材料科学基础1 晶系结构.ppt

1、材料学基础Fundamental of Materialogy,预备知识：原子结构与元素周期表,s,s,p,d,f,最外层电子数依次+1,电子层数依次+1,第一章 工程材料中的原子排列,材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。 材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。 第一节 结合键(Binding Bond) 定义:原子(离子或分子)之间的相互作用力,二、结合键 离子键,共价键,金属键,分子键和氢键,非方向键，高配位数，低温不导电，高温离子导电,空间方向键，低配位数，纯晶体在低温下导电率很小,非方向键，配位数及密度都极高，导电率高，延性好,低的熔点和沸点，压缩系数大，保留了分子的性质

2、,三、材料的键性 金属材料 金属材料的结合键主要是金属键。 金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展 性；金属光泽等。 陶瓷村料 陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。 高分子材料 高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成分子的结合键是共价键，而分子间的结合键是范德华键和氢键。尽管范德华键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能,Chap. 2 Crystal str

3、uctures,1. Lattice, unit cell, basis, and Crystal structures,Ideal crystals: Periodicity & long-range order (平移周期性和长程有序性）,x,1d,2d,3d,等同格点 基矢 元胞,t1,t3,t2,(Primary unit cell: the smallest unit),晶胞：晶体结构基本单元 晶体常数（点阵常数）: （a,b,c)size （,)shape,2. 坐标系 Coordinates,x,y,z,a,b,c,x,y,z,g,a,b,3. 7类晶系(syngonies)、1

4、4种Bravais点阵,14种Bravais点阵：,7 种晶系可以构成多少种 空间点阵 ？,每种晶系最多可构成 4 种空间点阵： 简单点阵（s） 底心点阵（C） 体心点阵（b） 面心点阵（F）,abc ， aP 1,简单三斜,三斜Triclinic,Pearson符号,底心单斜,简单单斜,单斜 Monoclinic,abc， =90,a,b,c,mP mC 2,底心正交 oC 2,简单正交 oP 1,面心正交 oF 4,体心正交 oI 2,正交 abc，=90,简单六方 hP,六方 Hexagonal a1=a2a3c，=90 ， =120,a1,a2,a3,简单菱方 hR 1,菱方 Rhom

5、bohedral a=b=c, =90,简单四方 tP 1,体心四方 tI 2,四方（正方）Tetragonal a=bc, =90,简单立方 cP 1,体心立方 cI 2,面心立方 4,立方 Cubic a=b=c， =90,4. Miller index,A,B,C,1） 晶面指数 x y z n1 n2 n3 (n1 n2 n3) Weiss指数 hx + ky + lz = j (h k l) 晶面Miller指数,O,OA= n1 a OB= n2 b OC= n3 c,1,(h k l) 晶面Miller指数,h k l 晶面族：等价晶面e.g., 100=(100)+(010)+

6、(001) (For cubic lattice),例：1、已知晶面求晶面指数 2、已知晶面指数在晶胞中作出晶面,2）晶向指数,x,y,z,r,r = U x + V y + W z,u,v,w,U V W 晶向Miller指数 e.g., x-axis 100 y-axis 010 z-axis 001,111,110, 晶向族：等价晶向 e.g., =100+010+001 +100+010+001 (For cubic lattice),5 .六方晶系的四轴坐标系的晶面指数与晶向指数,5.1 晶面指数(hkil) 比三轴增加了一个指数，其余的与三轴系统相同 例：,5.1 晶向指数uvtw

7、 四轴uvtw与UVW三轴之间的转换 例：,以SC、FCC为例，说明晶胞和原胞的异同。 分别给出立方和四方晶系的101晶面族中所包含的等价晶面。,Homewrok 1,部分参考书（I）：,杰罗得，固体结构（科学版）（中译本） 俞文海，晶体物理学（科大） 陈纲，晶体物理学基础（科学版） 张克从，近代晶体学基础（科学版） 冯端，金属物理学第一卷 （科学版）,第三节 金属及合金的结构特点Structure Characteristic of Metal & Alloy,一、常见纯金属的晶格类型 体心立方晶格：记为BCC,属于这种晶格类型的金属有-Fe、Cr、W、Mo、V等,致密度：晶格常数为a，原子

8、半径为 ； ； ； 所以：致密度,配位数为8,面心立方晶格：记为FCC 属于这种晶格类型的金属有Fe、Cu 、Al 、Ag、Au、Pb、Ni等。,配位数12；致密度0.74,密排六方晶格：记为HCP 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体的侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。属于这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。,配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）,晶胞中的间隙 由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量的间隙。例如，对于体心立方，致密度k0.68，说明仅有68的体积被原子占有，存在32的间隙。这些间隙对金属的性能，合金的相结构，扩散以及相变等都有重要

9、的影响。从几何形状上看，晶格中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙。,面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种，如图所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙,原子的堆垛方式 前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度与配位数完全一致，均属于最密排列晶格，但是晶格类型却不同，为了搞清这个问题，就需要了解原子的堆垛方式。,面心立方结构的原子堆垛方式 密排六方的原子堆垛方式,面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式,金刚石型结构,碳原子除位于面心立方结构结点外，还有四个位于四面体间隙。,二、共价晶体的晶体结构,金刚石晶体致密度？,C,Si,O,SiC, 高温SiO2晶体结构,硅酸盐

10、的层状和链结构,35,三、离子晶体的晶体结构,1. 离子晶体结构规则,负离子配位多面体规则 鲍林第一规则 电价规则鲍林第二规则 关于负离子多面体共用点、棱的规则 鲍林第三规则,1.1负离子配位多面体规则 在离子晶体中，离子的配位数由两种异号离子的半径比决定，而配位数大小直接影响晶体结构。 半径比 配位数 间隙形状 示意图 0.115 2 线性 0.1150.225 3 三角形 0.2250.414 4 四面体 0.4140.732 6 八面体 0.7321.000 8 立方体,NaCl型结构,有几百种化合物属于NaCl型结构，它可,以看成是由两个面心立方点阵穿插而成的超点阵。如果把一个钠离子和

11、一个氯离子共同看成一个基元，则点阵为面心立方。,Na+(Mg2+),Cl-(O2-),O2+,Zr4+,在ZrO2结构中，Zr4+占据面心立方结构的结点位置，而O2+处于四面体间隙中(1/4,1/4,1/4)。,ZrO2(CaF2)型结构,O2-,Al3+,Empty hole,Al2O3型结构,O2+处于密排六方结构的结点，Al3+位于八面体间隙，为维持电荷平衡，有1/3间隙空着。,第四节、晶体缺陷 Crystal defects,理想晶体相对，晶体缺陷绝对 e.g., Ruby Cr-doped Al2O3 B-doped Si: p-type semiconductor P-doped

12、Si: n-type semiconductor,1) 缺陷分类：, 0-d 点缺陷,晶格位置缺陷(本征) 杂质缺陷(非本征) 电子缺陷：e / h,空位 间隙, 1d线缺陷 (位错 dislocation) 2d面位错：界面/晶界,棱位错 (刃型位错) 螺位错,2) 点缺陷的产生：, 热振动（T0 K) ：本征 杂质引入：非本征 外界条件 (应力、射线辐照等),3）热缺陷 (本征缺陷 intrinsic point defects),T E 热起伏(涨落) E原子 E平均 原子脱离其平衡位置 在原来位置上产生一个空位, 表面位置 (间隙小/结构紧凑), 间隙位置 (结构空隙大),Frenke

13、l 缺陷,MM VM + Mi,M X:,MX VM + VX,Schottky 缺陷, 空位： VM M原子的空位 间隙： Mi M 间隙原子 错位原子：MX，XM 缔合中心: (VMVX) 杂质缺陷: LM L杂质原子在M位上 带电缺陷: 电子缺陷：自由电子 e , 电子空穴 h 原子缺陷： VM 移走M原子，留下它的电子 （相当于移走一个M+） VM VM + e,4）点缺陷表示方法 Kroger-Vink 记号,MX：,Kroger-Vink 记号,MX：,带电缺陷: VX 移走（X原子 + 电子） （相当于移走一个X-） VX VX + h,总结符号规则：,P,缺陷种类：缺陷原子M

14、或 空位 V,C 带电荷,P, 负电荷 正电荷 （x 中性）,缺陷位置 （i 间隙）,Max. C = P 的电价 P上的电价 （V，i 的电价= 0）,5）缺陷反应 缺陷产生 复合 化学反应A B + C, 缺陷反应式 质量平衡 P 电中性 C： 位置关系 P：,P,P,C,化学反应式中的 “配平” （V的质量=0）,晶体必须保持电中性 Sci = 0,晶体 Aa Bb NA: NB= a:b,46,6）点缺陷的平衡浓度,Ne 平衡空位数 N 原子总数 Ev 每增加一个空位的能量变化 k 玻尔兹曼常数 T 绝对温度,其中：A由振动熵决定的系数，取110，通常取1。 T - C,47,附加电子散射电阻,7）点缺陷对晶体性能的影响,间隙原子体积膨