晶態(tài)和非晶態(tài)

晶態(tài)和非晶態(tài)第一頁，共五十頁，2022年，8月28日2.1晶體特征的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)晶態(tài)物質(zhì)有別于氣體、液體的最典型特征是具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，正是由于本身結(jié)構(gòu)的特殊性，使晶體呈現(xiàn)出與其它物質(zhì)完全不同的特殊性質(zhì)。第二頁，共五十頁，2022年，8月28日１、晶體的均勻性

由于晶體中原子排布的周期性規(guī)則，同時該周期非常小，在宏觀觀察中不能分辨出晶體微觀結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)性，從而導(dǎo)致了晶體各部分具有相同的密度、化學(xué)組成等性質(zhì)。因此，從宏觀角度看，晶體具有均勻性。氣體、液體和玻璃體也有均勻性，但那是由于原子雜亂無章的分布，即它們的均勻性來源于原子的無序分布的統(tǒng)計性規(guī)律。兩者之間有著實(shí)質(zhì)的不同。

晶體的均勻性是焓因素決定的；非晶體的均勻性是由熵因素引起的。第三頁，共五十頁，2022年，8月28日２、晶體的各向異性

由于晶體在各個方向上的點(diǎn)陣向量不同，導(dǎo)致了晶體在不同方向上具有不同的物理性質(zhì)，即各向異性。最重要的各向異性包括電導(dǎo)率、膨脹系數(shù)、折光率、機(jī)械強(qiáng)度等。第四頁，共五十頁，2022年，8月28日３、晶體的自范性在適宜的外界條件下，晶體能自發(fā)生長出晶面，晶棱等幾何元素所轉(zhuǎn)成的凸多面體，晶體的這一性質(zhì)即為晶體的自范性。在理想的環(huán)境中，晶體可以生長成凸多面體，此凸多面體的晶面數(shù)(F)、晶棱數(shù)(E)和頂點(diǎn)數(shù)(V)之間的關(guān)系符合下式：Ｆ＋Ｖ＝Ｅ＋２如：四面體：Ｆ＝４，Ｖ＝４，Ｅ＝６八面體：Ｆ＝８，Ｖ＝６，Ｅ＝１２三角雙錐：？第五頁，共五十頁，2022年，8月28日

晶體的外形既受內(nèi)部結(jié)構(gòu)（點(diǎn)陣排列方式）制約，又在一定程度上受外因（溫度、壓力、濃度、雜質(zhì)）的影響。但同一種晶體的每兩個相應(yīng)界面的夾角是不受外界條件的影響，保持恒定不變。這個規(guī)律稱為“晶面角守恒定律”非晶體如玻璃體在從液相冷卻時，形成的固體表面圓滑，沒有固定的外形。第六頁，共五十頁，2022年，8月28日４、晶體的熔點(diǎn)晶體在受到熱作用時，溫度升高，組成晶體的點(diǎn)陣上的原子或原子團(tuán)而因振動加劇，當(dāng)此振動的能量（平動和轉(zhuǎn)動）達(dá)到晶格能（晶格對原子的束縛）時，晶體的結(jié)構(gòu)被破壞，晶體開始熔化。因晶體中各原子所處的環(huán)境相同，所以熔化的溫度也相同。所以晶體有一定的熔點(diǎn)，即在一特定的溫度下完全熔化。而非晶體由于各質(zhì)點(diǎn)的環(huán)境不同，原子或原子團(tuán)所受的約束力不同。受約束力小的部分在較低溫度下開始熔化，而受約束力大的部分此時仍不能自由運(yùn)動，以固體形態(tài)存在。第七頁，共五十頁，2022年，8月28日固體材料的升溫和降溫曲線第八頁，共五十頁，2022年，8月28日５、晶體的對稱性晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)決定了晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和理想外形都具有對稱性。理想外形的對稱性屬于宏觀對稱性；內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對稱性屬于微觀對稱性。第九頁，共五十頁，2022年，8月28日2.2非整比化合物材料當(dāng)晶體中出現(xiàn)空位或填隙原子,從而使化合物的成份偏離整數(shù)比，這在晶體中是很普遍的現(xiàn)象。有這種現(xiàn)象的晶體被稱為非整比化合物，即晶體的組成中各類原子的相對數(shù)目不能用幾個小整數(shù)比表示的化合物。非整比化合物在光學(xué)性能、半導(dǎo)體性、金屬性、磁性及化學(xué)反應(yīng)活性等方面與整比化合物有很大的差異和特點(diǎn)。因而成為重要的固體材料。第十頁，共五十頁，2022年，8月28日產(chǎn)生非整比化合物的情況有以下幾類：1、某種原子過多或短缺如氧化亞鐵，通常它的化學(xué)式可寫為Fe1-xO,晶體中部分Fe2+被氧化成三價（Fe3+），從而使Fe:O的比值在1:1~2:3之間發(fā)生變化。又如當(dāng)將ZnO在1000K以上置于金屬鋅蒸汽環(huán)境中可形成Zn1＋δO的半導(dǎo)體材料，同時晶體的顏色也從白色轉(zhuǎn)化為紅色。第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日2、層間嵌入某些離子、原子或分子某些層狀晶體層間是以VanDeWauls力結(jié)合，容易在層間插入原子或分子材料，從而形成非整比化合物。3、晶體吸收某些小原子氫等原子半徑較小的離子或原子可以和許多過渡金屬形成可變的間隙型化合物，如PdHx、Ni5Hx等。這些氫化物可以可逆地分解，從而恢復(fù)到金屬和氫氣狀態(tài)，因此是很好的儲氫材料。此外，Li、Be等原子或離子的半徑也足夠小，可形成間隙型化合物。第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日2.3液晶材料

1888年奧地利植物學(xué)家F.Reinitzer首先發(fā)現(xiàn)了液晶現(xiàn)象，但液晶技術(shù)和液晶材料直到20世紀(jì)50年代以后，隨著人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究的飛躍發(fā)展，逐漸加深了結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的了解，才使探索液晶奧秘的研究出現(xiàn)了重大突破，也在實(shí)際應(yīng)用中取得了可喜進(jìn)展。第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日1、液晶和塑晶通常物質(zhì)有固、液、氣三種狀態(tài)，但對有些物質(zhì)，它們的固態(tài)和液態(tài)就很難區(qū)分（就像超臨界狀態(tài)中氣、液態(tài)不分）。存在許多中間狀態(tài)，晶體和液體之間存在著兩種中間狀態(tài)，類似晶體的液體和類似液體的晶體，分別稱為液晶和塑晶。第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日在晶體和液體之間出現(xiàn)中間狀態(tài)是因?yàn)榫w熔化時會產(chǎn)生兩種無序運(yùn)動：平動和轉(zhuǎn)動。絕大多數(shù)晶體在溫度升高后，同時產(chǎn)生平動無序和轉(zhuǎn)動無序。具體表現(xiàn)為晶格消失，發(fā)生熔化現(xiàn)象。但有一些材料，這兩種作用并非同時產(chǎn)生，其中一種運(yùn)動比另一種運(yùn)動相對容易，因而出現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的中間狀態(tài)。第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日當(dāng)晶體先失去平移對稱性的特點(diǎn)，即晶體點(diǎn)陣上的質(zhì)點(diǎn)可以自由運(yùn)動，物理性質(zhì)上就變成了液體；液晶就屬于這種情況。當(dāng)晶體先開始轉(zhuǎn)動無序，這時各質(zhì)點(diǎn)依然保持平移對稱性，也保持了固體的形態(tài)，只有在溫度進(jìn)一步升高后，發(fā)生了平移無序，此時晶體才真正熔化。在這段溫度范圍內(nèi)的材料稱為塑晶。第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日一些有機(jī)化合物晶體在加熱過程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一溫度Ｔ１時，熔化成黏稠狀稍呈混濁的液體。繼續(xù)加熱到更高溫度Ｔ２時，將會變?yōu)橥该饕后w。以偏光顯微鏡觀察，在上述溫度區(qū)間Ｔ１~Ｔ２內(nèi)液體有明顯的紋理，呈光學(xué)的各向異性，稱之為液晶。而塑晶能在恒定的溫度下貯存熱量或放熱。但此過程不是依靠固~液相變貯熱，而是通過分子構(gòu)型的變化所發(fā)生的固~固相變貯熱。第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日２、液晶的特性液晶是一種介于固體與液體之間的物質(zhì)狀態(tài)，同時具有液體的流動性和晶體的各向異性。如光學(xué)、介電常數(shù)、折射率等。液晶雖然不再有平移對稱性這一晶體特征，但是由于分子仍以平行方式排列，沿某一方向具有晶體的長程有序特點(diǎn)。第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日

并非所有的有機(jī)化合物分子都具有液晶態(tài)，只有那些形狀類似棒狀，長寬比在４~８之間，分子量為200~500，長度達(dá)幾個納米的分子才會出現(xiàn)液晶形態(tài)。進(jìn)而在液晶狀態(tài)出現(xiàn)多種特殊的性質(zhì)和應(yīng)用價值。液晶最常見的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楦鞣N液晶顯示器。第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日液晶的分類液晶的分類有幾種方法，以相對分子量的大小，液晶可分為低分子液晶和高分子液晶；按形成液晶的條件，可分為熱致性液晶、溶致性液晶、壓致性液晶和流致性液晶四大類。溶致性液晶是由于溶液濃度的改變導(dǎo)致液晶的形成。一般是雙親化合物與極性溶劑組成的二元、多元體系。熱致性液晶是由于溫度變化時形成的液晶物質(zhì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同，熱致性液晶主要可分為以下三種不同相液晶。第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日（１）向列相（型）nematic液晶分子的重心在空間是隨機(jī)分布的，但分子的長軸沿一個方向排列是液晶稱為相列型液晶。目前生產(chǎn)顯示品的液晶材料主要是向列型液晶；（２）近晶相（型）smectic液晶近晶相液晶分子呈層狀排列，具有二維空間規(guī)則性，層內(nèi)分子長軸大致垂直于層面方向，質(zhì)心無序，分子間作用力強(qiáng)于層間作用力。特點(diǎn)是粘度大，不得于作顯示器材料。這種液晶多用于光記憶材料；第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日（３）膽甾相cholestic液晶膽甾相液晶中分子按層狀排列，長軸平行于層面方向，質(zhì)心無序。相鄰兩層內(nèi)分子長軸有一定的角度，呈螺旋型。其螺旋周期稱為螺距。一般膽甾相液晶分子中有手性或不對稱碳原子。通常這類液晶材料用于溫度傳感器材料。第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日３、液晶材料液晶不但可以由某些有機(jī)化合物加熱熔化后生成，也可用某些有機(jī)化合物在一定的溶劑中溶解后生成，構(gòu)成液晶材料的物質(zhì)應(yīng)滿足以下三個基本要求：（１）分子結(jié)構(gòu)形狀為棒狀或平面狀，結(jié)構(gòu)中具有剛性的雙鍵或叁鍵，易形成共軛體系，分子不易彎曲；（２）分子有極性，使分子可保持取向有序；（３）適當(dāng)?shù)拈L寬比，在１:４時最易形成液晶。第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日4、液晶顯示技術(shù)第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日2.4玻璃與陶瓷1、晶態(tài)材料與非晶態(tài)材料的異同晶體和非晶體都是真實(shí)的固體，其內(nèi)部的原子都處于完全確定的平衡位置附近，并在平衡位置周圍作振動運(yùn)動。它們都具有固體的基本屬性，即宏觀表現(xiàn)為連續(xù)剛體，不流動并有確定的形狀，具有彈性硬度，可反抗切應(yīng)力等性質(zhì)。與之相對應(yīng)的氣體和液體中的原子可以自由地作長距離的平移運(yùn)動。第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日

晶體與非晶態(tài)固體的根本區(qū)別，在于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，以及因此而生的對稱性、Ｘ射線的衍射效應(yīng)。晶體結(jié)構(gòu)的周期性表現(xiàn)為長程有序。非晶態(tài)固體則是一種長程無序結(jié)構(gòu)，這種無序可表現(xiàn)為兩種形式：一為組成粒子在空間位置上的排列無序；二是多元體系中不同組分無規(guī)則地隨機(jī)分布，也稱成分無序。但是在非晶態(tài)固體中存在著短程有序，即在每個粒子的近鄰的排列有規(guī)則性，在這個小范圍內(nèi)較好地保留了相應(yīng)的晶態(tài)材料中的配位狀況。第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日利用X衍射線的峰形數(shù)據(jù)，能夠測定粉未材料中平均晶粒大小的數(shù)據(jù)，當(dāng)晶粒粒徑小于200nm時，衍射峰開始變寬，晶粒越小，寬化越多，當(dāng)粒徑小于幾個納米時，衍射峰消失在背底之中。晶粒大小和衍射峰的關(guān)系如下：D＝Kλ/（B－B0）cosθ式中：D是晶粒粒徑；λ是X射線波長；K為一固定常數(shù)數(shù)值約為0.9；B0為晶粒較大時衍射線半高寬，B為待測樣品衍射線半高寬（2θ標(biāo)度的峰），B－B0要以弧度表示。第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日2、玻璃

玻璃是高溫下熔融，熔融體在冷卻過程中黏度逐漸增大、不析晶、室溫下保持熔體結(jié)構(gòu)的非晶固體。玻璃是一種古老的材料，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對玻璃的認(rèn)識不斷加深，使玻璃的應(yīng)用也更加廣泛。第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日⑴玻璃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無長程周期性，像液體一樣，因此可以將玻璃看作是過冷液體。對于玻璃的結(jié)構(gòu)理論，主要有無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說和晶子學(xué)說。第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說：認(rèn)為玻璃的結(jié)構(gòu)中包含許多小的結(jié)構(gòu)單位，（如SiO2玻璃中由中心硅原子與四角的４個氧原子通過共價鍵結(jié)合而成的硅氧四面體結(jié)構(gòu)）這些小結(jié)構(gòu)單位之間可以彼此鍵合形成鏈狀或在其它金屬離子的鍵合作用下形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。晶子學(xué)說：認(rèn)為玻璃由無數(shù)“晶子”組成，帶有點(diǎn)陣變形的有序排列區(qū)域，這些晶子分散在無定形介質(zhì)中，晶子區(qū)到無定形區(qū)無明顯界限。第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日⑵玻璃的特性①沒有固定的熔點(diǎn)：當(dāng)對玻璃加熱時，只有一個從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變至軟化的連續(xù)變化的溫度范圍；②各向同性：由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，玻璃在力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等中表現(xiàn)各向同性；③內(nèi)能高：與晶體相比，玻璃具有較高的內(nèi)能，在一定條件下可以自動析出晶體；④沒有晶界：與陶瓷等到多晶材料或?qū)\晶等晶體不同，玻璃中不存在晶粒或晶界；⑤無固定形態(tài)：可按制作要求改變其形態(tài)；⑥性能可設(shè)計性：通過調(diào)整成分及提純、摻雜、表面處理及微晶化等技術(shù)改變強(qiáng)度、耐溫等性能。第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日⑶結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系玻璃的性質(zhì)有兩個最大的特點(diǎn)，即透明和易碎。這是與其結(jié)構(gòu)特征緊密相關(guān)的。

玻璃的透明性的主要原因是結(jié)構(gòu)中最高占有軌道和最低空軌道的能級差別大，不能發(fā)生對可見光的吸收而產(chǎn)生電子躍遷的現(xiàn)象。其次，玻璃內(nèi)部質(zhì)地均勻，無反射面，光線通過不會反射和折射，因此玻璃與液體的透明的原因是完全相同的。而多晶材料，如金屬單質(zhì)，其中的微小晶粒取向各異，當(dāng)光線通過晶粒界面時，會受到各個晶面的反射和折射，使光線不能通過而成為不透明體。第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日玻璃的易碎性主要是因?yàn)樵谄鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)中缺少滑動面，缺少可變形性質(zhì)。玻璃的最大拉伸率僅為0.1%，當(dāng)玻璃受到?jīng)_擊或振動超過它的應(yīng)變極限時，就會發(fā)生破裂。第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日⑷玻璃的分類及應(yīng)用第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日①氧化物玻璃：由電負(fù)性居中的元素的氧化物組成的玻璃材料。這些元素的電正性不足以生成離子型化合物，也不足以生成共價性小分子結(jié)構(gòu)。它們的化合物在結(jié)構(gòu)上多呈三維多聚結(jié)構(gòu)。②金屬玻璃：當(dāng)將金屬熔體以足夠快的速度冷卻時，熔體達(dá)到凝固溫度時，其內(nèi)部原子還未來得及按晶格規(guī)律排列就被凍結(jié)在其所處位置，從而形成玻璃體。不同金屬形成金屬玻璃所需的冷卻速率是不相同的，一般過渡金屬合金約106℃?s-1，純金屬則需1010℃?s-1以上的冷卻速率。第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日③半導(dǎo)體玻璃：半導(dǎo)體玻璃又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體，是非晶態(tài)半導(dǎo)體功能材料研究中一個相當(dāng)活躍的領(lǐng)域。非晶態(tài)半導(dǎo)體材料有許多分類方法，按原子間的結(jié)合力分有離子鍵材料和共價鍵材料；也可按配位數(shù)分類。半導(dǎo)體玻璃廣泛應(yīng)用于光敏器件、發(fā)光材料、場效應(yīng)器件、熱敏器件、電子開關(guān)等方面。第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日④特種玻璃：普通玻璃是根據(jù)玻璃的性能和用途要求，設(shè)計玻璃的成分，選擇合適的原料制成混合料，經(jīng)高溫熔融、澄清、均化形成熟度較大的熔體，在常規(guī)條件下再經(jīng)壓、吹、拉等工藝成型，最后經(jīng)冷卻、退火而制得。⑤微晶玻璃：制造玻璃時，在配料中添加金屬氧化物作晶核，在熔制和冷卻過程中，晶核長成微小晶粒，形成微晶玻璃。由于微晶粒的反射，這種微晶玻璃透光而不透明，并具有抗震抗擊，耐熱驟變而不易破碎和性能。第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日⑥紅外玻璃：一定的紅外波段有高透光率的玻璃材料，常用于導(dǎo)彈的制導(dǎo)和微光夜視。⑦激光玻璃：硅酸鹽、磷酸鹽等玻璃中添加釹、鉺等激活離子可制成激光玻璃材料。⑧吸熱玻璃：透過可見光吸收紅外熱輻射，建筑、汽車玻璃材料，改善采光色調(diào)、節(jié)約能源和裝飾。硅酸鹽、磷酸鹽等玻璃中添加鐵、鈷、鎳、銅、鋅等元素的氧化物可制成這種玻璃。⑨化學(xué)器皿玻璃：化學(xué)實(shí)驗(yàn)玻璃儀器材料，膨脹系數(shù)小、耐熱。在SiO2、B2O3、和少量Al2O3等熔制。第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日３、陶瓷陶瓷是指通過燒結(jié)形成的包含有玻璃相和結(jié)晶相的特征的無機(jī)材料。陶瓷在燒結(jié)過程中，部分熔融成玻璃態(tài)，通過玻璃態(tài)物質(zhì)將微小的石英和其他氧化物晶體實(shí)現(xiàn)包裹結(jié)合而形成。陶瓷包括陶器和瓷器，陶器是多孔透氣、強(qiáng)度較低的材料，瓷器是加了釉層、質(zhì)地致密而不透氣的、強(qiáng)度較高的材料（產(chǎn)品）。第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日以高嶺土燒結(jié)制備陶瓷為例，其燒結(jié)過程的化學(xué)反應(yīng)如下：高嶺土在制坯時沒有發(fā)生化學(xué)變化，燒成時，首先脫去結(jié)晶水，然后氧化物重新組合成為新的礦物結(jié)構(gòu)。生成的莫來石是傳統(tǒng)陶瓷的主要成分。第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日⑴陶瓷的性能①力學(xué)性能：耐磨性，常用作研磨材料、切削工具、機(jī)械密封件。高強(qiáng)度難變形性，可以制作精密結(jié)構(gòu)部件如主軸和軸承等。超高硬度，可作切削工具，巖石鉆頭等。第四十四頁，共五十頁，2022年，8月28日②熱學(xué)性能：耐熱性：氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等的陶瓷材料熔點(diǎn)高、耐腐蝕可制作陶瓷發(fā)動機(jī)部件；隔熱性：大多數(shù)陶瓷具有優(yōu)良的隔熱性，可作熱絕緣材料和高溫保溫材料；導(dǎo)熱性：有些陶瓷材料如氧化鋁、碳化硅等有良好的導(dǎo)熱性，可作超大規(guī)模集成電路的基板。③光學(xué)性能：透光性：制作電光源發(fā)光管，透明電極等；偏光透光性：鋯鈦酸鉛鑭陶瓷具有偏光透光性，可制作光開關(guān)、護(hù)目鏡等。第四十五頁，共五十頁，2022年，8月28日④電學(xué)和磁學(xué)性能絕緣性：大多數(shù)陶瓷具有優(yōu)良的絕緣性，可用來制作電器元件；導(dǎo)電性：氧化鋯和碳化硅等陶瓷材料可制作磁流發(fā)電電極，電阻發(fā)熱體等；離子導(dǎo)電性：可制作固體電解質(zhì)和敏感元件；壓電性：鋯鈦酸鉛陶瓷可制作點(diǎn)火元件、壓電換能器和濾波器等；介電性：可制作電容器；磁性：各種鐵氧體陶瓷材料為常用的磁性材料。第四十六頁，共五十頁，2022年，8月28日⑵陶瓷的應(yīng)用陶瓷是最重要的無機(jī)非金屬材料,先進(jìn)陶瓷材料則專指用精制高純?nèi)斯ず铣傻臒o機(jī)化合物為原料,采用精密控制工藝成型燒結(jié)制成的高性能陶瓷，在性能和應(yīng)用上與用天然無機(jī)原料燒結(jié)的傳統(tǒng)陶瓷是有非常大的區(qū)別。先進(jìn)陶瓷大致可分為兩種：結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷。作為結(jié)構(gòu)材料，陶瓷與金屬或高分子材料相比，它的高溫力學(xué)性能更加優(yōu)異；作為功能材料，功能陶瓷所特有的光、電、聲