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1、1.1 晶体结构晶体结构1.2 晶体结合晶体结合 授课教师：张红授课教师：张红 建筑材料工程系建筑材料工程系 第一章 无机材料物理基础回顾上节课内容：原子结构及排列、相结构、显微结构等气氛、温度，载荷、电场、磁场、化学介质等力学性能、物理性能外界条件外界条件结构结构性能性能材料的结构是指材料的材料的结构是指材料的原子、分子在不同层次原子、分子在不同层次上彼此结合的形式。上彼此结合的形式。材料性材料性能在特能在特定的条定的条件下，件下，材料受材料受到某种到某种作用时作用时其状态其状态所发生所发生变化的变化的表征参表征参量。量。n无机材料的性能：主要是由物质的结构和显微结构因素决定和影响的。n物质
2、结构由化学键的性质、电子结构和晶体的结构所决定。不同的结构决定材料具有不同的特性。不同的结构决定材料具有不同的特性。本章 小节内容1 晶体结构晶体结构（晶胞、（晶胞、空间空间点阵、点阵、晶格、晶格、晶系、常见晶晶系、常见晶体结构、晶面体结构、晶面与晶向）与晶向）2晶体的结合晶体的结合（晶体结合力、（晶体结合力、结合能、结合能、晶体晶体结合的类型结合的类型）第第1 1节节 晶体结构晶体结构一一、晶晶体体的的微微观观结结构构 材料内部质点在三维空间的排列特点：材料内部质点在三维空间的排列特点：晶体晶体与非晶体。与非晶体。1.晶体（晶体（crystal）：）：内部内部粒子粒子(原子、离子或分子原子、
3、离子或分子)在三维空间呈在三维空间呈周期性的规则重复排列的固体周期性的规则重复排列的固体。(一一 ）晶）晶体与体与非晶非晶体体特点：特点：2.非晶体（非晶体（non-crystal）粒子粒子(原子、离子或分子原子、离子或分子)无规则的堆积。无规则的堆积。晶体与非晶体的区别：晶体与非晶体的区别：是否具有结晶结构，原子排列的规则性 有无无固定的外表形态 有无无固定的熔点 能不能用X射线法测定其内部结构 各方向上的物理性质是否晶体晶体SiO2和非晶和非晶体体SiO2的示意的示意图图J液晶：有机高聚物，性质介于晶体与非晶体之间。蓝色球组成的为该晶体的晶胞蓝色球组成的为该晶体的晶胞Cl-Cl-Na+Cl
4、-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+（二）（二）晶胞晶胞与空与空间点间点阵阵1.1.晶胞：晶胞：组成各种晶体结构的最小体积单元。（是组成各种晶体结构的最小体积单元。（是组成各种晶体结构的最小体积单元。（是组成各种晶体结构的最小体积单元。（是描述晶体结构的基本单元）描述晶体结构的基本单元）描述晶体结构的基本单元）描述晶体结构的基本单元）铜晶体铜晶体铜晶胞铜晶胞 晶体与晶胞的关系可用蜂晶体与晶胞的关系可用蜂晶体与晶胞的关系可用蜂晶体与晶胞的关系可用蜂巢与峰室的关系比喻然而蜂巢与峰室的关系比喻然而蜂巢与峰室的关系比喻然而蜂巢与峰室的关系比喻然而蜂巢是有形的，晶胞是巢是有形的，晶胞是巢是有形的
5、，晶胞是巢是有形的，晶胞是无形无形的，的，的，的，是人为划定的。是人为划定的。是人为划定的。是人为划定的。补充：补充：等同点等同点（Equivalent Point）：结构中种类、化学性质及周围的环境、方位完全相同的空间位置。u等同点u等同点位置不限于质点等同点位置不限于质点中心，中心，任何位置的等同点构成此此图形。u另一类 等同点。1.空间点阵（Space Lattice）u为表示原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为结点（等同点），人为人为地将结点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间空间格架格架 称为空间点阵（空间格空间点阵（空间格子，晶格）。子，晶格）。2.2.
6、空间点阵空间点阵 等同点等同点空间格子表明了晶体物质在三维空间质点作周期性重复排列空间格子表明了晶体物质在三维空间质点作周期性重复排列这一根本的性质，因此，晶体可定义为：这一根本的性质，因此，晶体可定义为：晶体是具有格子构晶体是具有格子构造的固体造的固体。3 3 晶胞与空间点阵的区别晶胞与空间点阵的区别：空间点阵空间点阵：由晶体结构抽象而得到的，几何点几何点不具物理、化学特性。晶胞晶胞：由实在的具体质点（原子/离子/分子）组成。4 4 空间格子的特点空间格子的特点n结点结点：空间点阵中的等同点：空间点阵中的等同点 行列行列：分布在同一直线上的结：分布在同一直线上的结点构成一个行列。点构成一个行
7、列。n面网面网：分布在同一平面上的结：分布在同一平面上的结点构成一个面网。点构成一个面网。n平行六面体：平行六面体：空间点阵中由八空间点阵中由八个结点连成的中空的平行六面体。个结点连成的中空的平行六面体。n晶格（点阵结构）晶格（点阵结构）：是指描述：是指描述晶体排列规律的空间格架。晶体排列规律的空间格架。晶格常数晶格常数晶胞各棱边的尺寸。晶胞各棱边的尺寸。棱间夹角棱间夹角晶胞各棱边的夹角。晶胞各棱边的夹角。三种典型立方晶格三种典型立方晶格体心立方体心立方简单立方简单立方面心立方面心立方晶格常数晶格常数(点阵常数点阵常数)平行六面体：平行六面体：三个棱长三个棱长:a、b、c;三个夹角三个夹角:、
8、.晶格常数晶格常数。决定晶胞尺寸和形状。决定晶胞尺寸和形状。7 7大晶系大晶系晶系晶系(System)u根据6个点阵参数间的关系，7种空间点阵类型：7大晶系。大晶系。晶系棱边 棱边夹角三斜晶系abc 单斜晶系abc=90正交晶系abc=90=四方（正方）a=b c=90=六方晶系a=b c=90=120三方晶系a=b=c=90立方晶系a=b=c=90立方 Cubic四方 Tetragonal正交 Rhombic三方 Rhombohedral六方 Hexagonal 单斜 Monoclinic 三斜 Triclinic晶晶体体七七大大晶晶系系 2.2 材料的结构基础材料的结构基础（三）三）布拉布
9、拉菲格菲格子与子与复式复式格子格子把基元只有一个原子的晶格，叫做布拉菲格子；把基元只有一个原子的晶格，叫做布拉菲格子；把基元包含两个或两个以上原子的，叫做复式格子。把基元包含两个或两个以上原子的，叫做复式格子。表示钠表示钠 表示氯表示氯钠离子与氯离子分别构成面心立钠离子与氯离子分别构成面心立方格子，氯化钠结构是由这两种方格子，氯化钠结构是由这两种格子相互平移一定距离套购而成。格子相互平移一定距离套购而成。晶向晶向（晶列）（晶列）：空间点阵中空间点阵中任两节点的连线的方向。任两节点的连线的方向。晶面晶面：空间中不在一直线的任三个阵点构成的平面。空间中不在一直线的任三个阵点构成的平面。二、晶面与晶
10、向（晶列）二、晶面与晶向（晶列）第第2 2节节 晶体的结合晶体的结合 晶体中的原子（或离子、分子）能结合成具晶体中的原子（或离子、分子）能结合成具有一定几何结构的稳定晶体，是由于原子间存在有一定几何结构的稳定晶体，是由于原子间存在结合力。原子间的这种相互作用称为键。结合力。原子间的这种相互作用称为键。离子键离子键（Ionic bonding）共价键共价键（covalent bonding）金属键金属键（Metallic bonding）范德华键范德华键(VanderWaals bonding氢键氢键（Hydrogen-bondin）化学键化学键物理键物理键主价键主价键primary inter
11、atomic bonds次价键次价键(Secondary bonding)一一 离子键离子键AB、AB2、AB3、A2B3型离子化合物。型离子化合物。ClNa NaCl的晶体结构正负离子间的静电作用。正负离子间的静电作用。得失价电子正负离子无方向性和饱和性。高熔点、高硬度、低塑性良好的电绝缘体等共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。和无机非金属材料中均占有重要地位。二二 共价键共价键硅原子四个价键正两个原子间一对自旋相反的共正两个原子间一对自旋相反的共有电子形成。有电子形成。共有电子对有饱和性饱和性和方向性方向性高
12、熔点、高硬度、低塑性；电绝缘体等金属键动画自由电子自由电子金属正离子间金属正离子间 三三 金属键金属键性能特点：性能特点：1)良好的导电性及导热性；良好的导电性及导热性；2)正的电阻温度系数；正的电阻温度系数；3)良好的强度及塑性；良好的强度及塑性；4)特有的金属光泽。特有的金属光泽。共有价电子电子云金属键无方向性和饱和性无方向性和饱和性金属的导电性金属的导电性u 金属键金属键:无饱和性又无方向性，每个原子能同更多无饱和性又无方向性，每个原子能同更多的原子相结合，形成的原子相结合，形成低能量的密堆结构低能量的密堆结构。u 当金属当金属受力受力变形，原子之间的相互位置变形，原子之间的相互位置改变
13、改变时，时，不破坏金属键不破坏金属键，具有良好的延展性。，具有良好的延展性。金属的变形动画金属具有较高的强度和良好的塑性；金属具有较高的强度和良好的塑性；四四 范德华键范德华键 特性：特性：l分子晶体结合键能分子晶体结合键能 很低，熔点很低，硬很低，熔点很低，硬度低。度低。l绝缘性良好。绝缘性良好。分子间以分子间以微弱静电引力微弱静电引力结合在一起。结合在一起。没有方向性没有方向性 饱和性饱和性（1）静电力：偶极子偶极子与偶极子偶极子间作用力极性分子的固有偶极固有偶极间因取向而产生的引力（取向力）。（2）诱导力：固有固有诱导偶极诱导偶极间的吸引力。n诱导偶极：极性分子作为电场使非极性分子变形而
14、诱导偶极：极性分子作为电场使非极性分子变形而 产生诱导偶极。产生诱导偶极。范德华键类型范德华键类型（3）色散力：诱导偶极子诱导偶极子与诱导偶极子诱导偶极子间作用力n非极性分子可以产生瞬时偶极，瞬时偶极呈异极相邻状态而产生的吸引力。五五 氢键氢键氢键既有饱和性又有方向性氢键既有饱和性又有方向性。极性共价键极性共价键 氢键氢键 XHYH2O氢键主要存在于高分子材料内。氢键主要存在于高分子材料内。1.金属材料：金属键。金属特性：导电性、导热性好；金属特性：导电性、导热性好；好的延展性；好的延展性；金属光泽等。金属光泽等。材料的键性材料的键性2.陶瓷材料：离子键和共价键。高熔点和硬度，脆性大。高熔点和硬度，脆性大。3.高分子材料：共价键、氢键和范德华键。低的熔点、硬度、强度。低的熔点、硬度、强度。