浙江大学《材料科学基础》
第一章晶体结构。
1-1晶体学基础。
一、空间点阵。
空间点阵：晶体中原子或分子的空间规则排列。图1- 1
点阵特点：各阵点为彼此等同的原子群或分子群的中心，周围环境都相同，在空间的位置是一定。
点阵基本要素：阵点。
二)晶胞。晶胞：点阵中取出的一个反映点阵对称性的代表性基本单元(通常取最小平行六面体)。点阵的组成单元图1- 2
晶胞描述：1晶轴x、y、z；2点阵常数a、b、c；3晶轴夹角 、 图1- 3
晶胞的原子、体积与密度计算。
三)晶系。7个晶系：按晶胞外形即棱边长度之间的关系和晶轴夹角情况归类，每一类别即一个晶系。晶系只有七种！表1- 1
四)布拉菲点阵。
14种布拉菲点阵的晶胞：1-简单三斜；2-简单单斜；3-底心单斜；4-简单正交；5-底心正交；6-体心正交；7-面心正交；8-简单六方；9-菱形(三角);10-简单四方；11-体心四方；12-简单立方；13-体心立方；14-面心立方。
3个晶族：表示晶体结构对称性高低。
三、晶向指数和晶面指数。
晶向：晶体的方向。
晶面：原子所构成的平面。
晶向指数：确定晶向的一组数[uvw]，表示所有相互平行、方向一致的晶向。
晶向族：晶体中因对称关系而等同的各晶向的归并，表为。
二)晶面指数。
晶面指数：确定晶面方位的一组数，代表一组相互平行的晶面。
晶面族：具等同条件，而空间位向不同的各组晶面的归并。
晶面指数的确定步骤：
1)对晶胞作晶轴x、y、z，以晶胞的边长作为晶轴上的单位长度。
2)求出晶面在三个晶轴上的截距(如该晶面与某轴平行，则截距为∞)。例如/2等。
3)取这些截距数的倒数。例如110，111，112等。
4)将上述倒数化为最小的简单整数，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，一般记为(hkl)。例如(110)，(111)，(112)等。如果所求晶面在晶轴上的截距为负数，则在相应的指数上方加一负号，如(10)、(11)、(11)等。
四)晶带。晶带：由所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成。
晶带轴：汇聚晶带晶向的直线。
五)晶面间距。
晶面间距：相邻两个平行晶面之间的距离。
面间距特性：1通常低指数的面间距较大，高指数的面间距小。图1- 16
2晶面间距与点阵类型有关。体心立方：最大；面心立方：最大，都不是。
3晶面间距最大的面总是阵点(或原子)最密排的晶面。晶面间距越小，晶面上阵点排列越稀疏。图1- 16
四、晶体的对称性。
(一)对称要素。
对称要素：反映晶体对称性的参数。晶体通过相应对称操作后的位置与原始位置完全重合。
宏观对称要素：反映出晶体外形和其宏观性质的对称性。
微观对称要素：与宏观对称要素配合运用能反映出晶体中原子排列的对称性。
所有对称要素归纳：
回转对称轴
对称面：m（）
对称中心：（z）
回转-反演轴：、、
滑动面：a、b、c、n、d
螺旋轴二)点群、单形及空间群：
点群：晶体可能存在的对称类型。通过宏观对称要素在一点上组合运用而得到。只能有32种对称类型，称32种点群。
理想晶体的形态―单形和聚形：
单形：由对称要素联系起来的一组同形等大晶面的组合。32种对称型总共可以导出47种单形，如图1- 26
聚形：属于同一晶类的两个或两个以上的单形聚合而成的几何多面体。
空间群：描述晶体中原子通过宏观和微观对称要素组合的所有可能方式。属于同一点群的晶体可因其微观对称要素的不同而分属不同的空间群，空间群有230种，见表1- 4
国际通用的空间群符号及其所代表的意义为：
p：代表原始格子以及六方底心格子（六方底心格子为三方晶系和六方晶系所共有）。
f：代表面心格子。
i：代表体心格子。
c：代表（001）底心格子（即与z轴相交的平行六面体两个面中心与八个角顶有相当的构造单位配布）。
a：代表（100）底心格子（即与x轴相交的平行六面体两个面中心与八个角顶有相当的构造单位配布）。
r：代表三方原始格子。
其它符号：意义与前述相同。
1-2晶体化学基本原理。
一、电负性。
电负性：形成负离子倾向大小的量度。
二、晶体中的键型。
化学键（一次键或基本键）种类：典型的化学键有三种：离子键、共价键、金属键。
分子键(范氏键)、氢键：已形成一次键的分子等间的结合。据不同情况分。
一)金属结合（金属键）
电子气和正离子实间库仑作用成键。
二)离子结合（离子键）
相反电荷间静电力。
三)共价结合（共价键）
对电子作用（吸引）力。
四)分子键
性质上是静电力，很弱。
五)氢键。氢原子与另一个分子内的电负性原子之间存在着很强的静电引力(即氢键)
1-3典型晶体结构。
一、金属晶体。
金属键合特点：形成高度对称、紧密排列的晶体结构。
堆积特征：面心立方和密排六方中，每个原子和最近邻的原子间都相切；体心立方中，体心原子与顶角八原子相切，八个顶角原子互不相切。
密排面：原子密排程度最高的晶面。是密排六方的和面心立方的见图1- 33和图1- 35
密排面上原子排列方式：abab…(或acac…)的顺序堆垛，是密排六方；abcabc…的顺序堆垛，是面心立方。见图1- 37
八面体间隙：六个原子之间的间隙。
四面体间隙：四个原子之间的间隙如图1- 43
二、共价晶体。
共价键合特点：方向性，堆积效率较低。
三、离子晶体。
一）离子堆积与泡林规则。
离子键合特性：不具方向性，离子晶体结构：负离子规则地在空间密堆积；正离子有规律地分布在空隙中。
堆积条件：负离子之间不重叠，但又与中心的正离子相接触。
堆积形式：堆积形式（配位数等）由离子具有的电荷数（正离子倾向于由尽可能多的负离子包围它）和离子的相对大小（(rc)与(ra)之比）决定。
负离子配位多面体：以正离子为中心，将周围最近邻配置的各负离子的中心连起来形成的多面体。
正离子配位数：配置于正离子周围的负离子数。
三者之间关系：
表1- 9 正、负离子半径比，正离子配位数和配位多面体形之间的关系。
形成晶体结构的泡林规则：五条。
四、硅酸盐晶体。
硅酸盐（矿物）：氧化硅中的si被其它元素取代后的变体，具有不同的晶型结构，基本单元是[sio4]4-四面体。
(一)硅酸盐的分类与结构。
有岛状、链状（单链及双链）、层状或三维骨架结构。
岛状硅酸盐结构：所有四面体间分离，并通过其它调节阳离子互连，每个四面体给出-4价电荷。
结构（相关于化学式的）判据：（或）
单链硅酸盐结构：每个四面体与邻近两个四面体相连，每个四面体给出-2价电荷，判据式：
双链硅酸盐结构：
层状硅酸盐结构：
骨架状硅酸盐结构：
判据： 由于1、oh- 和f- 阴离子进入结构，2、b3+形成了三角形的(bo3)3-单元，3、硅氧四面体被alo45-替代。
五、高分子晶体
双键打开的有机分子为结构单元的线性重复连接，有数千上万结构单元，具极高分子量
结构形态：二次分子力弱，难使大分子形成有序的结晶结构。易见结构是无规线团和线团的交缠（非晶区）。
结晶特性：同一分子的不同链段或不同分子的某些链段间平行排列时，弱二次分子力能将这些链段排列成局部的结晶区域。可见一个结晶区域可能由同一大分子不同链段组成折叠链晶区 ，亦或不同分子的某些链段组成缨束状晶区。
高分子晶体特点：高分子晶体属于分子晶体的类型 。大分子包含若干链节的链段的规则排列比金属材料的原子排列和无机材料中小分子的排列复杂得多。
高分子晶体的描述及特点：亦用本章前述各种晶体参数描述。但对称性比金属和无机材料差，内含大量非晶区域。晶胞点阵参数和晶面指数的定义欠明确，同质异构变化复杂。
第二章晶体的不完整性。
缺陷：晶体中偏离完整性的区域即造成晶体点阵周期势场畸变的一切因素。
缺陷的特征：缺陷是随着各种条件的改变而不断变动的，有些缺陷可以产生、发展、运动和交互作用，而且能合并和消失。
2-1点缺陷。
一)热缺陷。
弗伦克尔缺陷：原子离开平衡位置后，挤到格子点的间隙中，形成间隙离子，而原来位置上形成空位，成对产生。图2- 1(a)
肖特基缺陷：原子获得较大能量，移到表面外新的位置上去，原来位置则形成空位，空位逐渐转移到内部，体积增加。图2- 1(b)
四)非化学计量结构缺陷。
缺陷的产生：一些易变价的化合物，通过自身的变价（电荷转移），很容易形成空位和间隙原子，造成组成上的非化学计量化，引起了晶体内势场的畸变。
一)热缺陷。
热缺陷是热起伏引起，在热平衡条件下，热缺陷多少仅和温度有关。
缺陷反应：可以用化学反应式，质量作用定律描述。
肖特基缺陷平衡方程：
因为，故此；
若氧化物mo形成肖特基缺陷：
弗伦克尔缺陷平衡方程：
氧化锌在锌蒸气中加热的缺陷反应：
如zn离子化不足，有与实验符。
2-2位错。
位错：原子行列间相互滑移，不再符合理想晶格的有序的排列，为线缺陷。
一)刃型位错。
刃型位错：滑移面和未滑移面交界处的一条交界线，也即一个多余半原子面与滑移面相交的交线上，由于原子失掉正常的相邻关系，形成的晶格缺陷。它与滑移方向垂直。
图2- 6，图2- 8有正、负刃型位错。
(二)螺型位错：滑移面和未滑移面交界处的一条交界线，它所贯穿的一组原来是平行的晶面变成了一个以此为轴的螺旋面，原子失掉正常的相邻关系，形成的晶格缺陷。它与滑移方向平行。
图2- 10，图2- 11有左右旋螺型位错。
三)混合型位错。
位错线既不是平行也不是垂直于滑移方向的特殊情况。
混合型位错：位错线与滑移方向既不平行也不垂直，原子排列介于螺型位错与刃型位错之间。
四)burgers回路与位错的结构特征。
burgers回路：在好区中围绕位错作一闭合回路，回路的每一步，都连接相邻的同类原子，并且始终保持在晶体的好区，这个回路称burgers回路。
burgers矢量：反映含与不含位错的两个晶体的差别，体现实际晶体所含位错根本特征的矢量。为闭合在两种晶体上绕走同样步数而无法闭合的回路所附加的矢量。图2- 16
柏格斯矢量的表示：通常用其沿晶体主轴的分量来表示，如a(010)(图2- 16)或a(100) (图2- 17) 刃型位错与其柏格斯矢量互相垂直，而螺型位错与其柏格斯矢量互相平行。
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