《晶體和非晶質體》課件

晶體和非晶質體物質的結構和性質決定了其在不同條件下的表現(xiàn)。晶體和非晶質體是物質存在兩種常見形態(tài)，具有截然不同的微觀結構。引言11.定義晶體和非晶質材料是物質存在的兩種基本形態(tài)。22.研究意義了解材料的結構特點對理解材料的性質和應用至關重要。33.課程內容本課程主要講解晶體和非晶質材料的結構特征、性質和應用。結構與分類晶體晶體是原子或分子以規(guī)則的三維周期性排列的固體。它們具有明確的幾何形狀、熔點和對稱性。非晶體非晶體是原子或分子排列不規(guī)則的固體。它們缺乏明確的幾何形狀和對稱性。多晶型一種物質可以以多種不同的晶體結構形式存在。這種現(xiàn)象稱為多晶型現(xiàn)象。晶體結構基本單元晶體結構的基本單元是晶胞，它是晶體中最小的重復單元。晶胞包含了晶體的所有信息，包括原子種類、原子位置和原子之間的距離。晶胞可以看作是晶體結構的“積木”，通過無限重復堆砌，就能構建出完整的晶體結構。晶體的幾何結構晶體的幾何結構是指晶體中原子、離子或分子在空間的排列方式，是晶體的重要特征之一。晶體的幾何結構可以用空間格子來描述，空間格子是由一系列平行且等距的平面的交點構成，每個交點代表晶體結構中的一個原子、離子或分子。晶體的幾何結構決定了其物理性質和化學性質，例如熔點、沸點、密度、硬度、顏色等。晶系與空間格子晶系晶體根據(jù)其晶胞的對稱性分為七個晶系。立方晶系六方晶系四方晶系正交晶系單斜晶系三斜晶系三方晶系空間格子空間格子是晶體結構的基本單元?？臻g格子是由晶胞在三維空間中周期性重復排列而成。布拉菲格子共有14種布拉菲格子，它們代表了所有可能的晶體結構。晶格缺陷點缺陷點缺陷是晶格中原子排列的局部偏差。最常見的點缺陷是空位和間隙原子。空位是指晶格中缺少一個原子。間隙原子是指一個原子位于晶格中不應存在的位置。線缺陷線缺陷是指一維的晶格缺陷，例如位錯。位錯是指晶格中原子排列發(fā)生的一維錯位。位錯會導致材料的強度和塑性發(fā)生變化。面缺陷面缺陷是指二維的晶格缺陷，例如晶界、孿晶界和堆垛層錯。晶界是指兩個晶粒之間的界面。孿晶界是指兩個晶粒以鏡像對稱的方式連接。堆垛層錯是指晶體結構中原子排列出現(xiàn)錯誤的二維缺陷。體缺陷體缺陷是指三維的晶格缺陷，例如空洞、裂紋和夾雜物。空洞是指材料內部的空腔。裂紋是指材料內部的斷裂。夾雜物是指材料內部的雜質。晶格缺陷的產生1熱力學因素材料在高溫下原子振動加劇2非平衡凝固快速冷卻過程原子來不及排列3機械應力材料受到壓力或拉伸晶體結構發(fā)生畸變4輻射損傷高能粒子轟擊原子被擊出晶格材料的晶體結構并非完美無缺，存在各種缺陷。這些缺陷的形成通常由多種因素影響，例如材料的熱力學性質、凝固條件、機械應力、以及輻射損傷等。晶體的生長成核晶體生長始于成核，即原子或分子聚集形成微小的晶核。晶核長大這些晶核通過吸附周圍介質中的原子或分子而長大。晶體生長晶體生長是一個動態(tài)過程，晶體在不斷地吸附和釋放原子或分子。晶體生長的技術熔融生長法將晶體材料加熱至熔融狀態(tài)，然后緩慢冷卻，使晶體逐漸結晶。水熱生長法在高溫高壓的水溶液中進行晶體生長，適合于難熔材料的生長。氣相生長法在高溫條件下，將晶體材料蒸發(fā)，在合適的基底上進行沉積，生長出晶體。溶液生長法將晶體材料溶解在溶劑中，然后通過控制溶劑的蒸發(fā)或溫度變化，使晶體從溶液中析出。單晶與多晶單晶整個晶體由一個完整的晶格組成，所有晶胞排列一致，具有相同的晶體結構。具有高度的各向異性。多晶由許多大小不同的晶粒組成，晶粒之間存在晶界，晶粒方向隨機排列。宏觀上表現(xiàn)為各向同性。單晶單晶硅、單晶鍺、單晶金剛石等。多晶金屬、陶瓷、玻璃等。非晶質材料的結構特征非晶質材料內部原子排列是無序的，缺乏周期性結構。原子和分子以短程有序的方式排列，缺乏長程有序性。無規(guī)則排列的原子和分子原子排列非晶質材料中，原子和分子沒有規(guī)則的排列，而是以隨機方式分布。分子運動與固體相比，非晶質材料的分子運動更自由，沒有固定位置。短程有序雖然沒有長程有序結構，但非晶質材料在短距離內存在原子或分子排列的微觀結構。非晶質材料的制備方法11.快速冷卻法熔融的材料快速冷卻，防止結晶形成，常見于玻璃、金屬玻璃等。22.蒸發(fā)沉積法材料蒸發(fā)后在冷的基底上凝結，例如薄膜材料。33.濺射法利用高能粒子轟擊材料表面，使材料原子濺射到基底上，例如半導體薄膜。44.化學氣相沉積法氣相反應產物沉積在基底上，例如光學鍍膜。非晶質態(tài)的熱性質非晶質材料的熱性質與晶體材料相比存在顯著差異。非晶質材料由于結構無序，原子或分子之間的相互作用力更弱，導致其熱容、熱膨脹系數(shù)、熱導率等熱學性質與晶體材料不同。非晶質材料的熱容通常高于晶體材料，因為非晶質材料中原子或分子運動的自由度更高。同時，由于缺乏晶格結構，非晶質材料的熱膨脹系數(shù)也較高。熱導率方面，非晶質材料通常低于晶體材料，這是因為熱量在非晶質材料中傳遞時，難以通過有序排列的原子或分子進行傳遞。非晶質材料的熱穩(wěn)定性也較差，更容易在較高溫度下發(fā)生軟化或熔化。這是因為非晶質材料中原子或分子之間缺乏強的鍵合作用，導致其在高溫下更容易發(fā)生結構變化。非晶質材料的機械性能非晶質材料的結構決定了它們獨特的機械性能。由于原子排列無序，非晶質材料沒有明顯的晶界，導致它們在某些方面比晶體材料表現(xiàn)出更優(yōu)越的機械性能。100強度與同類晶體材料相比，非晶質材料具有更高的屈服強度和抗拉強度。50塑性非晶質材料的塑性變形能力通常較低，表現(xiàn)出脆性斷裂。10韌性一些非晶質材料，如金屬玻璃，展現(xiàn)出優(yōu)異的韌性和抗疲勞性。1硬度非晶質材料的硬度通常比晶體材料高，這是由于原子排列的無序性。非晶質材料的機械性能受制備方法、熱處理工藝以及材料的成分影響，它們在結構材料、工具材料、生物材料等領域有著廣泛的應用。非晶質材料的電學性能非晶質材料電學性能高電阻率電子移動受阻低電導率電子不易流動非晶態(tài)半導體應用于電子器件高介電常數(shù)儲存電荷的能力強非晶質材料的應用電子器件非晶態(tài)硅廣泛應用于太陽能電池，液晶顯示器，以及薄膜晶體管等包裝材料聚合物基非晶態(tài)材料可以制作各種包裝盒，容器，以及薄膜光學材料非晶態(tài)玻璃可以制作光纖，鏡頭，以及各種光學儀器燒結技術與制備非晶質材料1粉末混合將不同成分的粉末混合在一起，確保均勻分布。2成型將混合好的粉末壓制成所需的形狀，如片狀或棒狀。3燒結將成型后的粉末在高溫下加熱，使粉末顆粒相互結合。4冷卻將燒結后的材料緩慢冷卻至室溫，以減少內部應力。燒結技術是制備非晶質材料的重要方法之一，通過對粉末進行高溫加熱，使其顆粒之間發(fā)生相互擴散和結合，最終形成致密的固體材料。熱處理技術與非晶質材料1退火降低材料的硬度和脆性，改善材料的加工性能。2淬火提高材料的硬度和強度，增加材料的抗磨損能力。3回火降低淬火后的內應力，提高材料的韌性。非晶固體的玻璃化轉變定義玻璃化轉變是指非晶固體從高彈性狀態(tài)轉變?yōu)椴ＡB(tài)的過程。溫度玻璃化轉變溫度(Tg)是指非晶固體從玻璃態(tài)轉變?yōu)楦邚椥誀顟B(tài)的溫度。特征玻璃化轉變是一個可逆過程，但不是一個相變，而是動力學過程。應用玻璃化轉變在非晶態(tài)材料的應用中至關重要，如玻璃、塑料和高分子材料。玻璃化轉變的特點可逆性玻璃化轉變是一個可逆過程，冷卻時材料從液態(tài)轉變?yōu)椴ＡB(tài)，加熱時則從玻璃態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)。連續(xù)性玻璃化轉變沒有明顯的相變點，而是逐漸發(fā)生的，在轉變過程中，材料的物理性質會發(fā)生連續(xù)的變化。溫度依賴性玻璃化轉變溫度與冷卻速度有關，冷卻速度越快，玻璃化轉變溫度越高。非平衡態(tài)玻璃態(tài)是非平衡態(tài)，其結構和性質會隨著時間的推移而發(fā)生緩慢的變化。非晶質材料的結構模型非晶質材料的結構模型用于解釋其無序結構和性質。常見的模型包括隨機密堆積模型、隨機網(wǎng)絡模型和自由體積模型。這些模型有助于理解非晶質材料的獨特熱力學、力學和電學性質。X射線衍射分析晶體結構衍射圖譜X射線衍射儀可以產生衍射圖譜，顯示晶體中原子排列的周期性。X射線衍射儀X射線衍射儀用來研究材料的結構，通過測量衍射光的強度和角度來分析材料的結構。電子顯微鏡觀察晶體結構電子顯微鏡是一種強大的工具，可以用于觀察材料的微觀結構，包括晶體結構。透射電子顯微鏡(TEM)可以用于觀察晶體的內部結構，例如晶格缺陷、晶界和相變。掃描電子顯微鏡(SEM)可以用于觀察材料的表面形貌，以及晶體的外部形態(tài)和生長方式。電子顯微鏡觀察提供了豐富的晶體結構信息，有助于我們理解材料的性能和應用。材料的晶態(tài)與非晶態(tài)晶態(tài)晶體結構有序排列，具有長程有序結構，其原子或分子在空間呈周期性重復排列。非晶態(tài)非晶態(tài)材料結構無序排列，不具備長程有序結構，但可能存在短程有序結構。區(qū)別晶態(tài)材料具有固定熔點，非晶態(tài)材料沒有固定熔點，而是逐漸軟化。晶體與非晶質材料的區(qū)別晶體具有規(guī)則的周期性結構。原子排列有序，形成晶格。具有確定的熔點，在熔點時，晶體結構會突然瓦解。非晶質材料沒有規(guī)則的周期性結構，原子排列無序。沒有確定的熔點，在加熱時會逐漸軟化，最后變?yōu)橐后w。晶體和非晶質材料的應用前景晶體材料應用晶體材料具有獨特的物理和化學性質，使其在許多領域都有廣泛的應用，如光學、電子、機械等。非晶質材料應用非晶質材料具有高強度、耐腐蝕、良好的透光性等特點，在航空航天、電子器件、生物醫(yī)藥等領域發(fā)揮著重要作用。未來發(fā)展方向隨著科學技術的不