【2017年整理】晶体与非晶体的区别

【2017年整理】晶体与非晶体的区别 JISHOU UNIVERSITY 《固体物理》期末 考核报告 晶体与非晶体的区别 摘要,自然界中的固体物质可以分为晶体和非晶体两大类。其中,晶体是指那些内部质点(原子、离子或分子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质。 与此相反,内部质点在三维空间无规律地排列的固体物质为非晶体或非晶态。非晶体的各种物理性质,在各个方向上都是相同的,即各向同性。非晶体没有固定的熔点,在熔化过程中,随着温度的升高,它首先变软,然后逐渐由稠变稀,经历一个软化过程。这些特征和晶体是不同的。晶体可对X射线发生,非晶体不可对X射线发生衍射。非晶态内能高、不稳定,而晶态内能低、稳定。 关键词,晶体 非晶体 区别 一、定义 晶体,内部微粒(原子、离子或分子)在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体物质。如石英、云母、食盐、明矾等。 非晶体,内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体物质。如玻璃、橡胶、松香、沥青等。 一些物质又有晶体和非晶体不同形态,如天然水晶和石英玻璃都有二氧化硅成分,但前者是晶体,后者是非晶体。 二、晶体与非晶体的区别 1 晶体与非晶体的主要区别 晶体 非晶体 性质 自范性,本质区别, 有 无 各向异性 有 无 固定熔沸点 有 无 能否发生X 射线衍能 不能,能发生散射, 射,最科学的区分 方法, 内能 小而最稳定 大而不稳定 ,一,外形 1、区别 晶体都具有规则的几何形状,而非晶体没有一定的几何外形。 晶体自范性的本质:晶体中粒子微观空间里是呈现周期性的有序排列的。 ,晶体内部质点排列有序,外形规则。例如。在氯化钠晶体内部,无论任何方向上CI一和Na+都是相间排列的,如图1,?代表Na离子,?代表Cl离子,其外形是非常规则的立方形,从盐场生产的粗大盐粒到实验室用的基准氯化钠微粒,无论大小都是立方形的。 图1 NaCl晶体结构 17世纪中叶,丹麦矿物学家斯迪诺在研究石英晶体断面时发现,石英晶面的大小和形状尽管千变万化,但相应晶面问的夹角却是相等的。如图2所示,无论哪种形状的石英晶体,其晶面a,b,C相互间的夹角均保持相等。随后人们又研究了大量不同形状的晶体。发现每种晶体不同晶面间的夹角都保持相等,从而就诞生了结晶学上的第一个定律——晶面夹角守恒定律。正因为晶体的生长必须遵循晶面夹角守恒定律,所以晶体由一个微小的结构单元生长成宏观晶体时永远保持有规则的外形。 图2 不同石英晶体的外形和晶面结构 非晶体内部质点排列杂乱无章,外形不规则。例如玻璃内部各种离子杂乱无章地堆积在一起,外形没有一定之规,人们可以在生产中任意改变其外部形貌。众多构造繁杂外形精美的玻璃艺术品,正是利用玻璃外形可以任意改变的性能而加工制成的。一些蜡像艺术品也是因为石蜡属于非晶体而得来。 2、晶体的内部结构 ,1,七大晶系 晶体的外形决定于晶体的内部结构。能代表晶体全部结构特征和性质特点的最小重复单位称为晶胞。晶胞可以用六面体的3个棱边的边长a,b,c和构成同一顶点的3个面之间的夹角口α,β,γ来描述,如图3根据晶胞的棱边边长和晶面夹角,将晶体分成七大类型,通常称为七大晶系。图4绘出了其相应结构。 图3 晶胞示意图 图4 七大晶系的结构示意图 ,2,十四种晶格 在各种晶系中,根据质点排列方式的区别又分成不同的晶格。晶格是一种几何概念,是组成晶体的质点在空间的排列方式。也将晶格称为布拉韦格子或布拉韦点阵。从几何学的角度讲,空间点阵有三种方式,线状、层状、三维立体构型。在晶体学中常见的十四种晶格如图5。有的物质由于微粒能够形成不同的空间点阵,因此能够生成种类不同的几种晶体。例如,碳原子可以形成非常软的石墨,也可以形成硬度很大的金刚石。 图5 十四种晶格结构 ,二,各向异性 1、区别 晶体的各种物理性质,在各个方向上都是不同的,即各向异性,非晶体则显各向同性。 由于晶体内部质点排列有序,在不同的方向上质点的排列密度往往不同,因此在不同的方向上晶体对光、电、磁、热的传导速率和强度往往具有较大差异,这种差异被称 之为各向异性。例如,石墨和蓝宝石是常见的晶体,其中石墨的结构呈层状,在与层垂直方向的导电率为与层平行方向上导电率的1/10000;蓝宝石在不同方向上的硬度是不同的。对于非晶体而言,从微观角度讲,质点的排列杂乱无序,从宏观统计的角度看,在所有方向上质点的排列密度均相同,对光、电、磁、热的传导速率和强度也都相同,所以是各向同性的。例如玻璃在破碎时,其碎片的形状是完全任意的。 需要注意的是,并非所有晶体都具备各向异性,当晶体内部的质点在各个方向上排列相同时,它就是各向同性的,如氯化钠、氯化钾、氯化铯等晶体都是各向同性的。 2、晶体和非晶体导热性能比较 在一块云母片和一块玻璃表面均涂上一层石蜡,然后用热的针尖接触石蜡,由图6和图7可以发现云母和玻璃导热是有明显区别的,尤其是烧熔最大区域的比较有很明显的不同.石英晶体表面的石蜡熔化成椭圆形,而玻璃表面的石蜡熔化成圆形。证明在不同方向上云母对热的传导速率不同,而玻璃对热的传导在所有方向上都是相等的。 图6 涂覆云母上石蜡的熔化过程 图7 涂覆玻璃上石蜡的熔化过程 ,三,熔点 晶体必须到达熔点时才能熔解,而非晶体在熔解的过程中,没有明确的熔点,随着温度升高,物质首先变软,然后逐渐由稠变稀。 晶体在熔化时,温度不变,晶体有确定的熔点和凝固点,同一种晶体物质的凝固点跟它的熔点相同,不同的晶体,具有各不相同的熔点和凝固点。例如在常压下,当冰的 温度达到熔点(273,15K)时,冰必定开始熔化,同样当氯化钠的温度达到熔点(1074K)时,也必定开始熔化。而当加热石蜡、沥青、玻璃、塑料等无定形固体时,你只能观察到它们逐渐软化,最后变成了易流动的液体,但你永远无法知道它们是在哪一确切温度开始熔化的,也就是说它们根本就没有固定的熔点。 表2 晶体和非晶体融化和凝固的比较 晶体 非晶体 物质举例 海波、冰、石英、食盐、水松香、玻璃、蜂蜡、沥青 晶、明 矾、蔡、各种金属 熔点和凝固点 同一晶体的熔点和凝固点非晶体无固定的熔点和凝固 相同 点 熔化过程 吸收热量.温度不变 吸收热量,温度升高 凝固过程 放出热量,温度不变 放出热量,温度降低 熔化条件 温度达到熔点,继续吸热 吸收热量 凝固条件 温度达到凝尚点,继续放热 放出热量 融化曲线 凝固曲线 ,四,对X射线的衍射 晶体可对X射线发生,非晶体不可对X射线发生衍射,当单一波长的X-射线通过晶体时,会在记录仪上看到分立的斑点或明锐谱线。而在同一条件下摄取的非晶体图谱中却看不到分立的斑点或明锐谱线。 晶格具有一定的对称性和周期性,周期性排列的晶体相当于三维光栅,能使波长相当的X射线、电子流和中子流产生衍射效应,成为了解晶体内部结构的重要实验方法。非晶质没有周期性结构,只能产生散射效应,得不到衍射图像。 仅从外观上,用肉眼很难区分晶体、非晶体与准晶体。一块加工过的水晶晶体与同样形状的玻璃(非晶体)外观上几乎看不出任何区别。常用的鉴定技术是X光技术。X射线衍射是判定物质结构的有力手段之一。X射线是由高能的光子构成,通过晶体后,由于晶体晶格的作用,会产生一定的衍射图样。不同的晶体,其图样以及图样的尺寸结构有所不同,因此,可以利用这一性质来进行物质判定。X射线衍射是常用的物质结构手段之一。 三、晶体与非晶体的相互转化 晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的。 由非晶态转化为晶态,这一过程称为晶化或脱玻化。晶化过程可以自发进行,因为非晶态内能高、不稳定,而晶态内能低、稳定。 相反,晶体也可因内部质点的规则排列遭到破坏而转化为非晶态,这个过程称为非晶化。非晶化一般需要外能。 因为晶体比非晶体稳定,所以晶体的分布十分广泛,自然界的固体物质中,绝大多数是晶体。我们日常生活中接触到的石头、沙子、金属器材、水泥制品、食盐、糖、甚至土壤等等,大多数是由晶体组成的。在这些物质中,晶体颗粒大小十分悬殊,有的晶体尺寸可达几米或几十米,但有的晶体,例如在土壤中的晶体,则只有微米级大小。 参考文献, [1] 郑少山,李春密,李正福.晶体和非晶体导热性能比较实验的探讨. 物理实验,2011-01-20 [2] 宋其圣,孙思修.无机化学教程.济南市,山东大学出版社,2001 [3] 章伟光.无机化学.北京市,科学出版社,2011 [4] 陆达用.物理的捷径.广西民族出版社,2011 [5] 周公度.晶体结构的周期性和对称性.北京市,高等教育出版社,1992 [6] 王煜明.非晶体及晶体缺陷的X射线衍射.北京市,科学出版社,1988 [7] 黄建华.太阳能光伏理化基础. 北京市,化学工业出版社,2011 [8] 赵海霞,刘春廷.工程材料及其成形技术, 北京市,化学工业出版社,2010 [9] 聂小武实用有色合金铸造技术. 沈阳市,辽宁科学技术出版社,2009 [10] 白素琴.属学及热处理.京市,冶金工业出版社,2009 单晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别何在, 要理解这几个概念,首先要理解晶体概念,以及晶粒概念。 自然界中物质的存在状态有三种,气态、液态、固态 固体又可分为两种存在形式,晶体和非晶体 晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体,晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。 晶体共同特点, 均 匀 性, 晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。 各向异性, 晶体种不同的方向上具有不同的物理性质。 固定熔点, 晶体具有周期性结构,熔化时,各部分需要同样的温度。 规则外形, 理想环境中生长的晶体应为凸多边形。 对 称 性, 晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。 对晶体的研究,固体物理学家从成健角度分为 离子晶体 原子晶体 分子晶体 金属晶体 显微学则从空间几何上来分,有七大晶系,十四种布拉菲点阵,230种空间群,用拓扑学,群论知识去研究理解。可参考《晶体学中的对称群》一书 ,郭可信,王仁卉著,。 与晶体对应的,原子或分子无规则排列,无周期性无对称性的固体叫非晶,如玻璃,非晶碳。一般,无定型就是非晶,英语叫amorphous,也有人叫glass(玻璃态,. 晶粒是另外一个概念,搞材料的人对这个最熟了。首先提出这个概念的是凝固理论。从液态转变为固态的过程首先要成核,然后生长,这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的,所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒,每个晶粒的大小和 形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性,是多晶。英文晶粒用Grain表示,注意与Particle是有区别的。 有了晶粒,那么晶粒大小,晶粒度,,均匀程度,各个晶粒的取向关系都是很重要的组织,组织简单说就是指固体微观形貌特征,参数。对于大多数的金属材料,晶粒越细,材料性能,力学性能,越好,好比面团,颗粒粗的面团肯定不好成型,容易断裂。所以很多冶金学家材料科学家一直在开发晶粒细化技术。 科学总是喜欢极端,看得越远的镜子叫望远镜,看得越细的镜子叫显微镜。晶粒度也是这样的,很小的晶粒度我们喜欢,很大的我们也喜欢。最初,显微镜倍数还不是很高的时候,能看到微米级的时候,觉得晶粒小的微米数量是非常小的了,而且这个时候材料的力学性能特别好。人们习惯把这种小尺度晶粒较微晶。然而科学总是发展的,有一天人们发现如果晶粒度再小呢,材料性能变得不可思议了,什么量子效应,隧道效应,超延展性等等很多小尺寸效应都出来了,这就是现在很热的,热得不得了的纳米,晶粒度在1nm-100nm之间的晶粒我们叫纳米晶。 再说说非晶,非晶是无规则排列,无周期无对称特征,原子排列无序,没有一定的晶格常数,描叙结构特点的只有径向分布数,这是个统计的量。我们不知道具体确定的晶格常数,我们总可以知道面间距的统计分布情况吧。非晶有很多诱人的特性,所以也有一帮子人在成天做非晶,尤其是作大块的金属非晶。因为它的应力应变曲线很特别。前面说了,从液态到到固态有个成核长大的过程,我不让他成核呢,直接到固态,得到非晶,这需要很快的冷却速度。所以各路人马一方面在拼命提高冷却速度,一方面在不断寻找新的合金配方,因为不同的合金配方有不同的非晶形成能力,通常有Tg参数表征, 叫玻璃化温度。非晶没有晶粒,也就没有晶界一说。也有人曾跟我说过非晶可以看成有晶界组成。 那么另一方面,我让他成核,不让他长大呢,不就成了纳米晶。 人们都说,强扭的瓜不甜,既然都是抑制成核长大,那么从热力学上看,很多非晶,纳米晶应该不是稳态相。所以你作出非晶、纳米晶了,人们自然会问你热稳定性如何。 后来,又有一个牛人叫卢柯,本来他是搞非晶的,读研究生的时候他还一直想把非晶的结构搞清楚呢,牛人就是牛人,选题这么牛,非晶的结构现在人们还不是很清楚,。他想既然我把非晶做出来了,为什么我不可以把非晶直接晶化成纳米晶呢,纳米晶热啊,耶,这也是一种方法,叫非晶晶化法。 既然晶界是一种缺陷,缺陷当然会影响材料性能,好坏先不管他,但是总不好控制。如果我把整个一个材料做成一个晶粒,也就是单晶,会是什么样子呢,人们发现单晶确实会有多晶非晶不同的性能,各向异性,谁都知道啊。当然还有其他的特性。所以很多人也在天天捣鼓着,弄些单晶来。 现在不得不说准晶。准晶体的发现,是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。这是我们做电镜的人的功劳。1984年底,D.Shechtman等人宣布,他们在急冷凝固的Al Mn合金中发现了具有五重旋转对称但并无无平移周期性的合金相,在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。不久,这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。后来,郭先生一看,哇,我们这里有很多这种东西啊,抓紧分析,马上写文章,那段金属固体原子像的APL,PRL多的不得了,基本上是这方面的。准晶因此也被D.Shechtman称为“中国像”。 斑竹也提到过孪晶,英文叫twinning,孪晶其实是金属塑性变形里的一个重要概念。孪生与滑移是两种基本的形变机制。从微观上看,晶体原子排列沿某一特定面镜像对称。那个面叫栾晶面。很多教科书有介绍。一般面心立方结构的金属材料,滑移系多,已发生滑移,但是特定条件下也有孪生。加上面心立方结构层错能高,不容易出现孪晶,曾经一段能够在面心立方里发现孪晶也可以发很好的文章。前两年,马恩就因为在铝里面发现了孪晶,发了篇Science呢。卢柯去年也因为在纳米铜里做出了很多孪晶,既提高了铜的强度,又保持了铜良好导电性,通常这是一对矛盾,,也发了个Science.这年头Science很值钱啊。像一个穷山沟,出了个清华大学生一样。 现在,从显微学上来看单晶,多晶,微晶,非晶,准晶,纳米晶,加上孪晶。单晶与多晶,一个晶粒就是单晶,多个晶粒就是多晶,没有晶粒就是非晶。单晶只有一套衍射斑点,多晶的话,取向不同会表现几套斑点,标定的时候,一套一套来,当然有可能有的斑点重合,通过多晶衍射的标定可以知道晶粒或者两相之间取向关系。如果晶粒太小,可能会出现多晶衍射环。非晶衍射是非晶衍射环,这个环均匀连续,与多晶衍射环有区别。 纳米晶,微晶是从晶粒度大小角度来说的,在大一点的晶粒,叫粗晶的。在从衍射上看,一般很难作纳米晶的单晶衍射,因为最小物镜光栏选区还是太大。有做NBED的么,不知道这个可不可以。 孪晶在衍射上的表现是很值得我们学习研究的,也最见标定衍射谱的功力,大家可以参照郭可信,叶恒强编的那本《电子衍射在材料科学中应用》第六章。 准晶,一般晶体不会有五次对称,只有1,2,3,4,6次旋转对称,这个证明经常作为 博士生入学,呵呵,。所以看到衍射斑点是五次对称的,10对称的啊,其他什 么的,可能就是准晶。