第二章材料化学的理论基础

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1、材料化学的理论基础第二章12.1晶体与非晶体固体（晶体与非晶体）晶体：长程有序（单晶、多晶、准晶）单晶—所有质点三维空间周期排列。例Si、Ge单晶是半导体的基础。多晶—由无数个单晶组成，存在晶界缺陷。例大部分晶体材料。准晶—有取向序,无长程平移序的物质。1984年首次发现的二面体存在5次对称轴。非晶体：只是短程有序2固体材料按其质点的聚集状态可分为：晶体：金属与合金、大部分无机材料，某些有机高分子材料。非晶体：玻璃（脆），橡胶（弹性）等。32.1.1固体的基本属性微观：具有固体性（质点在确定的位置平衡振动）宏观：有确定的外形。思考题：气体、液体有什么不同？4液体固化的两种方式相变1：（气

2、相—Tb—液相）相变2：（液相——固相）液相—Tf—晶体：V、Q突变，有固定熔点Tf液相—Tg—玻璃：V、Q渐变，无固定熔点（Tg范围）热力学特征：晶体—能量最小，热力学稳定态；非晶体—热力学亚稳态教材P19图2-15一个明显的弯曲标志着随着温度的下降体系中发生了相变：在沸腾温度处首先发生气相到液相的转变。随着温度的继续降低，液体的体积连续减小。当温度足够低时将发生从液体到固体的转变。液体可以通过两种方式固化。第一种方式：在某一个确定的温度(凝固点)下，体积的体积突然收缩，在V~T曲线上表现为斜率的不连续变化之后固体的体积随温度的降低缓慢减小。注意到曲线的斜率应该对应于体系的热膨胀系数：固

3、体的热膨胀系数小于液体。第二种方式：快速冷却时可以获得过冷液体之后过冷液体凝固形成非晶态固体。6晶体与非晶体的结构特点晶体：1具有点阵周期性和对称性；2三维空间有序排列（近程有序,远程序）。非晶体：1不具有点阵周期性和对称性；2无序结构（近程有序,远程无序）。72.1.2晶体的宏观特性1、具有规则外形：自发形成封闭多面体2、晶面角守恒：P223、有固定熔点：P224、各向异性：同一晶体不同方向的性质不同思考题：非晶体呢？82.1.3非晶态与晶态的转化1、亚稳态热力学观点：玻璃不是最低能量状态，有向晶体转变的趋势—不稳定；动力学观点：内能差别较小（速度慢）—亚稳存在。2、非晶态材料的稳定性（

4、P83）例SiO2，液体→石英晶体：△H=-860Kj/mo液体→石英玻璃：△H=-848Kj/mol93、非晶态材料的转化1）结构松弛—非晶态向能量较低的另一种非晶亚稳态的转变过程。特点：不结晶，但能量有所降低，结构有所调整，并伴随性能的变化和稳定。2）部分晶化—例微晶玻璃3）结晶（晶化）—向能量最低的晶态转化。102.2晶体材料的微观结构2.2.1硬球无规密堆积学说P80有关概念：1）最紧密堆积：结构稳定（内能小）2）硬球：刚体，可以相互接触，但不能重叠。3）排列：同层球体的结合（对齐、错位）4）堆积：异层球体的结合（ABC堆积，AB堆积）11堆积方式：1）六方紧密堆积（AB堆积）2）

5、立方紧密堆积（ABC堆积）堆积特点：1）堆积系数74.05%；2）配位数12；3）空隙种类：四面体、八面体12等大球体的最紧密堆积方式第一层：每个球与周围6个球相邻接触，每3个球围成1个空隙。其中一半是尖角向上的空隙，另一半是尖角向下的空隙。第二层：每个球均与第一层中的3个球相邻接触，且落在同一类三角形空隙的位置上。此时两层间存在两类不同的空隙。第一种：连续穿透两层的空隙第二种：未连续穿透两层的空隙第二种：未连续穿透两层的空隙13现在考虑第三层球的排列方式第一种:将第三层落在未穿透两层的空隙位置上未穿透两层的空隙有两类，但只有处于第二层的那类空隙的位置可以保证每一个第三层的球与第二层的3个

6、球相切。第三层的摆放位置14将第三层球堆积在这类空隙上第三层与第一层完全重复：如此继续堆积就得到一个ABABAB……顺序堆跺的一个六方最紧密堆积结构。15六方密堆结构及相应的六方格子16第三层球排列的第二种方式将第三层落在连续穿透两层的空隙位置上第三层的摆放位置可以看出，第三层与第一层第二层都不同，在摆放第四层时才与第一层重复。如此堆积就得到ABCABCABC……顺序堆跺的一个立方最紧密堆积结构。17对立方最紧密堆积结构可以抽象出一个面心立方格子。立方最紧密堆积的最紧密排列层是(111)晶面18四面体空隙和八面体空隙处于四个球包围之中的空隙：四个球中心连线刚好构成一个四面体的形状。处于六个

7、球包围之中的空隙：四个球中心连线刚好构成一个八面体的形状。19可以证明：1、六方、立方紧密堆积的空间利用率是74%。2、在各类晶体结构中，六方、立方紧密堆积才是最紧密堆积。是空间利用率最高的两种结构。20等大球体的其他堆积方式简单立方堆积：空间利用率52%。21体心立方堆积：空间利用率68%。222.2.2晶体结构基本类型1、金属晶体（等大球体）最紧密堆积：两种（立方，六方）；球数/空隙数：n个球做密堆：产生n个八