材料物理第二章精选文档.ppt

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1、材料物理第二章1 1本讲稿第一页，共八十二页 2.1概述：概述：决定材料性能的主要因素按重要性排列：化学成分，结构，组织，形状等。不同化学成分不同化学成分：即使结构、组织、形状都相同,其性能也可能相差很大；相同化学成分相同化学成分：可以通过改变其结构、组织、形状等来改变性能，但这种改变很有限。材料在使用过程中，结构、组织、形状都可能发生变化，但组成这一材料的元素一般不会变化。但也有例外，例如，核嬗变反应（由中子辐照引起的原子种类发生变化的现象），不仅会2 2本讲稿第二页，共八十二页 使材料带有放射性，而且还会改变材料的化学成分，进而影响材料的性能。在半导体材料中，常利用核嬗变反应进行施主和受主

2、的掺杂。材料的结构材料的结构：指材料中原子的排列方式。同一种元素的原子，可以组成不同结构的材料。例如，石墨和金刚石，都是由碳原子组成，但它们的结构完全不同，其性能也差之千里。同素异构体同素异构体：由一种元素组成具有不同结构的材料。3 3本讲稿第三页，共八十二页 原子的什么特性决定它的排列方式呢?目前还正在探索之中。材料的组织材料的组织：表示晶粒的取向以及它们的尺寸等有关概念，就是材料的组织。材料的尺寸也影响材料的使用性能。例如，在研究材料断裂时，要考虑材料尺寸。2.2原子结合与结合键原子结合与结合键 决定材料晶体结构 内因内因原子之间的结合方式，即结合键（离子键、共价键、金属键、极化键四种）外

3、因外因温度、压力等4 4本讲稿第四页，共八十二页 2.2.1离子键离子键 正电性元素和负电性元素依靠静电作用结合，这种结合方式称为离子键。图2.1表示离子键的结合原理。例如，氯化钠晶体（食盐颗粒）就是离子键结合的物质。正电性元素失去电子，同时负电性原子得到电子，从而各自形成正离子和负离子。离子键物质的导电性一般不好，因为电荷的流动需要通过离子的移动来实现，而这些离子的尺寸通常很大，不像电子那样容易移动。5 5本讲稿第五页，共八十二页6 6本讲稿第六页，共八十二页 2.2.2共价键共价键 相邻原子各给出一个电子，作为两个原子的公共电子，这种两个相邻原子通过公共电子（共价电子）结合的方式称为共价键

4、。7 7本讲稿第七页，共八十二页 图图2.2表示共价键的结合原理。在硅晶体中，表示共价键的结合原理。在硅晶体中，硅原子之间完全以共价键相结合，每一个硅原子硅原子之间完全以共价键相结合，每一个硅原子周围都有其它周围都有其它4个硅原子以一定角度与其结合。个硅原子以一定角度与其结合。共价键的结合力非常强，且具有方向性。因共价键的结合力非常强，且具有方向性。因此象陶瓷、半导体等共价键结合的材料的塑性很此象陶瓷、半导体等共价键结合的材料的塑性很差，而且导电性和导热性都不好。差，而且导电性和导热性都不好。8 8本讲稿第八页，共八十二页 离子键的形成需要电荷的转移，然而许多化学键的形成并不存在明显的电荷转移

5、现象，而是同号电荷聚集在两个原子之间。也可以说是两个原子都贡献出电子，在这两个原子中间的区域有较高的电荷密度，抵消了部分原子核间的库仑斥力并且产生静电相互作用，因而有利于形成共价键。9 9本讲稿第九页，共八十二页 2.2.3金属键金属键 失去了价电子 的金属原子成为正 离子，嵌镶在共有 的价电子云中，依 靠共有化电子的静 电作用而相互结合，这种结合方式称为 金属键。图2.3表示 金属键的结合原理。1010本讲稿第十页，共八十二页 处于凝聚状态的金属原子，将它们的价电子贡献出来，作为整个原子基体的共有电子。电子自由游移于正离子之间，遍及整个晶体，构成近自由电子，这就像是正离子浸在近自由电子的海洋

6、之中。金属键在本质上和共价键有类似的地方，但是其外层电子比共价键更共有化，这些共有化的电子也称为自由电子。金属中的金属键使得价电子可以在整个材料中运动，因此金属常为韧性材料，具有很好的导电性和导热性。1111本讲稿第十一页，共八十二页 2.2.4极化键极化键 一些本身不易得失电子的中性原子或分子相互结合时，其内部的电子可能发生不均匀的重新分布。由于电荷的不均匀性使原子或分子一端呈负电性，另一端呈正电性，依靠正负极的相互作用而结合的结合方式称为极化键。图2.4表示极化键的结合原理。1212本讲稿第十二页，共八十二页1313本讲稿第十三页，共八十二页 当分子中的氢原子出现这种极化现象时，又可称为氢

7、键氢键。氢原子与非金属元素（如氟、氧、氮等）结合形成分子时，共价电子会更靠近非金属原子而偏离氢原子，从而使分子具有极性。氢原子呈正电性，非金属原子呈负电性。这样，一个分子里的氢原子与另一个分子里的非金属原子之间形成极化键（氢键）而相互连接起来。极化键是一种二次键。一个分子里的原子之间通过共价键或离子键结合，这是一次键。这些分子之间则又通过极化键相结合。1414本讲稿第十四页，共八十二页 离子键、共价键和金属键均属于强键，而极化键则属于弱键。极化键能够戏剧性地改变材料的性能极化键能够戏剧性地改变材料的性能 高分子材料通常是共价键结合，所以共价键的PVC塑料似乎应该是脆性的。但是这种材料中含有许多

8、很长的链状分子，如图2.5所示。每个分子链内部的原子是通过共价键结合的，而这些链状分子之间却是通过极化键相互结合的。当极化键发生断裂，链状分子之间就可以滑移，从而使PVC塑料发生变形。这样，共价键的PVC塑料就不再是脆性材料了。1515本讲稿第十五页，共八十二页 图图2.5 高分子材料中的长链状分子高分子材料中的长链状分子1616本讲稿第十六页，共八十二页 2.3 晶体结构与晶体学晶体结构与晶体学 晶体晶体：原子（确切地说是离子）具有规则排列的物体。水晶的特征是具有多面体的外形，水晶的六角形的面间角均为120。这种具有多面体外形的物体称为晶体晶体。英语crystal，最初就是指“水晶水晶”。例

9、如：在玻璃的SiO2分子中，一个Si原子与四个O原子以共价键结合，形成一个四面体，这些共价键之间形成109.5的角度，表现出一种1717本讲稿第十七页，共八十二页 短程有序。如图2.7所示。可是SiO2和SiO2之间的结合方向却是随机的，没有规律可言。图图2.7 2.7 共价键的方向性共价键的方向性1818本讲稿第十八页，共八十二页 再如：高分子也表现出与Si玻璃相似的短程有序。聚乙烯是由C原子的链组成，其中每个C原子都与两个H原 子以共价键方式结 合。这样一个C原 子与它周围的两个 C原子和两个H原 子也形成四 面体，如图2.8所 示。但 这些四面体却是以 随机方向互相连接 成长链。1919

10、本讲稿第十九页，共八十二页 玻璃和聚乙烯这样的只有短程有序的物质称为非晶非晶。而金属、半导体、许多陶瓷甚至一些高分子材料不仅具有短程有序，同时还具有长程有序，这种材料称为晶体晶体。晶体晶体：指其原子（确切地说是离子）具有规则排列的物体。或 者说，不仅具有长 程有序，同时还具 有短程有序的材料 称为晶体。2020本讲稿第二十页，共八十二页 在整个晶体中，原子排列都是有规则的。以简单立方晶体为例：我们可以通过各原子中心的一些假想联线把他们在三维空间里的几何排列形式描绘出来，各联线的 交点称为“结点结点”，在结 点上的小圆圈（或用黑 点）表示各原子中心的 位置。我们把这种表示 晶体中原子排列形式的

11、空间格子叫做“晶格晶格”（或点阵点阵）。2121本讲稿第二十一页，共八十二页 组成晶格的最基本的几何单元，叫做“晶胞晶胞”。晶胞的各边尺寸a、b、c叫“晶格常数晶格常数”，其大小常以（埃）为单位（1 =110-8cm）；晶胞各边之间的相互夹角常分别以、表示。图示中晶格常数a=b=c，而=90，这种 晶胞叫做简单立方晶胞，具有简单立方晶胞的晶 格叫做简单立方晶格简单立方晶格。（只见于非金属晶体中，在金属晶体中则看不到）2222本讲稿第二十二页，共八十二页 现在已经知道，一共存在14种不同 的晶胞，这些晶胞称为布喇菲晶胞布喇菲晶胞。它是由7种晶系（立方、四方、六方、正交、三方、单斜、三斜）的单胞以

12、及这些单胞的特殊位置（底心、面心、体心）加入阵点所得到的新的单胞。2323本讲稿第二十三页，共八十二页 任何晶格中都可以通过某种简单连接方式画出一个简单三斜晶胞，但此时的简单三斜晶胞并不能反映整个晶格的对称性。2424本讲稿第二十四页，共八十二页 例如，六方点阵晶胞中，可以继续分成3个简单三斜晶胞。但是这种棱柱体简单三斜晶胞不再具有6次旋转对称性，也就是说，再也找不到一个旋转轴，使得围绕该旋转轴旋转60后，所有的格点均能与未旋转前的格点重合。法国晶体学家布 喇菲用数 学推断的 方法也证 明了只有 14种不同 的晶胞。2525本讲稿第二十五页，共八十二页 最常见的晶胞有三种：最常见的晶胞有三种：

13、晶格的致密度晶格的致密度：是指 晶胞中所包含的原子 所占有的体积与该晶 胞体积之比。2626本讲稿第二十六页，共八十二页 如在体心立方晶格中，每个晶胞含有2个原子（因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所公有，因此每个体心立方晶胞中仅包含有（1/8）8+1=2个原子），原子半径：晶胞体积为a3，故体心立方晶格的致密度为：即晶格中有68%的体积被原子所占据，其余为空隙。2727本讲稿第二十七页，共八十二页 同样，可以计算出面心立方晶胞（书P12中已计算）和密排六方晶胞的晶格致密度均为0.74。在晶体中，0.74是能够得到的最大致密度。数学上已经证明，等直径球堆垛所能获得的最大致密度就是0.74

14、，而且获得这一最大致密度的只有面心立方和密排六方这两种结构。面心立方结构与密排六方结构同属最紧密堆积结构（原子致密度最大0.74），它们的最密排面上原子排列是相同的，只是相邻密排面的相对位置不同。见图2.11（A、B、C位置），保证晶体最密集堆积时，面心立方结构的堆垛次序是ABCABC；密排六方结构的堆垛次序是ABAB。2828本讲稿第二十八页，共八十二页图图2.112.11（图（图1 1）2929本讲稿第二十九页，共八十二页图图2.112.11（图（图2 2绿线部分）绿线部分）3030本讲稿第三十页，共八十二页图图2.11 2.11（图（图3 3绿线部分绿线部分图图2 2转转180180度）

15、度）3131本讲稿第三十一页，共八十二页 如果观察面心立方结构处于不同矩形面上的3个顶角原子，就会发现这3个原子构成的平面上，原子是如图2.11（图1）所示的呈六角方式密集排列的。这些原子的中心位置用A表示，由3个原子组成的上三角形的中心位置用B表示（图2绿线部分），由3个原子组成的下三角形的中心位置用C表示（图3绿线部分图2转180度）。因此，可知在这个密排面之上的第二个面上的原子也是呈六角方式密排分布，不过第二层上的每个原子的位置投影在B处，而第三个密排面上的原子的投影位置则为C处。所以，面心立3232本讲稿第三十二页，共八十二页 方结构按ABCABCABC顺序堆垛，即第四层密排面上的原子

16、才位于第一层密排原子的正上方。在密排六方结构中，第三个密排面上的原子的投影位置不是C处，而是A处。也就是说，密排六方结构是由按ABABAB顺序堆垛的密排原子层所组成，第三层密排面上的原子位于第一层密排原子的正上方。当然按ABABAB顺序堆垛也一样构成密排六方结构。从以上分析自然可以得知，面心立方结构与密排六方结构的原子致密度应该是相同的，不同的只是原子面的排列顺序。3333本讲稿第三十三页，共八十二页 全部由金属键结合的材料具有最大的致密度全部由金属键结合的材料具有最大的致密度。而由各种不同的结合键结合的材料（如铁）则不能得到最大的致密度。有些材料具有多种晶体结构，但每种晶体结构都只是存在于一

17、定的温度范围内，这种现象称为多型性多型性，铁就是一个例子。在低于910和高于1400 的时候，铁呈现体心立方结构。而在 910和1400 之间，铁为面心立方结构。其他3434本讲稿第三十四页，共八十二页 常见的例子还有钛和锆，它们分别在882和815 时由密排六方结构转变为体心立方结构。锡的低温相变，锡在温度为13.2时由低温的立方结构（灰锡）转变为高温的四角结构（白锡）。锡在低温下变成金刚石结构的灰色锡，又称灰锡，而我们平时所见的锡则称为白锡。3535本讲稿第三十五页，共八十二页 锡的低温相变温度约为13。但实际上常温附近的相变速度非常慢。所以不到零下几十度，白锡不会变成灰锡。锡的相变温度虽

18、然是13，但常常要在低得多的温度下才会出现。碳：金刚石结构，石墨结构（六方），碳60结构（足球）（诺贝尔物理奖）最近材料类获诺贝尔物理奖的还有高温超导材料。3636本讲稿第三十六页，共八十二页 面心立方面心立方：熔点低，易变形，研究的比较多。如金箔的加工，加工方法为用纸夹住金片然后用木锤敲打。体心立方体心立方：熔点高，不易变形，研究数据较少。即使是体心立方的铁，虽然已广泛应用，但它的数据还远远不够。不如镍的数据多。面心立方面心立方：奥氏体不锈钢 体心立方体心立方：铁素体不锈钢3737本讲稿第三十七页，共八十二页 类似的例子还有铀和钚（b）。尤其是钚，它在从室温至熔点（640 ）之间一共有6种不

19、同的晶体结构。许多陶瓷，例如二氧化硅，也具具有多型性。在加热或冷却过程中出现这种晶体结构变化时，可能伴随着体积的变化。如果处理不当，这种体积变化会导致材料的断裂或破坏。3838本讲稿第三十八页，共八十二页 多型性属于同素异构现象的一种，但与碳所具有的多种晶体结构，即同素异构现象有所不同。同素异构体是可以在同一温度范围内存在的。同素异构现象同素异构现象：指元素在温度或压力变化时，晶体结构发生变化的一种特性。3939本讲稿第三十九页，共八十二页 晶向及晶面指数晶向及晶面指数 晶体中各种方位上的原子面叫晶面晶面；各种方向上的原子列叫晶向晶向。在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种

20、晶面和晶向中原子分布的特点，因此有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向，便于分析。晶面的这种符号叫“晶面指数晶面指数”，晶向的符号叫“晶向指数晶向指数”。这些指数都称为密勒指数密勒指数。晶向和晶面具有十分重要的意义。例如，金属的形变常常会在原子排列最密的晶向或晶面上发生。4040本讲稿第四十页，共八十二页 确定晶向指数的方法确定晶向指数的方法：（1）通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；（2）求出该直线上任意一点的三个坐标值；（3）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶向指数，其一般形式为 u v w。如果有负数，则将负号写到该数值的上端

21、。如欲求图中AB的晶向指数，可通过与其平行的OP直线上的任意一点的坐标化简而求出为110。再如120的点坐标为1/2，1，0化为整数即为120。4141本讲稿第四十一页，共八十二页 图中所示的100、110及111晶向为在立方晶格中具有最重要意义的三种晶向。4242本讲稿第四十二页，共八十二页 确定晶面指数的方法确定晶面指数的方法：（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点 平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ 三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距（见图示），如果该晶面通过坐标原点，则应将该原点先移出该晶面；（2）将所得三截距之值

22、变为倒数；（3）消除这三个截距倒数的分数，但是不要使其实现最小整数化，并加上一圆括号，即为晶面指数。晶面指数的一般形式用（h k l）表示，如果有负数，则将负号写到该数值的上端。4343本讲稿第四十三页，共八十二页 例如，图中所示带影线的晶面，其晶面指数的确定步骤为：（1）取它与OX、OY、OZ 三坐标轴的截距为：1、2、；（2）三截距的倒数是：1、1/2、0；（3）消除分数后 的晶面指数 （晶面密勒指数）为：（210）。4444本讲稿第四十四页，共八十二页 使用密勒指数表示晶向时，应注意使用密勒指数表示晶向时，应注意：1、晶向的密勒指数代表一个矢量，其负方向是不同的方向。例如，100和 00

23、表示不同的晶向。另外，一个晶向和它的倍数是相同的，也就是说，晶向虽然是一个矢量，但它的长度是没有意义的。例如，100和200其实是相同的。2、一些晶向是等价的（即具有相同原子排列的晶向）。例如，晶向100如果换一个坐标系，其密勒指数也可能为010或001。用“”和“”来表示这样一组完全等价的晶向。例如，110实际上代表了以下12种不同的等价晶向：110，0，101，0 ，011，0 ，1 0，1 0，10 ，01，01 ，0 1。4545本讲稿第四十五页，共八十二页 在立方晶格中，在立方晶格中，具有最重要意具有最重要意 义的是图示的义的是图示的 三种晶面，三种晶面，即（即（100）、）、（11

24、0）与与（111）三种晶面。三种晶面。4646本讲稿第四十六页，共八十二页 使用密勒指数表示晶面时，应注意使用密勒指数表示晶面时，应注意：1、一个晶面和它的负晶面实际上是相同的晶面，如（020）=（0 0）这点与晶向指数不一样。2、一个晶面和它的倍数是不同的，这点又与晶向指数不同。例如，在面心立方晶胞中，晶面（200）上的原子面密度和晶面（400）上的原子面密度是完全不一样的，因为根本就没有一个原子的中心落于晶面（400）上。3、从晶面间距也可看出晶面（200）与晶面（400）的不同，在晶格常数为a的立方晶体中，晶面（h k l）的晶面间距可用下式求得：4747本讲稿第四十七页，共八十二页 显

25、然，晶面（200）的晶面间距d=a/2，晶面（400）的晶面间距d=a/4。晶面间距晶面间距在由（h k l）规定的平面族中相邻两个平面之间的垂直距离。用“d”来表示。当晶格常数a、b、c、已知时，立方晶系：立方晶系：六方晶系：六方晶系：四方晶系：四方晶系：4848本讲稿第四十八页，共八十二页 正交晶系：正交晶系：单斜晶系：单斜晶系：4、在一种晶格中，如果某些晶面，虽然它们的方位不在一种晶格中，如果某些晶面，虽然它们的方位不同，但各晶面中原子的排列相同时，如（同，但各晶面中原子的排列相同时，如（100），），（010）及（）及（001）等，这时如无必要予以区别，则）等，这时如无必要予以区别，则

26、可把这些晶面统用可把这些晶面统用 来表示。即（来表示。即（h k l）这）这类符号是指某一确定方位的晶面指数，而类符号是指某一确定方位的晶面指数，而 则可指所有那些方位不同则可指所有那些方位不同4949本讲稿第四十九页，共八十二页 而原子排列方式相同的晶面指数。而原子排列方式相同的晶面指数。晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度：所谓某晶面的原子密度即指其单位面积中的原子数，而晶向原子密度则指其单位长度上的原子数。表表1-2 体心立方晶格中各主要晶面和晶向的原体心立方晶格中各主要晶面和晶向的原子密度子密度5050本讲稿第五十页，共八十二页5151本讲稿第五十一页，共八十二页 对于六方晶系来说

27、，表示晶向和晶面的指数比立方晶系要复杂一些，困难在于如何表示六角排列的的基面上的格点坐标。如果像立方晶系的密勒指数那样，用两个轴来表示基面上的坐标，再用一个纵轴表示c轴方向的坐标。晶向A1、A2、A3的指数分别为100、010、0。这三个晶向实际上完全等价，但从这三个密勒晶向指数却看不出存在等价关系。同样，六方体的3个侧面的密勒晶面指数也分别为（100）、（010）、（1 0）。从密勒指数上也看不出这些晶面在晶体学上的等价特征。5252本讲稿第五十二页，共八十二页 为了解决这个问题，引入密勒布喇菲指数。用密勒布喇菲指数表示六方晶系的晶面时，用了基面的三个轴，加上纵轴，共用了4个指数，即（h k

28、 i l)。在这4个轴的指数的确定方法也与前面所述的密勒指数一样，采用截距的倒数。此时，i=(h+k)。这样上述的3个侧面的晶面指数就分别为（1 0 0）（01 0）、（1 00），保持了晶体学的等价意义。六方晶系的底面的晶面指数为（0001）。六方晶系的晶面密勒指数（HKL）和密勒布喇菲指数（h k i l)之间的换算关系：h=H、k=K、l=L、i=(h+k)。5353本讲稿第五十三页，共八十二页 用密勒布喇菲指数表示六方晶系的晶向指数u v t w时，比密勒布喇菲晶面指数要复杂。因为，密勒布喇菲晶向指数必须满足两个要求：t=（u+v）；移动平行于 4个轴的矢 量u、v、t、w后应该到 达

29、晶向的矢 量终点。如图所示：5454本讲稿第五十四页，共八十二页 晶向2 0。表示沿a1方向移动距离2，沿a2方向移动距离1，沿a3方向移动距离1。晶向11 0。表示沿a1方向移动距离1，沿a2方向移动距离1，沿a3方向移动距离2。晶向 2 0。表示沿a1方 向移动距离1，沿a2方向移动距离2，沿a3方向移动距离1。如果采用密勒指数来表示，上述3个晶向指数分别为 100,110,010。这样就表现不出晶相的等价意义。而用密勒布喇菲指数就不会有5555本讲稿第五十五页，共八十二页 这个问题。从上面的叙述可知，已知密勒布喇菲晶向指数，还是比较容易确定该晶向。但是，如果已知某一晶向，要得出其密勒布喇

30、菲晶向指数，却不那么容易。晶向的密勒指数容易确定，晶向的密勒布晶向的密勒指数容易确定，晶向的密勒布喇菲指数使用方便喇菲指数使用方便。所以实际工作中，先求出该晶向的密勒指数，再通过换算公式，求出密勒布喇菲指数。5656本讲稿第五十六页，共八十二页 六方晶系的晶向密勒指数UVW和密勒布喇菲指数u v t w之间的换算关系如下：U=u-t，V=v t，W=w；w=W 例题例题：1220实际上等于-2,1,1,0。这样，1220就与-2,1,1,0等价。为什么？答答：如果仅用4个指数表示六方晶系的一个方向，那自然有无数种答案，因为其中有一个指数是与其他指数相关的。但是，如果用密勒-布拉5757本讲稿第

31、五十七页，共八十二页 菲指数来表达六方晶系的方向，虽然也是4个指数，却只会有一个答案，因为多了一个公式i=-(h+k)。这样，上面问题中的1220就不是密勒-布拉菲指数，这样的指数还会有许多，都是表示同一个晶向。但是表示这个晶向的密勒-布拉菲指数只会有一个，就是-2,1,1,0。注意，即使1220不是密勒-布拉菲指数，也能利用公式从这一指数求得3个指数的晶向指数。如下所示：1220 -1,0,0。-2，1，1，0-1，0，0。5858本讲稿第五十八页，共八十二页 作业题作业题：1、计算面心立方、体心立方结构中三个重要晶面和晶向的原子密度？2、计算面心立方、体心立方、密排六方结构的原子致密度？5

32、959本讲稿第五十九页，共八十二页 2.4准晶、非晶、液晶准晶、非晶、液晶 2.4.1准晶准晶 晶格的基本性质有两个晶格的基本性质有两个：1、平移周期性、平移周期性：沿着连接两个格点的方向，平行移动整数倍该 两个格点的距离以后，得到的所有格点均能与未平移前的格点重合。2、旋转对称性、旋转对称性：经过旋转角度2/n后，仍能点阵重合时，称为n次对称性。例如，旋转360后才能重合的称之为1次对称性，旋转180后才能重合的称之为2次对称性，旋转90后才能6060本讲稿第六十页，共八十二页 重合的称之为4次对称性。可以证明，晶格中只能存在n=1、2、3、4、6次旋转对称性。从证明中可以得知，晶体材料中不

33、会出现5次，以及8次、10次等大于6次的旋转对称性。6161本讲稿第六十一页，共八十二页 然而，1984年，在急速冷却的Al-Mn合金中却发现了5次对称性的合金，后来，具有8次和10次对称性等准晶也被不断发现。现在的研究已经发现，格点的排列可以只具有旋转对称性，而不具有平移周期性。6262本讲稿第六十二页，共八十二页图图2.1 具有具有5次对称性的次对称性的2维平面点阵维平面点阵6363本讲稿第六十三页，共八十二页 为了与晶体相区别，将这种只具有旋转对称性，而不具有平移周期性的材料称为“准晶准晶”。准晶的发现，使人们对空间点阵的规律有了新的认识，但目前为止尚未找到具有令人满意的准晶材料。结论：

34、结论：有规律排列的空间点阵并不一定需要周期有规律排列的空间点阵并不一定需要周期平移性。平移性。6464本讲稿第六十四页，共八十二页 2.4.2非晶非晶 当液体冷却到熔点，开始凝结成固体时，原当液体冷却到熔点，开始凝结成固体时，原子将依靠扩散排列成不仅具有短程有序而且具有子将依靠扩散排列成不仅具有短程有序而且具有长程有序的晶体。如果冷却速度足够快，使得原长程有序的晶体。如果冷却速度足够快，使得原子来不及扩散，液体就可能不形成晶体，而凝固子来不及扩散，液体就可能不形成晶体，而凝固成玻璃态。这种玻璃态又称为成玻璃态。这种玻璃态又称为非晶非晶。6565本讲稿第六十五页，共八十二页 玻璃态实质上是一种过

35、冷液体，其结构特征玻璃态实质上是一种过冷液体，其结构特征是短程有序，长程无序是短程有序，长程无序。组成物质的原子、分子的空间排列不呈现平组成物质的原子、分子的空间排列不呈现平移周期性和旋转对称性，晶体的长程有序受到破移周期性和旋转对称性，晶体的长程有序受到破坏，只是由于原子间的相互关联作用，使其在小坏，只是由于原子间的相互关联作用，使其在小范围（范围（1020）内，仍然保持着形貌和组分的）内，仍然保持着形貌和组分的某些有序的特征，具有短程有序，并且在热力学某些有序的特征，具有短程有序，并且在热力学上呈现亚稳性。人们把这样一类特殊的物质统称上呈现亚稳性。人们把这样一类特殊的物质统称为为非晶态非晶

36、态。6666本讲稿第六十六页，共八十二页 2.4.2.1非晶的形成非晶的形成 当液体冷却到熔点当液体冷却到熔点Tm时，并不会立即凝固或时，并不会立即凝固或结晶，而是先以过冷液体的形式存在于熔点之下。结晶，而是先以过冷液体的形式存在于熔点之下。新的晶相形成，首先要经过成核阶段，即在局部新的晶相形成，首先要经过成核阶段，即在局部形成小块晶核。由于晶核尺寸很小，表面能将占形成小块晶核。由于晶核尺寸很小，表面能将占很大比例，因而将形成能量的壁垒。因此，在熔很大比例，因而将形成能量的壁垒。因此，在熔点之上，成核是不可能实现的。只有将温度下降点之上，成核是不可能实现的。只有将温度下降至熔点以下，即存在一定

37、过冷度至熔点以下，即存在一定过冷度T=TmT时，时，成核的几率才大于零。成核的几率才大于零。6767本讲稿第六十七页，共八十二页 晶核形成后，晶核的长大就主要依靠原子的晶核形成后，晶核的长大就主要依靠原子的扩散过程。因此，结晶的速率既和成核的几率有扩散过程。因此，结晶的速率既和成核的几率有关，又和长大的速率有关。前者取决于过冷度的关，又和长大的速率有关。前者取决于过冷度的大小，后者则取决于温度的高低。图大小，后者则取决于温度的高低。图33显示了显示了结晶的转变曲线，曲线的纵坐标为温度，横坐标结晶的转变曲线，曲线的纵坐标为温度，横坐标为时间的对数。可以看到，曲线的形状类似于字为时间的对数。可以看

38、到，曲线的形状类似于字母母C。6868本讲稿第六十八页，共八十二页6969本讲稿第六十九页，共八十二页 不同的材料有不同的不同的材料有不同的C曲线，但基本形状都曲线，但基本形状都是类似的。我们可以看出，如果从液相冷却下来是类似的。我们可以看出，如果从液相冷却下来的速率足够快的话，冷却曲线将不与的速率足够快的话，冷却曲线将不与C曲线的鼻曲线的鼻尖相接触，这样过冷液相就将避免结晶而形成玻尖相接触，这样过冷液相就将避免结晶而形成玻璃态。璃态。7070本讲稿第七十页，共八十二页 但对于金属或合金，情况就完全不同了。由但对于金属或合金，情况就完全不同了。由于原子的扩散速率很大，因此一般的冷却速率是于原子

39、的扩散速率很大，因此一般的冷却速率是无法形成玻璃的。无法形成玻璃的。1959年，年，P.Duwez在实验室在实验室发现了一种发现了一种泼溅淬火泼溅淬火技术，将液滴泼溅在导热率技术，将液滴泼溅在导热率极高的冷板上，使冷却速率高达极高的冷板上，使冷却速率高达106K/S，首次将，首次将Au3Si合金制成了玻璃态，开创了金属玻璃的新合金制成了玻璃态，开创了金属玻璃的新纪元。纪元。7171本讲稿第七十一页，共八十二页 后来人们又发现了后来人们又发现了熔态旋淬熔态旋淬，将熔融的合金，将熔融的合金喷注在高速旋转的冷金属圆筒上，形成金属玻璃喷注在高速旋转的冷金属圆筒上，形成金属玻璃的薄带，以的薄带，以100

40、0m/min的速率甩出，使金属玻璃的速率甩出，使金属玻璃的生产工业化。另外还发现了的生产工业化。另外还发现了激光玻璃化激光玻璃化的技术，的技术，以激光束产生快速熔化和淬火，冷却速率可高达以激光束产生快速熔化和淬火，冷却速率可高达10101012K/S，甚至可以形成玻璃态的硅，而，甚至可以形成玻璃态的硅，而通常的非晶硅则是用气相沉积的方法来制备的。通常的非晶硅则是用气相沉积的方法来制备的。7272本讲稿第七十二页，共八十二页 目前，除了少数金属元素之外，几乎所有元目前，除了少数金属元素之外，几乎所有元素和化合物都可以用熔态淬火的方法来制备玻璃素和化合物都可以用熔态淬火的方法来制备玻璃态。可以设想

41、，进一步提高冷却速率，将可能导态。可以设想，进一步提高冷却速率，将可能导致所有的物质都可以制备成玻璃态，计算机模拟致所有的物质都可以制备成玻璃态，计算机模拟淬火表明，这一设想是完全可以实现的。淬火表明，这一设想是完全可以实现的。7373本讲稿第七十三页，共八十二页 2.4.2.2非晶的用途非晶的用途 凡非晶态固体都共同遵守相同的凡非晶态固体都共同遵守相同的结构特征结构特征缺乏长程有序和亚稳定性缺乏长程有序和亚稳定性。不具有长程有序，也就是不具有晶体结构，不具有长程有序，也就是不具有晶体结构，使非晶态固体显示出特有的优异性能；具有短程使非晶态固体显示出特有的优异性能；具有短程有序的特性，使非晶态

42、固体具有许多与相同组成有序的特性，使非晶态固体具有许多与相同组成的晶态固体相似的物理、化学性质。的晶态固体相似的物理、化学性质。7474本讲稿第七十四页，共八十二页 非晶态的长程无序，使得组成它的元素种类非晶态的长程无序，使得组成它的元素种类选择可以比较广泛，其成分也可以大幅度地变化，选择可以比较广泛，其成分也可以大幅度地变化，某些不能制备的晶态材料，能以非晶态存在。例某些不能制备的晶态材料，能以非晶态存在。例如氧化硅，晶态时只能是如氧化硅，晶态时只能是SiO2。而非晶态时其成。而非晶态时其成分比可以变化。这样，通过改变材料的元素种类分比可以变化。这样，通过改变材料的元素种类或成分比，可以大幅

43、度地改变材料的物理特性，或成分比，可以大幅度地改变材料的物理特性，如密度、硬度、耐热性、电导率、磁性、折射率如密度、硬度、耐热性、电导率、磁性、折射率和禁带宽度等。和禁带宽度等。7575本讲稿第七十五页，共八十二页 2.4.3液晶液晶 晶体是各向异性的，而液体是各向同性的。晶体和液体之间存在着一些中间状态，其中之一就是液晶液晶。实际上要加上“液晶状态”。从“晶态”“液晶态”“液态”三种状态之间可以发生变化。对于出现液晶态的物质，意味着在晶体和液体之间还有一个中间状态：液晶态。这些物质当升到温度Tm 时，从结晶融解变成粘稠的混浊液体，继续升温到T1时，变成透明的流动性高的液7676本讲稿第七十六

44、页，共八十二页 体。在Tm-T1之间的状态，称为液晶状态。（又称为物质第4态，其他可能的物质状态还有等离子态等离子态，玻色子凝聚态玻色子凝聚态等）。也有些液晶物质在升温时直接从晶态融化成液态，而只在降温过程中才出现液晶态。液晶一方面具有液体的流动、粘滞、变形等性质，另一方面又具有晶体的某些特性，如光子各向异性、压电、旋光、热效应和电磁效应等。这些奇特的物理化学性质，使之应用广泛：如图像数字显示、信息转换、红外夜视、X射线、超声波、微波等。7777本讲稿第七十七页，共八十二页 热致液晶热致液晶：使某些熔融液体冷却到一定程度后，分子发生取向有序而得到的。热致液晶常用于显示器件。溶致液晶溶致液晶：将

45、有机分子溶解在溶剂中，改变其溶度，使有机分子取向有序化。溶致液晶存在于生物组织内。2.5材料结构的实验研究材料结构的实验研究 衍射法用途衍射法用途：可以显示点阵结构的主要特点，即点阵参数和结构类型，还可以显示出其它的细节，比如材料中各种原子的排列方式、缺陷的存在、晶粒的去向、亚晶粒和晶粒的尺寸、析出物的大小、密度、点阵畸变状态等。7878本讲稿第七十八页，共八十二页 电子显微镜技术是材料科学的重要手段，已成为材料科学三大支柱（电子理论、晶体缺陷理论和电子显微分析技术）电子显微镜可成功地提供微观形貌、组织和组成的重要信息，能正确地分析解释微米或纳米范围内所发生的现象，把纳米大小区域内的原子排列直

46、接显示出来。光学显微镜和电子显微镜光学显微镜和电子显微镜 人们肉眼能分辨的距离为0.1mm，从光学理论分析知道，显微镜的最佳分辨距离，即能看清物体的大小是所用照明光波波长的一半。用紫外光分辨距离可达150nm，用白光分辨距离是7979本讲稿第七十九页，共八十二页 0.2m。光学显微放大500倍，即达到分辨极限。最新研制的高分辨率光学显微镜，是将激光技术和计算机技术相结合，其分辨率比一般光学显微镜高10倍，使用时将显微样品的图像直接输入计算机，可对近0.1m大小的被测物进行三维空间的立体观测。常用的电子显微镜常用的电子显微镜（1）反射电子显微镜（）反射电子显微镜（REM）：利用反射束成像，能直接

47、观察单原子高度的表面台阶、位错、重构、堆垛层错等。8080本讲稿第八十页，共八十二页（2）透射电子显微镜（）透射电子显微镜（TEM）：现代透射电镜具有双聚光镜照明，三级放大（物镜、中间镜和投影镜）。分辨率可达0.1 0.14nm，能够在原子尺度直接观察材料的内部结构；能方便地研究材料内部的相组成和分布以及晶体中的位错、层错、晶界和空位团等缺陷。（3）扫描电镜（）扫描电镜（SEM）：可以获得放大几倍到几十万倍图像的一种大型电子光学仪器，除具有透射电子显微镜的功能外，还能够检测出自然界出现的元素如Ca、S、Fe等，即使它们的含量小于10-15也能检出和定位。8181本讲稿第八十一页，共八十二页（4）场发射电子显微镜（）场发射电子显微镜（FEM）：用它获得高温超导体的高分辨率图像，图像中心的暗带是一个晶体缺陷，只要探针的直径小于晶体中原子之间的距离，就会在原子中出现亮点。（5）扫描隧道显微镜（）扫描隧道显微镜（STM）：图像清晰度可达毫米至微米，这种显微镜可以探测核电站所有金属材料出现裂缝的前兆，可以看到影响金属力学性质的金属颗粒。其它其它：原子力显微镜（：原子力显微镜（AFM）、）、X射线显微镜射线显微镜（XRM），荧光显微镜（），荧光显微镜（FM）等等。8282本讲稿第八十二页，共八十二页