《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教程及習(xí)題.doc

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目錄第1章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合11.1 原子結(jié)構(gòu)11.2 原子間的鍵合21.3 高分子鏈2本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)3第2章 固體結(jié)構(gòu)42.1 晶體學(xué)基礎(chǔ)42.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)52.3 合金相結(jié)構(gòu)72.4 離子晶體結(jié)構(gòu)92.5 共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)102.6 聚合物的晶體結(jié)構(gòu)112.7 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)13本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)13第3章 晶體缺陷153.1 點(diǎn)缺陷153.2 位錯(cuò)163.3 表面及界面18本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)20第4章 固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)234.1 表象理論234.2 擴(kuò)散的熱力學(xué)分析234.3 擴(kuò)散的原子理論244.4 擴(kuò)散激活能254.5 無(wú)規(guī)則行走與擴(kuò)散距離25本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)25第5章 材料的形變和再結(jié)晶275.1 彈性和粘彈性285.2 晶體的塑性變形295.3 回復(fù)和再結(jié)晶335.4 高聚物的塑性變形36本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)36第6章 單組元相圖及純晶體凝固386.1 單元系相變的熱力學(xué)及相平衡386.2 純晶體的凝固39本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)40第7章 二元系相圖及合金的凝固427.1 相圖的表示和測(cè)定方法427.2 相圖熱力學(xué)的基本要點(diǎn)437.3 二元相圖分析447.4 二元合金的凝固理論457.5 高分子合金概述47本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)48第8章 三元相圖528.1 三元相圖基礎(chǔ)528.2 固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖558.3 固態(tài)有限互溶的三元共晶相圖578.4 兩個(gè)共晶型二元系和一個(gè)勻晶二元系構(gòu)成的三元相圖588.5 包共晶型三元系相圖598.6 具有四相平衡包晶轉(zhuǎn)變的三元系相圖608.7 形成穩(wěn)定化合物的三元系相圖608.8 三元相圖舉例618.9 三元相圖小結(jié)63本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)64第9章 材料的亞穩(wěn)態(tài)669.1納米晶材料669.2 準(zhǔn)晶態(tài)699.3 非晶態(tài)材料709.4 固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相71本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)72各章例題、習(xí)題以及解答73第1章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合73第2章 固體結(jié)構(gòu)77第3章 晶體缺陷85第4章 固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)93第5章 材料的形變和再結(jié)晶100第6章 單組元相圖及純晶體凝固107第7章 二元系相圖及合金的凝固112第8章 三元相圖120第9章 材料的亞穩(wěn)態(tài)128上海交通大學(xué) 材料科學(xué)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)課程 整理 167第1章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)踐和研究表明：決定材料性能的最根本的因素是組成材料的各元素的原子結(jié)構(gòu)，原子間的相互作用、相互結(jié)合，原子或分子在空間的排列分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及原子集合體的形貌特征等。為此我們需要了解材料的微觀構(gòu)造，即其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)，以便從其內(nèi)部的矛盾性找出改善和發(fā)展材料的途徑。1.1 原子結(jié)構(gòu)1.1.1 物質(zhì)的組成一切物質(zhì)都是由無(wú)數(shù)微粒按一定的方式聚集而成的。這些微?？赡苁欠肿?、原子或離子。原子結(jié)構(gòu)直接影響原子間的結(jié)合方式。1.1.2 原子的結(jié)構(gòu)近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明：原子是由質(zhì)子和中子組成的原子核，以及核外的電子所構(gòu)成的。原子的體積很小，直徑約為10-10m數(shù)量級(jí)，而其原子核直徑更小，僅為10-15m數(shù)量級(jí)。然而，原子的質(zhì)量恰主要集中在原子核內(nèi)。因?yàn)槊總€(gè)質(zhì)子和中子的質(zhì)量大致為1.6710-24g，而電子的質(zhì)量約為9.1110-28g，僅為質(zhì)子的1/1836。1.1.3 原子的電子結(jié)構(gòu)描述原子中一個(gè)電子的空間位置和能量可用四個(gè)量子數(shù)表示。多電子的原子中，核外電子的排布規(guī)律遵循三原則，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund規(guī)則。從內(nèi)到外，依次為K殼層(n=1)，L殼層(n=2)，M殼層(n=3)。1).主量子數(shù)n決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即電子所處的量子殼層。2).軌道角量子數(shù)li 給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級(jí)（電子亞層）。3).磁量子數(shù)mi 給出每個(gè)軌道角動(dòng)量量子數(shù)的能級(jí)數(shù)或軌道數(shù)。4).自旋角量子數(shù)si反映電子不同的自旋方向。1.1.4 元素周期表具有相同核電荷數(shù)的同一類原子為一種元素。元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式，它反映了元素之間相互聯(lián)系的規(guī)律，元素在周期表中的位置反映了那個(gè)元素的原子結(jié)構(gòu)和一定的性質(zhì)。IA元 素 周 期 表OHIIA金屬非金屬惰性氣體過(guò)渡元素IIIAIVAVAVIAVIIAHeLiBeBCNOFNeNaMgIIIBIVBVBVIBVIIBVIIIIBIIBAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRfDbSgBhHsMtCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr圖1.2 元素周期表1.2 原子間的鍵合1.2.1 金屬鍵金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。金屬鍵的基本特點(diǎn)是電子的共有化。金屬鍵既無(wú)飽和性又無(wú)方向性，因而每個(gè)原子有可能同更多的原子相結(jié)合，并趨于形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬受力變形而改變?cè)又g的相互位置時(shí)，不至于使金屬鍵破壞，這就使金屬具有良好延展性，并且，由于自由電子的存在，金屬一般都具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。1.2.2 離子鍵大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結(jié)合。離子鍵鍵合的基本特點(diǎn)是以離子而不是以原子為結(jié)合單元。一般離子晶體中正負(fù)離子靜電引力較強(qiáng)，結(jié)合牢固。因此。其熔點(diǎn)和硬度均較高。另外，在離子晶體中很難產(chǎn)生自由運(yùn)動(dòng)的電子，因此，它們都是良好的電絕緣體。但當(dāng)處在高溫熔融狀態(tài)時(shí)，正負(fù)離子在外電場(chǎng)作用下可以自由運(yùn)動(dòng)，即呈現(xiàn)離子導(dǎo)電性。 1.2.3 共價(jià)鍵兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子間通過(guò)共用電子對(duì)而形成的化學(xué)鍵。共價(jià)鍵鍵合的基本特點(diǎn)是核外電子云達(dá)到最大的重疊，形成“共用電子對(duì)”，有確定的方位，且配位數(shù)較小。共價(jià)鍵在亞金屬（碳、硅、錫、鍺等）、聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料中均占有重要地位。 共價(jià)鍵晶體中各個(gè)鍵之間都有確定的方位，配位數(shù)比較小。共價(jià)鍵的結(jié)合極為牢固，故共價(jià)晶體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆等特點(diǎn)。共價(jià)形成的材料一般是絕緣體，其導(dǎo)電性能差。1.2.4 范德華力屬物理鍵，系一種次價(jià)鍵，沒(méi)有方向性和飽和性。比化學(xué)鍵的鍵能少12個(gè)數(shù)量級(jí)。不同的高分子聚合物有不同的性能，分子間的范德華力不同是一個(gè)重要因素。1.2.5 氫鍵是一種特殊的分子間作用力。它是由氫原子同時(shí)與兩個(gè)電負(fù)性很大而原子半徑較小的原子（O，F(xiàn)，N等）相結(jié)合而產(chǎn)生的具有比一般次價(jià)鍵大的鍵力，具有飽和性和方向性。氫鍵在高分子材料中特別重要。1.3 高分子鏈高分子結(jié)構(gòu)包括高分子鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)兩方面。鏈結(jié)構(gòu)又分近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，又稱一級(jí)結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)又稱二級(jí)結(jié)構(gòu)，是指單個(gè)高分子的大小和形態(tài)、鏈的柔順性及分子在各種環(huán)境中所采取的構(gòu)象。如圖：?jiǎn)蝹€(gè)高分子的幾種構(gòu)象圖。1.3.1 高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)圖1.6 單個(gè)高分子的幾種構(gòu)象圖1、鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成單體通過(guò)聚合反應(yīng)連接而成的鏈狀分子，稱為高分子鏈，高分子中的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目稱為聚合度。2、分子結(jié)構(gòu)一般高分子都是線性的，分子鏈長(zhǎng)可以蜷曲成團(tuán)，也可以伸展成直線。3、共聚物的結(jié)構(gòu)由兩種或兩種以上單體單元所組成的高分子稱為共聚物。不同的共聚物結(jié)構(gòu)，對(duì)材料性能的影響也各不相同。4、高分子鏈的構(gòu)型鏈的構(gòu)型是指分子中由化學(xué)鍵所固定的幾何排列，這種排列是穩(wěn)定的，要改變構(gòu)型必須經(jīng)過(guò)化學(xué)鍵的斷裂和重組。構(gòu)型不同的異構(gòu)體有旋光異構(gòu)和幾何異構(gòu)兩種。1.3.2 高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)1、高分子的大小高分子的相對(duì)分子質(zhì)量不是均一的，它實(shí)際上是由結(jié)構(gòu)相同、組成相同但相對(duì)分子質(zhì)量大小不同的同系高分子的混合物聚集而成。低聚物轉(zhuǎn)向高分子時(shí)，強(qiáng)度有規(guī)律地增大。但增長(zhǎng)到一定的相對(duì)分子質(zhì)量后，這種依賴性又變得不明顯了，強(qiáng)度逐漸趨于一極限值。2、高分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象單鍵是由電子組成，線型高分子鏈中含有成千上萬(wàn)個(gè)鍵。由于分子上非鍵合原子之間的相互作用，內(nèi)旋轉(zhuǎn)一般是受阻的，即旋轉(zhuǎn)時(shí)需要消耗一定的能量。高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)也像低分子一樣，因受鏈上的原子或基團(tuán)的影響不是完全自由的。它既表現(xiàn)出一定的柔性，又表現(xiàn)出一定的剛性。3、影響高分子鏈柔性的主要因素高分子鏈能夠改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性。 a.主鏈結(jié)構(gòu)的影響： 主鏈結(jié)構(gòu)對(duì)高分子鏈的剛?cè)嵝缘挠绊懫饹Q定性的作用。 b.取代基的影響： 取代基團(tuán)的極性、取代基沿分子鏈排布的距離、取代基在主鏈上的對(duì)稱性和取代基的體積等對(duì)高分子鏈的柔性均有影響。c.交聯(lián)的影響 當(dāng)高分子之間以化學(xué)鍵交聯(lián)起來(lái)時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)附近的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)便受到很大的阻礙。本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)內(nèi)容提要： 物質(zhì)是由原子組成的，而原子是由位于原子中心的帶正電的原子核和核外高速旋轉(zhuǎn)帶負(fù)電的電子所構(gòu)成的。在材料科學(xué)中，一般人們最關(guān)心的是原子結(jié)構(gòu)中的電子結(jié)構(gòu)。電子在核外空間作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就好像帶負(fù)電荷的云霧籠罩在原子核周圍，故形象地稱它為電子云。電子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，即具有二象性。電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有固定的軌道，但可根據(jù)電子的能量高低，用統(tǒng)計(jì)方法判斷其在核外空間某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率的大小。根據(jù)量子力學(xué)理論，電子的狀態(tài)是用波函數(shù)來(lái)描述的，原子中的一個(gè)電子的空間位置和能量可用四個(gè)量子數(shù)表示：(1) 主量子數(shù)n：決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層；(2) 軌道角動(dòng)量量子數(shù)li：給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級(jí)（電子亞層）；(3) 磁量子數(shù)mi：給出每個(gè)軌道角動(dòng)量數(shù)的能級(jí)數(shù)或軌道數(shù)；(4) 自旋角動(dòng)量量子數(shù)si：反映電子不同的自旋方向；至于在多電子的原子中，核外電子的排布規(guī)律則遵循以下三個(gè)原則：(1) 能量最低原理：電子的排布總是先占據(jù)能量最低的內(nèi)層，再由里向外進(jìn)入能量較高的殼層，以盡可能使體系的能量最低；(2) Pauli不相容原理：在一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子，主量子數(shù)為n的殼層，最多容納2n2個(gè)電子；(3) Hund規(guī)則：在同一亞層中的各個(gè)能級(jí)中，電子的排布盡可能分占不同的能級(jí)，而且自旋的方向相同。當(dāng)電子排布為全充滿、半充滿或全空時(shí)，是比較穩(wěn)定的，整個(gè)原子的能量最低；元素周期表反映了元素的外層電子結(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)（核中帶正電荷的質(zhì)子數(shù)）的遞增呈周期性的變化規(guī)律。可根據(jù)元素在周期表中的位置，推斷它的原子結(jié)構(gòu)和一定的性質(zhì)。原子與原子之間是依靠結(jié)合鍵聚集在一起的。由于原子間結(jié)合鍵不同，故可將材料分為金屬、無(wú)機(jī)非金屬和高分子材料。原子的電子結(jié)構(gòu)決定了原子鍵合的本身，原子間的結(jié)合鍵可分為化學(xué)鍵和物理鍵兩大類?；瘜W(xué)鍵即主價(jià)鍵，它包括金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵三種：(1) 金屬鍵：絕大多數(shù)金屬均為金屬鍵方式結(jié)合，它的基本特點(diǎn)是電子的共有化；(2) 離子鍵：大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵方式結(jié)合，這種鍵的基本特點(diǎn)是以離子而不是以原子為結(jié)合單位；(3) 共價(jià)鍵：在亞金屬（C、Si、Sn、Ge等）、聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料中共價(jià)鍵占有重要地位，它的主要特點(diǎn)共用電子對(duì)。物理鍵為次價(jià)鍵，亦稱范德華力，在高分子材料中占著重要作用。它是借助瞬時(shí)的、微弱的電偶極矩的感應(yīng)作用將原子或分子結(jié)合在一起的鍵合。它包括靜電力、誘導(dǎo)力和色散力。此外還有一種氫鍵，它是一種極性分子鍵，存在于HF、H2O、NH3等分子間。其結(jié)合鍵能介于化學(xué)鍵與物理鍵之間。由于高分子材料的相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)，所包含的結(jié)構(gòu)單元可能不止一種，每一種結(jié)構(gòu)單元又具有不同構(gòu)型，而且結(jié)構(gòu)單元之間可能有不同鍵接方式與序列，故高分子的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。高分子結(jié)構(gòu)包括高分子鍵結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)兩方面。鍵結(jié)構(gòu)又分近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，又稱一次結(jié)構(gòu)，是指大分子鏈中原子的類型和排列，結(jié)構(gòu)單元的鍵接順序、支化、交聯(lián)以及取代基在空間的排布規(guī)律等。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)又稱二次結(jié)構(gòu)，是指高分子的大小與形態(tài)，鍵的柔順性及分子在各種環(huán)境中所采取的構(gòu)象。重點(diǎn)和難點(diǎn)1.描述原子中電子的空間位置和能量的四個(gè)量子數(shù)；2.核外電子排布遵循的原則;3.元素性質(zhì)、原子結(jié)構(gòu)和該元素在周期表中的位置三者之間的關(guān)系；4.原子間結(jié)合鍵分類及其特點(diǎn)；5.高分子鏈的近程和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。重要概念與名詞：分子，原子；主量子數(shù)n，軌道角動(dòng)量量子數(shù)l，磁量子數(shù)m，自旋角動(dòng)量量子數(shù)s；能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund規(guī)則；元素，元素周期表，周期，族；結(jié)合鍵，金屬鍵，離子鍵，共價(jià)鍵，范德華力，氫鍵；高分子鏈，近程結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元，線性、支化、交聯(lián)和三維網(wǎng)絡(luò)分子結(jié)構(gòu)；無(wú)規(guī)、交替、嵌段和接枝共聚物；全同立構(gòu)、間同立構(gòu)、無(wú)規(guī)立構(gòu)，順式、反式構(gòu)型；遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)、數(shù)均、重均相對(duì)分子質(zhì)量，聚合度；熱塑性、熱固性塑料。第2章 固體結(jié)構(gòu)物質(zhì)通常有三種聚集狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。而按照原子（或分子）排列的規(guī)律性又可將固態(tài)物質(zhì)分為兩大類，晶體和非晶體。晶體中的原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；而非晶體的原子則是無(wú)規(guī)則排列的。原子排列在決定固態(tài)材料的組織和性能中起著極重要的作用。金屬、陶瓷和高分子的一系列特性都和其原子的排列密切相關(guān)。一種物質(zhì)是否以晶體或以非晶體形式出現(xiàn)，還需視外部環(huán)境條件和加工制備方法而定，晶態(tài)與非晶態(tài)往往是可以互相轉(zhuǎn)化的。2.1 晶體學(xué)基礎(chǔ)2.1.1 空間點(diǎn)陣和晶胞具有代表性的基本單元（即最小平行六面體）作為點(diǎn)陣的組成單元，稱為晶胞。將晶胞作三維的重復(fù)堆砌，就構(gòu)成了空間點(diǎn)陣。為了便于分析研究晶體中質(zhì)點(diǎn)的排列規(guī)律性，可先將實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)看成完整無(wú)缺的理想晶體并簡(jiǎn)化，將其中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)抽象為規(guī)則排列于空間的幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)。這些陣點(diǎn)在空間呈周期性規(guī)則排列并具有完全相同的周圍環(huán)境，這種由它們?cè)谌S空間規(guī)則排列的陣列稱為空間點(diǎn)陣，簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣。同一空間點(diǎn)陣可因選取方式不同而得到不相同的晶胞。晶胞、晶軸和點(diǎn)陣矢量根據(jù)6個(gè)點(diǎn)陣參數(shù)間的相互關(guān)系，可將全部空間點(diǎn)陣歸屬于7種類型，即7個(gè)晶系。按照每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同的要求，布拉菲（Bravais A）用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出能夠反映空間點(diǎn)陣全部特征的單位平面六面體只有14種，這14種空間點(diǎn)陣也稱布拉菲點(diǎn)陣。 布拉菲點(diǎn)陣晶系布拉菲點(diǎn)陣晶系簡(jiǎn)單三斜三斜(abc,90) 簡(jiǎn)單六方六方(a1=a2=a3c,=90,=120) 簡(jiǎn)單單斜 底心單斜單斜(abc,=90) 簡(jiǎn)單菱方菱方(a=b=c,=90)簡(jiǎn)單正交 底心正交體心正交 面心正交正交(abc,=90)簡(jiǎn)單四方 體心四方四方(a=bc,=90)簡(jiǎn)單立方 體心立方面心立方立方(a=b=c,=90)空間點(diǎn)陣是晶體中質(zhì)點(diǎn)排列的幾何學(xué)抽象。2.1.2 晶向指數(shù)和晶面指數(shù)為了便于確定和區(qū)別晶體中不同方位的晶向和晶面，國(guó)際上通用密勒（Miller）指數(shù)來(lái)統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)與晶面指數(shù)。1.晶向指數(shù)晶向指數(shù)的確定步驟如下：1)以晶胞的某一陣點(diǎn)O為原點(diǎn)，過(guò)原點(diǎn)O的晶軸為坐標(biāo)軸x,y, z, 以晶胞點(diǎn)陣矢量的長(zhǎng)度作為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位。2)過(guò)原點(diǎn)O作一直線OP，使其平行于待定晶向。3)在直線OP上選取距原點(diǎn)O最近的一個(gè)陣點(diǎn)P，確定P點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值。4)將這3個(gè)坐標(biāo)值化為最小整數(shù)u，v，w，加以方括號(hào)，u v w即為待定晶向的晶向指數(shù)。2.晶面指數(shù)晶面指數(shù)標(biāo)定步驟如下：1)在點(diǎn)陣中設(shè)定參考坐標(biāo)系，設(shè)置方法與確定晶向指數(shù)時(shí)相同；2)求得待定晶面在三個(gè)晶軸上的截距，若該晶面與某軸平行，則在此軸上截距為無(wú)窮大；若該晶面與某軸負(fù)方向相截，則在此軸上截距為一負(fù)值；3)取各截距的倒數(shù)；4)將三倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)比，并加上圓括號(hào)，即表示該晶面的指數(shù)，記為(h k l)。晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。另外，在晶體內(nèi)凡晶面間距和晶面上原子的分布完全相同，只是空間位向不同的晶面可以歸并為同一晶面族，以h k l表示，它代表由對(duì)稱性相聯(lián)系的若干組等效晶面的總和。2.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2.1 三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)A1(或fcc)、體心立方結(jié)構(gòu)A2(或bcc)和密排六方結(jié)構(gòu)A3(或hcp)三種。1.晶胞中的原子數(shù)：fccbcchcp面心立方結(jié)構(gòu) n = 81/8 + 61/2 = 4體心立方結(jié)構(gòu) n = 81/8 + 1 =2密排六方結(jié)構(gòu) n = 121/6 +21/2 +3 = 62.點(diǎn)陣常數(shù)與原子半徑:晶胞的大小一般是由晶胞的棱邊長(zhǎng)度（a,b,c）即衡量的，它是表征晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要基本參數(shù)。如果把金屬原子看作剛球，并設(shè)其半徑為R，根據(jù)幾何學(xué)關(guān)系不難求出三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣常數(shù)與R之間的關(guān)系：面心立方結(jié)構(gòu)：點(diǎn)陣常數(shù)為a，且；體心立方結(jié)構(gòu)：點(diǎn)陣常數(shù)為a，且；密排六方結(jié)構(gòu)：點(diǎn)陣常數(shù)由a和c表示。在理想的情況下，即把原子看作等徑的剛球，可算得c/a=1.633。此時(shí)a=2R。但實(shí)際測(cè)得的軸比常偏離此值，即c/a不等于1.633。這時(shí)，(a/3+c/4)1/2=2R。3.配位數(shù)和致密度：所謂配位數(shù)(CN)是指晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)；而致密度是指晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分比。如以一個(gè)晶胞來(lái)計(jì)算，則致密度就是晶胞中原子體積與晶胞體積之比值，即K=n/V式中K為致密度；n為晶胞中原子數(shù)；是一個(gè)原子的體積。 晶體結(jié)構(gòu)類型配位數(shù)(CN)致密度A1120.74A28(8+6)0.86A312(6+6)0.74表 2.7 典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)和致密度2.2.2 晶體的原子堆垛方式和間隙原子密排面在空間一層一層平行的堆垛起來(lái)就分別構(gòu)成以上三種晶體結(jié)構(gòu)。面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)的致密度均為0.74，是純金屬中最密集的結(jié)構(gòu)。面心立方結(jié)構(gòu)中111晶面和密排六方結(jié)構(gòu)中0001晶面上的原子排列情況完全相同。圖2.21 面心立方和密排六方點(diǎn)陣中密排面的分析圖2.22 面心立方點(diǎn)陣中的間隙位于6個(gè)原子所組成的八面體中間的間隙稱為八面體間隙，而位于4個(gè)原子所組成的四面體中間的間隙稱為四面體間隙。圖中實(shí)心圓圈代表金屬原子，令其半徑為rA；空心圓圈代表間隙，令其半徑為rB。rB實(shí)質(zhì)上是表示能放入間隙內(nèi)的小球的最大半徑。 金屬晶體存在許多間隙，這種間隙對(duì)金屬的性能、合金相結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散、相變等都有重要影響。2.2.3 多晶型性有些固態(tài)金屬在不同的溫度和壓力下具有不同的晶體結(jié)構(gòu)即具有多晶型性，轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為同素異構(gòu)體。例如，鐵在912以下為體心立方結(jié)構(gòu)。稱為-Fe；在9121394具有面心立方結(jié)構(gòu)，稱為-Fe；溫度超過(guò)1394至熔點(diǎn)間又變成體心立方結(jié)構(gòu)，稱為Fe。由于不同晶體結(jié)構(gòu)的致密度不同，當(dāng)金屬由一種晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，將伴隨有質(zhì)量體積的躍變即體積的突變。2.3 合金相結(jié)構(gòu)雖然純金屬在工業(yè)中有著重要的用途，但由于其強(qiáng)度低等原因，因此，工業(yè)上廣泛使用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。所謂合金是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的基本的獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。組元可以是金屬和非金屬元素，也可以是化合物。固態(tài)下所形成的合金相基本上可分為固溶體和中間相兩大類。2.3.1 固溶體固溶體是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶人其他組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。1.置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子溶人溶劑中形成固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，或者說(shuō)溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子，這種固溶體就稱為置換固溶體。金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但溶解度視不同元素而異，有些能無(wú)限溶解，有的只能有限溶解。影響溶解度的因素很多，主要取決于四個(gè)因素：a.晶體結(jié)構(gòu)，b.原子尺寸，c.化學(xué)親和力（電負(fù)性），d.原子價(jià)。圖2.29 無(wú)限置換固溶體中兩組元素原子置換示意圖 2.間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。3.固溶體的微觀不均勻性事實(shí)上，完全無(wú)序的固溶體是不存在的?？梢哉J(rèn)為，在熱力學(xué)上處于平衡狀態(tài)的無(wú)序固溶體中，溶質(zhì)原子的分布在宏觀上是均勻的，但在微觀上并不均勻。在一定條件下，它們甚至?xí)视幸?guī)則分布，形成有序固溶體。這時(shí)溶質(zhì)原子存在于溶質(zhì)點(diǎn)陣中的固定位置上，而且每個(gè)晶胞中的溶質(zhì)和溶劑原子之比也是一定的。有序固溶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)有時(shí)也稱超結(jié)構(gòu)。圖2.30 固溶體中溶質(zhì)原子分布示意圖 4.固溶體的性質(zhì)和純金屬相比，由于溶質(zhì)原子的溶入導(dǎo)致固溶體的點(diǎn)陣常數(shù)改變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化及力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能產(chǎn)生了不同程度的變化。2.3.2 中間相中間相可以是化合物，也可以是以化合物為基的固溶體（第二類固溶體或稱二次固溶體）。中間相通常可用化合物的化學(xué)分子式表示。大多數(shù)中間相中原子間的結(jié)合方式屬于金屬鍵與其他典型鍵（如離子鍵、共價(jià)鍵和分子鍵）相混合的一種結(jié)合方式。因此，它們都具有金屬性。1.正常價(jià)化合物2.電子化合物3.原子尺寸因素有關(guān)的化合物4.超結(jié)構(gòu)(有序固溶體)圖2.31 Cu 3 AuI 型超點(diǎn)陣 5.金屬間化合物的性質(zhì)和應(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，使得這種化合物具有許多特殊的物理、化學(xué)性能，已日益受到人們的重視，不少金屬間化合物特別是超結(jié)構(gòu)已作為新的功能材料和耐熱材料正在被開(kāi)發(fā)應(yīng)用。1).具有超導(dǎo)性質(zhì)的金屬間化合物，如Nb3Ge，Nb3Al，Nh3Sn，V3Si，NbN等；2).具有特殊電學(xué)性質(zhì)的金屬間化合物，如InTe-PbSe，GaAs-ZnSe等在半導(dǎo)體材料用；3).具有強(qiáng)磁性的金屬間化合物，如稀土元素（Ce，La，Sm，Pr，Y等）和Co的化合物，具有特別優(yōu)異的永磁性能；4).具有奇特吸釋氫本領(lǐng)的金屬間化合物（常稱為貯氫材料），如 LaNi5，F(xiàn)eTi，R2Mg17和R2Ni2Mg15。(R等僅代表稀土 La，Ce，Pr，Nd或混合稀土）是一種很有前途的儲(chǔ)能和換能材料；5).具有耐熱特性的金屬間化合物，如Ni3Al，NiAl，TiAl，Ti3Al，F(xiàn)eAl，F(xiàn)e3Al，MoSi2，NbBe12。ZrBe12等不僅具有很好的高溫強(qiáng)度，并且，在高溫下具有比較好的塑性；6).耐蝕的金屬間化合物，如某些金屬的碳化物，硼化物、氨化物和氧化物等在侵蝕介質(zhì)中仍很耐蝕，若通過(guò)表面涂覆方法，可大大提高被涂覆件的耐蝕性能；7).具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性和消震性的金屬間化合物，如 TiNi，CuZn，CuSi，MnCu，Cu3Al等已在工業(yè)上得到應(yīng)用。2.4 離子晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，是由金屬與非金屬元素通過(guò)離子鍵或兼有離子健和共價(jià)鍵的方式結(jié)合起來(lái)的。陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)大多屬離子晶體。 2.4.1 離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則1.負(fù)離子配位多面體規(guī)則在離子晶體中，正離子的周圍形成一個(gè)負(fù)離子配位多面體，正負(fù)離子間的平衡距離取決于離子半徑之和，而正離子的配位數(shù)則取決于正負(fù)離子的半徑比。這是鮑林第一規(guī)則。將離子晶體結(jié)構(gòu)視為由負(fù)離子配位多面體按一定方式連接而成，正離子則處于負(fù)離子多面體的中央，故配位多面體才是離子晶體的真正結(jié)構(gòu)基元。離子晶體中，正離子的配位數(shù)通常為4和6，但也有少數(shù)為3，8，12。2.電價(jià)規(guī)則在一個(gè)穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)負(fù)離子的電價(jià)Z-等于或接近等于與之相鄰接的各正離子靜電強(qiáng)度S的總和。這就是鮑林第二規(guī)則，也稱電價(jià)規(guī)則。3.負(fù)離子多面體共用頂、棱和面的規(guī)則鮑林第三規(guī)則指出：“在一配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，會(huì)降低這個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)于電價(jià)高，配位數(shù)低的正離子來(lái)說(shuō)，這個(gè)效應(yīng)尤為顯著。”4.不同種類正離子配位多面體間連接規(guī)則鮑林第四規(guī)則認(rèn)為：“在含有一種以上正負(fù)離子的離子晶體中，一些電價(jià)較高，配位數(shù)較低的正離子配位多面體之間，有盡量互不結(jié)合的趨勢(shì)?！?.節(jié)約規(guī)則鮑林第五規(guī)則指出：“在同一晶體中，同種正離子與同種負(fù)離子的結(jié)合方式應(yīng)最大限度地趨于一致?！币?yàn)樵谝粋€(gè)均勻的結(jié)構(gòu)中，不同形狀的配位多面體很難有效堆積在一起。 2.4.2 典型的離子晶體結(jié)構(gòu)離子晶體按其化學(xué)組成分為二元化合物和多元化合物。其中二元化合物中介紹AB 型，AB2 型和A2B3型化合物；多元化合物中主要有ABO3型和AB2O4 型。1.AB型化合物結(jié)構(gòu)a.CsCl型結(jié)構(gòu):CsCl型結(jié)構(gòu)是離子晶體結(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的一種，屬六方晶系簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣，Pm3m空間群。CS+和Cl-半徑之比為0.169nm/0.181nm0.933，Cl-離子構(gòu)成正六面體，Cs+在其中心，Cs+和Cl-的配位數(shù)均為8，多面體共面連接，一個(gè)晶胞內(nèi)含Cs+和Cl-各一個(gè)，如圖2.32所示。圖2.32 CsCl結(jié)構(gòu)的立方晶胞b.NaCl型結(jié)構(gòu):自然界有幾百種化合物都屬于NaCl型結(jié)構(gòu)，有氧化物MgO，CaO，SrO，BaO，CdO，MnO，F(xiàn)eO，CoO，NiO；氮化物里TiN，LaN，ScN，CrN，ZrN；碳化物TiC，VC，ScC等；所有的堿金屬硫化物和鹵化物（CsCl，CsBr，Csl除外）也都具有這種結(jié)構(gòu)。圖2.33 NaCl晶體結(jié)構(gòu)c.立方ZnS型結(jié)構(gòu):立方ZnS結(jié)構(gòu)類型又稱閃鋅礦型(- ZnS)，屬于立方晶系，面心立方點(diǎn)陣，F(xiàn)43m空間群，如圖2.34所示。圖2.34 立方ZnS型結(jié)構(gòu)d.六方ZnS型結(jié)構(gòu):六方 ZnS型又叫纖鋅礦型，屬六方晶系，P63mc空間群。圖2.35 六方ZnS結(jié)構(gòu)2.5 共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)元素周期表中，族元素、許多無(wú)機(jī)非金屬材料和聚合物都是共價(jià)鍵結(jié)合。共價(jià)晶體的共同特點(diǎn)是配位數(shù)服從8N法則小為原子的價(jià)電子數(shù)，這就是說(shuō)結(jié)構(gòu)中每個(gè)原子都有8N個(gè)最近鄰的原子。圖2.44 金剛石型結(jié)構(gòu)共價(jià)晶體最典型代表是金剛石結(jié)構(gòu)，如圖2.44中所示。金剛石便是碳的一種結(jié)晶形式。這里，每個(gè)碳原子均有4個(gè)等距離（0.154nm）的最近鄰原子，全部按共價(jià)鍵結(jié)合，符合 8-N規(guī)則。其晶體結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu)，碳原子除按通常的fcc排列外，立方體內(nèi)還有4個(gè)原子，它們的坐標(biāo)分別為1/4 1/4 1/4，3/4 3/4 1/4，3/4 1/4 3/4，1/4 3/4 3/4，相當(dāng)于晶內(nèi)其中4個(gè)四面體間隙中心的位置。故晶胞內(nèi)共含8個(gè)原子。實(shí)際上，該晶體結(jié)構(gòu)可視為兩個(gè)面心立方晶胞沿體對(duì)角線相對(duì)位移1/4距離穿插而成。2.6 聚合物的晶體結(jié)構(gòu)聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)（無(wú)定形）結(jié)構(gòu)兩種類型，且有兩個(gè)不同于低分子物質(zhì)聚集態(tài)的明顯特點(diǎn)：1) 聚合物晶態(tài)總是包含一定量的非晶相；2) 聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不但與大分子鏈本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還強(qiáng)烈地依賴于外界條件，如溫度對(duì)結(jié)晶過(guò)程有很大影響，應(yīng)力也可加速結(jié)晶。2.6.1 聚合物的晶體形態(tài)主要有單晶、片晶、球晶、樹(shù)枝狀晶、孿晶、纖維狀晶和串晶等。球晶是高分子多晶體的一種主要形式，它可以從濃溶液或熔體冷卻結(jié)晶時(shí)獲得。當(dāng)它的生長(zhǎng)不受阻礙時(shí)其外形呈球狀。其直徑通常在05至100m之間，大的甚至可達(dá)cm數(shù)量級(jí)。較大的球晶（5m以上）很容易在光學(xué)顯微鏡下觀察到。球晶的光學(xué)特征是可以在偏光顯微鏡下觀察到黑十字消光圖案（即Matese Cross）。當(dāng)結(jié)晶溫度較低或溶液濃度較大，或相對(duì)分子質(zhì)量過(guò)大時(shí)，高分子從溶液析出結(jié)晶時(shí)不再形成單晶，棱角處傾向于在其余晶粒前頭向前生長(zhǎng)變細(xì)變尖，更增加樹(shù)枝狀生長(zhǎng)的傾向，最終形成樹(shù)枝狀晶。圖2.45 球晶結(jié)構(gòu)的詳細(xì)示意圖圖2.46 球晶生長(zhǎng)過(guò)程示意圖圖2.47 串晶的結(jié)構(gòu)示意圖2.6.2 聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)的模型1)櫻狀微束模型2)折疊鏈模型3)伸直鏈模型4)串晶的結(jié)構(gòu)模型5)球晶的結(jié)構(gòu)模型6)Hosemann模型圖2.48 半結(jié)晶高分子的櫻狀微束模型示意圖圖2.49 Keller近鄰規(guī)則折疊鏈結(jié)構(gòu)模型2.50 霍斯曼模型2.7 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)的基本特征是原子在三維空間呈周期性排列，即存在長(zhǎng)程有序；而非晶體中的原子排列卻無(wú)長(zhǎng)程有序的特點(diǎn)。非晶態(tài)物質(zhì)包括玻璃、凝膠、非晶態(tài)金屬和合金、非晶態(tài)半導(dǎo)體、無(wú)定型碳及某些聚合物等。玻璃包括非晶態(tài)金屬和合金（也稱金屬玻璃），實(shí)際上是從一種過(guò)冷狀態(tài)液體中得到的。金屬材料由于其晶體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且熔融時(shí)的粘度小，冷卻時(shí)很難阻止結(jié)晶過(guò)程的發(fā)生，故固態(tài)下的金屬大多為晶體；但如果冷速很快時(shí)，能阻止某些合金的結(jié)晶過(guò)程，此時(shí)，過(guò)冷液態(tài)的原子排列方式保留至固態(tài)，原子在三維空間則不呈周期性的規(guī)則排列。隨著現(xiàn)代材料制備技術(shù)的發(fā)展，蒸鍍、濺射、激光、溶膠凝膠法和化學(xué)鍍法也可以獲得玻璃相和非晶薄膜材料。陶瓷材料晶體-般比較復(fù)雜。盡管大多數(shù)陶瓷材料可進(jìn)行結(jié)晶，但也有一些是非晶體，這主要是指玻璃和硅酸鹽結(jié)構(gòu)。高聚物也有晶態(tài)和非晶態(tài)之分。大多數(shù)聚合物容易得到非晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶只起次要作用。圖2.56 聚合物的幾種非晶結(jié)構(gòu)模型本章重點(diǎn)復(fù)習(xí)內(nèi)容提要：可分為晶體和非晶體兩大類。晶體的性能是與內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。為了便于了解晶體結(jié)構(gòu)，首先引入一個(gè)“空間點(diǎn)陣”的概念。根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同”和六個(gè)點(diǎn)陣參數(shù)間的相互關(guān)系，可將晶體分為7個(gè)晶系，14種布拉菲點(diǎn)陣。晶胞是能反映點(diǎn)陣對(duì)稱性、具有代表性的基本單元（最小平行六面體），其不同方向的晶向和晶面可用密勒指數(shù)加以標(biāo)注，并可采用極射投影方法來(lái)分析晶面和晶向的相對(duì)位向關(guān)系。在晶體結(jié)構(gòu)中，最常見(jiàn)的是面心立方(fcc)、體心立方（bcc）和密排六方(hcp)三種典型結(jié)構(gòu)，其中fcc和hcp系密排結(jié)構(gòu)，具有最高的致密度和配位數(shù)。這三種典型結(jié)構(gòu)的晶胞分別含有4、2、6個(gè)原子。利用剛球模型可以算出晶體結(jié)構(gòu)中的間隙，以及點(diǎn)陣常數(shù)與原子半徑之間的關(guān)系。金屬晶體的結(jié)合鍵是金屬鍵，故往往構(gòu)成具有高度對(duì)稱性的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)，如fcc、bcc和hcp等。但是，工業(yè)上廣泛使用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。由于合金元素的加入，使形成的合金相結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。合金組元之間的相互作用及其所形成的合金相的性質(zhì)主要是由它們各自的電化學(xué)因素、原子尺寸因素和電子濃度三個(gè)因素控制的。合金相基本上可分為固溶體和中間相兩大類。固溶體保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。根據(jù)溶質(zhì)在固溶體點(diǎn)陣中的位置可分為置換固溶體和間隙固溶體；按固溶度則分為有限固溶體和無(wú)限固溶體；而按溶質(zhì)在固溶體中的排布則分為無(wú)序固溶體和有序固溶體；若按溶劑分類則有第一類固溶體和第二類固溶體之分。中間相的晶體結(jié)構(gòu)不同于其組元的結(jié)構(gòu)，它通?？捎没衔锏幕瘜W(xué)分子式表示。中間相根據(jù)其主導(dǎo)影響因素可分為正常價(jià)化合物，電子化合物，間隙相與間隙化合物，拓?fù)涿芏严嗟取ｋx子晶體是以正負(fù)離子為結(jié)合單元的，其結(jié)合鍵為離子鍵。Pauling在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，用離子鍵理論，歸納總結(jié)出離子晶體的如下結(jié)構(gòu)規(guī)則：負(fù)離子配位多面體規(guī)則、電價(jià)規(guī)則、負(fù)離子多面體共用頂、棱和面的規(guī)則，不同種類正離子配位多面體間連接規(guī)則和節(jié)約規(guī)則等。它們?cè)诜治?、理解晶體結(jié)構(gòu)時(shí)簡(jiǎn)單明瞭，突出了結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。典型的離子晶體結(jié)構(gòu)是NaCl型，自然界有幾百種化合物都屬于此種結(jié)構(gòu)。它屬于立方晶系，F(xiàn)m3m空間群，可以看成分別由Na+和CL-構(gòu)成兩個(gè)fcc結(jié)構(gòu)相互在棱邊上穿插而成。在無(wú)機(jī)非金屬材料中，硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)尤其復(fù)雜，有孤島狀、組群狀、鏈狀、層狀和骨架狀結(jié)構(gòu)等。但它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，即均具有SiO44-四面體，并遵循由此導(dǎo)出的硅酸鹽結(jié)構(gòu)定律。共價(jià)晶體是以共價(jià)鍵結(jié)合。共價(jià)晶體的共同特點(diǎn)是配位數(shù)服從8-N法則（N為原子的價(jià)電子數(shù)）。最典型的共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)是金剛石結(jié)構(gòu)。它屬于復(fù)雜的fcc結(jié)構(gòu)，可視為兩個(gè)fcc晶胞沿體對(duì)角線相對(duì)位移1/4距離穿插而成。結(jié)合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)是其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（三次結(jié)構(gòu)）中的一大類。由于大分子結(jié)構(gòu)的緣故，聚合物的結(jié)晶是分子結(jié)晶，一個(gè)大分子可以貫穿若干個(gè)晶胞，結(jié)晶速度慢且存在結(jié)晶不完整性。聚合物的晶態(tài)多種多樣，主要由單晶、片晶、球晶、樹(shù)枝狀晶、孿晶和串晶等。由于聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，可用纓狀微束模型、折疊鏈模型、伸直鏈模型、串晶或球晶結(jié)構(gòu)模型以及Hosemann模型來(lái)加以描述。固態(tài)物質(zhì)中除各種晶體外，另一大類稱為非晶體。由于非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)的原子排列在三維空間不具有長(zhǎng)程有序和周期性，故決定了它在性質(zhì)上是各向同性的，且沒(méi)有固定的熔點(diǎn)（對(duì)玻璃而言，存在一個(gè)玻璃轉(zhuǎn)變溫度）。但是應(yīng)注意固態(tài)物質(zhì)雖有晶體和非晶體之分，然在一定條件下，兩者是可以相互轉(zhuǎn)換的。重點(diǎn)與難點(diǎn)1. 選取晶胞的原則；2. 7個(gè)晶系，14種布拉菲空間點(diǎn)陣的特征；3. 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的標(biāo)注；4. 晶面間距的確定與計(jì)算；5. 晶體的對(duì)稱元素與32種點(diǎn)陣；6. 極射投影與Wulff網(wǎng)；7. 三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特點(diǎn)；8. 晶體中的原子堆垛方式和間隙；9. 固溶體的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；10. 影響固溶體固溶度的因素；11. 超結(jié)構(gòu)的類型和影響有序化的因素；12. 中間相的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；13. 離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則；14. NaCl型、A2B2型和硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；15. 金剛石型共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；16. 聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型，晶體形態(tài)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；17. 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)及其性能與晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別。重要概念與名詞晶體，非晶體；晶體結(jié)構(gòu)，空間點(diǎn)陣，陣點(diǎn)，晶胞， 7 個(gè)晶系， 14 種布拉菲點(diǎn)陣；宏觀對(duì)稱元素，微觀對(duì)稱元素，點(diǎn)群，空間群； 極射投影，極點(diǎn)，吳氏網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)投影； 晶向指數(shù)，晶面指數(shù)，晶向族，晶面族，晶帶軸，共價(jià)面，晶面間距；面心立方，體心立方，密排立方，多晶型性，同素異構(gòu)體；點(diǎn)陣常數(shù)，晶胞原子數(shù)，配位數(shù)，致密度，四面體間隙，八面體間隙；合金，相，固溶體，中間相，短程有序參數(shù) a ，長(zhǎng)程有序參數(shù) S ； 置換固溶體，間隙固溶體，有限固溶體，無(wú)限固溶體，無(wú)序固溶體，有序固溶體；正常價(jià)化合物，電子化合物，電子濃度，間隙相，間隙化合物，拓?fù)涿芏严啵?離子晶體， NaCl 型結(jié)構(gòu)，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，硅酸鹽 SiO 4 4- 四面體； 共價(jià)晶體，金剛石結(jié)構(gòu)； 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，球晶， 纓狀微束模型，折疊鏈模型，伸直鏈模型；玻璃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 U V W 與 u v t w 之間的互換關(guān)系：晶帶定律：立方晶系晶面間距計(jì)算公式:六方晶系晶面間距計(jì)算公式：電子濃度計(jì)算公式：第3章 晶體缺陷在實(shí)際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運(yùn)動(dòng)，以及晶體的形成條件、冷熱加工過(guò)程和其他輻射、雜質(zhì)等因素的影響，實(shí)際晶體中原子的排列不可能那樣規(guī)則、完整，常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況，即晶體缺陷。晶體缺陷對(duì)晶體的性能，特別是對(duì)那些結(jié)構(gòu)敏感的性能，如屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、塑性、電阻率、磁導(dǎo)率等有很大影響。另外晶體缺陷還與擴(kuò)散、相變、塑性變形、再結(jié)晶、氧化、燒結(jié)等有密切關(guān)系。因此，研究晶體缺陷具有重要的理論與實(shí)際意義。3.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是最簡(jiǎn)單的晶體缺陷，它是在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。晶體點(diǎn)缺陷包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子，以及由它們組成的復(fù)雜點(diǎn)缺陷，如空位對(duì)、空位團(tuán)和空位-溶質(zhì)原子對(duì)等。3.1.1 點(diǎn)缺陷的形成在晶體中，位于點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的原子并非靜止的，而是以其平衡位置為中心作熱振動(dòng)。原子的振動(dòng)能是按幾率分布，有起伏漲落的。當(dāng)某一原子具有足夠大的振動(dòng)能而使振幅增大到一定限度時(shí)，就可能克服周圍原子對(duì)它的制約作用，跳離其原來(lái)的位置，使點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。離開(kāi)平衡位置的原子有三個(gè)去處：一是遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位，稱為肖脫基（Schottky）空位；二是擠人點(diǎn)陣的間隙位置，而在晶體中同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙原子，則稱為弗蘭克爾（Frenkel）缺陷；三是跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定條件下，晶體表面上的原子也可能跑到晶體內(nèi)部的間隙位置形成間隙原子，如圖3.1所演示。圖3.1 晶體中的點(diǎn)缺陷對(duì)于高分子晶體除了上述的空位、間隙原子和雜質(zhì)原子等點(diǎn)缺陷外，還有其特有的點(diǎn)缺陷。3.1.2 點(diǎn)缺陷的平衡濃度晶體中點(diǎn)缺陷的存在一方面造成點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性，另一方面由于增大了原子排列的混亂程度，并改變了其周圍原子的振動(dòng)頻率，引起組態(tài)熵和振動(dòng)熵的改變，使晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性。這兩個(gè)相互矛盾的因素使得晶體中的點(diǎn)缺陷在一定的溫度下有一定的平衡濃度。 空位在T溫度時(shí)的平衡濃度為：C=Aexp(-NAEv/kNAT)=Aexp(-Qf/RT)式中Qf=NAEv為形成1摩爾空位所需作的功，單位為J/mol；R=kN為氣體常數(shù)(8.31J/mol)間隙原子的平衡濃度C為: C=n/N=Aexp(-E/kT)式中N為晶體中間隙位置總數(shù)；n 為間隙原子數(shù)；Ev為形成一個(gè)間隙原子所需的能量。在一般的晶體中間隙原子的形成能Ev較大（約為空位形成能Ev的34倍）。因此，在同一溫度下，晶體中間隙原子的平衡濃度C要比空位的平衡濃度C低得多。因此，在通常情況下，相對(duì)于空位，間隙原子可以忽略不計(jì)；但是在高能粒子輻照后，產(chǎn)生大量的弗蘭克爾缺陷，間隙原子數(shù)就不能忽略了。 3.1.3 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)在一定溫度下，晶體中達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡的空位和間隙原子的數(shù)目是一定的，而且晶體中的點(diǎn)缺陷并不是固定不動(dòng)的，而是處于不斷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空位相遇時(shí)，它將落人該空位，而使兩者都消失，這一過(guò)程稱為復(fù)合。晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷地產(chǎn)生與復(fù)合才不停地由一處向另一處作無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，這就是晶體中原子的自擴(kuò)散，是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)等物理化學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)。3.2 位錯(cuò)3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和特征從位錯(cuò)的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)看，可將它們分為兩種基本類型，即刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。1刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示圖3.2含有刃型位錯(cuò)的晶體結(jié)構(gòu)刃型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 1).刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上邊的稱為正刃型位錯(cuò)，記為；而把多出在下邊的稱為負(fù)刃型位錯(cuò)，記為。其實(shí)這種正、負(fù)之分只具相對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。 2).刃型位錯(cuò)線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量，如圖3.2所示。 3).滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個(gè)。 4).晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力：負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。 5).在位錯(cuò)線周圍的過(guò)渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道，所以刃型位錯(cuò)是線缺陷。2螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可用圖3.3來(lái)加以說(shuō)明。螺型位錯(cuò)具有以下特征： 1).螺型位錯(cuò)無(wú)額外半原子面，原子錯(cuò)排是呈軸對(duì)稱的。2).根據(jù)位錯(cuò)線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，螺型位錯(cuò)可分為右旋和左旋螺型位錯(cuò)。3).螺型位錯(cuò)線與滑移矢量平行，因此一定是直線，而且位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與晶體滑移方向互相垂直。4).純螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面。但實(shí)際上，滑移通常是在那些原子密排面上進(jìn)行。5).螺型位錯(cuò)線周圍的點(diǎn)陣也發(fā)生了彈性畸變，但是，只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不會(huì)引起體積膨脹和收縮，且在垂直于位錯(cuò)線的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。 6).螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變隨離位錯(cuò)線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個(gè)原子寬度的線缺陷。3混合位錯(cuò)除了上面介紹的兩種基本型位錯(cuò)外，還有一種形式更為普遍的位錯(cuò)，其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯(cuò)線，而與位錯(cuò)線相交成任意角度，這種位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。如圖3.4所示: 圖3.4 混合位錯(cuò)由于位錯(cuò)線是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。因此，位錯(cuò)具有一個(gè)重要的性質(zhì)，即一根位錯(cuò)線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（包括晶界）。若它終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯(cuò)線相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。形成封閉線的位錯(cuò)稱為位錯(cuò)環(huán)，如圖3.5所示。圖中的陰影區(qū)是滑移面上一個(gè)封閉的已滑移區(qū)。顯然，位錯(cuò)環(huán)各處的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)類型也可按各處的位錯(cuò)線方向與滑移矢量的關(guān)系加以分析，如A，B兩處是刃型位錯(cuò)，C，D兩處是螺型位錯(cuò)，其他各處均為混合位錯(cuò)。圖3.5 晶體中的位錯(cuò)環(huán)3.3 表面及界面嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，界面包括外表面（自由表面）和內(nèi)界面。表面是指固體材料與氣體或液體的分界面，它與摩擦、磨損、氧化、腐蝕、偏析、催化、吸附現(xiàn)象，以及光學(xué)、微電子學(xué)等均密切相關(guān)；而內(nèi)界面可分為晶粒邊界和晶內(nèi)的亞晶界、孿晶界、層錯(cuò)及相界面等。界面通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的原子排列甚至化學(xué)成分往往不同于晶體內(nèi)部，又因它系二維結(jié)構(gòu)分布，故也稱為晶體的面缺陷。界面的存在對(duì)晶體的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。3.3.1 外表面在晶體表面上，原子排列情況與晶內(nèi)不同,表面原子會(huì)偏離其正常的平衡位置，并影響到鄰近的幾層原子，造成表層的點(diǎn)陣畸變，使它們的能量比內(nèi)部原子高，這幾層高能量的原子層稱為表面。晶體表面單位面積自由能的增加稱為表面能 （J/m2）。表面能也可理解為產(chǎn)生單位面積新表面所作的功：式中dW為產(chǎn)生dS表面所作的功。表面能也可以單位長(zhǎng)度上的表面張力(N/m)表示。表面能與晶體表面原子排列致密程度有關(guān)，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶體暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。3.3.2 晶界和亞晶界多數(shù)晶體物質(zhì)是由許多晶粒所組成，屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界，它是一種內(nèi)界面；而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。晶粒的平均直徑通常在0.015-0.25 mm范圍內(nèi)，而亞晶粒的平均直徑則通常為0.001mm數(shù)量級(jí)。晶界位置可用兩個(gè)晶粒的位向差和晶界相對(duì)于一個(gè)點(diǎn)陣某一平面的夾角來(lái)確定。根據(jù)相鄰晶粒之間位向差的大小不同可將晶界分為兩類：1).小角度晶界-相鄰晶粒的位向差小于10o 晶界；亞晶界均屬小角度晶界，一般小于2o ；2).大角度晶界一相鄰晶粒的位向差大于10o 晶界，多晶體中90以上的晶界屬于此類。1.小角度晶界的結(jié)構(gòu)按照相鄰亞晶粒之間位向差的型式不同，可將小角度晶界分為傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界和重合晶界等。它們的結(jié)構(gòu)可用相應(yīng)的模型來(lái)描述。a對(duì)稱傾斜晶界 對(duì)稱傾斜晶界可看作把晶界兩側(cè)晶體互相傾斜的結(jié)果。由于相鄰兩晶粒的位向差 角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。b不對(duì)稱傾斜晶界 如果傾斜晶界的界面繞x軸轉(zhuǎn)了一角度j ，則此時(shí)兩晶粒之間的位向差仍為 角，但此時(shí)晶界的界面對(duì)于兩個(gè)晶粒是不對(duì)稱的，因此，稱為不對(duì)稱傾斜晶界。它有兩個(gè)自由度 和j 。該晶界結(jié)構(gòu)可看成由兩組柏氏矢量相互垂直的刃位錯(cuò)bb交錯(cuò)排列而構(gòu)成的。c扭轉(zhuǎn)晶界 扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的又一種類型。它可看成是兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè) q角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面。2大角度晶界的結(jié)構(gòu)多晶體材料中各晶粒之間的晶界通常為大角度晶界。大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其中原子排列較不規(guī)則，不能用位錯(cuò)模型來(lái)描述。晶界可看成壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。隨著位向差的增大，壞區(qū)的面積將相應(yīng)增加。純金屬中大角度晶界的寬度不超過(guò)3個(gè)原子間距。3晶界能晶界