材料中的晶体结构

材料科学基础，概述了晶体结构的相关知识。介绍了晶系、晶体学结构以及晶系与布拉维点阵的关系。探讨了不同类型的晶体结构，包括面心立方结构、体心立方结构和密排六方结构，并解释了这些结构的特点及其与晶体结构的关系。介绍了晶体中原子的堆垛方式以及多晶型性的概念，知识点详细且全面，帮助学习者更好地理解和把握晶体的基本构造和特性。

材料中的晶体结构

• 晶体学结构
  • 空间点阵和晶胞
    • 概念
      • 空间点阵
        • 由几何点在三维空间作周期性的规律排列所形成的三维阵列
      • 阵点
        • 构成空间点阵的每一个点
      • 晶格
        • 人为的将阵点用一系列相互平行的直线连接起来，形成的空间格架
      • 晶胞
        • 构成晶格的最基本单元
    • 选取晶胞原则
      • 充分反映整个空间点阵的对称性
      • 具有尽可能多的直角
      • 相等的棱和角数目最多
      • 选取的晶胞体积要最小
    • 晶胞大小和形状的描述
      • 晶轴
        • 三个棱边x y z
      • 晶胞参数
        • 点阵常数
          • 棱边长度abc
        • 六个参数
          • 点阵常数
          • 夹角α β γ
  • 晶系和布拉维点阵
    • 晶系
      • 根据六个点阵参数间的关系，可将所有晶体分为七种类型为七个晶系
    • 布拉维点阵
      • 根据每个阵点的周围环境相同的要求，能够反映空间点阵全部特征的单位平行六面体只有14种
    • 晶体结构和空间点阵区别
  • 晶向指数和晶面指数
    • 晶向指数
      • 晶向全概念
        • 空间点阵中各阵点排列的方向代表晶体中原子排列的方向，称为晶向
      • 确定步骤
        • 建立坐标系
        • 确定坐标值
        • 化整并加方括号［］
      • 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，则晶向指数中的数字相同，而符号相反
        • 晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向称为晶向族用〈UVW〉表示
    • 晶面指数
      • 晶面概念
        • 通过空间点阵中的任意一组阵点的平面代表晶体中的原子平面
      • 确定步骤
        • 建立坐标系
        • 求截距
        • 取倒数
        • 化整并加圆括号()
      • 说明
        • 晶面指数不是指一个晶面，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
        • 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各组晶面称为晶面族，用｛hkl ｝表示
        • 在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直
    • 六方晶系的晶向指数和晶面指数
      • 采用密勒-布拉维指数
        • a1,a2,a3,(同一底面，互成120度)c(与底面垂直)四个坐标轴
    • 晶面间距
      • 概念
        • 相邻两个平行晶面之间的距离
      • 晶面间距越大，晶面上原子的排列就越密集
    • 晶带
      • 概念
        • 相交或平行于某一晶向直线的所有晶面的组合，此直线称为晶带轴，属此晶带的晶面称为共带面
      • 晶带定律
        • 晶带轴［uvw ］与该晶带中任一晶面（hkl）之间均满足hu + kv + lw = 0的晶面都属于以［uvw ］为晶带轴的晶带
• 纯金属的晶体结构
  • 典型金属的晶体结构
    • 面心立方结构（fcc)
      • 原子分布在立方晶胞的八个顶角及六个侧面的中心
    • 体心立方结构(bcc)
      • 原子分布在立方晶胞的八个顶角及其体心位置
    • 密排六方结构(hcp)
      • 原子分布在六方晶胞的十二个顶角， 上下底面中心各 排列一个原子，两底面中间还有三个原子
    • 点阵常数
      • 晶胞的棱边长度a、b、 c称为点阵常数
    • 原子半径
      • 晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间平均距离的一半
    • 晶胞原子数
      • 晶胞内所包含的原子数目。 N=Ni+Nf/2+Nr/m N——晶胞内所包含的原子数目； Ni——晶胞内部的原子数目； Nf——面心上的原子数； Nr——角顶上的原子数； m——晶胞类型参数
    • 配位数和致密度
      • 表征
        • 晶体中原子排列的紧密程度
      • 配位数
        • 晶体结构中与任一原子最近邻、等距离的原子数
      • 致密度
        • 晶体结构中原子体积占总体积的百分比 K=nv/V
    • 晶体结构中的间隙
      • 四面体间隙
        • 由四个原子组成的四面体中间的间隙
        • 位置
          • 面心和棱中点
      • 八面体间隙
        • 由六个原子组成的八面体中间的间隙
        • 位置
          • 侧面中心线1/4和3/4处
      • 密排六方结构的间隙
        • 密排六方结构间隙与面心立方类似， 仅位置不同， 原 子半径相同情况下，两种结构同类间隙的大小相同
    • 晶体中原子的堆垛方式
      • 原子密排面以不同的方式，在空间一层一层平行的堆垛起来就分别构成以上三种晶体结构
      • 密排面：原子排列最紧密的晶面
      • 密排方向：原子排列最紧密的方向
      • 堆垛方向 ：密排面一层层堆叠的方向（密排面的法线方向）。
      • 堆垛次序 ：密排面循环堆叠的周期
  • 多晶型性
    • 当外界条件（主要指温度和压力）改变时， 同种元素的晶体结构发生转变的性质。
  • 影响原子半径的因素
    • 温度与压力
      • 一般原子半径都是常温常压下的数据
    • 结合键
      • 键能越大，原子半径越小
    • 配位键
      • 原子排列密集程度与原子半径有关
    • 原子核外层电子结构
      • 随原子序数递增原子半径呈周期性变化
• 离子晶体的结构
  • 离子晶体的主要特点
    • 离子晶体：是由正、负离子通过离子键，按一定方式堆积而成
    • 特性：硬度高、强度大、熔点和沸点高、膨胀系数小、但脆性大 ；绝缘性能好且无色透明
  • 离子半径、配位数和离子的堆积
    • 离子半径
      • 概念
        • 从原子核中心到其最外层电子的平衡距离
      • 若将离子视为带电圆球，则离子晶体中正、负离子间 平衡距离R0=R++R-
      • 求取方法
        • 鲍林方法
    • 离子的堆积
      • 离子晶体中， 离子半径较大的负离子堆积成骨架 ，正 离子居于负离子的间隙中
      • 负离子配位多面体 ：离子晶体结构中，与某一正离子 成配位关系而邻接的各个负离子中心线所构成的多面体
    • 配位数
      • 离子晶体中，与某一考察离子 邻接的异号离子的数目称为该 考察离子的配位数。其主要取 决于正、负离子的半径比
  • 离子晶体的结构规则
    • 负离子配位多面体规则
    • 电价规则
    • 负离子多面体共用点，棱和面的规则
  • 典型的离子晶体结构
    • NaCl晶型
    • CsCl晶型
    • 闪锌矿（立方ZnS）
    • 晶型纤锌矿（六方ZnS）
    • 晶型荧石（CaF2）
    • 晶型金红石（TiO2） 晶型
• 共价晶体的结构
  • 共价晶体的主要特点
    • 共价晶体： 同种非金属元素的原子或异种元素的原子 以共价键结合而成的无限大分子。
    • 特性： 强度高、硬度高、脆性大、熔点和沸点高； 挥发性差；导电能力差。
  • 常见的共价晶体结构有三种：
    • 金刚石晶型
      • 立方ZnS
      • 六方ZnS
    • 金刚石晶型
      • 典型的共价晶体
    • SiO2晶型
      • AB2 型共价键晶体