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第二章 晶态和非晶态资料

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02晶态和非晶态材料的特性

02晶态和非晶态材料的特性

（1）由于负离子缺位，使金属离子过剩 Ti02、ZrO2会产生这种缺陷，分子式可 写为TiO2-x， ZrO2-x，产生原因是环境中 缺氧，晶格中的氧逸出到大气中，使晶体
中出现了氧空位。
图 TiO2-x结构缺陷示意图（I）
TiO2-x结构缺陷 在氧空位上捕获 两个电子，成为 一种色心。色心 上的电子能吸收 一定波长的光， 使氧化钛从黄色 变成蓝色直至灰 黑色。
（2）折射率的各向异性
（3）磁化率的各向异性和电导率的各向异性 （4）反射率的各向异性
J
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2.非整比化合物
晶体中出现空位或填隙原子，使化合物的成分偏离整 比性。 例如Fe1-xO，Ni1-xO等许多过渡金属氧化物和硫化物。
这类化合物的组成中，各元素的原子(或离子)可以一定 的比例范围内波动，组成不符合化合价规则，不能用 小的整数来表示，只能用小数描述，人们称此类化合 物为非整比化合物或非计量化合物。
2.2.2 非整比化合物材料及其应用
非整比化合物属于缺陷化合物，由于其实际晶体中存在缺陷
和畸变的部位，正常的点阵结构受到了一定程度的破坏或搅
乱，因而对晶体的生长，晶体的力学性能、电学性能、磁学性 能和光学性能等都有着极大的影响，在生产上和科研中都非常 重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内 容。
2.3.1 液晶和塑晶
通常物质有固态、液态和气态三种形态，常见的冰、 水和水蒸气就是人人知晓的水的三态。 不过，自然界的物质往往要复杂的多，有时固态和
液态就很难区分，存在许多中间状态。
晶体和液体之间即存在着两种中间状态：像晶体的
液体和像液体的晶体，前者称为液晶，后者称为塑
晶。
(a)液晶和(b)塑晶在升温过程中出现的变化情况

[经济学]第二章 晶态和非晶态材料1

[经济学]第二章 晶态和非晶态材料1

碱土金属、铜、银、铊、及稀土元素等可以插入到 WO3结构中，形成MδWO3
2.3 液晶材料
液晶
介于晶体和液体之间的物质状态
晶体
各向异性液体液晶
液体-各向同性
像晶体，具有长程有序，某些性能呈现各向异性 像液体，具有流动性，不能承受应切力
思考
液晶是不是晶体？
液晶与塑晶
物质状态
物质一般存在三态，固态、液态和气态 但有些物质比较复杂，介于固液两者之间
2. 扭曲向列（TN）液晶显示器 用于数字显示及低电路驱动的简单字符——信息容量小
3. 超扭曲向列（STN）液晶显示器 掌上微机——扫描线大，视角较好，对比度好
4. 薄膜晶体管（TFT）液晶显示器 笔记本电脑、投影屏幕——相应时间、对比度、亮度、 可视角度大幅提高好
1995年以前，TFT-LCD仅用于高档摄像机、掌上游戏机等 ，价格昂贵，分辨率仅为320×200 1995年，尺寸达到300mm×400mm，分辨率800×600
有兴趣的同学自学
2.3 非整比化合物晶体
定义
组成中各类原子的相对数目不能用几个小 的整数比表示的化合物
分类
1.某种原子过多或短缺
Zn1+δO—n型半导体:1000K时将ZnO在Zn蒸汽中加热 TiO1+δ—导电氧化物:不同氧蒸气压中加热TiO， TiO0.82-TiO1.18
用途
半导体、颜料、磁性材料、氧化还原催化剂、 蓄电池电极材料等
原因
晶体由晶胞周期排列而成，微观上 性能不均匀，但宏观上不能表现此 不连续性
各向异性
表现
某些性质随观察方向的不同而不同： 如力学性能，光学性能、热传导等 不同方向上，原子的排列、取向各 有不同

第二章晶态与非晶态材料的特性

第二章晶态与非晶态材料的特性

第二章晶态与非晶态材料的特性引言：材料是构成各种物质的基本组成单位，不同种类的材料在原子结构和物理特性上存在显著的差异。

本章将介绍晶态和非晶态材料的特性，包括结构、力学特性、热学特性、电学特性以及光学特性等方面。

一、晶态材料的特性：1.结构特性：晶态材料具有有序的原子排列，呈现出规则的晶格结构。

晶格结构可以通过X射线衍射和电子衍射等实验方法进行表征，其结果常用晶胞参数和晶面指数表示。

2.力学特性：晶态材料在外力作用下存在明确的弹性行为，其力学性能可以通过弹性模量、屈服强度和断裂韧性等指标来评估。

不同晶向的材料在力学特性上表现出明显的各向异性。

3.热学特性：晶态材料的热导率和热膨胀系数常随着温度的变化而变化。

晶态材料的热导率和热膨胀系数通常沿不同的晶向显示出很大的差异。

4.电学特性：晶态材料具有离散的能带结构，其导电性质主要与能带结构和载流子特性有关。

电学特性可以通过电导率、介电常数和磁导率等参数来表征。

5.光学特性：晶态材料对光的传播和相互作用表现出明显的各向异性。

晶态材料的光学特性主要包括折射率、吸收系数和散射等。

二、非晶态材料的特性：非晶态材料的原子排列呈现出无序的状态，缺乏长程的周期性结构。

由于缺乏晶格结构，非晶态材料具有一些与晶态材料不同的特性。

1.结构特性：非晶态材料的原子排列没有明确的规则，其结构可以通过X射线衍射和中子衍射等方法进行分析。

非晶态材料的结构通常表现为短程有序和中程有序的特点。

2.力学特性：非晶态材料的力学性能表现出明显的非线性行为。

非晶态材料的硬度和断裂韧性较低，但延展性和形变能力较好。

3.热学特性：非晶态材料的热导率通常较低，但热膨胀系数较高。

非晶态材料的热导率和热膨胀系数随温度变化较小。

4.电学特性：非晶态材料通常表现出低电导率和较高的电阻率。

其导电性主要受原子之间的无规则排列和有序排列之间的相互作用影响。

5.光学特性：非晶态材料的光学特性与晶态材料有较大的区别。

晶态和非晶态材料

晶态和非晶态材料

可形成（ Mg1-3xAl2x· Mg）O xV’’
2.固溶体的分类
（1）按照杂质原子在固溶体中的位置
取代型固溶体 ----------- 正常格点 例如：金属氧化物中主要发生在金属离子位置上的互换。 填隙型固溶体 ------------ 间隙位置 在固溶体中也可以形成离子空位结构，常由于异价离子取 代或生成添隙离子引起，不是一种独立的固溶体类型。 TiO2-X 可以看为晶体中存在氧空位，因此必存在Ti4+ 和Ti3+，可看成部分Ti3+取代TiO2中的Ti4+所形成的固溶体。
1摩尔固体中缺陷摩尔固体中缺陷dd的数目的数目1摩尔固体中所含分子数摩尔固体中所含分子数nnaa重点内容重点内容缺陷形成的热力学基础缺陷形成的热力学基础点缺陷的类型点缺陷的类型缺陷的表示方法和缺陷反应式缺陷的表示方法和缺陷反应式233晶体中出现空位或填隙原子使化合物的成分偏离整比性即各类原子的相对数目不能用几个小的整数比表示这样的化合物被称为非整比化非整比化合物由于它们的成分可以改变因而出现变价原子而使晶体具有特异颜色等光学性质半导体性甚至金属性特殊的磁学性质以及化学反应活性等因而成为重要的固体材料
离整比性（即各类原子的相对数目不能用几个小
的整数比表示），这样的化合物被称为非整比化
合物，。

非整比化合物由于它们的成分可以改变，因而出 现变价原子，而使晶体具有特异颜色等光学性质、 半导体性甚至金属性、特殊的磁学性质以及化学 反应活性等，因而成为重要的固体材料。
按非整比化合物生成的情况，以及在不同方面的 应用可以有以下几种情况：
以CaCl2进入KCl中举例
：
不考虑电荷：
CaCl2（S）
KCl
CaK +VK+2ClCl

第二章晶态和非晶态结构

第二章晶态和非晶态结构

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小分子间相互作用能 < 共价键键能
高分子间相互作用能 》共价键键能
高聚物无气态 物质只有在破坏掉其分子间力时才会变为气态， 高聚物气化所需的能量 》破坏化学键所需的能量
不可能用蒸馏的方法来纯化聚合物
五、分子间作用力的表征
以上各种分子间作用力共同起作用才使相同或不同分子 聚集成聚合物；而聚合物的一些特性，如沸点、熔点、气化 点、熔融热、溶解度、粘度和强度都受到分子间作用力的影 响； 因为分子间作用力与分子量有关，而高分子的分子量一 般都很大，致使分子间的作用力的加和超过化学键的键能， 所以一般聚合物不存在气态。所以我们不能用单一作用能来 表示高分子链间的相互作用能，而用宏观量： 内聚能 内聚能密度
第二章 高分子的凝聚态结构

基本要求
掌握内聚能密度的概念，内聚能密度大小与分 子间作用力之间的关系；结晶度的概念、测定 方法和计算方法；取向和解取向的概念、机理 以及取向对高聚物性能的影响。理解晶体结构 的基本概念，聚合物（聚乙烯、聚丙烯）的晶 体结构，聚合物的结晶形态、晶态高聚物的结 构模型；理解非晶态和液晶态高聚物的结构。 掌握高分子合金相容性、形态和性能之间的关 系。

第二章晶态和非晶态

第二章晶态和非晶态
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晶体与非晶态固体的根本区别，在于其内部 结构的周期性，以及因此而生的对称性、Ｘ射线 的衍射效应。
晶体结构的周期性表现为长程有序。非晶态 固体则是一种长程无序结构，这种无序可表现为 两种形式：一为组成粒子在空间位置上的排列无 序；二是多元体系中不同组分无规则地随机分布， 也称成分无序。
但是在非晶态固体中存在着短程有序，即在 每个粒子的近邻的排列有规则性，在这个小范围 内较好地保留了相应的晶态材料中的配位状况。
2.1 晶体特征的结构基础 晶态物质有别于气体、液体的最典
型特征是具有点阵结构，正是由于本身 结构的特殊性，使晶体呈现出与其它物 质完全不同的特殊性质。
2
１、晶体的均匀性
由于晶体中原子排布的周期性规则，同时该周 期非常小，在宏观观察中不能分辨出晶体微观结构 中的不连续性，从而导致了晶体各部分具有相同的 密度、化学组成等性质。因此，从宏观角度看，晶 体具有均匀性。
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并非所有的有机化合物分子都具有液晶态， 只有那些形状类似棒状，长宽比在４~８之间， 分子量为200~500，长度达几个纳米的分子才会 出现液晶形态。进而在液晶状态出现多种特殊的 性质和应用价值。液晶最常见的应用领域为各种 液晶显示器。
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液晶的分类
液晶的分类有几种方法，以相对分子量的 大小，液晶可分为低分子液晶和高分子液晶；
27
28
利用X衍射线的峰形数据，能够测定粉未材 料中平均晶粒大小的数据，当晶粒粒径小于 200nm时，衍射峰开始变宽，晶粒越小，宽化越 多，当粒径小于几个纳米时，衍射峰消失在背底 之中。晶粒大小和衍射峰的关系如下：
D＝Kλ/（B－B0）cosθ 式中：D是晶粒粒径； λ是X射线波长；K为一固 定常数数值约为0.9；B0为晶粒较大时衍射线半高 宽，B为待测样品衍射线半高宽（2 θ标度的峰）， B－B0要以弧度表示。

第二章晶态和非晶态材料的特性

第二章晶态和非晶态材料的特性

纤维增强复合材料
以晶态或非晶态聚合物为基体，通过添加纤维增强体，可制备出高 性能的纤维增强复合材料，用于航空航天、汽车等领域。
层状复合材料
由不同性质的晶态或非晶态材料交替叠加而成，具有优异的力学性 能和功能特性，可用于制造防护装甲、隔热材料等。
多功能复合材料
通过设计不同组分的晶态和非晶态材料，实现多种功能的集成，如 导电、导热、耐磨等，满足复杂应用场景的需求。
结构材料应用
建筑工程
晶态材料如钢铁、混凝土等广泛应用于桥梁 、大坝、高层建筑等结构工程，提供强度和 稳定性。
航空航天
非晶态合金由于具有优异的力学性能和耐腐蚀性， 在航空航天领域用于制造轻量化、高强度的零部件 。
汽车工业
晶态和非晶态材料在汽车工业中均有应用， 如铝合金车身、非晶态涂层等，以提高汽车 性能和降低能耗。
原子排列无序性
无晶格结点
非晶态材料中原子不是按照固定的晶格 结点排列，而是呈现出连续、无规则的 分布。
VS
密度涨落
由于原子排列的无序性，非晶态材料的密 度会在不同区域出现涨落，即密度不均匀 。
局部有序结构存在
化学短程序
在非晶态材料中，原子之间倾向于形成特定 的化学键合，从而形成化学短程序。
拓扑短程序
面缺陷
面缺陷是指晶体中沿二维方向延伸的缺陷，如晶界、孪晶 界等。面缺陷会影响晶体的力学、电学和热学性能，同时 也会影响晶体的腐蚀和氧化行为。
典型晶态材料举例
金属
金属是典型的晶态材料，如铁、 铜、铝等。金属的晶体结构多为 面心立方或体心立方，具有良好 的导电性、导热性和延展性。
陶瓷
陶瓷材料也是晶态材料的一种， 如氧化铝、氮化硅等。陶瓷的晶 体结构复杂，具有高硬度、高熔 点和良好的化学稳定性等特点。

第二章_晶态和非晶态材料

第二章_晶态和非晶态材料

具有一定结构的单元，包括确定配位数，键长，
键角等。
非晶体区别于晶体的X射 线衍射的衍射效应： 衍射为弥散的晕 宽化的衍射带 但不同于微晶的宽化衍射
2.5.2 玻璃 ——非晶体材料
玻璃是高温下熔融，冷却过程中粘度逐渐增大、
不析晶、室温下保持熔体结构的非晶固体。 1. 结构特点 ：（短程无序，长程有序） 玻璃的内部结构无长程周期性，像液体一样， 因此可以看作是过冷液体。
4. 分类及应用
重要的玻璃体有四大类：氧化物玻璃
(石英和硅酸盐玻璃)、金属玻璃、非晶态半
导体和高分子化合物。
(1)氧化物玻璃 ：主要有SiO2、B2O3、GeO2
和P2O5 ，处于周期表的一定区域，电负性 居中的元素的氧化物。往往是离子型与共 价型的混合，形成三维多聚结构。
玻璃中主要构成：
玻璃形成体：SiO2 、B2O3 等具有较高键强

光导玻璃纤维是由高折射率玻璃芯料和低折射率玻璃皮料 组合成的复合纤维。
2.5.3 陶瓷

陶瓷是指通过烧结包含有玻璃相和结晶相的特征的无机材 料，一般由陶土或瓷土等硅酸盐，经过成型烧结，部分熔
融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其他氧化物
晶体包裹结合而成。陶瓷包括陶器和瓷器，陶器是多孔透 气的、强度较低的产品，瓷器是加了釉层、质地致密而不 透气的、强度较高的产品。
（3）半导体玻璃

半导体玻璃又称为非晶态半导体，是非晶态功能材料的一
个相当活跃的领域。如非晶态硒和非晶态硅的研究已日趋
成熟，并形成产业。

非晶态α—Si:H太阳能电池是人们最为关注的非晶材料； 静电复印技术就是利用了非晶态硒的奇特的光电特性。

半导体玻璃广泛地应用于其他光敏器件、发光器件、场效 应器件、热敏器件、电子开关与光盘等方面。

第二章 晶态与非晶态材料的特性

第二章 晶态与非晶态材料的特性

3.晶体的自范性
在合适的外界条件下，能够自发地生长出具有规则凸多面体外形来。 并且多面体满足：F+V=E+2; 即：晶面数目+顶点数目=晶棱数目+2
晶面交角守恒定律 同一个晶种的晶体相应的晶面交角保持恒等不变。
4. 晶体加热熔化时有固定不变的温度（熔点）。
晶体加热过程中，随加热时间增加，它的温度升高，从晶体 开始熔化到全部熔化完毕，这段时间内虽然继续给它加热， 温度却保持不变，此温度叫做晶体的熔点。全部熔化成为液 体后，继续加热，温度又不断升高。
3. 结构与性质的关系
透明
易碎
4.几种特殊玻璃
⑴石英玻璃： 膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光 用途：化学仪器；高压水银灯、紫外灯等的灯壳； 光导纤维等。
⑵光学玻璃： 透光性能好、有折光和色散性(铅玻璃) 用途：眼镜片；望远镱用凹凸透镜等光学仪器
⑶有色玻璃： 金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈 现特征颜色。 蓝色(Co2O3) 红色 (Cu2O) 淡绿色 (FeO)
（2）热学性能
耐热性——氧化铝，氧化锆，碳化硅等陶瓷 陶瓷发动机部件等耐高温陶瓷材料。
隔热性——大多数陶瓷。绝热材料，高温炉壁。 导热性——氧化铝，碳化硅陶瓷。超大规模集成电路基板等。
（3）光学性能
透光性 偏光透光性
（4）电学与磁学性能
☺绝缘性——大多数陶瓷。用于电气元件。 ☺导电性——氧化锆，碳化硅陶瓷。用于磁流体发电电极，电阻发热体。
第二节 非正比化合物材料
组成中各类原子的相对数目不能用几个小的整数比表示的化合物。 非正比化合物的生成以及在不同方面的应用可以分为以下几种情况。 1.某种原子过多或短缺
2. 层间嵌入某些离子，原子或分子

2.2 晶态与非晶态材料

2.2 晶态与非晶态材料


化学强化处理
◦ 在玻璃表面进行离子交换使玻璃强化的方法统称 为化学钢化。 ◦ 原理是把玻璃组成中的Na+置换为半径较大的K+， 由于这种置换作用，将其抵抗拉应力的压应力层 预先置入玻璃表面，实现了玻璃强化的目的。 ◦ 将普通玻璃置于欲置换离子的熔岩中，在高温下 进行离子交换处理是一种使玻璃化学钢化的方法。
太阳能电池
玛瑙
硅酸盐 种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧 化硅和金属氧化物的形式来表示其组成。 硅酸钠：Na2SiO3可以写成Na2O · SiO2 高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4 Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O 钙长石：CaAl2SiO6 CaO · Al2O3 · SiO2 正长石： K2Al2Si6O16 K2O ·Al2O3 ·6SiO2
CCC强制认证（安全玻璃、陶瓷砖放射性） 产品自愿性认证（水泥、玻璃和陶瓷等50类建材产品） 体系认证（质量管理体系、环境管理体系、职业健康安全管理体系） 汽车玻璃零配安装服务认证
中国安全玻璃认证中心简介
中国安全玻璃认证中心： ※1989年11月就开始开展汽车安全玻璃安全认证工作。 ※ 2002年4月经国家认证认可监督管理委员会授权对汽 车、建筑和机车用安全玻璃实施CCC强制认证。 ※认证中心在汽车安全玻璃方面，拥有国内知名的技术 专家和众多技术人员，熟悉了解产品的生产工艺和检测 技术。 享受政府特贴专家2人、 博士7人、工程硕士33人、 管理学硕士5人、教授级 高工13人、高级工程师 及工程师84人等专业技 术人才，计100余人

玻璃的命名
•
由两种以上玻璃形成体氧化物组成的玻璃， 以其含量多少来命名。 ◦ 举例：在SiO2 , B2O3 , Al2O3 作玻璃形成体 构成的玻璃中，如果氧化物含量SiO2 > B2O3 > Al2O3 叫做铝硼硅酸盐。

材料化学第二章晶态和非晶态材料的特性

材料化学第二章晶态和非晶态材料的特性

普通玻璃——
大规模生产的平板玻璃、器皿玻璃、电真空器件玻璃等；
特种玻璃—— SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐
氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸 盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等） ； 非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、 金属玻璃等）以及光学纤维等。
不同的物质，其清亮点的高低和熔点至清亮点之间的
温度范围是不同的。
（2）溶致性液晶：是依靠溶剂的溶解分散，在一定浓度
范围形成的液晶态物质。
除了这两类液晶物质外，人们还发现了在外力场（压力、
流动场、电场、磁场和光场等）作用下形成的液晶。例
如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种压致型液 晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼在施加流动场后可呈 现液晶态，因此属于流致型液晶。
向列相--纹影织构
粒状织构
滴状织构（两相共存时）
胆甾相--指纹状织构
平面织构
油状织构
近晶相--焦锥织构
扇形织构
多边形织构
取向时的条带织构
电取向后手性近晶相的条纹织构
蓝相织构
五、液晶显示技术
液晶显示器（liquid crystal display,简称LCD）：
驱动电压低——几伏 功耗极小——μW/cm2 黑白显示：向列相液晶，各向异性随电场变化； 彩色显示：彩色偏振薄膜
即指石英（SiO2）玻璃 SiO2玻璃结构模型：
连续无规网络模型——1932年由查哈里森（Zachariasen） 提出。认为在石英玻璃中，每个硅原子与周围4个氧原子形 成化学键，组成硅氧四面体[SiO4]，各个四面体之间又通过 共用顶点O而相互连接，形成三维延伸的无规则网络结构。 ���
微晶模型——1921年前苏联学者列别捷夫提出。该模型认

第2讲 晶态与非晶态

第2讲 晶态与非晶态
如萤石的解理块为八面体，仅靠八面体 不能堆砌出完整的晶体。
萤石的八面体解理块
⑵许多晶体，如石英，不能破碎成几何 多面体。 ⑶最小的平行六面体并不是“分子”。
惠更斯：认为晶体中质点的有序排列导 致晶体具有一定的多面体外形。
布拉维（A.Bravais） 推导出32种对称型和14种空间格子，提 出晶体结构的空间格子理论。 劳埃(Max Von Laue)，德国科学家。
⑹定熔性 指晶体具有固定熔点的性质。
熔 点 熔 点
t 非晶质体的加热曲线 非晶质体的加热曲线 晶体的加热曲线 晶体的加热曲线
t t
原子堆积与晶体中的缺陷 实际的晶体可以看作一些一定尺寸的硬球的堆积： 尺寸大的原子或离子尽量靠近，为了使自由能最小，它们作最紧 密堆积(ccp或hcp)；在形成密堆积时，还有四面体空位和八面体 空位，小尺寸原子或离子就进入这些空位 金属结构大部分由等原子半径的金属元素面心密积或六方密堆积 化合物中通常由离子半径大的离子作密堆积，半径小的离子占空位
传导电子、空穴、极化子、陷阱 杂质、空位、位错
√
晶体的许多性质因缺陷改变，控制缺陷可以控制晶体的性能
点缺陷(零维缺陷)：填隙原子、空位、杂质和空位对等
Frenkel
Schottky
纯度：99％， 99.9％， 99.99％， 99.999％， 99.9999％ 铁 ＋ 碳 ZnS ＋ 10－4 钢 ％ (原子)AgCl 45号钢（0.45％ C）
NaC1晶体的抗拉强度的异向性 （单位：g/mm2）
⑶均一性 同一晶体任何部位的物理性质和化学组 成均相同。 如何理解晶体异向性和均一性的统一？
⑷对称性 所有的晶体都是对称的。晶体的对称 不但表现在外形上，其内部构造和物 理性质也是对称的。 ⑸稳定性 在相同的热力学条件下，晶体与同种成 分的非晶质体、液体、气体相比，以晶 体最为稳定。

第二章晶态和非晶态材料的特性

第二章晶态和非晶态材料的特性
玻璃是一种脆性材料，其强度一般用抗压、抗张 强度等来表示。玻璃的抗张强度较低，由于玻璃 的脆性和玻璃表面的瑚裂纹所引起的。玻璃的抗 压强度约为抗张强度的14—15倍
(2)硬度
玻璃的硬度较大，硬度仅次于金刚石、炭化硅等材 料，它比一般金属硬，不能用普通刀和锯进行切割； 玻璃的硬度值在莫氏硬度5—7之间，可根据玻璃的 硬度选择磨料、磨具和加工方法，如雕刻、抛光、 研磨和切割等
晶体能自发形成多面体外形(晶体的自范性) ，满足欧拉定理 F(晶面数)+V(顶点数)=E(晶棱数)+ 2
6+8=12+2 8+6=12+2 4+4=6+2
晶体的理想外形具有特定的对称性，这是内部结构对称性的反映
4、晶体有确定的熔点而非晶体没有
晶体加热至熔点开始熔化，熔化过程中温度 保持不变，熔化成液态后温度才继续上升。 而非晶态玻璃体熔化时，随着温度升高，粘 度逐渐变小，成流动性较大的液体
第二章 晶态和非晶态材料的特性
1. 晶体特征的结构基础 2. 晶体学点群和晶体的性质 3. 非整比化合物材料 4. 液晶材料 5. 玻璃和陶瓷
2.1 晶体特征的结构基础
晶体结构最基本的特征是周期性，晶体是由 原子或分子在空间按一定规律周期重复排列 构成的固态物质，具有三维空间周期性。由 于这样的内部结构，晶体具有以下性质:
(3)光学性质
玻璃是一种高度透明的物质，具有一定的光学常数、 光谱特性，具有吸收或透过紫外线和红外线、感光、 光变色、光储存和显示等重要光学性能。通常光线 透过愈多，玻璃质地越好。由于玻璃品种较多，各 种玻璃的性能也有很大的差别，如有的铅玻璃具有 防辐射的特性。一般通过改变玻璃的成分及工艺条 件，可使玻璃的性能有很大的变化

2-1 第二章 凝聚态-晶态、非晶态

2-1 第二章 凝聚态-晶态、非晶态
第二章 高分子的凝聚态结构
1
• • • • •
2.1晶态聚合物的结构 2.2非晶态聚合物结构 2.3 高分子液晶 2.4 聚合物的取向结构 2.5 多组分聚合物
2
教学内容：聚合物的各种凝聚态结构（晶 态、非晶态、液晶态、取向和织态结构）
教学目的：通过本章的学习全面掌握高分子链之间的 各种排列方式及由此而产生的各种凝聚态结构，弄清 高分子链结构条件和外部条件与凝聚态结构之间的关 系，了解各种凝聚态结构的表征和应用，初步建立凝 聚态结构与性能之间关系。 重点和难点：各种凝聚态结构（晶态、非晶态、液晶 态、取相态、高分子合金的织态）的结构特点、形成 条件和性能差异。
24
空间格子（空间点阵）
• 把组成晶体的质点抽象成为几何点，由这些等同的几 何点的集合所形成的格子，称为空间格子，也称空间 点阵。 • 点阵结构中，每个几何点代表的是具体内容，称为晶 体的结构单元。 • 所以，晶体结构=空间点阵+结构单元
晶体结构与点阵的关系
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• 直线点阵——分布在同一直线上的点阵
a b c, a b g 90 0
a b c, a g 90 0 , b 90 0
a b c,a b g 90 0
28
晶面和晶面指数
晶格内所有格子点全部集中在相互平行的 等间距的平面群上，这些平面叫做晶面。 晶面与晶面之间的距离叫做晶面间距。
• 具有较大的侧基的高分子，为了减小空间阻碍， 降低位能，则必须采取旁式构象。 例如：全同PP， 聚邻甲基苯乙烯， 聚甲基丙烯酸甲酯PMMA， 聚4-甲基-1-戊烯 ， 聚间甲基苯乙烯 等。
39
等规聚丙烯（IPP）
1．PP构象（螺旋构象H31） 2．晶系：单斜、六方、拟六方 3．晶胞俯视图（单斜）

第二章晶态与非晶态材料的特性

第二章晶态与非晶态材料的特性

（2） 金属玻璃
金属玻璃是一种崭新的玻璃态金属，外貌酷似玻璃， 但实质却是金属，因此人们称它为金属玻璃。金属玻璃具 有很高的强度、硬度、弹性、刚性和优异磁学、耐腐蚀、 耐磨损性能等 。 浙江大学新结构材料国际研究中心蒋建中教授组织开 发了目前世界上尺寸最大的稀土基金属玻璃材料——直径 为35毫米的镧基金属玻璃体系。
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2.4 液晶材料
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2.5 玻璃和陶瓷
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第二章 晶态和晶态材料的特性
2.1 晶体特征的结构基础
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(101)
Intensity /a.u.
(004)
(200)
(105) (204) (215)
20
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2.5.2 玻璃
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特种玻璃
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分子量为200~500，长度达几个纳米的分子才会 出现液晶形态。进而在液晶状态出现多种特殊的 性质和应用价值。液晶ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ常见的应用领域为各种 液晶显示器。
固体材料的升温和降温曲线
５、晶体的对称性
晶体的点阵结构决定了晶体的内部结构和理 想外形都具有对称性。
理想外形的对称性属于宏观对称性； 内部结构的对称性属于微观对称性。
2.2 非整比化合物材料
当晶体中出现空位或填隙原子,从而使化合物 的成份偏离整数比，这在晶体中是很普遍的现 象。有这种现象的晶体被称为非整比化合物， 即晶体的组成中各类原子的相对数目不能用几 个小整数比表示的化合物。
非整比化合物在光学性能、半导体性、金属性、磁 性及化学反应活性等方面与整比化合物有很大的差异和 特点。因而成为重要的固体材料。
产生非整比化合物的情况有以下几类：
1、某种原子过多或短缺
如氧化亚铁，通常它的化学式可写为Fe1-xO, 晶体中部分Fe2+被氧化成三价（ Fe3+ ），从而使 Fe:O的比值在1:1~2:3之间发生变化。 又如当将ZnO在1000K以上置于金属锌蒸汽环 境中可形成Zn 1＋δO的半导体材料，同时晶体的颜 色也从白色转化为红色。
第二章 晶态和非晶态材料的特性
2.1 2.2 2.3 2.4

晶体特征的结构基础 非整比化合物材料 液晶材料 玻璃与陶瓷
2.1 晶体特征的结构基础 晶态物质有别于气体、液体的最典 型特征是具有点阵结构，正是由于本身 结构的特殊性，使晶体呈现出与其它物 质完全不同的特殊性质。
１、晶体的均匀性
一些有机化合物晶体在加热过程中，当到达某 一温度Ｔ1时，熔化成黏稠状稍呈混浊的液体。继续 加热到更高温度Ｔ2时，将会变为透明液体。以偏光 显微镜观察，在上述温度区间Ｔ1~Ｔ2内液体有明显 的纹理，呈光学的各向异性，称之为液晶。
而塑晶能在恒定的温度下贮存热量或放热。但 此过程不是依靠固~液相变贮热，而是通过分子构 型的变化所发生的固~固相变贮热。
2.3 液晶材料
1888年奥地利植物学家F.Reinitzer首先发现 了液晶现象，但液晶技术和液晶材料直到20世
纪50年代以后，随着人们对物质结构和性质研
究的飞跃发展，逐渐加深了结构与性质关系的 了解，才使探索液晶奥秘的研究出现了重大突 破，也在实际应用中取得了可喜进展。
1、液晶和塑晶
通常物质有固、液、气三种状态，但对有些物 质，它们的固态和液态就很难区分（就像超临界状 态中气、液态不分）。存在许多中间状态，晶体和 液体之间存在着两种中间状态，类似晶体的液体和 类似液体的晶体，分别称为液晶和塑晶。
在晶体和液体之间出现中间状态是因为晶体 熔化时会产生两种无序运动：平动和转动。绝大
多数晶体在温度升高后，同时产生平动无序和转
动无序。具体表现为晶格消失，发生熔化现象。 但有一些材料，这两种作用并非同时产生，其中 一种运动比另一种运动相对容易，因而出现这种 转变的中间状态。
当晶体先失去平移对称性的特点，即晶体 点阵上的质点可以自由运动，物理性质上就变 成了液体；液晶就属于这种情况。 当晶体先开始转动无序，这时各质点依然 保持平移对称性，也保持了固体的形态，只有 在温度进一步升高后，发生了平移无序，此时 晶体才真正熔化。在这段温度范围内的材料称 为塑晶。
晶体的外形既受内部结构（点阵排列方式） 制约，又在一定程度上受外因（温度、压力、 浓度、杂质）的影响。但同一种晶体的每两个 相应界面的夹角是不受外界条件的影响，保持 恒定不变。这个规律称为“晶面角守恒定律” 非晶体如玻璃体在从液相冷却时，形成的 固体表面圆滑，没有固定的外形。
４、晶体的熔点
晶体在受到热作用时，温度升高，组成晶体 的点阵上的原子或原子团而因振动加剧，当此振 动的能量（平动和转动）达到晶格能（晶格对原 子的束缚）时，晶体的结构被破坏，晶体开始熔 化。因晶体中各原子所处的环境相同，所以熔化 的温度也相同。所以晶体有一定的熔点，即在一 特定的温度下完全熔化。而非晶体由于各质点的 环境不同，原子或原子团所受的约束力不同。受 约束力小的部分在较低温度下开始熔化，而受约 束力大的部分此时仍不能自由运动，以固体形态 存在。
２、晶体的各向异性
由于晶体在各个方向上的点阵向量不同，导致 了晶体在不同方向上具有不同的物理性质，即各 向异性。最重要的各向异性包括电导率、膨胀系 数、折光率、机械强度等。
３、晶体的自范性
在适宜的外界条件下，晶体能自发生长出 晶面，晶棱等几何元素所转成的凸多面体，晶 体的这一性质即为晶体的自范性。 在理想的环境中，晶体可以生长成凸多面 体，此凸多面体的晶面数(F)、晶棱数(E)和顶点 数(V)之间的关系符合下式： Ｆ＋Ｖ＝Ｅ＋２ 如：四面体：Ｆ＝４，Ｖ＝４，Ｅ＝６ 八面体：Ｆ＝８，Ｖ＝６，Ｅ＝１２ 三角双锥：？
由于晶体中原子排布的周期性规则，同时该周 期非常小，在宏观观察中不能分辨出晶体微观结构 中的不连续性，从而导致了晶体各部分具有相同的 密度、化学组成等性质。因此，从宏观角度看，晶 体具有均匀性。 气体、液体和玻璃体也有均匀性，但那是由于 原子杂乱无章的分布，即它们的均匀性来源于原子 的无序分布的统计性规律。两者之间有着实质的不 同。 晶体的均匀性是焓因素决定的； 非晶体的均匀性是由熵因素引起的。
2、层间嵌入某些离子、原子或分子 某些层状晶体层间是以Van De Wauls力结合， 容易在层间插入原子或分子材料，从而形成非整 比化合物。 3、晶体吸收某些小原子 氢等原子半径较小的离子或原子可以和许多 过渡金属形成可变的间隙型化合物，如PdHx、 Ni5Hx等。这些氢化物可以可逆地分解，从而恢复 到金属和氢气状态，因此是很好的储氢材料。此 外，Li、Be等原子或离子的半径也足够小，可形 成间隙型化合物。
２、液晶的特性
液晶是一种介于固体与液体之间的物质状态， 同时具有液体的流动性和晶体的各向异性。如光 学、介电常数、折射率等。 液晶虽然不再有平移对称性这一晶体特征， 但是由于分子仍以平行方式排列，沿某一方向具 有晶体的长程有序特点。
并非所有的有机化合物分子都具有液晶态，
只有那些形状类似棒状，长宽比在４~８之间，