗及阿弗伽德羅常數(shù)伽德羅常數(shù)N NA A即可算出固溶

10、體的理論密度即可算出固溶體的理論密度 c通過實驗直接測出該固溶體的實際密度通過實驗直接測出該固溶體的實際密度 eAcNV 比較比較 和和 ec 若若 ：缺位式：缺位式eeeccc3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter220在熱力學(xué)處于在熱力學(xué)處于平衡狀態(tài)的平衡狀態(tài)的固溶體中，固溶體中，溶質(zhì)原子的分布溶質(zhì)原子的分布宏觀上是宏觀上是均勻的。均勻的。C C、無序固溶體、無序固溶體各組元原子的分布各組元原子的分布是隨機(jī)的。是隨機(jī)的。3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter221D D、有序固溶體、有序

11、固溶體組元原子在晶體點陣組元原子在晶體點陣中不是隨機(jī)分布的，而是出現(xiàn)某種傾向性中不是隨機(jī)分布的，而是出現(xiàn)某種傾向性排列，如異類原子互相吸引形成有規(guī)則的排列，如異類原子互相吸引形成有規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)。排列結(jié)構(gòu)。Ordering固溶體的有序化固溶體的有序化3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter222鐵鐵鉻、鐵鉻、鐵銅、鐵銅、鐵鎳鎳F F、有限固溶體、有限固溶體固溶度小于固溶度小于100%100%。E E、無限固溶體（又稱連續(xù)固溶體）、無限固溶體（又稱連續(xù)固溶體）是由兩個（或多個）晶體結(jié)構(gòu)相同的是由兩個（或多個）晶體結(jié)構(gòu)相同的組元形成的，任一組元的成

12、分范圍均為組元形成的，任一組元的成分范圍均為0 0100%100%。銅銅鋅、銅鋅、銅錫錫3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter223無限置換固溶體中兩組元素原子置換無限置換固溶體中兩組元素原子置換 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter224 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 溶質(zhì)原子的溶入，溶質(zhì)原子的溶入， 使固溶體的強(qiáng)度、使固溶體的強(qiáng)度、 硬度升高硬度升高 。（4）應(yīng)用）應(yīng)用碳原子溶入碳原子溶入 -Fe 硅原子溶入硅原子溶入 -Fe 3/15/2022Chemistry of Materials 200

13、4, Chapter225石英和云母石英和云母2.1.1.3 Aggregate純金屬和合金純金屬和合金聚集體聚集體由無數(shù)的原子或晶粒聚集由無數(shù)的原子或晶粒聚集而成的固體。而成的固體。 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2262.1.1.4 Composite復(fù)合體復(fù)合體 由兩種或兩種以上的不由兩種或兩種以上的不同材料通過一定的方式復(fù)合同材料通過一定的方式復(fù)合而構(gòu)成的新型材料，各相之而構(gòu)成的新型材料，各相之間存在著明顯的界面。間存在著明顯的界面。 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2

14、27骨骼骨骼天然的納米復(fù)合材料天然的納米復(fù)合材料3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter228特點特點保持各相的固有特性；保持各相的固有特性；各相原有特性的強(qiáng)化（協(xié)同效應(yīng)）；各相原有特性的強(qiáng)化（協(xié)同效應(yīng)）；賦予單一材料所不具備的特殊性能。賦予單一材料所不具備的特殊性能。 J3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2292.1.2 The Structure of Materials宏觀組織結(jié)構(gòu)宏觀組織結(jié)構(gòu)亞微觀組織結(jié)構(gòu)亞微觀組織結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)3/15/2022Chemistry of Ma

15、terials 2004, Chapter230應(yīng)用角度應(yīng)用角度2.1.2.1 材料結(jié)構(gòu)的重要性材料結(jié)構(gòu)的重要性 理論角度理論角度 材料科學(xué)中最基本、最重要的知識。材料科學(xué)中最基本、最重要的知識。3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter231鉆石薄膜在放大鉆石薄膜在放大10001000倍下顯示的亞微觀結(jié)構(gòu)倍下顯示的亞微觀結(jié)構(gòu)3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter232Fe原子在原子在Cu基板上原子像基板上原子像( (IBM) )3/15/2022Chemistry of Materials 2

16、004, Chapter233Co原子在原子在Pt基板上原子像基板上原子像( (IBM) )3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter234Xe原子在原子在Ni基板上原子像基板上原子像( (IBM) )3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2352.1.2.2 材料中的化學(xué)鍵合材料中的化學(xué)鍵合Metallic bondIonic bondCovalent bondHydrogen bondVan der Waals bond3/15/2022Chemistry of Materials 2004

17、, Chapter236（1）Metallic bond3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter237高導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率高導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率 不透明性不透明性 金屬表面的高反射性金屬表面的高反射性 延展性延展性 金屬鍵的金屬鍵的特點特點金屬的特性金屬的特性電子的離域性電子的離域性鍵的球?qū)ΨQ性質(zhì)鍵的球?qū)ΨQ性質(zhì)3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter238（2）Ionic bond離子鍵的離子鍵的特點特點飽和性和無定向性飽和性和無定向性 離子化合物的特性離子化合物的特性配位數(shù)高、堆積致密配位數(shù)高、堆積

18、致密 本質(zhì)上可以歸結(jié)于靜電引力本質(zhì)上可以歸結(jié)于靜電引力3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter239氯化鈉的離子鍵氯化鈉的離子鍵3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter240離子鍵的形成離子鍵的形成3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2413/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter242離子鍵離子鍵CsCl結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖3/15/2022Chemistry of Materials 200

19、4, Chapter243庫侖引力與離子間距離的關(guān)系庫侖引力與離子間距離的關(guān)系3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2443/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter245（3）Covalent bond兩個原子共有最外殼層電子的鍵合兩個原子共有最外殼層電子的鍵合共價鍵的特點共價鍵的特點 方向性和飽和性方向性和飽和性 共價鍵晶體的特性共價鍵晶體的特性 很高的熔點和硬度很高的熔點和硬度 良好的光學(xué)特性良好的光學(xué)特性 不良的導(dǎo)電性不良的導(dǎo)電性3/15/2022Chemistry of Material

20、s 2004, Chapter2463/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter247金剛石中的共價鍵金剛石中的共價鍵3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter248甲烷的電子層結(jié)構(gòu)甲烷的電子層結(jié)構(gòu)3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter249（4）Hydrogen bond兩個條件兩個條件 分子中必須含氫分子中必須含氫另一個元素必須是顯著的非金另一個元素必須是顯著的非金屬元素屬元素 有方向性有方向性3/15/2022Chemistry of Mate

21、rials 2004, Chapter250水分子之間的氫鍵水分子之間的氫鍵3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter251（5）Van der Waals bond 電中性的分子電中性的分子之間的長程作用力之間的長程作用力 Johannes Diderik Van der Waals 1837 1923The Nobel Prize in Physics 1910“for his work on the equation of state for gases and liquids”3/15/2022Chemistry of Materials

22、 2004, Chapter252氬原子間的氬原子間的范德華鍵形成示意圖范德華鍵形成示意圖3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter253碘晶體結(jié)構(gòu)示意圖碘晶體結(jié)構(gòu)示意圖3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter254范德華鍵范德華鍵范德華鍵范德華鍵分子鏈?zhǔn)芰瑒臃肿渔準(zhǔn)芰瑒泳勐纫蚁┚勐纫蚁┓肿娱g的范德華鍵分子間的范德華鍵3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter255（5）Comparison物理鍵物理鍵化學(xué)鍵化學(xué)鍵離子鍵離子鍵共價鍵共價鍵金屬鍵金

23、屬鍵范德華鍵范德華鍵氫鍵氫鍵3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter256表表 2-1. 各種結(jié)合鍵主要特點比較各種結(jié)合鍵主要特點比較類類 型型作用力來源作用力來源鍵合鍵合 強(qiáng)弱強(qiáng)弱形成晶體的特點形成晶體的特點離子鍵離子鍵原子得、失電子后形原子得、失電子后形成負(fù)、正離子，正負(fù)成負(fù)、正離子，正負(fù)離子間的庫侖引力離子間的庫侖引力最強(qiáng)最強(qiáng)無方向性鍵、高配位數(shù)、高熔無方向性鍵、高配位數(shù)、高熔點、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹點、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、熔態(tài)離子導(dǎo)電熔態(tài)離子導(dǎo)電共價鍵共價鍵相鄰原子價電子各處相

24、鄰原子價電子各處于相反的自旋狀態(tài)，于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫侖引力原子核間的庫侖引力強(qiáng)強(qiáng)有方向性鍵、低配位數(shù)、高熔有方向性鍵、低配位數(shù)、高熔點、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹點、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不導(dǎo)電導(dǎo)電金屬鍵金屬鍵自由電子氣與正離子自由電子氣與正離子實之間的庫侖引力實之間的庫侖引力較強(qiáng)較強(qiáng)無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位數(shù)高、塑性較好、有光澤、良數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性范德華范德華鍵鍵原子間瞬時電偶極矩原子間瞬時電偶極矩的感應(yīng)作用的感應(yīng)作用最弱最弱無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、高熔無方向性鍵、結(jié)

25、構(gòu)密堆、高熔點、絕緣點、絕緣氫鍵氫鍵氫原子核與極性分子氫原子核與極性分子間的庫侖引力間的庫侖引力弱弱3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter257實際材料中的結(jié)合鍵實際材料中的結(jié)合鍵3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter258原子能夠結(jié)合為晶體的根本原因，原子能夠結(jié)合為晶體的根本原因，是原子或分子結(jié)合起來后，體系的能量是原子或分子結(jié)合起來后，體系的能量可以降低，可以降低，即在分散的原子結(jié)合成晶體過程中，即在分散的原子結(jié)合成晶體過程中，會有一定的能量釋放出來。會有一定的能量釋放出來。 Bindi

26、ng Energy 結(jié)合能結(jié)合能晶體的結(jié)合能晶體的結(jié)合能等于它的升華熱等于它的升華熱 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter259Attractive forcem mr ra af f 引Repulsive forcen nr rb bf f 斥式中式中a，b，m，n均為常數(shù)，其中均為常數(shù)，其中m n n nm mr rb br ra af ff ff f 斥引總凈作用力凈作用力原子間原子間3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter260E-r和和f-r曲線曲線 J3/15/2022Chemi

27、stry of Materials 2004, Chapter2612.1.3 Property of Materials2.1.3.1 各類材料的一般特性各類材料的一般特性 Figure 2-2 General Characters of Materials3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter262溶蝕性溶蝕性耐腐蝕性耐腐蝕性抗?jié)B透性抗?jié)B透性抗氧化性抗氧化性2.1.3.2 Chemical Performance材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性3/15/2022Chemistry of Materi

28、als 2004, Chapter263氧化物成核氧化物成核 生長生長氧溶解氧溶解氧化膜生長氧化膜生長內(nèi)氧化內(nèi)氧化縫隙縫隙孔洞孔洞微裂紋微裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋吸附吸附A. 化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕（1）金屬材料）金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性的化學(xué)穩(wěn)定性金屬氧化反應(yīng)的金屬氧化反應(yīng)的主要過程示意圖主要過程示意圖3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter264SO2氣體對鐵的侵蝕過程氣體對鐵的侵蝕過程B. 電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter265海水對金屬的侵蝕示意圖海水對金屬的侵蝕示意圖3/

29、15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter266A. 材斜的化學(xué)成分和礦物組成材斜的化學(xué)成分和礦物組成（2）無機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性）無機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2為主為主耐耐堿堿材材料料 含有大量堿性氧化物含有大量堿性氧化物如如CaO、MgO3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter267B.材料孔隙和結(jié)構(gòu)材料孔隙和結(jié)構(gòu)結(jié)晶的二氧化硅（石英）結(jié)晶的二氧化硅（石英）和和無定形二氧化硅（普通玻璃）無定形二氧化硅（普通玻璃）C.腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)3/15/202

30、2Chemistry of Materials 2004, Chapter268化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿（3）高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性）高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性主鏈原子以共價鍵結(jié)合主鏈原子以共價鍵結(jié)合長分子鏈對反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)長分子鏈對反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2692.1.3.3 Mechanical Property材料受外力作用時的變形行為材料受外力作用時的變形行為及其抵抗破壞的能力及其抵抗破壞的能力（1）Intensity and Plasticity

31、3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter270樣品拉伸實驗示意圖樣品拉伸實驗示意圖3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter271沖擊實驗裝置沖擊實驗裝置3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter272（2）硬度）硬度（3）斷裂與韌性）斷裂與韌性脆性斷裂和韌性斷裂脆性斷裂和韌性斷裂（4）疲勞特性與耐磨性）疲勞特性與耐磨性材料抵抗其他較硬物體材料抵抗其他較硬物體壓入表面的能力壓入表面的能力3/15/2022Chemistry of Materials

32、2004, Chapter273Heat CapacitydTdQC Thermal Expansion2.1.3.4 Thermal Property3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter274勢能一原子間距離曲線勢能一原子間距離曲線實際的實際的假想的假想的3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter275熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)耐熱性耐熱性由材料熔由材料熔融或分解融或分解所需溫度所需溫度的高低反的高低反映出來映出來3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2

33、76（1）Electrical Conductivity金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）2.1.3.5 Electrical Property3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter277電導(dǎo)率電導(dǎo)率/ Sm-13/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter278氧氧化物化物超導(dǎo)體

34、超導(dǎo)體YBa2Cu3O7：92 KBi2Sr2Ca2Cu3O10：110 KTl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 KHgBa2Cu2O8：153 K 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter279（2）Dielectric Property 介電性質(zhì)介電性質(zhì)表表 2-2. 某些介電材料的性能某些介電材料的性能3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2803/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter281（3）Ferroelectricity 鐵電

35、性鐵電性鐵電滯后現(xiàn)象鐵電滯后現(xiàn)象溫度對介電常數(shù)的影響溫度對介電常數(shù)的影響3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter282BaTiO3 PbTiO3PbZrO3 NH4H2PO4（4）Piezoelectricity 壓電性壓電性外力外力 極化極化 電場電場3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2832.1.3.6 Optical Property表表 2-3. 光的反射、吸收和透過的特征光的反射、吸收和透過的特征3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chap

36、ter284磁磁化化曲曲線線2.1.3.7 Magnetic PropertyJ3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter285非晶體非晶體2.2 晶體與非晶體晶體與非晶體2.2.1 結(jié)構(gòu)和特點結(jié)構(gòu)和特點2.2.1.1 晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點固態(tài)物質(zhì)固態(tài)物質(zhì)原子或分子原子或分子聚集狀態(tài)聚集狀態(tài)不同不同 晶體晶體3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter286長程長程有序有序（1）晶體）晶體（2）非晶體）非晶體原子或原子團(tuán)、離子或分子原子或原子團(tuán)、離子或分子在空按一定規(guī)律呈周

37、期性地在空按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成排列構(gòu)成原子、分子或離子無原子、分子或離子無規(guī)則地堆積在一起所規(guī)則地堆積在一起所形成形成長程無序長程無序短程有序短程有序3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter287（3）Comparison方石英方石英石英玻璃石英玻璃石英凝膠石英凝膠2()衍射強(qiáng)度衍射強(qiáng)度Curve of X-ray Diffraction3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2882.2.1.2 晶界晶界 Grain Boundary 多晶由許多取向不同的晶粒組成多晶由許多取向不同的晶

38、粒組成兩個晶粒相遇時產(chǎn)生的界面稱為晶界兩個晶粒相遇時產(chǎn)生的界面稱為晶界多晶多晶 由單晶組成的聚集體由單晶組成的聚集體單晶單晶 只有一塊結(jié)構(gòu)均勻的大晶體構(gòu)成的固體只有一塊結(jié)構(gòu)均勻的大晶體構(gòu)成的固體3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter289多晶材料的光學(xué)顯微組織多晶材料的光學(xué)顯微組織3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter290多晶鉛碇多晶鉛碇3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2912.2.2 TransformationJ晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非

39、晶態(tài)3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2922.3 晶體的結(jié)構(gòu)與性能晶體的結(jié)構(gòu)與性能2.3.1 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 2.3.2 金屬和無機(jī)非金屬材料金屬和無機(jī)非金屬材料 的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)2.3.3 晶體材料的結(jié)構(gòu)晶體材料的結(jié)構(gòu) 與物理性能與物理性能JJJ3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2932.3 晶體的結(jié)構(gòu)與性能晶體的結(jié)構(gòu)與性能多孔多孔Al2O3多晶多晶 Al2O3單晶單晶 纖維纖維Al2O3多晶多晶 立方氮化硼立方氮化硼六方六方氮化硼氮化硼3/15/2022Chemi

40、stry of Materials 2004, Chapter2942.3.1 Crystal Structure 2.3.1.1 Lattice & Crystal System 空間點陣空間點陣Space Lattice點陣點點陣點3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter295晶格晶格Crystal Lattice三維空間點陣三維空間點陣3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter296空間點陣和實際晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系空間點陣和實際晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系3/15/2022Chemistry

41、of Materials 2004, Chapter297a、b、c : 確定晶胞大小確定晶胞大小 、 、 : 確定晶胞形狀確定晶胞形狀晶格常數(shù)晶格常數(shù)晶胞晶胞Unit Cell3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter298表表 2-4. 7種晶系和種晶系和14種點陣類型種點陣類型Crystal System點陣參數(shù)間的關(guān)系點陣參數(shù)間的關(guān)系Lattice typeCubica=b=c, = = =90P、I、FTetragonala=b c, = = =90P、IHexaganola=b c, = =90, =120 PRhombohedral

42、 a=b=c, = = 90P、(R)Orthorhombic a b c, = = =90P、C、I、FMonoclinica b c, = =90, 90P、CTriclinica b c, 90P3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2992.3.1.2 Crystal Symmetry晶系晶系特征對稱元素特征對稱元素立方立方4 4個個3 3次軸次軸六方六方1 1個個6 6次軸次軸四方四方1 1個個4 4次軸次軸三方三方1 1個個3 3次軸次軸正交正交3 3個互相垂直個互相垂直2 2次軸，次軸，或或2 2個互相垂直對稱面?zhèn)€互相垂直對稱面

43、單斜單斜1 1個個2 2次軸，或次軸，或1 1個對稱面?zhèn)€對稱面三斜三斜無無表表 2-5. 7大晶系及其特征對稱元素大晶系及其特征對稱元素J3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter21002.3.2 The Structure of Materials金屬金屬陶瓷陶瓷玻璃玻璃瀝青瀝青塑料塑料液晶液晶3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2101金屬材料金屬材料2.3.2.1 Metallic Crystal Materials合合 金金多晶體、固溶體、多晶體、固溶體、金屬間化合物、中間相等金屬間

44、化合物、中間相等金屬單質(zhì)金屬單質(zhì)金屬晶體金屬晶體3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2102金屬晶體的結(jié)構(gòu)金屬晶體的結(jié)構(gòu)Coordination NumberAtomic Packing Factor 單位晶胞體積單位晶胞體積單位晶胞內(nèi)原子體積單位晶胞內(nèi)原子體積原子堆積系數(shù)原子堆積系數(shù) 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2103（1）bcc body-centered cubic structure堿金屬、堿金屬、-Fe 、難熔金屬難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等3/15

45、/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2104a ：晶格單位長度：晶格單位長度R ：原子半徑：原子半徑R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc R RR Ra aR R 單位晶胞原子數(shù)單位晶胞原子數(shù) n n =2=23/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2105（2）fcc face-centered cubic structureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，貴金屬貴金屬以及以及奧氏體不銹鋼等奧氏體不銹鋼等 3/15/2022Chemistry

46、of Materials 2004, Chapter2106R Ra aa aR R2424 n n =4=474. 0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2107（3）hcp hexagonal close-packed structure-Ti，-Co，-Zr，Zn，Mg 等等 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2108R Ra aa ac c238 n n =6=674. 0)3(3812)3/4(6)2

47、321(6)3/4(633hcp R RR RR RR Ra aa ac cR R 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2109表表 2-6. 常見晶體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)常見晶體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)StructureCNnbcc820.68fcc1240.74hcp1260.743/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter21102.3.2.2 Inorganic Nonmetallic Crystal Materials（1）Diamond Type StructureDiamond3/15/2022C

48、hemistry of Materials 2004, Chapter2111Graphite3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2112C603/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2113正二十面體正二十面體32面體面體3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2114（2）Silicate Structure3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2115多面體的排列方式多面體的排列方式3

49、/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2116硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型島狀島狀 鏈狀鏈狀 層狀層狀 網(wǎng)絡(luò)狀網(wǎng)絡(luò)狀 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2117鎂橄欖石鎂橄欖石(Mg2SiO4)的的理想結(jié)構(gòu)理想結(jié)構(gòu)島狀結(jié)構(gòu)島狀結(jié)構(gòu)A、簡單硅酸鹽簡單硅酸鹽3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2118含成對有限硅氧團(tuán)和環(huán)狀有限硅氧團(tuán)的硅酸鹽含成對有限硅氧團(tuán)和環(huán)狀有限硅氧團(tuán)的硅酸鹽 3/15/2022Chemistry of Material

50、s 2004, Chapter2119B、鏈狀結(jié)構(gòu)鏈狀結(jié)構(gòu)(SiO3)n2n-(Si4O11)n6n-3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2120C、層層狀結(jié)構(gòu)狀結(jié)構(gòu)滑石滑石葉蠟石葉蠟石3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2121石英結(jié)構(gòu)石英結(jié)構(gòu)D、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)J3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2122Gemstones ScapoliteTourmaline3/15/2022Chemistry of Materials 20

51、04, Chapter21232.3.3 晶體材料的結(jié)構(gòu)與物理性能晶體材料的結(jié)構(gòu)與物理性能（1）均勻性均勻性（2）各向異性各向異性（3）自發(fā)地形成多面體外形自發(fā)地形成多面體外形（4）晶體具有明顯確定的熔點晶體具有明顯確定的熔點周期性周期性3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2124（5）晶體的對稱性晶體的對稱性 石英晶體的石英晶體的形狀與對稱元素形狀與對稱元素3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2125BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)3/15/2022Chemistry of Materia

52、ls 2004, Chapter2126J（6）晶體對晶體對X X射線的衍射射線的衍射 晶體晶體透過透過( (絕大部分絕大部分) ) 非散射能量轉(zhuǎn)化非散射能量轉(zhuǎn)化 散射散射3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter21272.4 晶體缺陷及其對性能的影響晶體缺陷及其對性能的影響2.4.1 缺陷的分類缺陷的分類2.4.2 缺陷對晶體性質(zhì)的影響缺陷對晶體性質(zhì)的影響 2.4.3 非整比化合物非整比化合物 JJJ3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter21282.4 晶體缺陷及其對性能的影響晶體缺陷及其對

53、性能的影響3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2129平移對稱性的破壞平移對稱性的破壞平移對稱性示意圖平移對稱性示意圖3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2130點缺陷點缺陷結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)缺陷( (本征缺陷本征缺陷) )線缺陷線缺陷體缺陷體缺陷面缺陷面缺陷2.4.1 缺陷的分類缺陷的分類3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter21312.4.1.1 Point Defect（1）概念）概念3/15/2022Chemistry of Mate

54、rials 2004, Chapter2132電子電子空穴空穴電子性缺陷電子性缺陷 空位空位間隙原子間隙原子位錯原子或離子位錯原子或離子外來原子或離子外來原子或離子原子或離子缺陷原子或離子缺陷 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2133肖特基缺陷肖特基缺陷弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2134NaClAgBr肖特基缺陷肖特基缺陷 or 弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷 ?陰陽離子半徑差異陰陽離子半徑差異3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2135空位的遷移空位的遷移空位的復(fù)合空位的復(fù)合3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2136（2）成因）成因熱致缺陷熱致缺陷 摻雜造成缺陷摻雜造成缺陷 與環(huán)境介質(zhì)交換引起缺陷與環(huán)境介質(zhì)交換引起缺陷 外部作用引起缺陷外部作用引起缺陷 3/15/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2137晶體滑移示意圖晶體滑移示意圖2.4.1.2 Dislocation3/15/2022Chemistry of Materials