材料科学基础-第1章2

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1、图1-9材料的原子排列(a)无序排列(b，c)短程有序(d)长程有序(a)Inertmonoatomicgaseshavenoregularorderingofatoms:(b,c)Somematerials,includingwatervapor,nitrogengas,amorphoussiliconandsilicateglasshaveshort-rangeorder.(d)Metals,alloys,manyceramicsandsomepolymershaveregularorderingofatoms/ionsthatextendsthroughthem

2、aterial.Section1.2原子和离子排列在物质的不同状态中，有四种原子或离子的排列方式1.无序在单原子气体中，原子或离子是无序排列的。例如氩气（Ar）或者荧光灯中产生的等离子体。2.短程有序（SRO）(short-rangorder)短程有序:在原子最近邻的范围内出现的特定的排列。由于氢氧原子间的共价键，蒸汽中每个水分子都是短程有序排列，即每个氧原子和两个氢原子连接，形成104.5°的键角。然而，蒸汽中水分子相互之间并没有特定的排列。Section1.2原子和离子排列无机玻璃材料也具有这样的短程有序结构。在二氧化硅中，每个硅离子周围有4个氧离子结合组成四面体

3、结构。玻璃中的四面体单胞以任意方式连接。这些四面体共用顶点、棱边和面。因此，除了四面体的基本单元，不存在周期性排列。而在石英和其它二氧化硅晶体中，四面体是按周期性排列的。Section1.2原子和离子排列图1-10硅酸盐玻璃中的Si-O四面体图1-11聚乙烯中的C-H键的四面体.许多高分子材料也显示了和硅酸盐玻璃近似的短程有序排列。聚乙烯由碳原子链组成，碳原子链是二个氢原子和一个碳原子连接构成。因为碳原子是4价的，所以，碳原子和氢原子以共价键方式结合，这样又可以构成一个四面体结构（图1-11）。聚乙烯高分子链就是四面体晶胞以任意方式连接形成。3．长程有序(long-r

4、angorder,LRO)大多数金属和合金，半导体，陶瓷，和某些高分子材料为晶体结构。它们的原子或离子都呈现长程有序的排列，即在～>100nm的长度范围内原子呈现特定的排列。这些材料中的原子或离子在三维空间形成有规则的、重复的格子状的排列。我们把这些材料称为晶体材料。如果一个晶体材料仅由一个大的晶体组成，称其为单晶材料(singlecrystallinematerial)。单晶材料在许多电子和光学领域应用广泛。例如，计算机芯片是由一块大尺寸（可以大到直径300mm）的单晶硅制造的。许多有用的电子－光学器件是由铌酸锂（LiNbO3）单晶制造的。可以把单晶做成薄膜用于很多

5、电子和其它方面。有些涡轮叶片也可以用镍基超合金单晶来制作。Section1.2原子和离子排列Figure(a)Photographofasiliconsinglecrystal.(b)Micrographofapolycrystallinestainlesssteelshowinggrainsandgrainboundaries多晶体(polycrystallinematerial)是由很多空间位向不同的小的晶体组成。这些小的晶体就是晶粒(grains)。晶粒的边界，晶体排列不规则，被称为晶界(grainsboundaries)。单晶材料的性能取决于化学成分和晶体的特

6、定取向（称为晶体学方向）。晶体材料中的长程有序可以用X射线(x-raydiffraction)或电子衍射(electrondiffraction)技术来研究。FigureLiquidcrystaldisplay.Thesematerialsareamorphousinonestateandundergolocalizedcrystallizationinresponsetoanexternalelectricfieldandarewidelyusedinliquidcrystaldisplays.液晶（liquidcrystals-LCs）是一种有着特定排列的高分子材

7、料。液晶高分子材料就像一种液体状的非晶态材料。然而当外界的电场或者温度变化时，这些高分子材料中的分子就会在小范围内排列成晶体，因此命名为液晶。这些材料在液晶显示技术方面具有许多商业应用价值。FigureClassificationofmaterialsbasedonthetypeofatomicorder.代表晶体中原子、原子团或分子分布规律（周期性）的几何点的集合称为空间点阵。其中的几何点一般叫做结点（或阵点lattice）。每个结点周围的环境都是相同的。用假想的直线将这些结点连接起来，所构成的几何框架称为晶格。晶格的最小重复单元（平行六面体）称为