材料的晶态结构及有序化PPT学习教案

1、会计学1 材料的晶态结构及有序化材料的晶态结构及有序化PPT课件课件 材料科学基础材料科学基础 3.5.1 典型结构类型 第1页/共90页 材料科学基础材料科学基础 要求: 无机材料典型的晶体结构类型 晶胞分析和描述晶系、基本格子、等 同点分析、正负离子配位数（CN）、晶胞 分子数z、质点坐标、四面体和八面体空隙数 量、位置及被占据情况 同晶型典型物质及特性 熟记几个典型晶体结构图 第2页/共90页 材料科学基础材料科学基础 1. 金刚石型结构 第3页/共90页 材料科学基础材料科学基础 以金刚石结构作为代表 化学式为C 立方晶系 基本格子立方面心格子 空间群符号Fd3m 晶胞参数 ao= 0

2、.356nm 第4页/共90页 材料科学基础材料科学基础 75 0,100 0,1000,100 0,100 0,100 50 50 5050 7525 25 A B C 图3-21 金刚石的晶胞图和投影图 第5页/共90页 材料科学基础材料科学基础 排列方式 配位数 质点坐标 空位情况 等同点 第6页/共90页 材料科学基础材料科学基础 结构与性质的关系 硬度 熔点 声子传导 热辐射 高温半导体 第7页/共90页 材料科学基础材料科学基础 同类型结构的物质有： 硅 锗 灰锡（-Sn） 人工合成立方氮化硼（c-BN ） 第8页/共90页 材料科学基础材料科学基础 制造方法 第9页/共90页 材

3、料科学基础材料科学基础 2. 石墨结构 第10页/共90页 材料科学基础材料科学基础 化学式C 六方晶系 六方原始格子 P63/mmc空间群 ao=0.246nm co=0.670nm 第11页/共90页 材料科学基础材料科学基础 石墨的结构特征 第12页/共90页 材料科学基础材料科学基础 图3-22 石墨晶体结构（虚线范围为单位晶胞） 第13页/共90页 材料科学基础材料科学基础 结构与性能的关系 润滑性 （中低温固体润滑剂 ） 良好的导电性 （高温发热体 ） 硬度低，易加工 在惰性气氛中熔点很高（高温坩埚 ） 第14页/共90页 材料科学基础材料科学基础 同类结构物质 h-BN 车、刨、

4、铣、钻机加工 用作高温固体润滑剂 不导电 第15页/共90页 材料科学基础材料科学基础 化学组成相同的物质，在不同的热 力学条件下生成不同的晶体结构的现 象，称为同质多晶现象。 变体、多晶形 第16页/共90页 材料科学基础材料科学基础 当外界条件改变时，各变体之间就 要发生结构转变，称为同质多晶转变 第17页/共90页 材料科学基础材料科学基础 3. NaCl 型结构 第18页/共90页 材料科学基础材料科学基础 以氯化钠作为这类结构的代 表 化学式NaCl 立方晶系 基本格子为立方面心格子 Fm3m空间群 ao = 0.563 nm 第19页/共90页 材料科学基础材料科学基础 以体积较大

5、的Cl-作立方紧密堆积 Na 如何填充？ 孔隙如何分布？ 第20页/共90页 材料科学基础材料科学基础 rNa/rCl = 0.102/0.181 = 0.56 （ 0.4140.732） 阳离子填充在八面体空隙中 正、负离子的配位数都是 6 第21页/共90页 材料科学基础材料科学基础 图3-23 NaCl 晶体结 构 ClNa 第22页/共90页 材料科学基础材料科学基础 z = 4 8个V4 + 4个V8。具体位置及被占据情 况？ 等同点 质点坐标 ClNa 第23页/共90页 材料科学基础材料科学基础 4. CsCl型结构 第24页/共90页 材料科学基础材料科学基础 氯化铯（CsCl

6、） 立方晶系 Pm3m空间群 简单（原始）立方格子 ao = 0.411nm Cs+Cl 第25页/共90页 材料科学基础材料科学基础 5. -ZnS（闪锌矿）型结构 第26页/共90页 材料科学基础材料科学基础 立方晶系 面心立方格子 空间群 z = 4 第27页/共90页 材料科学基础材料科学基础 图3-25 闪锌矿晶体结构 75 0,100 0,1000,100 0,100 0,100 50 50 5050 7525 25 第28页/共90页 材料科学基础材料科学基础 S2-立方紧密堆积 r+/r- = 0.33 Zn2+ V4，Zn2+ CN =4 V8 全部空着（位置何在？） S2-

7、 CN =4 z = 4 应有8个V4，只填充了1/2，如何分布？ 等同点 质点坐标 第29页/共90页 材料科学基础材料科学基础 与金刚石晶胞的对比 第30页/共90页 材料科学基础材料科学基础 同晶型物质： -SiC GaAs AlP InSb 第31页/共90页 材料科学基础材料科学基础 6. -ZnS（纤锌矿）型结构 第32页/共90页 材料科学基础材料科学基础 六方晶系 简单六方格子 P63mc空间群 ao=0.382nm，co=0.625nm z = 2 CN = 4 第33页/共90页 材料科学基础材料科学基础 图3-26 纤锌矿晶体结构 第34页/共90页 材料科学基础材料科学

8、基础 S2-六方紧密堆积排列 Zn2+填充在四面体空隙中，只占据了1/2 等同点分析 质点坐标 与纤锌矿结构同类的晶体：BeO、ZnO、AlN 第35页/共90页 材料科学基础材料科学基础 小 结 CsCl和NaCl是典型的离子晶 体 符合Pauling规则。 第36页/共90页 材料科学基础材料科学基础 ZnS晶体不是完全离子键，向共价键过渡 Zn2+ 18外层电子，极化率高，S2-极化力较 高 较明显的离子极化，改变了正、负离子之间 的距离和键性 但尚未引起晶体结构类型的根本改变。 第37页/共90页 材料科学基础材料科学基础 ZnO晶体结构中Zn2+的配位数应该为6，本 应属于NaCl型

9、结构。 实际上，由于离子极化的结果，r+/r-值下降 ，配位数和键性都发生了变化 Zn2+的配位数为4，结构类型与理论预期的 结构不同 充分体现了极化性能对晶体结构的影响。 第38页/共90页 材料科学基础材料科学基础 7. CaF2（萤石）型结 构 第39页/共90页 材料科学基础材料科学基础 立方晶系 面心立方格子 Fm3m空间群 z = 4。 第40页/共90页 材料科学基础材料科学基础 根据Pauling第一规则 r+/r- = 0.75 0.732 CN+ = 8 所以Ca2+配位多面体形状是立方体，F-位 于顶角，Ca2+位于体心 配位多面体是以共棱关系连接 第41页/共90页 材

10、料科学基础材料科学基础 根据Pauling第二规则 Ca2+ : S = 2/8 = 1/4 故每个F-必须与4个Ca2+形成静电键 即F-应该位于Ca2+的四面体中 第42页/共90页 材料科学基础材料科学基础 为了便于把CaF2晶体的结构与 对称特点显露出来 通常将Ca2+看成“立方紧密堆 积” F-占据全部四面体空隙 第43页/共90页 材料科学基础材料科学基础 图3-27 CaF2晶体结 构 第44页/共90页 材料科学基础材料科学基础 等同点分析 质点坐标 第45页/共90页 材料科学基础材料科学基础 结构特点：结构特点： 8个F-之间形成“空洞”，结构比较开放 形成负离子填隙 负离

11、子扩散 萤石型结构负离子填隙和扩散是主要机 制 第46页/共90页 材料科学基础材料科学基础 立方ZrO2属萤石型结构，应用： 测氧传感器探头 氧泵 固体氧化物燃料电池中的电解质材料 被称作固体快离子导体（ 9001000C O2-电导率达0.1 S/cm） 第47页/共90页 材料科学基础材料科学基础 同类型结构晶体： UO2、ThO2、CeO2、BaF2、PbF2、SnF2 第48页/共90页 材料科学基础材料科学基础 反萤石型结构 在萤石型结构中正、负离子位置 全部互换，并没有改变结构形式， 只是正、负离子位置对调 第49页/共90页 材料科学基础材料科学基础 结构与性能的关系： CaF

12、2熔点较低，用作 助熔剂 / 作晶核剂 质点间键力较NaCl强 硬度稍高（莫氏4级 ），熔点1410C，在水中溶解度小 在（111）面上存在着相互毗邻的同号负离 子层，因静电斥力导致晶体平行于（111）方 向发生解理，故萤石常呈八面体解理 第50页/共90页 材料科学基础材料科学基础 8. TiO2（金红石）型结构 第51页/共90页 材料科学基础材料科学基础 3种晶型： 金红石 板钛矿 锐钛矿 金红石是稳定型结构 第52页/共90页 材料科学基础材料科学基础 四方晶系 简单四方点阵 z = 2 P42/mnm空间群 ao=0.459nm，co=0.296nm 第53页/共90页 材料科学基础

13、材料科学基础 图3-28 金红石晶体结构 第54页/共90页 材料科学基础材料科学基础 等同点分析 r+/r- = 0.48，CN+=6； 静电价规则，Ti4+ S = 4/6 = 2/3 ， CN- = 3，即每个O2-与3个Ti4+形成静电键 质点坐标 第55页/共90页 材料科学基础材料科学基础 结构与性质 光学性质：很高的折射率（2.76） 制备高折射率玻璃 电学性质：高的介电系数 金红石是一种陶瓷电容器瓷料中的主晶 相 第56页/共90页 材料科学基础材料科学基础 同类结构晶体： GeO2、SnO2、PbO2、MnO2、MoO2 、NbO2、WO2、CoO2、MnF2和MgF2 第5

14、7页/共90页 材料科学基础材料科学基础 9. CdI2（碘化镉）型结构 第58页/共90页 材料科学基础材料科学基础 三方晶系 空间群 ao = 0.424 nm，co = 0.684 nm z = 1 第59页/共90页 材料科学基础材料科学基础 图3-29 CdI2晶体结构 第60页/共90页 材料科学基础材料科学基础 质点坐标 同类型结构晶体： Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaI2、MgI2 第61页/共90页 材料科学基础材料科学基础 10. -Al2O3（刚玉）型结 构 第62页/共90页 材料科学基础材料科学基础 三方晶系 空间群 ao = 0.514 nm， = 5517

15、z = 2 CN+ = 6 CN- = 4，O2-与4个Al3+形成静电键 cR3 第63页/共90页 材料科学基础材料科学基础 图3-30 -Al2O3晶体结构 第64页/共90页 材料科学基础材料科学基础 O2- 六方紧密堆积排列（ABAB二层重复型） Al3+填充于2/3八面体空隙 Al3+的分布规律： 原则从Pauling规则出发，在同一层和层 与层之间，Al3+之间的距离应保持最远，宏观 上呈现均匀分布，以减少Al3+之间的静电斥力 ，有利于结构的稳定性 第65页/共90页 材料科学基础材料科学基础 Al3+分布3种形式： AlD AlE AlF 按顺序排列，满足Al3+ 之间距离最

16、远的条件 第66页/共90页 材料科学基础材料科学基础 考虑O2-排列2种方式：OA和OB -Al2O3晶体中O2-与Al3+的排列次序如下： OA AlD OB AlE OA AlF OB AlD OA AlE OB AlF 将上述12层排列看成一个单元，则其重 复就构成了-Al2O3晶体结构。 第67页/共90页 材料科学基础材料科学基础 结构与性质 硬度高（莫氏9级） 熔点高达2050C 力学性能颇佳 第68页/共90页 材料科学基础材料科学基础 应用 耐火材料 电子装置瓷 磨料磨具 耐高温瓷件 / 结构件 在现代机械工业、化工工业和电子工 业中，氧化铝作为先进陶瓷也是广为应用 第69页

17、/共90页 材料科学基础材料科学基础 同类型结构 -Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、 V2O3 第70页/共90页 材料科学基础材料科学基础 11. CaTiO3（钙钛矿）型结构 第71页/共90页 材料科学基础材料科学基础 通 式： ABO3 A 二价（或一价） B 四价（或五价） 第72页/共90页 材料科学基础材料科学基础 立方晶系（高温时） 简单立方格子 Pm3m空间群 ao= 0.385 nm z = 1 第73页/共90页 材料科学基础材料科学基础 正交晶系（ 600C ） 简单正交格子 PCmm空间群 ao=0.537nm，bo=0.764nm，co=0.544nm z =

18、4 第74页/共90页 材料科学基础材料科学基础 图3-32 CaTiO3晶体结 构 第75页/共90页 材料科学基础材料科学基础 结构描述 Ca2+位置 O2-位置 Ti4+位置 CNCa2+ = 12 CNO2- = 6 CNTi4+ = 6 视作由O2-和半径较大的Ca2+ 共同组成立方紧密堆积（面心结 构），Ti4+填充在位于体心的V8 中 第76页/共90页 材料科学基础材料科学基础 当各离子都相互接触时 )(2 OBBA rrrr 第77页/共90页 材料科学基础材料科学基础 t = 0.771.10 （容差因子 ） )(2 OBBA rrtrr 第78页/共90页 材料科学基础材

19、料科学基础 钙钛矿降温过程中结 构畸变，对称性下降 ： 如果在一个轴向发生 畸变（如c轴伸长或缩 短） 四方晶系 第79页/共90页 材料科学基础材料科学基础 如果在两个轴向发生畸变 正交晶系 第80页/共90页 材料科学基础材料科学基础 若沿体对角线111 方向发生畸变 三方晶系菱面体格 子 第81页/共90页 材料科学基础材料科学基础 由于畸变，使一些钙钛矿晶体结 构中正、负电荷中心不重合，即晶胞 中产生偶极矩，此现象称为自发极化 。 第82页/共90页 材料科学基础材料科学基础 自发极化的方向可以随着外加 电场的方向改变而改变，从而使这 种晶体具有铁电性，该晶体称为铁 电晶体。 第83页