材料科学基础第三章典型晶体结构

思考：为什么介于 C-C单键和C=C双
键之间？
石墨的许多物理性质与晶体结构密切相关，性能 具有鲜明的各向异性：
1、层间作用力较弱，层间易于滑动，层平行的方向 有完整的解离性，所以很软，是良好的固体润滑剂， 是制作铅笔的好材料；是石墨形成多种多样的石墨夹 层化合物的内部结构根源。
2、碳原子有4个外层电子,在层内只有3个电子参与成 键，多余一个电子可以在层内移动，类似于金属中的 自由电子（类金属键）,所以在平行于碳原子层的方 向有很好的导电性质,具有金属光泽。优良的导电性， 是制作电极的良好材料。
晶体结构的描述通常有三种方法：
1）坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这 种采用数值化方式描述晶体结构是最规范化的。为了 方便表示晶胞，还可以采用投影图，即所有的质点在 某个晶面（001）上的投影。
2）球体紧密堆积法：与坐标法相比，以球体堆积的 方法来描述晶体结构，则相对直观，有助于理解。
3）配位多面体及连接方式法：适用于结构比较复杂 的晶体，如硅酸盐晶体结构，对于结构简单的晶体， 反而不一定适合。
C60分子图
应用：
据报道，对C60分子进行掺杂，使C60分子在其 笼内或笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍 生物，例如C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原 子掺进C60分子的笼内，就能使其具有超导性能。 再有C60H60这些相对分子质量很大地碳氢化合物 热值极高，可做火箭的燃料等等。
性能及用途： 硬度、熔点高； 导热性好； 半导体性能。
因此，金刚石常被用作高硬切割材料和磨料以及钻 井用钻头、集成电路中散热片和高温半导体材料。
立方金刚石： 绝大多数天然和人工合成得到的。
六方金刚石： 介稳的晶体，已在陨石中找到，也可将石墨加
压到13GPa,温度超过4000K时制得。
对比结构，有什么不同？
单壁碳纳米管的结构示意图
力学性能:由于碳纳米 管 中 碳 原 子 采 取 SP2 杂 化，相比SP3杂化，SP2 杂化中S轨道成分比较 大，使碳纳米管具有高 模量、高强度。
传热性能:碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具 有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换 性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低， 通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的 热传导材料。
2）碳纳米管
碳纳米管又称纳米碳管
（Carbon nanotube，CNT），
是单质碳的一维结构形式。碳
纳米管按照石墨烯片的层数分
类可分为：单壁碳纳米管
（ Single-walled nanotubes,
SWNTs ） 和 多 壁 碳 纳 米 管
（ Multi-walled nanotubes,
MWNTs）。
第三章 金属与无机 材料的结构
材料科学基础
3.3.2 典型晶体的结构
目的：学习无机材料中一些典型的晶体结构和硅 酸盐晶体结构，同时探讨晶体的化学组成、晶体的结 构以及它们与性能的关系。
不同的晶体物质具有不同的密度、硬度、颜色、 光泽等等性质，除了与物质的化学成分有关外，另一 个重要因素就是具有不同的晶体结构，即晶体结构中 质点的排列方式（位置，相互间的间距等）不同。
3） 金刚石型结构
晶系： 基本格子：
空间群国际符号： 晶胞个中原子数：
球体堆积模型
结构特点：不能形成封闭的分 子，只能构成三维空间无限延 伸的大分子。
金刚石的晶胞图
Z 坐标法
0,100
投影图
50
0,100
X 金刚石的晶胞图
标出A、B、C的坐标？
AБайду номын сангаас
75 50
25
B
0,100 50
Y
25
75
0,100
4）石墨型结构
六方晶系 六方原始格子
石墨晶体结构（虚线范围为单位晶胞）
晶胞中有几个原子？
在晶胞不同位置的原子由不同数目 的晶胞分享：
1. 顶角原子 1/8 2. 棱上原子 1/4 3. 面上原子 1/2 4. 晶胞内部 1
同结构类型的物质：人工合成六方氮化硼
石墨的结构特征：C原子成层 状排列，每一层中C原子排列 成六方环状，每个C原子与周 围3个C原子成共价键结合，层 中C原子的距离为0.142nm，层 与层之间依靠分子键结合，层 间距为0.335nm。
同质多晶: 化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下
生成不同的晶体结构的现象，称为同质多晶现象。当 外界条件改变时，各变体之间就要发生结构转变，称 为同质多晶转变。
类质同晶: 在晶体结构中,原有原子或离子被其性质相似的
离子或原子代替,但是并没有引起键性、晶体结构的 变化,把这种现象称为类质同晶现象。
如方解石CaCO3和菱镁矿MgCO3共生成白云石[(Ca,Mg)CO3]。
2. NaCl 型结构（AB type）
点群： 等轴晶系；
空间群符号： 晶胞分子数(正负离子个数） Z为
Cl
Na
正负离子配位数:
Cl
Na
堆积及间隙情况：
• 以体积较大的Cl-作立方紧密堆积 • Na+如何填充？ • 空隙如何分布？
C
50
0,100
晶胞在（001）面的投影图
晶胞中由几套等同点？
在坐标为000和坐标为1/4 1/4 3/4 的 原 子 的 环 境 是 不 同 的 ， 它们不能独立抽象为一类等同 点，这是两类等同点。最后， 它的布拉维格子仍为面心立方 格子。
这种结构可以看成是由2个面 心立方布拉维格子穿插而成： 这2个面心立方格子（图中的 灰色和红色点）沿体对角线相 对位移动a/4<111>。
1、单质碳的晶体结构
1）富勒烯
富勒烯是碳的一类空间有限 的笼状结构的总称，也称为球碳。 如C60、C70、C84…..C240等。
C60分子是以什么样的结构而 能稳定呢？Kroto等认为C60是由 60个碳原子组成的球形32面体， 即由12个五边形和20个六边形组 成，只有这样C60分子才不存在 悬键。
Cl
Na
等同点的分布：
NaCl型结构可以想象 为2套等同点构成的fcc点 阵互相穿插，每套等同点 由一种离子构成，每套等 同点占据另一套等同点的 八面体间隙位置。
并且堆积方式也类似于fcc点阵，…AA’BB’CC’AA’BB’CC’……。
虽然金刚石结构属于fcc的结构， 但它的堆积致密度却很低，只 有0.34。最近邻原子中心距离是 a[111]/4，所以原子半径 一个晶胞有8个原子，故结构的
致密度η为：
与金刚石属于同一种类型结构的物质： 硅、锗、灰锡、人工合成立方氮化硼等。