材料科学基础第一章部分知识点

1. 晶体及其特征晶体及其特征 晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固 体。体。 特征：特征： 1) 自范性自范性:晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质,又称为自限性又称为自限性. 2) 均一性均一性:指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征. 3) 各向异性各向异性:在晶体的不同方向上具有不同的性质在晶体的不同方向上具有不同的性质. 4) 对称性对称性:指晶体的物理化学性质能够在不同方向或位置上有规律地出现指晶体的物理化学性质能够在不同方向或位置上有规律地出现,也称周期性也称周期性. 5) 最小内能和最大稳定性最小内能和最大稳定性 2. 晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵 晶体格子：把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架即晶体格子，简称晶晶体格子：把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架即晶体格子，简称晶 格。格。 结点：质点的中心位置称为晶格的结点。结点：质点的中心位置称为晶格的结点。 晶体点阵：由这些结点构成的空间总体称为晶体点阵（空间格子或空间点阵）晶体点阵：由这些结点构成的空间总体称为晶体点阵（空间格子或空间点阵） 。结。结 点又叫阵点。点阵中结点仅有几何意义，并不真正代表任何质点。点又叫阵点。点阵中结点仅有几何意义，并不真正代表任何质点。 晶体中质点排列具有周期性和对称性晶体中质点排列具有周期性和对称性晶体的周期性：整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向按一定间距重复出现形成晶体的周期性：整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向按一定间距重复出现形成 的，结点间的距离称为该方向上晶体的周期。同一晶体不同方向的周期不一定相同。可以的，结点间的距离称为该方向上晶体的周期。同一晶体不同方向的周期不一定相同。可以 从晶体中取出一个单元，表示晶体结构的特征。取出的最小晶格单元称为从晶体中取出一个单元，表示晶体结构的特征。取出的最小晶格单元称为晶胞晶胞。晶胞是从。晶胞是从 晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。 3. 晶胞与晶胞参数晶胞与晶胞参数 晶胞晶胞晶体中的重复单元，平行堆积可充满三维空间，形成空间点阵晶体中的重复单元，平行堆积可充满三维空间，形成空间点阵 晶胞类型晶胞类型 ： 固体物理学原胞：仅反映周期性最小的固体物理学原胞：仅反映周期性最小的 结晶学原胞：反映周期性和对称性，结晶学原胞：反映周期性和对称性， 不一定是最小的。不一定是最小的。 不同晶体的差别：不同晶体的晶胞，其形状、大小可能不同；围绕每个结点的原子不同晶体的差别：不同晶体的晶胞，其形状、大小可能不同；围绕每个结点的原子 种类、数量、分布可能不同。种类、数量、分布可能不同。 选取结晶学晶胞的原则： 1.单元应能充分表示出晶体的对称性；单元应能充分表示出晶体的对称性； 2.单元的三条相交棱边应尽量相等，或相等的数目尽可能地多；单元的三条相交棱边应尽量相等，或相等的数目尽可能地多； 3.单元的三棱边的夹角要尽可能地构成直角；单元的三棱边的夹角要尽可能地构成直角； 4.单元的体积应尽可能地小。单元的体积应尽可能地小。 二、晶体结构的定量描述二、晶体结构的定量描述晶面指数、晶向指数晶面指数、晶向指数 晶面、晶向及其表征晶面、晶向及其表征 晶面：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面，即结晶面：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面，即结 晶多面体上的平面。晶多面体上的平面。 晶向：点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，位于一条直线上的晶向：点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，位于一条直线上的 结点构成一个晶向。结点构成一个晶向。 1. 晶面、晶向及其表征晶面、晶向及其表征 晶面：晶体点阵在任何方向上可分解为相互平行的结点平面，这样的结点平面称为晶面：晶体点阵在任何方向上可分解为相互平行的结点平面，这样的结点平面称为 晶面。晶面。 晶面上的结点，在空间构成一个二维点阵。晶面上的结点，在空间构成一个二维点阵。同一取向上的晶面，不仅相互平行、间距相等，而且结点的分布也相同。同一取向上的晶面，不仅相互平行、间距相等，而且结点的分布也相同。 不同取向的结点平面其特征各异。不同取向的结点平面其特征各异。 任何一个取向的一系列平行晶面，都可以包含晶体中所有的质点。任何一个取向的一系列平行晶面，都可以包含晶体中所有的质点。 晶面指数：结晶学中经常用（晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字 hkl 是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。 晶面族：晶体结构中原子排列状况相同但不平行的两组以上的晶面，构成一个晶面族：晶体结构中原子排列状况相同但不平行的两组以上的晶面，构成一个晶面晶面 族族。常存在对称性高的晶体（如立方晶系）中。常存在对称性高的晶体（如立方晶系）中。 晶面族指数（符号）：通常用晶面族中某个最简便的晶面指数填在大括号晶面族指数（符号）：通常用晶面族中某个最简便的晶面指数填在大括号 内，内， 称为晶面族指数，用符号称为晶面族指数，用符号hkl表示。表示。 将将hkl中的中的 h、 k、 l，改变符号和顺序，进行任意排列组合，就可构成，改变符号和顺序，进行任意排列组合，就可构成 这个晶面族所包括的所有晶面的指数。这个晶面族所包括的所有晶面的指数。同一晶面族各平行晶面的面间距相等。同一晶面族各平行晶面的面间距相等。 晶向：点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，结点等距离地分布在直线上。晶向：点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，结点等距离地分布在直线上。 位于一条直线上的结点构成一个晶向。位于一条直线上的结点构成一个晶向。同一直线组中的各直线，其结点分布完全相同，故其中任何一直线，可作为直线组的代同一直线组中的各直线，其结点分布完全相同，故其中任何一直线，可作为直线组的代 表。不同方向的直线组，其质点分布不尽相同。表。不同方向的直线组，其质点分布不尽相同。任一方向上所有平行晶向可包含晶体中所有结点，任一结点也可以处于所有晶向上。任一方向上所有平行晶向可包含晶体中所有结点，任一结点也可以处于所有晶向上。 晶向指数：用晶向指数：用uvw来表示。其中来表示。其中 u、v、w 三个数字是晶向矢量在参考坐标系三个数字是晶向矢量在参考坐标系 X、Y、Z 轴上的矢量分量经等比例化简而得出。轴上的矢量分量经等比例化简而得出。 晶向指数的确定：将坐标原点选在晶向指数的确定：将坐标原点选在 OP 的任一结点的任一结点 O 点，把点，把 OP 的另一结点的另一结点 P 的坐标经等的坐标经等 比例化简后按比例化简后按 X、Y、Z 坐标轴的顺序写在方括号坐标轴的顺序写在方括号 内，则内，则uvw即为即为 OP 的晶向指数。的晶向指数。 晶向族：晶体中原子排列周期相同的所有晶向为一个晶向族：晶体中原子排列周期相同的所有晶向为一个晶向族晶向族，用，用uvw表示。表示。同一晶向族中不同晶向的指数，数字组成相同。同一晶向族中不同晶向的指数，数字组成相同。已知一个晶向指数后，对已知一个晶向指数后，对 u、 v、 w 进行排列组合，就可得出此晶向族所有晶向的指进行排列组合，就可得出此晶向族所有晶向的指 数。如数。如111晶向族的晶向族的 8 个晶向指数代表个晶向指数代表 8 个不同的晶向；个不同的晶向；110晶向族的晶向族的 12 个晶向指个晶向指 数代表数代表 12 个不同的晶向。个不同的晶向。 2. 六方晶系的晶面指数和晶向指数六方晶系的晶面指数和晶向指数 六方晶系的晶胞是边长为六方晶系的晶胞是边长为 a，高为，高为 c 的六方棱柱体。的六方棱柱体。 四轴定向：晶面符号一般写为（四轴定向：晶面符号一般写为（hkil） ，指数的排列顺序依次与，指数的排列顺序依次与 a 轴、轴、b 轴、轴、d 轴、轴、 c 轴相对应，其中轴相对应，其中 a、b、d 三轴间夹角为三轴间夹角为 120o，c 轴与它们垂直。它们之间的关系轴与它们垂直。它们之间的关系 为：为：i=（hk） 。 晶向指数和晶向族指数分别用晶向指数和晶向族指数分别用uvtw和和uvtw来表示。其中来表示。其中 t=（uv） 。 3. 晶向与晶面的关系晶向与晶面的关系 在立方晶系中，同指数的晶面和晶向之间有严格的对应关系，即同指数的晶向与晶面相互在立方晶系中，同指数的晶面和晶向之间有严格的对应关系，即同指数的晶向与晶面相互 垂直，也就是说垂直，也就是说hkl晶向是（晶向是（hkl）晶面的法向。）晶面的法向。 晶面间距与晶面指数的关系：晶面间距与晶面指数的关系：2.21）离子键）离子键 离子键实质离子键实质晶晶 系系 立立 方方 正正 方方 六六 方方 斜斜 方方 晶晶 面面 间间 距距 122222dhkl a 1 222222dhk al c14 3222222dhhkk al c() 1 2222222dh ak bl c 离子键：由正、负离子依靠静电库仑力而产生的键合。离子键：由正、负离子依靠静电库仑力而产生的键合。离子晶体：质点之间主要依靠静电库仑力而结合的晶体。离子晶体：质点之间主要依靠静电库仑力而结合的晶体。典型离子晶体：第典型离子晶体：第 I 族碱金属元素和第族碱金属元素和第 VII 族卤族元素结合成的晶体，如族卤族元素结合成的晶体，如 NaCl，CsCl 等。等。 离子键特性离子键特性a) 无方向性无方向性离子核外电荷分布为球形对称，因此在各方向上都可与相反电荷离子相吸引。离子核外电荷分布为球形对称，因此在各方向上都可与相反电荷离子相吸引。b) 无饱和性无饱和性一个离子可以同时和几个异号离子相结合。一个离子可以同时和几个异号离子相结合。 离子晶体性质离子晶体性质 1) 离子键结合力很大，故离子晶体结构非常稳定，反映在宏观性质上，离子晶体的熔离子键结合力很大，故离子晶体结构非常稳定，反映在宏观性质上，离子晶体的熔 点高，硬度大，热膨胀系数小点高，硬度大，热膨胀系数小;2) 离子晶体若发生相对移动，将失去电平衡，离子键被破坏，故离子晶体多为脆性离子晶体若发生相对移动，将失去电平衡，离子键被破坏，故离子晶体多为脆性;3) 离子键中很难产生可以自由运动的电子，则离子晶体都是很好的绝缘体离子键中很难产生可以自由运动的电子，则离子晶体都是很好的绝缘体;4) 大多数离子晶体对可见光透明，在远红外区有一特征吸收峰大多数离子晶体对可见光透明，在远红外区有一特征吸收峰红外光谱特征。红外光谱特征。 2) 共价键共价键 共价键实质共价键实质共价键：原子之间通过共用电子对或通过电子云重叠而产生的键合。共价键：原子之间通过共用电子对或通过电子云重叠而产生的键合。共价晶体或原子晶体：靠共价键结合的晶体。共价晶体或原子晶体：靠共价键结合的晶体。典型的共价晶体：第典型的共价晶体：第 IV 族元素族元素 C（金刚石）（金刚石） ，Si，Ge，Sn（灰锡）等的晶体，属金刚（灰锡）等的晶体，属金刚 石结构。石结构。 共价键特性共价键特性有饱和性有饱和性 有方向性有方向性 ） 金属键金属键 金属键实质金属键实质金属键：是元素失去最外层电子（价电子）后变成带正电的离子和自由电子组成的电金属键