晶体与非晶体-课件.ppt

1、 第一章第一章 晶体与非晶体晶体与非晶体 主要教学内容主要教学内容l晶体的概念与特点晶体的概念与特点*l空间格子的概念及组成要素空间格子的概念及组成要素*l晶体的基本性质晶体的基本性质 1.1 结晶学的主要研究内容结晶学的主要研究内容主要研究晶体的生长、形貌、内部结主要研究晶体的生长、形貌、内部结构、化学成分、物理性质及它们之间的构、化学成分、物理性质及它们之间的相互关系。相互关系。主要研究内容包括主要研究内容包括1.1.晶体的概念与基本性质晶体的概念与基本性质*2.2.晶体生长理论简介晶体生长理论简介3.3.几何结晶学几何结晶学*4.4.晶体结构的几何特征晶体结构的几何特征*5.5.晶体化学

2、基础晶体化学基础*1.2 结晶学与材料学科的关系结晶学与材料学科的关系 材料制品多是晶体或以结晶相为主。材料制品多是晶体或以结晶相为主。l无机非金属材料无机非金属材料 单晶材料：多为人工合成的功能晶体材料单晶材料：多为人工合成的功能晶体材料 多晶材料：陶瓷、耐火材料、水泥熟料等多晶材料：陶瓷、耐火材料、水泥熟料等l金属材料：金属材料：纯金属、合金等都是晶体。纯金属、合金等都是晶体。工业原料主要组成相是晶体。工业原料主要组成相是晶体。l天然矿石原料天然矿石原料l人造化工原料人造化工原料 l工业废渣工业废渣l工业尾矿工业尾矿 指导新材料的研制和开发应用指导新材料的研制和开发应用 1.3 晶体的概念

3、与性质晶体的概念与性质1.3.1人类最初对晶体的认识人类最初对晶体的认识人类对晶体的认识源于对自然界天然矿物的观人类对晶体的认识源于对自然界天然矿物的观察。在岩石洞穴及裂隙里的石英呈带尖顶的六察。在岩石洞穴及裂隙里的石英呈带尖顶的六方柱，内陆盐湖中的石盐常呈立方体等。方柱，内陆盐湖中的石盐常呈立方体等。石英晶簇石英晶簇 (SiO2)石膏晶体石膏晶体(CaSO4.2H2O)石盐晶体石盐晶体（NaCl)黄铁矿晶体黄铁矿晶体(FeS2)早期的关于晶体的概念早期的关于晶体的概念:晶体是天然形成的具有几何多面体外形晶体是天然形成的具有几何多面体外形的固体。的固体。这个概念显然是表观的和不完善的。这个概念

4、显然是表观的和不完善的。实验实验把任意形态的把任意形态的NaCl颗粒，置于它的过饱和溶颗粒，置于它的过饱和溶液中一段时间后，都可以恢复立方体的几何液中一段时间后，都可以恢复立方体的几何外形。外形。立方体外形的和任意形态的石盐，具有完全立方体外形的和任意形态的石盐，具有完全相同的物质组成和物理、化学性质。相同的物质组成和物理、化学性质。1.3.2晶体概念的发展晶体概念的发展规则几何多面体外形只是晶体的一种规则几何多面体外形只是晶体的一种表表象象，晶体的，晶体的本质本质是什么呢？是什么呢？下面介绍几位科学家对晶体概念由浅入下面介绍几位科学家对晶体概念由浅入深的认识。深的认识。浩羽（浩羽（R.J.H

5、auy,法国晶体学家）认为晶法国晶体学家）认为晶体是由多面体外形的体是由多面体外形的“分子分子”构成。构成。立方体形态的立方体形态的“分子分子”这个理论遇到的困难主要有三方面：这个理论遇到的困难主要有三方面：有的晶体，打碎以后的碎块不能堆砌有的晶体，打碎以后的碎块不能堆砌成完整的晶体。成完整的晶体。如萤石的解理块为八面体，仅靠八面体如萤石的解理块为八面体，仅靠八面体不能堆砌出完整的晶体。不能堆砌出完整的晶体。萤石的八面体解理块萤石的八面体解理块 许多晶体，如石英，不能破碎成几何许多晶体，如石英，不能破碎成几何多面体。多面体。最小的平行六面体并不是最小的平行六面体并不是“分子分子”。惠更斯：认为

6、晶体中质点的有序排列导惠更斯：认为晶体中质点的有序排列导致晶体具有一定的多面体外形致晶体具有一定的多面体外形。布拉维（布拉维（A.Bravais）推导出推导出3232种对称型和种对称型和1414种空间格子，提种空间格子，提出晶体结构的出晶体结构的空间格子理论空间格子理论。劳埃劳埃(Max Von Laue)，德国科学家。，德国科学家。l发现了晶体的发现了晶体的X射线衍射现象；射线衍射现象；l证实了晶体结构点阵理论的正确性；证实了晶体结构点阵理论的正确性；l为研究晶体结构提供了一种手段；为研究晶体结构提供了一种手段；l开创开创x x射线结晶学。射线结晶学。研究结果表明：研究结果表明：所有的晶体，

7、无论是否具有几何多面体所有的晶体，无论是否具有几何多面体形态，其内部质点都是在三维空间周期形态，其内部质点都是在三维空间周期性重复排列，形成格子构造。性重复排列，形成格子构造。只是不同的晶体，质点的种类、排列方只是不同的晶体，质点的种类、排列方式及重复规律不同而已。式及重复规律不同而已。近代，高分辨率的电子显微镜，可以观近代，高分辨率的电子显微镜，可以观察到晶体结构中原子的排列情况。察到晶体结构中原子的排列情况。自然金（自然金（111）面上金原子的分布）面上金原子的分布 （原子力扫描隧道显微镜）1.3.3 晶体的概念晶体的概念晶体是内部质点在三维空间周期性重晶体是内部质点在三维空间周期性重复排

8、列的固体。复排列的固体。1.4晶体结构的空间格子规律晶体结构的空间格子规律1.4.1空间格子概念空间格子概念 是表示晶体结构中质点重复规律的立体是表示晶体结构中质点重复规律的立体几何图形。几何图形。1.4.2晶体结构中空间格子的选取晶体结构中空间格子的选取以以NaC1为例：棱方向：重复周期为例：棱方向：重复周期0.564nm，面对角线方向：重复周期面对角线方向：重复周期0.399nm。NaC1的晶体结构模型的晶体结构模型 对结构进行抽象：对结构进行抽象：首先，在结构中任选一几何点几何点（氯离子或钠离子的中心，或其它任意一点）；以此点为标准，把结构中这样的点全找出来等同点或相当点相当点。NaC1

9、结构一个平面内结构一个平面内Cl-和和Na+以及相当点的分布以及相当点的分布 相当点的条件：相当点的条件：如果原始点选在质点中心，则所有如果原始点选在质点中心，则所有质质点的种类要相同。点的种类要相同。相当点周围的相当点周围的环境要相同环境要相同。即相当点。即相当点 周围相同方向上要有相同的质点。周围相同方向上要有相同的质点。相当点的分布，能够反映晶体结构中相当点的分布，能够反映晶体结构中所有质点的重复规律。所有质点的重复规律。相当点在平面内分布，构成相当点在平面内分布，构成平面点阵平面点阵（平面格子）；相当点在三维空间分（平面格子）；相当点在三维空间分布，构成布，构成空间点阵空间点阵（空间格

10、子）。（空间格子）。右图为右图为NaC1结构的基本单结构的基本单元（晶胞），在元（晶胞），在1mm3的晶的晶体中大约有体中大约有71017个这样个这样的单元。它与宏观的尺码相的单元。它与宏观的尺码相比非常小，因此，空间格子比非常小，因此，空间格子被看成是是无限图形。被看成是是无限图形。NaC1晶胞晶胞 1.4.3空间格子要素空间格子要素 结点：结点：空间格子中的点，代表从晶空间格子中的点，代表从晶体结构中选取的体结构中选取的相当点相当点。在实际晶体结构中，结点的位置可以在实际晶体结构中，结点的位置可以同种质点同种质点所占据，但结点本身只有几所占据，但结点本身只有几何意义，为几何点。何意义，为几

11、何点。行列：行列：分布在同一直线上的结点构成分布在同一直线上的结点构成行列。显然，由任意两结点就决定一个行列。显然，由任意两结点就决定一个行列。行列。空间格子中的行列空间格子中的行列 结点间距：一个行列中相邻两结点间的结点间距：一个行列中相邻两结点间的距离为该行列的结点间距。距离为该行列的结点间距。l同一行列的结点间距相同；l相互平行的行列，结点间距相同；l不同方向的行列，结点间距一般不同。面网：面网：结点在平面上的分布即构成面结点在平面上的分布即构成面网。显然，任意两相交的行列即可构成网。显然，任意两相交的行列即可构成一个面网一个面网空间格子中的面网空间格子中的面网 面网密度：面网上单位面积

12、的结点数。面网密度：面网上单位面积的结点数。l相互平行的面网，面网密度相同；相互平行的面网，面网密度相同；l互不平行的面网，面网密度一般不同。互不平行的面网，面网密度一般不同。单位平行六面体单位平行六面体在三维空间中，空间格子划在三维空间中，空间格子划分出一个最小的重复单位分出一个最小的重复单位，其大小和形状由三条交棱的其大小和形状由三条交棱的长短和交角大小决定长短和交角大小决定。单位平行六面体单位平行六面体 在三位空间移动单位平行六面体，就在三位空间移动单位平行六面体，就可以重复出整个空间格子。可以重复出整个空间格子。空间格子空间格子 1.5 晶体的基本性质晶体的基本性质自限性（自范性）自限

13、性（自范性）晶体在合适的条件下，能自发地长成规晶体在合适的条件下，能自发地长成规则几何多面体外形。则几何多面体外形。晶体的自范性图解晶体的自范性图解 各异向性各异向性 晶体的几何度量和物理性质常随方向晶体的几何度量和物理性质常随方向不同而表现不同而表现 出量的差异。出量的差异。例：例：NaC1晶体晶体在在a、b+c、a+b+c方向方向上抗拉强度抗拉强度比为上抗拉强度抗拉强度比为1：2：4。NaC1晶体的抗拉强度的异向性晶体的抗拉强度的异向性 （单位：（单位：g/mm2）晶体结构的不同方向，晶体结构的不同方向，质点的排列方式不同质点的排列方式不同 均一性均一性同一晶体任何部位的物理性质和化学组同

14、一晶体任何部位的物理性质和化学组成均相同。成均相同。如何理解晶体如何理解晶体异向性异向性和和均一性均一性的统一？的统一？对称性对称性 所有的晶体都是对称的。晶体的对称所有的晶体都是对称的。晶体的对称不但表现在外形上，其内部构造和物不但表现在外形上，其内部构造和物理性质也是对称的。理性质也是对称的。稳定性稳定性 在相同的热力学条件下，晶体与同种成在相同的热力学条件下，晶体与同种成分的非晶质体、液体、气体相比，以晶分的非晶质体、液体、气体相比，以晶体最为稳定。体最为稳定。定熔性定熔性 指晶体具有固定熔点的性质。指晶体具有固定熔点的性质。晶体的加热曲线晶体的加热曲线t熔点非晶质体的加热曲线非晶质体的

15、加热曲线晶体的加热曲线晶体的加热曲线t熔点非晶质体的加热曲线非晶质体的加热曲线t晶体的加热曲线晶体的加热曲线t熔点非晶质体的加热曲线非晶质体的加热曲线 1.6非晶质体非晶质体l无定形固体；无定形固体；l不具格子构造；不具格子构造；l内部结构是统计均一的各向同性体；内部结构是统计均一的各向同性体；l没有固定的熔点。没有固定的熔点。石英晶体（左）和石英玻璃（右）石英晶体（左）和石英玻璃（右）晶体欣赏晶体欣赏 纤维状蛇纹石石棉晶体纤维状蛇纹石石棉晶体 针状辉锑矿晶体针状辉锑矿晶体(antimonite,Sb2S3)片状云母晶体片状云母晶体 金刚石晶体金刚石晶体Diamond in kimberlit

16、e Approx.1 x 1 x 1 cm 电气石晶体电气石晶体(Tourmaline)天河石晶体天河石晶体Amazonite 天河石晶体天河石晶体Amazonite 铁铝榴石铁铝榴石almandine 铬钒钙铝榴石铬钒钙铝榴石Grossulars 。透石膏中的自然铜晶体透石膏中的自然铜晶体 高岭土高岭土(Kaolinite)高岭石晶体高岭石晶体(Kaolinite)高岭石晶体高岭石晶体(Kaolinite)膨润土膨润土 蒙脱石晶体蒙脱石晶体Montmorillonite 碳酸钙晶体碳酸钙晶体 碳酸钙晶体碳酸钙晶体 陶瓷中的氧化铝晶体陶瓷中的氧化铝晶体 YAG LASER ROD(Y3AL5O12 Yttrium Aluminium Garnet-Dopant：Neodymium,Erbium)