材料科學(xué)基礎(chǔ)ppt上海交通大學(xué)演示文稿

材料科學(xué)基礎(chǔ)ppt上海交通大學(xué)演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有99頁\編輯于星期一本節(jié)的基本要求重點掌握：1.相、組織、固溶體、中間相（金屬間化合物）的概念2.固溶體、中間相的分類、特點和用途一般了解1.離子、共價和聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)及相對應(yīng)的性能特點現(xiàn)在是2頁\一共有99頁\編輯于星期一重點和難點（1）固溶體的分類及其結(jié)構(gòu)特點。（2）影響固溶體固溶度的因素。（3）超結(jié)構(gòu)的類型和影響有序化的因素。（4）中間相的分類及其結(jié)構(gòu)特點。現(xiàn)在是3頁\一共有99頁\編輯于星期一4h為何工業(yè)上很少使用純金屬,而多使用合金?現(xiàn)在是4頁\一共有99頁\編輯于星期一概述

1.

合金(alloy)----兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)冶煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。組元----組成合金的基本單元。組元可以是金屬和非金屬,也可以是化合物

2.組織(structure)----材料中的直觀形貌,可以用肉眼觀察到,也可以借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的微觀形貌。分為:宏觀組織:肉眼或是30倍放大鏡所呈現(xiàn)的形貌；顯微組織:顯微鏡觀察而呈現(xiàn)的形貌。

3.

相(phase)----合金中具有同一聚集狀態(tài),同一化學(xué)成分、同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。現(xiàn)在是5頁\一共有99頁\編輯于星期一

合金相的性質(zhì)由以下三個因素控制:（1）電化學(xué)因素(電負性或化學(xué)親和力因素)

電負性——（2）原子尺寸因素△r=（rA－rB)/rA△r越大，越易形成中間相?！鱮越小，越易形成固溶體（3）原子價因素(電子濃度因素):C電子=[A(100－x)＋Bx]/100C越大，越易形成化合物；C越小，越易形成固溶體現(xiàn)在是6頁\一共有99頁\編輯于星期一現(xiàn)在是7頁\一共有99頁\編輯于星期一合金與相

相的分類固溶體：以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶入其他組元原子所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它的晶體結(jié)構(gòu)與其溶劑相同。中間相（金屬化合物）：組成原子有固定比例，其結(jié)構(gòu)與組成組元均不相同的相，且這種相成分處于AB互溶的溶解度之間，即落在相圖的中間部位。現(xiàn)在是8頁\一共有99頁\編輯于星期一2.3.1固溶體

固溶體(solidsolution)

：固溶體的最大特點是保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在是9頁\一共有99頁\編輯于星期一1.固溶體分類(1)按溶質(zhì)原子在點陣中所占位置分為：置換固溶體(substitutionalsolidsolution)：溶質(zhì)原子置換了溶劑點陣中部分溶劑原子。間隙固溶體(interstitialsolidsolution)：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙中。(2)按溶質(zhì)原子在溶劑原子中溶解度分類：有限固溶體：在一定條件下,溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解量有一個上限,超過這個限度就形成新相。無限固溶體：溶質(zhì)原子可以任意比例溶入溶劑晶格中形成的。如:Cu—NiAu—AgTi—Zr····，結(jié)構(gòu)相同。現(xiàn)在是10頁\一共有99頁\編輯于星期一(3)按溶質(zhì)原子在溶劑中的分布特點分類

無序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑中任意分布,無規(guī)律性。

有序固溶體：溶質(zhì)原子按一定比例和有規(guī)律分布在溶劑晶格的點陣或間隙里。(4)按基體類型分類：

一次固溶體：以純金屬為基形成的固溶體。

二次固溶體：以化合物為基形成的固溶體?，F(xiàn)在是11頁\一共有99頁\編輯于星期一固溶體的兩種類型（置換和間隙）現(xiàn)在是12頁\一共有99頁\編輯于星期一有序固溶體－短程現(xiàn)在是13頁\一共有99頁\編輯于星期一有序固溶體－長程現(xiàn)在是14頁\一共有99頁\編輯于星期一有序固溶體－偏聚現(xiàn)在是15頁\一共有99頁\編輯于星期一2.置換固溶體

置換固溶體一般在金屬元素之間形成，但要有一定條件。

(1)晶體結(jié)構(gòu)相同是形成無限固溶體的必要條件。否則只能形成有限固溶體。

(2)原子尺寸在其它條件相近時,△r<15%或r質(zhì)/r劑>0.85固溶體中溶解度較大,否則較小。如:鐵基合金中，△r<8%才能形成無限固溶體。銅基合金中，△r<10%才能形成無限固溶體。

(3)電負差越大,兩者間親和力大,易形成中間相。否則易形成固溶體。

(4)電子濃度值大易形成化合物；電子濃度小易形成固溶體。現(xiàn)在是16頁\一共有99頁\編輯于星期一置換固溶體示意圖現(xiàn)在是17頁\一共有99頁\編輯于星期一置換固溶體大小溶質(zhì)原子引起的點陣畸變現(xiàn)在是18頁\一共有99頁\編輯于星期一3.間隙固溶體

間隙固溶體的的溶質(zhì)原子是一些原子半徑小于0.1nm的非金屬元素（如C、N、O、、H、B）。其形成條件是△r>41%或r質(zhì)/r劑<0.59間隙固溶體只能是有限固溶體,一般溶解度較小。如：碳原子在α－Fe（最大Wt=0.0218%）和γ－Fe（最大Wt=2.11%）中形成的間隙固溶體為有限固溶體?，F(xiàn)在是19頁\一共有99頁\編輯于星期一間隙固溶體示意圖1現(xiàn)在是20頁\一共有99頁\編輯于星期一間隙固溶體示意圖2現(xiàn)在是21頁\一共有99頁\編輯于星期一間隙固溶體中的點陣畸變現(xiàn)在是22頁\一共有99頁\編輯于星期一4.固溶體的微觀不均勻性

固溶體中溶質(zhì)原子的分布并不是完全無序的。一般認為熱力學(xué)上平衡狀態(tài)的無序固溶體溶質(zhì)原子分布在宏觀上是均勻的,在微觀上是不均勻的。在一定條件下,溶質(zhì)原子和溶劑原子在整個晶體中按一定的順序排列起來,形成有序固溶體。有序固溶體中溶質(zhì)原子和溶劑原子之比是固定的,可以用化學(xué)分子式來表示,因此把有序固溶體結(jié)構(gòu)稱為超點陣。例如：在Cu－Al合金中,Cu：Al原子比是1：1或3：1時從液態(tài)緩冷條件下可形成有序的超點陣結(jié)構(gòu),用CuAl或Cu3Al來表示?，F(xiàn)在是23頁\一共有99頁\編輯于星期一固溶體--微觀不均勻性固溶體中溶質(zhì)原子的分布方式取決于固溶體中同類原子EAA、EBB和異類原子間結(jié)合能EAB的相對大小。

EAB=1/2(EAA+EBB)---完全無序

EAB>1/2(EAA+EBB)---偏聚

EAB<1/2(EAA+EBB)---短程有序、長程有序。溶質(zhì)原子呈長程或完全有序分布的固溶體，稱為有序固溶體現(xiàn)在是24頁\一共有99頁\編輯于星期一5.固溶體的性質(zhì)

固溶體中由于含有溶質(zhì)原子會引起點陣常數(shù)、性能的變化。表現(xiàn)：

(1)點陣常數(shù)改變置換固溶體：r質(zhì)>r劑，a增大；r質(zhì)<r劑，a減小。間隙固溶體：a始終隨溶質(zhì)原子溶入而增大。

(2)固溶強化：溶質(zhì)原子溶入,使其硬度和強度升高。

(3)物理化學(xué)性能改變。例如：硅鋼片(2～4%Si)、不銹鋼(大于13%）Cr、金屬間化合物的磁性轉(zhuǎn)變（Ni3Mn、Cu2MnAl)現(xiàn)在是25頁\一共有99頁\編輯于星期一2.3.2中間相

中間相是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相,它可以是化合物,也可以是以化合物為基的固溶體(二次固溶體),一般可以用化學(xué)分子式來表示,但不一定符合化合價規(guī)律。中間相中原子的結(jié)合方式為金屬鍵與其它結(jié)合鍵相混合的方式。它們都具有金屬特性。中間相如：鋼中Fe3C、鋁銅合金中CuAl、黃銅中CuZn、半導(dǎo)體中GaAs、形狀記憶合金中NiTi和CuZn、核反應(yīng)堆材料中Zr3Al、儲氫能源材料中LaNi5等。中間相分類：正常價化合物、電子化合物、原子尺寸有關(guān)化的化合物(間隙相、間隙化合物、TCP相)、超結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在是26頁\一共有99頁\編輯于星期一1.正常價化合物

正常價化合物（valencecompound）是一些金屬與電負性較強的ⅥA、ⅤA、ⅣA族的一些元素按照化學(xué)上的原子價規(guī)律所形成的化合物。其特點是符合化合物規(guī)律。具有嚴格的化合比、成分固定不變，成分可用化學(xué)式表示,一般為AB型、AB2型或A2B型、A3B2型。

正常價化合物的晶體結(jié)構(gòu)通常對應(yīng)于同類分子式的離子化合物結(jié)構(gòu)。例如:A2B型Mg2PbMg2SnMg2GeMg2SiAB型MgSMnSFeS

正常價化合物在常溫時有很高的硬度和脆性。在工業(yè)合金中,能起到提高材料強度和硬度的作用,稱為強化相。如Al－Mg－Si合金中Mg2Si；但有時也是有害相,如鋼中FeS會引起鋼的脆性。現(xiàn)在是27頁\一共有99頁\編輯于星期一2.電子價化合物

電子價化合物（electroncompound）是由ⅠB族（Cu、Au、Ag）或過渡族金屬（Fe、Co、Ni）與ⅡB、ⅢA、ⅣA族元素形成的金屬化合物。電子價化合物的特點是不遵循原子價規(guī)律、電子濃度是決定其晶體結(jié)構(gòu)的主要因素。電子濃度相同,相的晶體結(jié)構(gòu)類型相同。

電子濃度=（化合物元素價電子總數(shù)/化合物原子數(shù)）注:計算時過渡族元素時價電子數(shù)視為0。電子濃度、相、結(jié)構(gòu)對應(yīng)關(guān)系如下：

C電子==7/4（即21/12）ε密排六方結(jié)構(gòu)

C電子==21/13γ復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)

C電子==3/2（即21/14）β體心立方結(jié)構(gòu)

β－Mn復(fù)雜立方或密排六方結(jié)構(gòu)

電子價化合物具有金屬特性,具有高熔點、高硬度但塑性低,與固溶體適當搭配使合金得到強化,作為非Fe合金中重要組成相?，F(xiàn)在是28頁\一共有99頁\編輯于星期一電子濃度化合物晶體結(jié)構(gòu)與電子濃度的關(guān)系電子濃度AB原子半徑關(guān)系晶體結(jié)構(gòu)3/2（21/14）相近密排六方相差較大體心立方21/13-黃銅型結(jié)構(gòu)7/4（21/12）密排六方現(xiàn)在是29頁\一共有99頁\編輯于星期一3.原子尺寸因素有關(guān)的化合物－A尺寸因素有關(guān)的化合物（size－factorcompound）類型與組成元素的原子尺寸有關(guān)。比較復(fù)雜。(1)間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物是由過渡族金屬與原子半徑很小的非金屬元素（C、H、N、B等）組成的。

rx/rm<0.59時形成簡單結(jié)構(gòu)的間隙相

rx/rm>0.59時形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物現(xiàn)在是30頁\一共有99頁\編輯于星期一a、間隙相間隙相的晶格類型比較簡單且與組元的結(jié)構(gòu)不同。在間隙相晶格中金屬原子占據(jù)正常位置,非金屬原子占據(jù)間隙位置,有如下規(guī)律：rx/rm<0.414時進入四面體間隙

rx/rm>0.414時進入八面體間隙化學(xué)式：M4XM2XMXMX2。間隙相的化學(xué)式與晶格類型有一定的對應(yīng)關(guān)系。表2.11（P49）間隙相具有金屬特性如有金屬光澤、良好的導(dǎo)電性、極高的硬度和熔點,是合金工具鋼、硬質(zhì)合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成相?，F(xiàn)在是31頁\一共有99頁\編輯于星期一b.間隙化合物間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。其表達式有如下類型：M3C、M7C3、M23C6、M6C。間隙化合物中金屬元素M常被其它金屬元素所代替形成化合物為基的固溶體（二次固溶體）。在H、N、C、B等非金屬元素中,由于H和N的原子半徑很小,與所有過渡族金屬都滿足rx/rm<0.59,所以過渡族金屬的氫化物、氮化物都為間隙相；而硼原子半徑rB/rm>0.59較大,rB/rm>0.59，硼化物均為間隙化合物；而碳原子半徑處于中間,某些碳化物為間隙相,某些為間隙化合物。間隙化合物的熔點、硬度較高，也是強化相?，F(xiàn)在是32頁\一共有99頁\編輯于星期一(2)

TCP相TCP相：拓撲密堆相是由兩種大小不同的金屬原子構(gòu)成的一類中間相，其中的大小原子通過適當?shù)呐浜蠘?gòu)成空間利用率和配位數(shù)很高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。由于這類結(jié)構(gòu)具有拓撲特征，故稱這些相為拓撲密堆相，簡稱TCP相，區(qū)別于幾何密堆相bcc、fcc、hcp等。特點：①由配位數(shù)為12、14、15、16的配位多面體堆垛而成；②呈層狀結(jié)構(gòu)。類型：①Lavs相②σ相現(xiàn)在是33頁\一共有99頁\編輯于星期一Lavs相形成的條件：（1）原子尺寸因素。A原子半徑略大于B原子，其理論值為rA/rB=1.255，而實際比值約在1.05～1.68之間；（2）電子濃度。一定的結(jié)構(gòu)類型對應(yīng)著一定的電子濃度。Lavs相形晶體結(jié)構(gòu)有三種類型。典型代表為MgCu2、MgZn2、MgNi2,與電子濃度對應(yīng)關(guān)系見表2.12（P52）

AB2型鎂合金、不銹鋼中出現(xiàn)現(xiàn)在是34頁\一共有99頁\編輯于星期一σ相

σ相通常存在于過度族金屬元素組成的合金中，其分子式可以寫作AB或AxBy，如FeCr、FeV等。盡管σ相可用化學(xué)式表示，但其成分是在一定范圍內(nèi)變化，也是以化合物為基的固溶體。

σ相具有復(fù)雜的四方結(jié)構(gòu)，其軸比c/a=0.52,每個晶胞中有30個原子，如圖2.49所示。（P54）

σ相在常溫下硬而脆，它的存在通常對合金有害，如引起不銹鋼中的晶間腐蝕和脆性等?，F(xiàn)在是35頁\一共有99頁\編輯于星期一4.超結(jié)構(gòu)—有序固溶體超結(jié)構(gòu)（superstructure/lattice）對于某些成分接近于一定原子比的無序固溶體，當它從高溫緩慢冷卻到某一臨界溫度以下時，溶質(zhì)原子會從從統(tǒng)計隨機分布狀態(tài)過渡到占有一定位置的規(guī)則排列狀態(tài)，即發(fā)生有序化，形成有序固溶體。類型：見表2-13和圖2-50。有序化條件：異類原子之間的相互吸引大于同類原子間有序化影響因素：溫度、冷卻速度和合金成分等。

現(xiàn)在是36頁\一共有99頁\編輯于星期一CuAu有序固溶體的晶體結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是37頁\一共有99頁\編輯于星期一5.金屬間化合物的性質(zhì)及應(yīng)用金屬間化合物由于原子鍵合和晶體結(jié)構(gòu)的多樣性，使得這些化合物具有許多特殊的物理、化學(xué)性能，已受到人們的日益重視，例如：（1）具有超導(dǎo)性質(zhì)的化合物：Nb3Ge,Nb3Al；（2）具有特殊電學(xué)性質(zhì)的化合物GaAs-ZnSe，在半導(dǎo)體中的應(yīng)用；（3）具有強磁性的金屬間化合物，稀土永磁材料SmCo5;(4)具有奇特吸釋氫本領(lǐng)的化合物L(fēng)aNi5;(5)具有特殊耐熱性的金屬間化合物Ni3Al;(6)耐蝕的金屬間化合物，如金屬的碳化物、硼化物以及氧化物等；（7）具有形狀記憶效應(yīng)的化合物TiNi

現(xiàn)在是38頁\一共有99頁\編輯于星期一2.4離子晶體（理解）離子晶體有關(guān)概念1.離子晶體(ioniccrystal)

：由正、負離子通過離子鍵按一定方式堆積起來而形成的。陶瓷大多數(shù)屬于離子晶體。2.離子半徑(ionicradius)

：從原子核中心到其最外層電子的平衡距離。對離子晶體，通常認為晶體中相鄰的正負離子中心之間的距離作為正負離子半徑之和，即R0=R++R－。但

利用x射線可求得R。離子半徑大小并非絕對，同一離子隨著價態(tài)和配位數(shù)而變。3.離子堆積：離子晶體通常由負離子堆積成骨架，正離子按其自身大小居于相應(yīng)負離子空隙（負離子配位多面體）。

現(xiàn)在是39頁\一共有99頁\編輯于星期一4.配位數(shù)CN(coordinationnumber)

：與某一離子鄰接的異號離子的數(shù)目。取決于正負離子的半徑比R+/R—，常見的是4、6、8，不同配位數(shù)時，離子半徑間關(guān)系為：

0.97rCN=8≈rCN=6≈1.1rCN=4

5.負離子配位多面體：離子晶體中與某一正離子成配位關(guān)系而鄰接的各負離子中心線所構(gòu)成的多面體。6.離子晶體的特點：離子鍵、硬度高、強度大、熔點高、等。典型的離子晶體是無色透明的?，F(xiàn)在是40頁\一共有99頁\編輯于星期一離子晶體結(jié)構(gòu)與鮑林規(guī)則

（Pauling’sRules）鮑林第一規(guī)則──在離子晶體中，正離子周圍形成一個負離子多面體，正負離子之間的距離取決于離子半徑之和，正離子的配位數(shù)取決于離子半徑比。（a）穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（b）穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（c）不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)41Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是41頁\一共有99頁\編輯于星期一正負離子半徑比配位數(shù)堆積結(jié)構(gòu)<0.15520.155～0.22530.225～0.41440.414～0.73260.732～1.0008~1.0001242正負離子半徑比與配位數(shù)及負離子堆積結(jié)構(gòu)的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是42頁\一共有99頁\編輯于星期一43負離子八面體空隙容納正離子時的半徑比計算Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是43頁\一共有99頁\編輯于星期一例：已知K+和Cl-的半徑分別為0.133nm和0.181nm，試分析KCl的晶體結(jié)構(gòu)，并計算堆積系數(shù)。解：晶體結(jié)構(gòu)：因為r+/r-=0.133/0.181=0.735，其值處于0.732和1.000之間，所以正離子配位數(shù)應(yīng)為8，處于負離子立方體的中心（見表2-6）。也就是屬于下面提到的CsCl型結(jié)構(gòu)。堆積系數(shù)計算：每個晶胞含有一個正離子和一個負離子Cl-，晶格參數(shù)a0可通過如下計算得到：a0=2r++2r-=2(0.133)+2(0.181)=0.628nma0=0.363nm2r++2r-44Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是44頁\一共有99頁\編輯于星期一靜電鍵強（bondstrengt）：正離子的形式電荷與其配位數(shù) 的比值。為保持電中性，負離子所獲得的總鍵強應(yīng)與負離子的電荷數(shù)相等。例：在CaTiO3結(jié)構(gòu)中，Ca2+、Ti4+、O2-離子的配位數(shù)分別為12、6、6。O2-離子的配位多面體是[OCa4Ti2]，則O2-離子的電荷數(shù)為4個2/12與2個4/6之和即等于2，與O2-離子的電價相等，故晶體結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。45鮑林第二規(guī)則——在離子的堆積結(jié)構(gòu)中必須保持局域的電中性。

(Localelectricalneutralityismaintained)Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是45頁\一共有99頁\編輯于星期一46鮑林第三規(guī)則——穩(wěn)定結(jié)構(gòu)傾向于共頂連接

(Corners,ratherthanfacesoredges,tendtobesharedinstablestructures)在一個配位結(jié)構(gòu)中，共用棱，特別是共用面的存在會降低這個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中高電價，低配位的正離子的這種效應(yīng)更為明顯。當采取共棱和共面聯(lián)連接，正離子的距離縮短，增大了正離子之間的排斥，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。例如兩個四面體，當共棱、共面連接時其中心距離分別為共頂連接的58%和33%Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是46頁\一共有99頁\編輯于星期一例：在鎂橄欖石結(jié)構(gòu)中，有[SiO4]四面體和[MgO6]八面體兩種配位多面體，但Si4+電價高、配位數(shù)低，所以[SiO4]四面體之間彼此無連接，它們之間由[MgO6]八面體所隔開。47鮑林第四規(guī)則──若晶體結(jié)構(gòu)中含有一種以上的正離子，則高電價、低配位的多面體之間有盡可能彼此互不連接的趨勢Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是47頁\一共有99頁\編輯于星期一例如，在硅酸鹽晶體中，不會同時出現(xiàn)[SiO4]四面體和[Si2O7]雙四面體結(jié)構(gòu)基元，盡管它們之間符合鮑林其它規(guī)則。如果組成不同的結(jié)構(gòu)基元較多，每一種基元要形成各自的周期性、規(guī)則性，則它們之間會相互干擾，不利于形成晶體結(jié)構(gòu)。48鮑林第五規(guī)則──同一結(jié)構(gòu)中傾向于較少的組分差異，也就是說，晶體中配位多面體類型傾向于最少。Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是48頁\一共有99頁\編輯于星期一二元離子晶體結(jié)構(gòu)很多無機化合物晶體都是基于負離子（X）的準緊密堆積，而金屬正離子（M）置于負離子晶格的四面體或八面體間隙。CsCl型結(jié)構(gòu)巖鹽型結(jié)構(gòu)閃鋅礦型結(jié)構(gòu)螢石和反螢石型結(jié)構(gòu)金紅石型結(jié)構(gòu)49Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是49頁\一共有99頁\編輯于星期一CsCl型結(jié)構(gòu)rCs/rCl=0.170nm/0.181nm=0.94 （0.732～1.000）負離子按簡單立方排列；正離子處于立方體的中心，同樣形成正離子的簡單立方陣列；正負離子的配位數(shù)都是8；每個晶胞中有1個負離子和1個正離子。實例：CsCl,CsBr,CsI50Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是50頁\一共有99頁\編輯于星期一巖鹽型結(jié)構(gòu)（RocksaltStructure）rNa/rCl=0.102/0.181=0.56 （0.414~0.732）負離子按面心立方排列；正離子處于八面體間隙位，同樣形成正離子的面心立方陣列；正負離子的配位數(shù)都是6。

也稱為NaCl型結(jié)構(gòu)實例：NaCl,KCl,LiF,KBr,MgO,CaO,SrO,BaO,CdO,VO,MnO,FeO,CoO,NiO51Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是51頁\一共有99頁\編輯于星期一閃鋅礦型結(jié)構(gòu)（ZincBlendeStructure）也稱為ZnS型結(jié)構(gòu)。正負離子配位數(shù)均為4，負離子按面心立方排列，正離子填入半數(shù)的四面體間隙位（面心立方晶格有8個四面體空隙，其中4個填入正離子），同樣形成正離子的面心立方陣列，正負離子的面心立方互相穿插。其結(jié)果是每個離子與相鄰的4個異號離子構(gòu)成正四面體實例：ZnS,BeO,SiCr+/r-=0.3352Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是52頁\一共有99頁\編輯于星期一螢石和反螢石型結(jié)構(gòu)

（FluoriteandAntifluoriteStructures）反螢石型結(jié)構(gòu)：負離子按面心立方排列，正離子填入全部的四面體間隙位中，即每個面心立方晶格填入8個正離子。正負離子的配位數(shù)分別為4和8，正負離子的比例為2:1實例：Li2O,Na2O,K2O,Rb2O,硫化物；53Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是53頁\一共有99頁\編輯于星期一螢石型結(jié)構(gòu)：反螢石型結(jié)構(gòu)中的正負離子位置互換。正負離子的配位數(shù)分別為8和4，正負離子比例為1:2。實例：螢石：ThO2,CeO2,PrO2,UO2,ZrO2,HfO2,NpO2,PuO2,AmO2,CaF2,BaF2,PbF2半徑較大的4價正離子氧化物和半徑較大的2價正離子氟化物的晶體傾向于形成這種結(jié)構(gòu)。54Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是54頁\一共有99頁\編輯于星期一55FluorsparChapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是55頁\一共有99頁\編輯于星期一金紅石型結(jié)構(gòu)（RutileStructure）在金紅石晶體中，O2-離子為變形的六方密堆，Ti4+離子在晶胞頂點及體心位置，O2-離子在晶胞上下底面的面對角線方向各有2個，在晶胞半高的另一個面對角線方向也有2個。Ti4+離子的配位數(shù)是6，形成[TiO6]八面體。O2-離子的配位數(shù)是3，形成[OTi3]平面三角單元。晶胞中正負離子比為1:2。實例：TiO2,GeO2,SnO2,PbO2,VO2,NbO2,TeO2,MnO2,RuO2,OsO2,IrO2

r+/r-=0.4856Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是56頁\一共有99頁\編輯于星期一多元離子晶體結(jié)構(gòu)負離子通過緊密堆積形成多面體，多面體的空隙中填入超過一種正離子鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)尖晶石型結(jié)構(gòu)57Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是57頁\一共有99頁\編輯于星期一常見的多離子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)名稱負離子堆積結(jié)構(gòu)正負離子配位數(shù)比正離子位置關(guān)系化學(xué)式實例鈣鈦礦立方密堆12:6:61/4八面體（B）ABX3CaTiO3,SrTiO3,SrSnO3,SrZrO3,SrHfO3,BaTiO3尖晶石立方密堆4:6:41/8四面體（A）1/2八面體（B）AB2X4FeAl2O4,ZnAl2O4,MgAl2O4反尖晶石立方密堆4:6:41/8四面體（B）1/2八面體（A,B）B(AB)X4FeMgFeO4,MgTiMgO4鈦鐵礦六方密堆6:6:42/3八面體（A,B）ABX3FeTiO3,NiTiO3,CoTiO3橄欖石六方密堆6:4:41/2八面體（A）1/8四面體（B）A2BX4Mg2SiO4,Fe2SiO458Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是58頁\一共有99頁\編輯于星期一鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)（PerovskiteStructure）化學(xué)通式為ABX3，其中A是二價（或一價）金屬離子，B是四價（或五價）金屬離子，X通常為O，組成一種復(fù)合氧化物結(jié)構(gòu)。負離子（O2-）按簡單立方緊密堆積排列，較大的正離子A（這里為Ca2+）在8個八面體形成的空隙中，被12個O2-包圍，而較小的正離子B（這里為Ti4+）在O2-的八面體中心，被6個O2-包圍。59Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是59頁\一共有99頁\編輯于星期一尖晶石型結(jié)構(gòu)（SpinelStructure）化學(xué)通式為AB2O4型，屬于復(fù)合氧化物，其中A是二價金屬離子如Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+等，B是三價金屬離子如Al3+、Cr3+、Ga3+、Fe3+、Co3+等。負離子O2-為立方緊密堆積排列，A離子填充在四面體空隙中，配位數(shù)為4，B離子在八面體空隙中，配位數(shù)為6。60Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是60頁\一共有99頁\編輯于星期一硅酸鹽結(jié)構(gòu)

Silicate

Structure61Chapter2StructureofMaterials硅酸鹽的結(jié)構(gòu)組成：硅氧骨干一硅和氧按不同比例組成的負離子團、硅氧骨干以外的正離子和負離子。硅酸鹽晶體的結(jié)構(gòu)特點：(1)構(gòu)成的基本結(jié)構(gòu)單元是由Si和O組成的[SiO4]4-四面體。(2)每個O最多只能為兩個[SiO4]4-四面體所(3)[SiO4]四面體中未飽和的O和金屬正離子結(jié)合后，可以獨立地在結(jié)構(gòu)中存在，也可以通過[SiO4]4-共用四面體頂點連接成單鏈、雙鏈或成層狀、網(wǎng)狀等復(fù)雜結(jié)構(gòu),但不能共棱和共面。同一類硅酸鹽中,[SiO4]4-四面體連接方式只有一種。(4)[SiO4]4-中Si－O－Si結(jié)合鍵不是一條直線,呈145o夾角?，F(xiàn)在是61頁\一共有99頁\編輯于星期一四面體中硅與氧原子位置現(xiàn)在是62頁\一共有99頁\編輯于星期一單一和成對的硅酸鹽現(xiàn)在是63頁\一共有99頁\編輯于星期一群組狀硅酸鹽現(xiàn)在是64頁\一共有99頁\編輯于星期一65Silicatestructure硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型島狀

鏈狀層狀網(wǎng)架狀65Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是65頁\一共有99頁\編輯于星期一6666硅酸鹽結(jié)構(gòu)示意圖Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是66頁\一共有99頁\編輯于星期一67島狀結(jié)構(gòu)島狀硅酸鹽（IslandSilicates）[SiO4]4-四面體以孤島狀存在，無橋氧，結(jié)構(gòu)中O/Si比值為4。每個O2-一側(cè)與1個Si4+連接，另一側(cè)與其它金屬離子相配位使電價平衡。鋯石英Zr[SiO4]鎂橄欖石Mg2[SiO4]藍晶石Al2O3·SiO2水泥熟料中的-C2S、-C2S和C3S67Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是67頁\一共有99頁\編輯于星期一68鎂橄欖石Mg2SiO4的理想結(jié)構(gòu)68鎂橄欖石Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是68頁\一共有99頁\編輯于星期一69斜方晶系晶胞參數(shù)a=0.476nm，b=1.021nm，c=0.599nm晶胞分子數(shù)Z=4O2-離子近似于六方最緊密堆積排列Si4+離子填于四面體空隙的1/8Mg2+離子填于八面體空隙的1/2每個[SiO4]四面體被[MgO6]八面體所隔開呈孤島狀分布鎂橄欖石結(jié)構(gòu)鎂橄欖石Mg2[SiO4]結(jié)構(gòu)69Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是69頁\一共有99頁\編輯于星期一70(100)面上的投影圖(001)面上的投影圖立體側(cè)視圖鎂橄欖石結(jié)構(gòu)70Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是70頁\一共有99頁\編輯于星期一71結(jié)構(gòu)中的同晶取代鈣橄欖石CaMgSiO4結(jié)構(gòu)中的同晶取代鎂橄欖石中的Mg2+可以被Fe2+以任意比例取代，形成橄欖石（FexMg1-x）SiO4固溶體。71Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是71頁\一共有99頁\編輯于星期一72每個[SiO4]四面體含有兩個橋氧時，可形成環(huán)狀和單鏈狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，此時O/Si比值為3。也可以形成雙鏈結(jié)構(gòu)，此時橋氧的數(shù)目為2和3相互交錯，O/Si比值為2.75。

72環(huán)狀和鏈狀硅酸鹽（RingandChainSilicates）Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是72頁\一共有99頁\編輯于星期一73綠寶石結(jié)構(gòu)綠寶石Be3Al2[Si6O18]結(jié)構(gòu)（環(huán)狀）六方晶系晶胞參數(shù)a=0.921nm，c=0.917nm晶胞分子數(shù)Z=2綠寶石的基本結(jié)構(gòu)單元是由6個[SiO4]4-四面體組成的六節(jié)環(huán)，六節(jié)環(huán)中的1個Si4+和2個O2-處在同一高度，環(huán)與環(huán)相疊起來。圖中粗黑線的六節(jié)環(huán)在上面，標高為100，細黑線的六節(jié)環(huán)在下面，標高為50。上下兩層環(huán)錯開30o，投影方向并不重疊。環(huán)與環(huán)之間通過Be2+和Al3+離子連接。73Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是73頁\一共有99頁\編輯于星期一74綠寶石晶胞在（0001）面上的投影（上半個晶胞）74Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是74頁\一共有99頁\編輯于星期一75單斜晶系晶胞參數(shù)a=0.971nm，b=0.889nm，c=0.524nm=105o37’，晶胞分子數(shù)Z=4硅氧單鏈[Si2O6]平行于c軸方向伸展，圖中兩個重疊的硅氧鏈分別以粗黑線和細黑線表示。單鏈之間依靠Ca2+、Mg2+連接，Ca2+的配位數(shù)為8，Mg2+為6。Ca2+負責[SiO4]底面間的連接，Mg2+負責頂點間的連接。75透輝石CaMg[Si2O6]結(jié)構(gòu)（鏈狀）Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是75頁\一共有99頁\編輯于星期一76（010）面上的投影（001）面上的投影76透輝石結(jié)構(gòu)Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是76頁\一共有99頁\編輯于星期一77層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)（SheetSilicates）當每個[SiO4]含有3個橋氧時，可形成層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)，O/Si比值為2.5。[SiO4]通過3個橋氧在二維平面內(nèi)延伸形成硅氧四面體層，在層內(nèi)[SiO4]之間形成六元環(huán)狀，另外一個頂角共同朝一個方向77Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是77頁\一共有99頁\編輯于星期一78滑石和葉臘石滑石葉蠟石78Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是78頁\一共有99頁\編輯于星期一79單斜晶系晶胞參數(shù)a=0.525nm，b=0.910nm，c=1.881nm=100o79滑石Mg3[Si4O10](OH)2的結(jié)構(gòu)Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是79頁\一共有99頁\編輯于星期一80網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)石英結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(架狀)80Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是80頁\一共有99頁\編輯于星期一8181Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是81頁\一共有99頁\編輯于星期一82石英的結(jié)構(gòu)硅氧四面體在（0001）面上的投影82Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是82頁\一共有99頁\編輯于星期一83SiO2結(jié)構(gòu)中Si-O鍵的強度很高，鍵力分別在三維空間比較均勻，因此SiO2晶體的熔點高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好，無明顯解理。83結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是83頁\一共有99頁\編輯于星期一84當[SiO4]四面體中的4個氧全部為橋氧時，四面體將連接成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。[SiO4]網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的Si4+可以部分地被Al3+取代，剩余的負電荷由其它正離子（如Li+、Na+、K+、Ca2+）平衡。 鈉長石(albite，NaAlSi3O8)、鈣長石(anorthite，CaAl2Si2O8)、鋰霞石(eucryptite，LiAlSiO4)和正長石(orthoclase，KAlSi3O8)都屬于這種結(jié)構(gòu)，其中O/(A1+Si)為2。84架狀硅酸鹽（NetworkedSilicates）Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是84頁\一共有99頁\編輯于星期一85長石的結(jié)構(gòu)長石的結(jié)構(gòu)長石類硅酸鹽分為正長石系和斜長石系兩大類正長石系：鉀長石K[AlSi3O8]；鋇長石Ba[Al2Si2O8]

斜長石系：鈉長石Na[AlSi3O8]；鈣長石Ca[Al2Si2O8]85Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是85頁\一共有99頁\編輯于星期一86透長石晶體結(jié)構(gòu)透長石晶體結(jié)構(gòu)86Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是86頁\一共有99頁\編輯于星期一87透長石晶體結(jié)構(gòu)87Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是87頁\一共有99頁\編輯于星期一88三斜晶系晶胞參數(shù)a=0.814nm，b=1.279nm，c=0.716nm=94o19’，=116o34’，=87o39’鈉長石的結(jié)構(gòu)88Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是88頁\一共有99頁\編輯于星期一89鈉長石結(jié)構(gòu)在（001）面上的投影89Chapter2StructureofMaterials現(xiàn)在是89頁\一共有99頁\編輯于星期一2.5共價晶體結(jié)構(gòu)

共價晶體：共價晶體特點：共價鍵配位數(shù)（CN）符合8－N法則典型晶體：金剛石（C的一種結(jié)晶形式）晶體結(jié)構(gòu)：復(fù)雜的結(jié)構(gòu),其原子排列除按結(jié)構(gòu)排列外,立方體內(nèi)還有4個原子；一個金剛石晶胞中有8個C原子具有典型金剛石結(jié)構(gòu)的共價晶體有：

α－Sn、Si、Ge、β－ZnS、SiC其它共價晶體有：As、Sb、Bi菱形結(jié)構(gòu)層狀

Se、Te三角晶體結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是90頁\一共有99頁\編輯于星期一2.6聚合物的晶體結(jié)構(gòu)

聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是在分子間力作用下大分子相互斂聚在一起形成的組織結(jié)構(gòu)。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)聚合物聚集態(tài)特點：

(1)聚合物晶態(tài)包含一定量的非晶相

(2)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與分子鏈本身的結(jié)構(gòu)、外界條件有關(guān)。聚合物的結(jié)晶特征：結(jié)晶為分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶速度慢、結(jié)晶具有不完整性、晶內(nèi)存在大量缺陷?，F(xiàn)在是91頁\一共有99頁\編輯于星期一

2.6.1聚合物的晶體型態(tài)

聚合物的晶體形態(tài)有多種多樣,可分為：

1、單晶

2、球晶

3、樹枝狀晶

4、串晶

5、伸直鏈晶現(xiàn)在是92頁\一共有99頁\編輯于星期一2.6.2聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型

1、纓狀微束模型：兩相模型認為結(jié)晶高分子中晶區(qū)和非晶區(qū)互相