目錄

第1章原子結構與鍵合.............................................................................................................................................1

1.1原子結構....................................................................................1

1.2原子間的鍵合................................................................................2

1.3高分子鏈....................................................................................2

本章重....................................................................................點復習.3.

第2章固體結構..............................................................................................................................................................4

2.1晶體學基礎..................................................................................4

2.2金屬的晶體結構.............................................................................5

2.3合金相結構..................................................................................7

2.4離子晶體結構................................................................................9

2.5共價晶體結構...............................................................................10

2.6聚合物的晶體結構..........................................................................11

2.7非晶態結構.................................................................................13

本章重點復習...................................................................................13

第3章晶體缺陷...........................................................................................................................................................15

3.1點缺陷.....................................................................................15

3.2位錯.......................................................................................16

3.3表面及界面.................................................................................18

本章重點復習...................................................................................20

第4章固體中原子及分子的運動....................................................................................................................23

4.1表象理論...................................................................................23

4.2擴散的熱力學分析..........................................................................23

4.3擴散的原子理論............................................................................24

4.4擴散激活能.................................................................................25

4.5無規則行走與擴散距離......................................................................25

本章重點復習...................................................................................25

第5章材料的形變和再結晶...............................................................................................................................27

5.1彈性和粘彈性...............................................................................28

5.2晶體的塑性變形.............................................................................29

5.3回復和再結晶...............................................................................33

5.4高聚物的塑性變形..........................................................................36

本章重點復習...................................................................................36

第6章單組元相圖及純晶體凝固....................................................................................................................38

6.1單元系相變的熱力學及相平衡................................................................38

6.2純晶體的凝固..............................................................................39

本章重點復習...................................................................................40

第7章二元系相圖及合金的凝固....................................................................................................................42

7.1相圖的表示和測定方法......................................................................42

7.2相圖熱力學的基本要點......................................................................43

7.3二元相圖分析...............................................................................44

7.4二元合金的凝固理論........................................................................45

7.5高分子合金概述.............................................................................47

本章重點復習...................................................................................48

第8章三元相圖...........................................................................................................................................................52

8.1三元相圖基礎...............................................................................52

8.2固態互不溶解的三元共晶相圖................................................................55

8.3固態有限互溶的三元共晶相圖................................................................57

8.4兩個共晶型二元系和一個勻晶二元系構成的三元相圖...........................................58

8.5包共晶型三元系相圖........................................................................59

8.6具有四相平衡包晶轉變的三元系相圖.........................................................60

8.7形成穩定化合物的三元系相圖................................................................60

8.8三元相圖舉例..............................................................................61

8.9三元相圖小結..............................................................................63

本章重點復習...................................................................................64

第9章材料的亞穩態................................................................................................................................................66

9.1納米晶材料.................................................................................66

9.2準晶態.....................................................................................69

9.3非晶態材料.................................................................................70

9.4固態相變形成的亞穩相......................................................................71

本章重點復習...................................................................................72

各章例題、習題以及解答.......................................................................................................................................73

第1章原子結構與鍵合..........................................................................73

第2章固體結構................................................................................77

第3章晶體缺陷................................................................................85

第4章固體中原子及分子的運動.................................................................93

第5章材料的形變和再結晶....................................................................100

第6章單組元相圖及純晶體凝固................................................................107

第7＜二元系相圖及合金的凝固................................................................112

第8章三元相圖...............................................................................120

第9章材料的亞穩態...........................................................................128

1

第1章原子結構與鍵合

材料是國民經濟的物質基礎。

通過實踐和研究表明：決定材料性能的最根本的因素是組成材料的各元素的原子結構，原子間的相互作用、相互結合，原

子或分子在空間的排列分布和運動規律以及原子集合體的形貌特征等。為此我們需要了解材料的微觀構造，即其內部結構和

組織狀態，以便從其內部的矛盾性找出改善和發展材料的途徑。

1.1原子結構

1.1.1物質的組成

一切物質都是由無數微粒按一定的方式聚集而成的。這些微粒可能是分子、原子或離子。

原子結構直接影響原子間的結合方式。

1.1.2原子的結構

近代科學實驗證明：原子是由質子和中子組成的原子核，以及核外的電子所構成的。

原子的體積很小，直徑約為10-10m數量級，而其原子核直徑更小，僅為l(M5m數量級。然而，原子的質量恰主要集中

在原子核內。因為每個質子和中子的質量大致為1.67X10&g,而電子的質量約為9.1IX1(產8g,僅為質子的1/1836。

1.1.3原子的電子結構

描述原子中?個電子的空間位置和能量可用四個量子數表示。

多電子的原子中，核外電子的排布規律遵循三原則，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund規則。

從內到外，依次為K殼層(n=l),L殼層(n=2),M殼層(n=3)。

1).主量子數n

決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即電子所處的量子殼層。

2).軟道角量子數上

給出電子在同一量子殼層內所處的能級(電子亞層)。

3).磁量子數m,

給出每個軌道角動量量子數的能級數或軌道數。

4).自旋角量子數殳

反映電子不同的自旋方向。

1.1.4元素周期表

具有相同核電荷數的同一類原子為一種元索。

元素周期表是元素周期律的具體表現形式，它反映了元素之間相互聯系的規律，元素在周期表中的位置反映了那個元素的

原子結構和一定的性質。

元素周期表O

H,,AHIAIVVAVIvn

金屬非金屬情件氣體過渡元素AAA|Hj

LiBeBcN0F|Ne|

VIVIIIAlP|Ar|

NaMgIIIBIVBVBBVIIB%SiSCl

KCa|Sc|Efl■1|Cr|■FeB■Co,?Ni?Cu|］刎GaGeAsSeBr心

RbSrZrNbMoTcRuRhInSnSbTe1|Xe

CsBa|Hf|0|w|ReMOsMkFPt■Au”Hg?Tl也BiPoAtRn

FrRa■Ac,RfDb|Sg|Bh■HslMt

|Ce||g||Nd||Sm|EuGd

ThB■Pan|u||Npj■PuB■Am,Cm室WN函

2

圖1.2元素周期表

1.2原子間的鍵合

1.2.1金屬鍵

金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構成鍵合稱為金屬鍵。金屬鍵的基本特點是電子的共有化。

金屬鍵既無飽和性又無方向性，因而每個原子有可能同更多的原子相結合，并超了形成低能量的密堆結構。當金屬受力變

形而改變原子之間的相互位置時，不至于使金屬鍵破壞，這就使金屬具有良好延展性，并且，由于白由電子的存在，金屬一

般都具有良好的導電和導熱性能。

1.2.2離子鍵

大多數鹽類、堿類和金屬氧化物上要以離子鍵的方式結合。離子鍵鍵合的基本特點是以離子而不是以原子為結合單元。

一般離子晶體中正負離子靜電引力較強，結合牢固。因此。其熔點和硬度均較高。另外，在離子晶體中很難產生自由運動

的電子，因此，它們都是良好的電絕緣體。但當處在高溫熔融狀態時，正負離子在外電場作用下可以自由運動，即呈現離子

導電性。

1.2.3共價鍵

兩個或多個電負性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學鍵。共價鍵鍵合的基本特點是核外電子云達到最大的重

疊，形成“共用電子對”，有確定的方位，且配位數較小。

共價鍵在亞金屬（碳、硅、錫、錯等）、聚合物和無機非金屬材料中均占有重要地位。共價鍵晶體中各個鍵之間都有確定

的方位，配位數比較小。共價鍵的結合極為牢固，故共價晶體具有結構穩定、熔點高、質硬脆等特點。共價形成的材料般

是絕緣體，其導電性能差。

1.2.4范德華力

屬物理鍵，系一種次價鍵，沒有方向性和飽和性。比化學鍵的鍵能少1?2個數量級。不同的高分子聚合物有不同的性能,

分子間的范德華力不同是一個重要因素。

1.2.5氫鍵

是一種特殊的分子間作用力。它是由氫原子同時與兩個電負性很大而原子半徑較小的原子（O,F,N等）相結合而產生

的具有比一般次價鍵大的鍵力，具有飽和性和方向性。氫鍵在高分子材料中特別重要。

1.3高分子鏈

高分子結構包括高分子鏈結構和聚集態結構兩方面。鏈結構又分近程結構和遠程結構。近程結構屬于化學結構，又稱一級結

構。遠程結構又稱二級結構，是指單個高分子的大小和形態、鏈的柔順性及分子在各種環境中所采取的構象。如圖：單個高

分子的幾種構象圖。

1.3.1高分子鏈的近程結構

圖1.6單個高分子的幾種構象圖

1、鏈結構單元的化學組成

單體通過聚合反應連接而成的鏈狀分子，稱為高分子鏈，高分子中的重復結構單元的數目稱為聚合度。

2、分子結構

?殷高分子都是線性的，分子鏈長可以蜷曲成團，也可以伸展成直線。

3、共聚物的結構

由兩種或兩種以上單體單元所組成的高分子稱為共聚物。

不同的共聚物結構，對材料性能的影響也各不相同。

4、高分子鏈的構型

鏈的構型是指分子中由化學鍵所固定的兒何排列，這種排列是穩定的，要改變構型必須經過化學鍵的斷裂和重組。

3

構型不同的異構體有旋光異構和兒何異構兩種，

1.3.2高分子鏈的遠程結構

1、高分子的大小

高分子的相對分子質量不是均一的，它實際上是由結構相同、組成相同但相對分子質量大小不同的同系高分子的混合物聚

集而成。低聚物轉向高分子時，強度有規律地增大。但增長到?定的相對分子質量后，這種依賴性乂變得不明顯了，強度逐

漸趨于一極限值。

2、高分子的內旋轉構象

單鍵是由8電子組成，線型高分子鏈中含有成千上萬個6鍵。由于分子上非鍵合原子之間的相互作用，內旋轉一般是受阻

的，即旋轉時需要消耗一定的能量。高分子鏈的內旋轉也像低分子?樣，因受鏈上的原子或基團的影響不是完全自由的。它

既表現出一定的柔性，又表現出一定的剛性。

3、影響高分子鏈柔性的主要因素

高分子鏈能夠改變其構象的性質稱為柔性。

a.主鏈結構的影響：

主鏈結構對高分子鏈的剛柔性的影響起決定性的作用。

b.取代基的影響：

取代基團的極性、取代基沿分子鏈排布的距離、取代基在主鏈上的對稱性和取代基的體積等對高分子鏈的柔性均有影響。

c.交聯的影響

當高分子之間以化學鍵交聯起來時，交聯點附近的單鍵內旋轉便受到很大的阻礙。

本章重點復習

內容提要：

物質是由原子組成的，而原子是由位于原子中心的帶正電的原子核和核外高速旋轉帶負電的電子所構成的。在材料科學中，一般

人們最關心的是原子結構中的電子結構。

電子在核外空間作高速旋轉運動，就好像帶負電荷的云霧籠罩在原子核周圍，故形象地稱它為電子云。電子既具有粒子性又具

有波動性，即具有二象性。電子運動沒有固定的軌道，但可根據電子的能量高低，用統計方法判斷其在核外空間某一區域內出現

的兒率的大小。根據量子力學理論，電子的狀態是用波函數來描述的，原子中的?個電子的空間位置和能量可用四個量子數表示:

(1)主量子數n：決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層；

(2)軌道角動量量子數H：給出電子在同一量子殼層內所處的能級(電子亞層)；

(3)磁量子數mi：給出每個軌道角動量數的能級數或軌道數；

(4)自旋角動量量子數si：反映電子不同的自旋方向；

至于在多電子的原子中，核外電子的排布規律則遵循以下三個原則：

(1)能量最低原理：電子的排布總是先占據能量最低的內層，再由里向外進入能量較高的殼層，以盡可能使體系的能量最低；

(2)Pauli不相容原理：在一個原子中不可能有運動狀態完全相同的兩個電子，主量子數為n的殼層，最多容納2n2個電子；

(3)Hund規則：在同一亞層中的各個能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，而且白旋的方向相同。當電子排布為全充滿、

半充滿或全空時，是比較穩定的，整個原子的能量最低；

元素周期表反映了元素的外層電子結構隨著原子序數(核中帶正電荷的質子數)的遞增呈周期性的變化規律。可根據元素在周

期表中的位置，推斷它的原子結構和一定的性質。

原子與原子之間是依靠結合鍵聚集在一起的。由于原子間結合鍵不同，故可將材料分為金屬、無機非金屬和高分子材料。原子

的電子結構決定了原子鍵合的本身，原子間的結合鍵可分為化學鍵和物理鍵兩大類。化學鍵即主價鍵，它包括金屬鍵、離子鍵和

共價鍵三種：

(1)金屬鍵：絕大多數金屬均為金屬鍵方式結合，它的基本特點是電子的共有化；

(2)離子鍵：大多數鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵方式結合，這種鍵的基本特點是以離子而不是以原子為結合單位：

4

（3）共價鍵：在亞金屬（C、Si、Sn、Gc等）、聚合物和無機非金屬材料中共價鍵占有重要地位，它的主要特點共用電子對。

物理鍵為次價鍵，亦稱范德華力，在高分子材料中占著重要作用。它是借助瞬時的、微弱的電偶極矩的感應作用將原子或分子

結合在一起的鍵合。它包括靜電力、誘導力和色散力。

此外還有一種氫鍵，它是一種極性分子鍵，存在于HF、H20、NH3等分子間。其結合鍵能介于化學鍵與物理鍵之間。

由于高分子材料的相對分子質量可高達兒十萬甚至上百萬，所包含的結構單元可能不止?種，每?種結構單元又具有不同構型,

而且結構單元之間可能有不同鍵接方式與序列，故高分子的結構相當復雜。

高分子結構包括高分子鍵結構和聚集態結構兩方面。鍵結構又分近程結構和遠程結構。近程結構屬于化學結構，乂稱?次結構,

是指大分子鏈中原子的類型和排列，結構單元的鍵接順序、支化、交聯以及取代基在空間的排布規律等。遠程結構又稱二次結構,

是指高分子的大小與形態，鍵的柔順性及分子在各種環境中所采取的構象。

重點和難點

1.描述原子中電子的空間位置和能量的四個量子數；

2.核外電子排布遵循的原則；

3.元素性質、原子結構和該元素在周期表中的位苴三者之間的關系；

4.原子間結合鍵分類及其特點；

5.高分子鏈的近程和遠程結構。

重要概念與名詞：

分子，原子；

由量子數n,軌道角動量量子數1,磁量子數m,自旋角動量量子數s：

能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund規則；

元素，元素周期表，周期，族；

結合鍵，金屬鍵，離子鍵，共價鍵，范德華力，氫鍵；

高分子鏈，近程結構，結構單元，線性、支化、交聯和三維網絡分子結構；

無規、交替、嵌段和接枝共聚物：

全同立構、間同立構、無規立構，順式、反式構型；

遠程結構、數均、重均相對分子質量，聚合度；

熱塑性、熱固性塑料

第2章固體結構

物質通常有三種聚集狀態：氣態、液態和固態。而按照原子（或分子）排列的規律性又可將固態物質分為兩大類，晶體和非

晶體。晶體中的原子在空間呈有規則的周期性重復排列；而非晶體的原子則是無規則排列的。原子排列在決定固態材料的

組織和性能中起著極重要的作用。金屬、陶瓷和高分子的一系列特性都和其原子的排列密切相關。一種物質是否以晶體或以

非晶體形式出現，還需視外部環境條件和加工制備方法而定，晶態與非晶態往往是可以互相轉化的。

2.1晶體學基礎

2.1.1空間點陣和晶胞

具有代表性的基本單元（即最小平行六面體）作為點陣的組成單元，稱為晶胞。將晶胞作三維的重復堆砌，就構成了空間

點陣。

為了便于分析研究晶體中質點的排列規律性，可先將實際晶體結構看成完整無缺的理想晶體并簡化，將其中每個質點抽象

為規則排列于空間的幾何點，稱之為陣點。這些陣點在空間呈周期性規則排列并具有完全相同的周圍環境，這種由它們在三

維空間規則排列的陣列稱為空間點陣，簡稱點陣。同一空間點陣可因選取方式不同而得到不相同的晶胞。

晶胞、晶軸和點陣矢量

5

根據6個點陣參數間的相互關系，可將全部空間點陣歸屬于7種類型，即7個晶系。按照"每個陣點的周圍環境相同”的要

求，布拉菲（BravaisA.）用數學方法推導出能夠反映空間點陣全部特征的單位平面六面體只有14種，這14種空間點陣也

稱布拉菲點陣。

布拉菲點陣晶系布拉菲點陣品系

三斜(aWbWc,aHB#Y#六方(ai=a2=a3#c,a=B

簡單三斜簡單六方

90°)=90°,Y=120°)

單斜(aWb#c,a=丫=90°#菱方(a=b=c,a=B=Y

簡單單斜底心單斜簡單菱方

B)=90°)

四方砥bWc,a=B=Y

簡單四方體心四方

簡單正交底心正交正交(aWbWc,a=0=Y=90°)

體心正交面心正交=90°)簡單立方體心立方立方(a=b=c,a=3=Y

面心立方=90°)

空間點陣是晶體中質點排列的幾何學抽象。

2.1.2晶向指數和晶面指數

為了便于確定和區別晶體中不同方位的晶向和晶面，國際上通用密勒（Miller）指數來統一標定晶向指數與晶面指數。

1.晶向指數

晶向指數的確定步驟如下：

1）以晶胞的某?陣點O為原點，過原點0的晶釉為坐標軸x,y,z,以晶胞點陣矢量的長度作為坐標軸的長度單位。

2）過原點O作一直線OP,使其平行于待定晶向。

3）在直線0P上選取距原點O最近的個陣點P,確定P點的3個坐標值。

4）將這3個坐標值化為最小整數u,V,w,加以方括號，［uvw］即為待定晶向的晶向指數。

2.晶面指數

晶面指數標定步驟如下：

1）在點陣中設定參考坐標系，設置方法與確定晶向指數時相同；

2）求得待定晶面在三個晶軸上的截矩，若該晶面與某軸平行，則在此軸上截距為無窮大；

若該晶面與某軸負方向相截，則在此軸上截距為一負值；

3）取各截距的倒數；

4）將三倒數化為互質的整數比，并加上圓括號，即表示該晶面的指數，記為（hkl）。

晶面指數所代表的不僅是某一晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。另外，在晶體內凡晶面間距和晶面上原子的分布完全

相同，只是空間位向不同的晶面可以歸并為同一晶面族，以｛hkl｝表示，它代表由對稱性相聯系的若干組等效晶面的總和。

2.2金屬的晶體結構

2.2.1三種典型的金屬晶體結構

面心立方結構A1（或fee）、體心立方結構A2（或bee）和密排六方結構A3（或hep）三種。

1.晶胞中的原子數：

6

feebeehep

面心立方結構n=8Xl/8+6Xl/2=4

體心立方結構n=8X1/8+1=2

密排六方結構n=12X1/6+2X1/2+3=6

2.點陣常數與原子半徑：

晶胞的大小一般是由晶胞的棱邊長度(a,b,c)即衡量的，它是表征晶體結構的一個重要基本參數。

如果把金屬原子看作剛球，并設其半徑為R,根據兒何學關系不難求出三種典型金屬晶體結構的點陣常數與R之間的關系:

面心立方結構：點陣常數為a,且曲

體心立方結構：點陣常數為a,且醫**；

密排六方結構：點陣常數由a和c表示。在理想的情況"即把原子看作等徑的剛球，可算得c/a=1.633。此時a=2R.但

實際測得的軸比常偏離此值，即c/a不等于1.633。這時，(a〃3+c2/4嚴=2R。

3.配位數和致密度：

所謂配位數(CN)是指晶體結構中任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數；而致密度是指晶體結構中原子體積占總體積的百

分比。如以一個晶胞來計算，則致密度就是晶胞中原子體積與晶胞體積之比值，即K=nv/V

式中K為致密度：n為晶胞中原子數；v是一個原子的體積。

晶體結構類型配位數(CN)致密度

A1120.74

A28(8+6)0.86

A312(6+6)0.74

表2.7典型金屬晶體結構的配位數和致密度

2.2.2晶體的原子堆垛方式和間隙

原子密排面在空間一層?層平行的堆垛起來就分別構成以上三種晶體結構。

面心立方和密排六方結構的致密度均為0.74,是純金屬中最密集的結構。面心立方結構中｛111｝晶面和密排六方結構中

｛0001｝晶面上的原子排列情況完全相同。

7

圖2.21面心立方和密排六方點陣中密排面的分析

圖2.22面心立.方點陣中的間隙

位于6個原子所組成的八面體中間的間隙稱為八面體間隙，而位于4個原子所組成的四面體中間的間隙稱為四面體間隙。圖

中實心圓圈代表金屬原子，令其半徑為rA；空心圓圈代表間隙，令其半徑為rB.rB實質上是表示能放入間隙內的小球的最

大半徑。

金屬晶體存在許多間隙，這種間隙對金屬的性能、合金相結構和擴散、相變等都有重要影響。

2.2.3多晶型性

有些固態金屬在不同的溫度和壓力下具有不同的晶體結構即具有多晶型性，轉變的產物稱為同素異構體。例如，鐵在912。

以下為體心立方結構。稱為a-Fe：在912?1394℃具有面心立方結構，稱為Y-Fc；溫度超過1394℃至熔點間乂變成體心立

方結構，稱為8-Fe.由于不同晶體結構的致密度不同，當金屬由一種晶體結構變為另-種晶體結構時，將伴隨有質量體積

的躍變即體積的突變。

2.3合金相結構

雖然純金屬在工業中有著重要的用途，但由于其強度低等原因，因此，工、也上：廣泛使用的金屬材料絕大多數是合金。所謂合

金是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經熔煉、燒結或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質。組成合金的基本的獨

立的物質稱為組元。組元可以是金屬和非金屬元素，也可以是化合物。

固態下所形成的合金相基本上可分為固溶體和中間相兩大類。

2.3.1固溶體

固溶體是以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶人其他組元原子（溶質原子）所形成的均勻混合的固態溶體，它保持著溶

劑的晶體結構類型。

1.置換固溶體：

當溶質原子溶人溶劑中形成固溶體時，溶質原子占據溶劑點陣的陣點，或者說溶質原子置換了溶劑點陣的部分溶劑原子，

這種固溶體就稱為置換固溶體。金屬元素彼此之間一般都能形成苴換固溶體，但溶解度視不同元素而異，有些能無限溶解，

有的只能有限溶解。影響溶解度的因素很多，主:要取決于四個因素：a.晶體結構，b.原子尺寸，c.化學親和力（電負性），d.

原子價。

圖2.29無限置換固溶體中兩組元素原子置換示意圖

2.間隙固溶體

溶質原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。

3.固溶體的微觀不均勻性

事實上，完全無序的固溶體是不存在的。可以認為，在熱力學上處于平衡狀態的無序固溶體中，溶質原子的分布在宏觀上

是均勻的，但在微觀上并不均勻。在一定條件下，它們甚至會呈有規則分布，形成有序固溶體。這時溶質原子存在于溶質點

8

陣中的固定位置上，而且每個晶胞中的溶質和溶劑原子之比也是一定的。有序固溶體的點陣結構有時也稱超結構。

圖2.30固溶體中溶質原子分布示意圖

4.固溶體的性質

和純金屬相比，由于溶質原子的溶入導致固溶體的點陣常數改變，產生固溶強化及力學性能、物理和化學性能產生了不同

程度的變化。

2.3.2中間相

中間相可以是化合物，也可以是以化合物為基的固溶體（第二類固溶體或稱二次固溶體）。

中間相通常可用化合物的化學分子式表示。大多數中間相中原子間的結合方式屬于金屬鍵與其他典型鍵（如離子鍵、共價

鍵和分子鍵）相混合的一種結合方式。因此，它們都具有金屬性。

1.正常價化合物

2.電子化合物

3.原子尺寸因素有關的化合物

4.超結構（有序固溶體）

無序（A1）型有序（L1型）

?Cu.Au.25%Au.75%Cu

（a）

圖2.31Cu3Aui型超點陣

5.金屬間化合物的性質和應用

金屬間化合物由于原子鍵合和晶體結構的多樣性，使得這種化合物具有許多特殊的物理、化學性能，已日益受到人們的重

視，不少金屬間化合物特別是超結構已作為新的功能材料和耐熱材料正在被開發應用。

1）.具有超導性質的金屬間化合物,如Nb3Ge,Nb3ALNh3Sn,V3Si,NbN等;

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2).具有特殊電學性質的金屬間化合物，如InTc-PbSe,GaAs-ZnSc等在半導體材料用；

3).具有強磁性的金屬間化合物，如稀土元素(Ce,La,Sm,Pr.Y等)和Co的化合物，具有特別優異的永磁性能；

4).具有奇特吸釋氫本領的金屬間化合物(常稱為貯氫材料)，如LaNi5,FcTi,R2Mgi7和R2Ni2Mgi5。(R等僅代表稀土

La,Ce,Pr,Nd或混合稀土)是一種很有前途的儲能和換能材料；

5).具有耐熱特性的金屬間化合物,如Ni3Al,NiAl,TiAl,Ti3Al,FcAl,Fc3ALMoSi2,NbBel2.ZrBel2等不僅具有很

好的高溫強度，并且，在高溫下具有比較好的塑性；

6).耐蝕的金屬間化合物，如某些金屬的碳化物，硼化物、氨化物和氧化物等在侵蝕介質中仍很耐蝕，若通過表面涂覆方法,

可大大提高被涂覆件的耐蝕性能；

7).具有形狀記憶效應、超彈性和消震性的金屬間化合物，如TiNi,CuZn,CuSi,MnCu,Cu3Al等已在工業上得到應用。

2.4離子晶體結構

陶瓷材料屬于無機非金屬材料，是由金屬與非金屬元素通過離子鍵或兼有離子健和共價鍵的方式結合起來的。陶瓷的晶體結

構大多屬離子晶體。

2.4.1離子晶體的結構規則

1.負離子配位多面體規則在離子晶體中，正離子的周圍形成一個負離子配位多面體，正負離子間的平衡距離取決于離子半

徑之和，而正離子的配位數則取決于正負離子的半徑比。這是鮑林第?規則。將離子晶體結構視為由負離子配位多面體按一

定方式連接而成，正離子則處于負離子多面體的中央，故配位多面體才是離子晶體的真正結構基元。

離子晶體中，正離子的配位數通常為4和6,但也有少數為3,8,12。

2.電價規則在一個穩定的離子晶體結構中，每個負離子的電價Z一等于或接近等于與之相鄰接的各正離子靜電強度S的總和。

這就是鮑林第：規則，也稱電價規則。

3.負離子多面體共用頂、棱和面的規則鮑林第三規則指出：“在一配位結構中，共用棱特別是共用面的存在，會降低這個

結構的穩定性。對于電價高，配位數低的正離子來說，這個效應尤為顯著。”

4.不同種類正離子配位多面體間連接規則鮑林第四規則認為：“在含有一種以上正負離子的離子晶體中，一些電價較高，

配位數較低的正離子配位多面體之間，有盡量互不結合的趨勢。”

5.節約規則鮑林第五規則指出：“在同一晶體中，同種正離子與同種負離子的結合方式應最大限度地趨于一致。”因為在一

個均勻的結構中，不同形狀的配位多面體很難有效堆積在?起。

2.4.2典型的離子晶體結構

離子晶體按其化學組成分為：元化合物和多元化合物。其中二元化合物中介紹AB型，AB,型和A2B3型化合物；多元化

合物中主要有ABO3型和AB2O4型。

1.AB型化合物結構

a.CsCl型結構:CsCl型結構是離子晶體結構中最簡單的?種，屬六方晶系簡單立方點陣，Pm3m空間群。CS,和C「半徑之比

為0.169nm/0.181nm=0.933,離子構成正六面體，Cs*在其中心，Cs+和C「的配位數均為8,多面體共面連接，一個晶胞內

含Cs,和C「各?個，如圖2.32所示。

b.NaCl型結構:白然界有幾百種化合物都屬于NaCl型結構，有氧化物MgO,CaO,SrO,BaO,CdO,MnO,FeO,CoO,

NiO；氮化物里TiN,LaN,ScN,CrN,ZrN：碳化物TiC,VC,ScC等：所有的堿金屬硫化物和鹵化物(CsCLCsBr,Csl

除外)也都具有這種結構。

?Na'

圖2.33NaCI晶體結構

c.立方ZnS型結構:立方ZnS結構類型又稱閃鋅礦型(B-ZnS),屬于立方晶系，面心立方點陣，F43m空間群，如圖2.34所示。

(a)1Hl電結構(b)(001)面上的投影圖(c)多面體圖

圖2.34立方ZnS型結構

d.六方ZnS型結構:六方ZnS型又叫纖鋅礦型，屬六方晶系，P63mc空間群。

圖2.35六方ZnS結構

2.5共價晶體結構

元素周期表中IV，V,VI族元素、許多無機非金屬材料和聚合物都是共價鍵結合。共價晶體的共同特點是配位數服從8-N

法則小為原子的價電子數，這就是說結構中每個原子都有8-N個最近鄰的原子。

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圖2.44金剛石型結構

共價晶體最典型代表是金剛石結構，如圖2.44中所示。金剛石便是碳的一種結晶形式。這里，每個碳原子均有4個等距離

（0.154nm）的最近鄰原子，全部按共價鍵結合，符合8-N規則。其晶體結構屬于復雜的面心立方結構，碳原子除按通常的

fbc排列外，立方體內還有4個原子，它們的坐標分別為1/41/41/4,3/43/41/4,3/41/43/4,1/43/43/4,相當于晶內其中4

個四面體間隙中心的位置。故晶胞內共含8個原子。實際上，該晶體結構可視為兩個面心立方晶胞沿體對角線相對位移1/4

距離穿插而成。

2.6聚合物的晶體結構

聚合物聚集態結構分為晶態結構和非晶態（無定形）結構兩種類型，且有兩個不同于低分子物質聚集態的明顯特點：

1）聚合物晶態總是包含一定量的非晶相：

2）聚合物聚集態結構不但與大分子鏈本身的結構有關，而且還強烈地依賴于外界條件，如溫度對結晶過程有很大影響，應力也

可加速結晶。

2.6.1聚合物的晶體形態

主要有單晶、片晶、球晶、樹枝狀晶、享晶、纖維狀晶和串晶等。

球晶是高分子多晶體的一種主要形式，它可以從濃溶液或熔體冷卻結晶時獲得。當它的生長不受阻礙時其外形呈球狀。其直徑通

常在0.5至lOOum之間，大的甚至可達cm數最級。較大的球晶（5um以上）很容易在光學顯微鏡下觀察到。球晶的光學特

征是可以在偏光顯微鏡卜觀察到黑十字消光圖案（即MateseCross）。

當結晶溫度較低或溶液濃度較大，或相對分子質量過大時，高分子從溶液析出結晶時不再形成單晶，棱角處傾向于在其余晶粒前

頭向前生長變細變尖，更增加樹枝狀生長的傾向，最終形成樹枝狀晶。

圖2.45球晶結構的詳細示意圖

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圖2.46球晶生長過程示意圖圖2.47串晶的結構示意圖

2.6.2聚合物晶態結構的模型

1）櫻狀微束模型

2）折疊鏈模型

3）伸直鏈模型

4）串品的結構模型

5）球晶的結構模型

6）Hosemann模型

圖2.48半結晶高分子的櫻狀微束模型示意圖圖2.49Keller近鄰規則折疊鏈結構模型

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2.50霍斯變模型

2.7非晶態結構

晶體結構的基本特征是原子在三維空間呈周期性排列，即存在長程有序；而非晶體中的原子排列卻無長程有序的特點。非晶

態物質包括玻璃、凝膠、非晶態金屬和合金、非晶態半導體、無定型碳及某些聚合物等。

玻璃包括非晶態金屬和合金（也稱金屬玻璃），實際上是從一種過冷狀態液體中得到的。金屬材料由于其晶體結構比較簡單,

且熔融時的粘度小，冷卻時很難阻止結晶過程的發生，故固態下的金屬大多為晶體；但如果冷速很快時，能阻止某些合金的