1、材料科学与工程基础材料科学与工程基础l 引言引言l 晶体结构晶体结构l 晶体结构缺陷晶体结构缺陷l 相平衡与相图相平衡与相图l 扩散扩散l 相变相变l 固态反应固态反应l 烧结烧结目目 录录化学反应化学反应 结构结构物理性能物理性能材料工艺材料工艺材料科学材料科学研究材料的组分、结构与性能之间相互关系研究材料的组分、结构与性能之间相互关系和变化规律的一门应用基础科学。和变化规律的一门应用基础科学。1 引言引言材料的分类：材料的分类：按材料按材料性质性质：结构材料、功能材料；：结构材料、功能材料；按材料按材料用途用途：能源材料、建筑材料、航空材料、：能源材料、建筑材料、航空材料、信息材料、生物医
2、学材料等。信息材料、生物医学材料等。根据材料的基本组成、性质特征、存在的状态、根据材料的基本组成、性质特征、存在的状态、物理性质及效应、用途等对材料进行分类，材料可分物理性质及效应、用途等对材料进行分类，材料可分为为金属材料、无机非金属材料、高分子材料金属材料、无机非金属材料、高分子材料(聚合物聚合物)和和复合材料复合材料等四大类。等四大类。铝铝铸铁铸铁铜铜1.金属材料金属材料金属材料金属材料是元素周期表中的金属元素组是元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成成的材料。可分为由一种金属元素构成的的单质单质(纯金属纯金属)，由两种以上的金属元素，由两种以上的金属元素或金属与非金
3、属元素构成的或金属与非金属元素构成的合金合金。合金。合金又分为又分为固溶体固溶体和和金属间化合物金属间化合物。金属材料的种类金属材料的种类 无机非金属材料无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。属材料以外的所有材料的统称。2.无机非金属材料无机非金属材料水泥水泥 玻璃玻璃
4、常用功能陶瓷常用功能陶瓷3.有机高分子材料有机高分子材料由一种或几种简单低分子化合物经聚合由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。而组成的分子量很大的化合物。特点：特点：质轻、传热系数小、耐腐蚀性好、电气质轻、传热系数小、耐腐蚀性好、电气绝缘性和成形加工性优良、减震消音、绝缘性和成形加工性优良、减震消音、透光、易着色等明显突出的优点，但也透光、易着色等明显突出的优点，但也存在着热膨胀系数大、使用温度低、容存在着热膨胀系数大、使用温度低、容易燃烧和容易老化等缺点。易燃烧和容易老化等缺点。高分子材料的种类高分子材料的种类4.复合材料复合材料把两种或两种以上性质不同的材料通过设
5、计结合在一起称为一体，把两种或两种以上性质不同的材料通过设计结合在一起称为一体，这样的多相固体材料往往可以综合各种组分材料如金属、高分子材这样的多相固体材料往往可以综合各种组分材料如金属、高分子材料、陶瓷等的优点，可满足各种不同环境的使用要求，这类多相多料、陶瓷等的优点，可满足各种不同环境的使用要求，这类多相多质固体新型材料称为复合材料。质固体新型材料称为复合材料。复合材料的复合材料的基体材料基体材料分为分为金属和非金属金属和非金属两大类。两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料非金属基体
6、主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。使用环境、服役条件使用环境、服役条件性能性能（满足设计要求的多种性（满足设计要求的多种性能能强度、导电性、硬强度、导电性、硬度、色彩等）度、色彩等）性质性质（力学、电学、光学、磁（力学、电学、光学、磁学、声学、热学等）学、声学、热学等）结构结构（微观结构、显微结构、（微观结构、显微结构、组织结构、相结构）组织结构、相结构）组成组成（化学组成、矿物（化学组成、矿物组成、相
7、组成）组成、相组成）制备与加工制备与加工（各种制备工艺及（各种制备工艺及后期加工工艺）后期加工工艺）组成组成结构结构性能关系性能关系材料的结构层次材料的结构层次 原子及电子结构原子及电子结构 原子的空间排列原子的空间排列 组织结构或相结构组织结构或相结构工程材料的性质（性能）工程材料的性质（性能）四大材料的成形工艺方法四大材料的成形工艺方法材料性能的环境效应材料性能的环境效应温度、气氛、辐射、重力温度、气氛、辐射、重力等等例：例：不锈钢在还原气氛、高温下生锈；不锈钢在还原气氛、高温下生锈；核反应堆中中子的高能辐射可以影响所有材料的内部结构，核反应堆中中子的高能辐射可以影响所有材料的内部结构，使
8、材料的硬度降低、脆化等；使材料的硬度降低、脆化等；在太空生长出的晶体，其结构和性能与地球上的也不一样。在太空生长出的晶体，其结构和性能与地球上的也不一样。问题：问题：日常生活中使用的茶杯、餐具是什么材料制作的？材料具有何日常生活中使用的茶杯、餐具是什么材料制作的？材料具有何种性能才能满足使用要求？种性能才能满足使用要求？电子仪表内不同元件之间需要用材料连接起来，以实现每个元电子仪表内不同元件之间需要用材料连接起来，以实现每个元件的功能，试考虑选择何种材料恰当？件的功能，试考虑选择何种材料恰当？选择飞机机翼材料时应考虑哪些主要的性能？选择飞机机翼材料时应考虑哪些主要的性能？材料选择材料选择使用性
9、使用性：材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所：材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所必需具备的性能，包括材料的力学性能、物理性能、必需具备的性能，包括材料的力学性能、物理性能、化学性能。化学性能。工艺性能工艺性能：材料在不同的制造工艺条件下所表现出的：材料在不同的制造工艺条件下所表现出的承受加工的能力。承受加工的能力。经济性经济性：要求制品的最终成本应最低，制品成本包括：要求制品的最终成本应最低，制品成本包括所选的材料所包含的原料成本、成形工艺所产生的加所选的材料所包含的原料成本、成形工艺所产生的加工成本以及制品的使用成本，同时还得考虑制品使用工成本以及制品的使用成本，同时还得考虑制品使用寿
10、命对制品成本的折算。寿命对制品成本的折算。环境协调性环境协调性2 晶体结构晶体结构本章内容提要本章内容提要2.1 结晶学基础结晶学基础2.2 晶体中质点的堆积晶体中质点的堆积2.3 无机化合物结构无机化合物结构2.1 结晶学基础结晶学基础 晶体晶体 空间点阵空间点阵 晶体结构晶体结构 晶胞与原胞晶胞与原胞 晶体学符号晶体学符号非晶体：非晶体：其内部质点（原子、离子或分子）在三维空间不具其内部质点（原子、离子或分子）在三维空间不具 有周期性的有周期性的固体。固体。晶体：晶体：内部质点（原子、离子或分子）在三维空间成周期内部质点（原子、离子或分子）在三维空间成周期性重复排列的性重复排列的固体固体。
11、没有固定的熔点没有固定的熔点，通常会在一定的温度范围内从液态经过通常会在一定的温度范围内从液态经过 熔融状态到固态，期间发生的是一个连续变化的过程，这熔融状态到固态，期间发生的是一个连续变化的过程，这个温度范围被称为转变区；个温度范围被称为转变区；各向同性各向同性；没有规则稳定的几何外形，并且没有内在的晶界或相界；没有规则稳定的几何外形，并且没有内在的晶界或相界；具有具有较高的内能较高的内能；物质原子的结合键的性质处于小配位数的离子物质原子的结合键的性质处于小配位数的离子共价键或共价键或金属金属共价键之间的过渡键合状态时容易生成非晶态。共价键之间的过渡键合状态时容易生成非晶态。如玻璃、石蜡、沥
12、青等如玻璃、石蜡、沥青等 u 晶体具有晶体具有格子格子构造，质点在三维空间作格子状的构造，质点在三维空间作格子状的规则排列；规则排列；u 晶体在自由生长状态下能晶体在自由生长状态下能自发自发地形成规则的多面地形成规则的多面体形态；体形态；u 晶体的性质具有随方向而变化的晶体的性质具有随方向而变化的异向性异向性；u 晶体具有外形和性质的晶体具有外形和性质的对称性对称性；u 晶体具有晶体具有最小内能和稳定性最小内能和稳定性。晶体：内部质点（原子、离子或分子）在三维空间晶体：内部质点（原子、离子或分子）在三维空间成周期性重复排列的成周期性重复排列的固体固体。格子构造格子构造常用空间几何图形来抽象地表
13、示晶体结构，常用空间几何图形来抽象地表示晶体结构，即把晶体质点的中心用直线连接起来，构成即把晶体质点的中心用直线连接起来，构成的的空间网络空间网络，即晶体的，即晶体的空间点阵空间点阵。*具体阐述一下晶体的特征具体阐述一下晶体的特征空间点阵空间点阵：把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。对称性的图像。空间点阵中所称点子，代表着结构中相同的位置空间点阵中所称点子，代表着结构中相同的位置结点结点。若晶体是由完全相同的若晶体是由完全相同的一种原子一种原子所组成
14、，结点可以是原子所组成，结点可以是原子本身的位置，可以是原子周围相应点的位置。本身的位置，可以是原子周围相应点的位置。若晶体是由若晶体是由数种原子数种原子组成，这数种原子构成基本的结构单组成，这数种原子构成基本的结构单元，基元，则结点可以代表基元的重心位置，或基元中任元，基元，则结点可以代表基元的重心位置，或基元中任意的点子。意的点子。空间点阵说明：空间点阵说明：结点的总体称为布拉维点阵，或结点的总体称为布拉维点阵，或布拉维格子布拉维格子。特点特点：每点周围的情况都一样。：每点周围的情况都一样。若晶体是由完全相同的一种原子组成，则这种原子所组成若晶体是由完全相同的一种原子组成，则这种原子所组成
15、的网络就是的网络就是布拉维格子布拉维格子，和结点组成的相同；，和结点组成的相同；若晶体的基元包含数种原子，则每个基元中，相应的同种若晶体的基元包含数种原子，则每个基元中，相应的同种原子各构成和结点相同的网络，称为子晶格，它们相对位原子各构成和结点相同的网络，称为子晶格，它们相对位移而形成所谓的移而形成所谓的复式格子复式格子，可见，复式格子是由若干相同，可见，复式格子是由若干相同结构的子晶格相互位移套构而成的。结构的子晶格相互位移套构而成的。直线点阵直线点阵 平面点阵平面点阵 空间点阵空间点阵*晶体的空间点阵类型晶体的空间点阵类型ANaCl中沿中沿y轴轴Na+和和Cl-排列的情况排列的情况BNa
16、+的直线排列的直线排列C抽象为直线点阵抽象为直线点阵 周期性结构周期性结构点阵点阵周期性结构周期性结构点阵点阵周期性结构周期性结构点阵点阵amR 结点结点仅有仅有几何几何意义，意义，并不真正代表任何质点。并不真正代表任何质点。bnamRcpbnamR空间点阵的基本规律空间点阵的基本规律 l分布在同一直线上的结点（阵点）构成一个分布在同一直线上的结点（阵点）构成一个行列（晶列）行列（晶列）。在一个空。在一个空间点阵中，可以有无穷多不同方向的行列，相互平行的行列，其间点阵中，可以有无穷多不同方向的行列，相互平行的行列，其结点结点间距间距必定相等；不相平行的行列，一般说其结点间距亦不相等。必定相等；
17、不相平行的行列，一般说其结点间距亦不相等。l连接分布在同一平面内的结点则构成一个连接分布在同一平面内的结点则构成一个面网（晶面）面网（晶面）。在一个空间。在一个空间点阵中，可以有无穷多不同方向的面网，但相互平行的面网，其点阵中，可以有无穷多不同方向的面网，但相互平行的面网，其面网面网密度密度和面网间距和面网间距也必定相等。也必定相等。l联接分布在三维空间内的结点就构成了联接分布在三维空间内的结点就构成了空间点阵空间点阵。空间点阵本身将被。空间点阵本身将被三组相交行列划分成一系列平行叠置的平行六面体，结点就分布在它三组相交行列划分成一系列平行叠置的平行六面体，结点就分布在它们的角顶上。平行六面体
18、的大小和形状可由结点间距们的角顶上。平行六面体的大小和形状可由结点间距a、b、c及其相及其相互之间的交角互之间的交角、表示，它们被称为表示，它们被称为点阵参数点阵参数。晶体结构晶体结构基元基元点阵点阵=+晶体结构晶体结构晶胞和原胞：晶胞和原胞：以一结点为顶点，以三个不同方向的周期为边长的平行以一结点为顶点，以三个不同方向的周期为边长的平行六面体可作为晶格的一个重复单元。六面体可作为晶格的一个重复单元。体积最小的重复单体积最小的重复单元，称为原胞元，称为原胞。反映了晶格的周期性，其选取不具唯一。反映了晶格的周期性，其选取不具唯一性，但体积都相等。性，但体积都相等。为了反映晶体对称的特征，结晶学上
19、所取的重复单为了反映晶体对称的特征，结晶学上所取的重复单元，体积不一定最小，结点不仅在顶角上，还可以元，体积不一定最小，结点不仅在顶角上，还可以在面心或体心上，这种重复单元称作在面心或体心上，这种重复单元称作晶胞晶胞。三种常见的晶胞结构三种常见的晶胞结构1、面心立方、面心立方(Face-Centered Cubic(FCC)2、体心立方、体心立方(Body-Centered Cubic(BCC)3、密排六方、密排六方(Hexagonal Colse-Packed(HCP)120体心立方体心立方 面心立方面心立方 固体物理学中原胞的选取示例图固体物理学中原胞的选取示例图abcabca1晶体学符号
20、晶体学符号 它是根据晶面(或晶体中平行于晶面的其他平面)与各结晶轴的交截关系，用简单的数字符号形式来表达它们在晶体上方位的一种晶体学符号;目前国际上通用的都是米氏符号(Millers symbol)，亦称米勒符号.晶体上任意一个晶面，若它在三个结晶轴X轴、Y轴、Z轴上的截距依次为OA、OB、OC,已知轴率为a b c，则该晶面在晶轴上的截距系数p,q,r分别为:p=OX/a,q=OY/b,r=OZ/c其倒数比 1/p:1/q:1/r=h:k:l 晶面指数(米氏指数):取h:k:l的最简单整数比,此时的h,k,l就称为晶面指数;米氏指数(Miller indices)是指：用来表达晶面在晶体上之
21、方向的一组无公约数的整数，它们的具体数值等于。如果将米氏指数按顺序连写，并置于内,表达为,便构成了晶面的米氏符号。按X、Y、Z轴顺序，不得颠倒！晶轴有正负方向，指数的负号写在上面 晶面可与晶轴垂直,平行或斜交 例（3D）xyz=(1 1 1)ABC=(h k l)=?cbaOYXZABCba(1 1 0)(2 1 0)(1 0 0)(0 1 0)(2 1 0)(2 1 0)(2 1 0)(1 1 0)(1 1 0)(1 1 0)(0 1 0)(1 0 0)-a-b 定义同三轴定向 用(h k i l)的形式表达 指数依次与X、Y、U和Z轴相对应 存在 h+k+i=0晶棱符号晶棱符号 用简单数字
22、符号形式表达 晶棱符号只涉及方向,不涉及具体位置 表达为u v w确定晶棱符号的方法：确定晶棱符号的方法：将晶棱平移，使之通过晶体中心，将晶棱平移，使之通过晶体中心，然后在其上任取一点，求出此点然后在其上任取一点，求出此点在三个晶轴上的坐标（在三个晶轴上的坐标（u、v、w），并以轴长来度量，即求得），并以轴长来度量，即求得晶棱符号。晶棱符号。wvuuvw 例例3：设晶体上有一晶棱设晶体上有一晶棱OP，将其平移使通过晶轴，将其平移使通过晶轴的交点，并在其上任意取一点的交点，并在其上任意取一点M，M点在三个点在三个晶轴上的坐标分别为晶轴上的坐标分别为MR=a、MK=2b和和MF=3c，三 个 轴
23、的 轴 长 分 别 为三 个 轴 的 轴 长 分 别 为 a、b、c，则：，则：u v w=MR/a MK/b MF/c=1 2 3。故该晶棱的符号为故该晶棱的符号为123。四轴定向时的晶棱符号四轴定向时的晶棱符号 以以u v t w的形式表达的形式表达 也有三指数形式也有三指数形式:u v w 四指数和三指数之间的比较四指数和三指数之间的比较点、线、面与点、线、面族的标记符号点、线、面与点、线、面族的标记符号晶带符号晶带符号晶带晶带(zone)l彼此间的交棱均相互平行的一组晶面之组合。彼此间的交棱均相互平行的一组晶面之组合。晶带轴晶带轴(zone axis)l用以表示晶带方向的一根直线，它平
24、行于该晶带中的用以表示晶带方向的一根直线，它平行于该晶带中的所有晶面，也就是平行于该晶带中各个晶面的公共交所有晶面，也就是平行于该晶带中各个晶面的公共交棱方向。棱方向。晶带符号晶带符号(zone symbol)l在晶体上用相应的晶带轴在晶体上用相应的晶带轴(晶棱晶棱)符号来表示。符号来表示。晶晶带带。同同属属于于，和和、分分别别为为、方方向向，为为101)113()112()111(101ABEABDABCABCABDEOPcba晶面间距晶面间距：相邻两个平行晶面之间的距离：相邻两个平行晶面之间的距离面间距面间距特性特性：通常通常低指数的面间距较大低指数的面间距较大，高指数的面间距小。，高指数
25、的面间距小。晶面间距与晶面间距与点阵类型点阵类型有关。体心立方：有关。体心立方：110最大；最大；面心立方：面心立方：111最大，都不是最大，都不是100 晶面晶面间距最大的面总是阵点间距最大的面总是阵点(或原子或原子)最密排的晶面最密排的晶面。晶面间距越小，晶面上阵点排列越稀疏。晶面间距越小，晶面上阵点排列越稀疏。)110()130()100()012(ab晶面间距晶面间距dhkl计算计算：正交晶系面间距计算式：正交晶系面间距计算式：立方晶系面间距计算式：立方晶系面间距计算式：六方晶系面间距计算式：六方晶系面间距计算式：注意注意：以上对简单晶胞而言；复杂晶胞应考虑层面增加：以上对简单晶胞而言
26、；复杂晶胞应考虑层面增加的影响。如，在体心立方或面心立方晶胞中间有一层，的影响。如，在体心立方或面心立方晶胞中间有一层，故实际晶面间距应为故实际晶面间距应为d001/2。2221clbkahdhkl222lkhadhkl2222341clakhkhdhkl晶面的密勒指数晶面的密勒指数、例：求例：求FEGDCBAABC)362()210()144(FEGDCBAABC晶面。晶面。）出（出（例：在立方晶胞中，画例：在立方晶胞中，画)(),(),(,012221021101Oabc221abcO012abcO021abcO101abcO球体最紧密堆积球体最紧密堆积(Closest-Packed)原理
27、原理球体的堆积密度越大，球体的堆积密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。系统的势能越低，晶体越稳定。2.2 晶体中质点的堆积晶体中质点的堆积等径球体的最紧密堆积方式等径球体的最紧密堆积方式 球体在平面的堆积方式球体在平面的堆积方式 两层球体的堆积方式两层球体的堆积方式 三层球体的堆积方式三层球体的堆积方式 空隙类型空隙类型 空隙数与球数的关系空隙数与球数的关系 空间利用率的求解空间利用率的求解 a b1.球体在平面的堆积方式球体在平面的堆积方式2.两层球体的最紧密堆积方式两层球体的最紧密堆积方式3.三层球体的最紧密堆积方式（一）三层球体的最紧密堆积方式（一）三层球体的最紧密堆积方式（二）三层球
28、体的最紧密堆积方式（二）4.空隙类型空隙类型NaCl晶体晶体问题：以问题：以NaCl为例，为例，1个个Na+或或1个个Cl-周围周围有几个四面体空隙，几个八面体空有几个四面体空隙，几个八面体空隙？其中有多少空隙是被填满的？隙？其中有多少空隙是被填满的？球数与空隙数的关系球数与空隙数的关系(以以B空隙上面的球为例空隙上面的球为例)（ABAB）球数与空隙数的关系（球数与空隙数的关系（ABCABC）nn66nn248总结：总结：l在密堆积结构中，每个球接触到同种球的个数为在密堆积结构中，每个球接触到同种球的个数为12个；个；l密堆积结果形成密堆积结果形成2种方式种方式：六方紧密堆积和立方紧密堆积；：
29、六方紧密堆积和立方紧密堆积；l密堆积结果形成密堆积结果形成2种空隙种空隙：一种是由：一种是由6个球形成的八面体空隙，个球形成的八面体空隙，一种是由一种是由4个球形成的四面体空隙。每个球周围有个球形成的四面体空隙。每个球周围有6个八面体个八面体空隙，对空隙，对n个等大球体堆积系统，其八面体空隙总数个等大球体堆积系统，其八面体空隙总数为为 ；每个球体周围有；每个球体周围有8 个四面体空隙，对个四面体空隙，对n 个等大球个等大球体堆积系统，其四面体空隙总数为体堆积系统，其四面体空隙总数为 。1.3 不等径球体的紧密堆积不等径球体的紧密堆积较大球体作等径球体的紧密堆积，较大球体作等径球体的紧密堆积，较
30、小的球填充在大球紧密堆积形成的空隙中。较小的球填充在大球紧密堆积形成的空隙中。例：例：NaCl晶体晶体1.4 空间利用率的求解空间利用率的求解例：计算等径球面心立方紧密堆积的空间利用率例：计算等径球面心立方紧密堆积的空间利用率?原子堆积系数原子堆积系数atomic packing factor（APF）：）：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。例例 以球体紧密堆积模型，计算下列结构的空间利用率。以球体紧密堆积模型，计算下列结构的空间利用率。(1)简立方；简立方；(2)体心立方；体心立方；(3)面心立方；面心立方；(4)六方密积；六方密积；ca例例 根据最紧密堆积原理
31、，空间利用率越高，结构越根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金刚石结构的空间利用率很低（只有稳定，金刚石结构的空间利用率很低（只有34.01%），为什么它也很稳定？），为什么它也很稳定？例例 以以NaCl晶胞为例，说明等径球面心立方紧密堆积中的晶胞为例，说明等径球面心立方紧密堆积中的八面体和四面体空隙的位置和数量，并计算其空间利八面体和四面体空隙的位置和数量，并计算其空间利用率。用率。内在因素对晶体结构的影响内在因素对晶体结构的影响化学组成与晶体结构的关系化学组成与晶体结构的关系 质点的相对大小质点的相对大小 配位数和配位多面体配位数和配位多面体 离子极化离子极化 电负性电负性外在
32、因素对晶体结构的影响外在因素对晶体结构的影响同质多晶与类质多晶及晶型转变同质多晶与类质多晶及晶型转变 同质多晶与类质多晶同质多晶与类质多晶 晶型转变晶型转变影响晶体结构的因素影响晶体结构的因素三角形配位三角形配位 四面体配位四面体配位 八面体配位八面体配位 立方体配位立方体配位配位多面体配位多面体离子晶体的结构离子晶体的结构：主要取决于离子间的数量关系、离子的相对大小及离子间的极化关系。这主要取决于离子间的数量关系、离子的相对大小及离子间的极化关系。这些因素的相互作用又取决于晶体的化学组成，其中何种因素起主要作用，视具些因素的相互作用又取决于晶体的化学组成，其中何种因素起主要作用，视具体晶体而
33、定。体晶体而定。哥希密特哥希密特结晶化学定律结晶化学定律：晶体结构取决于其组成基元（原子、离子或离子团）的数量关系、晶体结构取决于其组成基元（原子、离子或离子团）的数量关系、大小关系及极化性能。大小关系及极化性能。同质多晶与类质同晶同质多晶与类质同晶 外在因素对晶体结构的影响外在因素对晶体结构的影响同质多晶：同质多晶：化学组成相同的物质，在化学组成相同的物质，在不同不同的热力学条件下的热力学条件下 形成结构形成结构不同不同的晶体的晶体的现象，由此所产生的的现象，由此所产生的每一种化学组成相同但结构不同的晶体称为变体每一种化学组成相同但结构不同的晶体称为变体。对研究晶型转变、材料制备过程中工艺制
34、度的确定有重要意义。对研究晶型转变、材料制备过程中工艺制度的确定有重要意义。类质同晶：类质同晶：化学组成相似或相近的物质，在化学组成相似或相近的物质，在相同相同的热力学条件下，形成的晶体的热力学条件下，形成的晶体具有具有相同相同的结构。的结构。对矿物提纯与分离、固溶体的形成及材料改性具有重要的意义。对矿物提纯与分离、固溶体的形成及材料改性具有重要的意义。同质多晶转变同质多晶转变在同质多晶中，由于各个变体是在不同的热力学条件下形成的，因而各个变体都在同质多晶中，由于各个变体是在不同的热力学条件下形成的，因而各个变体都有自己稳定存在的热力学范围，当外界条件改变到一定程度时，为在新的条件下有自己稳定
35、存在的热力学范围，当外界条件改变到一定程度时，为在新的条件下建立新的平衡，各变体间就可能发生结构上的转变，即发生同质多晶转变。建立新的平衡，各变体间就可能发生结构上的转变，即发生同质多晶转变。4 鲍林规则鲍林规则 配位多面体规则配位多面体规则 电价规则电价规则 多面体共顶、共棱、共面规则多面体共顶、共棱、共面规则 不同配位多面体连接规则不同配位多面体连接规则 节约规则节约规则围绕每一正离子，围绕每一正离子，形成一个形成一个负离子负离子配位配位多面体，正负离子之间多面体，正负离子之间的间距取决于它们的半的间距取决于它们的半径之和，径之和，正离子正离子的配的配位数则取决于它们的半位数则取决于它们的
36、半径比。径比。4.1 负离子配位多面体规则负离子配位多面体规则阴离子成最紧密堆积，且相互接触，阴离子成最紧密堆积，且相互接触，阳离子则无间隙地充填八面体空隙时，计算两者半径比之图解阳离子则无间隙地充填八面体空隙时，计算两者半径比之图解arcr阳离子配位数阳离子配位数阳离子配位阳离子配位多面体的形状多面体的形状acrr/实例4.2 静电价规则静电价规则在一个稳定的晶体结构中，每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻在一个稳定的晶体结构中，每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和，其偏差正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和，其偏差1/41/4价价。即：正电价等于
37、负电价即：正电价等于负电价iiiiinZSZnZS负离子的电荷数负离子的电荷数正离子的配位数正离子的配位数正离子电荷数正离子电荷数静电价强度静电价强度例：例：CaTiO3用途：用途：1、判断晶体是否稳定。、判断晶体是否稳定。2、判断共用一个顶点的多面体的数目。、判断共用一个顶点的多面体的数目。4.3 阴离子配位多面体的共顶、共棱、共面规则阴离子配位多面体的共顶、共棱、共面规则在一个配位结构中，共用棱，特别是共用面的存在会降低这个结构的稳在一个配位结构中，共用棱，特别是共用面的存在会降低这个结构的稳定性。其中高电价、低配位的正离子的这种效应更为明显。定性。其中高电价、低配位的正离子的这种效应更为
38、明显。abc4.4不同配位多面体连接规则不同配位多面体连接规则4.5节约规则节约规则若晶体结构中含有一种以上的正离子，则高电价、低配位的多面体之若晶体结构中含有一种以上的正离子，则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势。间有尽可能彼此互不连接的趋势。在同一晶体中，组成不同的结构基元的数目趋向于最少。在同一晶体中，组成不同的结构基元的数目趋向于最少。晶体结构的周期性和对称性，若组成不同的结构基元过多，则每个晶体结构的周期性和对称性，若组成不同的结构基元过多，则每个基元要形成各自的周期性和规则性，则它们之间就会相互干扰，不基元要形成各自的周期性和规则性，则它们之间就会相互干扰，不利于形成晶体结构。利于形成晶体结构。例例 Si和和Al原子的相对质量非常接近（分别为原子的相对质量非常接近（分别为28.09和和26.98），但），但SiO2和和Al2O3的密度相差很大（分别为的密度相差很大（分别为2.65g/cm3和和3.96g/cm3）。试用晶体结构及鲍林规）。试用晶体结构及鲍林规则说明密度相差大的原因。则说明密度相差大的原因。
