材料化学与工艺02a.pdf

第二章晶体结构 本章推荐参考书 唐小真主编，材料化学导论，高等教育出 版社 苏勉曾编著，固体化学导论，北京大学出 版社 张孝文等编著，固体材料结构基础，中国 建筑工业出版社 2.1 固体材料的分类 固体材料可以按照其中原子排列的有序 程度分为晶态和非晶态两大类。 一个明显的弯曲标志着随着温度的下 降体系中发生了相变：在沸腾温度处 首先发生气相到液相的转变。 随着温度的继续降低， 注意到曲线的斜率应该对应于体系的 液体的体积连续减小。 热膨胀系数：固体的热膨胀系数小于 液体。 液体在缓慢降温过程中形成晶体。在这 一过程中，原子有足够的时间发生重排，因 此形成的固体中原子的排列呈有序状态。 液体在急冷过程中形成非晶体。在这一 过程中，原子没有足够的时间发生重排，因 此形成的固体中原子的排列呈无序状态。 晶体和非晶体的根本区别 晶态材料具有长程有序的点阵结构，其 组成原子或基元处于一定格式空间排列的状 态； 非晶态材料则象液体那样，只有在几个 原子间距量级的短程范围内具有原子有序的 状态。(短程有序) 2.2 几何晶体学  简单的历史回顾  人类最早使用的材料是天然的石块。在采集石块 的同时也就发现了各种具有规则外形的石头。人 们把这些具有规则外形的石头称为晶体。  在我国周口店的中国猿人遗址就发现了用水晶等 晶体制成的工具。这是人类认识晶体的开始。因 此，晶体是一个非常古老的名词。  无色的六面体食盐是最普通的同时也是最重要的 一种晶体。盐对于生命来说是必不可少的，而在 所有文化形态中，盐又历来具有某种象征的性质。  “salary” =“买盐的钱”。 晶面角守恒定律 晶体最初给人们的印象就是具有规则外形，而 对晶体开展的研究也是从这些规则外形开始的。 1669 年，一个叫做斯丹诺(Nicolas Steno) 的意 大利人对水晶进行了仔细的研究后发现：尽管 不同的石英晶体，其晶面的大小、形状、个数 都可能会有所不同，但是相应的晶面之间的夹 角都是固定不变的。 当前无法显示此图像。 天然的水晶(石英晶体) 可以有各种不同的外形 尽管不同的石英晶体，其晶面的大小、形状、个 数都可能会有所不同，但是相应的晶面之间的夹 角都是固定不变的 其中的a 晶面和b 晶面之间的夹角总是14147， b 晶面和c 晶面之间的夹角总是12000，而c 晶 面和a 晶面之间的夹角总是11308。 此后，人们对各种不同的晶体进行了大量 的观察，发现类似的规律对于其他的晶体 也是存在。这就诞生了结晶学上的第一条 经验定律 晶面角守恒定律 在同一温度下，同一种物质所形 成的晶体，其相同晶面的夹角是 一个常数。 晶面角守恒定律是晶体学中最重要的定律之一，它 揭露了晶体外形的一种重要的规律性，从而指导人 们怎样去定量地、系统地研究各式各样的晶体。 在19 世纪初，在晶面角守恒定律的启发下， 晶体测角工作曾盛极一时，大量天然矿物和人 工晶体的精确观测数据就是在这个阶段获得的。 这些数据为进一步发现晶体外形的规律性(特 别是关于晶体对称性的规律) 创造了条件。 直至今天，测定晶面角仍然是从晶体外形来鉴 别各种不同矿物的一种常用的可靠方法，为此 人们还设计制作了一些晶体测角仪，专门用于 这一目的。