周颖老师课件3-晶体结构及其与材料性能的关系2008

第三章晶体结构与材料性能的关系3.1晶体的宏观特性3.2无机非金属材料的晶体结构3.3晶体结构与材料性能的关系晶体：原子、分子、离子、原子团有规则地在三维空间的周期性重复排列形成的固体。3.1晶体的宏观特性

1、晶体的自限性——自发形成封闭几何外形的能力。晶体生长过程会自发形成晶面、晶面相交形成晶棱、晶棱会聚成顶点、形成凸多面体外形，将自身封闭起来。又称为自范性

2、晶面角守恒定律同一种晶体在相同的温度和压力下，对应晶面之间的夹角不变。

3、解理性

晶体受到外力作用时会沿着某一个或几个特定的晶面劈裂开的性质称为解理性。劈裂开的晶面称为解理面。如云母，可沿自然层状结构平行方向劈为薄片；圆单晶硅片可以沿一定的晶面划成薄片4、晶体的各向异性

沿晶体内部的不同方向上有不同的物理性质。晶体的电导率、电阻率、折射率、机械强度等电学、光、磁学、热学性质，沿晶体的不同方向有不同的数值，称为各向异性5、晶体的均匀性——内部各部分的客观性质相同晶体中任何两个形状、大小、取向相同的部分的化学组成一致、密度相同、结构相同、物理性质相同等，这源于原子的周期性排列。6、晶体的对称性

由于内部质点有规则排列而形成的特殊性质。

7、晶体的稳定性与同种物质的其他形态（气态、液态、非晶态、等离子态等）相比，晶体的内能最小、最稳定。晶体具有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点。3.2无机非金属材料的晶体结构法国晶体学家Bravais（1811~1863）在考虑了对称性的情况下，用数学方法证明空间点阵只有14种：7种初基点阵和7种有心点阵。根据对称性，这14种空间点阵可以分为七大类或七大晶系。晶系晶格常数的关系晶夹角的关系举例立方晶系四方晶系三方晶系六方晶系正交晶系单斜晶系三斜晶系a=b=ca=b≠ca=b=ca1=a2≠ca≠b≠ca≠b≠ca≠b≠cα=β=γ=90°α=β=γ=90°α=β=γ≠90°α=β=90°,γ=120°α=β=γ=90°α=γ=90°β≠90°α≠β≠γ≠90°Fe、Cr、Cu、Ag、Auβ-Sn、TiO2As、Sb、BiZn、Cl、Mg、Niα-S、Ga、Fe3CCaSO42H2OK2CrO7七大晶系基矢a、b、c及其夹角α、β、γ决定了平行六面体（晶胞）的外形，以外形特征来划分总共可以分为7种，各自有其特征对称元素。1、典型的离子晶体结构

2、硅酸盐晶体结构离子晶体中的正负离子也采取最密堆积方式正负离子的大小不同、符号相反。离子晶体的堆积原则是正负离子都尽可能多的与异号离子接触，以使体系的能量尽可能低而形成稳定的结构。

离子晶体的构型，取决于其结构基元的数量关系、大小关系和极化作用，这一性质称为哥希密特结晶化学定律。1、典型的离子晶体结构

1)、AX型化合物2)、AX2型化合物3)、A2X3型化合物4)、ABO3化合物5)、AB2O4型化合物1)、AX型化合物氯化钠型结构*氯化铯型结构立方ZnS型结构*六方ZnS型结构

2)、AX2型化合物萤石(CaF2)型结构*金红石(TiO2)型结构碘化镉（CdI2）型结构方石英型结构3)、A2X3型化合物

刚玉(α-Al2O3)型结构4)、ABO3化合物钙钛矿（CaTiO3

）型结构*方解石(CaCO3)型结构5)、AB2O4型化合物AB2O4型化合物中A为二价正离子，如Mg2+、Zn2+

、Co2+

、Cu2+

、Ni2+

、Fe2+等；B为三价正离子，如Al3+

、Fe3+

、Cr3+等。最重要的一种结构就是尖晶石型晶体结构和反尖晶石型晶体结构。2、硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体种类繁多，它们是构成地壳的主要矿物，也是水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料等硅酸盐工业的原料。在硅酸盐晶体中，除了硅和氧以外，组成中的各种阳离子多达50多种，因此，硅酸盐晶体的结构十分复杂。

1928年，鲍林在研究大量硅酸盐X射线结构分析数据的基础上，总结出鲍林规则，它是多元复杂离子晶体结构所遵循基本原则，从此人们对硅酸盐的结构才有了正确的了解，并对各种硅酸盐晶体进行了科学的分类。硅酸盐晶体的基本结构单元：[SiO4]4-四面体。根据[SiO4]4-硅氧四面体与相邻硅氧四面体共顶情况，衍变成不同结构的络阴离子团，在空间排列而形成岛状结构、环状结构、链状结构、层状结构和架状结构5个亚类的硅酸盐结构形式。3.3晶体结构与材料性能的关系1、SiO22、BaTiO33、Zr024、Fe3O4SiO2由鳞石英在加热或冷却时的体积变化最小，如表7-1所示，热稳定性最好，为了获得致密稳定的砖制品，总是采取相应的工艺措施，尽量提高硅砖中鳞石英的含量，减少方石英晶体的含量，这就需要用SiO2相图来确定合理的烧成温度和烧成制度(升温和冷却曲线)。BaTiO3当T↓

时，Ti可沿一个轴向，两个轴向，体对角线方向发生微小位移，则对称性↓，变为四方、正交、三方，产生自发电偶极矩：从而具有铁电性，在外电场作用下出现响应。三方结构正交结构四方结构立方结构a=b=ca≠b≠ca=b≠ca=b=cα=β=γ≠90oα=β=γ=90oα=β=γ=90oα=β=γ=90o>-90o﹥5o>120oZr02立方Zr02具有萤石的结构，02-离子排成简单立方，在点阵的1/2处占据着Zr4+间隙原子，具体结构如图所示。低价阳离子置换Zr4+导致02-离子空位的形成。空位稳定了结构，同样导致在氧的亚晶格中高的迁移率。纯的氧化锆是从ZrSi04锆矿中以化学方法提取的。它具有三种晶体结构：单斜、四方和立方结构。在1170℃以下单斜晶体结构是稳定的。从1170℃到2370℃是四方晶体结构，从2370℃到熔点2680℃立方晶体结构是稳定的。通过加入低价离子代替部分锆可以把立方晶体结构稳定到室温。单斜→四方→立方→熔体稳定氧化锆立方结构的元素有La、Sc、Ir、Mg、Ca、Mn、In。其主要条件是离子半径接近Zr4+的离子半径(r=0.084nm)。Ca2+(r=0.112nm)是最常用的掺杂物质，加入量大约15%mol。Fe3O4亚铁磁性氧化物的通式为M

2+

·Fe23+O4，其中M2+是二价金属离子，如Fe2+

、Ni2+

、Mg2+等。复合铁氧体中二价阳离子可以是几种离子的混合物(如Mgl-xMnxFe2O4)，因此组成和磁性能范围宽广。尖晶石结构中氧离子近乎密堆立方排列，晶胞中氧离子构成四面体空隙和八面体空隙，如图所示。通常把氧四面体空隙位置称为A位，八面体空隙位置称为B位。如果两价离子都处于四面体A位，如Zn2+(Fe3+)2O4，称为正尖晶石；如果二价离子占有B位，三价离子占有A位及其余的B位，则称为反尖晶石，如Fe3+(Fe3+M2+)O4。所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的。例如磁铁矿属反尖晶石结构，一个晶胞含有8个Fe3O4“分子”，8个Fe2+占据了8个B位，16个Fe3+中有8个占A位，另有8个占B位。对于任一个Fe3O4“分子”来说，两个Fe3+分别处于A及B位，它们是反平行自旋的，因而这种离子的磁矩必然全部抵消，但在B位的Fe2+离子的磁矩依然存在。Fe2+有4个3d电子分布在4条d轨道上,其余尚有4个平行自旋的电子，因而应当有4个μＢ，实验测定的结果为与理论值相当接近。赠送精美图标1、字体安装与设置如果您对PPT模板中的字体风格不满意，可进行批量替换，一次性更改各页面字体。在“开始”选项卡中，点击“替换”按钮右侧箭头，选择“替换字体”。（如下图）在图“替换”下拉列表中选择要更改字体。（如下图）在“替换为”下拉列表