浙大材料科學(xué)基礎(chǔ)課件第一部分

1、材料科學(xué)根底涉及了材料科學(xué)與工程學(xué)科的重要根底理論知識(shí)。從傳統(tǒng)材料及工程的角度看，材料可歸屬于實(shí)驗(yàn)學(xué)科，但是隨著新材料的不斷開(kāi)展，材料學(xué) 科更表現(xiàn)出了它科學(xué)性和綜合性的一面。在當(dāng)今高新技術(shù)的不斷推動(dòng)下，各種新 材料的涌現(xiàn)，要求我們只有在掌握更高深的根底理論及更多學(xué)科綜合知識(shí)的根底 上才有可能了解它和應(yīng)用它。本課程以材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)為主線(xiàn)，從完整晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)直至非晶態(tài)固體， 著 重介紹了包括晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)的不完整性、固溶體和非晶態(tài)固體在內(nèi)的全部 內(nèi)容。并對(duì)固體材料中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和遷移以及晶格振動(dòng)和電子運(yùn)動(dòng)做了一定的闡 述。本課程著重概念的建立和演繹，并介紹了這些根本概念在具體的材料中的應(yīng) 用范例

2、和普適性，與傳統(tǒng)的“材料科學(xué)根底類(lèi)書(shū)籍相比，本課程原那么上摒棄了 原來(lái)以單一材料作為專(zhuān)業(yè)根底時(shí)所建立的一套編排體系，也即摒棄了以金屬、非金屬等單一材料本身進(jìn)行介紹的情況，而以物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)等為新的主線(xiàn)和新觀點(diǎn) 出發(fā)介紹與所有材料相關(guān)的科學(xué)根底問(wèn)題，這更有利于讀者全面了解和掌握整個(gè) 材料的根本科學(xué)問(wèn)題。鑒于材料內(nèi)部的領(lǐng)域交叉已成必然， 本課程有利于拓寬學(xué)生的知識(shí)面，全面 了解材料的根本科學(xué)理論，了解材料的多樣性。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，能大大促 進(jìn)學(xué)生對(duì)材料科學(xué)整體學(xué)科概念的建立和根本理論的掌握， 適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的 開(kāi)展要求，對(duì)認(rèn)識(shí)和掌握材料的內(nèi)在本質(zhì)問(wèn)題有很大的幫助。第一章 晶體結(jié)構(gòu)本章節(jié)包括三局

3、部?jī)?nèi)容§ 1-1 晶體學(xué)根底§1-2 晶體化學(xué)根本原理§ 1-3 典型晶體結(jié)構(gòu)§ 1-1 晶體學(xué)根底為了更有效地使用材料以及開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新材料， 必需了解影響材料性能 的各種因素，掌握提高其性能的途徑。材料性能決定因素： 內(nèi)部微觀構(gòu)造。 研究材料必需從材料內(nèi)部的矛盾性尋找改善和開(kāi)展材料的途徑， 由于 材料的許多特性與結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)，因此，要更深入了解材料，必須首 先掌握材料根本構(gòu)造， 包括原子相互作用和結(jié)合力， 原子分布規(guī)律等固態(tài)材料分類(lèi)： 晶體與非晶體晶體外形： 不一定都是規(guī)那么的，與形成條件有關(guān)晶體特點(diǎn)：原子 或分子 在三維空間作有規(guī)那么的周期性重復(fù)排列。

4、 液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w是突變的，有一定的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)。各向異性晶體又有單晶體和多晶體，有天然和人工之分單晶體： 一個(gè)晶核生長(zhǎng)而成88OOQOOOCOOOOOOOOCOOOGQOoOooSoooOooOoooooa&ooo8§8oaoaooo ocoodo oococoo cx>d doo a§8888888Om8O888Ooooocx?o ocooooocoocao 0000000888038888888888888多晶體：許多不同位相的小晶體組成0808000230000OOQOaooo oosooo 008000 008000a0X3OQOO0非晶體外觀：一種過(guò)

5、冷態(tài)液體，只是物理性質(zhì)不同于通常液體，如玻璃非晶體特點(diǎn)：無(wú)長(zhǎng)程的周期性排列。從液態(tài)到非晶態(tài)固體的轉(zhuǎn)變是逐漸過(guò)渡掌握材料性能，不根據(jù)外觀，必需從原子排列情況確定、空間點(diǎn)陣對(duì)空間點(diǎn)陣的了解是認(rèn)識(shí)和描述晶體的根底，包括以下五個(gè)方面一對(duì)空間點(diǎn)陣的概念的了解二對(duì)晶胞的分析三對(duì)晶系的認(rèn)識(shí)四對(duì)布拉菲點(diǎn)陣掌握五對(duì)晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣關(guān)系的掌握一空間點(diǎn)陣的概念為便于分析研究晶體中原子或分子的排列情況，晶體中原子或分子抽象為規(guī)那么排列幾何點(diǎn)空間點(diǎn)陣：晶體中原子或分子的空間規(guī)那么排列如 錯(cuò)誤!未找到引用源。所示，表現(xiàn)出長(zhǎng)程周期性的特性點(diǎn)陣特點(diǎn)：各陣點(diǎn)為彼此等同的原子群或分子群的中心，周?chē)h(huán)境都相同，在空間的位置一定點(diǎn)

6、陣根本要素：陣點(diǎn)二 晶胞晶胞：點(diǎn)陣中取出的一個(gè)反映點(diǎn)陣對(duì)稱(chēng)性的代表性根本單元 通常取最小平行六面體。在點(diǎn)陣中根本單元選取如 錯(cuò)誤!未找到引用源。所示。為更好表現(xiàn)點(diǎn)陣對(duì)稱(chēng)性，可不取簡(jiǎn)單晶胞，如取體心、面心或底心晶胞晶胞描述：1、晶軸X、Y、Z; 2、點(diǎn)陣常數(shù)a、b、c； 3、晶軸夾角錯(cuò)誤!未找到引用源。晶胞矢量描述:gw ua vb wc式中ruvw為從原點(diǎn)到某一陣點(diǎn)的矢量，u、v、w分別表示沿三個(gè)點(diǎn)陣矢量的平移量，亦即該陣點(diǎn)的坐標(biāo)三晶系晶系：按晶胞外形即棱邊長(zhǎng)度之間的關(guān)系和晶軸夾角情況歸類(lèi)，每一類(lèi)別即一個(gè)晶系晶系只有七種！如表1-1所示表1- 1晶系七種晶系:晶系棱邊長(zhǎng)度及夾角關(guān)系舉例三斜a

7、b c，K2CrO7單斜a b c，-S，CaSO4 2H2O正交a b c，-S，Ga，F(xiàn)e3C六方a1=a2=a3 c，Zn，Cd，Mg，NiAs菱方a=b c，As， Sb， Bi四方a=b c，-Sn，TiO2立方a=b=c，F(xiàn)e， Cd，Cu，Ag，Au四布拉菲點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣可有多少排列形式？按 每個(gè)陣點(diǎn)的周?chē)h(huán)境相同的要求，有：布拉菲點(diǎn)陣：空間點(diǎn)陣的排列形式?？臻g點(diǎn)陣只有14種！如錯(cuò)誤! 未找到引用源。所示14種布拉菲點(diǎn)陣的晶胞：1-簡(jiǎn)單單斜及動(dòng)畫(huà)演示；3-簡(jiǎn)單正交 及動(dòng)畫(huà)演示；5-體心正交及動(dòng)畫(huà)演示；7-簡(jiǎn)單六方 及動(dòng)畫(huà)演示；9-簡(jiǎn)單四方及動(dòng)畫(huà)演示;11-簡(jiǎn)單立方 及動(dòng)畫(huà)演示；13

8、-面心立方及動(dòng)畫(huà)演示14種布拉菲點(diǎn)陣的選取主要是考慮到更好反映晶體對(duì)稱(chēng)性等因素，也有其他的取法，如：六方晶胞：六方點(diǎn)陣取的棱柱形晶胞。也可取成如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示的平行六面體，但這樣顯示不出此點(diǎn)陣的對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)與六方晶胞相同，體心立方晶胞可用初級(jí)晶胞 三斜來(lái)表示，面心立 方晶胞也可用菱形來(lái)表示見(jiàn)錯(cuò)誤!未找到引用源。，其缺點(diǎn)是它們的 高度對(duì)稱(chēng)性得不到反映，故一般不采用這樣的表示方法。五晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣區(qū)別：空間點(diǎn)陣是晶體質(zhì)點(diǎn)排列幾何學(xué)抽象，描述周期性和對(duì)稱(chēng)性，由于各陣點(diǎn)的周?chē)h(huán)境相同，它只可 能有14種類(lèi)型；晶體結(jié)構(gòu)是指晶體中原子包括同類(lèi)的或異 類(lèi)的原子或分子的具體排列情況

9、，它們能組成各類(lèi)型排列， 因此可能存在的晶體結(jié)構(gòu)是無(wú)限的晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣的關(guān)聯(lián)：晶體結(jié)構(gòu)按其原子或分子排列的周期 性和對(duì)稱(chēng)性歸屬于14種空間點(diǎn)陣中的一種。不同結(jié)構(gòu)可屬同 一點(diǎn)陣，相似結(jié)構(gòu)又可能屬不同點(diǎn)陣。如錯(cuò)誤!未找到引用源。 為具有相同點(diǎn)陣的晶體結(jié)構(gòu)示意、 錯(cuò)誤!未找到引用源。那么為 晶體結(jié)構(gòu)相似而點(diǎn)陣不同的情況特殊空間點(diǎn)陣確定：考慮周?chē)h(huán)境相同，確定陣點(diǎn)可幾個(gè)原子共 同組成。如圖1-7為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，密排六方結(jié)構(gòu)由 0,0,0和2/3,1/3,1/2 兩原于為陣點(diǎn)組成簡(jiǎn)六方點(diǎn)陣空間格子符號(hào)：表示14種空間點(diǎn)陣。如最簡(jiǎn)單格子，為原始格子，符號(hào)P晶族：表示晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性咼低。如立方晶系，屬咼級(jí)晶族表1-2空間點(diǎn)陣、晶系與晶族序號(hào)點(diǎn)陣類(lèi)型符號(hào)晶系晶族序號(hào)點(diǎn)陣類(lèi)型符號(hào)晶系晶族1簡(jiǎn)單三斜P(pán)三斜低級(jí) 晶族8簡(jiǎn)單六方P六方中級(jí)晶族2簡(jiǎn)單單斜P(pán)單斜9菱形三角R菱方3底心單斜C10簡(jiǎn)單四方P四方正方4簡(jiǎn)單正交P正交11體心四方I5底心正交C12簡(jiǎn)單立方P立方高級(jí)晶族6體心正交I13體心立方I7面心正交F14面心立方F、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)在分析研