材料科学基础.ppt

《材料科学基础.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础.ppt（163页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、材料科学基础材料科学基础主讲：主讲：粉体材料科学与工程教研室粉体材料科学与工程教研室 田长安田长安合肥学院化学与材料工程系合肥学院化学与材料工程系合肥学院 田长安绪论INTRODUCTION合肥学院 田长安 在人类的生活和生产中，材料是必需的物质在人类的生活和生产中，材料是必需的物质基础。新材料的使用对人类历史的发展起了重要基础。新材料的使用对人类历史的发展起了重要的作用。的作用。2020世纪世纪7070年代人们曾把材料、信息、能年代人们曾把材料、信息、能源归纳为现代文明的三大支柱，现在又预言新的源归纳为现代文明的三大支柱，现在又预言新的技术革命即将来临，并且把信息技术、生物技术技术革命即将来

2、临，并且把信息技术、生物技术和新型材料作为这次革命的重要标志。和新型材料作为这次革命的重要标志。一、材料与人类一、材料与人类合肥学院合肥学院 田长安田长安现代科技与现代文明现代科技与现代文明能能源源材材料料信信息息合肥学院合肥学院 田长安田长安一、材料是人类社会进步的里程碑一、材料是人类社会进步的里程碑 材料是人类文明的物质基础材料是人类文明的物质基础 ，从，从远古的石远古的石器时代到青铜器时代，然后再进入铁器时代，每器时代到青铜器时代，然后再进入铁器时代，每一种新材料的出现和使用，都伴随着生产力和科一种新材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。学技术的发展，标

3、志着人类文明的进步。合肥学院合肥学院 田长安田长安n n公元前公元前1010万年左右，原始人采用天然的石、木、竹等材料万年左右，原始人采用天然的石、木、竹等材料作为工具。史称作为工具。史称“旧石器时代旧石器时代”。n n公元前公元前60006000年，人类发明了火，逐渐可以烧制陶器，后来年，人类发明了火，逐渐可以烧制陶器，后来又在制陶的基础上又发明了瓷器。又在制陶的基础上又发明了瓷器。n n人类在大量烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，人类在大量烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜，后来利用这种技术烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜

4、，后来发展到炼铁。发展到炼铁。合肥学院合肥学院 田长安田长安 石石 斧斧合肥学院合肥学院 田长安田长安合肥学院合肥学院 田长安田长安湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑合肥学院合肥学院 田长安田长安湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄合肥学院合肥学院 田长安田长安n n1818世纪随着蒸气机的发明，欧洲爆发了产业革命，工业迅猛世纪随着蒸气机的发明，欧洲爆发了产业革命，工业迅猛发展，推动和促进了以钢铁为中心的金属材料的大规模发展发展，推动和促进了以钢铁为中心的金属材料的大规模发展n n第二次世界大战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，第二次世界大战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出了质量轻、强度高

5、、价格低等一系列新的要求。对材料提出了质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分代替了金属材料，合成纤维、具有优异性能的工程塑料部分代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到了相应的发展。合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到了相应的发展。合肥学院合肥学院 田长安田长安合肥学院合肥学院 田长安田长安合肥学院合肥学院 田长安田长安合肥学院合肥学院 田长安田长安n n进入进入2020世纪世纪8080年代以来，在世界范围内高新技术迅猛发展，年代以来，在世界范围内高新技术迅猛发展，各国展开激烈的竞争，都想在生物技术、信息技术、空间技各国展开激烈的竞争，都想在生物技术、信息

6、技术、空间技术、能源、海洋开发等领域占有一席之地。发展高新技术的术、能源、海洋开发等领域占有一席之地。发展高新技术的关键往往是材料，因此新型材料的开发本身就成为一种高新关键往往是材料，因此新型材料的开发本身就成为一种高新技术。在新材料领域，近年来相继在超导材料、生物材料、技术。在新材料领域，近年来相继在超导材料、生物材料、纳米材料等方面取得了较大突破。纳米材料等方面取得了较大突破。合肥学院合肥学院 田长安田长安“一箭双星一箭双星”“神舟神舟”5号发号发射射 合肥学院合肥学院 田长安田长安杨伟利与返回舱杨伟利与返回舱合肥学院合肥学院 田长安田长安欧洲的火星快车欧洲的火星快车合肥学院合肥学院 田长

7、安田长安“勇气号与机遇号勇气号与机遇号合肥学院合肥学院 田长安田长安勇气和机遇号火星车传回的照片勇气和机遇号火星车传回的照片合肥学院合肥学院 田长安田长安美国美国“深度撞击深度撞击”彗星彗星合肥学院合肥学院 田长安田长安 材料又是社会现代化的物质基础与先导，特别是先进材料的研究、开发与应用反应着一个国家科学技术与工业水平。二、先进材料是社会现代化的先导二、先进材料是社会现代化的先导合肥学院合肥学院 田长安田长安电子技术的发展电子技术的发展电子技术的发展电子技术的发展计算机计算机计算机计算机合肥学院合肥学院 田长安田长安EDVACEDVAC机及机及机及机及冯冯冯冯 诺依曼诺依曼诺依曼诺依曼合肥学

8、院合肥学院 田长安田长安合肥学院合肥学院 田长安田长安 19061906年，电子管发明；年，电子管发明；19461946年，年，ENIACENIAC机诞生机诞生 19471947年，发明晶体管；年，发明晶体管；19491949年，年，EDVACEDVAC诞生诞生 19581958年出现集成电路，不久又发明了微处理器年出现集成电路，不久又发明了微处理器 19701970年，第一片年，第一片RAMRAM芯片由芯片由IntelIntel推出，容量推出，容量1KB1KB 1978 1978年，年，IntelIntel推出推出80888088微处理器，集成微处理器，集成2900029000个晶体管。个晶

9、体管。19821982年，年，8028680286发布，集成了发布，集成了13.413.4万个晶体管万个晶体管 19851985年，年，8038680386推出，集成推出，集成27.527.5万个晶体管万个晶体管 19891989年，年，8048680486集成集成120120万个晶体管。万个晶体管。19951995年，年，Pentium Pro Pentium Pro 发发布布 （550550万）万）19991999年，年，Pentium Pentium （28002800万，万，106mm106mm2 2)合肥学院合肥学院 田长安田长安 莫尔定律莫尔定律莫尔定律莫尔定律合肥学院合肥学院 田

10、长安田长安合肥学院合肥学院 田长安田长安电子技术的发展电视机电子技术的发展电视机电子技术的发展电视机电子技术的发展电视机合肥学院合肥学院 田长安田长安电子技术的发展手机电子技术的发展手机电子技术的发展手机电子技术的发展手机合肥学院合肥学院 田长安田长安光纤通讯技术光纤通讯技术光纤通讯技术光纤通讯技术光导纤维：简称简称“光纤光纤”，是一种能利用光的全反射作用来，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤维。传导光线的透明度极高的玻璃纤维。合肥学院合肥学院 田长安田长安光光光光 纤纤纤纤 光光光光 缆缆缆缆 普普普普 通通通通 电电电电 缆缆缆缆 信息量大信息量大信息量大信息量大,每

11、根光纤理论上可同每根光纤理论上可同每根光纤理论上可同每根光纤理论上可同时通过时通过时通过时通过10101010亿路电话亿路电话亿路电话亿路电话 8 8 8 8管同轴电缆每管同轴电缆每管同轴电缆每管同轴电缆每条通话条通话条通话条通话1800180018001800路路路路 原料来源广原料来源广原料来源广原料来源广(石英玻璃石英玻璃石英玻璃石英玻璃),),),),节约有节约有节约有节约有色金属色金属色金属色金属 资源较少资源较少资源较少资源较少 质量小质量小质量小质量小,每公里每公里每公里每公里27 g,27 g,27 g,27 g,不怕腐蚀不怕腐蚀不怕腐蚀不怕腐蚀,铺设方便铺设方便铺设方便铺设方

12、便 每公里每公里每公里每公里1.6 t 1.6 t 1.6 t 1.6 t 成本低成本低成本低成本低,每公里每公里每公里每公里1 1 1 1万元左右万元左右万元左右万元左右 每公里每公里每公里每公里20202020万元万元万元万元 性能好性能好性能好性能好,抗电磁干扰保密性强抗电磁干扰保密性强抗电磁干扰保密性强抗电磁干扰保密性强,能能能能防窃听防窃听防窃听防窃听,不发生电辐射不发生电辐射不发生电辐射不发生电辐射 合肥学院合肥学院 田长安田长安 在人类的生活和生产中，材料是必需的物质基础。人们的衣食住行，无一不与材料密切相关。材料的发展水平直接影响人们的生活。三、材料与人们的日常生活密切相关三、

13、材料与人们的日常生活密切相关合肥学院合肥学院 田长安田长安材料分类(Classification of Materials)(Classification of Materials)合肥学院合肥学院 田长安田长安四、问题的引出：四、问题的引出：什么是材料科学？1)材料科学基础是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系2)研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与化学密不可分的应用科学。合肥学院 田长安材料科学基础的科学内涵材料科学基础的科学内涵 性能性能使用效能使用效能合成与合成与制备制备组成与结构组成与结构材料科学基础合

14、成与制备合成与制备、组成与结构组成与结构、性能、性能、使用效能使用效能 四者之间的关系与规律关系与规律的科学。合肥学院 田长安科学方面科学方面偏重于研究材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能各组员本身及其相互间关系的规律；材料科学与工程的材料科学与工程的工程研究中还应包括工程研究中还应包括材料制备与表征所需的仪器、设备的设计与制造。在材料科学与工程的发展中，科学与工程彼此密切结合，构成一个学科整体。工程方面工程方面着重与研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发并生产出材料，提高材料的使用效能，以满足社会的需要。合肥学院 田长安1.1.合成与制备合成与制备合成合成指促使原子

15、、分子结合而构成材料的化学与物理过程。合成的研究既包括有关寻找新合成方法寻找新合成方法的科学问题，也包括以适当的数量和形态合成材料的合成材料的技术问题技术问题；既包括新材料的合成新材料的合成，也应包括已有材料的新合成方法有材料的新合成方法（如溶胶-凝胶法）及其新形态新形态（如纤维、薄膜）的合成。合肥学院 田长安制备制备研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料。这一点是与合成相同的，但制备还包括在更为宏观的尺度宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和适用效能，即包括材料的加工、处理、装配和制造。简而言之，合成与制备就是将原子、分子聚简而言之，合成与制备就是将原子、分子聚合起

16、来并最终转变为有用产品的一系列合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程。连续过程。合肥学院 田长安把把合合成成制制备备简简单单的的与与工工艺艺等等同同起起来来而而忽忽略其基础研究的科学内涵，是不恰当的！略其基础研究的科学内涵，是不恰当的！在合成与制备中工程性的研究固然重要，基基础础研研究究也也不不应应忽忽视视。对材料合成与制备的动力学过程的研究可以揭示过程的本质，为改进制备方法建立新的制备技术提供科学基础。以以晶晶体体材材料料为为例例在晶体生产中如果不了解原料合成与生产各阶段发生的物理化学过程、热量与质量的传输、固液界面的变化和缺陷的生成以及环境参数对这些过程的影响，就不可能建立并掌握生长参

17、数优化的制备方法，生长出具有所需组成、完整性、均匀性和物理性的晶体材料。合肥学院 田长安以陶瓷材料为例以陶瓷材料为例陶瓷材料的最严重的问题是可靠性差，原因是制制备备过过程程落落后后以以致致材材料料的的微微结结构构和和特特性性缺缺少少均均匀匀性性和和重重复复性性。研究结果已表明，若粉料在材料制备中发生团聚，则材料难免出现分布不均匀的气孔从而导致性能不均一。为为提提高高材材料料的的可可靠靠性性，必必须须对对制制备备过过程程中中的的每每阶阶段段所所发发生生的的化化学学、物物理理变变化化认认真真加加以以研研究究并并做做出出必必要要的的表表征征。陶瓷材料中颗粒间界的强度远远低于颗粒或晶粒本身的强度。为为

18、了了提提高高材材料料强强度度，对对颗颗粒粒间间晶晶界界结结构构、本本质质和和在在制制备备中中的的变变化化过过程程以以及及这这些些过过程程如如何何受受制制备备条条件件的的影影响响，进行基础性的研究，是极其重要的。进行基础性的研究，是极其重要的。合肥学院 田长安2.2.组成与结构组成与结构组组成成 指构成材料物质的原子、分子及其分布；除主要组成以外，杂杂质质及对无机非金属材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略。结结构构则指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原原子子与与电电子子结结构构、分分子子结结构构、晶晶体体结结构构、相相结结构构、晶晶粒粒结结构构、表表面面与

19、与晶晶界界结结构构、缺缺陷陷结结构构等等；在尺度上则包括纳纳米米以以下下、纳纳米米、微微米米、毫毫米及更宏观的结构层次米及更宏观的结构层次。合肥学院 田长安了解材料的了解材料的组成与结构组成与结构及它们及它们同同合成与制备合成与制备之间、之间、性能与使用性能与使用效能效能之间的内在联系，一直是材之间的内在联系，一直是材料料科学与工程科学与工程 的基本研究内的基本研究内容容。合肥学院 田长安合肥学院 田长安合肥学院 田长安合肥学院 田长安合肥学院 田长安合肥学院 田长安合肥学院 田长安合肥学院 田长安合肥学院 田长安合肥学院 田长安第一章 晶体结构合肥学院合肥学院 田长安田长安第一节 晶体中原子

20、间的结合一、键型离子键共价键金属键范德华力二、结合力与结合能结合力结合能总结三、原子半径四、金属的晶体性MaterialMaterial合肥学院合肥学院 田长安田长安一、键型1.离子键离子化合物（大部分盐类、碱类、金属氧化物等）中通 过正、负离子间的静电作用结合。特点：结合力强，熔点高，硬而脆；严格按化学价结合，原子比例已定，可用化学式表示；电子固有，不存在自由电子，传导性差；无方向性；2.共价键C、Si、Sn、Ge等金属中，通过共用电子对结合。特点：具有饱和性，符合8-n 定律；有方向性；结合力强，熔点高，硬；电子固有，没有自由电子；合肥学院合肥学院 田长安田长安一、键型（续）3.金属键金属

21、中，正离子与自由电子相结合（正离子浸在自由电子云中）失去价电子的金属正离子于形成电子云的自由电子之间产生静电引力，使金属原子结合在一起，形成了金属晶体。特点：电子共有；无饱和型；无方向性；4.范德华力某些分子之间，中性原子之间，依赖两个偶极子之间的静电引力相结合。范德华力比较微弱。合肥学院合肥学院 田长安田长安二、结合力与结合能1.结合力1-1 概念 所有键型都以静电力结合，静电作用产生引力和斥力。1-2 原因 原子相互结合后，电子能带叠加：原来已填满，则能量上升，体现为斥力；原来未填满，则能量下降，体现为引力。Si原子电子轨道合肥学院合肥学院 田长安田长安二、结合力与结合能（续）1-3 双原

22、子结合力、结合能模型双原子互作用力模型双原子互作用能模型合肥学院合肥学院 田长安田长安三、原子半径（Ra)1.计算公式 当R=R0时，两个正离子间的中心距，称为原子直径（2Ra),亦即R0=2Ra；2.影响因素 致密度越高，则Ra越小；键合力越高，则Ra越小；不同方向上Ra也可能不同；合肥学院合肥学院 田长安田长安四、金属的晶体性1.1.固体的分类固体的分类晶体晶体原子呈周期性排列；原子呈周期性排列；非晶体非晶体原子呈不规则排列；原子呈不规则排列；2.2.晶体的分类晶体的分类单晶体单晶体整个物质由一个晶粒组成，其中原子排列整个物质由一个晶粒组成，其中原子排列位向相同，具有各向异性。位向相同，具

23、有各向异性。多晶体多晶体有许多位向不同的小单晶体组成，具有各有许多位向不同的小单晶体组成，具有各向同性（单个经历的各向异性被向同性（单个经历的各向异性被“平均化平均化”）。）。3.3.晶体和非晶体相互关系晶体和非晶体相互关系晶体和非晶体在一定的条件下可以相互转化。例如，晶体和非晶体在一定的条件下可以相互转化。例如，在极大的冷速下，可以得到非晶态金属。其原因是液在极大的冷速下，可以得到非晶态金属。其原因是液态金属在冷却时来不及转变成晶体就凝固了，非晶体态金属在冷却时来不及转变成晶体就凝固了，非晶体实质上是一种过冷的液体结构（短程有序）。实质上是一种过冷的液体结构（短程有序）。合肥学院合肥学院 田

24、长安田长安第二节 晶体学基础一、晶体的定性描述一、晶体的定性描述1.1.晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵2.2.晶系（晶系（7 7系系1414种）种）二、晶体的定量描述二、晶体的定量描述1.1.立方晶系的晶向和晶面指数立方晶系的晶向和晶面指数2.2.晶带与晶面轴晶带与晶面轴3.3.六方晶系的晶向与晶面指数六方晶系的晶向与晶面指数4.4.立方晶系中的一些重要几何关系立方晶系中的一些重要几何关系合肥学院合肥学院 田长安田长安1.晶体结构与空间点阵1-1 晶体结构（晶体点阵）实际原子在空间规则排列构成的集合体。1-2 阵点（节点、结点）忽略实际原子的体积，将其看成一个点，这样的点称为阵点。空间点

25、阵就是由阵点组成的点阵排列。阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的 原子群或分子群的中心。也就是说可以把原子或分子看作 一个阵点，也可以把彼此等同的原子团或分子群看作一个阵点，但各个阵点的环境必须相同。在某一空间点阵中，各阵点在空间的位置时一定的，阵点是构成空间点阵的基本要素。1-3 晶格表示原子在空间规则排列的几何格子（用直线将阵点连接起来构成的三维几何格架）。合肥学院合肥学院 田长安田长安1.晶体结构与空间点阵（续）1-4 晶胞 定义：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。晶胞通常是平行六面体，将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。晶胞的选取原则：几何形状与晶体具有同样的对称性

26、；平行六面体内相等的棱与角的数目最多；当平行六面体棱间有直角时，直角数目最多；在满足上述条件下，晶胞的体积应最小。点阵参数合肥学院合肥学院 田长安田长安1.晶体结构与空间点阵（续）1-5 晶体结构与空间点阵的区别 晶体结构其类型取决于原子结合，阵点的位置上可以是一个或多个实际质点或者原子团，其种类可以是无限的。空间点阵每个阵点处原子都具有相同的环境，其种类有限（仅有14种）。亦即是说，每种空间点阵都可以形成无限多的晶体结构。合肥学院合肥学院 田长安田长安1.晶体结构与空间点阵（续）晶体结构与空间点阵（续）合肥学院合肥学院 田长安田长安2.晶系2.1 布拉菲点阵（空间点阵）根据空间点阵中根据空间

27、点阵中“每个阵点周围的环境相同每个阵点周围的环境相同“的的要求，布拉菲（要求，布拉菲（BrarisBraris)于于19481948年用数学方法证明了年用数学方法证明了空间点阵共有空间点阵共有1414种，而且只有种，而且只有1414种。种。2.2 晶系 根据晶胞的根据晶胞的3 3个晶格常数（个晶格常数（a a、b b、c c）和和3 3个轴个轴间夹角（间夹角（、）的相互关系，可以把的相互关系，可以把1414种布拉菲种布拉菲点阵归纳为点阵归纳为7 7个晶系（参见下表）。从表中可以看出，个晶系（参见下表）。从表中可以看出，晶系分类是只考虑晶系分类是只考虑a a、b b、c c 是否相等，是否相等，

28、、是否是否相等或呈直角关系等因素，即只考虑晶胞的外形而不相等或呈直角关系等因素，即只考虑晶胞的外形而不涉及晶保中原子排列的具体情况。涉及晶保中原子排列的具体情况。合肥学院合肥学院 田长安田长安七大晶系、十四种布拉菲点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-1 简单三斜点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-2 简单单斜点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-3底心单斜点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-4 简单斜方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-5 底心斜方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-6

29、体心斜方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-7 面心斜方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-8 六方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-8 菱方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-10 简单正方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-11 体心正方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-12 简单立方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-13 体心立方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安14种点阵结构14-14 面心立方点阵合肥学院合肥学院 田长安田长安二、晶体的定量描述几个重要的

30、概念n n晶向点阵中质点的连线，表示原子列的方向。n n晶面点阵中阵点组成的面，表示原子面。n n用晶向指数和晶面指数来确定和区分不同的晶向和晶面，国际上通用密勒指数（Miller)统一标定。合肥学院合肥学院 田长安田长安1.立方晶系的晶向与晶面指数1-1 晶向指数 u v w Page38-39建立步骤：建立坐标系。以某一阵点为坐标原点，三个棱边为 坐标轴，并以点阵常数(a、b、c)作为各个坐标轴的单位长度；作 OP/AB；确定P点的三个坐标值（找垂直投影）；将坐标值化为互质的最小整数，并放入到 中，则uvw即 为所求；ProcedureProcedure1.2.3.xyopABATTENT

31、ION:定晶向指数时，选择的原点必须在所求得晶向上。如：AB:X Y Z 1u v w1 1 2 晶向 1 1 2z合肥学院合肥学院 田长安田长安1.立方晶系的晶向与晶面指数（续）n n晶向指数u v w中如果某一个数字为负，则将负号标注在该数的上方。n n一个晶向指数并不表示一个晶向，而是一组相互平行、位向相同的晶向。如果晶向指数的数字相同而正负号相反，如110和110，则这两个晶向相互平行，但方向相反（与数学中矢量的相关概念相同）。合肥学院合肥学院 田长安田长安1.立方晶系的晶向与晶面指数（续）立立方方晶晶系系中中的的晶晶向向指指数数示示例例合肥学院合肥学院 田长安田长安1.立方晶系的晶向

32、与晶面指数（续）1-2 晶面指数建立步骤：建立坐标系。原点不能位于所求的平面内，其余的与求晶 向指数时相同。求晶面在各个坐标轴上的截距。求截距的倒数，并化为最小正整数，放入（）中。则（h k l）即为所求的晶面指数。ProcedureProcedure1.2.3.如果晶面在某个坐标轴上的截距为负，则在相应当指数上方加上负号。平行晶面的晶面指数相同，或者数字相同而正、负完全相反。合肥学院合肥学院 田长安田长安1.立方晶系的晶向与晶面指数（续）晶晶面面指指数数示示例例合肥学院合肥学院 田长安田长安1.立方晶系的晶向与晶面指数（续）1-3 晶向指数与晶面指数的关系 在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向

33、相互垂直。也就是说：立方晶系的晶面和其法线具有相同的指数。100(100)o(111)111o110(110)o例如：100(100)111 (111)110 (110)合肥学院合肥学院 田长安田长安1.立方晶系的晶向与晶面指数（续）（了解）1-4 晶向族和晶面族 晶向族 原子排列相同但空间位向不同的所有晶向，用 表示。例如：在立方晶系中，=1 0 0+0 1 0+0 0 1+1 0 0+0 1 0+0 0 1 亦即：同 一晶向族的各晶向指数的数字相同，但排列次序或正负号不同。立方晶系中，晶向族包括的晶向可以用u、v、w数字的排列组合方式求出。该晶向族方法不适用于非立方结构的晶体。合肥学院合肥

34、学院 田长安田长安1.立方晶系的晶向与晶面指数（续）1-4 晶面族和晶面族(续)晶面族 原子排列相同但空间位向不同的所有晶面，用h k l 表示。例如：在立方晶系中，1 0 0=1 0 0+0 1 0+0 0 1+1 0 0+0 1 0+0 0 1 亦即：同 一晶面族的各晶面指数的数字相同，但排列次序或正负号不同。立方晶系中，h k l晶向族包括的晶向可以用h、k、l 数字的排列组合方式求出。该晶面族方法不适用于非立方结构的晶体。合肥学院合肥学院 田长安田长安2.晶带与晶带轴晶带与晶带轴定义一系列的晶面相互平行或相交于一线，则这些晶面构成一个“晶带”，该直线称为晶带轴。晶带定律设晶带轴为u v

35、 w，晶带中任一晶面为(h k l)，则两者符合晶带定律：hu+kv+lw=0。其原因是同一晶带中的所有晶面均与晶带轴平行。应用利用晶带定律可以求得任意两个互不平行晶面（h1 k1 l1）和（h2 k2 l2）相交线的晶向指数，即晶带轴u v w。h1u+k1v+l1w=0h2u+k2v+l2w=0u=k1l2-k2l1v=l1h2-l2h1w=h1k2-h2k1将所求得到u、v、w化为互质数即是所求得的晶带轴u v w例如：(1 1 1)和(1 1 0)晶面的晶带轴经计算为1 1 0。合肥学院 田长安3.六方晶系的晶向与晶面指数 通常采用四坐标轴表示法。如左图所示，以阿a1、a2、a3 和

36、c 四个轴为坐标轴，a1、a2、a3三个轴位于同一个平面上，彼此间的夹角均为120。合肥学院合肥学院 田长安田长安3.六方晶系的晶向和晶面指数(续)3-1 晶面指数(h k i l)方法与三轴坐标系相同。亦即经历如下步骤：找截距；求倒数；化为最小整数。ProcedureProcedure1.2.3.附注由于三维空间中独立的坐标轴不会超过三个，所以位于同一个平面上h、k、i中必定有一个不是独立的。可以证明：i（hk）3-2 晶向指数u v t w 步骤：找垂直投影；前三项乘以2/3(不能化为最小整数)；连同第四项一起化为最小整数。ProcedureProcedure1.2.3.同样，u、v、t之

37、间也满足：t(u+v)合肥学院合肥学院 田长安田长安3.六方晶系的晶向和晶面指数(续)六方晶系晶向与晶面指数示例图合肥学院合肥学院 田长安田长安3.六方晶系的晶向和晶面指数(续)3-3 注意两点在立方晶系中判断晶向垂直或平行于晶面，在六方晶系中仍然适用。例如：0 0 0 1 (0 0 0 1)、1 1 2 0 (1 1 2 0)由晶面族指数或晶向族指数还原成具体的晶面或晶向指数时，指数中只有前3个数字能够相互改变次序和正负号，而且必须满足 i（hk）、t(u+v)的特殊关系。第四个指数位置不动，只能改变其正负号。合肥学院合肥学院 田长安田长安4.立方晶系中的一些重要几何关系4-1.晶面间距定义

38、：相邻两个平行晶面之间的垂直距离。对于简立方晶系，有：其中，a 点阵常数 h、k、l 晶面指数特点：低指数晶面指数的面间距较大，高指数晶面的面间距较小。晶面间距大，该晶面上原子排列越密集，即该晶面的原子密度 大；反之亦然。4-2 晶面夹角两晶面(h1 k1 l1)、(h2 k2 l2)，其夹角的余弦为：合肥学院 田长安4.立方晶系中的一些重要几何关系(续)4-3 两晶向夹角 两晶向(u1 v1 w1)、(u2 v2 w2)，它们之间的夹角余弦为：4-4 平行条件 晶向 u v w平行晶面(h k l)或在晶面(h k l)上的条件：hu+kv+lw=04-5 垂直条件 相同指数的晶向和晶面相互

39、垂直4-6 具有相同指数或仅相差一个负号的晶面相互平行例如，（1 1 1)/(1 1 1)合肥学院合肥学院 田长安田长安第三节 常见的晶体结构自习：45-51工业上使用的金属除少数具有较复杂的晶体结构外，工业上使用的金属除少数具有较复杂的晶体结构外，绝大多数均为比较简单的高对称性晶体结构。它们是：绝大多数均为比较简单的高对称性晶体结构。它们是：面心立方面心立方（A1A1，face-centered cubicface-centered cubic，fccfcc）体心立方体心立方（A2A2，body-centered cubicbody-centered cubic，bccbcc）密排六方密排六

40、方（A3A3，hexagonal close-packedhexagonal close-packed，hcphcp合肥学院合肥学院 田长安田长安1.晶胞中的原子数BCCFCCHCP 晶胞中的原子数：bcc：n=81/8+1=2;fcc：n=81/8+61/2=4;hcp：n121/6+21/2+3=6;合肥学院合肥学院 田长安田长安2.点阵常数n n点阵常数的单位点阵常数的单位单位单位 A ,1A=10A ,1A=10-10-10 m mn n具体晶体结构的点阵常数具体晶体结构的点阵常数bccbcc、fccfcc：立方晶系，点阵常数是立方晶系，点阵常数是 a a，即立方体的棱长。即立方体的棱

41、长。hcphcp ：2 2个点阵常数，即正六边形的边长个点阵常数，即正六边形的边长a a，上、下底面上、下底面的间距的间距c c。c/a c/a 轴比。轴比。若顶角原子和面心原子恰好与体内的三个原子相若顶角原子和面心原子恰好与体内的三个原子相切，即属切，即属 于理想密排六方结构，此时的于理想密排六方结构，此时的c/a c/a=(8/3)=(8/3)1/21/2=1.633=1.633。但实际上但实际上 c/a c/a 往往偏离往往偏离1.633,1.633,即为非理想即为非理想hcphcp。合肥学院合肥学院 田长安田长安4.原子半径 假设原子为大小相等的刚性球，半径为ra。则具体晶体结构的原子

42、半径如下：1.BCC 晶向上的原子彼此相切，4ra=a ra=2.FCC 晶向上的原子彼此相切，排列紧密。即4ra=3.HCP由左图可知ra=a/2a合肥学院合肥学院 田长安田长安5.配位数配位数 任一原子周围最近邻且等距离的原子数(Z)。Z反映了 晶体中原子排列第紧密程度。Z越大，晶体排列得越紧密。配位多面体：P47合肥学院合肥学院 田长安田长安6.致密度致密度 单位晶胞体积中原子所占的体积。K原子体积晶胞体积K同样反映了晶体中原子排列第紧密程度，K越大，晶体排列越紧密。具体情况（理想密排，c/a=1.633时）fcc和hcp的z和k均相同，说明两者的原子排列紧密程度一样，并且两者的z和k均

43、高于bcc,表明bcc中原子排列较为松散，所以一般把fcc及hcp称为密排结构，把bcc称为非密排结构。分 析合肥学院合肥学院 田长安田长安7.间隙体心立方点阵的四面体间隙合肥学院合肥学院 田长安田长安7.间隙(续)体心立方点阵的八面体间隙合肥学院合肥学院 田长安田长安7.间隙(续)面心立方点阵的四面体间隙合肥学院合肥学院 田长安田长安7.间隙(续)面心立方点阵的八面体间隙合肥学院合肥学院 田长安田长安7.间隙(续)密排六方点阵的四面体间隙合肥学院合肥学院 田长安田长安7.间隙(续)密排六方点阵的八面体间隙合肥学院合肥学院 田长安田长安8.晶体中原子的堆垛方式 前已叙及，fcc和hcp的晶体结

44、构不同，但是密集程度相同，这一现象可用晶体原子的堆垛方式来解释。在fcc和hcp中都有一个原子排列最紧密的面（密排面），即fcc的111面和hcp的0001面，这两类面上原子排列规律完全相同。原子在密排面上所处的位置只可能有3种，即A、B、C位置。hcp就是以密排面（0001）沿0001方向按ABAB顺序堆垛而成；fcc则是密排面111沿方向按ABCABC顺序堆垛而成的。原理图密排六方面心立方合肥学院合肥学院 田长安田长安第二章第二章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷合肥学院 田长安晶体的结构缺陷晶体的结构缺陷总述总述 1、缺陷产生的原因、缺陷产生的原因热震动热震动 杂质杂质 2、缺陷定义缺陷定义实际

45、晶体与理想晶体相比有一定程实际晶体与理想晶体相比有一定程度的偏离或不完美性，度的偏离或不完美性，把两种结把两种结构发生偏离的区域叫缺陷。构发生偏离的区域叫缺陷。3、研究缺陷的意义、研究缺陷的意义导电、半导体、发色（色心）导电、半导体、发色（色心）、发光、扩散、烧结、固相反应、发光、扩散、烧结、固相反应。（材料科学的基础）（材料科学的基础）4、缺陷分类缺陷分类点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷 合肥学院 田长安第一节第一节 点缺陷点缺陷 一、类型一、类型 A A 根据对理想晶体偏离的根据对理想晶体偏离的几何位置几何位置来分，来分，有三类有三类空空 位位填填 隙隙 原原 子子杂杂 质质

46、原原 子子正常结点位置没有被质点占据，称为正常结点位置没有被质点占据，称为空空位位。质点质点进入间隙位置成为进入间隙位置成为填隙原子填隙原子。杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或加杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或加入，一般不大于入，一般不大于1，）。，）。进入进入间隙位置间隙位置间隙杂质原子间隙杂质原子正常结点正常结点取代（置换）杂取代（置换）杂质原子质原子。固固溶溶体体合肥学院 田长安B B 根据产生缺陷的原因分根据产生缺陷的原因分热热 缺缺 陷陷 杂杂 质质 缺缺 陷陷 非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）合肥学院 田长安1、热缺陷热缺陷：当晶体的温度高于绝对：当晶

47、体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热时，由于晶格内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。的缺陷。（1）Frankel缺陷缺陷 特点特点 空位和间隙成对产生空位和间隙成对产生 ；晶体密度不变。；晶体密度不变。例例:纤锌矿结构纤锌矿结构ZnO晶体，晶体，Zn2+可以离开原位进可以离开原位进入间隙，入间隙，此此间隙间隙为结为结构中的另一半构中的另一半“四孔四孔”和和“八孔八孔”位置。位置。从能量角度从能量角度分析分析：下合肥学院 田长安Frankel缺缺 陷陷 的的 产产 生生上合肥学院 田长安（2）Schttky缺陷缺陷正常格点的

48、原子由于热运动跃迁到晶体表面，正常格点的原子由于热运动跃迁到晶体表面，在晶体内正常格点留下空位。在晶体内正常格点留下空位。Schttky缺陷形成的能量小缺陷形成的能量小Frankel 缺陷形成的能量缺陷形成的能量因此对于大多数晶体来说，因此对于大多数晶体来说，Schttky 缺陷是主要的。缺陷是主要的。特点特点形成形成 从形成缺陷的能量来分析从形成缺陷的能量来分析 热缺陷浓度表示热缺陷浓度表示：对于离子晶体，为保持电中性，正离子空位和对于离子晶体，为保持电中性，正离子空位和负离子负离子空位成对产生，晶体体积增大空位成对产生，晶体体积增大 下合肥学院 田长安Schottky缺缺 陷陷 的的 产产

49、 生生上合肥学院 田长安2 杂质缺陷杂质缺陷概念概念杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原子进入杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原子进入晶体的数量一般小于晶体的数量一般小于0.1%。种类种类间隙杂质间隙杂质 置换杂质置换杂质特点特点杂质缺陷的浓度杂质缺陷的浓度与温度无关与温度无关，只决定于溶解度只决定于溶解度。存在的原因存在的原因本身存在本身存在 有目的加入有目的加入(改善晶体的某种性能改善晶体的某种性能)合肥学院 田长安3 非化学计量结构缺陷（电荷缺陷非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学组成与周围环境组成与周围环境

50、气氛气氛有关；不同种类的离子或原子数之比有关；不同种类的离子或原子数之比不能用简单整数表示。如：不能用简单整数表示。如：;非化学计量缺陷非化学计量缺陷电荷缺陷价带产生空穴价带产生空穴导带存在电子导带存在电子附加附加电场电场周期排列不变周期排列不变周期势场畸变周期势场畸变产生电荷缺陷产生电荷缺陷合肥学院 田长安二、缺陷化学反应表示法二、缺陷化学反应表示法 用一个主要符号表明缺陷的种类用一个主要符号表明缺陷的种类 用一个下标表示缺陷位置用一个下标表示缺陷位置 用一个上标表示缺陷的有效电荷用一个上标表示缺陷的有效电荷 如如“.”表示有效正电荷表示有效正电荷;“,”表示有效负电荷表示有效负电荷;“”表