材科基-固体结构

参考自上交《材科基》，内容包含晶体学基础（Fundamental of Crystallography）、金属的晶体结构（Metallic Crystal Structures）、无机非金属材料的组成与结构 （Composition & Structure of Inorganic nonmetallic Material），喜欢的朋友自取。

固体结构

• 晶体学基础（Fundamental of Crystallography）
  • 概念
    • 原子结构
      • 原子的内部组成以及部分的搭配和安排
    • 晶体结构
      • 晶体以其内部原子在空间做三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征
    • 晶系（crystal system)
      • 基于单位晶胞几何学对晶体结构的分类
  • 晶体与非晶的区别
    • 结构
      • 晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列，而非晶体的原子则是无规则排列的
    • 性能
      • 晶体熔化时具有固定的熔点而非晶体却无固定熔点
      • 晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性
  • 晶体结构基本特征
    • 原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列（periodic repeated array），即存在长程有序（long-range order）
  • 一、晶体结构（Crystal Structure）
    • 晶体是由原子（分子）在空间以不随时间变化的规则的三维周期排列而形成的，因此，研究晶体微观结构的首要任务就是研究周期排列的规律性
    • 1、点阵（Lattice）
      • 将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），即可得到一个由无数几何点在三维空间规则排列的阵列—空间点阵（ lattice）
      • 研究原子（分子）的三维周期排列规律就可以转化为研究点的三维周期排列规律
    • 2. 晶格和晶胞（Unit Cells）
      • 晶格
        • 描述晶体中原子排列规律的空间格架
      • 晶胞
        • 空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的小平行六面体，反映晶格特征的最小几何单元
    • 3.晶格的选取
      • 晶胞形状和大小
        • 三个棱边的长度（晶格常数）a,b,c
        • 三个晶轴的夹角α,β,γ
      • 晶胞选取原则（Criterion for choice of unit cell）
        • 能够充分反映空间点阵的对称性
        • 相等的棱和角的数目最多
        • 具有尽可能多的直角
        • 体积最小
      • 简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点。
      • 复杂晶胞： 除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点
  • 二、七大晶系、十四种布拉维点阵(Bravais lattice)
    • 三斜（Triclinic）
      • 简单三斜
      • 胆矾
    • 单斜（Monoclinic）
      • 简单单斜
      • 底心单斜
    • 正交（Orthorhombic）
      • 简单正交
      • 底心正交
      • 体心正交
      • 面心正交
    • 四方（Tetragonal）
      • 简单四方
      • 体心四方
    • 立方（Cubic）
      • 简单立方
      • 体心立方
      • 面心立方
    • 菱方（Rhombohedral)
      • 菱方（三角）
    • 六方（Hexagonal）
      • 简单六方
    • 晶胞与原胞
      • 晶胞的选取条件
        • （1）能反应点阵的周期性（必要条件）
        • （2）能反应点阵的对称性
        • （3）晶胞的体积最小（2、3必满足一条）
          • 体积最小但不满足点阵的对称性，则称为原胞
  • 三、晶向指数和晶面指数
    • 晶向 (crystallographic direction, lattice direction)
      • 晶体中任意两个原子中心连成直线，来表示晶体结构的空间的各个方向
    • 晶面 (crystallographic plane, lattice plane)
      • 晶体结构中一系列原子所构成的平面
    • 晶向指数（indices of directions）和晶面指数（indices of planes）是分别表示晶向和晶面的符号，国际上用Miller指数（Miller indices ）来统一标定
    • 晶向指数的标定
      • 确定立方晶系(cubic crystal systems)晶向指数［uvw ］的步骤
        • ①建坐标（确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边） ）
        • ②求坐标
        • ③化整数 u、v、w
        • ④列括号［uvw ］（若晶向上一坐标值为 负值则在指数上加一负号加负号）
      • 关于晶向指数说明
        • ① 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。
        • ② 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。
        • ③ 晶向族：具有等同性能一组晶向。用<uvw>表示。
    • 晶面指数的标定
      • 确定立方晶系晶面指数（hkl）的步骤
        • ①设坐标（原点设在待求晶面以外）
        • ②求截距
        • ③取倒数
        • ④化整数：h、k、l
        • ⑤加括号（hkl），（加一负号）
      • 关于晶面指数说明
        • ① 指数意义：代表一组平行的晶面（指数相同，或数字相同但正负号相反）；
        • ② 0的意义：面与对应的轴平行；
        • ③ 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;
        • ④ 在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直，即[hkl]⊥(hkl)。
        • ⑤ 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距相同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。
    • 六方晶系（Hexagonal Crystals）
      • 指数标定的特殊性：四轴坐标系
      • 晶面指数的标定：用(hkil)表示；i = -(h+k)
        • 标定方法：直接标定
      • 晶向指数的标定：[uvtw]表示；t = -(u+v)
        • 标定方法：坐标变换
    • 晶带
      • ① 晶带：平行于某一晶向直线（晶带轴 ）的所有晶面的组合（晶带面）
      • ② 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面∥晶带轴
      • ③ 晶带定律：凡晶面指数（hkl）满足hu + kv + lw = 0的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带
      • ④晶带相关作用：晶带轴[uvw]与该晶带中任一晶面(hkl)之间满足：hu + kv + lw = 0
    • 晶面间距
      • 计算
        • • 对于复杂晶胞，由于中心型原子的存在而使晶面层数增加，应对其进行修正
            • 立方晶系
            • 六方晶系
• 金属的晶体结构（Metallic Crystal Structures）
  • 典型的金属晶体结构
    • 概念
      • 配位数（CN，coordination number)
        • 晶体结构中，任一原子周围最近邻且等距的原子数。配位数越大，原子排列的紧密程度越高
      • 致密度（APF，atomic packing factor)
        • 指晶体结构中原子体积占总体积的百分数
      • 晶面原子密度
        • 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度
      • 晶向原子密度
        • 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度
    • 面心立方（fcc, face-centered cubic)
      • 模型
      • 物质
        • g-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pt等约20种金属
      • 七个方面
        • 晶胞内原子数n
          • 4
        • 点阵常数a
        • 原子半径R
        • 配位数CN
          • 12
            • 上中下各4个
            • 最近邻的原子间距
        • 致密度K
        • 原子间隙大小（见后）
        • 原子堆垛方式
          • ABCABC……
    • 体心立方（bcc, body-centered cubic)
      • 模型
      • 物质
        • a-Fe、d-Fe、Nb、Cr、V、Mo、W等约30种金属
      • 七个方面
        • 晶胞内原子数n
          • 2
        • 点阵常数a
        • 原子半径R
        • 配位数CN
          • 8（红球）
            • 最近邻原子间距
            • 次近邻原子间距
        • 致密度K
        • 原子间隙大小（见后）
        • 原子堆垛方式
          • ABAB……
    • 密排六方（hcp, hexagonal close-packed)
      • 模型
      • 物质
        • a-Ti、Be、Zn、Cd、Mg等金属
      • 七个方面
        • 晶胞内原子数n
          • 6
        • 点阵常数a
          • a=2R
        • 原子半径R
          • R=a/2
        • 配位数CN
          • 12（紫色）
            • 最近邻原子间距
              • a
        • 致密度K
          • 0.74
        • 原子间隙大小（见后）
        • 原子堆垛方式
          • ABAB……
    • 密排面和密排方向
      • 密排面或密排方向
        • 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向
  • 晶体中的原子堆垛方式
    • ABAB……
      • HCP
      • BCC
    • ACAC……
    • ABCABC……
      • FCC
  • 晶体中原子的间隙（interstitials）
    • R表示原子半径，r表示空隙半径，即实质上能放入间隙内小球的最大半径
    • FCC
      • 四面体
        • 8个
      • 八面体
        • 4个
    • BCC
      • 八面体
        • 6个
      • 四面体
        • 12个
    • HCP（c/a=1.633）
      • 八面体
        • 6
        • 0.414
      • 四面体
        • 12
        • 0.225
  • 金属晶体的密度计算
    • • n = number of atoms associated with each unit cell
      • A = atomic weight
      • VC= volume of the unit cell
      • NA = Avogadro’s number (6.022×1023 atoms/mol)
  • 原子的多晶型性
    • 元素周期表中， 40多种元素具有两种类型以上的晶体结构。这种性质称为晶体的多晶型性。
    • 多晶型性转变 （同素异构转变） （同素异晶转变）
      • 在外界条件(T、P)变化时，金属由一种结构转变为另一种结构的过程。 转变产物称为同素异构体。
    • 一些元素的同素异构体
  • 合金中的相结构
    • 基本概念
      • 合金（alloy）
        • 两种以上的金属（或金属与非金属）经熔炼、烧结等方法组合而成并具有金属特性的物质
      • 组元（component）
        • 组成合金的基本的独立的物质。组元可以是金属、非金属元素以及化合物。
      • n元合金
        • 两个组元组成的合金称为二元合金；
        • 三个组元组成的合金称为三元合金；
        • 三个以上组元组成的合金则称为多元合金 。
    • 合金相的基本类型
      • 相（phase）
        • 合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分
      • 根据合金组成元素及其原子相互作用的不同，固态下所形成的合金相分为两大类
        • 固溶体（solid solutions）
          • 晶体溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相
          • 基本特征
            • （1）在原子尺度上是相互混合的。
            • （2）不破坏主晶相原有的晶体结构，但晶胞参数可能有少许改变，基本保持了主晶相的特性。
          • 分类
            • 按溶质原子位置
              • 置换固溶体（substitutional solid solution）
              • 间隙固溶体（interstitial solid solution）
                • 组成
                  • 原子半径较小(小于0.1nm)的非金属元素如氢、氮、碳、硼、氧等溶入金属晶体的间隙所形成的固溶体
                • 特点
                  • 元素原子的填充，会引起较大的晶格畸变，使点阵常数增大
                • 影响因素
                  • 原子半径和溶剂结构
                • 溶解度
                  • 一般都很小，只能形成有限固溶体
                • 例子
                  • α-Fe(bcc)，γ-Fe(fcc)比较而言，bcc的间隙尺寸小于fcc的间隙尺寸，因此，溶质原子在bcc中的溶解度要小于在fcc中的溶解度
            • 按固溶度分
              • 有限固溶体
                • 溶质只能以一定的溶解限度(固溶度)溶入溶剂中，低于固溶度条件下生成的固溶体是单相的，一旦溶质超出这一限度即出现第二相
              • 无限固溶体
                • 溶质和溶剂可以按任意比例相互固溶所生成的固溶体
              • 影响固溶度的因素
                • (1)晶体结构因素——必要条件
                  • 两元素要形成无限固溶体，要求二组元的晶体结构类型必须相同。因为晶体结构相同，固溶度大，有可能形成无限固溶体。但晶体结构类型相同并不是充分条件
                • (2)原子尺寸因素——决定性因素
                  • 从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的原子 尺寸愈接近，则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大
                    • 经验证明
                      • 当D<15%时，溶质和溶剂之间有可能形成无限固溶体
                      • 当D=15~30%之间时，溶质和溶剂之间可以形成有限固溶体
                      • 当D>30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶体，仅在高温下有少量固溶
                • (3)电负性因素（化学亲和力）
                  • 是指原子吸引电子形成负离子的倾向，以电负性因素来衡量化学亲和力
                  • ① 电负性差值ΔX<0.4~0.5时，有利于形成固溶体，且随电负性差值的增加，固溶度增加，电负性相近，有利于固溶体的生成
                  • ② ΔX>0.4~0.5，倾向于形成指定的化合物，其电负性差值越大，固溶体中的固溶度越小
                • (4)电子浓度因素（原子价因素）
                  • 电子浓度
                    • 是指合金中总的价电子数(e) 与原子总数(a)的比值
                      • V：溶剂的原子价
                      • v ：溶质的原子价
                      • x ：溶质的摩尔分数
                  • 当固溶度越大时，电子浓度也越大，因此可以用电子浓度的大小来表征两种元素的固溶情况，一般不同溶质元素的最大固溶度对应存在一定的电子浓度的极限值，其最大的e/a阈值在1.2~1.4之间。如一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48
                • (5)温度
                  • 温度对固溶体的形成有明显影响，温度升高有利于固溶体的形成
            • 按基体类型
              • 一次固溶体：以纯金属为基形成的固溶体
              • 二次固溶体：以化合物为基形成的固溶体
            • 按溶质原子分布
              • 有序固溶体：溶质原子按一定比例有规律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里
                • 各组元质点分别按照各自的布拉维点阵进行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵，称超点阵或超结构
              • 无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性
                • 各组元质点分布是随机的、无规则的
          • 固溶体的结构
            • 晶格畸变
              • 置换固溶体导致的晶格畸变
              • 间隙固溶体中的晶格畸变
            • 微观不均匀性
              • “原子偏聚”或“短程有序”，可用短程有序参数α 分析固溶体中B原子周围临近A原子的分布情况
                • • XA表示以溶质B原子为中心的一系列同心球面中第i层球面上的A原子数目 PA为第i层球面上A原子的平均数目
          • 长程有序固溶体（超结构）
            • 定义
              • 很多置换固溶体，当成分接近于一定的原子比，即AB、A3B、AB3，当温度降至某一临界温度下时，两种原子会从高温的完全无序过渡到A、B两种原子都在较大距离上占有一定位置的规则排列状态，而发生“有序化”过程，这种有序固溶体会在X射线衍射图上出现额外的衍射线条，称为超结构，因此有序固溶体又称“超结构”
            • FCC中的超结构
            • BCC中的超结构
            • HCP中的超结构
          • 影响有序固溶体有序化的因素
            • 有序化的两个基本条件
              • 异类原子的相互吸引力必须大于同类原子的吸引力，以便有序化时降低能量
                • 即
              • 固溶体晶体成分相当于一定的化学式成分，为AB、A3B或AB3。因为只有这样才能在完全有限的结构中，AB原子全部都能按比例各自占据点阵中规定的某一位置
            • 注
              • 有序固溶体中长程有序化程度(有序度)通常用长程有序参数δ表示
              • 温度对有序度也有重要影响，长程有序仅在低于某一临界温度下才能形成，当温度升高，由于热振动加剧，使得长程有序度下降。
            • 有序化对性能的影响
              • ① 通常提高硬度、强度、降低塑性——有序强化
              • ② 电阻降低
              • ③ 影响铁磁性
              • ④ 影响弹性性质
          • 反相畴(domain)与反相畴界(domain wall)
            • 定义
              • 固溶体从无序到有序的转变过程中是通过形核的逐渐长大进行的。其中，形核是短程有序的微小区域，当合金缓冷经过临界点Tc时，多个核心慢慢独自长大，并相互接壤，这些区域内部原子排列都是有序的，称为“反相畴”
              • 反相畴相互接壤处原子排列违反有限排列规则，形成一个明显的分界面，这个界面称为“反相畴界”
          • 固溶体的性质
            • 固溶强化
              • 固溶体的强度总是比组成它的纯组元高，且随溶质原子浓度增加，强度也增加
            • 物理、化学性质改变
              • 溶质原子的加入，使固溶体的电阻率升高，电阻温度系数降低
              • 磁性的改变，如Si溶入α-Fe中不仅增大电阻率，还增加了磁性
              • 抗腐蚀性能的改变，如Cr固溶到α-Fe中，可使Fe的电极电位提高，从而提高合金抵抗空气、水蒸气、酸的腐蚀能力
            • 点阵常数的改变
              • 形成固溶体时，溶剂的晶体结构不变，但由于溶剂与溶质原子大小不同，会使点阵产生局部畸变，导致点阵常数发生改变
              • 固溶体点阵常数a与其成分x的关系：a=a1+(a2-a1)x。 其中x：溶质的摩尔分数；a1、a2 分别为溶剂、溶质的点阵常数
              • 当溶质原子半径大于溶剂原子半径时，固溶体点阵常数将随溶质含量的增加而加大，反之则减小
        • 中间相（intermediate phases）
          • 又称金属化合物，是指由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成的化合物，也称为中间相
          • 定义
            • 两组元A和B组成合金时，除了形成以A为基或以B为基的固溶体外，还可以形成晶体结构与A、B两组元均不相同的新相。由于它们在二元相图的位置是位于中间，故通常把这些相称为中间相
          • 特点
            • a) 具有不同于组元的晶体结构
            • b) 中间相可以用化合物的化学分子式表示，但化学分子不一定符合化合价规律
          • 键合方式
            • 离子键、共价键、金属键
          • 中间相的形成和晶体结构的影响因素
            • 电负性（electron negativity）
            • 电子浓度（electron concentration）
            • 原子尺寸（atomic size）
          • 分类
            • (1) 正常价化合物
              • 组成
                • 由两种电负性差值较大的元素按通常的化学价规律形成的化合物，其稳定性与两组元的电负性差值大小有关，电负性差值越大，稳定性越高，愈接近离子键
              • 键型
                • 随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。 特点：具有较高的强度和脆性，固溶度范围极小
              • 常见化合物
            • (2) 电子化合物
              • ①形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则
              • ②键型：金属键，化合物具有明显的金属特性
              • ③组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示
              • ④常见的化合物
            • (3) 原子尺寸因素化合物
              • 成因：当两种元素形成金属间化合物时，如果它们之间的原子半径差别很大时，便形成原子尺寸因素化合物
              • 分类： 间隙相 / 间隙化合物 和 拓扑密堆相(Topological close-packed phase，TCP)
                • (a) 间隙相和间隙化合物
                • (b) 拓扑密堆相（TCP相）
                  • 由两种大小不同的原子所构成的一类中间相，其中大小原子通过适当的配合构成空间利用率和配位数很高的复杂结构，具有拓扑学特点
                  • 结构特点
                    • ① 由配位数为12、14、15及16的配位多面体组成
                    • ② TCP相可以看作由两种排列不同的原子层相间地组成密集层状结构
                  • 典型的TCP相有：σ相，Laves相，x相和μ相
  • 一些金属间化合物性质
• 无机非金属材料的组成与结构 （Composition & Structure of Inorganic nonmetallic Material）
  • 无机非金属材料的组成和结合键
    • 组成
      • 广义：除有机物、金属和金属合金以外的材料。如：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料
    • 组分
      • 氧化物类、硅酸盐类、氮化物、碳化物等
    • 结合键
      • 离子键（Ionic bonding）
        • 正负离子、键强度高、紧密堆积、无方向性
      • 共价键（Covalent bonding）
        • 电负性相差不大的原子共用电子对、有方向性
      • 混合键（离子键+共价键）
        • 在种类繁多的无机矿物中，混合键的存在及键合的多样性是其显著的特征
  • 离子晶体结构
    • 典型的离子晶体是元素周期表中IA族的碱金属Li, Na, K, Rb, Cs和VIIA的卤族元素F, Cl, Br, I之间形成的化合物晶体
    • （1）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起来而形成的晶体
      • 结构特征
        • 晶体结构复杂
        • 原子排列不紧密
        • 配位数低
      • 性能特点
        • 硬度高、脆性大
        • 熔点高，热膨胀系数小
        • 绝缘
        • 多数无色透明
    • （2）离子半径、配位数和离子的堆积
      • 离子半径
        • 从原子核中心到其最外层电子的平衡距离
      • 离子半径的一般规律
        • ①在原子序数相近时，阴离子尺寸比阳离子大
        • ②同一周期的阳离子，价数越大离子半径越小
        • ③同一周期的阴离子，价数越大离子半径越大
        • ④同价离子，原子序数越大，离子尺寸越大
      • 离子晶体的配位数
        • 考察与离子邻接的异号离子的数目
      • 负离子配位多面体
        • 离子晶体中，与正离子成配位关系而邻接的各个负离子中心连线所构成的多面体
    • （3）离子晶体的结构规则 （鲍林规则）
      • 1）负离子配位多面体规则（鲍林第一规则）
        • 正负离子间的平衡距离取决于(等于)离子半径之和；正离子的配位数则取决于正负离子的半径比（配位多面体可以看成离子晶体的结构基元）
          • 只有正负离子相互接触时，离子晶体结构才最稳定，因此正负离子半径比值有一下限（临界离子半径）
          • 此外，为降低体系总能量，正负离子趋向于形成尽可能紧密堆积，即一个正离子趋向与尽可能多的负离子为邻；因此，一个最稳定的结构应当有尽可能大的配位数
          • • 算的是正离子的配位数
      • 2）电价规则（鲍林第二规则）
        • 在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价Z-等于或接近等于与之邻接的各正离子静电键强度S的总和
          • • Z+为正离子的电荷，n为其配位数，配位数可根据鲍林第一规则得知
        • 物理实质
          • 由于静电键强度实际是离子键强度，也是晶体结构稳定性的标志。在具有大的正电位的地方，放置带有大负电荷的负离子，将使晶体的结构趋于稳定
        • 用途
          • 电价规则可以用以指导推测离子配位多面体的连接方式，即求“i” 即：一个负离子与多少个正离子相连，或者配位多面体的顶点被几个多面体共用
      • 3）负离子多面体共用顶、棱和面的规则（鲍林第三规则）
        • 在配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。对于电价高、配位数低的正离子来说，这个效应尤为显著。
        • 物理基础
          • 2个多面体中央正离子间的库仑斥力会随它们间的共用顶点数的增加而激增
      • 4）不同种类正离子 多面体间连接规则 （鲍林第四规则）
        • 在含有一种以上正负离子的离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋势
          • 这一规则总结了不同种类正离子配位多面体的连接规则
      • 5）节约规则（鲍林第五规则）
        • “在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致。” 或“在同一晶体中，组成不同的结构基元的数目趋向于最少”
          • 这个规则的结晶学基础是晶体结构的周期性和对称性
      • 鲍林规则不但适用于结构简单的离子晶体，也适用于结构复杂的离子晶体及硅酸盐晶体
    • （4） 典型的离子晶体结构
      • 二元化合物
        • AB型
          • ① CsCl型结构（cesium chloride）
          • ② NaCl型结构（sodium chloride）
          • MgO、CaO、MnO、FeO、CoO、NiO、TiN、LaN、SeN、CrN、ZrN、TiC、VC、ScC以及碱金属硫化物和大多数卤化物等几百种化合物属于NaCl型结构
        • AB2型
          • ① CaF2（萤石）型结构（fluorite）
          • ② TiO2(金红石)型结构 （rutile）
        • A2B3型
          • α-Al2O3
      • 多元化合物
        • ABO3型
          • ① CaTiO3 （钙钛矿）型结构 （Perovskite ）
        • AB2O4型
          • ② MgAl2O4 （尖晶石）型结构 （spinel）
    • （5）离子晶体密度计算
  • 共价晶体结构
    • （1） 共价晶体的主要特点
      • IV, V, VI族元素、许多无机非金属材料和聚合物以共价键结合而成
      • 饱和性
        • 共价晶体中相邻原子通过共用电子形成稳定的电子满壳层结构， 因此共价晶体的共同特点是配位数服从8-N规则， N为价电子数
      • 方向性
        • 共价晶体中各个键之间都有确定的方位。这也直接导致了共价 晶体中原子配位数比金属型和离子型晶体小
    • （2）典型共价晶体的结构
      • ① 金刚石型晶体结构
        • 金刚石型结构特点：
          • 每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有 ，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角）109°28′
          • 原子在晶胞中排列的情况
            • 八个原子位于立方体的八个角顶上，六个原子位于六个面中心上， 晶胞内部有四个原子
              • 金刚石晶体结构可以看成是两个面心立方晶胞中的一个沿另一个 的立对角线位移了1/4的距离穿插而成
        • 典型的金刚石型晶体结构——硅（Silicon）
      • ② 立方ZnS型结构（闪锌矿）（Zinc Blende）
    • （2）几种重要的碳材料结构特点
      • ① 石墨（Graphite）
        • 理想的石墨晶体结构中，碳原子成层状排列，每一层中碳原子排列 成六方环状，每个碳原子与周围3个碳原子成共价键结合。平面之间 的层间距为0.335nm，层面间以弱的范德华力相结合
        • C-C键长1.42A
      • ② 碳纳米管（Carbon nanotubes）
        • 纯碳原子除了可以构成金刚石型晶体结构和层状石墨晶体结构外， 还可以构成一系列笼状分子结构家族，称为富勒烯（Fullerene）， 包括碳纳米球（C60）和碳纳米管
        • 碳纳米管的分类
          • 按照管层数的不同
            • 单壁碳纳米管
            • 多壁碳纳米管
        • 碳纳米管的结构特点
          • 采用高分辨电镜技术对碳纳米管的结构研究证明，多层纳米碳管一般由几个到几十个单壁碳纳米管同轴构成，管间距为0.34nm左右
          • 直径：零点几纳米至几十纳米；长度：几十纳米至微米级
          • 每个单壁管侧面由碳原子六边形组成，两端由碳原子的五边形封顶
          • 碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形
          • 出现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管的封口
          • 出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进
      • ③ 石墨烯（Graphene）
        • 完美的二维晶体结构
          • 石墨烯的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。实际研究中，石墨烯是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称
        • 石墨烯层的堆垛方式
          • 石墨烯 的层数会极大的影响其电学性能。同时，石墨烯层的堆垛方式也是影响其电子能带结构的重要因素
  • 硅酸盐晶体结构（Silicate ）
    • （1）硅酸盐晶体结构的特点
    • （2）硅酸盐结构分类
      • 1）岛状结构硅酸盐
        • 相邻硅氧四面体相互之间不联结而各自孤立存在
      • 2）群组状结构硅酸盐
      • 3）链状结构硅酸盐
      • 4） 层状结构硅酸盐
        • • 在层状硅酸盐结构中，层内Si-O键和Me-O键比层间分子键或氢键强。
          • 这种结构容易从层间剥离，形成片状解理。
      • 5） 架状结构硅酸盐