《晶態(tài)和非晶態(tài)結構》課件

晶態(tài)和非晶態(tài)結構材料的微觀結構決定了其宏觀性質。晶態(tài)結構指的是原子或分子以規(guī)則排列的固體，而非晶態(tài)結構則指原子或分子排列無序的固體。課程目標理解晶態(tài)和非晶態(tài)結構深入理解晶體和非晶體材料的結構特征，掌握其基本概念和理論分析晶體結構掌握各種晶體結構類型，并能運用相關知識分析實際材料的結構應用晶體和非晶體了解晶體和非晶體材料的應用領域，以及其在材料科學中的重要性材料的結構形式晶態(tài)結構原子或離子以規(guī)則的、周期性的方式排列。長程有序結構，具有特定的晶格和單胞。非晶態(tài)結構原子或離子沒有規(guī)則的排列方式，而是以無序的、隨機的方式排列。短程有序，沒有固定的晶格和單胞，缺乏規(guī)則性。晶態(tài)與非晶態(tài)結構簡介晶態(tài)結構晶態(tài)材料的原子排列具有周期性和有序性。原子以規(guī)則的排列方式排列，形成三維周期性結構。非晶態(tài)結構非晶態(tài)材料的原子排列不具有周期性，而是無序的。原子隨機排列，沒有長程有序性。晶格和單胞1晶格空間中所有晶胞的集合2晶胞晶格中最小的重復單元3原子構成晶胞的基本粒子晶格是晶體結構的基礎，描述了原子在空間中的周期性排列。晶胞是晶格中最小的重復單元，它包含了晶體結構的所有信息。原子是構成晶胞的基本粒子，它們在晶胞中按照特定的方式排列。晶體的分類11.按晶格類型分類晶體可以根據(jù)其晶格類型分為七種晶系，包括立方晶系、四方晶系、正交晶系、單斜晶系、三斜晶系、六方晶系和三方晶系。22.按化學鍵類型分類晶體還可以根據(jù)其化學鍵類型分為離子晶體、共價晶體、金屬晶體、分子晶體和氫鍵晶體。33.按對稱性分類晶體還可根據(jù)其對稱性分為立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、單斜晶系和三斜晶系。44.按晶體結構特征分類例如，可以根據(jù)其晶體結構的特征分為簡單立方晶格、面心立方晶格、體心立方晶格等。晶態(tài)材料的原子排列晶態(tài)材料的原子排列具有長程有序性，即原子在空間按一定規(guī)律周期性重復排列。這種規(guī)律排列形成晶格結構，每個晶格點上都有一個原子或離子，它們以特定的空間幾何形狀排列。晶體結構可以由晶胞來描述，晶胞是晶格中最小重復單元，可以完全反映晶體的結構特征。幾種典型的晶體結構晶體結構多種多樣，常見的晶體結構包括立方晶系、六方晶系、正方晶系、斜方晶系、單斜晶系和三斜晶系。每種晶體結構都具有獨特的對稱性和原子排列方式，影響著材料的物理和化學性質。立方晶系：原子排列呈立方體形狀，如NaCl、金剛石等六方晶系：原子排列呈六邊形形狀，如石墨、冰等正方晶系：原子排列呈正方形形狀，如錫、鈦等晶體的缺陷完美晶體理論模型，不存在于現(xiàn)實世界。真實晶體原子排列存在偏差，影響材料性能。缺陷類型點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷。晶體缺陷的分類按維度分類根據(jù)缺陷的幾何維度分類，主要分為點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。按性質分類根據(jù)缺陷的性質分類，主要分為固有缺陷和外來缺陷，其中固有缺陷是指由于晶格中原子排列的偏差而產生的缺陷，外來缺陷是由雜質原子或空位等因素造成的。點缺陷空位晶格中原子丟失后形成的點缺陷，會導致晶格畸變。間隙原子額外原子占據(jù)晶格間隙位置，會影響晶格的穩(wěn)定性。置換原子一種原子被另一種不同原子取代，會影響晶格的性質。線缺陷位錯晶格中原子排列的局部錯位。邊緣位錯螺旋位錯晶界不同晶粒之間的界面。晶界處原子排列不規(guī)則。孿晶界兩個晶粒以鏡像對稱的方式排列。孿晶界存在于某些金屬和陶瓷中。面缺陷晶界晶界是不同晶粒之間的界面。晶界處的原子排列不規(guī)則，導致晶界處強度下降。孿晶界孿晶界是兩個晶粒以鏡像對稱的方式連接在一起的界面。孿晶界處的原子排列有一定的規(guī)律性，可以提高材料的強度。堆垛層錯堆垛層錯是晶體結構中原子排列順序的局部偏差。堆垛層錯會導致晶體結構的局部扭曲，影響材料的性能。自由表面自由表面是材料暴露在外部環(huán)境中的表面。自由表面處的原子排列不完整，容易發(fā)生表面吸附、腐蝕等現(xiàn)象。體缺陷1體積缺陷體缺陷是材料內部的宏觀缺陷，例如裂紋、空洞和夾雜物等。2影響性能體缺陷會導致材料強度降低、韌性下降，甚至引起材料失效。3控制體積缺陷可以通過控制材料的加工工藝、熱處理和表面處理等方法來減少體積缺陷。非晶態(tài)材料的原子排列非晶態(tài)材料的原子排列不具有周期性，而是呈現(xiàn)出無序的、隨機的排列方式。非晶態(tài)材料的原子排列可以用短程有序，長程無序來描述。短程有序指的是材料中原子在近鄰范圍內具有規(guī)則的排列，而長程無序指的是材料中原子在較遠距離范圍內沒有周期性排列。這種原子排列結構賦予了非晶態(tài)材料獨特的物理和化學性質。非晶態(tài)材料的特點無序結構原子排列無規(guī)律，無長程有序結構，但可能存在短程有序。各向同性材料的物理和化學性質在各個方向上都相同。高強度和硬度由于原子排列緊密，非晶態(tài)材料通常比晶態(tài)材料更強硬。高韌性和抗沖擊性非晶態(tài)材料可以吸收更多能量，避免斷裂，從而提高韌性。非晶態(tài)材料的制備方法1快速冷卻法從熔融狀態(tài)快速冷卻，使原子來不及排列成有序結構，形成非晶態(tài)結構。2蒸鍍法在低溫基底上蒸鍍金屬或其他材料，原子在基底上快速凝固，形成非晶態(tài)薄膜。3濺射法利用等離子體轟擊靶材，使靶材原子濺射到基底上，形成非晶態(tài)薄膜。4化學氣相沉積法利用化學氣相反應，在基底上沉積非晶態(tài)薄膜。第一性原理計算電子結構計算基于量子力學原理，從頭計算材料的電子結構、能帶結構和性質。密度泛函理論DFT是目前應用最廣泛的第一性原理計算方法之一，基于電子密度來描述體系的能量和性質。平面波基組平面波基組是DFT計算中常用的基組，它可以描述周期性晶體體系的電子波函數(shù)。模擬軟件常用的第一性原理計算軟件包括VASP、QuantumESPRESSO、CASTEP等。分子動力學模擬1構建模型定義系統(tǒng)組成和初始結構2設定參數(shù)設置模擬溫度、時間步長等3運行模擬通過牛頓定律求解原子運動4分析結果獲取材料的結構和性質分子動力學模擬是一種重要的計算方法，可以用于研究材料在原子尺度上的行為。非晶態(tài)材料的應用領域航空航天非晶態(tài)合金具有高強度、高韌性和耐腐蝕性，可用于制造飛機機身和發(fā)動機部件。電子信息非晶態(tài)磁性材料應用于硬盤驅動器、磁帶和存儲器。生物醫(yī)藥非晶態(tài)材料的生物相容性和可降解性，使其成為醫(yī)療器械和藥物載體。能源領域非晶態(tài)硅太陽能電池效率高、成本低，可廣泛應用于太陽能電池。金屬類非晶態(tài)材料制備方法快速冷卻法：將熔融金屬快速冷卻，抑制晶核生長，形成非晶態(tài)結構。例如，金屬濺射法、熔體旋淬法。機械合金化法：通過機械研磨，將金屬粉末不斷細化，最終形成非晶態(tài)合金。特性高強度和硬度：由于原子排列無序，金屬類非晶態(tài)材料具有比晶態(tài)材料更高的強度和硬度。優(yōu)良的耐腐蝕性：由于表面缺乏晶界，金屬類非晶態(tài)材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性。良好的磁性和電學性能：金屬類非晶態(tài)材料在磁性材料、電磁屏蔽等方面有應用價值。氧化物類非晶態(tài)材料種類氧化物類非晶態(tài)材料包括硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等。它們的化學成分非常多樣，可以根據(jù)不同的應用需求進行調整。性質氧化物類非晶態(tài)材料通常具有良好的光學透明性、化學穩(wěn)定性和生物相容性，使其在許多領域得到廣泛應用。應用氧化物類非晶態(tài)材料廣泛應用于光學、電子、生物醫(yī)藥等領域。例如，硅酸鹽玻璃在建筑、光纖和顯示器等領域具有重要應用。聚合物類非晶態(tài)材料1高分子鏈結構聚合物是非晶態(tài)材料中常見的一種類型，其結構通常由長鏈狀分子構成，它們可以是線性、分支或交聯(lián)的。2鏈段運動聚合物鏈段可以在一定溫度范圍內發(fā)生運動，這種運動會影響材料的性能，例如玻璃化轉變溫度和熔點。3熱塑性與熱固性聚合物材料可分為熱塑性材料和熱固性材料，熱塑性材料可以在加熱下軟化并重新成型，而熱固性材料則不能。4應用領域聚合物類非晶態(tài)材料廣泛應用于各種領域，例如包裝、建筑、汽車、電子等，它們具有輕便、柔韌、易加工等優(yōu)點。非晶態(tài)材料的研究前景納米材料納米非晶態(tài)材料具有獨特的性能，如高強度、高硬度、耐腐蝕性等，在航空航天、生物醫(yī)藥等領域有廣泛應用前景。能源非晶態(tài)材料可用于開發(fā)高效太陽能電池、燃料電池和儲能器件，為解決能源危機提供新思路。電子器件非晶態(tài)材料可用于制造高性能、低成本的電子器件，如薄膜晶體管、傳感器和存儲器。材料科學非晶態(tài)材料的結構和性能研究對理解材料的本質具有重要意義，并可為開發(fā)新型材料提供理論基礎。晶態(tài)材料與非晶態(tài)材料的比較1晶態(tài)材料原子排列規(guī)則，長程有序，具有周期性結構高熔點高硬度有固定的熔點2非晶態(tài)材料原子排列無序，短程有序，無周期性結構低熔點低硬度無固定熔點3優(yōu)勢與劣勢晶態(tài)材料具有優(yōu)異的機械強度，而非晶態(tài)材料則具有良好的耐腐蝕性和磁性不同性質適用于不同應用結構表征手段X射線衍射技術X射線衍射技術通過分析材料對X射線的散射模式來確定其原子排列和晶體結構，可以識別材料的相位，晶格常數(shù)和晶粒尺寸。電子顯微技術電子顯微鏡利用電子束照射樣品，通過電子與樣品相互作用產生的信號來觀察材料的微觀結構，可以用于分析材料的形貌、成分和缺陷。原子力顯微鏡原子力顯微鏡利用探針與樣品表面的相互作用力來成像，能夠提供材料表面的高分辨率三維形貌信息，可以用于觀察材料表面結構和缺陷。X射線衍射技術基本原理X射線衍射技術利用X射線照射材料，通過分析衍射信號來研究材料的晶體結構。當X射線照射到晶體材料時，由于晶體內部原子排列的周期性，X射線會發(fā)生衍射。應用領域廣泛應用于材料科學、化學、物理學、生物學等領域。例如，通過X射線衍射可以確定材料的晶格類型、晶胞參數(shù)、晶體取向等信息。電子顯微技術透射電子顯微鏡(TEM)TEM利用電子束穿透樣品，形成圖像。可以觀察材料的內部結構，例如晶格缺陷和納米材料。掃描電子顯微鏡(SEM)SEM用電子束掃描樣品表面，并收集二次電子信號，形成圖像?？梢杂^察樣品的表面形貌，元素分布和成分信息。其他電子顯微技術例如，掃描透射電子顯微鏡(STEM)可以提供更高的分辨率和更詳細的原子尺度信息。其他表征技術原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM)可以提供材料表面原子尺度的圖像，并能夠測量表面形貌、硬度和摩擦力。紅外光譜紅外光譜(IR)可以提供材料中化學鍵的信息，從而幫助識別材料的成分和結構。拉曼光譜拉曼光譜(Raman)可以提供材料中分子振動和旋轉的信息，并可以用于識別材料的結構和相變。熱分析熱分析(TA)可以提供材料在加熱或冷卻過程中的熱力學變化信息，如熔點、玻璃化轉變溫度和結晶溫度。實驗室與課題研