(完整版)1《材料科学基础》第一章晶体学基础.ppt
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第一篇结构与性质第一章晶体学基础第二章晶体结构第三章晶体结构缺陷第四章非晶态结构,第二篇热力学平衡第五章相平衡和相图第三篇动力学过程第六章固体中的扩散第七章材料中的相变第八章材料制备中的固态反应第九章材料的烧结,材料科学基础,FundamentalsofMaterialsScience,浙大,南航,参考书:
1无机材料科学基础,张其土主编,华东理工大学出版社,2007.12材料科学基础,杜丕一潘颐编著,中国建材工业出版社,2002.33材料科学基础,陶杰姚正军薛烽主编,化学工业出版社,2006.3,南工,目录,1.1晶体的基本概念与性质1.2空间点阵1.3晶向指数和晶面指数1.4晶体的对称性,第一章晶体学基础,一、晶体的基本概念二、晶体的基本性质三、晶体学的主要研究内容,1.1晶体的基本概念与性质,凡是具有(非人工琢磨而成)几何多面体形态的固体都称之为晶体?
图片,一、晶体的基本概念,无色水晶,水晶晶簇,黄铁矿,石盐,冰州石,石榴石,绿柱石,金刚石,萤石,停,玻璃,玻璃,电气石(碧玺),石墨,人造刚玉,多晶,晶体?
软玉,晶体?
翡翠,1912年,X射线晶体衍射实验成功,对晶体的研究从晶体的外部进入到晶体的内部。
食盐,现已证明,一切晶体不论其外形如何,它的内部质点(原子、离子、分子)都在三维空间有规律排列。
晶体:
晶体是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性重复排列的固体。
有些固体如玻璃、琥珀、松香等,它们的内部质点不作规则排列,称为非晶体。
NaCl晶体结构,比较图,古堡,液、准,液晶:
介于固态和液态之间的各向异性的流体。
性质上:
既具有液体的可流动性、粘滞性,又具有晶体的各向异性结构上,具有一维或二维近似有序晶,即分子按某一从优方向排列平移无序或部分平移无序的,液晶,准晶,是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶具有长程定向有序,然而又不具有晶体所应有的平移对称性,因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
基本性质,以色列人达尼埃尔谢赫特曼以发现准晶体赢得2011年度诺贝尔化学奖。
伊朗某清真寺的建筑设计,类似准晶的排列,enrose瓷砖,1、结晶均一性2、异向性3、自限性4、对称性5、最小内能性,二、晶体的基本性质,4、对称性:
是指同一晶体中的相同部分或某种相同的性质在不同的方向或位置上作有规律地重复。
5、最小内能性:
在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较,其内能最小。
晶体学?
1、结晶均一性:
同一晶体的各部分的物理化学性质相同。
2、异向性:
同一晶体在不同方向上性质有所差异,3、自限性:
是指晶体在适当条件下可以自发地形成封闭的凸几何多面体的性质。
云母、排队、冰,晶体生长学:
研究晶体发生、成长机理和晶体的合成。
几何结晶学:
研究晶体外形的几何规律。
晶体结构学:
研究晶体内部结构的几何规律、结构型式和构造的缺陷。
晶体化学:
主要研究晶体的化学成分和结构的关系,并进而探讨成分、结构与其性能和生成条件的关系。
晶体物理学:
研究晶体的物理性质及其产生机理。
三、晶体学的主要研究内容,好好学习天天向上,本节重点掌握:
1、概念:
晶体2、晶体的基本性质,一、晶体结构与空间点阵二、单胞(单位平行六面体)三、布拉维点阵,1.2空间点阵,NaNO2,一、晶体结构与空间点阵,34,(a)体心立方结构晶胞,(C)六方密堆结构晶胞,(b)面心立方结构晶胞,金属中最常见的三种晶体结构的晶胞:
体心立方结构,面心立方结构,六方密堆结构,晶体结构是指晶体中原子、原子团或分子的具体分布情况。
1.1.2晶体结构,34,(a)晶体结构(b)结构单元(C)空间点阵,两个定义,等同点:
是指晶体结构中占据相同位置和具有相同环境的一系列几何点。
CsCl,结构基元:
是指晶体结构中重复排列的基本单位。
每个结构基元化学组成相同、空间结构相同、排列取向相同、周围环境相同。
以氯化铯(CsCl)的晶体结构为例,定义,从晶体结构中抽象出来的一系列在三维空间周期性排列的几何点称为空间点阵。
空间格子是表示晶体内部中质点重复规律的几何图形。
空间点阵为无限图形。
空间点阵的要素:
结点行列面网平行六面体,说明,和外形的关系,区别,注意:
晶体结构和空间点阵的区别(了解),空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象,用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性。
由于各阵点的周围环境相同,它只能有14种类型。
晶体结构是晶体中实际质点(原子、离子或分子)的具体排列方式。
它们能组成各种类型的排列,因此,实际存在的晶体结构类型是无限的。
联系:
晶体结构的结构基元与相应空间点阵的结点在空间排列的周期一致,看四种晶体,点阵点群与点阵点的位置点群,单胞,金属晶体分子晶体原子晶体离子晶体,晶体结构,定义选取原则表征,二、单胞(单位平行六面体),构成空间格子的具有代表性的基本单元(平行六面体)称为单胞。
将单胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。
1、定义,所选取的平行六面体应能反映整个空间点阵的对称性;在上述前提下,平行六面体棱与棱之间的直角应最多;在遵循上两个条件的前提下,平行六面体的体积应最小。
2、单胞的选取原则,具有L44P的平面点阵,单胞表征,单位平行六面体的三根棱长a、b、c及其夹角、是表示它本身的形状、大小的一组参数,称为单胞参数或点阵常数(或晶格常数),3、单胞的表征,晶胞,坐标系,原点:
单胞角上的某一阵点坐标轴:
单胞上过原点的三个棱边x,y,z点阵参数:
a,b,c,,晶胞:
是指能够反映整个晶体结构特征的最小结构单位。
由具体的有物理、化学属性的物质点所组成。
单胞:
构成空间格子的具有代表性的基本单元。
由不具有任何物理、化学特性的几何点构成联系:
一般情况下,晶胞的几何形状、大小与对应的单胞是一致的,可由同一组晶格常数来表示。
不区分图示,注意:
晶胞与单胞的区别(了解),空间点阵,晶胞,单胞,大晶胞,NaCl晶体的晶胞,对应的是立方面心格子晶格常数a=b=c=0.5628nm,=90,大晶胞:
是相对于单位晶胞而言的,例:
六方原始格子形式的晶胞就是常见的大晶胞(由3个底面为菱形的柱体拼成),布拉维点阵,空间点阵到底有多少种排列新方形式?
按照“每个阵点的周围环境相同”的要求,在这样一个限定条件下,法国晶体学家布拉维(A.Bravais)在1848年首先用数学方法证明,空间点阵只有14种类型,这14种空间点阵以后就被称为布拉维点阵。
三、布拉维点阵,1、单胞的形状分类及其格子常数特点,根据6个点阵参数间的相互关系,可将全部空间点阵归属7种晶系。
Bravais晶系的格子常数特点,根据平行六面体中结点的分布情况,又可以分为四种格子类型:
原始格子(P)、底心格子(C)、体心格子(I)和面心格子(F)。
2、单胞的结点分布类型:
(P)(C)(I)(F),细分,3、14种布拉维格子,具体p11,正交晶系,续表:
十四种布拉维格子,总结,晶体结构,空间格子(14种),单胞(14种),晶胞,晶系(7个),好好学习天天向上,本节重点掌握:
1、概念:
空间点阵;晶胞;点阵常数2、空间点阵及其要素3、Bravais晶系的格子常数特点,一、晶向指数二、晶面指数三、六方晶系的晶向指数和晶面指数四、晶带五、晶面间距,晶向、晶面,1.3晶向指数和晶面指数(参考P13-16),钯的PDF卡片-Pd894897,crystalsystem,spaceroup,图2CdS纳米棒的TEM照片(左)和HRTEM照片(右),图2选区电子衍射图,图1.La(Sr)3SrMnO7的低温电子衍射图,晶向、晶面、晶面间距,晶向:
空间点阵中行列的方向代表晶体中原子排列的方向,称为晶向。
晶面:
通过空间点阵中任意一组结点的平面代表晶体中的原子平面,称为晶面。
M,N,L,(2,2,2)或222,P点坐标?
2、求法1)建立坐标系。
以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点,三条棱为坐标轴,以晶胞的点阵常数a、b、c分别为x、y、z轴的长度单位,建立坐标系。
注意,坐标原点的选取应便于确定坐标值。
2)确定坐标值。
在待定晶向OP上确定距原点最近的一个结点P的坐标值(x,y,z)3)化整并加方括号。
将坐标的比化为最小整数比,即x:
y:
z=u:
v:
w,把所得最小整数加以方括号,即得待定晶向OP的晶向指数uvw。
如果u、v、w中某一数为负值,则将负号标注在该数的上方。
1、晶向指数:
表示晶体中点阵方向的指数,由晶向上结点的坐标值决定。
一、晶向指数,例1:
在晶胞里,例2:
注意例3,建坐标定坐标化整并加方括号,例3:
1/3:
2/3:
1=1:
2:
3123,练习立方,晶向、晶面,立方晶系一些重要晶向的晶向指数,画线,3、几点说明一个晶向指数代表着相互平行、方向一致的所有晶向。
若晶体中两晶向相互平行但方向相反,则晶向指数数字相同、符号相反。
晶体中具有等同条件(即这些晶向上的原子排列情况完全相同)而只是空间位向不同的一组晶向称为晶向族,用表示。
例:
立方格子中晶向族包括100、010、001、00、00、00六个晶向。
晶向族包括111、11、11、1、1、1、11八个晶向。
晶向族:
任意交换指数的位置和改变符号后的所有指数。
作业1:
标定晶向指数,说明1.、2、3,1、晶面指数:
表示晶体中点阵平面的指数,由晶面与三个坐标轴的截距值决定。
2、求法1)建坐标。
以晶胞的某一阵点O为原点,三条棱为坐标轴,以晶胞的点阵常数a、b、c分别为x、y、z轴的长度单位,建立坐标系。
注意,坐标原点的选取应便于确定截距,且不能选在待定晶面上。
2)定截距。
量出待定晶面在三个坐标轴上的截距x,y,z。
如果该晶面与坐标轴平行,则其截距为。
3)取倒数。
取截距的倒数1/x,1/y,1/z。
4)化整并加圆括号。
将倒数比化为最小整数比,即1/x:
1/y:
1/z=h:
k:
l,把所得最小整数加以圆括号,即得待定晶面的晶面指数(hkl)。
如果截距为负值,则将负号标注在相应指数的上方()。
密勒指数,二、晶面指数,例1:
晶面指数图解,(321),2,3,6,1/2,1/3,1/6,1/21/31/6=321,建坐标定截距取倒数化整并加圆括号,例2:
练习立方,1/2,1/3,2/3,2,3,3/2,(463),建坐标定截距取倒数化整并加圆括号,2:
3:
3/2=4:
6:
3,立方晶系中一些晶面的晶面指数,练习计算,
(1)一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c,求出该晶面的米勒指数;
(2)一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c,求出该晶面的米勒指数。
练习:
标定晶面指数,解:
(2)h:
k:
l=1/1/2:
1/1/3:
1/1/6=3:
2:
1该晶面的米勒指数为(321),解:
(1)h:
k:
l=1/2:
1/3:
1/6=3:
2:
1该晶面的米勒指数为(321),3、几点说明晶面指数(hkl)不是指一个晶面,而是代表着一组相互平行的晶面;平行晶面的晶面指数相同,或数字相同而正负号相反,如(hkl)和();晶体中具有等同条件(即这些晶面上的原子排列情况和晶面间距完全相同)而只是空间位向不同的一组晶面称为晶面族,用hkl表示。
100晶面族包括六个等同晶面(组合成立方体的6个面),110晶面族包括十二个等同晶面(组合成菱形十二面体的12个面),111晶面族包括八个等同晶面(组合成八面体的8个面),作业,晶面族:
任意交换指数的位置和改变符号后的所有指数。
作业2:
标定晶面指数,说明,六方大晶胞,六方原始格子组成的大晶胞(由3个底面为菱形的柱体拼成),不能,三、六方晶系的晶向指数和晶面指数,用三个指数表示晶面和晶向的方法原则上适用于任意晶系。
对六方晶系,取a,b,c为晶轴,而a轴与b轴的夹角为120,c轴与a,b轴相垂直,如右图所示。
100,010,取a1、a2、a3及c为x、y、u、z四个晶轴,a1,a2和c轴就是原胞的a,b和c轴,而a3=-(a1+a2)。
X、Y、U之间的夹角均为120.采用4轴坐标时,晶面指数按照
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