第1章 晶体学基础及材料性能
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第一篇 X射线衍射分析(15万字)1 晶体学基础1.1 晶体结构的周期性与点阵晶体是由原子、离子、分子或集团等物质点在三维空间内周期性规则排列构成的固体物质,这种周期性是三维空间的。
晶体中按周期重复的原子、分子或离子团称为结构基元,也就是重复单元。
为了描述晶体内部原子排列的周期性,总是把一个结构基元抽象地看成为一个几何点,而不考虑它的实际内容(指原子、离子或分子)。
这些几何点按结构周期排列,这种几何点的集合就称为点阵,将点阵中的每个点叫阵点。
要构成点阵,必须具备三个条件:(1)点阵点数无限多;(2)各点阵点所处的几何环境完全相同;(3)点阵在平移方向的周期必须相同。
凡是能够抽取出点阵的结构可称为点阵结构或晶体点阵。
点阵中每一阵点对应于点阵结构中的一个结构基元,在晶体中则是一些组成晶体的实物粒子,即原子、分子或离子等,或是这些微粒的集团。
这样,晶体结构与晶体点阵是两个不同的概念,其关系如图1-1所示,晶体结构可以表示为:晶体结构= 晶体点阵+ 结构基元图1-1晶体结构与点阵的关系根据点阵的性质,把分布在同一直线上的点阵称为直线点阵或一维点阵,分布在同一平面内的点阵称为平面点阵或二维点阵,分布在三维空间中的点阵称为空间点阵或三维点阵。
1.1.1 一维周期性结构与直线点阵图1-2(a)是聚乙烯分子链的结构示意图,具有一维周期结构,其结构基元(CH2CH2)周期性地排列在一个方向上。
每一个结构基元的等同位置抽象成一个几何点,可形成一条直线点阵,是等距离分布在一条直线上的无限点列,如图1-2(b)所示。
取任一阵点作为原点O ,A 为相邻的阵点,则矢量a=OA 表示重复的大小和方向,称为初基(单位)矢量或基矢,若以单位矢量a 进行平移,必指向另一阵点,而矢量的长度a a =ρ称为点阵参数。
图1-2晶体结构与点阵的关系(a )聚乙烯分子链的结构示意图;(b )等效的一维直线点阵直线点阵中任何两阵点的平移矢量称为矢径,可表示为T p = p a (0, ±1, ±2……)矢径T p 完整而概括地描述了一维结构基元排列的周期性。
1.绪论材料科学基础的核心问题:材料结构和性能的关联2. 第一章第1节(1)晶体和非晶体的区别(2)空间点阵和结点的定义(3)点阵的基本特征:周期性和等同性(4)晶胞和晶格常数的定义(5)七大晶系的名称、结构特征和对称性规律(要求记忆)(6)14种布拉维点阵并理解其来源(去掉重复的和保持对称性)(7)布拉维点阵和晶体结构的关系,如何从晶体结构获得点阵信息(熟悉ɑ铀, NaCl, Zn三个例子)(8)掌握密排六方HCP的结构,画出完整的中间层原子结构图,掌握c/a比值(9)晶胞与原胞的区别3. 第一章第2节(1)掌握三种晶体结构FCC,BCC,HCP并记住代表性材料(2)理解钢球模型,掌握原子半径、晶胞原子数、配位数、堆垛密度的计算方法(3)间隙的概念和种类,间隙大小的定义(4)掌握FCC,BCC,HCP三种晶体结构中八面体、四面体间隙的位置(坐标),数量以及尺寸。
4. 第三章第3节(1)晶面指数的标定步骤及立方晶系常见的晶面指数(2)掌握晶面族的概念,能写出{100},{110},{111},{112}, {123}晶面族所包含的晶面(3)掌握晶向指数的标定方法,常见的晶向指数,了解行走法确定晶向指数,能写出<100>, <111>, <110>, <112>晶向族所包括的晶向;(4)六方晶系四指数晶面指数标定方法,能写出底面、侧面、对角面的晶面指数;掌握四指数晶向指数的标定方法,熟记轴向、角二等分线方向的晶向的写法及长度,基于此能够熟练写出特殊晶向的指数。
掌握六方晶系的中由三指数晶向变换为四指数的方法;(5)面密度和线密度的概念及计算方法。
5. 第一章第4节(1)掌握晶体的堆垛方式和堆垛次序的概念;(2)简单立方沿{100},{110}晶面的堆垛次序;(3)HCP{0001}面的堆垛次序以及错位矢量;(4)FCC{200}面的堆垛次序以及错位矢量,重点掌握{111}面的堆垛次序及错位矢量。
晶体学基础与材料结构第⼀章晶体学基础及材料结构⽆论是⾦属材料还是⾮⾦属材料,通常都是晶体。
因此,作为材料科学⼯作者,⾸先要熟悉晶体的特征及其描述⽅法。
本章将扼要的介绍晶体学的基础知识,并了解材料结构。
1-1 晶体⼀、晶体与⾮晶体固态物质按其原⼦(或分⼦)的聚集状态⽽分为两⼤类:晶体与⾮晶体。
虽然我们看到⾃然界的许多晶体具有规则的外形(例如:天然⾦刚⽯、结晶盐、⽔晶等等),但是,晶体的外形不⼀定都是规则的,这与晶体的形成条件有关,如果条件不具备,其外形也就变得不规则。
所以,区分晶体还是⾮晶体,不能根据它们的外观,⽽应从其内部的原⼦排列情况来确定。
在晶体中,原⼦(或分⼦)在三维空间作有规则的周期性重复排列,⽽⾮晶体就不具有这⼀特点,这是两者的根本区别。
应⽤X射线衍射、电⼦衍射等实验⽅法不仅可以证实这个区别,还能确定各种晶体中原⼦排列的具体⽅式(即晶体结构的类型)、原⼦间距以及关于晶体的其他许多重要情况。
显然,⽓体和液体都是⾮晶体。
在液体中,原⼦亦处于紧密聚集的状态,但不存长程的周期性排列。
固态的⾮晶体实际上是⼀种过冷状态的液体,只是其物理性质不同于通常的液体⽽已。
玻璃就是⼀个典型的例⼦,故往往将⾮晶态的固体称为玻璃体。
从液态到⾮晶态固体的转变是逐渐过渡的,没有明显的凝固点(反之亦然,⽆明显的熔点)。
⽽液体转变为晶体则是突变的,有⼀定的凝固点和熔点。
⾮晶体的另⼀特点是沿任何⽅向测定其性能,所得结果都是⼀致的,不因⽅向⽽异,称为各向同性或等向性;晶体就不是这样,沿着⼀个晶体的不同⽅向所测得的性能并不相同(如导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学数据以及外表⾯的化学性质等等),表现出或⼤或⼩的差异,称为各向异性或异向性。
晶体的异向性是因其原⼦的规则排列⽽造成的。
⾮晶体在⼀定条件下可转化为晶体。
例如:玻璃经⾼温长时间加热后能形成晶态玻璃;⽽通常呈晶体的物质,如果将它从液态快速冷却下来也可能得到⾮晶体。
⾦属因其晶体结构⽐较简单,很难阻⽌其结晶过程,故通常得不到⾮晶态固体,但近些年来采⽤了特殊的制备⽅法,已能获得⾮晶态的⾦属和合⾦。
晶体学基础与材料性能1. 引言晶体学作为材料科学领域的重要分支,对于理解和改善材料性能具有至关重要的作用。
晶体结构决定了材料的物理、化学以及生物学性能,从而影响到材料在日常生活中的应用。
从基本的金属、陶瓷到先进的复合材料,无一不与晶体学紧密相关。
在这一章节中,我们将探讨晶体学的基本概念,并分析晶体结构与材料性能之间的深层联系。
1.1 晶体学基本概念1.1.1 晶体的定义及特点晶体是一种具有规则几何外形和周期性结构排列的固体。
其特点包括:•有序性:组成晶体的原子、离子或分子按照一定的规律排列,形成长程有序的结构。
•周期性:晶体中的基本结构单元(晶胞)在三维空间内周期性重复排列。
•对称性:晶体具有多种空间对称性,包括旋转、镜像以及反演对称。
1.1.2 晶体的分类及晶系根据晶胞的不同形状和对称性,晶体可以分为七大晶系:立方晶系、四方晶系、六方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系。
1.1.3 晶体结构的基本要素晶体结构的基本要素主要包括:•晶胞:晶体最小的重复单元,定义了晶体的基本结构和几何形状。
•布拉维格子:由晶胞扩展而成的无限大的格子结构,是描述晶体对称性的基础。
•原胞:晶体中最小的重复单元,它不包含任何晶格缺陷。
•晶格常数:晶胞中相邻原子、离子或分子之间的距离,是描述晶体结构的重要参数。
了解这些基本概念,有助于我们深入探讨晶体结构与材料性能之间的内在联系,并为后续的材料设计和优化提供理论基础。
2. 晶体结构与材料性能的关系2.1 晶体结构与力学性能2.1.1 晶体结构与弹性模量晶体的弹性模量是描述其抵抗形变能力的重要力学参数。
晶体的弹性模量与其晶体结构密切相关,不同的晶体结构具有不同的弹性模量。
晶体中原子的排列方式、键长和键角等因素都会影响弹性模量。
例如,金刚石因其特殊的晶体结构,具有非常高的弹性模量。
2.1.2 晶体结构与硬度硬度是晶体材料另一个重要的力学性能指标。
晶体结构中的原子排列方式、键的类型和空间分布等因素决定了其硬度。