材料科學(xué)基礎(chǔ)課件

緒論—材料引言什麼是材料?

材料與人類文明什麼是材料科學(xué)？0.1材料分類0.2組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間的關(guān)係

什麼是材料?世界萬物，凡於我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來製作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在於我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料與人類文明

材料是人類文明、社會進步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當時的主導(dǎo)材料作為時代的標誌，稱其為石器時代、青銅器時代和鐵器時代。在近代，材料的種類及其繁多，各種新材料不斷湧現(xiàn)，很難用一種材料來代表當今時代的特徵。

第一次產(chǎn)業(yè)革命的突破口是推廣應(yīng)用蒸汽機，但只有在開發(fā)了鐵和銅等新材料以後，蒸汽機才得以使用並逐步推廣。第二次產(chǎn)業(yè)革命一直延續(xù)到20世紀中葉，以石油開發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展飛機、汽車和其他工業(yè)，支持這個時期產(chǎn)業(yè)革命的仍然是新材料開發(fā)。如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料的發(fā)展。

材料是當代文明的三大支柱之一材料、能源、資訊是當代社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱，是人類社會進步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。

材料是全球新技術(shù)革命的四大標誌之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、資訊技術(shù)、生物技術(shù)）。什麼是材料科學(xué)？

材料科學(xué)是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學(xué)、動力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化工為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，它運用電子顯微鏡、X-射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、製備工藝和加工使用過程與其機械、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門學(xué)科。

按物理性質(zhì)可分為：導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、透光材料、高強度材料、高溫材料、超硬材料等。按物理效應(yīng)分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線性光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、鐳射材料等。按用途分為：電子材料、電工材料、光學(xué)材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建築材料、結(jié)構(gòu)材料、包裝材料等。0.1.1

按化學(xué)組成（或基本組成）分類：1.金屬材料2.無機非金屬材料3.高分子材料（聚合物）4.複合材料1.金屬材料

金屬材料是由化學(xué)元素週期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。

在103種元素中，除He,Ne,Ar等6種惰性元素和C、Si、N等16種非金屬元素外，其餘81種為金屬元素。除Hg之外，單質(zhì)金屬在常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在力學(xué)性質(zhì)方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐衝擊性。合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質(zhì)。合金的性質(zhì)與組成合金的各個相的性質(zhì)有關(guān)，同時也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分佈有關(guān)。合金又分為固溶體和金屬間化合物。當金屬的晶體結(jié)構(gòu)保持溶劑組元的晶體結(jié)構(gòu)時，這種合金稱為一次固溶體或端際固溶體，簡稱為固溶體。金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素之間形成合金時，除固溶體外，還可能形成金屬間化合物。

合金中的固溶體：根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶體結(jié)構(gòu)中的位置，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。在置換固溶體中，溶質(zhì)原子位於溶劑晶體結(jié)構(gòu)的晶格格點上；在間隙固溶體中，溶質(zhì)原子位於溶劑晶體結(jié)構(gòu)的晶格間隙。溶質(zhì)原子在固溶體中的分佈可以是隨機的，即呈統(tǒng)計分佈；也可以是部分有序或完全有序，在完全有序固溶體中，異類原子趨於相鄰，這種結(jié)構(gòu)亦稱為超點陣或超結(jié)構(gòu)。此外，合金中溶質(zhì)原子還可能形成叢聚，即同類原子趨於相鄰。叢聚可以呈隨機彌散分佈。事實上，實驗中還沒有見到溶質(zhì)原子呈完全隨機分佈的固溶體。因此，只能在宏觀尺度上認為處於熱力學(xué)平衡態(tài)的固溶體是真正均勻的，而原子尺度上並不要求它也是均勻的。不同類型固溶體中原子排列情況示於圖0.1。

圖0.1不同類型固溶體中原子排列示意圖

（a）隨機置換固溶體（b）有序置換固溶體（c）隨機間隙固溶體（d）固溶體中的溶質(zhì)叢聚合金中的金屬間化合物：

金屬間化合物可分為三類，即由負電性決定的原子價化合物（簡稱價化合物）、由電子濃度決定的電子化合物（亦稱為電子相）以及由原子尺寸決定的尺寸因素化合物。除了這三類由單一元素決定的典型金屬間化合物外，還有許多金屬間化合物，其結(jié)構(gòu)由兩個或多個因素決定，稱之為複雜化合物。2.

無機非金屬材料

無機非金屬材料是由矽酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、矽化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝製備而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總稱。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。無機非金屬材料種類繁多，用途各異，目前還沒有統(tǒng)一完善的分類方法。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進的）無機非金屬材料兩大類。

傳統(tǒng)的無機非金屬材料主要是指由SiO2及其矽酸鹽化合物為主要成分製成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、雲(yún)母、大理石等）也屬於傳統(tǒng)的無機非金屬材料。先進（或新型）無機非金屬材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、矽化物以及各種無機非金屬化合物經(jīng)特殊的先進工藝製成的材料。主要包括先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機塗層、無機纖維等。陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類，即普通陶瓷和特種陶瓷。根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷製品可分為陶器和瓷器。傳統(tǒng)的無機非金屬材料之一：陶瓷普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混練、成型、煆燒等過程而製成的各種製品。包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建築陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其他工業(yè)用陶瓷。見表0-1。表0-1普通陶瓷的分類方法

特種陶瓷是用於各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷製品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要用於耐磨損、高強度、耐高溫、耐熱衝擊、硬質(zhì)、高剛性、低膨脹、隔熱等場所。功能陶瓷主要包括電磁功能、光學(xué)功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。常見高溫結(jié)構(gòu)陶瓷包括：高熔點氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、矽化物。功能陶瓷包括:裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱為鐵氧體）、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷（又稱為敏感陶瓷）、熱學(xué)功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學(xué)功能陶瓷（多孔陶瓷載體等）、生物功能陶瓷等。根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷製品可分為陶器和瓷器，見表0-2。陶器包括粗陶器、普陶器和細陶器。陶器的坯體結(jié)構(gòu)較疏松，致密度較低，有一定吸水率，斷口粗糙無光，沒有半透明性，斷面成面狀或貝殼狀。吸水率（%）特徵陶器粗陶器>15不時施釉，製作粗糙普通陶器≤12斷面顆粒較粗，氣孔較大，表面施釉，製作不夠精細細陶器 ≤15斷面顆粒較細，氣孔較小，施釉或不施釉，製作不夠精細瓷器炻瓷器≤3透光性差，通常胎體較厚，呈色，斷口呈石狀，製作精細普通瓷器≤1有一定透光性，斷而呈石狀或貝殼狀，製作精細細瓷器≤0.5透光性好，斷面細膩，呈貝殼狀，製作精細性質(zhì)及特征類別表0-2中國日用瓷分類標準傳統(tǒng)的無機非金屬材料之二：玻璃玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)路的組分不同可分為矽酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)路形成劑分為SiO2、B2O3和P2O5。習(xí)慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃和特種玻璃兩大類。普通玻璃是指採用天然原料，能夠大規(guī)模生產(chǎn)的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建築玻璃、微晶玻璃、光學(xué)玻璃和玻璃纖維等。

特種玻璃（亦稱為新型玻璃）是指採用精製、高純或新型原料，通過新工藝在特殊條件下或嚴格控制形成過程製成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特種玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的矽酸鹽玻璃、非矽酸鹽氧化物玻璃（硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、碲酸鹽、鋁酸鹽及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（鹵化物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等）以及光學(xué)纖維等。根據(jù)用途不同，特種玻璃分為防輻射玻璃、鐳射玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線性光學(xué)玻璃和光纖玻璃等。傳統(tǒng)的無機非金屬材料之三：水泥水泥是指加入適量水後可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，並能夠?qū)⑸?、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的細粉狀水硬性材料。水泥的種類很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類；按其所含的主要水硬性礦物，水泥又可分為矽酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分的水泥。目前水泥品種已達一百多種。通用水泥為大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如矽酸鹽水泥、普通矽酸鹽水泥、礦渣矽酸鹽水泥、火山灰質(zhì)矽酸鹽水泥、粉煤灰矽酸鹽水泥和複合矽酸鹽水泥等。專用水泥指有專門用途的水泥，如油井水泥、砌築水泥等。特性水泥則是某種性能比較突出的一類水泥，如快硬矽酸鹽水泥、抗硫酸鹽矽酸鹽水泥、中熱矽酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應(yīng)力鋁酸鹽水泥等。傳統(tǒng)的無機非金屬材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低於1580℃的無機非金屬材料。它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料。儘管各國對其定義不同，但基本含義是相同的，即耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，並能承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機械作用。大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、矽石、菱鎂礦、白雲(yún)母等）為原料製造的。按礦物組成分為氧化矽質(zhì)、矽酸鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、白雲(yún)石質(zhì)、橄欖石質(zhì)、尖晶石質(zhì)、含碳質(zhì)、含鋯質(zhì)耐火材料及特殊耐火材料；按製造方法分為天然礦石和人造製品；按形狀分為塊狀製品和不定形耐火材料；按熱處理方式分為不燒制品、燒成製品和熔鑄製品；按耐火度分為普通、高級及特級耐火製品；按化學(xué)性質(zhì)分為酸性、中性及鹼性耐火材料；按密度分為輕質(zhì)及重質(zhì)耐火材料。按製品的形狀和尺寸可分為標準磚、異型磚、特異型磚、管和耐火器皿等。按應(yīng)用分為高爐用、水泥窯用、玻璃窯用、陶瓷窯用耐火材料等等。3.有機高分子材料（高聚物）高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料來源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑膠和膠粘劑等。橡膠的特點是室溫彈性高，即使在很小的外力作用下，也能產(chǎn)生很大的形變（可達1000%），外力去除後，能迅速恢復(fù)原狀。其彈性模量小，約105~104Pa。常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和矽橡膠等。纖維的彈性模量較大，約109~1010Pa。受力時，形變不超過百分之二十。纖維大分子沿軸向作規(guī)則排列，其長徑比較大，在較廣的溫度範圍（-50~150℃）內(nèi)，機械性能變化不大。常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等。塑膠的彈性模量介於橡膠和纖維之間，約107~108Pa。溫度稍高些，受力形變可達百分之幾至幾百。有些塑膠的形變是可逆的，有些塑膠的形變是永久的。

根據(jù)塑膠受熱時行為的不同，分為熱塑性和熱固性塑膠兩類。前者受熱時可以塑化和軟化，冷卻時則凝固成形，再加熱又可塑化軟化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都屬於此類；後者在受熱時可塑化和軟化，並通過化學(xué)反應(yīng)，使之固定成型，但冷卻後不能再加熱軟化，酚醛塑料和脲醛塑膠就屬此類。膠粘劑是指在常溫下處於粘流態(tài)，當受到外力作用時，會產(chǎn)生永久變形，外力撤去後又不能恢復(fù)原狀的高聚物。有時把聚合後未加工成型的高聚物稱為樹脂，以區(qū)分加工後的塑膠或纖維製品，如電木未固化前稱酚醛樹脂，滌綸纖維未紡織前稱滌綸樹脂。4.複合材料複合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。複合材料是多相材料，主要包括基本相和增強相?；w相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強相材料固結(jié)成一體，並起傳遞應(yīng)力的作用；增強相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)複合材料）和顯示功能（功能複合材料）的作用。複合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過複合效應(yīng)使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。複合材料的種類繁多，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法，下麵根據(jù)複合材料的三要素來分類。按基體材料分類，有金屬基複合材料，陶瓷基複合材料，水泥、混凝土基複合材料，塑膠基複合材料，橡膠基複合材料等；按增強劑形狀可分為粒子、纖維及層狀複合材料；依據(jù)複合材料的性能可分為結(jié)構(gòu)複合材料和功能複合材料。0.1.2根據(jù)材料的性能分類

根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的回應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能（強度和韌性等），用於結(jié)構(gòu)目的的材料。這種材料通常用來製造工具、機械、車輛和修建房屋、橋樑、鐵路等。是人們熟悉的機械製造材料、建築材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑膠等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級結(jié)構(gòu)材料。功能材料是具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用於非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。0.1.3

材料按服役的領(lǐng)域來分類

根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為資訊材料、航空航太材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。資訊材料是指用於資訊的探測、傳輸、顯示、運算和處理的光電資訊材料。資訊材料主要包括資訊的監(jiān)測和傳感（獲?。┎牧?、資訊的傳輸材料、資訊的存儲材料、資訊的運算和處理材料。航空航太材料主要包括新型金屬材料（如先進鋁合金、超高強度鋼、高溫合金、高熔點合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型複合材料。此外，還包括一些功能材料，如塗層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、粘合劑材料等。這些材料大部分屬於高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金屬材料。能源材料是指能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚變堆材料、太陽能電池（單晶矽、多晶矽、非晶矽等）；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超導(dǎo)材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲氫材料，以及高比能電池（如鈉硫電池）等。目前鈉硫電池的比能量達137W.h/Kg，而鉛蓄電池的比能量只有30W.h/Kg。

生物醫(yī)用材料是一類合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的複合，它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內(nèi)治療、增強或替換機體的組織、器官或功能。醫(yī)用金屬及合金醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，已被廣泛用於韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復(fù)和製造。

醫(yī)用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、生物碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。

醫(yī)用複合材料:表面塗層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等。0.1.4材料按結(jié)晶狀態(tài)分類

單晶材料多晶材料非晶態(tài)材料準晶材料單晶材料是由一個比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶矽；多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)係。非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。準晶材料是指準週期性晶體材料的簡稱，準晶仍然是晶體，準晶中的原子分佈有嚴格的位置序，但位置序無週期性，即沒有週期性平移對稱關(guān)係，在準晶材料中存在不符合傳統(tǒng)晶體學(xué)的五次、八次、十二次對稱軸。準晶從結(jié)構(gòu)角度看是一種新的物質(zhì)形態(tài)，但實際上它們僅在特定的金屬合金中形成，是成分範圍較窄的金屬間化合物。0.1.5按材料的尺寸分類

材料按材料的尺寸可分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。零維材料即超微粒子，通過Sol-gel法、多相沉積或鐳射等方法，可以製備出亞微米級的陶瓷或金屬粉末，大小1—100nm的超微粒比表面積大（可作為高效催化劑）、比表面能高、熔點低、燒結(jié)溫度下降、擴散速度快、強度高而塑性下降慢、電子態(tài)由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、光吸收也發(fā)生異?，F(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）。一維材料，如光導(dǎo)纖維由於其資訊傳輸量遠比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強的保密性，所以發(fā)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細絲後便增加了韌性，可以用來增強其他的塊狀。實用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強度和剛度最高的要算晶須。圖0.2組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間

關(guān)係示意圖合成與製備過程使用性能性質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)（化學(xué)）（工程）（物理學(xué)）1.1結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)知識晶體結(jié)構(gòu)的定性描述晶體結(jié)構(gòu)的定量描述—晶面指數(shù)、晶向指數(shù)一、晶體結(jié)構(gòu)的定性描述晶體及其特徵晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣晶胞與晶胞參數(shù)晶系與點陣類型晶體：晶體是內(nèi)部質(zhì)點在三維空間成週期性重複排列的固體，即晶體是具有格子構(gòu)造的固體。1.晶體及其特徵晶體的特徵

自範性：晶體具有自發(fā)地形成封閉的凸幾何多面體外形能力的性質(zhì)，又稱為自限性。金剛石方解石晶體的特徵

均一性：指晶體在任一部位上都具有相同性質(zhì)的特徵。

各向異性：在晶體的不同方向上具有不同的性質(zhì)。

對稱性：指晶體的物理化學(xué)性質(zhì)能夠在不同方向或位置上有規(guī)律地出現(xiàn),也稱週期性。

最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性?？臻g點陣：把晶體中質(zhì)點的中心用直線聯(lián)起來構(gòu)成的空間格架即空間點陣，簡稱晶格.結(jié)點：質(zhì)點的中心位置稱為晶格的結(jié)點。結(jié)點僅有幾何意義，並不真正代表任何質(zhì)點。結(jié)構(gòu)基元：晶體中的質(zhì)點如原子或原子集團。晶體結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)基元+空間點陣即構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)。2.晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣晶體中質(zhì)點排列具有週期性和對稱性整個晶體可看作由結(jié)點沿三個不同的方向按一定間距重複出現(xiàn)形成的，結(jié)點間的距離稱為該方向上晶體的週期。同一晶體不同方向的週期不一定相同。可以從晶體中取出一個單元，表示晶體結(jié)構(gòu)的特徵。取出的最小晶格單元稱為晶胞。晶胞是從晶體結(jié)構(gòu)中取出來的反映晶體週期性和對稱性的重複單元。3.晶胞與晶胞參數(shù)晶胞—晶胞是從晶體結(jié)構(gòu)中取出來的反映晶體週期性和對稱性的最小重複單元。不同晶胞的差別：不同晶體的晶胞，其形狀、大小可能不同；圍繞每個結(jié)點的原子種類、數(shù)量、分佈可能不同。選取結(jié)晶學(xué)晶胞的原則：單元應(yīng)能充分表示出晶體的週期性、對稱性；單元的三條相交棱邊應(yīng)儘量相等，或相等的數(shù)目盡可能地多；單元的三棱邊的夾角要盡可能地構(gòu)成直角；單元的體積應(yīng)盡可能地小。圖1-1空間點陣及晶胞的不同取法晶胞參數(shù)：晶胞的形狀和大小可以用6個參數(shù)來表示，此即晶格特徵參數(shù)，簡稱晶胞參數(shù)。它們是3條棱邊的長度a、b、c和3條棱邊的夾角

、

、

，如圖1-2所示。圖1-2晶胞座標及晶胞參數(shù)4.晶系與點陣類型晶胞參數(shù)確定之後，晶胞和由它表示的晶格也隨之確定，方法是將該晶胞沿三維方向平行堆積即構(gòu)成晶格?？臻g點陣中所有陣點（結(jié)點）的周圍環(huán)境都是相同的，或者說，所有陣點都具有等同的晶體學(xué)位置。布拉菲（Bravais）依據(jù)晶胞參數(shù)之間關(guān)係的不同，把所有晶體劃歸為7類，即7個晶系，見表1-1。按照陣點（結(jié)點）在空間排列方式不同，有的只在晶胞的頂點，有的還佔據(jù)上下底面的面心，各面的面心或晶胞的體心等位置，7個晶系共包括14種點陣，稱為布拉菲點陣（Bravaislattice）。表1-1布拉菲點陣的結(jié)構(gòu)特徵

（table1-1thestructuralfeatureofBravaislattice）二、晶體結(jié)構(gòu)的定量描述

—晶面指數(shù)、晶向指數(shù)1.晶面、晶向及其表徵晶面：晶體點陣在任何方向上分解為相互平行的結(jié)點平面稱為晶面，即結(jié)晶多面體上的平面。晶向：點陣可在任何方向上分解為相互平行的直線組，位於一條直線上的結(jié)點構(gòu)成一個晶向。2.六方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)3.晶向與晶面的關(guān)係1.晶面、晶向及其表徵晶面：晶體點陣在任何方向上可分解為相互平行的結(jié)點平面，這樣的結(jié)點平面稱為晶面。晶面上的結(jié)點，在空間構(gòu)成一個二維點陣。同一取向上的晶面，不僅相互平行、間距相等，而且結(jié)點的分佈也相同。不同取向的結(jié)點平面其特徵各異。任何一個取向的一系列平行晶面，都可以包含晶體中所有的質(zhì)點。晶面指數(shù)：結(jié)晶學(xué)中經(jīng)常用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數(shù)。數(shù)字hkl是晶面在三個坐標軸（晶軸）上截距的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比。晶面指數(shù)的確定步驟(圖1-3):1、在空間點陣中建立坐標系，選取任一結(jié)點為座標原點O，同時令座標原點不在待標晶面上，以晶胞的基本向量為坐標軸X、Y、Z；2、坐標軸以晶體在該軸上的週期為單位；3、假設(shè)晶面在坐標軸上的截距分別為m、n、p；將它們的倒數(shù)依X、Y、Z軸的順序，化為互質(zhì)整數(shù)比，即1/m：1/n：1/p=h：k：l，然後將數(shù)字hkl寫入圓括號（）內(nèi)，則（hkl）即為這個晶面的晶面指數(shù)。每一個晶面指數(shù)，代表一組平行晶面。圖1-3晶面指數(shù)的確定abc例題：晶面指數(shù)的標注ABCDEOFG例題：立方晶系晶面指數(shù)的標注acb(100)aabbcc(110)(111)晶面族：晶體結(jié)構(gòu)中原子排列狀況相同但不平行的兩組以上的晶面，構(gòu)成一個晶面族。常存在對稱性高的晶體（如立方晶系）中。晶面族指數(shù)（符號）：通常用晶面族中某個最簡便的晶面指數(shù)填在大括弧{}內(nèi)，稱為晶面族指數(shù)，用符號{hkl}表示。abcO(100)(010)(001)將{hkl}中的

h、

k、

l，改變符號和順序，進行任意排列組合，就可構(gòu)成這個晶面族所包括的所有晶面的指數(shù)。同一晶面族各平行晶面的面間距相等。晶向：點陣可在任何方向上分解為相互平行的直線組，結(jié)點等距離地分佈在直線上。位於一條直線上的結(jié)點構(gòu)成一個晶向。同一直線組中的各直線，其結(jié)點分佈完全相同，故其中任何一直線，可作為直線組的代表。不同方向的直線組，其質(zhì)點分佈不盡相同。任一方向上所有平行晶向可包含晶體中所有結(jié)點，任一結(jié)點也可以處於所有晶向上。晶向指數(shù)：用[uvw]來表示。其中u、v、w三個數(shù)字是晶向向量在參考坐標系X、Y、Z軸上的向量分量經(jīng)等比例化簡而得出。晶向指數(shù)的確定步驟（圖1-4）：1、在空間點陣中建立坐標系，選取任一結(jié)點為座標原點O，同時令座標原點在待標晶向OP上，以晶胞的基本向量為坐標軸X、Y、Z；2、坐標軸以晶體在該軸上的週期為單位；3、把OP的另一結(jié)點P的座標經(jīng)等比例化簡後按X、Y、Z坐標軸的順序?qū)懺诜嚼ㄌ朳]內(nèi)，則[uvw]即為OP的晶向指數(shù)。每一個晶向指數(shù)，代表一組平行晶向。

圖1-4晶向指數(shù)的確定abc例題：立方晶系晶向指數(shù)的標注abc[100][010][001][110][111]晶向族：晶體中原子排列週期相同的所有晶向為一個晶向族，用〈uvw〉表示。同一晶向族中不同晶向的指數(shù)，數(shù)字組成相同。已知一個晶向指數(shù)後，對

u、

v、

w進行排列組合，就可得出此晶向族所有晶向的指數(shù)。abc[100][010][001]如〈111〉晶向族的8個晶向指數(shù)代表8個不同的晶向；

〈110〉晶向族的12個晶向指數(shù)代表12個不同的晶向。六方晶系的晶胞如圖1-5所示，是邊長為a，高為c的六方棱柱體。四軸定向：晶面符號一般寫為（hkil），指數(shù)的排列順序依次與a軸、b軸、d軸、c軸相對應(yīng)，其中a、b、d三軸間夾角為120o，c軸與它們垂直。晶面指數(shù)和晶面族指數(shù)分別用（hkil）和{hkil}表示。其中i=－（h＋k）。晶向指數(shù)和晶向族指數(shù)分別用[uvtw]和〈uvtw〉來表示。其中t=－（u＋v）。2.六方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)圖1-5六方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)abdc[100][010][0001][001](0001)(001)在立方晶系中，同指數(shù)的晶面和晶向之間有嚴格的對應(yīng)關(guān)係，即同指數(shù)的晶向與晶面相互垂直，也就是說[hkl]晶向是（hkl）晶面的法向。3.晶向與晶面的關(guān)係一、晶體中質(zhì)點間的結(jié)合力晶體中鍵的類型晶體中鍵的表徵晶體中離子鍵、共價鍵比例的估算晶體中的原子之所以能結(jié)合在一起，是因為它們之間存在著結(jié)合力和結(jié)合能。1.晶體中鍵的類型按照結(jié)合力性質(zhì)的不同化學(xué)鍵物理鍵離子鍵（ionicbond）共價鍵（covalentbond）金屬鍵（metallicbond）範德華鍵（VanderVaalsbond）氫鍵（hydrogenbond）離子鍵是正、負離子依靠靜電庫侖力而產(chǎn)生的鍵合。離子鍵的特點是沒有方向性和飽和性。質(zhì)點之間主要依靠靜電庫侖力而結(jié)合的晶體稱為離子晶體。典型的離子晶體是元素週期表中第I族鹼金屬元素和第VII族鹵族元素結(jié)合成的晶體，如NaCl，CsCl等。離子晶體因其依靠強鍵力靜電庫侖力結(jié)合，故其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。反映在宏觀性質(zhì)上，晶體的熔點高，硬度大，導(dǎo)電性能差，膨脹係數(shù)小。大多數(shù)離子晶體對可見光是透明的，在遠紅外區(qū)有一特徵吸收峰（紅外光譜特徵）。離子鍵的特點及典型的離子晶體的性質(zhì)：共價鍵的特點及典型的原子晶體的性質(zhì)：共價鍵是原子之間通過共用電子對或通過電子雲(yún)重疊而產(chǎn)生的鍵合。共價鍵的特點是具有方向性和飽和性?？抗矁r鍵結(jié)合的晶體稱為共價晶體或原子晶體。元素週期表中第IV族元素C（金剛石），Si，Ge，Sn（灰錫）等的晶體是典型的共價晶體，它們屬金剛石結(jié)構(gòu)。原子晶體具有熔點高，硬度大，導(dǎo)電性能差等特性。各種晶體之間性能差別也很大，例如，熔點方面，C（金剛石）為3280K，Si為1693K，Ge為1209K。導(dǎo)電性方面，金剛石是一種良好的絕緣體，而Si和Ge卻只有在極低溫度下才是絕緣體，其電阻率隨溫度升高迅速下降，是典型的半導(dǎo)體材料。金屬鍵的特點及典型的金屬晶體的性質(zhì)：金屬鍵是失去最外層電子（價電子）的原子實和自由電子組成的電子雲(yún)之間的靜電庫侖力而產(chǎn)生的結(jié)合。金屬鍵的實質(zhì)是沒有方向性和飽和性的共價鍵。週期表中第I族，第II族元素及過渡元素的晶體是典型的金屬晶體。金屬晶體最顯著的物理性質(zhì)是具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。金屬的結(jié)合能比離子晶體和原子晶體要低一些，但過渡金屬的結(jié)合能則比較大。範德華鍵的特點及典型的分子晶體的性質(zhì)：範德華鍵（分子鍵）是通過“分子力”而產(chǎn)生的鍵合。分子力包括三種力：葛生力（Keesenforce）──極性分子中的固有偶極矩產(chǎn)生的力，德拜力（Debyeforce）──感應(yīng)偶極矩產(chǎn)生的力，即極性分子和非極性分子之間的作用力，倫敦力（Londonforce）──非極性分子中的暫態(tài)偶極矩產(chǎn)生的力。當分子力不是唯一的作用力時，它們可以忽略不計。分子晶體分極性和非極性兩大類。惰性元素在低溫下所形成的晶體是典型的非極性分子晶體，它們是透明的絕緣體，熔點極低，Ne，Ar，Kr，Xe晶體的熔點分別為24K，84K，117K，161K。HCl，H2S等在低溫下形成的晶體屬於極性分子晶體。氫鍵的特點：氫鍵是氫原子同時和兩個電負性很大而原子半徑較小的原子（O，F(xiàn)，N等）相結(jié)合所形成的鍵。氫鍵也具有飽和性，它是一種特殊形式的物理鍵。冰（H2O）是一種氫鍵晶體，鐵電材料磷酸二氫鉀（KH2PO4）亦具有氫鍵結(jié)合。實際晶體中的鍵合作用可以用鍵型四面體來表示。方法是將離子鍵、共價鍵、金屬鍵以及範德華鍵這四種典型的鍵分別寫在四面體的四個頂點上，構(gòu)成鍵型四面體，如圖所示。四面體的頂點代表單一鍵合作用，邊棱上的點代表晶體中的鍵由兩種鍵共同結(jié)合，側(cè)面上的點表示晶體由三種鍵共同結(jié)合，四面體內(nèi)任意一點晶體中的鍵由四種鍵共同結(jié)合。2.晶體中鍵的表徵3.晶體中離子鍵、共價鍵比例的估算大多數(shù)氧化物及矽酸鹽晶體中的化學(xué)鍵主要包含離子鍵和共價鍵。為了判斷晶體的化學(xué)鍵中離子鍵所占的比例，可以借助於元素的電負性這一參數(shù)來實現(xiàn)。一般情況下，當同種元素結(jié)合成晶體時，因其電負性相同，故形成非極性共價鍵；當兩種不同元素結(jié)合成晶體時，隨兩元素電負性差值增大，鍵的極性逐漸增強。因此，可以查表，也可以用下麵的經(jīng)驗公式計算由A、B兩元素組成的晶體的化學(xué)鍵中離子鍵的百分數(shù)：離子鍵%=1－exp[-1/4*（xA－xB）2]

式中xA、xB分別為A、B元素的電負性值。例題：計算MgO和GaAs晶體中離子鍵成分的多少解答：查元素電負性數(shù)據(jù)得XMg=1.31，XO=3.44，

XGa=1.81，XAs=2.18，則MgO離子鍵%=1－exp[-1/4×（3.44－1.31）2]=0.68GaAs離子鍵%=1－exp[-1/4×（2.18－1.81）2]=0.04由此可見，MgO晶體的化學(xué)鍵以離子鍵為主，而GaAs則是典型的共價鍵晶體。二、晶體的結(jié)合力與結(jié)合能結(jié)合力的一般性質(zhì)離子晶體晶格能1、結(jié)合力的一般性質(zhì)

各種不同的晶體，其結(jié)合力的類型和大小是不同的，但在任何晶體中，兩個質(zhì)點間的相互作用力或相互作用勢能與質(zhì)點間距離的關(guān)係在定性上是相同的。晶體中質(zhì)點的相互作用分為吸引作用和排斥作用兩大類。吸引作用在遠距離是主要的，而排斥作用在近距離是主要的。在某一適當距離時，兩者作用相抵消，晶體處於穩(wěn)定狀態(tài)。吸引作用來源於異性電荷之間的庫侖引力。排斥作用來源有二：一是同性電荷之間的庫侖力，二是泡利原理所引起的排斥力。

原子間的相互作用

（a）相互作用勢能和原子間距的關(guān)係

（b）相互作用力和原子間距之間的關(guān)係庫侖引力能泡利排斥能相互作用力：f（r）=－du（r）/dr總的作用力與原子間距離的關(guān)係？斥力引力r=ro，引力和斥力抵消，f（r）=0，如何確定原子間的平衡距離ro？r=rm，有效引力最大如何確定最大有效引力？2、離子晶體晶格能

在離子晶體中，正負離子通過靜電作用力而結(jié)合形成離子鍵，離子鍵的強度可用晶體的晶格能來衡量。

離子晶體晶格能EL定義為：1摩爾離子晶體中的正負離子，由相互遠離的氣態(tài)結(jié)合成離子晶體時所釋放出的能量。離子晶體晶格能的計算：離子晶體中，正負離子的電子層與惰性元素的電子層結(jié)構(gòu)相同，所以正負離子可以看成是電場為球形對稱的點電荷，這樣從靜電吸引理論可得出晶格能的理論計算公式。a)計算一對正負離子的勢能

u1=u吸引+u排斥

u吸引=-

e2Z1Z2/4πε0r

u排斥=B/rn

如何確定B值？

b)計算1mol的一般二元型（AX）離子晶體

總勢能u=N0u1A

AX晶格能=

其中：A稱為馬德隆常數(shù)（Madlungconstant），是一個僅與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，n稱為玻恩指數(shù)（Bornindex），其值大小與離子的電子層結(jié)構(gòu)有關(guān)，B是比例常數(shù)一、內(nèi)在因素對晶體結(jié)構(gòu)的影響1.質(zhì)點的相對大小2.晶體中質(zhì)點的堆積3.配位數(shù)與配位多面體4.離子極化.1.質(zhì)點的相對大小—原子半徑及離子半徑

質(zhì)點（原子或離子）的相對大小對晶體結(jié)構(gòu)有決定性影響。在晶體中，質(zhì)點總是在其平衡位置附近作振動，當質(zhì)點間的結(jié)合處於對應(yīng)條件下的平衡狀態(tài)時，質(zhì)點間保持著一定的距離。這個距離反映了質(zhì)點的相對大小。1.質(zhì)點的相對大小—原子半徑及離子半徑

原子半徑的大小與原子處於孤立狀態(tài)還是處於結(jié)合狀態(tài)有關(guān)。

原子處於孤立態(tài)時原子半徑定義：從原子核中心到核外電子的幾率密度趨向於零處的距離，亦稱為範德華半徑。原子處於結(jié)合時，根據(jù)x-射線衍射可以測出相鄰原子面間的距離。如果是金屬晶體，則定義金屬原子半徑為：相鄰兩原子面間距離的一半。如果是離子晶體，則定義正、負離子半徑之和等於相鄰兩原子面間的距離。

離子半徑每個離子周圍存在的球形力場的半徑即是離子半徑。離子晶體的正、負離子半徑之和等於相鄰兩原子面間的距離，可根據(jù)x-射線衍射測出，這時要確定正、負離子半徑分別為多少，還要再建立一個關(guān)係式，才能求解出正、負離子半徑的確切數(shù)據(jù)。確定正、負離子半徑的確切數(shù)據(jù)，有兩種方法，其一是哥希密特（Goldschmidt）從離子堆積的幾何關(guān)係出發(fā)，建立方程所計算的結(jié)果稱為哥希密特離子半徑（離子間的接觸半徑）。其二是鮑林（Pauling）考慮了原子核及其它離子的電子對核外電子的作用後，從有效核電荷的觀點出發(fā)定義的一套質(zhì)點間相對大小的數(shù)據(jù)，稱為鮑林離子半徑。

由此可見，原子半徑或離子半徑實際上反映了質(zhì)點間相互作用達到平衡時，質(zhì)點間距離的相對大小。不同學(xué)者給出的離子半徑的數(shù)據(jù)在大小上雖有一定差異，但它們都反映出質(zhì)點間相對距離這一實質(zhì)。而這一距離的大小是與離子間交互作用的多種因素有關(guān)的，如密堆積時，一個離子周圍異種離子的數(shù)目應(yīng)盡可能多；溫度升高時，質(zhì)點間距離增大，故離子半徑會相應(yīng)地增大；壓力增大時，離子間距離會縮小，因而離子半徑亦會減小。另外，離子間的相互極化作用也會對離子半徑有較大的影響。

2.晶體中質(zhì)點的堆積最緊密堆積原理：晶體中各離子間的相互結(jié)合，可以看作是球體的堆積。球體堆積的密度越大，系統(tǒng)的勢能越低，晶體越穩(wěn)定。此即球體最緊密堆積原理。適用範圍：典型的離子晶體和金屬晶體。質(zhì)點堆積方式：

根據(jù)質(zhì)點的大小不同，球體最緊密堆積方式分為等徑球和不等徑球兩種情況。等徑球的堆積不等徑球的堆積最密堆積方式最緊密堆積中的空隙面心立方最緊密堆積六方最緊密堆積等徑球最緊密堆積時，在平面上每個球與6個球相接觸，形成第一層（球心位置標記為A），如圖1-5所示。此時，每3個彼此相接觸的球體之間形成1個弧線三角形空隙，每個球周圍有6個弧線三角形空隙，其中3個空隙的尖角指向圖的下方（其中心位置標記為B），另外3個空隙的尖角指向圖的上方（其中心位置標記為C），這兩種空隙相間分佈。等徑球質(zhì)點堆積圖1-5等徑球體在平面上的最緊密堆積等徑球質(zhì)點堆積AAAAAAAAAAAAAAAAAAABC

面心立方最緊密堆積和六方最緊密堆積

球體在空間的堆積是按照ABAB……的層序來堆積。這樣的堆積中可以取出一個六方晶胞，稱為六方最緊密堆積（A3型）。另一種堆積方式是按照ABCABC……的堆積方式。這樣的堆積中可以取出一個面心立方晶胞，稱為面心立方最緊密堆積。面心立方堆積中，ABCABC……重複層面平行於（111）晶面（A1型）。兩種最緊密堆積中，每個球體周圍同種球體的個數(shù)均為12。等徑球質(zhì)點堆積

ABCABC……層序堆積

—面心立方密堆積A1ABAB……的層序堆積

—六方密堆積A3等徑球質(zhì)點堆積AAAAAAAAAAAAAAAAAAABCAAAAAAAAAAAAAAAAAAABC123456123456123456ABC面心立方最緊密堆積ABCAABC面心立方最緊密堆積ABCABC……,即每三層重複一次123456面心立方最緊密堆積BCA密排面面心立方晶胞——面心立方最緊密堆積面心立方最緊密堆積六方最緊密堆積123456ABAB……的層序堆積ABABA六方最緊密堆積ABABAB……每兩層重複一次AAAABB密排面六方晶胞——六方密堆積最緊密堆積的空隙：

由於球體之間是剛性點接觸堆積，最緊密堆積中仍然有空隙存在。從形狀上看，空隙有兩種：一種是四面體空隙，由4個球體所構(gòu)成，球心連線構(gòu)成一個正四面體；另一種是八面體空隙，由6個球體構(gòu)成，球心連線形成一個正八面體。顯然，由同種球組成的四面體空隙小於八面體空隙。等徑球質(zhì)點堆積四面體空隙八面體空隙最緊密堆積的空隙：最緊密堆積中空隙的分佈情況：

每個球體周圍有多少個四面體空隙？每個球體周圍有多少個八面體空隙？

等徑球質(zhì)點堆積1個球的周圍有8個四面體空隙1個球的周圍有6個四面體空隙n個等徑球最緊密堆積時，整個系統(tǒng)四面體空隙數(shù)多少個？八面體空隙數(shù)多少個？

n個等徑球最緊密堆積時，整個系統(tǒng)四面體空隙數(shù)2n個；八面體空隙數(shù)n個。

最緊密堆積中空隙的分佈情況：等徑球質(zhì)點堆積

如何表徵密堆系統(tǒng)總空隙的大??？採用空間利用率（原子堆積係數(shù)）來表徵密堆系統(tǒng)總空隙的大小。最緊密堆積中空隙的分佈情況：等徑球質(zhì)點堆積空間利用率=晶胞中原子總體積/晶胞體積用公式表示:P0=Vatoms/Vcell最緊密堆積中空隙的分佈情況：等徑球質(zhì)點堆積面心立方最緊密堆積空間利用率的計算

兩種最緊密堆積的空間利用率均為74.05%，空隙占整個空間的25.95%。問題：是不是空間利用率最大為74.05%？不等徑球堆積不等徑球進行堆積時，較大球體作緊密堆積，較小的球填充在大球緊密堆積形成的空隙中。其中稍小的球體填充在四面體空隙，稍大的則填充在八面體空隙，如果更大，則會使堆積方式稍加改變，以產(chǎn)生更大的空隙滿足填充的要求。這對許多離子化合物晶體是適用的。例如：MgONaCl問題：究竟多大半徑的離子可填充四面體空隙或八面體空隙？3.配位數(shù)（coordinationnumber）

與配位多面體配位數(shù)：一個原子（或離子）周圍同種原子（或異號離子）的數(shù)目稱為原子（或離子）的配位數(shù)，用CN來表示。晶體結(jié)構(gòu)中正、負離子的配位數(shù)的大小由結(jié)構(gòu)中正、負離子半徑的比值來決定，根據(jù)幾何關(guān)係可以計算出正離子配位數(shù)與正、負離子半徑比之間的關(guān)係，其值列於表1-3。因此，如果知道了晶體結(jié)構(gòu)是由何種離子構(gòu)成的，則從r＋/r－比值就可以確定正離子的配位數(shù)及其配位多面體的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定會出現(xiàn)什麼？系統(tǒng)穩(wěn)定但當紅球半徑過大時會出現(xiàn)什麼？據(jù)此，可計算不同配位數(shù)時的臨界半徑比以NaCl為例，計算配位數(shù)6時的臨界半徑比ABC2r-2(r-+r+)在直角三角形ABC中討論：表1-3正離子配位數(shù)與正、負離子半徑比之間的關(guān)係值得注意的是在許多矽酸鹽晶體中，配位多面體的幾何形狀不象理想的那樣有規(guī)則，甚至在有些情況下可能會出現(xiàn)較大的偏差。在有些晶體中，每個離子周圍的環(huán)境也不一定完全相同，所受的鍵力也可能不均衡，因而會出現(xiàn)一些特殊的配位情況，表1-4給出了一些正離子與O2－離子結(jié)合時常見的配位數(shù)。表1-4正離子與O2－離子結(jié)合時常見的配位數(shù)影響配位數(shù)的因素除正、負離子半徑比以外，還有溫度、壓力、正離子類型以及極化性能等。對於典型的離子晶體而言，在常溫常壓條件下，如果正離子的變形現(xiàn)象不發(fā)生或者變形很小時，其配位情況主要取決於正、負離子半徑比，否則，應(yīng)該考慮離子極化對晶體結(jié)構(gòu)的影響。4離子極化在離子晶體中，通常把離子視作剛性的小球，這是一種近似處理，這種近似僅在典型的離子晶體中誤差較小。實際上，在離子緊密堆積時，帶電荷的離子所產(chǎn)生的電場，必然要對另一個離子的電子雲(yún)產(chǎn)生吸引或排斥作用，使之發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為極化。極化有雙重作用，自身被極化和極化周圍其他離子。前者用極化率（

）來表示，後者用極化力（

）來表示。極化率定義為單位有效電場強度（E）下所產(chǎn)生的電偶極矩（

）的大小，即

=

/E。極化率反映了離子被極化的難易程度，即變形性的大小。極化力與離子的有效電荷數(shù)（Z*）成正比，與離子半徑（r）的平方成反比，即

=Z*/r2。極化力反映了極化周圍其他離子的能力。自身被極化和極化周圍其他離子兩個作用同時存在。正離子不易被極化負離子被極化為什麼為什麼特殊的正離子18電子構(gòu)型半徑較小電價較高電價小而半徑較大的負離子尤為顯著被極化自身被極化和極化周圍其他離子兩個作用同時存在。一般來說，正離子半徑較小，電價較高，極化力表現(xiàn)明顯，不易被極化。負離子則相反，經(jīng)常表現(xiàn)出被極化的現(xiàn)象，電價小而半徑較大的負離子（如I－，Br－等）尤為顯著。因此，考慮離子間相互極化作用時，一般只考慮正離子對負離子的極化作用，但當正離子為18電子構(gòu)型時，必須考慮負離子對正離子的極化作用，以及由此產(chǎn)生的誘導(dǎo)偶極矩所引起的附加極化效應(yīng)。最終使晶體結(jié)構(gòu)類型發(fā)生變化極化會對晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的顯著影響：極化會導(dǎo)致離子間距離縮短，離子配位數(shù)降低變形的電子雲(yún)相互重疊，使鍵性由離子鍵向共價鍵過渡圖1-7離子極化作用示意圖圖1-8負離子在正離子的電場中被極化使配位數(shù)降低鹵化物AgCl，AgBr和AgI，按正負離子半徑比預(yù)測，Ag+離子的配位數(shù)都是6，屬於NaCl型結(jié)構(gòu)，但實際上AgI晶體屬於配位數(shù)為4的立方ZnS型結(jié)構(gòu)，見表1-5。舉例為什麼：離子間很強的極化作用，使離子間強烈靠近，配位數(shù)降低，結(jié)構(gòu)類型發(fā)生變化。由於極化使離子的電子雲(yún)變形失去球形對稱，相互重疊，導(dǎo)致鍵性由離子鍵過渡為共價鍵。極化對AX2型晶體結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果示於圖1-9。

表1-5離子極化與鹵化銀晶體結(jié)構(gòu)類型的關(guān)係圖1-9離子極化與AX2型晶體的型變規(guī)律8/4CaF2型6/3金紅石型4/2立方SiO22/1分子型CO2CdCl2型CdI2型MoS2型FeS2型分子型CO20.220.410.73R+/R-極化上升綜上所述，離子晶體的結(jié)構(gòu)主要取決於離子間的相對數(shù)量，離子的相對大小以及離子間的極化等因素。這些因素的相互作用又取決於晶體的化學(xué)組成，其中何種因素起主要作用，要視具體晶體而定，不能一概而論。哥希密特（Goldschmidt）結(jié)晶化學(xué)定律

哥希密特（Goldschmidt）據(jù)此於1926年總結(jié)出結(jié)晶化學(xué)定律，即“晶體結(jié)構(gòu)取決於其組成基元（原子、離子或離子團）的數(shù)量關(guān)係，大小關(guān)係及極化性能”。數(shù)量關(guān)係反映在化學(xué)式上，在無機化合物晶體中，常按數(shù)量關(guān)係對晶體結(jié)構(gòu)分類，見表1-6。

影響離子晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)在因素的小結(jié)：表1-6無機化合物結(jié)構(gòu)類型構(gòu)成晶體的基元的數(shù)量關(guān)係相同，但大小不同，其結(jié)構(gòu)類型亦不相同。如AX型晶體由於離子半徑比不同有CsCl型、NaCl型、ZnS型等結(jié)構(gòu)，其配位數(shù)分別為8、6和4。有時，組成晶體的基元的數(shù)量和大小關(guān)係皆相同，但因極化性能不同，其結(jié)構(gòu)類型亦不相同。如AgCl和AgI均屬AX型，其r+/r-比值也比較接近，但因Cl－和I－離子的極化性能不同，使得其結(jié)構(gòu)分別屬於NaCl型和ZnS型。二、外在因素對晶體結(jié)構(gòu)的影響

──同質(zhì)多晶與類質(zhì)同晶及晶型轉(zhuǎn)變1.同質(zhì)多晶與類質(zhì)同晶2.同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變

從熱力學(xué)角度來看，每一種晶體都有其形成和穩(wěn)定存在的熱力學(xué)條件。這種化學(xué)組成相同的物質(zhì)，在不同的熱力學(xué)條件下形成結(jié)構(gòu)不同的晶體的現(xiàn)象，稱為同質(zhì)多晶現(xiàn)象。由此所產(chǎn)生的每一種化學(xué)組成相同但結(jié)構(gòu)不同的晶體，稱為變體。同質(zhì)多晶現(xiàn)象在氧化物晶體中普遍存在，對研究晶型轉(zhuǎn)變、材料製備過程中工藝制度的確定等具有重要意義。1.同質(zhì)多晶與類質(zhì)同晶在自然界還存在這樣一種現(xiàn)象，化學(xué)組成相似或相近的物質(zhì)，在相同的熱力學(xué)條件下，形成的晶體具有相同的結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為類質(zhì)同晶現(xiàn)象。這是自然界很多礦物經(jīng)常共生在一起的根源。例如菱鎂礦（MgCO3）和菱鐵礦（FeCO3）因其組成接近，結(jié)構(gòu)相同，因而經(jīng)常共生在一起。類質(zhì)同晶對礦物提純與分離、固溶體的形成及材料改性具有重要意義。2.同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變在同質(zhì)多晶中，由於各個變體是在不同的熱力學(xué)條件下形成的，因而各個變體都有自己穩(wěn)定存在的熱力學(xué)範圍。當外界條件改變到一定程度時，各變體之間就可能發(fā)生結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)變，即發(fā)生同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變。根據(jù)轉(zhuǎn)變時速度的快慢和晶體結(jié)構(gòu)變化的不同，可將多晶轉(zhuǎn)變分為兩類：位移性轉(zhuǎn)變和重建性轉(zhuǎn)變。圖1-9多晶轉(zhuǎn)變類型

位移性轉(zhuǎn)變重建性轉(zhuǎn)變各自有何特點？位移性轉(zhuǎn)變僅僅是結(jié)構(gòu)畸變，轉(zhuǎn)變前後結(jié)構(gòu)差異小，轉(zhuǎn)變時並不打開任何鍵或改變最鄰近的配位數(shù)，只是原子的位置發(fā)生少許位移，使次級配位有所改變，如圖1-9所示的高對稱結(jié)構(gòu)（a）向（b）和（c）結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。由於位移性轉(zhuǎn)變僅僅是鍵長和鍵角的調(diào)整，未涉及舊鍵破壞和新鍵形成，因而轉(zhuǎn)變速度很快，常在一個確定穩(wěn)定下發(fā)生。位移性轉(zhuǎn)變也稱為高低溫性轉(zhuǎn)變。

-石英和

-石英在573℃的晶型轉(zhuǎn)變屬於位移性轉(zhuǎn)變。一、金屬晶體的結(jié)構(gòu)1.常見金屬晶體結(jié)構(gòu)

典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)是最簡單的晶體結(jié)構(gòu)。由於金屬鍵的性質(zhì)，使典型金屬的晶體具有高對稱性，高密度的特點。常見的典型金屬晶體是面心立方、體心立方和密排六方三種晶體，其晶胞結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。另外，有些金屬由於其鍵的性質(zhì)發(fā)生變化，常含有一定成分的共價鍵，會呈現(xiàn)一些不常見的結(jié)構(gòu)。錫是A4型結(jié)構(gòu)（與金剛石相似），銻是A7型結(jié)構(gòu)等。

圖1-10常見金屬晶體的晶胞結(jié)構(gòu)

（a）面心立方（A1型）（b）體心立方（A2型）（c）密排六方（A3型）面心立方結(jié)構(gòu)常見面心立方的金屬有Au、Ag、Cu、Al、

-Fe等，晶格結(jié)構(gòu)中原子座標分別為[0,0,0]，[0,1/2,1/2]，[1/2,0,1/2]，[1/2,1/2,0]。晶胞中所含原子數(shù)為4。體心立方結(jié)構(gòu)

常見體心立方的金屬有

-Fe、V、Mo等，晶格中原子座標為[0,0,0]，[1/2,1/2,1/2]。晶胞中原子數(shù)為：

密排六方結(jié)構(gòu)

Zn、Mg、Li等是常見的密排六方結(jié)構(gòu)的金屬，原子分佈除了簡單六方點陣的每個陣點[0,0,0]上有原子外，在六方棱柱體內(nèi)還有3個原子。如用平行六面體座標表示，其座標為[1/3,2/3,1/2]或[2/3,1/3,1/2]。在六方柱晶胞中，頂點的每個原子為6個晶胞所共有，上下底面中心的原子為2個晶胞所共有，所以六方柱晶胞所包含的原子數(shù)為：

2.金屬中原子緊密堆積的化學(xué)基礎(chǔ)由於金屬元素的最外層電子構(gòu)型多數(shù)屬於S型，而S型軌道沒有方向性，它可以與任何方向的相鄰原子的S軌道重疊，相鄰原子的數(shù)目在空間幾何因素允許的情況下並無嚴格的限制，因此，金屬鍵既沒有方向性，也沒有飽和性。當由數(shù)目眾多的S軌道組成晶體時，金屬原子只有按緊密的方式堆積起來，才能使各個S軌道得到最大程度的重疊，使晶體結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。為什麼可以緊密堆積？

3.金屬原子形成晶體時結(jié)構(gòu)上的差異週期表中IA族的鹼金屬原子最外層電子皆為ns1，為了實現(xiàn)最大程度的重疊，原子之間相互靠近一些較為穩(wěn)定，配位數(shù)為8的一圈其鍵長比配位數(shù)為12的一圈之鍵長短一些，即A2型(體心堆積)結(jié)構(gòu)。IB族的銅、銀、金在其最外層電子4s1、5s1、6s1內(nèi)都有d10的電子構(gòu)型，即d軌道五個方向全被電子占滿。這些不參與成鍵的d軌道在原子進一步靠近時產(chǎn)生斥力，使原子不能進一步接近，因此，接觸距離較大的A1型結(jié)構(gòu)就比較穩(wěn)定。為什麼有的金屬形成A1型結(jié)構(gòu)，而有的形成A2或A3型結(jié)構(gòu)？A1和A3型最緊密堆積結(jié)構(gòu)之間也有差異。在兩種結(jié)構(gòu)中每個原子周圍均有12個最近鄰原子，其距離為r；有6個次近鄰原子，其距離為r；從第三層近鄰起，兩種堆積有一定差別。根據(jù)計算，這種差別可以導(dǎo)致六方最緊密堆積的自由焓比面心立方最緊密堆積的自由焓低0.01%左右。所以，有些金屬常溫下採用六方最緊密堆積，而在高溫下由於A1的無序性比A3大，即A1型比A3型具有更高的熵值，所以由A3型轉(zhuǎn)變到A1型時，熵變

S

0。溫度升高，T

S增大，

G=

H－T

S

0，因此，高溫下A1型結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。4.金屬鍵的結(jié)構(gòu)特徵及金屬的特性1)金屬或合金在組成上不遵守定比或倍比定律金屬鍵和離子鍵都沒有方向性和飽和性。在離子晶體中，為了保持電中性，正負離子在數(shù)目上具有一定比例，即離子晶體中的正負離子在數(shù)目上符合化學(xué)中的定比或倍比定律。在金屬或合金中，電中性並不取決於各種原子的相對數(shù)目，因此，金屬往往很容易形成成分可變、不遵守定比或倍比定律的金屬化合物。2)金屬或合金在力學(xué)性能上表現(xiàn)出良好的塑性和延展性

金屬的範性變形起因於金屬中的原子面在外力作用下沿某個特定原子面的某個特定方向的滑移。實驗發(fā)現(xiàn)，鋁晶體受拉力作用後，晶體變長，並不是原子間距離增大，而是晶體中各部分沿（111）晶面在[110]方向上移動了原子間距的整數(shù)倍（詳細情況請參閱位錯的運動）。所以，晶體雖然變長，但晶體中原子間距仍然保持原來的週期性而未改變。晶體中的原子面在外力作用下能否順利實現(xiàn)滑移，取決於晶體中滑移系統(tǒng)（由一個滑移面和一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系統(tǒng)）的多少?；葡到y(tǒng)越多，越容易產(chǎn)生塑性變形。反之，滑移系統(tǒng)越少，材料的脆性越大。典型的金屬結(jié)構(gòu)，由於結(jié)合力沒有方向性和飽和性、配位數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單等原因，易產(chǎn)生滑移。共價晶體（如金剛石）結(jié)構(gòu)，要使滑移方向、鍵角方向、滑移週期都剛好一致是比較困難的。在離子晶體中，雖然離子鍵也沒有方向性和飽和性，但滑移過程中在許多方向上有正負離子吸引、相鄰?fù)栯x子排斥，使滑移過程難以進行。在金屬晶體中，其延展性也有差異。銅、銀、金等金屬的延展性非常好，這是因為銅、銀、金晶體中存在完整的d電子層，d電子層有互斥作用，使s電子重疊時不能進一步靠近，從而形成接觸距離較大的A1型結(jié)構(gòu)。而A1型結(jié)構(gòu)比A2、A3型結(jié)構(gòu)和其他更複雜的結(jié)構(gòu)有更多的滑移系統(tǒng)。A1型金屬具有12個滑移系統(tǒng)，即4個{111}面、3個滑移方向<110>，故共有4×3=12個滑移系統(tǒng)。該面上原子堆積密度最大，相互平行的原子面間距離也最大。非金屬晶體，如剛玉（

-Al2O3）只有1個滑移面（001）和2個滑移方向，塑性變形受到嚴格限制，表現(xiàn)出脆性。二、非金屬元素單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)

1.惰性氣體元素的晶體惰性氣體在低溫下形成的晶體為A1（面心立方）型或A3（六方密堆）型結(jié)構(gòu)。由於惰性氣體原子外層為滿電子構(gòu)型，它們之間並不形成化學(xué)鍵，低溫時形成的晶體是靠微弱的沒有方向性的範德華力直接凝聚成最緊密堆積的A1型或A3型分子晶體。2.其他非金屬元素單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)

—休謨-偌瑟瑞（Hume-Rothery）規(guī)則

如果某非金屬元素的原子能以單鍵與其它原子共價結(jié)合形成單質(zhì)晶體，則每個原子周圍共價單鍵的數(shù)目為8減去元素所在週期表的族數(shù)（m），即共價單鍵數(shù)目為8－m，亦稱為8－m規(guī)則。

對於第VII族元素，每個原子周圍共價單鍵個數(shù)為8－7=1，因此，其晶體結(jié)構(gòu)是兩個原子先以單鍵共價結(jié)合成雙原子分子，雙原子分子之間再通過範德華力結(jié)合形成分子晶體，如圖1-11。對於第VI族元素，單鍵個數(shù)為8－6=2，故其結(jié)構(gòu)是共價結(jié)合的無限鏈狀分子或有限環(huán)狀分子，鏈或環(huán)之間由通過範德華力結(jié)合形成晶體，如圖1-12。對於第V族元素，單鍵個數(shù)為8－5=3，每個原子周圍有3個單鍵（或原子），其結(jié)構(gòu)是原子之間首先共價結(jié)合形成無限層狀單元，層狀單元之間借助範德華力結(jié)合形成晶體，如圖1-13。對於第IV族元素，單鍵個數(shù)為8－4=4，每個原子周圍有4個單鍵（或原子）。其中C、Si、Ge皆為金剛石結(jié)構(gòu)，由四面體以共頂方式共價結(jié)合形成三維空間結(jié)構(gòu)，如圖1-14。圖1-11非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元(a)第VII族元素圖1-12非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元（b）第VI族元素圖1-13非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元（c）第V族元素圖1-14非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元（d）第IV族元素本節(jié)介紹以下內(nèi)容：一、AX型結(jié)構(gòu)，二、AX2型結(jié)構(gòu)，三、A2X3型結(jié)構(gòu)，四、ABO3型結(jié)構(gòu)，五、AB2O4型（尖晶石，spinelle）結(jié)構(gòu)，六、無機化合物結(jié)構(gòu)與鮑林規(guī)則（Pauling’srule）。一、AX型結(jié)構(gòu)AX型結(jié)構(gòu)主要有CsCl，NaCl，ZnS，NiAs等類型的結(jié)構(gòu)，其鍵性主要是離子鍵，其中CsCl，NaCl是典型的離子晶體，NaCl晶體是一種透紅外材料；ZnS帶有一定的共價鍵成分，是一種半導(dǎo)體材料；NiAs晶體的性質(zhì)接近於金屬。大多數(shù)AX型化合物的結(jié)構(gòu)類型符合正負離子半徑比與配位數(shù)的定量關(guān)係，見表1-4。只有少數(shù)化合物在r+/r-

0.732或r+/r-

0.414時仍屬於NaCl型結(jié)構(gòu)。如KF，LiF，LiBr，SrO，BaO等。表1-4AX型化合物的結(jié)構(gòu)類型與r+/r-的關(guān)係1.NaCl型結(jié)構(gòu)

NaCl屬於立方晶系（見圖1-15），晶胞參數(shù)的關(guān)係是a=b=c，

=

=

=90o，點群m3m，空間群Fm3m。結(jié)構(gòu)中Cl－離子作面心立方最緊密堆積，Na+填充八面體空隙的100%；兩種離子的配位數(shù)均為6；配位多面體為鈉氯八面體[NaCl6]或氯鈉八面體[ClNa6]；八面體之間共棱連接（共用兩個頂點）；一個晶胞中含有4個NaCl“分子”，整個晶胞由Na＋離子和Cl－離子各一套面心立方格子沿晶胞邊棱方向位移1/2晶胞長度穿插而成。

圖1-15NaCl晶胞圖NaCl型結(jié)構(gòu)在三維方向上鍵力分佈比較均勻，因此其結(jié)構(gòu)無明顯解理（晶體沿某個晶面劈裂的現(xiàn)象稱為解理），破碎後其顆粒呈現(xiàn)多面體形狀。常見的NaCl型晶體是鹼土金屬氧化物和過渡金屬的二價氧化物，化學(xué)式可寫為MO，其中M2+為二價金屬離子。結(jié)構(gòu)中M2+離子和O2-離子分別佔據(jù)NaCl中Na+和Cl-離子的位置。這些氧化物有很高的熔點，尤其是MgO（礦物名稱方鎂石），其熔點高達2800℃左右，是鹼性耐火材料鎂磚中的主要晶相。2.CsCl型結(jié)構(gòu)

CsCl屬於立方晶系，點群m3m，空間群Pm3m，如圖1-16所示。結(jié)構(gòu)中正負離子作簡單立方堆積，配位數(shù)均為8，晶胞分子數(shù)為1，鍵性為離子鍵。CsCl晶體結(jié)構(gòu)也可以看作正負離子各一套簡單立方格子沿晶胞的體對角線位移1/2體對角線長度穿插而成。圖1-16CsCl晶胞圖3.立方ZnS（閃鋅礦，zincblende）型結(jié)構(gòu)閃鋅礦屬於立方晶系，點群3m，空間群F3m，其結(jié)構(gòu)與金剛石結(jié)構(gòu)相似，如圖1-17所示。結(jié)構(gòu)中S2-離子作面心立方堆積，Zn2+離子交錯地填充於8個小立方體的體心，即佔據(jù)四面體空隙的1/2，正負離子的配位數(shù)均為4。一個晶胞中有4個ZnS“分子”。整個結(jié)構(gòu)由Zn2+和S2-離子各一套面心立方格子沿體對角線方向位移1/4體對角線長度穿插而成。由於Zn2+離子具有18電子構(gòu)型，S2-離子又易於變形，因此，Zn-S鍵帶有相當程度的共價鍵性質(zhì)。常見閃鋅礦型結(jié)構(gòu)有Be，Cd，Hg等的硫化物，硒化物和碲化物以及CuCl及

-SiC等。

圖1-17閃鋅礦結(jié)構(gòu)（a）晶胞結(jié)構(gòu)（c）[ZnS4]分佈及連接（b）（001）面上的投影4.六方ZnS（纖鋅礦，wurtzite）型結(jié)構(gòu)及熱釋電性（1）結(jié)構(gòu)解析纖鋅礦屬於六方晶系，點群6mm，空間群P63mc，晶胞結(jié)構(gòu)如圖1-18所示。結(jié)構(gòu)中S2-作六方最緊密堆積，Zn2+佔據(jù)四面體空隙的1/2，Zn2+和S2-離子的配位數(shù)均為4。六方柱晶胞中ZnS的“分子數(shù)”為6，平行六面體晶胞中，晶胞分子數(shù)為2。結(jié)構(gòu)由Zn2+和S2-離子各一套六方格子穿插而成。常見纖鋅礦結(jié)構(gòu)的晶體有BeO、ZnO、CdS、GaAs等晶體。圖1-18纖鋅礦結(jié)構(gòu)六方柱晶胞和平行六面體晶胞（2）纖鋅礦結(jié)構(gòu)與熱釋電性及聲電效應(yīng)某些纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，由於其結(jié)構(gòu)中無對稱中心存在，使得晶體具有熱釋電性，可產(chǎn)生聲電效應(yīng)。熱釋電性是指某些象六方ZnS的晶體，由於加熱使整個晶體溫度變化，結(jié)果在與該晶體c軸平行方向的一端出現(xiàn)正電荷，在相反的一端出現(xiàn)負電荷的性質(zhì)。晶體的熱釋電性與晶體內(nèi)部的自發(fā)極化有關(guān)。實際上，這種晶體在常溫常壓下就存在自發(fā)極化，只是這種效應(yīng)被附著於晶體表面的自由表面電荷所掩蓋，只有當晶體加熱時才表現(xiàn)出來，故得其名。熱釋電晶體可以用來作紅外探測器。

纖鋅礦型結(jié)構(gòu)的晶體，如ZnS、CdS、GaAs等和其他II與IV族，III與V族化合物，製成半導(dǎo)體器件，可以用來放大超聲波。這樣的半導(dǎo)體材料具有聲電效應(yīng)。通過半導(dǎo)體進行聲電相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象稱為聲電效應(yīng)。二、AX2型結(jié)構(gòu)AX2型結(jié)構(gòu)主要有螢石（CaF2，fluorite）型，金紅石（TiO2，rutile）型和方石英（SiO2，

-cristobalite）型結(jié)構(gòu)。其中CaF2為鐳射基質(zhì)材料，在玻璃工業(yè)中常作為助熔劑和晶核劑，在水泥工業(yè)中常用作礦化劑。TiO2為集成光學(xué)棱鏡材料，SiO2為光學(xué)材料和壓電材料。AX2型結(jié)構(gòu)中還有一種層型的CdI2和CdCl2型結(jié)構(gòu)，這種材料可作固體潤滑劑。AX2型晶體也具有按r+/r-選取結(jié)構(gòu)類型的傾向，見表1-7。表1-7AX2型結(jié)構(gòu)類型與r+/r-的關(guān)係立方晶系，點群m3m，空間群Fm3m，如圖1-19所示。Ca2+位於立方晶胞的頂點及面心位置，形成面心立方堆積，F(xiàn)－填充在八個小立方體的體心。Ca2+的配位數(shù)是8，形成立方配位多面體[CaF8]。F－的配位數(shù)是4，形成[FCa4]四面體，F(xiàn)－佔據(jù)Ca2+離子堆積形成的四面體空隙的100%。或F－作簡單立方堆積，Ca2+佔據(jù)立方體空隙的一半。晶胞分子數(shù)為4。由一套Ca2+離子的面心立方格子和2套F－離子的面心立方格子相互穿插而成。1.螢石（CaF2）型結(jié)構(gòu)及反螢石型結(jié)構(gòu)圖1-19螢石型結(jié)構(gòu)（a）晶胞結(jié)構(gòu)圖（b）[CaF8]立方體及其連接（c）[FCa4]四面體及其連接

CaF2與NaCl的性質(zhì)對比：F－半徑比Cl－小，Ca2+半徑比Na+稍大，綜合電價和半徑兩因素，螢石中質(zhì)點間的鍵力比NaCl中的鍵力強，反映在性質(zhì)上，螢石的硬度為莫氏4級，熔點1410℃，密度3.18，水中溶解度0.002；而NaCl熔點808℃，密度2.16，水中溶解度35.7。螢石結(jié)構(gòu)的解理性：由於螢石結(jié)構(gòu)中有一半的立方體空隙沒有被Ca2+填充，所以，在{111}面網(wǎng)方向上存在著相互毗鄰的同號離子層，其靜電斥力將起主要作用，導(dǎo)致晶體在平行於{111}面網(wǎng)的方向上易發(fā)生解理，因此螢石常呈八面體解理。

結(jié)構(gòu)-性能關(guān)係常見螢石型結(jié)構(gòu)的晶體是一些四價離子M4+的氧化物MO2，如ThO2，CeO2，UO2，ZrO2