北科-材料科学基础各章重点总结汇总(2)

晶体结构中原子（原子团）倾向于最紧密堆垛。单质金属键晶体大多是密排立方fcc和密排六方hcp堆垛，这种堆垛最紧密，致密度（堆垛因子）是0.74，配位数是12，它们都有最密排面和最密排方向。这两种结构的差别仅在于密排面堆垛的顺序不同。金属键晶体还会有堆垛密度稍低的bcc结构，它的致密度为0.68，配位数为(8+6)。大多数金属键晶体的点阵常数是很小的，大约是零点几个纳米。金属间化合物也倾向于紧密堆垛，当尺寸大小不同的原子组成晶体时，它们作适当的搭配（卡斯珀配位多面体）提高空间的利用率，使致密度大于0.74，配位数大于12。

金属键的无饱和性和无方向性，使得金属键晶体容易形成固溶体。根据溶质原子半径与溶剂原子半径的相对大小，溶质原子可以置换溶剂原子形成置换固溶体，或填入溶剂点阵的间隙中形成填隙固溶体。溶质原子及溶剂原子的原子半径相对大小以及两者的电负性差值是影响置换固溶体溶解度的主要因素。对于填隙固溶体，因为溶质原子填入溶剂的点阵间隙引起极大的畸变，所以填隙固溶体的溶解度都是很低的。某些高温下具有短程序的固溶体，当其成分接近一定的原子比时，在低于某一临界温度可以转变成有序固溶体，溶质原子在溶剂中按某种有序规则排列。用有序参数来描述有序的程度。

离子晶体中离子的堆垛要考虑电性的作用，堆垛成有最大静电吸力和最小静电斥力的结构。离子晶体的堆垛遵循五项鲍林规则。当正负离子尺寸相差不大时，也按上述单质原子堆垛的原则堆垛，但是要作调整使同电性离子不直接接触。实际离子晶体中正负离子尺寸相差很大，一般尺寸较大的负离子按密排立方或密排六方堆垛，尺寸较小的正离子填充在密堆结构的间隙中。鲍林规则指出，正离子填充什么样的间隙取决正负离子的半径比值，离子的配位数也取决于正负离子的半径比值。鲍林规则还指出了配位多面体的最稳定连接方式。

氧化物结构的特点是氧离子的密堆排列而金属离子填充在氧的密排结构的间隙中。观察氧化物的结构首先看氧离子的密排堆垛方式（最普遍的是密排立方或密排六方），然后看金属离子填充间隙的类型（最常见的是八面体间隙和四面体间隙），根据电性中和得出这些间隙位置被填的分数（全部、1/2、1/4…等）。从而获得氧化物的结构类型及其中离子的配位数。

硅酸盐结构的特点是以硅氧四面体（SiO44-）作为骨架，按照硅氧四面体的连接方式，将硅酸盐分为零维的岛状硅酸盐、一维连接的链状硅酸盐、二维连接的层状硅酸盐和三维连接的骨架状硅酸盐。铝离子可以有序或无序地置换硅氧四面体中的硅离子形成铝氧四面体（AlO45-），它们一起组成硅酸盐结构的骨架。其它的正离子排放在硅氧四面体的中心。在硅酸盐结构中，为了平衡电荷，也常有一些附加的如F 、Cl 、OH 和O2 等负离子。

单质或化合物溶入其它元素便形成固溶体，前者称端际固溶体（或简称固溶体）后者称二次固溶体。固溶体分为置换（或代位）固溶体和填隙固溶体。控制固溶体溶解度的因素主要有尺寸因素和电负性价效应，溶质和溶剂原子半径的相对差异小于15%和电负性差小于0.4～0.5时可以获得较大的溶解度。如果置换固溶体的溶质和溶剂的晶体结构相同，在合适的条件下有可能获得连续互溶的固溶体，但是，间隙固溶体不可能有这种情况，并且溶解度都是很低的。

材料随着温度或压力的变化可以改变其晶体结构，具有同素异构或多形性。一般的情况是：高

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温下较开放的结构稳定，低温下较密堆的结构稳定。这种现象的热力学依据是较开放的结构比较密堆的结构的熵值高，而较开放的结构的焓值比较密堆的结构的低。随着温度升高，自由能中的熵项起的作用增大，使得较开放的结构自由能比较密堆的结构的更低。

准晶是准周期性晶体的简称。它的结构特点是：在某一维方向具有长程取向序而没有长程平移对称性，其取向序具有晶体周期性所不能容许的点对称性（如5、8、10、12次对称轴）。彭罗斯拼图是一种准周期拼砌图，可以填满平面并具有五次对称。准晶结构与准周期拼砌之间存在密切关系，所以准周期的彭罗斯拼砌作为一级近似可以当作为准晶的点阵模型。彭罗斯拼图的思想推广到三维，可以解释二十面体的准晶特征。准晶的发现显著地扩大了晶体的平移堆成和旋转对称范围，为晶体学增添了新的内容，并对固体科学有深远影响。

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第四章 非晶态与半晶态

总结

物质可分为晶态、气态以及处于这两者之间的液态和非晶态。本章我们对非晶态材料的结构和性质做了基本的介绍。

玻璃态属于一大类的非晶态，所谓玻璃态化转变是：从液态冷却时实现了原子从非定域性到定域性的转变（固化），而原子被冻结在无序结构之中，保留了液体的无序，这个转变的温度称玻璃化转变温度。本质上，任何材料—聚合物、陶瓷、金属都可以用通过对材料从熔融态进行激冷的方法制成玻璃，关键是冷却速度要足够大，使冷却过程中避开结晶。对于不同的材料，这个“足够大”的冷却速度是不同的，这取决于材料的晶体结构的复杂程度。一般金属的晶化能力很强，普通冷却速下度难以形成玻璃。传统使用的硅酸盐氧化物玻璃和聚合物的晶化能力很低，在一般的冷却速度下就可以形成玻璃态。对于玻璃这类缺乏长程有序的结构，一般用统计的方法如径向分布函数来描述，但这个方法在统计过程中还会抹去或漏掉不少结构信息或一些有原子结合的相关化学键信息。另外，还可用构造模型来描述玻璃态的结构。常用的模型有伏龙诺伊多面体模型、贝纳耳无规密堆模型和无规网络模型等。

聚合物一般是高分子化合物，是由巨大量的原子组成的大分子构成的，其分子量一般在10000以上。大分子是由一种或多种小分子（它是结构单元或重复单元）通过主价键以共价键逐个连接形成。聚合物的化学名称是根据大分子主链中含有的单体或假想单体名称为基础，再在前面冠以“聚”字来命名的。如乙烯基聚合物、聚酯、聚酰胺、橡胶聚合物等。

聚合物材料的结构主要包括两个微观层次：分子链结构和凝聚态结构。根据重复单元的化学成分不同，有碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物。链节（重复单元）在分子链中的连接方式和顺序可以有头-尾连接、头-头连接等方式。由一种单体聚合而成的聚合物称均聚物，两种或两种以上的单体聚合而成的聚合物称共聚物，单体共聚可以有无规共聚、交替共聚、嵌段共聚和接枝共聚等方式。根据分子链中重复单元沿着分子链分布的不同，分子链可以有多种类型异构体：体视（立体）异构体和序列异构体等。在立体异构体中，因侧基位置不同而有全同立构、间同立构和无规立构三种构型。分子链可以是线型、支链型和体型三种等不同形态。高分子链可以是柔性、半柔性或刚性的，柔性高分子主链有一定的内旋转自由度，可以有多种的构象：无规线团、螺旋、折叠和伸展等。

分子间的凝聚可以形成各种晶态、非晶态凝聚态结构。描述晶态结构的模型主要有缨状微晶胞模型和折叠链模型。聚合物一般难以全部结晶，它的结晶能力取决于分子是否容易移动以及是否容易有效地堆垛在一起形成长程有序结构。影响结晶度的因素包括：单体的复杂性、链的分支、侧基尺寸、立构规整度、链间的二次键等。

聚合物主要分为热塑性聚合物、热固性聚合物和介乎这两者之间的弹性体三类。热塑性聚合物具有线型结构，可以通过加热和施加以机械力变形成特定的形状；热固性聚合物具有交联或网状结构，是不溶和不熔 …… 此处隐藏：2962字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……