材料物理化学1.ppt

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1、材材 料料 物物 理理 化化 学学Physical Chemistry of Materials 第一章第一章 晶体结构及晶体化学基础晶体结构及晶体化学基础 第二章第二章 固体的表面与界面固体的表面与界面 第三章第三章 相平衡、相图及相变过程相平衡、相图及相变过程 第四章第四章 固相反应固相反应 第五章第五章 烧结烧结本课程参考书目：本课程参考书目：1.材料物理化学材料物理化学 张志杰张志杰 化学工业出版社化学工业出版社 20062. 无机材料物理化学无机材料物理化学 周亚栋周亚栋 武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社 19923. 无机材料物理化学无机材料物理化学 贺蕴秋贺蕴秋 王德平王德平

2、 徐振平徐振平 化学工业出版社化学工业出版社 2005本课程的考核要求：本课程的考核要求： 平时成绩平时成绩 30 % 期末成绩（考试）期末成绩（考试） 70 %本课程：本课程： 32学时，学时， 3 学分学分晶体晶体的定义的定义 晶体晶体(crystal) 晶体是由内部原子（离子、分子）周期性规则排晶体是由内部原子（离子、分子）周期性规则排列形成的固体。列形成的固体。 单晶体单晶体(single crystal)和多晶体和多晶体(polycrystal) 单晶体：原子或离子按一定的几何规律完成整个单晶体：原子或离子按一定的几何规律完成整个排列的整块晶体排列的整块晶体 如：金刚石，石英，萤石晶

3、体等如：金刚石，石英，萤石晶体等 多晶体：由许许多多单晶体微粒所形成的固体集多晶体：由许许多多单晶体微粒所形成的固体集合体。合体。 如：金属，土壤，粉末试剂等如：金属，土壤，粉末试剂等晶体结构和晶体化学基础晶体结构和晶体化学基础 单相单相(single phase)和多相和多相(multiphase) 单相是指具有相同组成和结构的固体。单相是指具有相同组成和结构的固体。 多相是指有两种或两种以上物相的集合体。多相是指有两种或两种以上物相的集合体。 非晶非晶(non-crystal)、准晶、准晶(quasi-crystal)和介晶和介晶 非晶固体是指内部原子缺乏周期性排列的固体。非晶固体是指内部

4、原子缺乏周期性排列的固体。 如玻璃、松香等。如玻璃、松香等。 准晶是内部结构介于晶体和非晶之间的一种新状态，其准晶是内部结构介于晶体和非晶之间的一种新状态，其内部结构具有长程有序，但不具有晶体结构的平移周期内部结构具有长程有序，但不具有晶体结构的平移周期性。性。 1984年年Shechtman等首次在急冷等首次在急冷Al-Mn合金中发现二十合金中发现二十面体相，我国的郭可信等也在急冷面体相，我国的郭可信等也在急冷(Ti1-xVx)2Ni合金中发合金中发现二十面体相。它们的电子衍射图具有五次对称轴的衍现二十面体相。它们的电子衍射图具有五次对称轴的衍射花样。射花样。介晶是纳米晶体的取向超结构，是从

5、非球形结晶的建筑单元形介晶是纳米晶体的取向超结构，是从非球形结晶的建筑单元形 成的新型胶体晶。成的新型胶体晶。Clfen, H等人等人2005年提出介晶的概念年提出介晶的概念Reference:Clfen, H.; Antonietti, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 5576.晶体和非晶的电子衍射图比较晶体和非晶的电子衍射图比较单晶单晶多晶多晶非晶非晶单晶单晶准晶准晶晶体和准晶的电子衍射图比较晶体和准晶的电子衍射图比较Left: SEM-image of a calcite aggregate grown in a polyacrylamide ge

6、l with characteristic pseudooctahedral morphology. Middle: TEM image of the microstructure of one such aggregate grown in polyacrylamide and showing the alignment of individual crystallites. (inset: an electron diffraction pattern of an individual calcite crystal). right: Single-crystal-like diffrac

7、tion pattern of the calcite aggregate.介晶的扫描、透射显微像及电子衍射花样介晶的扫描、透射显微像及电子衍射花样diamondquartzfluorite返回zircon晶体的基本性质晶体的基本性质自范性（自限性）自范性（自限性） 晶体具有自发地形成封闭的几何多面体外形的能力晶体具有自发地形成封闭的几何多面体外形的能力 的性质。的性质。各向异性各向异性 晶体的几何度量和物理效应随方向不同而表现出量晶体的几何度量和物理效应随方向不同而表现出量上的差异，这种性质称为各向异性。同一晶体在不同上的差异，这种性质称为各向异性。同一晶体在不同方向上所测得的性质表现方向上

8、所测得的性质表现, ,如霞石的热传导在底面为各如霞石的热传导在底面为各向同性，在柱面上为各向异性。六方柱形石墨的底面向同性，在柱面上为各向异性。六方柱形石墨的底面与柱面的电导率差异。与柱面的电导率差异。均一性（均匀性）均一性（均匀性） 同一晶体的任何一个部分都具有相同的物理和化学性同一晶体的任何一个部分都具有相同的物理和化学性质的特性。质的特性。球形明矾在饱和溶液中的生长球形明矾在饱和溶液中的生长晶体的自范性晶体的自范性对称性对称性 晶体中的相同部分在不同方向上或不同位置上可以晶体中的相同部分在不同方向上或不同位置上可以有规律地重复出现这些相同部分可以是晶面、晶棱有规律地重复出现这些相同部分可

9、以是晶面、晶棱或者角顶或者角顶稳定性稳定性在相同的热力学条件下，具有相同化学组成的晶体在相同的热力学条件下，具有相同化学组成的晶体相比较气相、液相、非晶态具有最小的内能相比较气相、液相、非晶态具有最小的内能空间点阵空间点阵一、空间点阵的概念一、空间点阵的概念 晶体是三维空间上原子具有周期性晶体是三维空间上原子具有周期性排列的固体，晶体的性质（自范性、排列的固体，晶体的性质（自范性、均匀性、各向异性等）都是晶体周期均匀性、各向异性等）都是晶体周期性的表现。研究晶体结构必须对其周性的表现。研究晶体结构必须对其周期性进行抽象概括。期性进行抽象概括。定义：等同点定义：等同点 具有相同物质组成和几何环境

10、具有相同物质组成和几何环境的质点。的质点。 点阵点阵 空间中几何环境相同的点形成的空间中几何环境相同的点形成的无限阵列。无限阵列。 石墨结构平面层石墨结构平面层石墨的晶体结构石墨的晶体结构等同点系一等同点系一等同点系二等同点系二平面点阵平面点阵C1坐标：(0,0,0), (1/2,1/2,0), (1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2) C2坐标：(3/4,3/4,3/4), (1/4,1/4,3/4), (1/4,3/4,1/4), (3/4,1/4,1/4)C2 坐标 = C1 坐标 + (3/4,3/4,3/4)返回或 (3/4,3/4,3/4), (5/4,5/4,3/4),

11、(5/4,3/4,5/4), (3/4,5/4,5/4)金刚石结构中的等同点系金刚石结构中的等同点系金刚石的空间点阵金刚石的空间点阵同一晶体中各套等同点系的重复规律是相同的同一晶体中各套等同点系的重复规律是相同的, ,抽出任一套等同抽出任一套等同点系点系, ,都可代表该晶体中各套质点的重复规律都可代表该晶体中各套质点的重复规律. .Cl: (0,0,0), (1/2,1/2,0) (1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2)Na: (1/2,0,0), (0,1/2,0) (0,0,1/2), (1/2,1/2,1/2)坐标（Na）=坐标（Cl）+（1/2,0,0） 晶体的空间点阵理论的提

12、出基于一个假设，即晶体是晶体的空间点阵理论的提出基于一个假设，即晶体是无限大的。由于实际晶体的大小远超出晶体结构的重复周无限大的。由于实际晶体的大小远超出晶体结构的重复周期，可以认为晶体构造是在三维空间无限伸展。期，可以认为晶体构造是在三维空间无限伸展。 具有不同结构的晶体可以有相同的空间点阵（空间格具有不同结构的晶体可以有相同的空间点阵（空间格子），如子），如NaClNaCl和金刚石。由同种物质构成的晶体可以有和金刚石。由同种物质构成的晶体可以有不同的空间点阵，如金刚石和石墨。不同的空间点阵，如金刚石和石墨。 判断一组点是否为点阵，最简单有效的方法是连接其判断一组点是否为点阵，最简单有效的方

13、法是连接其中任意两点的矢量进行平移，只有能够复原才为点阵。中任意两点的矢量进行平移，只有能够复原才为点阵。二、点阵和点阵格子二、点阵和点阵格子 点阵点阵 直线点阵直线点阵 平面点阵平面点阵 空间点阵空间点阵 点阵格子点阵格子 简单（简单（P，Primitive or Simple）格子）格子 体心（体心（I，Body Centered ）格子）格子 面心（面心（F，Face Centered）格子）格子 底心（底心（C，C Centered）格子）格子 直线点阵直线点阵阵点的位置矢量（lattice vector)为：R = ma 平面点阵平面点阵 位置矢量：R = ma + nb 点阵参数(

14、lattice parameter)：a, b, 空间点阵空间点阵 R = ma + nb + pc 点阵参数：a, b, c , , 平面点阵格子的取法平面点阵格子的取法正当平面格子的标准正当平面格子的标准: : 平行四边形平行四边形, ,对称性尽可能高对称性尽可能高, ,含点阵点尽可含点阵点尽可能少能少. 4. 4形状形状,5 ,5型式型式( (矩形带心不带心两种矩形带心不带心两种). ).P 阵点数：8 1/8=1I 阵点数：8 1/8 + 1 = 2F 阵点数: 8 1/8 + 6 1/2 = 4 C 阵点数: 8 1/8 + 2 1/2 = 2(0,0,0)(0,0,0)(1/2,1

15、/2,1/2)(0,0,0)(1/2,1/2,0)(1/2,0,1/2)(0,1/2,1/2)(0,0,0)(1/2,1/2,0)空间格子所含阵点数目空间格子所含阵点数目三、空间点阵与晶体结构三、空间点阵与晶体结构晶体结构 = 点阵 + 结构基元 晶胞 = 点阵格子 + 结构基元一维周期排列的伸展聚乙烯结构及其点阵一维周期排列的伸展聚乙烯结构及其点阵存在被周期重复的最小单位结构基元抽象为点阵点，点阵点放在何位置是任意的，但标准要一致结构基元抽象为点阵点，点阵点放在何位置是任意的，但标准要一致石墨的平面结构层石墨的平面结构层石墨的平面点阵石墨的平面点阵I (0,0), (2/3,1/3)II (

16、0,0), (1/3,2/3)III (1/6,1/3), (5/6,2/3)结构基元为两个碳原子。结构基元为两个碳原子。结构基元中碳原子的坐标：结构基元中碳原子的坐标：NaCl的晶体结构中，结构基元的晶体结构中，结构基元为为Na+和和Cl-。Na: (0,0,0), (1/2,1/2,0) (1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2)Cl: (1/2,0,0), (0,1/2,0) (0,0,1/2), (1/2,1/2,1/2)面心格子阵点坐标：面心格子阵点坐标：(0,0,0), (1/2,1/2,0), (1/2,0,1/2),(0,1/2,1/2)结构基元的离子坐标：结构基元的离子坐标：Na (0,0,0), Cl (1/2,0,0)。晶胞中离子坐标为结构基元的离晶胞中离子坐标为结构基元的离子坐标按面心格子平移得到。子坐标按面心格子平移得到。1. 1. 化学上的最小单元不一定是结构基元。化学上的最小单元不一定是结构基元。 各个结构各个结构基元相互之间不仅化学组成必须相同基元相互之间不仅化学组成必须相同, , 而且空间结而且空间结构、排列取向、周围环境也必须相同构、排列取向、