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材料科學(xué)基礎(chǔ)-第1章(已修改)

2025-01-30 18:59 本頁面
 

【正文】 1 圖 19 材料的原子排列 (a) 無序排列 (b, c) 短程有序 (d) 長程有序 (a) Inert monoatomic gases have no regular ordering of atoms: (b,c) Some materials, including water vapor, nitrogen gas, amorphous silicon and silicate glass have shortrange order. (d) Metals, alloys, many ceramics and some polymers have regular ordering of atoms/ions that extends through the material. Section 原子和離子排列 2 在物質(zhì)的不同狀態(tài)中,有四種原子或離子的排列方式 ? 在單原子氣體中,原子或離子是無序排列的。例如氬氣( Ar)或者熒光燈中產(chǎn)生的等離子體。 ( SRO) (shortrang order) ? 短程有序 :在原子最近鄰的范圍內(nèi)出現(xiàn)的特定的排列。由于氫氧原子間的共價鍵,蒸汽中每個水分子都是短程有序排列,即每個氧原子和兩個氫原子連接,形成176。 的鍵角。然而,蒸汽中水分子相互之間并沒有特定的排列。 Section 原子和離子排列 3 ? 無機玻璃材料也具有這樣的短程有序結(jié)構(gòu)。在二氧化硅中,每個硅離子周圍有 4個氧離子結(jié)合組成 四面體結(jié)構(gòu) 。玻璃中的四面體單胞以任意方式連接。這些四面體共用頂點、棱邊和面。因此,除了 四面體的基本單元,不存在周期性排列。而在石英和其它二氧化硅晶體中, 四面體是按周期性排列的。 Section 原子和離子排列 圖 110 硅酸鹽玻璃中的 SiO四面體 4 圖 111 聚乙烯中的 CH鍵的四面體 . ?許多高分子材料也顯示了和硅酸鹽玻璃近似的短程有序排列。聚乙烯由碳原子鏈組成,碳原子鏈?zhǔn)嵌€氫原子和一個碳原子連接構(gòu)成。因為碳原子是 4價的,所以,碳原子和氫原子以共價鍵方式結(jié)合,這樣又可以構(gòu)成一個四面體結(jié)構(gòu)(圖 111)。聚乙烯高分子鏈就是四面體晶胞以任意方式連接形成。 5 3.長程有序 (longrang order, LRO) ? 大多數(shù)金屬和合金,半導(dǎo)體,陶瓷,和某些高分子材料為晶體結(jié)構(gòu)。它們的原子或離子都呈現(xiàn)長程有序的排列,即在~ 100nm的長度范圍內(nèi)原子呈現(xiàn)特定的排列。 ? 這些材料中的原子或離子在三維空間形成有規(guī)則的、重復(fù)的格子狀的排列。我們把這些材料稱為 晶體材料 。 ? 如果一個晶體材料僅由一個大的晶體組成,稱其為 單晶材料 (single crystalline material)。單晶材料在許多電子和光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如,計算機芯片是由一塊大尺寸(可以大到直徑 300mm)的單晶硅制造的。 ? 許多有用的電子-光學(xué)器件是由鈮酸鋰( LiNbO3)單晶制造的??梢园褑尉ё龀杀∧び糜诤芏嚯娮雍推渌矫?。有些渦輪葉片也可以用鎳基超合金單晶來制作。 Section 原子和離子排列 6 Figure (a) Photograph of a silicon single crystal. (b) Micrograph of a polycrystalline stainless steel showing grains and grain boundaries 多晶體 (polycrystalline material)是由很多空間位向不同的小的晶體組成。這些小的晶體就是晶粒 (grains)。晶粒的邊界,晶體排列不規(guī)則,被稱為晶界 (grains boundaries)。單晶材料的性能取決于化學(xué)成分和晶體的特定取向(稱為晶體學(xué)方向)。晶體材料中的長程有序可以用 X射線 (xray diffraction)或電子衍射 (electron diffraction)技術(shù)來研究。 7 Figure Liquid crystal display. These materials are amorphous in one state and undergo localized crystallization in response to an external electric field and are widely used in liquid crystal displays. 液晶 ( liquid crystalsLCs)是一種有著特定排列的高分子材料。液晶高分子材料就像一種液體狀的非晶態(tài)材料。然而當(dāng)外界的電場或者溫度變化時,這些高分子材料中的分子就會在小范圍內(nèi)排列成晶體,因此命名為液晶。這些材料在液晶顯示技術(shù)方面具有許多商業(yè)應(yīng)用價值。 8 Figure Classification of materials based on the type of atomic order. 9 ? 代表晶體中原子、原子團(tuán)或分子分布規(guī)律(周期性)的幾何點的集合稱為 空間點陣 。其中的幾何點一般叫做 結(jié)點(或陣點 lattice) 。每個結(jié)點周圍的環(huán)境都是相同的。 ? 用假想的直線將這些結(jié)點連接起來,所構(gòu)成的幾何框架稱為 晶格 。晶格的最小重復(fù)單元(平行六面體)稱為 晶胞( unit cell) 。 ? 選取晶胞時,應(yīng)滿足:①要能充分反映整個空間點陣的對稱性;②在滿足①的基礎(chǔ)上,晶胞要具有盡可能多的直角;③在滿足①、②的基礎(chǔ)上,所選取的晶胞體積要最小。 ? 每個簡單晶胞中只含有一個陣點。 ? 復(fù)合晶胞除在平行六面體的八個角頂上有陣點外,在其體心、面心或底心等位置上也有陣點,因此每個復(fù)合晶胞中含有一個以上的陣點。 點陣、晶胞和晶體結(jié)構(gòu) 10 a c b α β γ a c b α β γ 圖 112 晶格、晶胞和晶格常數(shù) ? 晶胞的形狀和大小由三個棱邊的長度 a,b,c及其夾角 α,β,γ這六個參數(shù)完全表達(dá)出來。 ? 每個晶格的三條棱長也叫做 晶格(點陣)常數(shù)( lattices parameters) 。棱邊長度的單位通常用納米( nm)或者埃( )。 A?1 納米( nm) =109m=107cm=10 1埃( ) ==1010m=108cm A?A? 點陣、晶胞和晶體結(jié)構(gòu) 11 晶系和布拉菲點陣 ?晶體分成七種類型或稱七個晶系。 12 圖 1 13 14種布拉菲點陣的晶胞 ? 根據(jù)“每個陣點的周圍環(huán)境相同”的要求,用數(shù)學(xué)分析法證明晶體中的空間點陣只有14種。 ? 布拉菲點陣的結(jié)點反映的是晶體中原子或原子集團(tuán)的分布規(guī)律,結(jié)點本身并不一定代表原子,即點陣和晶體結(jié)構(gòu)并不一定相同。 13 Figure Definition of the lattice parameters and their use in cubic, orthorhombic, and hexagonal crystal systems. 14 Figure (a)Illustration showing sharing of face and corner atoms. (b)(b) The models for simple cubic (SC), body centered cubic (BCC), and facecentered cubic (FCC) unit cells, assuming only one atom per lattice point. 15 Section 純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 典型金屬的晶體結(jié)構(gòu) 圖 114 面心立方晶胞 ( a)剛球模型( b)結(jié)點模型 c)晶胞原子數(shù)模型 ( FCCFace centered cubic)和體心立方結(jié)構(gòu)(BCCBody centered cubic) 面心立方晶胞的原子位于八個頂點和六個表面的中心位置。晶格常數(shù)用 a表示。典型的金屬有 γFe、銅( Cu)、鋁( Al)、鎳( Ni)、金( Au)、銀( Ag)等。 16 典型金屬的晶體結(jié)構(gòu) 圖 115 體心立方晶胞
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