第2章晶体结构和晶体
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第 2 章结晶结构一、名词解释1.晶体:晶体是内部质点在三维空间内周期性重复排列,具有格子构造的固体2.空间点阵与晶胞:空间点阵是几何点在三维空间内周期性的重复排列晶胞:反应晶体周期性和对称性的最小单元3.配位数与配位多面体:化合物中中心原子周围的配位原子个数成配位关系的原子或离子连线所构成的几何多面体4.离子极化:在离子化合物中,正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下,发生变形的现象5.同质多晶与类质同晶:同一物质在不同的热力学条件下具有不同的晶体结构化学成分相类似物质的在相同的热力学条件下具有相同的晶体结构6.正尖晶石与反尖晶石:正尖晶石是指2价阳离子全部填充于四面体空隙中,3价阳离子全部填充于八面体空隙中。
反尖晶石是指2价阳离子全部填充于八面体空隙中,3价阳离子一半填充于八面体空隙中,一半填充于四面体空隙。
二、填空与选择1.晶体的基本性质有五种:对称性,异相性,均一性,自限性和稳定性(最小内能性)。
2.空间点阵是由 C 在空间作有规律的重复排列。
( A 原子 B离子 C几何点 D分子)3.在等大球体的最紧密堆积中有面心立方密堆积和六方密堆积二种排列方式,前者的堆积方式是以(111)面进行堆积,后者的堆积方式是以(001)面进行堆积。
4.如晶体按立方紧密堆积,单位晶胞中原子的个数为 4 ,八面体空隙数为 4 ,四面体空隙数为 8 ;如按六方紧密堆积,单位晶胞中原子的个数为 6 ,八面体空隙数为6 ,四面体空隙数为 12 ;如按体心立方近似密堆积,单位晶胞中原子的个数为 2 ,八面体空隙数为 12 ,四面体空隙数为 6 。
5.等径球体最紧密堆积的空隙有两种:四面体空隙和八面体空隙。
一个球的周围有 8个四面体空隙、 6 个八面体空隙;n个等径球体做最紧密堆积时可形成 2n 个四面体空隙、 n 个八面体空隙。
不等径球体进行堆积时,大球做最紧密堆积或近似密堆积,小球填充于空隙中。
6.在离子晶体中,配置于正离子周围的负离子数(即负离子配位数),决定于正、负离子半径比(r +/r -)。
第二章晶体结构与晶体中的缺陷内容提要:通过讨论有代表性的氧化物、化合物和硅酸盐晶体结构,用以掌握与本专业有关的各种晶体结构类型。
介绍了实际晶体中点缺陷分类;缺陷符号和反应平衡。
固熔体分类和各类固熔体、非化学计量化学化合物的形成条件。
简述了刃位错和螺位错。
硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式为孤岛状、组群状、链状、层装和架状五类。
这五类的[SiO4]四面体中,桥氧的数目也依次由0增加到4,非桥氧数由4减至0。
硅离子是高点价低配位的阳离子。
因此在硅酸盐晶体中,[SiO4]只能以共顶方式相连,而不能以共棱或共面方式相连。
表2-1列出硅酸盐晶体结构类型及实例。
表2-1 Array硅酸盐晶体的结构类型真实晶体在高于0K的任何温度下,都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离,即存在着结构缺陷。
晶体中的结构缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷之分,在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。
点缺陷根据产生缺陷的原因分类,可分为下列三类:(1)热缺陷(又称本征缺陷)热缺陷有弗仑克儿缺陷和肖特基缺陷两种基本形式。
弗仑克儿缺陷是指当晶格热震动时,一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中,形成间隙原子,而原来位置上形成空位,这种缺陷称为弗仑克儿缺陷。
肖特基缺陷是指如果正常格点上原子,热起伏后获得能量离开平衡位置,跃迁到晶体的表面,而在原正常格点上留下空位,这种缺陷称为肖特基缺陷。
(2)杂质缺陷(非本征缺陷)(3)非化学计量化学化合物为了便于讨论缺陷反应,目前广泛采用克罗格-明克(Kroger-Vink)的点缺陷符号(见表2-2)。
表2-2 Kroger-Vink缺陷符号(以M2+X2-为例)缺陷反应方程式书写规则:(1)位置关系。
(2)质量平衡。
(3)电荷守恒。
热缺陷平衡浓度n/N:n/N=exp(-∆G t/2kT)其中n——TK时形成n个孤立空位;∆G t——热缺陷形成自由焓;h——波儿兹曼常数。
小结第二章晶体与晶体结构内容:金属的晶体结构:合金的晶体结构实际金属的晶体结构第一节金属的晶体结构晶体与非晶体1. 晶体:指原子呈规则、周期性排列的固体。
常态下金属主要以晶体形式存在。
晶体具有各向异性。
非晶体:原子呈无规则堆积,和液体相似,亦称为“过冷液体”或“无定形体”。
在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。
2. 区别(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性3金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子(离子、分子)的排列方式。
1)理想晶体——实际晶体的理想化·三维空间无限延续,无边界·严格按周期性规划排列,是完整的、无缺陷。
·原子在其平衡位置静止不动2)理想晶体的晶体学抽象(晶体)空间规则排列的原子→刚球模型→晶格(刚球抽象为晶格结点,构成空间格架)→晶胞(具有周期性最小组成单元)。
晶体学参数:a,b,c,α,β,γ晶格常数:a,b,c晶系:根据晶胞参数不同,将晶体分为七种晶系。
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
立方晶系:a=b=c,α=β=γ=90︒六方晶系:a1=a2=a3≠ c, α=β=90︒, γ=120︒原子半径:晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。
晶胞原子数:一个晶胞内所包含的原子数目。
配位数:晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。
致密度:晶胞中原子本身所占的体积百分数。
二.常见的金属晶格晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度2 8 68% BCC a=b=c,α=β=γ=90oFCC a=b=c, α=4 12 74%β=γ=900HCP a=b c,a/2 6 12 74% c/a=1.633, α=β=90o, γ=120o第二节实际金属的晶体结构理想晶体+晶体缺陷——实际晶体实际晶体——单晶体和多晶体单晶体:内部晶格位向完全一致,各向同性。
多晶体:由许多位向各不相同的单晶体块组成,各向异性。
第2章晶体结构提纲:2.1 晶体学基础2.2 金属的晶体结构2.3 合金相结构2.4 离子晶体结构2.5 共价晶体结构2.6 聚合物的晶态结构2.7 非晶态结构学习要求:掌握晶体学基础及典型晶体的晶体结构,了解复杂晶体(包括合金相结构、离子晶体结构,共价晶体的结构,聚合物的晶态结构特点)、准晶态结构、液晶结构和非晶态结构。
1.晶体学基础(包括空间点阵概念、分类以及它与晶体结构的关系;晶胞的划分,晶向指数、晶面指数、六方晶系指数、晶带和晶带定律、晶面间距的确定、极射投影);2.三种典型金属晶体结构(晶胞中的原子数、点阵常数与原子半径、配位数与致密度、堆垛方式、间隙类型与大小);3.合金相结构(固溶体、中间相的概念、分类与特征);4.离子晶体的结构规则及典型晶体结构(AB、AB2、硅酸盐);5、共价晶的结构规则及典型晶体结构体(金刚石)6、聚合物的晶态结构、准晶态结构、液晶结构和非晶态结构。
重点内容1.选取晶胞的原则;Ⅰ) 选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性;Ⅱ)平行六面体内的棱和角相等的数目应最多;Ⅲ)当平行六面体的棱角存在直角时,直角的数目应最多;Ⅳ)在满足上条件,晶胞应具有最小的体积。
2.7个晶系,14种布拉菲空间点阵的特征;(1)简单三斜(2)简单单斜底心单斜(3)简单正交底心正交体心正交面心正交(4)简单六方(5)简单四方体心四方(6)简单菱方(7)简单立方体心立方面心立方3.晶向指数与晶面指数的标注,包括六方体系,重要晶向和晶面需要记忆。
4.晶向指数,晶面指数,晶向族,晶面族,晶带轴,共带面,晶面间距5.8种,即1,2,3,4,6,i,m,。
或C1,C2,C3,C4,C6 ,C i,C s,S4。
微观对称元素6.极射投影与Wulff网;标hkl直角坐系d4⎧⎨⎩微观11213215243滑动面 a,b,c,n,d螺旋轴 2;3,3;4,4,4;6,6,6,6,67.三种典型金属晶体结构的晶体学特点;在金属晶体结构中,最常见的是面心立方(fcc)、体心立方(bcc)和密排六方(hcp)三种典型结构,其中fcc和hcp系密排结构,具有最高的致密度和配位数。
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质,根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点(原子等)在空间排列是有一定规律的,故有规则的外形,有固定的熔点。
此外,晶体物质在不同方向上具有不同的性质,表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识(1)晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律,将原子抽象为几何点,并用一些假想连线将几何点连接起来,这样构成的空间格子称为晶格(图2-1)晶体中原子排列具有周期性变化的特点,通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞(图2-1),它具有很高对称性。
(2)晶胞表示方法不同元素结构不同,晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定,晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示,称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==,棱边夹角90αβγ===︒时,这种晶胞称为简单立方晶胞。
(3)致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数,它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体,立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子,其单位晶胞原子数为2个,其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体,立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子,其单位晶胞原子数为4个,其致密度为0.74(原子排列较紧密)。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体,原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心,另外三个原子排列在柱体内,晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个,致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。