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1、会计学1无机材料物理化学第一章无机材料物理化学第一章第1页/共84页n n何谓无机材料？何谓无机材料？无机材料通常主要是指无机非无机材料通常主要是指无机非金属材料。金属材料。主要是指由无机物单独或混合主要是指由无机物单独或混合其他物质制成的材料。通常指由其他物质制成的材料。通常指由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和盐、锗酸盐等原料和/或氧化物、或氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料定的工艺制备而成的材料。第2页/共84页硅物化硅物化工艺工艺指导指导补
2、充完善补充完善理理论论角角度度制制造造角角度度奠定工艺基础奠定工艺基础提供理论依据提供理论依据专业理论训练专业理论训练奠定工业基础奠定工业基础工程实际训练工程实际训练（一）、问题的引出：（一）、问题的引出：研究制造无机材料产品研究制造无机材料产品（如（如 玻璃、陶瓷、新材料）玻璃、陶瓷、新材料）目目 标标000第3页/共84页（二）、无机材料工艺的回顾：（二）、无机材料工艺的回顾：扩散、相变、固相反应、烧结等扩散、相变、固相反应、烧结等原料原料产品产品热过程热过程 晶体（缺陷）晶体（缺陷）熔体熔体玻璃玻璃条件条件相图相图热力学热力学动力学动力学第4页/共84页晶体结构与晶体中的缺陷晶体结构与晶
3、体中的缺陷熔体熔体内容内容（三）硅物化内容的引出：（三）硅物化内容的引出：固体表面与界面固体表面与界面相平衡相平衡扩散扩散固相反应固相反应相变相变烧结烧结玻璃体玻璃体第5页/共84页（四）、无机材料物理化学的科学内涵（四）、无机材料物理化学的科学内涵 材料科学与工程的基础材料科学与工程的基础性能性能使用效能使用效能合成与合成与制备制备组成与结构组成与结构无机非金属材料科学与工程无机非金属材料科学与工程无机非金属材料科学与工程是一门研究无机非金属材料合成与制备合成与制备、组成与结构组成与结构、性能、性能、使用效能使用效能 四者之间的关系与规律关系与规律的科学。第6页/共84页科学方面科学方面偏重
4、于研究材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能各组员本身及其相互间关系的规律；材料科学与工程的材料科学与工程的工程研究中还应包括工程研究中还应包括材料制备与表征所需的仪器、设备的设计与制造。在材料科学与工程的发展中，科学与工程彼此密切结合，构成一个学科整体。工程方面工程方面着重与研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发并生产出材料，提高材料的使用效能，以满足社会的需要。第7页/共84页1.1.合成与制备合成与制备合成合成指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程。合成的研究既包括有关寻找新合成方法寻找新合成方法的科学问题，也包括以适当的数量和形态合成材料的技术问题合成材
5、料的技术问题；既包括新材料的合成新材料的合成，也应包括已有材有材料的新合成方法料的新合成方法（如溶胶-凝胶法）及其新形态新形态（如纤维、薄膜）的合成。第8页/共84页制备制备研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料。这一点是与合成相同的，但制备还包括在更为宏观的尺度宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和适用效能，即包括材料的加工、处理、装配和制造。简而言之，合成与制备就是将原子、分子聚简而言之，合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程。连续过程。第9页/共84页把把合合成成制制备备简简单单的的与与工工艺艺等
6、等同同起起来来而而忽略其基础研究的科学内涵，是不恰当的！忽略其基础研究的科学内涵，是不恰当的！在合成与制备中工程性的研究固然重要，基基础础研研究究也也不不应应忽忽视视。对材料合成与制备的动力学过程的研究可以揭示过程的本质，为改进制备方法建立新的制备技术提供科学基础。以以晶晶体体材材料料为为例例在晶体生产中如果不了解原料合成与生产各阶段发生的物理化学过程、热量与质量的传输、固液界面的变化和缺陷的生成以及环境参数对这些过程的影响，就不可能建立并掌握生长参数优化的制备方法，生长出具有所需组成、完整性、均匀性和物理性的晶体材料。第10页/共84页以陶瓷材料为例以陶瓷材料为例陶瓷材料的最严重的问题是可靠
7、性差，原因是制制备备过过程程落落后后以以致致材材料料的的微微结结构构和和特特性性缺缺少少均均匀匀性性和和重重复复性性。研究结果已表明，若粉料在材料制备中发生团聚，则材料难免出现分布不均匀的气孔从而导致性能不均一。为为提提高高材材料料的的可可靠靠性性，必必须须对对制制备备过过程程中中的的每每阶阶段段所所发发生生的的化化学学、物物理理变变化化认认真真加加以以研研究究并并做做出出必必要要的的表征表征。陶瓷材料中颗粒间界的强度远远低于颗粒或晶粒本身的强度。为为了了提提高高材材料料强强度度，对对颗颗粒粒间间晶晶界界结结构构、本本质质和和在在制制备备中中的的变变化化过过程程以以及及这这些些过过程程如如何何
8、受受制制备备条条件件的的影影响，进行基础性的研究，是极其重要的。响，进行基础性的研究，是极其重要的。第11页/共84页2.2.组成与结构组成与结构组组成成 指构成材料物质的原子、分子及其分布；除主要组成以外，杂杂质质及对无机非金属材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略。结结构构则指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原原子子与与电电子子结结构构、分分子子结结构构、晶晶体体结结构构、相相结结构构、晶晶粒粒结结构构、表表面面与与晶晶界界结结构构、缺缺陷陷结结构构等等；在尺度上则包括纳纳米米以以下下、纳纳米米、微米、毫米及更宏观的结构层次微米、毫米及更宏观的结构层次
9、。第12页/共84页了解材料的了解材料的组成与结构组成与结构及它及它们同们同合成与制备合成与制备之间、之间、性能与使性能与使用效能用效能之间的内在联系，一直是之间的内在联系，一直是无机非金属材料科学与工程无机非金属材料科学与工程 的基本研究内容的基本研究内容。第13页/共84页（五）、无机材料物理化学的研究方法：（五）、无机材料物理化学的研究方法：1、无机材料物理化学的性质：、无机材料物理化学的性质：研究无机材料科学与工程涉及的各种物质聚集状态的结构和结构变化，以及结构对性能的决定作用。材料结构性能化学反应（组成）2、基本思、基本思路：路：化学组成化学组成结构结构性能性能决定决定第14页/共8
10、4页无机材料科学基础无机材料科学基础 陆佩文陆佩文主编主编 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社硅酸盐物理化学硅酸盐物理化学 陆佩文陆佩文主编主编 东南大学出版社东南大学出版社硅酸盐物理化学硅酸盐物理化学丁子上丁子上等主编等主编 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社无机材料物理化学无机材料物理化学叶瑞伦叶瑞伦主编主编 天津大学天津大学怎样看硅酸盐相图怎样看硅酸盐相图沈鹤年沈鹤年玻璃物理化学导论玻璃物理化学导论P.P.贝尔塔等著贝尔塔等著 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社陶瓷导论陶瓷导论W.D.KingeryW.D.Kingery中国建筑工业出社中国建筑工业出社（六）、参考教材：（六）、参考
11、教材：第15页/共84页n n（1 1）课程特点及学习方法）课程特点及学习方法）课程特点及学习方法）课程特点及学习方法 课程特点：内容多、原理规律多、概念定义多课程特点：内容多、原理规律多、概念定义多（2 2）重点内容）重点内容）重点内容）重点内容 熟悉常用术语和基本概念。熟悉常用术语和基本概念。深刻领会材料结构、性能、组成之间的辩证关系、深刻领会材料结构、性能、组成之间的辩证关系、n n（3 3）课时分配）课时分配）课时分配）课时分配 讲课讲课讲课讲课 6060学时（含习题课）、讨论学时（含习题课）、讨论学时（含习题课）、讨论学时（含习题课）、讨论 8 8学时学时学时学时 （七）相关说明：（
12、七）相关说明：第16页/共84页 第第1 1章章 几何结晶学基础几何结晶学基础晶体的基本特征晶体的基本特征晶体的宏观对称和晶体晶体的宏观对称和晶体分类分类晶体定向和晶面符号晶体定向和晶面符号晶体结构的基本特征晶体结构的基本特征 第17页/共84页n晶体是怎样的物质晶体是怎样的物质？1.1晶体的基本特征晶体的基本特征1.1.1晶体的基本概念第18页/共84页第19页/共84页第20页/共84页第21页/共84页晶晶晶晶体体体体的的的的研研研研究究究究首首首首先先先先是是是是从从从从研研研研究究究究晶晶晶晶体体体体几几几几何何何何外外外外形形形形的的的的特特特特征征征征开开开开始始始始.在在在在古
13、古古古代代代代，无无无无论论论论中中中中外外外外，都都都都把把把把具具具具有有有有规规规规则则则则的的的的几几几几何何何何多多多多面面面面体体体体形形形形态态态态的的的的水水水水晶晶晶晶称为晶体称为晶体称为晶体称为晶体;凡凡凡凡是是是是具具具具有有有有（非非非非人人人人工工工工琢琢琢琢磨磨磨磨而而而而成成成成）几几几几何何何何多多多多面面面面体形态的固体都称之为晶体体形态的固体都称之为晶体体形态的固体都称之为晶体体形态的固体都称之为晶体以上两种定义都是不正确的以上两种定义都是不正确的第22页/共84页l l1912年年，X射射线线晶晶体体衍衍射射实实验验成成功功，对对晶晶体体的的研研究究从从晶
14、晶体体的的外外部部进进入入到到晶晶体体的的内内部部，使使结结晶学进入一个崭新的发展阶段。晶学进入一个崭新的发展阶段。现已证明，现已证明，一切晶体一切晶体不论其外形如何，不论其外形如何，它的内部质点（原子、离子或分子）都它的内部质点（原子、离子或分子）都是在三维空间有规律排列，主要表现为是在三维空间有规律排列，主要表现为同种质点的周期重复，构成了所谓的同种质点的周期重复，构成了所谓的“格子构造格子构造”。l所有晶体都具有格子构造所有晶体都具有格子构造l晶体的共同特点。晶体的共同特点。重要的结论重要的结论第23页/共84页第24页/共84页物质结晶状态时的本质特征：物质结晶状态时的本质特征：结构基
15、元结构基元在空间是不随时间变化的三维周期排列”，它决定了晶体材料的宏观和微观的物理性能；如果物质的结构不具备这样的本质特征，如玻璃等，则如果物质的结构不具备这样的本质特征，如玻璃等，则就是非晶体材料；就是非晶体材料；有些有机高分子材料，它们的结构基元只是一维或二维有些有机高分子材料，它们的结构基元只是一维或二维的近视长程有序排列，其性质介于晶体和非晶体之间，的近视长程有序排列，其性质介于晶体和非晶体之间，这种物质称为液态晶体，简称液晶；这种物质称为液态晶体，简称液晶；晶态物质可以有多个晶体组成，由许多取向不同的单晶晶态物质可以有多个晶体组成，由许多取向不同的单晶体晶粒随机排列组合而成，也称为多
16、晶体。各个晶粒体晶粒随机排列组合而成，也称为多晶体。各个晶粒之间的分界线称为晶界。之间的分界线称为晶界。问题的提出 :结构基元的概念？第25页/共84页 研究晶体的微观结构重点就是要研究晶体的微观结构重点就是要研究周期排列的规律性。研究周期排列的规律性。为了研究上的便利，通常把结构为了研究上的便利，通常把结构基元中的原子或分子抽象为一个基元中的原子或分子抽象为一个几何点。这样，研究基元的三维几何点。这样，研究基元的三维排列的规律就成为研究几何质点排列的规律就成为研究几何质点的排列规律的排列规律 空间点阵。空间点阵。点阵：几何点在空间呈周期性规则排列的阵列。点阵：几何点在空间呈周期性规则排列的阵
17、列。空间点阵：用许多平行的直线将所有点阵连接起来所构成的一空间点阵：用许多平行的直线将所有点阵连接起来所构成的一个三维几何架子，称为空间点阵或称为空间格子。个三维几何架子，称为空间点阵或称为空间格子。第26页/共84页1.1.2几何结晶学的空间格子几何结晶学的空间格子n n晶体的结构特征晶体的结构特征晶体的结构特征晶体的结构特征空间格子构造空间格子构造 相当点：相当点：相当点：相当点：以以以以氯化铯（氯化铯（氯化铯（氯化铯（CsClCsCl）的晶体结构为例。的晶体结构为例。的晶体结构为例。的晶体结构为例。无论无论无论无论ClCl-或或或或CsCs在晶体结构的任何一方向上都是每隔一定在晶体结构的
18、任何一方向上都是每隔一定在晶体结构的任何一方向上都是每隔一定在晶体结构的任何一方向上都是每隔一定的距离重复出现一次。的距离重复出现一次。的距离重复出现一次。的距离重复出现一次。第27页/共84页n n为为为为了了了了进进进进一一一一步步步步揭揭揭揭示示示示质质质质点点点点周周周周期期期期性性性性重重重重复复复复的的的的规规规规律律律律，我我我我们们们们可可可可以以以以对对对对它它它它作作作作某某某某种种种种抽抽抽抽象象象象。先先先先在在在在结结结结构构构构中中中中选选选选出出出出任任任任一一一一几几几几何何何何点点点点，这这这这个个个个点点点点可可可可以以以以取取取取在在在在阴阴阴阴或或或或阳
19、阳阳阳离离离离子子子子的的的的中中中中心心心心，也也也也可可可可以以以以取取取取它它它它们们们们之之之之间间间间的的的的任任任任意意意意一一一一点点点点，然然然然后后后后在在在在结结结结构构构构中中中中找找找找出与此点相当的几何点，称为出与此点相当的几何点，称为出与此点相当的几何点，称为出与此点相当的几何点，称为“相当点相当点相当点相当点”。相当点的条件是：相当点的条件是：相当点的条件是：相当点的条件是：n n如果原始几何点是取在质点的中心，则如果原始几何点是取在质点的中心，则如果原始几何点是取在质点的中心，则如果原始几何点是取在质点的中心，则相当点所占的质点的种类应是相同的，也相当点所占的质
20、点的种类应是相同的，也相当点所占的质点的种类应是相同的，也相当点所占的质点的种类应是相同的，也就是占据同种质点的中心；就是占据同种质点的中心；就是占据同种质点的中心；就是占据同种质点的中心；n n这些质点周围的环境以及方位应是相同这些质点周围的环境以及方位应是相同这些质点周围的环境以及方位应是相同这些质点周围的环境以及方位应是相同的，也就是说这些质点周围相同的方向上的，也就是说这些质点周围相同的方向上的，也就是说这些质点周围相同的方向上的，也就是说这些质点周围相同的方向上要有相同的质点。要有相同的质点。要有相同的质点。要有相同的质点。第28页/共84页n n相当点可以简单的定义为相当点可以简单
21、的定义为相当点可以简单的定义为相当点可以简单的定义为晶体结构中物质环境晶体结构中物质环境晶体结构中物质环境晶体结构中物质环境和几何环境完全相同的点，也称和几何环境完全相同的点，也称和几何环境完全相同的点，也称和几何环境完全相同的点，也称“等同点等同点等同点等同点”。n n相当点的分布可以体现晶体结构中所有质点的相当点的分布可以体现晶体结构中所有质点的相当点的分布可以体现晶体结构中所有质点的相当点的分布可以体现晶体结构中所有质点的重复规律。重复规律。重复规律。重复规律。相当点在三维空间作规则排列而成的格子状几相当点在三维空间作规则排列而成的格子状几相当点在三维空间作规则排列而成的格子状几相当点在
22、三维空间作规则排列而成的格子状几何图形称为何图形称为何图形称为何图形称为“空间点阵空间点阵空间点阵空间点阵”或或或或“空间格子空间格子空间格子空间格子”。n n 为研究晶体内部质点的重复规律不受晶体大小限制，设想为研究晶体内部质点的重复规律不受晶体大小限制，设想空间点阵为无限图形空间点阵为无限图形空空间间点点阵阵第29页/共84页 空间格子要素：空间格子要素：结点、行列、面网、平行六面体、晶胞结点：结点：空间格子中的点，代表晶体结构中的相当点，只具几何意义，不代表任何质点。但在实际晶体中，结点的位置可以被同种质点所占据。空间格子中的点，代表晶体结构中的相当点，只具几何意义，不代表任何质点。但在
23、实际晶体中，结点的位置可以被同种质点所占据。行列：行列：结点在直线上的排列即构成行列。结点在直线上的排列即构成行列。行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距。同一行列或彼此平行的行列上结点间距相等；同一行列或彼此平行的行列上结点间距相等；不同方向的行列，其结点间距一般不等。不同方向的行列，其结点间距一般不等。行行 列列第30页/共84页 面网：面网：面网：面网：结点在平面上的分布构成面网。结点在平面上的分布构成面网。结点在平面上的分布构成面网。结点在平面上的分布构成面网。n n面网上单位面积内结点的数目称为面网上单位面积内结点的数目称为面网上单位面积
24、内结点的数目称为面网上单位面积内结点的数目称为网面密网面密网面密网面密度度度度。n n互相平行的面网，网面密度相同；不平行互相平行的面网，网面密度相同；不平行互相平行的面网，网面密度相同；不平行互相平行的面网，网面密度相同；不平行的面网，网面密度一般不等。的面网，网面密度一般不等。的面网，网面密度一般不等。的面网，网面密度一般不等。n n相互平行的相邻两面网之间的垂直距离称相互平行的相邻两面网之间的垂直距离称相互平行的相邻两面网之间的垂直距离称相互平行的相邻两面网之间的垂直距离称为为为为面网间距。面网间距。面网间距。面网间距。第31页/共84页 平行六面体：平行六面体：平行六面体：平行六面体：
25、是空间格子在三维空间上是空间格子在三维空间上是空间格子在三维空间上是空间格子在三维空间上可以划出的最小重复单位。可以划出的最小重复单位。可以划出的最小重复单位。可以划出的最小重复单位。由八个结点、六个两两平行而且相等的由八个结点、六个两两平行而且相等的由八个结点、六个两两平行而且相等的由八个结点、六个两两平行而且相等的面组成。面组成。面组成。面组成。平行六面体平行六面体第32页/共84页n n(5)(5)晶胞晶胞晶胞晶胞为了说明实际晶体中的点阵排列规律和特点，从中取出的为了说明实际晶体中的点阵排列规律和特点，从中取出的为了说明实际晶体中的点阵排列规律和特点，从中取出的为了说明实际晶体中的点阵排
26、列规律和特点，从中取出的一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。阵的组成单元，称为晶胞。阵的组成单元，称为晶胞。阵的组成单元，称为晶胞。所以，实际晶体的结构可以看成是晶胞作三维的重复堆砌所以，实际晶体的结构可以看成是晶胞作三维的重复堆砌所以，实际晶体的结构可以看成是晶胞作三维的重复堆砌所以，实际晶体的结构可以看成是晶胞作三维的重复堆砌而成的。而成的。而成的。而成的。平行六面体与晶胞的区别：平行六面体与晶胞的区别：平行六面
27、体与晶胞的区别：平行六面体与晶胞的区别：（A A）晶体中的晶胞是有大小和形状区别的；）晶体中的晶胞是有大小和形状区别的；）晶体中的晶胞是有大小和形状区别的；）晶体中的晶胞是有大小和形状区别的；（B B）晶胞中环绕每个节点的原子种类、数量及分布是有）晶胞中环绕每个节点的原子种类、数量及分布是有）晶胞中环绕每个节点的原子种类、数量及分布是有）晶胞中环绕每个节点的原子种类、数量及分布是有区别的；区别的；区别的；区别的；（C C）平行六面体强调的是几何特征，而晶胞体现的是实）平行六面体强调的是几何特征，而晶胞体现的是实）平行六面体强调的是几何特征，而晶胞体现的是实）平行六面体强调的是几何特征，而晶胞体
28、现的是实际理想晶体的构造。前者仅仅表征质点在空间的排列规际理想晶体的构造。前者仅仅表征质点在空间的排列规际理想晶体的构造。前者仅仅表征质点在空间的排列规际理想晶体的构造。前者仅仅表征质点在空间的排列规律，而后者在描述规律的同时涉及了具体节点位置上的律，而后者在描述规律的同时涉及了具体节点位置上的律，而后者在描述规律的同时涉及了具体节点位置上的律，而后者在描述规律的同时涉及了具体节点位置上的具体原子或离子等。具体原子或离子等。具体原子或离子等。具体原子或离子等。第33页/共84页第34页/共84页一一一一切切切切晶晶晶晶体体体体所所所所共共共共有有有有的的的的，并并并并且且且且是是是是由由由由晶
29、晶晶晶体体体体的的的的格格格格子子子子构构构构造造造造所所所所决定的性质，称为决定的性质，称为决定的性质，称为决定的性质，称为晶体的基本性质晶体的基本性质晶体的基本性质晶体的基本性质。1.1.3 晶体的基本晶体的基本性质性质1、自限性：、自限性：是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。晶体通常被平的晶面所包围，晶面相交成直的晶棱，晶棱汇聚成尖的角顶。晶体通常被平的晶面所包围，晶面相交成直的晶棱，晶棱汇聚成尖的角顶。晶体的多面体形态，是其格子构造在外形上的直接反映晶体的多面体形态，是其格子构造在外形上的直接反映。晶面、晶棱与角顶分别
30、与格子构造中的面网、行列及结点相对应。晶面、晶棱与角顶分别与格子构造中的面网、行列及结点相对应。第35页/共84页n n2 2 2 2、均均均均一一一一性性性性：由由由由于于于于晶晶晶晶体体体体是是是是具具具具有有有有格格格格子子子子构构构构造造造造的的的的固固固固体体体体，在在在在同同同同一一一一晶晶晶晶体体体体的的的的各各各各个个个个不不不不同同同同部部部部分分分分，质质质质点点点点的的的的分分分分布布布布一一一一样样样样，故故故故晶晶晶晶体体体体的的的的各各各各部部部部分的物理化学性质相同。分的物理化学性质相同。分的物理化学性质相同。分的物理化学性质相同。n n非非非非晶晶晶晶体体体体也
31、也也也具具具具有有有有均均均均一一一一性性性性。但但但但非非非非晶晶晶晶体体体体不不不不具具具具格格格格子子子子构构构构造造造造，其其其其均均均均一一一一性性性性是是是是统统统统计计计计的的的的、平平平平均均均均近近近近似似似似的的的的均均均均一一一一，称称称称为为为为统统统统计计计计均均均均一一一一性性性性；而而而而晶晶晶晶体体体体均均均均一一一一性性性性取取取取决决决决于于于于格格格格子子子子构构构构造造造造，称称称称为为为为结结结结晶均一性晶均一性晶均一性晶均一性。两者有本质区别。两者有本质区别。两者有本质区别。两者有本质区别。3、异向性：、异向性：同一晶体同一晶体的格子构造中，在不同方
32、的格子构造中，在不同方向上质点的排列一般不同，向上质点的排列一般不同，晶体的性质也就随着方向晶体的性质也就随着方向的不同而有所差异。如蓝的不同而有所差异。如蓝晶石的硬度、云母的解理、晶石的硬度、云母的解理、石英折射率等。石英折射率等。44.567蓝晶石晶体的硬度蓝晶石晶体的硬度第36页/共84页n n4 4 4 4、对对对对称称称称性性性性：是是是是指指指指某某某某种种种种相相相相同同同同的的的的性性性性质质质质在在在在不不不不同同同同的的的的方方方方向向向向或或或或位位位位置置置置上上上上作作作作有有有有规规规规律律律律地地地地重重重重复复复复。对对对对称称称称性性性性是是是是晶晶晶晶体体体
33、体非非非非常常常常重重重重要要要要的的的的性性性性质质质质，也也也也是是是是晶晶晶晶体体体体分分分分类类类类的的的的基础。基础。基础。基础。n n5 5 5 5、最小内能：、最小内能：、最小内能：、最小内能：在相同的热力学条件下晶在相同的热力学条件下晶在相同的热力学条件下晶在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相体与同种物质的非晶质体、液体、气体相体与同种物质的非晶质体、液体、气体相体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。比较，其内能最小。比较，其内能最小。比较，其内能最小。6 6、稳定性：、稳定性：由于晶体具有最小内能，因而结晶状由于晶体具有最小内能，因而结晶
34、状态是一个相对稳定的状态，质点只在其平衡位置上态是一个相对稳定的状态，质点只在其平衡位置上振动。振动。非晶体不稳定，有自发地向晶体转化的趋向。非晶体不稳定，有自发地向晶体转化的趋向。晶体和非晶体在一定条件下是可以相互转化的。晶体和非晶体在一定条件下是可以相互转化的。第37页/共84页1.2 晶体的宏观对称性和晶体分类晶体的宏观对称性和晶体分类n n晶体的外部对称性，通常称为宏观对称性。由于所有的对称要素都必须相交于晶体内部的某一点的，因此宏观对称性又称为点对称。n n晶体内原子排列的对称性称为微观对称性。它是晶体内部原子无限排列所具有的对称性。n n晶体的宏观对称性和微观对称性是从两个不同角度
35、反映了晶体结构的本质。第38页/共84页1.2.1宏观对称要素宏观对称要素1 1、对称的概念对称的概念对称的概念对称的概念：物体相同部分有规律的重复。物体相同部分有规律的重复。物体相同部分有规律的重复。物体相同部分有规律的重复。n n对称的条件：对称的条件：对称的条件：对称的条件：物体或图形有相同部分；物体或图形有相同部分；物体或图形有相同部分；物体或图形有相同部分；这些这些这些这些 相同部分有规律地重复。相同部分有规律地重复。相同部分有规律地重复。相同部分有规律地重复。蝴蝶和花冠的对称蝴蝶和花冠的对称不对称的图形不对称的图形第39页/共84页n n2 2 2 2、晶体对称的特点、晶体对称的特
36、点、晶体对称的特点、晶体对称的特点晶体是具有对称性的，晶体外形的对称晶体是具有对称性的，晶体外形的对称表现为相同的晶面、晶棱和角顶作有规表现为相同的晶面、晶棱和角顶作有规律的重复，这是律的重复，这是晶体的宏观对称晶体的宏观对称。晶体的对称与其它物体的对称不同，晶体的对称与其它物体的对称不同，晶晶体的对称是由内部的格子构造规律所决体的对称是由内部的格子构造规律所决定的。定的。第40页/共84页晶体的对称有如下的特点晶体的对称有如下的特点晶体的对称有如下的特点晶体的对称有如下的特点：n n 所所所所有有有有晶晶晶晶体体体体都都都都具具具具对对对对称称称称性性性性。一一一一切切切切晶晶晶晶体体体体都
37、都都都具具具具格格格格子子子子构构构构造造造造，而而而而格格格格子子子子构构构构造造造造本本本本身身身身就就就就是是是是内内内内部部部部质质质质点点点点在在在在三三三三维维维维空空空空间间间间周周周周期期期期性性性性重重重重复复复复排排排排列列列列的的的的体现（微观对称）。体现（微观对称）。体现（微观对称）。体现（微观对称）。n n 晶晶晶晶体体体体的的的的对对对对称称称称是是是是有有有有限限限限的的的的（遵遵遵遵循循循循“晶晶晶晶体体体体对对对对称称称称定定定定律律律律”）。晶晶晶晶体体体体对对对对称称称称严严严严格格格格受受受受格格格格子子子子构构构构造造造造规规规规律律律律的的的的控控控
38、控制制制制，只只只只有有有有符符符符合合合合格子构造规律的对称才能在晶体上出现。格子构造规律的对称才能在晶体上出现。格子构造规律的对称才能在晶体上出现。格子构造规律的对称才能在晶体上出现。n n 由由由由于于于于晶晶晶晶体体体体的的的的对对对对称称称称取取取取决决决决于于于于格格格格子子子子构构构构造造造造，故故故故晶晶晶晶体体体体对对对对称称称称不不不不仅仅仅仅表表表表现现现现在在在在外外外外形形形形上上上上，同同同同时时时时也也也也表表表表现现现现在在在在光光光光学学学学、力力力力学学学学、热学、电学性质等物理性质上。热学、电学性质等物理性质上。热学、电学性质等物理性质上。热学、电学性质等
39、物理性质上。基基基基于于于于以以以以上上上上特特特特点点点点，所所所所以以以以晶晶晶晶体体体体的的的的对对对对称称称称性性性性是是是是晶晶晶晶体体体体的的的的最最最最重重重重要要要要特特特特征征征征，也可以把它作为也可以把它作为也可以把它作为也可以把它作为晶体分类的最好依据晶体分类的最好依据晶体分类的最好依据晶体分类的最好依据。第41页/共84页n n3 3 3 3、宏观对称操作和对称要素、宏观对称操作和对称要素、宏观对称操作和对称要素、宏观对称操作和对称要素n n对称操作对称操作对称操作对称操作：是指欲使物体或图形中相同部是指欲使物体或图形中相同部是指欲使物体或图形中相同部是指欲使物体或图形
40、中相同部分重复出现的操作。分重复出现的操作。分重复出现的操作。分重复出现的操作。n n对称要素对称要素对称要素对称要素：在进行对称操作时所凭借的几在进行对称操作时所凭借的几在进行对称操作时所凭借的几在进行对称操作时所凭借的几何要素（点、线、面）。何要素（点、线、面）。何要素（点、线、面）。何要素（点、线、面）。n n晶体外形上可能存在的对称要素晶体外形上可能存在的对称要素晶体外形上可能存在的对称要素晶体外形上可能存在的对称要素：1 1、对称面（、对称面（、对称面（、对称面（P P）2 2、对称轴（、对称轴（、对称轴（、对称轴（L Ln n）3 3、对称中心（、对称中心（、对称中心（、对称中心（
41、C C）4 4、旋转反伸轴（、旋转反伸轴（、旋转反伸轴（、旋转反伸轴（L Li in n）5 5、旋转反映轴（、旋转反映轴（、旋转反映轴（、旋转反映轴（L Ls sn n）第42页/共84页1 1、对称面对称面对称面对称面（P P）对称面是把晶体平分为互为镜像的两个对称面是把晶体平分为互为镜像的两个对称面是把晶体平分为互为镜像的两个对称面是把晶体平分为互为镜像的两个相等部分的假想平面。相应对称操作是对相等部分的假想平面。相应对称操作是对相等部分的假想平面。相应对称操作是对相等部分的假想平面。相应对称操作是对一个平面的反应。一个平面的反应。一个平面的反应。一个平面的反应。ADEBP1P2AE1D
42、EBP第43页/共84页n n对称面在晶体中可能存在的位置：对称面在晶体中可能存在的位置：对称面在晶体中可能存在的位置：对称面在晶体中可能存在的位置：n n 垂直并平分晶面；垂直并平分晶面；垂直并平分晶面；垂直并平分晶面；n n 垂直晶棱并通过它的中心；垂直晶棱并通过它的中心；垂直晶棱并通过它的中心；垂直晶棱并通过它的中心；n n 包含晶棱并平分晶面夹角。包含晶棱并平分晶面夹角。包含晶棱并平分晶面夹角。包含晶棱并平分晶面夹角。晶体中可不存在对称面，也可存在一或多个对称面，最多可达晶体中可不存在对称面，也可存在一或多个对称面，最多可达9个。对称面的描述方法为个。对称面的描述方法为3P、9P等。等
43、。第44页/共84页n n2 2、对称中心对称中心对称中心对称中心（C C）n n对称中心：对称中心：对称中心：对称中心：是晶体内部的一个假想点，通是晶体内部的一个假想点，通是晶体内部的一个假想点，通是晶体内部的一个假想点，通过该点作任意直线，则在此直线上距对称过该点作任意直线，则在此直线上距对称过该点作任意直线，则在此直线上距对称过该点作任意直线，则在此直线上距对称中心等距离的两端，必定可以找到对应点。中心等距离的两端，必定可以找到对应点。中心等距离的两端，必定可以找到对应点。中心等距离的两端，必定可以找到对应点。n n相应对称操作：对一个点的反伸（倒反）。相应对称操作：对一个点的反伸（倒反
44、）。相应对称操作：对一个点的反伸（倒反）。相应对称操作：对一个点的反伸（倒反）。第45页/共84页vv对称中心以字母对称中心以字母C表示，图示表示，图示符号为符号为“o”或或“C”表示。表示。v晶体中可以有对称中心，也可以没有对称中晶体中可以有对称中心，也可以没有对称中心，若有只能有一个，而且必定位于晶体的几心，若有只能有一个，而且必定位于晶体的几何中心。何中心。晶体中如果存在对称中心，则所有晶面必晶体中如果存在对称中心，则所有晶面必然两两反向平行而且相等然两两反向平行而且相等。用它可以作为。用它可以作为判断晶体有无对称中心的依据。判断晶体有无对称中心的依据。第46页/共84页n n3 3、对
45、称轴对称轴对称轴对称轴（L Ln n）n n对对对对称称称称轴轴轴轴是是是是通通通通过过过过晶晶晶晶体体体体中中中中心心心心的的的的一一一一根根根根假假假假想想想想直直直直线线线线，晶晶晶晶体体体体围围围围绕绕绕绕此此此此直直直直线线线线旋旋旋旋转转转转一一一一定定定定角角角角度度度度后后后后，相相相相同同同同的的的的晶面、晶棱、角顶能重复出现。晶面、晶棱、角顶能重复出现。晶面、晶棱、角顶能重复出现。晶面、晶棱、角顶能重复出现。n n相应的对称操作是围绕一根直线的旋转。相应的对称操作是围绕一根直线的旋转。相应的对称操作是围绕一根直线的旋转。相应的对称操作是围绕一根直线的旋转。n n旋旋旋旋转转
46、转转一一一一周周周周，晶晶晶晶体体体体的的的的相相相相同同同同部部部部分分分分重重重重复复复复的的的的次次次次数数数数称称称称为为为为轴轴轴轴次次次次（n n）；重重重重复复复复时时时时所所所所旋旋旋旋转转转转的的的的最最最最小小小小角角角角度度度度称称称称为为为为基转角（基转角（基转角（基转角（）；）；）；）；n=360n=360。第47页/共84页n n晶体外形上可能出现的对称轴有晶体外形上可能出现的对称轴有晶体外形上可能出现的对称轴有晶体外形上可能出现的对称轴有L L1 1（无实（无实（无实（无实际意义）际意义）际意义）际意义）、L L2 2、L L3 3、L L4 4、L L6 6，相
47、应的基转相应的基转相应的基转相应的基转角分别为角分别为角分别为角分别为360360、180180、120120、9090、6060。n n L L2 2、L L3 3、L L4 4和和和和L L6 6的作图符号分别为的作图符号分别为的作图符号分别为的作图符号分别为 、。n n轴次高于轴次高于轴次高于轴次高于2 2的对称轴称为的对称轴称为的对称轴称为的对称轴称为高次轴高次轴高次轴高次轴。第48页/共84页第49页/共84页晶体对称定律：晶体对称定律：在晶体中不可能存在五在晶体中不可能存在五次及高于六次的对称轴。次及高于六次的对称轴。因为不符合空因为不符合空间格子规律，其对应的网孔不能毫无间间格子
48、规律，其对应的网孔不能毫无间隙地布满整个平面。隙地布满整个平面。第50页/共84页n n在一个晶体中，除在一个晶体中，除在一个晶体中，除在一个晶体中，除L L1 1外，可以无、也可有一或外，可以无、也可有一或外，可以无、也可有一或外，可以无、也可有一或多种对称轴，而每一种对称轴也可有一或多多种对称轴，而每一种对称轴也可有一或多多种对称轴，而每一种对称轴也可有一或多多种对称轴，而每一种对称轴也可有一或多个。个。个。个。n n表示方法为表示方法为表示方法为表示方法为3L3L4 4、4L4L3 3、6L6L2 2等等等等。对称轴在晶体中可能出露的位置：对称轴在晶体中可能出露的位置：通过晶面的中心；通
49、过晶面的中心；通过晶棱的中点；通过晶棱的中点；通过角顶。通过角顶。第51页/共84页n n4 4、旋转反伸轴旋转反伸轴旋转反伸轴旋转反伸轴（L Li in n）n n旋转反伸轴是一根假想的直线，当晶体围旋转反伸轴是一根假想的直线，当晶体围旋转反伸轴是一根假想的直线，当晶体围旋转反伸轴是一根假想的直线，当晶体围绕此直线旋转一定角度后，再对此直线上绕此直线旋转一定角度后，再对此直线上绕此直线旋转一定角度后，再对此直线上绕此直线旋转一定角度后，再对此直线上的一个点进行反伸，才能使晶体上的相等的一个点进行反伸，才能使晶体上的相等的一个点进行反伸，才能使晶体上的相等的一个点进行反伸，才能使晶体上的相等部
50、分重复。部分重复。部分重复。部分重复。n n相应的对称操作是围绕一根直线的旋转和相应的对称操作是围绕一根直线的旋转和相应的对称操作是围绕一根直线的旋转和相应的对称操作是围绕一根直线的旋转和对此直线上一个点反伸的复合操作。对此直线上一个点反伸的复合操作。对此直线上一个点反伸的复合操作。对此直线上一个点反伸的复合操作。第52页/共84页例：具有例：具有Li4的四方四面体的四方四面体 Ca第53页/共84页qq旋转反伸轴以旋转反伸轴以Lin表示，轴次表示，轴次n可为可为1、2、3、4、6。相应的。相应的基转角分别为基转角分别为360、180、120、90、60。除除Li4外，其余各种旋转反伸轴都可用