1、晶態(tài)和非晶態(tài)材料的特性,第二章,1,第二章 非整比化合物材料與亞穩(wěn)態(tài)材料,2.1 晶體結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì),2.2 非整比化合物材料,2.3 液晶材料,2.4 亞穩(wěn)態(tài)材料,2.5 玻璃和陶瓷,2,2.1 晶體結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì),一、晶體特征,二、晶體點(diǎn)群和晶體的物理性質(zhì),3,2.3.3 Structure & physical performance of crystal materials,（1）均勻性,（2）各向異性,（3）自范性,（4）晶體具有明顯確定的熔點(diǎn),（5）晶體的對稱性,（6）晶體對X射線的衍射,一、晶體特征,4,（1）均勻性,整個晶體是由晶胞并置堆砌而成,所以晶體必然表現(xiàn)為各部分性狀

2、相同的物體，例如有著相同的密度，化學(xué)組成,非晶體的各種性質(zhì)均具有均勻性, 但與晶體的均勻性的起源并不相同, 前者是等同晶胞在空間按同一方式重復(fù)排列的結(jié)果, 而后者則是質(zhì)點(diǎn)的雜亂無章排列所致. 所以二者有實(shí)質(zhì)不同的均勻性。,5,(1),（2）各向異性,晶體的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、光的透射、折射、偏振、壓電性、硬度等性質(zhì)常因晶體取向不同而異，叫做各向異性。,如石墨在與層平行的方向上具有導(dǎo)電性，而在與層垂直的方向上就不具有導(dǎo)電性。,如：從不同方向觀察紅寶石或藍(lán)寶石，會發(fā)現(xiàn)寶石的顏色不同，這是由于方向不同，晶體對光的吸收性質(zhì)不同。,6,晶體的各向異性是由其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的有序排列，即晶體內(nèi)部原子的周期性排列所決定的,

3、7,（3）自范性,F+V=E+2 其中，F(xiàn)-晶面，V-頂點(diǎn)，E-晶棱,在適當(dāng)?shù)臈l件下, 晶體能自發(fā)的長出由晶面、晶棱、晶頂?shù)葞缀卧貒傻耐苟嗝骟w外形, 這種性質(zhì)就稱為晶體的自范性. 凸多面體的晶面數(shù)（F）、晶棱數(shù)（E）、和頂點(diǎn)數(shù)（V）相互之間的關(guān)系符合公式,8,晶面夾角守恒定律:,盡管同一種晶體其外形可能不同，但相應(yīng)的兩晶面之間的夾角總是不變的，這稱為晶面夾角守恒定律。,丹麥化學(xué)家斯單諾在玩水晶時，不小心把水晶打爛了，當(dāng)他很心痛地彎腰撿起打碎了的水晶時，驚奇地發(fā)現(xiàn)，破碎了的水晶碎片都是一樣的，具有固定的角度，這就是著名的晶面角守恒定理。,9,（4）晶體具有明顯確定的熔點(diǎn),晶體與非晶體的加熱時

4、間-溫度（即t-T）曲線上,晶體具有固定的熔點(diǎn), 反映在加熱時間-溫度曲線上出現(xiàn)平臺, 而非晶體沒有固定的熔點(diǎn), 反映在曲線上不會出現(xiàn)平臺.,10,11,12,（5）晶體的對稱性,13,（6）晶體對X射線的衍射,內(nèi)部結(jié)構(gòu)在空間排列的周期性（等距性）使得晶體可作為 X 射線衍射的天然光柵, 而晶體外形的對稱性又使得衍射線（點(diǎn)）的分布具有特定的對稱性. 這是 X 射線衍射測定晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和依據(jù).,14,Comparison,Comparison,Curve of X-ray Diffraction,15,非晶體的宏觀特征 （1）只有玻璃轉(zhuǎn)化溫度，無熔點(diǎn)。 （2）沒有規(guī)則的多面體幾何外型，可以制成

5、 玻璃體，絲，薄膜等特殊形態(tài)。 （3）物理性質(zhì)各向同性。 （4）均勻性來源于原子無序分布的統(tǒng)計(jì)性規(guī) 律，無晶界。,16,7/11/2020 7:14:25 AM,17,2.2.2 Transformation,Transformation,J,？,17,晶態(tài)與非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變,非晶態(tài)所屬的狀態(tài)屬于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，所以非晶態(tài)固體總有向晶態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，即非晶態(tài)固體在一定溫度下會自發(fā)地結(jié)晶，轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定性更高的晶體狀態(tài)。 通常呈晶體的物質(zhì)如果將它從液態(tài)快速冷卻下來也可能得到非晶態(tài)。,如把水晶的結(jié)晶溶化，再使它冷卻，可得非晶體的石英玻璃。而非晶體的玻璃，經(jīng)過相當(dāng)長的時間后，在它里面生成了微小的晶體，形成透

6、明性減弱的模糊斑點(diǎn)。這說明晶體轉(zhuǎn)化為非晶體需要一定的條件，而非晶體經(jīng)過一定時間會自動變成晶體。,18,1、晶體學(xué)點(diǎn)群的分類,2、晶體的點(diǎn)群和晶體的物理性質(zhì),二、晶體點(diǎn)群和晶體的物理性質(zhì),19,一、晶體學(xué)點(diǎn)群的分類,32個晶 體學(xué)點(diǎn) 群的分 類,非中心對稱的點(diǎn)群,中心對稱的點(diǎn)群 （Laue）點(diǎn)群,純旋轉(zhuǎn)操作點(diǎn)群,非純旋轉(zhuǎn)點(diǎn)群,循環(huán)群,雙面群,立方群,11個,21個,盡管自然界中晶體的外形是多種多樣變化無窮的，而就其對稱性來看卻并不超出32種點(diǎn)群代表的宏觀對稱類型。由于晶體的物理性質(zhì)由晶體對稱性決定，而且也只決定于它的點(diǎn)群的對稱性，所以對晶體學(xué)點(diǎn)群的研究十分重要。,20,循環(huán)群,雙面群,循環(huán)群,循

7、環(huán)群,循環(huán)群,循環(huán)群,循環(huán)群,雙面群,雙面群,雙面群,雙面群,立方群,立方群,立方群,21,二、晶體的點(diǎn)群和晶體的物理性質(zhì),晶體的點(diǎn)群是它的任意一種物理性質(zhì)對稱群的子群。,22,根據(jù)這種關(guān)系可以從晶體的物理性質(zhì)推引出有關(guān)晶體對稱性的信息；也可以從對稱性尋找具有某種物理性能的材料,23,當(dāng)壓電材料受到外力作用時，其表面將產(chǎn)生電荷，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。,壓電效應(yīng),利用壓電材料可以制成力敏元件，用來測量力和能轉(zhuǎn)變成力的各種物理量,壓電性：要求晶體的對稱性為:沒有對稱中心,晶體的物理性質(zhì),24,熱電效應(yīng)，是當(dāng)受熱物體中的電子(空穴)，隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。

8、,熱電效應(yīng),美國舊金山大學(xué)的一位科學(xué)家在英國自然雜志上報告說，他從鯊魚鼻子的皮膚小孔里提取了一種與普通明膠相似的膠體，能把海水溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號，傳送給神經(jīng)細(xì)胞，使鯊魚能夠感知0.001攝氏度的溫度變化，從而準(zhǔn)確地找到食物科學(xué)家猜測，其他動物體內(nèi)也可能存在類似的膠體.這種因溫差而產(chǎn)生電流的性質(zhì)與半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)類似,生物熱電效應(yīng),熱電體的主要作用是將熱輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?25,鐵電效應(yīng),所謂鐵電材料，是指材料的晶體結(jié)構(gòu)在不加外電場時就具有自發(fā)極化現(xiàn)象，其自發(fā)極化的方向能夠被外加電場反轉(zhuǎn)或重新定向。,鐵電材料的這種特性被稱為 “鐵電效應(yīng)”。,鐵電現(xiàn)象是在一種名為鈣鈦礦的材料中發(fā)現(xiàn)的，而鈣

9、鈦礦材料的晶格點(diǎn)陣中的離子，是在某一方向上被分離成的正負(fù)離子，也就是在鈣鈦礦晶體內(nèi)部產(chǎn)生了一個電耦極子。當(dāng)給這種晶體加上一個電壓時，這些耦極子就會在電場作用下排列。改變電壓的方向，可使耦極子的方向反轉(zhuǎn)。耦極子的這種可換向性，意味著它們可以在記憶芯片上表示一個“信息單元”。而且，即使在電壓斷開時，這些耦極子也會保持在原來的位置，使鐵電存儲器不用電就能保存數(shù)據(jù)。,目前，鐵電效應(yīng)已在低容量的鐵電存儲器芯片中得到應(yīng)用。,26,晶體的力學(xué)性能,晶體的力學(xué)性能重要決定于晶體內(nèi)部原子間的結(jié)合力，但與晶體對稱性沒有直接關(guān)系。,改進(jìn)的Mohs硬度標(biāo)度和相應(yīng)的材料,27,2.2 非整比化合物材料,晶體中出現(xiàn)空位或

10、填隙原子，使化合物的成分偏離整比性，該化合物被稱為非整比化合物，是指它的組成中各類原子的相對數(shù)目不能用幾個小的整數(shù)比表示的化合物。,非整比化合物生成的情況，以及在不同方面的應(yīng)用可以有以下幾種情況：,28,一氧化鈦的化學(xué)組成變化范圍很寬，可以從TiO0.82 到TiO1.18。將整比的TiO在高于或低于整比TiO的分解壓的各種不同的氧分壓下加熱，既可以在空位中加入過量的氧，也可以脫去部分的氧形成過量的鈦。氧的數(shù)量不同，鈦的價態(tài)不同，電導(dǎo)性質(zhì)不同。,1. 某種原子過多或短缺,半導(dǎo)體材料應(yīng)用,29,2. 層間嵌入某些離子、原子或分子,而以Ni部分地取代LiCoO2中的Co，制成的非整比化合物晶體Li

11、NixCo1-xO2兼?zhèn)淞薈o系、Ni系材料的優(yōu)點(diǎn),充電電池材料應(yīng)用,30,3. 晶體中吸收了某些小原子,氫可以和許多過渡金屬形成可變組成的間隙型氫化物，例如PdHx、LaNi5Hx、FeTiHx等。由于這些金屬氫化物可以可逆地分解，從而得到金屬和氫氣，因此是很好的儲氫材料，它們的儲氫量往往可以超過相同體積的液態(tài)氫。,儲氫材料,31,2.4 液晶材料,目前作為一種新型的顯示材料，與集成電路一起在圖像顯示技術(shù)上開創(chuàng)了新的方法，在電光學(xué)、熱化學(xué)、分子光譜等許多領(lǐng)域中有廣泛的用途。,32,液晶屬于晶體?非晶體?,根據(jù)固體物質(zhì)的組成原子(分子、離子)在空間排列是否長程有序，可將固體物質(zhì)分為晶態(tài)和非晶態(tài)

12、。,液晶像晶體的液體,第四態(tài),33,液晶的發(fā)現(xiàn),1888年奧地利的植物學(xué)家FReinitzer在作加熱膽甾醇的苯甲酸脂實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱使溫度升高到一定程度后，結(jié)晶的固體開始溶化，先生成一種呈混濁態(tài)的粘稠液體，并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤。當(dāng)再進(jìn)一步升溫后，才變成透明的液體。這種混濁態(tài)粘稠的液體是什么呢？,34,FReinitzer把這種粘稠而混濁的液體放到偏光顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)這種液體具有雙折射性。,后來,德國物理學(xué)家Otto Leimann把處于“中間地帶”的渾濁液體叫做液晶，簡稱為“LC”(liquid crystal)。在這以后用它制成的液晶顯示器件被稱為LCD。液晶好比是既不象馬,又不

13、象驢的騾子,所以有人稱它為“有機(jī)界的騾子”.,35,結(jié)晶狀的固體,各向同性的液體,中間相,圓球狀 位置有序，方向無序 晶格排列，不具流動性,長條狀、圓盤狀 位置無序，方向有序 有流動性,塑晶像液體的固體,液晶像晶體的液體,36,液晶（ LC：Liquid Crystal ）,液晶（液態(tài)晶體的簡稱）,像晶體的液體叫液晶,液晶態(tài)：是一種介于液體和晶體之間的中間態(tài)，也有人稱其為物質(zhì)的第四態(tài)。,液晶是一種同時具備液體的流動性和晶體的規(guī)則排列特性的物質(zhì)。既有液體的流動性、粘度、形變等機(jī)械性質(zhì)，又有晶體的熱、光、電、磁等物理性質(zhì)。,37,1888年，奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾（F.Reinitzer）首先發(fā)現(xiàn)

14、了液晶,1968年，美國RCA公司海麥爾（G.H.Heilmeier）首先發(fā)現(xiàn)了液晶的電光效應(yīng),1973年日本SHARP公司制造出世界上第一個液晶顯示器件（LCD： Liquid Crystal Device）,38,小分子液晶:用于液晶顯示器,高分子液晶: 高強(qiáng)度纖維，用于防彈衣，高功能塑料等。,液晶的類型（按相對分子質(zhì)量大小分）,39,有液晶態(tài)的化合物條件：形狀呈棒狀，長約數(shù)納米，分子的長度約為寬度的48倍，分子量為200500 gmol-1的有機(jī)化合物才具有液晶態(tài)。,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的有液晶特性的物質(zhì)（主要是一些有機(jī)化合物）有六七千種。,并非所有化合物都有液晶態(tài),40,（1）熱致液晶,（2）溶致

15、液晶,熱致性液晶是依靠溫度的變化，在某一溫度范圍形成液晶態(tài)物質(zhì)。,將某些物質(zhì)溶于水或有機(jī)溶劑中顯示出液晶態(tài),溶致液晶廣泛存在于自然界，特別是生物體內(nèi)。 很多生物體的構(gòu)造，例如大腦、神經(jīng)、肌肉、血液等生命的新陳代謝、知覺、信息傳遞等生命現(xiàn)象都與溶致液晶有關(guān),熱致性液晶,溶致性液晶,液晶的類型（按成因分）,作為顯示技術(shù)應(yīng)用的液晶都是熱致液晶。,流致性液晶,壓致性液晶,41,除了這兩類液晶物質(zhì)外，人們還發(fā)現(xiàn)了在外力 場（壓力、流動場、電場、磁場和光場等）作用下可形成液晶。 例如聚乙烯在某一壓力下可出現(xiàn)液晶態(tài)，是一種壓致性液晶。 聚對苯二甲酰對氨基苯甲酰肼在施加流動場后可呈現(xiàn)液晶態(tài)，因此屬于流致性液晶

16、。,（4）流致性液晶,（3）壓致性液晶,42,根據(jù)分子排列的形式和有序性的不同，熱致性液晶有三種結(jié)構(gòu)類型：近晶型、向列型和膽甾型。（見圖）。,近晶型 向列型 膽甾型,熱致性液晶：,43,在這類液晶中，液晶分子呈二維有序性：棒狀分子互相平行排列成層狀，分子的長軸垂直于層狀平面。分子可在本層內(nèi)運(yùn)動，但不能來往于各層之間。因此，層狀結(jié)構(gòu)之間可以相互滑移，而垂直于層片方向的流動卻很困難。,近晶型液晶相,近晶型液晶是所有液晶中最接近結(jié)晶結(jié)構(gòu)的一類，因此得名。,近晶型液晶的粘度與表面張力都較大，對外界磁場、溫度變化不敏感。,44,液晶分子只有一維有序：分子長軸彼此平行但分子重心分布無序、不分層，分子可以自

17、由流動，分子在空間排列成線狀，始終平行某一方向 向列型液晶流動性最大；對外界電磁、溫度、應(yīng)力變化都很敏感，（目前顯示器中應(yīng)用最多的液晶材料）,向列型液晶相,45,液晶分子排列成層，每層分子長軸方向相同，且平行于層，但每層長軸方向轉(zhuǎn)動變化，多層扭轉(zhuǎn)成螺旋形 膽甾型液晶通常具有彩虹般的漂亮顏色，并有極高的旋光能力。,膽甾型液晶相,在屬于膽甾型液晶的物質(zhì)中，有許多是膽甾醇的衍生物，因此得名。,46,現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，除了長棒型結(jié)構(gòu)的液晶分子外，還有一類液晶是由剛性部分呈盤型的分子形成。在形成的液晶中多個盤型結(jié)構(gòu)疊在一起，形成柱狀結(jié)構(gòu)。,盤型液晶,分子排列呈圓盤狀 沒有電各向異性 有光學(xué)各向異性,47,在電的

18、作用下，液晶分子的初始排列發(fā)生改變，從而使液晶的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象,液晶的電光效應(yīng),微小的外部能量電場、磁場、應(yīng)力、熱能等就能實(shí)現(xiàn)液晶分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起液晶的光、電、磁等物理性質(zhì)的各向異性的改變,液晶的各向異性,液晶的應(yīng)用物理性質(zhì),48,液晶顯示器,LCD的結(jié)構(gòu)：將液晶夾在有導(dǎo)電能力的玻璃平板間，在兩玻璃板間施加電壓，利用電壓控制液晶分子的排列方式，進(jìn)而控制背光燈管所發(fā)出之光的透射程度，利用這種原理設(shè)計(jì)的顯示器，叫液晶顯示器（LCD）。,這種液態(tài)光電顯示材料，利用液晶的電光效應(yīng)把電信號轉(zhuǎn)換成字符、圖像等可見信號。,49,液晶顯示器為什么能夠成像呢？,液晶在正常情況下,其分子排列很有

19、秩序,顯得清澈透明,一旦加上直流電場后,分子的排列被打亂,進(jìn)而控制背光燈管所發(fā)出之光的透射程度，因而能顯示圖象.,在液晶顯示器的屏幕上布滿了發(fā)光點(diǎn)，每個發(fā)光點(diǎn)上有紅、綠、藍(lán)三種色素，透射光經(jīng)三原色濾光片后，就可產(chǎn)生各種色彩了。,50,液晶顯示器的優(yōu)點(diǎn)：,相對CRT （Cathode Ray Tube）純平顯示器來說，液晶顯示器天生有擁有以下絕對優(yōu)勢：,1、零輻射，低耗能，散熱小。,LCD:通過扭轉(zhuǎn)液晶像素中的液晶分子偏轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)畫面還原。CRT：內(nèi)部具有超高壓元器件，由于高壓導(dǎo)致的x射線超標(biāo)。,LCD:機(jī)器結(jié)構(gòu)電路簡單，模塊化以及芯片的高集成化足以把電路工作時候產(chǎn)生的電磁輻射降到最低，能耗也小

20、，散熱也小。 CRT顯示器：由于考慮到散熱，不得以在屏蔽罩上鉆孔導(dǎo)致輻射的泄露。,51,2、纖薄輕巧,正是液晶顯示器的出現(xiàn)，才令手提電腦的發(fā)明成為可能。同樣，桌式液晶顯示器雖然在體積以及重量上要比手提電腦的都要大一些，但是，相對那又笨又重的CRT顯示器來說就是小巫見大巫了。以15英寸的顯示器比較，CRT顯示器的深度一般接近50厘米，而大白鯊最新推出的液晶顯示器NF-1500MA的深度卻不到5厘米！,52,3、保護(hù)眼睛，強(qiáng)光線下清晰度高,液晶本身不發(fā)光，屬于受光型顯示器件，只是反射環(huán)境光，顯示畫面穩(wěn)定而不閃爍，有利于長時間的使用電腦，且強(qiáng)光線下反射的圖像反而更清晰。而CRT屬于主動發(fā)光型顯示器件

21、，螢光粉只在電子束轟擊下才發(fā)光，即使以85HZ的頻率轟擊螢光粉，在長時間盯著熒屏仍然會因?yàn)槲灩夥鄣拈W爍而導(dǎo)致眼睛疲勞。,53,塑晶像液體的固體,一類具有塑性的固態(tài)晶體。其特殊宏觀性質(zhì)與形態(tài)起源于，在一定溫度條件下，晶體內(nèi)分子間的排列雖仍基本保持與三維點(diǎn)陣對應(yīng)的周期性而得以維持晶體的基本特征，但基于其分子旋轉(zhuǎn)勢壘較低的特殊性，分子在平衡位置產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的取向無序的狀態(tài)，從而使分子間較易產(chǎn)生滑動而導(dǎo)致晶體呈現(xiàn)一定塑性。,54,1984年，美國在市場上推出一種塑晶家庭取暖材料。它和液晶相似，有晶體的三維周期性，但力學(xué)性質(zhì)象塑料。它能在恒定溫度下通過塑晶分子構(gòu)型發(fā)生固-固相變貯熱、放熱。塑晶在恒溫4

22、4時，白天吸收太陽能而貯存熱能，晚上則放出白天貯存的熱能。另外將塑晶熔化到玻璃和有機(jī)纖維墻板中可用于貯熱，將調(diào)整配比后的塑晶加入玻璃和纖維制成的墻板中，能制冷降溫。我國對塑晶也開展了一些實(shí)驗(yàn)研究，但尚未實(shí)際應(yīng)用。,塑晶貯熱,55,2.4 亞穩(wěn)態(tài)材料,一、 納米晶材料,二、 非晶態(tài)材料,三、 準(zhǔn)晶態(tài)材料,56,穩(wěn) 態(tài)：體系自由能最低的平衡狀態(tài)。 亞穩(wěn)態(tài)：體系高于平衡態(tài)時自由能的狀態(tài)的一種非平衡。 同一化學(xué)成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時的性能不同于平衡態(tài)時的性能，而且亞穩(wěn)態(tài)可因形成條件的不同而呈多種形式，它們所表現(xiàn)的性能迥異，在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會優(yōu)于其處于平衡態(tài)時的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能

23、。因此，對材料亞穩(wěn)態(tài)的研究不僅有理論上的意義，更具有重要的實(shí)用價值。,亞穩(wěn)態(tài)材料,57,非平衡的亞穩(wěn)態(tài)大致有以下幾種類型： （1）細(xì)晶組織 當(dāng)組織細(xì)小時，界面增多，自由能升高，故為亞穩(wěn)狀態(tài)。 （2）高密度晶體缺陷的存在 晶體缺陷使原子偏離平衡位置，晶體結(jié)構(gòu)排列的規(guī)則性下降，故體系自由能增高。 （3）形成過飽和固溶體 即溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度超過平衡濃度，甚至在平衡狀態(tài)是互不溶解的組元發(fā)生了相互溶解 。 （4）發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，生成具有與原先不同結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)新相 例如鋼及合金中的馬氏體、貝氏體，以及合金中的準(zhǔn)晶態(tài)相 （5）由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，由結(jié)構(gòu)有序變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)無序，自由能增高 。,58,一、 納米

24、晶材料,納米晶材料（納米結(jié)構(gòu)材料）是由（至少在一個方向上）尺寸為幾個納米的結(jié)構(gòu)單元（主要是晶體）所構(gòu)成。納米晶材料是一種非平衡態(tài)的結(jié)構(gòu)，其中存在大量的晶體缺陷。納米材料也可由非晶物質(zhì)組成。 由不同化學(xué)成分物相所組成的納米晶材料，通常稱為納米復(fù)合材料。,59,納米晶材料不僅具有高的強(qiáng)度和硬度，其塑性韌性也大大改善。納米晶導(dǎo)電金屬的電阻高于多晶材料，納米半導(dǎo)體材料卻具有高的電導(dǎo)率 ，米鐵磁材料具有低的飽和磁化強(qiáng)度、高的磁化率和低的矯頑力 納米材料的其他性能，如超導(dǎo)臨界溫度和臨界電流的提高、特殊的光學(xué)性質(zhì)、觸媒催化作用等也是引人注目的。,納米晶材料的性能,60,納米晶材料的形成,納米晶材料可由多種途

25、徑形成，主要?dú)w納于以下四方面。 （1）以非晶態(tài)（金屬玻璃或溶膠）為起始相，使之在晶化過程中形成大量的晶核而生長成為納米晶材料。 （2）對起始為通常粗晶的材料，通過強(qiáng)烈地塑性形變（如高能球磨、高速應(yīng)變、爆炸成形等手段）或造成局域原子遷移（如高能粒子輻照、火花刻蝕等）使之產(chǎn)生高密度缺陷而致自由能升高，轉(zhuǎn)變形成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。 （3）通過蒸發(fā)、濺射等沉積途徑，如物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、電化學(xué)方法等生成納米微粒然后固化，或在基底材料上形成納米晶薄膜材料。 （4）沉淀反應(yīng)方法，如溶膠一凝膠（sol-gel），熱處理時效沉淀法等，析出納米微粒。,61,二、 非晶態(tài)材料,非晶結(jié)構(gòu)不同于

26、晶體結(jié)構(gòu)，它既不能取一個晶胞為代表，且其周圍環(huán)境也是變化的，故測定和描述非晶結(jié)構(gòu)均屬難題，只能統(tǒng)計(jì)性地表達(dá)之。 在非晶態(tài)合金中異類原子的分布也不是完全無序的，故實(shí)際上非晶合金仍具有一定程度的化學(xué)序。,62,非晶合金的性能,1力學(xué)性能 非晶合金的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為高強(qiáng)度和高斷裂韌性非晶合金的強(qiáng)度與組元類型有關(guān)，金屬一類金屬型的強(qiáng)度高（如Fe80B20非晶），而金屬一金屬型則低一些（如Cu50Zr50非晶）。非晶合金的塑性較低，在拉伸時小于l，但在壓縮、彎曲時有較好塑性，壓縮塑性可達(dá)40 ，非晶合金薄帶彎達(dá)180o也不斷裂。,63,2物理性能 非晶合金一般具有高的電阻率和小的電阻溫度系數(shù)前非晶合金

27、最令人注目的是其優(yōu)良的磁學(xué)性能，包括軟磁性能和硬磁性能。此外，使非晶合金部分晶化后可獲得1020nm尺度的極細(xì)晶粒，因而細(xì)化磁疇，產(chǎn)生更好的高頻軟磁性能。有些非晶合金具有很好的硬磁性能，其磁化強(qiáng)度、剩磁、矯頑力、磁能積都很高，例如 NdFeB非晶合金經(jīng)部分晶化處理后（1450nm尺寸晶粒）達(dá)到目前永磁合金的最高磁能積值，是重要的永磁材料。,64,3化學(xué)性能 許多非晶態(tài)合金具有極佳的抗腐蝕性，這是由于其結(jié)構(gòu)的均勻性，不存在晶界、位錯、沉淀相。以及在凝固結(jié)晶過程產(chǎn)生的成分偏析等能導(dǎo)致局部電化學(xué)腐蝕的因素。,65,三、 準(zhǔn)晶態(tài)材料,準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)既不同于晶體、也不同于非晶態(tài)。準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)有多種形式，就目前所

28、知可分成下列幾種類型： a一維準(zhǔn)晶 這類準(zhǔn)晶相常發(fā)生于二十面體相或十面體相與結(jié)晶相之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)變的中間狀態(tài)，故屬亞穩(wěn)狀態(tài)。 b二維準(zhǔn)晶 它們是由準(zhǔn)周期有序的原子層周期地堆垛而構(gòu)成的，是將準(zhǔn)晶態(tài)和晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征結(jié)合在一起。 c二十面體準(zhǔn)晶 可分為A和B兩類。A類以含有54個原子的二十面體作為結(jié)構(gòu)單元；B類則以含有137個原子的多面體為結(jié)構(gòu)單元；A類二十面體多數(shù)是鋁-過渡族元素化合物，而B族極少含有過渡族元素。,準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu),66,五次對稱性和準(zhǔn)晶相的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)晶體學(xué)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊，它為物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的研究增添了新的內(nèi)容，為新材料的發(fā)展開拓了新領(lǐng)域。,67,準(zhǔn)晶的形成,準(zhǔn)晶的形成過程包括形核和生長

29、兩個過程，故采用快冷法時其冷速要確當(dāng)控制，冷速過慢則不能抑制結(jié)晶過程而會形成結(jié)晶相；冷速過大則準(zhǔn)晶的形核生長也被抑制而形成非晶態(tài)。此外，其形成條件還與合金成分、晶體結(jié)構(gòu)類型等多種因素有關(guān)，并非所有的合金都能形成準(zhǔn)晶，這方面的規(guī)律還有待進(jìn)一步探索和掌握。,68,準(zhǔn)晶的性能,到目前為止，人們尚難以制成大塊的準(zhǔn)晶態(tài)材料，最大的也只是幾個毫米直徑，故對準(zhǔn)晶的研究多集中在其結(jié)構(gòu)方面，對性能的研究測試甚少報道。但從已獲得的準(zhǔn)晶都很脆的特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料使用尚無前景。 準(zhǔn)晶的密度低于其晶態(tài)時的密度，這是由于其原子排列的規(guī)則性不及晶態(tài)嚴(yán)密，但其密度高于非晶態(tài)，說明其準(zhǔn)周期性排列仍是較密集的。準(zhǔn)晶的比熱容比晶態(tài)

30、大，準(zhǔn)晶合金的電阻率甚高而電阻溫度系數(shù)則甚小, 其電阻隨溫度的變化規(guī)律也各不相同。,69,2.5 玻璃和陶瓷,70,陶瓷是無機(jī)質(zhì)材料。雖然也有玻璃那樣的非晶質(zhì)，但大部分是結(jié)晶質(zhì)。,玻璃是非晶態(tài)物質(zhì),71,玻璃：一種較為透明的固體物質(zhì)，在熔融時形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冷卻過程中粘度逐漸增大并硬化而基本上不結(jié)晶的無機(jī)非晶態(tài)固體材料。,主要成分：SiO2,化學(xué)成份比較復(fù)雜,72,公認(rèn)的：無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說,結(jié)構(gòu)特點(diǎn),石英玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)單元都是SiO44-四面體，即一個Si原子被四個O原子所包圍，這種四面體互相聯(lián)結(jié),或由其他金屬離子沿頂角鍵合構(gòu)成不規(guī)則的三維空間網(wǎng)絡(luò)，缺乏長程有序性。,73,無固定熔點(diǎn)

31、，無固定形態(tài)：玻璃在一定溫度范圍內(nèi)逐漸變軟。在軟化狀態(tài)，可被吹制加工成各種不同的外形。,在x射線衍射中表現(xiàn)為非晶態(tài),特性,熔融態(tài)的玻璃向固態(tài)玻璃體的轉(zhuǎn)變，是在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)逐漸完成的，隨著溫度的下降，玻璃熔融體愈變愈粘，最后成為機(jī)械固體，但始終沒有新相出現(xiàn)，并且自由度不發(fā)生變化。,74,只與強(qiáng)堿反應(yīng) SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O,易被HF酸腐蝕生成氣體SiF4：SiO2+4HF=SiF4+2H2O,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性就是指玻璃抵抗水、酸、堿以及其他化學(xué)介質(zhì)或氣體侵入的能力。,75,各向同性,非晶體的玻璃，經(jīng)過相當(dāng)長的時間后，在它里面生成了微小的晶體，形成透明性減

32、弱的模糊斑點(diǎn)。這說明非晶體經(jīng)過一定時間會自動變成晶體。,內(nèi)能高,沒有晶界,性能可調(diào)控 (組分調(diào)變，表面處理等技術(shù)),即在玻璃體內(nèi)任何方向測得的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)電性、折光率以及機(jī)械性能等物理性質(zhì)參數(shù)都是一致的，而晶體則是各向異性的。,76,結(jié)構(gòu),透明易碎,黑色類，它吸收了大部分的光子，但它不釋放或釋放少量光子。光的能量它以熱能或其他能量形式儲存起來或慢慢釋放出來。,玻璃一般都是由二氧化硅和硅酸鹽所組成，這些分子對于光的吸收比較弱，所以光波很容易在玻璃體中穿過，我們看起來就是透明的了。,透明,77,小新，知道什么是毛玻璃么？,就是長滿毛的玻璃,78,毛玻璃就是表面凸凹不平的玻璃,當(dāng)光線到達(dá)

33、這凸凹不平的表面時,79,光線就會發(fā)生凌亂的折射,這時人們就只看見光,80,當(dāng)毛玻璃潤濕后,表面的凸凹不平就消失而變得平滑了,81,而水和玻璃的折射率相近,光線在凸凹的玻璃面上的折射度減小，而會保持原來的規(guī)則,82,所以就能看清玻璃對面的圖像了,83,84,易碎,由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺少能發(fā)生滑動的平面，缺少可變形性。,85,玻璃的分類及應(yīng)用,分類,氧化物玻璃,金屬玻璃,半導(dǎo)體玻璃,特種玻璃,硅酸鹽玻璃、 硼酸鹽玻璃、 磷酸鹽玻璃等,86,氧化物玻璃（傳統(tǒng)統(tǒng)稱的玻璃）,在熔融時能形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化物，如氧化硅、氧化硼、氧化磷等，其熔融體在冷卻過程中粘度逐漸增大并硬化而不結(jié)晶，都能成為玻璃體。,硅酸

34、鹽玻璃,硅酸鹽玻璃指基本成分為SiO2的玻璃，其品種多 ，用途廣。,87,用途：化學(xué)儀器；高壓水銀燈、紫外燈等的燈殼；光導(dǎo)纖維等。,鈉鈣玻璃系。以SiO2含量為主，還含有15的Na2O和16的CaO，其成本低廉，易成型，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，其產(chǎn)量占實(shí)用玻璃的90。可生產(chǎn)玻璃瓶罐、平板玻璃、器皿、燈泡等。,膨脹系數(shù)小、耐酸堿、強(qiáng)度大、濾光,SiO2含量大于99.5,石英玻璃,88,89,硼酸鹽玻璃以 B2O3為主要成分，熔融溫度低，可抵抗鈉蒸氣腐蝕。,磷酸鹽玻璃以 P2O5為主要成分，折射率低、色散低，用于光學(xué)儀器中。,90,以 SiO2和B2O3為主要成分，具有良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，用以制造烹

35、飪器具、實(shí)驗(yàn)室儀器、金屬焊封玻璃等。,硼硅酸鹽玻璃,以SiO2和Al2O3為主要成分，軟化變形溫度高，用于制作放電燈泡、高溫玻璃溫度計(jì)、化學(xué)燃燒管和玻璃纖維等。,鋁硅酸鹽玻璃,二元硅酸鹽玻璃:,91,金屬玻璃,一般由熔融的金屬迅速冷卻而制得,由于突然冷卻，液體來不及結(jié)晶，于是原子便成無序排列狀態(tài)了。要生產(chǎn)出“金屬玻璃”，冷卻的速度需要很快。純金屬：1000度/秒,對科學(xué)家來講，玻璃是任何能從液體冷卻成固體而無結(jié)晶的材料。,92,93,金屬玻璃既有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn), 又克服了它們各自的弊病如玻璃易碎, 沒有延展性金屬玻璃的強(qiáng)度卻高于鋼, 硬度超過高硬工具鋼, 且具有一定的韌性和剛性, 所以, 人

36、們贊揚(yáng)金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”,94,目前，美國加利福尼亞理工學(xué)院研制一種最新方法制造出“金屬玻璃”材料，該材料的硬度和彈性是鈦的兩倍，用它制造的3毫米直徑合成金屬棒能夠支撐一輛2噸重的卡車，金屬棒僅僅出現(xiàn)輕度彎曲，而不像其他金屬棒被折斷。,95,半導(dǎo)體玻璃，即非晶硅等，制造工藝比較簡單，也可制造出很大尺寸的薄膜材料，適合于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，因而顯示出巨大的應(yīng)用前景。,半導(dǎo)體玻璃,當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照時，半導(dǎo)體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的效應(yīng)。此時，不需要任何外加電源，只要有光照射，半導(dǎo)體的兩端就會產(chǎn)生電勢差，接上負(fù)載后就會產(chǎn)生電流。非晶硅就可制成光電池或太陽

37、能電池。把太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。,96,將來，每幢樓房都可以安裝一個小型太陽能“電站”：在樓頂鋪一層半導(dǎo)體玻璃薄膜材料，有陽光照射時就會產(chǎn)生電力，把多余的電力存到蓄電池中，到了夜間或陰雨天，再由蓄電池向每個家庭供電。這樣，我們做飯、取暖、洗衣、看電視，就不再需要消耗別的能源了。,97,隨著社會和科學(xué)的發(fā)展，在玻璃材料科學(xué)領(lǐng)域中，由于某些新品種是根據(jù)特殊用途專門研制的，其成分、性能、制造工藝均與一般工業(yè)和日用玻璃有所差別，它們往往被歸入專門的一類，叫做特種玻璃。,特種玻璃,98,夾層玻璃是利用透明、粘接力強(qiáng)的塑料膜片將兩塊或兩塊以上的平板玻璃在高溫高壓作用之下粘接起來的玻璃。夾層玻璃的強(qiáng)度

38、高，有優(yōu)異的抗沖擊和抗穿透性能，破碎時玻璃碎片被塑料膜片粘結(jié)，不易脫離飛散,夾層玻璃,99,鋼化玻璃：,普通玻璃加熱軟化，再急速冷卻得到,主要用作汽車、飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃，防彈玻璃，也用于有特殊安全要求的建筑物門窗、幕墻及展示陳列等方面。,100,吸熱玻璃,吸熱玻璃能吸收大量熱射線并保持良好透明度。常見的吸熱玻璃顏色有茶色、藍(lán)色、灰色、綠色等。多用作建筑物門窗、幕墻及車、船風(fēng)擋玻璃等，起采光、裝飾、防眩、節(jié)能作用。,吸熱玻璃是在普通硅酸鹽玻璃中引入一定量的著色氧化物或在玻璃表面噴涂著色氧化物薄膜而具有吸熱性。,藍(lán)色(Co2O3)紅色 (Cu2O) 淡綠色 (FeO),101,在建筑物上大量使用,102,微晶玻璃,微晶玻璃：將加有金屬氧化物晶核的特定組合的玻璃，在一定溫度下進(jìn)行晶化熱處理，成為具有微晶體和玻璃相均勻分布的復(fù)合材料。,結(jié)構(gòu)：微晶體由玻璃相與結(jié)晶相組成。,性能：機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能優(yōu)良，介電損耗少，介電常數(shù)穩(wěn)定，熱