第三章金屬與陶瓷結構

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1、第三章金屬與陶瓷結構電子被大電壓加速後，會產生具有類似波特性之高速電子束。其波長較電子間距離短，可以產生具有類似X光繞射之行為特性，而於結晶材料原子平面間產生繞射。每一點為一特殊平面繞射而得。第三章金屬與陶瓷結構2為什麼要研習金屬與陶瓷結構？某些材料的性質直接受它們結晶結構所影響。例如，未受變形之純鎂與鈹，具有某種晶體結構，則其較具有另外一種晶體結構之純金屬金與銀為脆（即在較小程度之變形下就會產生破斷）（見8.5節）。某些陶瓷的永久磁性與鐵電性也可用它們的晶體結構來解釋（見12.24節）。即使具有相同成分之結晶與非結晶材質也會有相當大的性質差異。例如，一般來說，非結晶陶瓷

2、與高分子為光之透明體；而具有結晶（或半結晶）之相同材質則傾向於不透明或者半透明。第三章金屬與陶瓷結構3本章重點原子以何種方式結合成固體？（以金屬為例）材料密度與原子結構的關係？材料性質與結晶方向有關？第三章金屬與陶瓷結構4第3章•3.1簡介•3.7密度計算－陶瓷•3.2基本概念•3.8矽酸鹽陶瓷•3.3單位晶胞•3.9碳•3.10多形體和同素異形體•3.4金屬之晶體結構•3.11晶體系統•3.5密度計算－金屬•3.12~3.16結晶學點、方向與平•3.6陶瓷之晶體結構•面•3.17~3.21結晶和非結晶材料第三章金屬與陶瓷結構53.1簡介固態中原子的某些排列。在此

3、架構內，引入結晶與非結晶的觀念。對結晶固體則以晶體結構的概念來呈現，以單位晶胞的觀念來詳細說明。簡要的描述如何使用X-光繞射技術在實驗上來決定晶體結構。描述單晶、多晶和非結晶材料。第三章金屬與陶瓷結構63.2基本概念圖3.1對面心立方晶體結構（a）以硬球單位晶胞來表示第三章金屬與陶瓷結構7晶格(lattice)：晶格意指一個三度空間排列的點與原子位置(或球心)在空間上的規則幾何排列。第三章金屬與陶瓷結構8能量與堆積•非緊密堆積,任意排列能量典型的原子間鍵結長度典型的原子間原子間距rr鍵結能•緊密堆積,規則排列能量典型的原子間鍵結長度典型的原子間原子間距r鍵結能緊密

4、、規則堆積的結構，具有較低能量第三章金屬與陶瓷結構9材料與堆積結晶材料...•原子堆積方式為週期式的三度空間陣列•種類:-金屬-許多陶瓷-部分高分子結晶SiO2AdaptedfromFig.3.22(a),Callister7e.SiOxygen非結晶材料...•原子堆積無週期性•產生於:-複雜結構-急速冷卻“非晶質(Amorphous)非結晶SiO2AdaptedfromFig.3.22(b),=非結晶(Non-crystalline)Callister7e.第三章金屬與陶瓷結構10圖3.1對面心立方晶體結構（b）以縮小球模型來表示第三章金屬與陶瓷結構113.3單位晶胞

5、(UNITCELLS)單位晶胞(Unitcell):包含完整結晶體晶格樣式的最小重複體積圖3.1面心立方晶體結構(FCC)之示意圖(a)以硬球代表原子所呈現之單位晶胞(b)以縮小硬球代表原子所呈現之單位晶胞第三章金屬與陶瓷結構12圖3.1對面心立方晶體結構（c）為許多原子的集合體第三章金屬與陶瓷結構133.4金屬之晶體結構•此族群材料原子的鍵結方式是金屬鍵，本質上無方向性。使用硬球模式於金屬之晶體結構時，每壹圓球代表一離子核。•三種最常見於一般金屬中且相對簡單的晶體結構為：面心立方晶體結構、體心立方以及六方最密堆積。第三章金屬與陶瓷結構14表3.116種金屬的原子半徑和晶

6、體結構第三章金屬與陶瓷結構15配位數對金屬而言，每個原子具有相同鄰近或相接觸的原子數目，此即為配位數。圖3.1對面心立方晶體結構（a）以硬球單配位數=12位晶胞來表示第三章金屬與陶瓷結構16原子堆積因子（APF）APF是基於原子硬球模型，在單位晶胞中固態球所佔的體積分率。（3.2）第三章金屬與陶瓷結構17面心立方晶體結構(FCC)(TheFace-CenteredCubicCrystalStructure)•其原子位於每一個角和所有立方面的中心。面對角線方向原子相互接觸.--注意：為便於觀察，中心原子以不同顏色表示ex:鋁、銅、金、鉛、鎳、鉑、銀•配位數=12Adapt

7、edfromFig.3.1,Callister7e.4原子/單位晶胞:6面心x1/2+8角落x1/8(CourtesyP.M.Anderson)第三章金屬與陶瓷結構18•FCC的APF=0.74(APF的極大值)a2+a2=(4R)2最密堆積方向：a2R2長度=4R=2a2a單位晶胞包含:6x1/2+8x1/8=4原子/單位晶胞aAdaptedfromFig.3.1(a),Callister7e.單位晶胞體積4原子數4(2a/4)3原子3APF==0.74體積a3原子第三章金屬與陶瓷結構19FCCa2R2配位數:12晶