【正文】 （11）晶面。另一方面，四方晶體結(jié)構(gòu)中{100}晶面族只包括（100），（10），（010）和（00），因為（001）和（00）晶面晶體學(xué)上并不等價。而且，只有在立方晶系中，同一晶面族的晶面具有相同的指數(shù)，只是指數(shù)的次序和符號有所不同，例如（13）與（32）同屬于{123}晶面族。六方晶體對于六方對稱的晶體，正如晶向那樣，相同的晶面具有相同的指數(shù)，－布拉維指數(shù)表示的。 原子線密度和原子面密度在原子線密度的定義為：在晶體重復(fù)距離的一定方向上原子所占距離與該方向距離之比。原子面密度的定義為：單位晶胞晶體中穿過原子的任一平面，原子所占面積與該平面面積之比。在金屬的塑性變形機理滑移（）我們將看到，線密度和面密度是非常重要的?；瓢l(fā)生在原子面密度最大和原子線密度最高的方向。 密堆積晶體結(jié)構(gòu)金屬 從前面（）對金屬晶體材料的討論我們還記得，這是等直徑的球體或原子的最有效、最密集的一種填充形式。除了前面介紹的單位晶胞結(jié)構(gòu)的描述以外，這兩類晶體結(jié)構(gòu)還可以按照原子的密堆積面描述，(即平面具有最大的原子或球填充密度)；。這兩種晶體結(jié)構(gòu)都可以通過這些密堆積的一個平面放在另一個平面的上方而產(chǎn)生；這兩種結(jié)構(gòu)的差異只是在于堆積的次序不同。 讓我們把在一個密堆積面上的所有原子的中心標(biāo)記為A。在這個平面上有兩組等價的由三個相鄰的原子形成的三角低洼處，下一個密堆積平面上的原子可能進入該三角低洼處。那些在A原子頂點的三角低洼處的位置定義為B，而其余的在A原子下方三角低洼處位置定義為C。()。 第二個密堆積平面可以把原子中心放在B或者C的位置，兩者均是等價的。假定填充的是B位，填充次序就是AB。FCC和HCP的真正區(qū)別在于第三密堆集層原子的位置。對于HCP，這一層的原子中心直接與第一層A位置有關(guān)，填充次序為ABABAB，不斷的重復(fù)。當(dāng)然，相應(yīng)的ACACAC排列也是等價的。這些HCP中的密堆積面是(0001)晶面。 對于面心立方晶體結(jié)構(gòu)，第三個平面的原子中心位于第一層平面的C位置()。這就產(chǎn)生了ABCABCABC的填充次序：也就是說，每間隔三個平面原子排列重復(fù)一次。密排平面的堆積與FCC單位晶胞發(fā)生聯(lián)系似乎更困難。可是，；這些平面是(111)型的。在第8章要說明FCC和HCP密堆積平面的重要性。陶瓷 許多陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)也可以按照離子（金屬中是原子）的密堆積面以及單位晶胞來認識。通常密堆積平面由大的陰離子組成。當(dāng)這些陰離子組成的平面相互堆垛在一起的時候，會留下一些較小的間隙位置，而陽離子就位于這些間隙中。 這些間隙位置以兩種不同形式存在。四個原子（其中三個原子在一個平面上，另一個在相鄰的平面上）圍在一起構(gòu)成一種類型，圖中以字母T表示；這種間隙叫做四面體間隙位置，因為從每個球的中心畫一條直線就構(gòu)成一個四面體。另一種間隙位置類型，由6個球構(gòu)成，每兩個相鄰平面各有3個球。因為從每個球的中心畫一條直線就構(gòu)成一個八面體，這種間隙叫做八面體間隙位置。因此、陽離子填充在四面體和八面體中的配位數(shù)分別為4和6。而且、對于每個陰離子，可能存在一個八面體間隙和兩個四面體間隙。 這種類型的陶瓷晶體結(jié)構(gòu)取決于兩個因素：（1）密堆積陰離子平面的堆積次序（面心立方和密排六方兩種排列都是可能的，堆積次序分別是ABCABC和ABABAB。（2）間隙位置備陽離子填充的方式。例如，上面介紹的巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)，單位晶胞具有立方對稱性，每個陽離子（鈉離子）有6個最相鄰的氯陰離子。即鈉離子位于立方晶胞的體心，它的6個最相鄰的氯離子位于立方體的6個面心位置。這種具有立方對稱的晶體結(jié)構(gòu)可以按照密堆積的陰離子平面形成，所有平面屬于{111}晶面族。陽離子位于八面體間隙位置因為它們有最相鄰的6個陰離子。而且，所有八面體位置都被陽離子填充滿，因為每個陰離子只有1個八面體間隙，陰陽離子比為1:1。 此外、并非所有的陶瓷晶體結(jié)構(gòu)可以按照相同的方式進行處理，包括硫化鋅和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。尖晶石結(jié)構(gòu)屬于AmBnXp型，發(fā)現(xiàn)存在于鎂鋁酸鹽即尖晶石（MgAl2O4）。在這種結(jié)構(gòu)里，氧離子形成面心立方晶格，鎂離子填充四面體間隙、鋁離子位于八面體間隙。陶瓷磁性材料，即鐵氧體材料就具有類似于尖晶石的晶體結(jié)構(gòu)，它們的磁性質(zhì)受到四面體和八面體間隙位置填充程度的影響（）。晶體和非晶體材料 單晶 晶體材料中的原子周期性重復(fù)排列有序，且遍布整個晶體而無中斷，這樣的材料就是單晶。單晶中所有的單位晶胞以相同的方向和同樣的方式以互鎖形式排列。單晶存在于自然界，也可以人工生產(chǎn)。由于單晶難于生長，必須嚴格控制其生成條件。 如果沒有任何外來限制，單晶就會長成它的極端情況，即具有規(guī)則的平的外表面幾何形狀，就像一些寶石，它的形狀是晶體結(jié)構(gòu)的反映。近年來，單晶對我們的許多現(xiàn)代技術(shù)起了極其重要的作用，尤其是微電子行業(yè)廣泛采用單晶硅和其他半導(dǎo)體單晶材料。 多晶材料大多數(shù)晶體固體是由許多小的晶體或顆粒構(gòu)成的，這種材料叫做多晶體。首先在幾個不同位置形成小的晶體或晶核。圖中這些小晶粒具有四方形狀，在空間隨機取向。然后這些小晶粒在來自外部液體的原子補充下不斷生長長大。最后相鄰的晶粒生長靠在一起的時候，固化過程就接近完成。，每個晶粒的晶體學(xué)取向不同。在兩個顆粒相鄰的區(qū)域存在某些原子的錯排，這樣的區(qū)域叫做晶界。 各向異性 某些單晶體的物理性質(zhì)取決于測量時選取的晶體學(xué)方向。例如，彈性模量、電導(dǎo)性和光的折射率在[100]和[111]方向是不同的。這種與方向有關(guān)的性質(zhì)叫做各向異性，它與原子或離子在不同晶向上的不同排列有關(guān)。物質(zhì)的性質(zhì)與測量方向無關(guān)的性質(zhì)叫做各向同性。晶體材料中各向異性的大小和程度是晶體結(jié)構(gòu)對稱性的函數(shù)；各向異性隨晶體對稱性的降低而增加――三斜晶系通常具有較高的各向異性。幾種材料在[100]，[110]和[111] 所示。 對于大多數(shù)多晶材料單個晶粒組成的多晶材料總的晶體學(xué)取向是隨機的。在這種情況下，雖然每個晶粒是各向異性的，但是由多個晶粒組成的樣品行為卻是各向同性的。而且所測性質(zhì)值的大小是各個方向的平均值。有時，多晶材料在某個方向出現(xiàn)擇優(yōu)取向的情況，具有這種現(xiàn)象的材料叫做“組織”。 x射線衍射：晶體結(jié)構(gòu)的測定x射線衍射是用于晶體結(jié)構(gòu)測定的最常規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的方法。一束x射線投射到晶體表面時，按照布拉格定律，當(dāng)與一系列平行的原子面作用時就會發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射圖譜與晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)有關(guān)，不同的晶體有不同的衍射圖譜，人們可以利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的衍射圖譜對未知物進行定性分析。目前這些過程是通過計算機完成的。 非晶態(tài)固體 非晶態(tài)材料是在較長距離范圍原子的排列沒有周期性和對稱性的一類物資。有時這種材料也叫無定型材料（字面上的意義是沒有一定形態(tài)），或過冷液體，因為它們的原子結(jié)構(gòu)與液體類似。 無定型條件可以通過比較陶瓷化合物二氧化硅的晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)進行說明，這兩種狀態(tài)自然界均存在。，其中硅氧四面體是基本結(jié)構(gòu)單元（）。盡管兩種結(jié)構(gòu)的二氧化硅中的每個硅離子都是與四個氧離子鍵合，但非晶態(tài)二氧化硅的結(jié)構(gòu)更加無序沒有規(guī)律。 晶態(tài)或非晶態(tài)的固體形式取決于固化時液體中的原子的定位排列。非晶態(tài)材料的原子或分子結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，有序化相對較困難。而且、液體通過凝固點的迅速冷凝有利于形成非晶材料，因為有序化時間太短。 金屬通常都是晶體，但是有些陶瓷材料是晶體，而有些（如二氧化硅玻璃）則是非晶體。聚合物可以是完全的非晶體，也可是具有一定結(jié)晶程度的半晶體。在后面的章節(jié)中還要詳細討論這些非晶體材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。二氧化硅玻璃 以非晶態(tài)形式存在的二氧化硅（即SiO2）叫做熔融二氧化硅，或玻璃質(zhì)二氧化硅。其它的氧化物（如B2O3和GeO2）也可以形成玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)（和多面體氧化物結(jié)構(gòu)（））；這些材料以及二氧化硅都是網(wǎng)狀形的。 用于制作容器、玻璃窗等的無機玻璃是二氧化硅玻璃中加入了其它一些氧化物例如氧化鈣和氧化鈉。這些氧化物不會形成多面體網(wǎng)絡(luò)。相反，它們的陽離子會調(diào)變硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，正因為此，這些氧化物添加劑叫做網(wǎng)絡(luò)調(diào)整劑。例如、。然而其它氧化物如氧化鈦和氧化鋁也不形成網(wǎng)絡(luò)，具有部分取代硅穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的作用，這些叫做媒介體。從實際應(yīng)用效果看，加入調(diào)整劑和媒介體降低了玻璃的熔點和粘度，有利于玻璃的低溫成型（）。本章總結(jié) 晶態(tài)固體中的原子是有序、周期性的重復(fù)排列的一種結(jié)構(gòu)，而非晶和無定型材料原子排布是隨機和無序的。對于晶體物質(zhì)，可以用實心小球來代表原子，晶體結(jié)構(gòu)就是這些實心小球的空間排列。各種晶體結(jié)構(gòu)可以按照不同的平行六面體單位晶胞進行分類，該單位晶胞幾何形狀不同，原子所處位置也不同。 最普通的金屬至少以三種最簡單的晶體結(jié)構(gòu)中的一種出現(xiàn)，這三種最簡單的結(jié)構(gòu)是：面心、體心立方和密排六方。晶體結(jié)構(gòu)的兩個重要特征是配位數(shù)(最近鄰原子數(shù))和致密度(單位晶胞中原子所占體積分數(shù))。面心立方和密排六方的配位數(shù)和致密度是相同的。 陶瓷材料可能存在晶態(tài)和非晶態(tài)兩種結(jié)構(gòu)。這些材料中原子鍵的形式主要是離子鍵，離子鍵大小程度可用每種離子的電荷和離子半徑大小確定。按照單位晶胞討論了幾種較簡單的陶瓷晶體結(jié)構(gòu)（巖鹽型、氯化銫、硫化鋅、立方金剛石、石墨、螢石、鈣鈦礦和尖晶石結(jié)構(gòu)）。 金屬和晶體陶瓷材料的理論密度可以根據(jù)單位晶胞和原子量數(shù)據(jù)計算。 面心立方和密排六方晶體這兩種結(jié)構(gòu)可以通過原子密堆積面而產(chǎn)生。對某些陶瓷晶體結(jié)構(gòu)，陽離子填充在由相鄰密排陰離子面堆積構(gòu)成的間隙中。 對于硅酸鹽，用相互聯(lián)結(jié)的硅氧四面體來描述結(jié)構(gòu)更為方便。當(dāng)加入其它陽離子（如鈣、鎂、鋁）和陰離子（如氫氧根）可以產(chǎn)生相對較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。討論了二氧化硅、二氧化硅玻璃、{幾種簡單的和層狀硅酸鹽}的結(jié)構(gòu)。 也討論了各種形式的碳，如金剛石、石墨、{巴基球}。 晶面和晶向可以用指數(shù)來描述。對于指定的晶體結(jié)構(gòu)，每一個晶面或晶向指數(shù)由單位晶胞定義的坐標(biāo)軸決定。晶向指數(shù)按照在每一座標(biāo)軸上的矢量值計算得到，而晶面指數(shù)要從在每個坐標(biāo)軸上截柜的倒數(shù)計算得到。對于密排六方晶體用四個指數(shù)來表示晶向和晶面是更為方便的。 {等價的晶向和晶面分別與原子線密度和面密度有關(guān)。}在晶面—上原子填充密度(面密度)取決于晶面指數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)。對于指定的晶體結(jié)構(gòu)，具有相同面密度但是晶面指數(shù)不同的一類晶面屬于相同的晶面族。 單晶體是在整個晶體中原子排列次序未受到破壞，在某些情況下具有平的表面和規(guī)則的幾何形狀。最大量的晶體存在形式是多晶體固體，它們是由許多小的位相不同的晶體或晶粒成的。 在這一章介紹的其它一些概念是：晶系（按照單位晶胞的幾何形狀對晶體結(jié)構(gòu)的分類）；類質(zhì)異象（或同素異形）（一種材料具有一種以上的晶型）；各向異性（晶體性質(zhì)與方向有關(guān)）。 {X—射線衍射用于晶體結(jié)構(gòu)和晶面間的空間測量。一束x射線照射在晶體材料上可以導(dǎo)致衍射現(xiàn)象(結(jié)構(gòu)干涉)，按照布拉格定律是由于一系列平行的原子面相互作用的結(jié)果。原子面之間的距離是密勒指數(shù)、晶格常數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)的函數(shù)。第4章 聚合物的結(jié)構(gòu)為什么學(xué)習(xí)聚合物的結(jié)構(gòu)相對大量的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性影響聚合物材料的性質(zhì)和行為。其中一些影響如下：1. 半結(jié)晶聚合物的結(jié)晶度對密度、力學(xué)強度和延展性的影響（）。2. 交聯(lián)度對橡膠類材料的剛度的影響。學(xué)習(xí)重點：仔細學(xué)過這一章后，你應(yīng)當(dāng)掌握以下內(nèi)容：1. 根據(jù)聚合物的鏈結(jié)構(gòu)描述典型的聚合物分子，并且知道如何從基元的重復(fù)構(gòu)成聚合物分子。2. 畫出聚乙烯、聚氯乙稀、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚酯分子的單體結(jié)構(gòu)。3. 計算數(shù)均分子量和質(zhì)均分子量，已知某聚合物的數(shù)均和質(zhì)均聚合度。4. 命名和簡要描述：（a） 四種基本類型的聚合物分子結(jié)構(gòu)；（b） 三種類型的立體異構(gòu)；（c） 兩種類型的幾何異構(gòu)；（d） 四種類型的共聚物。5. 說明熱塑性和熱固性聚合物的分子結(jié)構(gòu)和性能上的差異。6. 簡要描述聚合物中的結(jié)晶態(tài)。7. 簡要描述/畫出半結(jié)晶聚合物的球狀結(jié)晶。天然產(chǎn)的聚合物——那些從植物和動物身上提取的物質(zhì)，已經(jīng)被人類使用了許多個世紀；這些材料包括木材、橡膠、棉花、羊毛、皮革和絲綢。其它天然聚合物如蛋白質(zhì)、酶、淀粉和纖維素在植物和動物的生物學(xué)和生理學(xué)上是很重要的。現(xiàn)代科學(xué)研究手段已經(jīng)能夠測定這類材料的分子結(jié)構(gòu)、以及從小的有機分子合成和開發(fā)出許多新的聚合物材料。我們現(xiàn)在使用的許多塑料、橡膠和纖維是人工合成的聚合物材料。事實上，從二戰(zhàn)結(jié)束以來，由于人工合成聚合物的出現(xiàn)，材料世界發(fā)生了革命性的變化。這些合成材料生產(chǎn)成本低，性能優(yōu)于它們的天然同類產(chǎn)品。在一些過去使用金屬和木材的場合，現(xiàn)在已經(jīng)被性能更好更便宜的塑料所取代。正如金屬和陶瓷材料，聚合物的性質(zhì)與材料的結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)。本章將探討聚合物材料的分子和晶體結(jié)構(gòu)；第8章將討論聚合物結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系。因為大多數(shù)聚合物是有機物，這里我們簡要敘述有關(guān)它們的分子結(jié)構(gòu)的一些基本概念。首先，許多有機材料是碳氫化合物，即它們是由碳和氫元素構(gòu)成的。其次高分子材料分子內(nèi)的鍵是共價鍵。每個碳原子有四個電子，每個氫原子有一個電子參與成鍵。，若每兩個成鍵的原子共用電子對，就會形成一個共價鍵。兩個碳原子若分別共用兩對或三對電子就會形成雙鍵和三鍵。例如乙烯是兩個碳原子通過雙鍵連接在一起，化學(xué)式為C2H4，結(jié)構(gòu)式如下： 這里單、雙鍵都分別是共價鍵。三鍵的例子是乙炔C2H2。 具有雙鍵和三鍵的分子被稱作不飽和分子，即每個碳原子與其它原子未形成最大數(shù)量的鍵（即四個鍵）。對于未飽和分子雙鍵被認為是由兩個單鍵構(gòu)成的。通過單鍵上的碳原子之一的位置變換允許其它原子和原子團加成在原來的分子上。當(dāng)然，在飽和碳氫鍵上，所有鍵是飽和單鍵，如果不去掉其中任意一個原子就不可能加入新的原子。具有同樣化學(xué)成分的碳氫化合物可以有不同的原子排列，這種現(xiàn)象叫做同分異形。例如，丁烷有兩種異構(gòu)體，一種是正丁烷，結(jié)構(gòu)式為： 一種是異丁烷，結(jié)構(gòu)式如下所示。 碳氫化合物的一些物理性質(zhì)取決于異構(gòu)體的