1、第第2章章 固体结构固体结构v2.1 晶体学基础晶体学基础v2.2 金属的晶体结构金属的晶体结构v2.3 合金相结构合金相结构v2.4 离子晶体和共价键晶体结构离子晶体和共价键晶体结构v2.5 聚合物的晶态结构聚合物的晶态结构v2.6 非晶态结构非晶态结构物质：气态物质：气态 液态液态 固态固态固态物质：晶体固态物质：晶体 非晶体非晶体2.1 2.1 晶体学基础晶体学基础空间点阵和晶胞、晶向指数和晶面指数、晶带、空间点阵和晶胞、晶向指数和晶面指数、晶带、晶面间距、倒易点阵、晶体的对称性、晶面间距、倒易点阵、晶体的对称性、1 1、晶体、晶体晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征晶体的研究首先是
2、从研究晶体几何外形的特征开始开始在古代，无论中外，都把具有规则的几何多面在古代，无论中外，都把具有规则的几何多面体形态的水晶称为晶体体形态的水晶称为晶体凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固体都称之为晶体的固体都称之为晶体以上两种定义都是不正确的以上两种定义都是不正确的一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念l19121912年，年，X X射线晶体衍射实验成功射线晶体衍射实验成功，对晶体的研究，对晶体的研究从晶体的外部进入到晶体的内部，使结晶学进入从晶体的外部进入到晶体的内部，使结晶学进入一个崭新的发展阶段。一个崭新的发展阶段。l现已证明，现已证明，一
3、切晶体一切晶体不论其外形如何，它的内部不论其外形如何，它的内部质点（原子、离子或分子）都是在三维空间有规质点（原子、离子或分子）都是在三维空间有规律排列，主要表现为同种质点的周期重复，构成律排列，主要表现为同种质点的周期重复，构成了所谓的了所谓的“空间格子空间格子”。l所有晶体都具有格子构造所有晶体都具有格子构造晶体的共同特点。晶体的共同特点。Cl-Na+l晶体的正确的定义：晶体的正确的定义：晶体是内部质点在三维空晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体；或者说晶体就是间呈周期性重复排列的固体；或者说晶体就是具有空间格子的固体。具有空间格子的固体。石石 盐盐 晶晶 体体 结结 构构无色水
4、晶无色水晶钻石原石钻石原石2 2、非晶体、非晶体 l有些状似固体的物质如玻璃、琥珀、松香等，它们有些状似固体的物质如玻璃、琥珀、松香等，它们的的内部质点不作规则排列，不具有格子构造，称为内部质点不作规则排列，不具有格子构造，称为非晶体。非晶体。l从内部结构看，非晶体中质点的分布颇似于液体，从内部结构看，非晶体中质点的分布颇似于液体，严格地说，它们不是固体，是过冷液体。严格地说，它们不是固体，是过冷液体。l只有晶体才能称为真正的固体。只有晶体才能称为真正的固体。晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。空间呈周期性重复排
5、列，即存在长程有序。晶体和非晶体的两大性能区别晶体和非晶体的两大性能区别:例如：玻璃、石蜡和沥青等都是非晶体，冰块、NaCl、ZnS 等都是晶体。各向同性各向同性各向异性各向异性固定熔点固定熔点熔化范围熔化范围 熔熔 点：点：晶体晶体非晶体非晶体方向性：方向性：（1）自限性自限性：晶体具有：晶体具有自发的自发的形成规则几何外形的形成规则几何外形的 性质。性质。（2）均匀性均匀性：晶体不同部分的：晶体不同部分的宏观性质宏观性质相同相同（3）各项异性各项异性：晶体在不同方向上的物理性质不：晶体在不同方向上的物理性质不 同，即沿不同方向观察晶体内部粒子可以看到同，即沿不同方向观察晶体内部粒子可以看到
6、 不同的排列情况。不同的排列情况。晶体的性质：晶体的性质：（4）对称性对称性：晶体的相同性质在不同方向或位置上有：晶体的相同性质在不同方向或位置上有 规律的重复出现，晶体的各项异性并不排除在某规律的重复出现，晶体的各项异性并不排除在某些特定方向上可以具有异向同性。些特定方向上可以具有异向同性。（5）稳定性：晶体内部粒子的规则排列是粒子之间引）稳定性：晶体内部粒子的规则排列是粒子之间引力和斥力相互作用的结果，在相同的热力学条件力和斥力相互作用的结果，在相同的热力学条件下，晶体的内能最小，从而具有稳定性。下，晶体的内能最小，从而具有稳定性。晶体的以上性质都是晶体内部粒子规则排列的外在晶体的以上性质
7、都是晶体内部粒子规则排列的外在反映。反映。v晶体非晶体可以相互转化，由外部环境条件和加工晶体非晶体可以相互转化，由外部环境条件和加工制备方法而定。制备方法而定。u玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃u通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得 到非晶态到非晶态u获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法）2.1.1 空间点阵和晶胞空间点阵和晶胞阵点阵点实际晶体的质点在三维空间可以有无限多种排列方式，为了便实际晶体的质点在三维空间可以有无限多种排列方式，为了便于
8、分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。列于空间的几何点，称之为阵点。这些阵点在空间呈这些阵点在空间呈周期性规则排列周期性规则排列并具有完全相同的周围环并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。简称点阵。空间点阵空间点阵 为了说明点阵排列的规律与特点，在点阵中取出一个具有代为了说明点阵排列的规律与特点
9、，在点阵中取出一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。晶晶 胞胞晶胞a c b a c b 图 空间点阵晶胞选取的原则晶胞选取的原则同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞晶胞选取的原则晶胞选取的原则v选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；v平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；v当平行六
10、面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；最多；v当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。v晶轴：晶胞的三条棱的长度就是点阵沿这些方向的周期，这三体棱晶轴：晶胞的三条棱的长度就是点阵沿这些方向的周期，这三体棱就叫晶轴。就叫晶轴。v晶胞棱边长度晶胞棱边长度a、b、c，其单位为，其单位为nm,棱间夹角棱间夹角、。这六个。这六个参数叫做点阵常数。参数叫做点阵常数。v晶胞的大小由三条棱的长度决定，晶胞的形状取决于这些棱的夹角。晶胞的大小由三条棱的长度决定，晶胞的形状取决于这些棱的夹角。v任何晶体的晶胞都可以
11、看成是平行六面体，不同晶任何晶体的晶胞都可以看成是平行六面体，不同晶体的区别在于：体的区别在于：v（1）不同晶体的晶胞其大小和形状不同）不同晶体的晶胞其大小和形状不同v（2）围绕每个接点的原子种类、数量及分布不同。）围绕每个接点的原子种类、数量及分布不同。v根据晶胞选取原则，所选出的空间点阵的晶胞可以分为两大类根据晶胞选取原则，所选出的空间点阵的晶胞可以分为两大类一类为简单晶胞，即只在平行六面体的一类为简单晶胞，即只在平行六面体的 8个顶点上有结点，个顶点上有结点，v另一类为复合晶胞，除在平行六面体顶点位置含有结点之外，另一类为复合晶胞，除在平行六面体顶点位置含有结点之外，尚在体心、面心、底心
12、等位置上存在结点。尚在体心、面心、底心等位置上存在结点。所以根据晶胞中结点的分布情况，所有晶胞可以所以根据晶胞中结点的分布情况，所有晶胞可以分为四种格子类型：分为四种格子类型：原始格子、底心格子、体心原始格子、底心格子、体心格子和面心格子格子和面心格子。原始格子原始格子底心格子底心格子体心格子体心格子面心格子面心格子14种布拉菲点阵种布拉菲点阵根据根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即种类型，即7个晶系。个晶系。按照按照“每个阵点的周围环境相同每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲用数学方的要求，布拉菲用数学方法法推导出能
13、够反映空间点全部特征的单位平面六面体有推导出能够反映空间点全部特征的单位平面六面体有14种，种，这这14种空间点阵也称布拉菲点阵。布拉菲点阵充分反映了晶种空间点阵也称布拉菲点阵。布拉菲点阵充分反映了晶体的对称性。体的对称性。三斜：简单三斜单斜：简单单斜 底心单斜,90oabc,90oabc正交：简单正交 底心正交体心正交面心正交,90oabc菱方：简单菱方六方：简单六方123,90,120ooaaac,90oabc四方：简单四方 体心四方,90oabc立方：简单立方 体心立方 面心立方,90oabc空间点阵和晶胞的关系空间点阵和晶胞的关系同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞同一空
14、间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞体心立方体心立方面心立方面心立方简单菱方简单菱方简单三斜简单三斜新晶胞不能反映立方晶系空间点阵的对称性，故不能这样选取。新晶胞不能反映立方晶系空间点阵的对称性，故不能这样选取。+PICFaab c120o120o120o六方晶系只有简单六方点阵，六方晶系只有简单六方点阵，在简单六方点阵的上下面中心在简单六方点阵的上下面中心添加结点后是否形成一个新的添加结点后是否形成一个新的点阵点阵底心六方点阵，如果底心六方点阵，如果它满足六方晶系的对称性，那它满足六方晶系的对称性，那它就是一个新的点阵。它就是一个新的点阵。但是所形成的点阵不再具有但是所形成的点阵不再
15、具有6次旋转对称，因而不再是六方晶次旋转对称，因而不再是六方晶系，而带心点阵可以连成简单单斜点阵，因而不是新点阵。系，而带心点阵可以连成简单单斜点阵，因而不是新点阵。为什么没有底心四方和面心四方？为什么没有底心四方和面心四方？如果存在，从上图可以看出，底心四方可以连成体积更小如果存在，从上图可以看出，底心四方可以连成体积更小的简单四方点阵，面心四方可以连成体积更小的体心四方的简单四方点阵，面心四方可以连成体积更小的体心四方点阵，因此不存在底心四方点阵和面心四方点阵。点阵，因此不存在底心四方点阵和面心四方点阵。由上图可以看出。由上图可以看出。4个简单四方可以连成一个底心四方，个简单四方可以连成一
16、个底心四方，4个体心四方可以连成一个面心四方，但面积都比原来个体心四方可以连成一个面心四方，但面积都比原来大，这与晶胞的选取原则相抵触。大，这与晶胞的选取原则相抵触。为什么不存在体心单斜和面心单斜点阵？为什么不存在体心单斜和面心单斜点阵？如果存在，由上图可以看出，如果存在，由上图可以看出，2个体心和面心单斜都可个体心和面心单斜都可以连成一个底心单斜点阵，因而不是新的点阵。以连成一个底心单斜点阵，因而不是新的点阵。晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，它是由几
17、何点在三维空间析晶体结构的周期性和对称性，它是由几何点在三维空间理想的周期性规则排列而成，由于各阵点的周围环境相同，理想的周期性规则排列而成，由于各阵点的周围环境相同，它只能有它只能有14种类型。种类型。晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此实际存在体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此实际存在的晶体结构是无限的。的晶体结构是无限的。上图是金属中常见的密排六方晶体结构，但它不能看作一种上图是金属中常见的密排六方晶体结构，但它不能看作一种空间点阵，这是因为位于晶胞内的原子与晶胞角上的原子具
18、空间点阵，这是因为位于晶胞内的原子与晶胞角上的原子具有不同的周围环境，这样的晶体结构应属简单六方点阵。有不同的周围环境，这样的晶体结构应属简单六方点阵。晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别图 几种晶体结构的点阵分析(a)-Fe (b)NaCl (c)CaF2 (d)ZnS 尽管它们的晶体结构完全不同，但是它们的点阵类型相同，都是面心立方尽管它们的晶体结构完全不同，但是它们的点阵类型相同，都是面心立方。晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别任何一种晶体都有它自己的特定的晶体结构，不可能有两任何一种晶体都有它自己的特定的晶体结构，不可能有两种晶体具有完全相同的晶体结构。因此，
19、晶体结构的数目种晶体具有完全相同的晶体结构。因此，晶体结构的数目极多，为了便于研究晶体，可把它抽象为空间点阵。极多，为了便于研究晶体，可把它抽象为空间点阵。v晶体结构晶体结构=结构基元结构基元+空间点阵空间点阵v晶体结构是在每个空间点阵点上安放一个结构基元。晶体结构是在每个空间点阵点上安放一个结构基元。v晶体结构是由结构基元在三维空间呈周期性重复排列，把结晶体结构是由结构基元在三维空间呈周期性重复排列，把结构基元抽象成一个点，晶体结构就抽象成空间点阵。构基元抽象成一个点，晶体结构就抽象成空间点阵。一个晶体结构抽象成空间点阵的基本规则是：每一个点各一个晶体结构抽象成空间点阵的基本规则是：每一个点各自的物理和几何环境应该完全相同，这些点称为等同点。自的物理和几何环境应该完全相同，这些点称为等同点。图图1-5 几种晶体点阵的平面图几种晶体点阵的平面图(a、b、c)和它们的空间点阵和它们的空间点阵(d)
