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金属原子晶体结构简介:从基本单元到完美结构

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:晶体点阵 为了描述原子晶体结构,采用了空间点阵或晶体点阵的概念。晶体点阵是一种想象的空间网格,其节点被原子(离子)占据,形成金属在已知条件下的固态结晶体。图2-2 晶体点阵单位晶胞 能表现金属原子结构晶体的最小容积。金属的晶体点阵 大多数重要工业金属都形成以下具有密排原子、高度对称的复杂点阵之一:体心立方,面心立方,六方。图2-3所示为条件设定的多种金属晶体点阵和原子密排方式。

金属原子晶体结构简介:从基本单元到完美结构

(1)晶体结构 可理解为晶体中原子的相互位置。晶体由按一定顺序排列在三维空间、延续重复的原子(离子)群构成。

(2)晶体点阵 为了描述原子晶体结构,采用了空间点阵或晶体点阵的概念。晶体点阵(见图2-2)是一种想象的空间网格,其节点被原子(离子)占据,形成金属在已知条件下的固态结晶体。图2-2中用粗线分隔成一个最小的平行六面体,使其在空间沿三轴线依次叠加,就可以绘出整体点阵。

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图2-2 晶体点阵

(3)单位晶胞 能表现金属原子结构晶体的最小容积。

(4)晶系 晶体空间点阵(晶格)按轴单位和轴间夹角关系可划分为七个晶系。设晶胞(平行六面体)棱边为abc,棱边夹角为αβγ,则和七个晶系相应的有以下晶胞类型:

①三斜晶系,abcαβγ≠90°;

②单斜晶系,abcα=γ=90°,β≠90°;

③斜方晶系,abcα=β=γ=90°;

④六方晶系,a=bcα=β=90°,γ=120°;

⑤斜方六面晶系,a=b=cα=β=γ≠90°;

⑥正方晶系,a=bcα=β=γ=90°;

⑦立方晶系,a=b=cα=β=γ=90°。

(5)简单点阵 每个单位晶胞平均只有一个原子的晶体点阵。

(6)复杂点阵 每个单位晶胞平均有几个原子的晶体点阵。

(7)金属的晶体点阵 大多数重要工业金属都形成以下具有密排原子、高度对称的复杂点阵之一:体心立方,面心立方,六方。图2-3所示为条件设定的多种金属晶体点阵和原子密排方式。在原子密排图中所示的球体是相互接触的,但不应该认为这些球体是不可压缩的体积,因为原子核尺寸很小,且其周围的电子层密度很低。(www.xing528.com)

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图2-3 金属晶体点阵和原子密排方式

a)体心立方 b)面心立方 c)密排立方

(8)体心立方点阵 原子分布在晶胞节点,一个原子在正方体中心(见图2-3a)。具有体心立方点阵的金属有Rb、K、Na、Li、β-Ti、β-Zr、Ta、α-Fe、Mo、W、V、Cr、Ba等。

(9)面心立方点阵 原子分布在立方体节点和晶面中央(见图2-3b)。属于此点阵的金属有α-Ca、Ce、α-Sr、Th、Pb、Ni、Ag、Au、Pd、Rh、Ir、γ-Fe、Cu等。

(10)密排六方点阵 原子分布在节点、棱晶六面体基面中央和(三个原子)棱晶中间平面上(见图2-3c)。原子如此排列的金属有Hf、Mg、α-Ti、Cd、Re、Os、Ru、Zn、α-Co、Be、α-Zr等。

(11)点阵(晶格)常数 晶体基本晶胞的大小,可用点阵常数(周期)a、b、c来表示。此可以理解为形成基本晶胞两个最近平行原子面间的距离。点阵常数以纳米(nm)作为度量单位(1nm=10-9m=10?)。金属的点阵常数在0.1~0.7nm范围。

(12)单位晶胞原子数 晶体原子排列密度可用单位晶胞原子数衡量、此原子数越多,晶体密度越大。体心立方点阵每个晶胞有两个原子,其中一个在立方体中央,另一个是8个节点原子,每个同时属于8个晶胞的计算结果978-7-111-32817-9-Chapter02-4.jpg。同理,面心立方点阵每个晶胞有4个原子978-7-111-32817-9-Chapter02-5.jpg。六方密排点阵晶胞有6个原子978-7-111-32817-9-Chapter02-6.jpg

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图2-4 各种晶体点阵中距任一原子相同和原小距离的原子数示意图

a)K8 b)K12 c)H12(C、C、施坦别格)

(13)配位数 晶格中与任一个原于相距最近且距离相等的原子数配位数越大,原子的堆积密度也越大。在体心立方单位晶胞中,原子间的最小距离为978-7-111-32817-9-Chapter02-8.jpg978-7-111-32817-9-Chapter02-9.jpg。按此距离,距任一原子有8个相邻原子(图2-4a)故此点阵的配位数是8,表示为K8。面心立方晶胞的配位数是12(K12),每个原子有12个最近的相邻原子,其相距的距离为978-7-111-32817-9-Chapter02-10.jpg(见图2-4b),相当于球体排列或堆积的最大密度。六方密排点阵的配位数是12(K12),c/a=1.633,也相当于球体排列的最大密度(见图2-4c)。许多六方晶系的金属c/a=1.57~1.64,即稍偏离最密排列c/a=1.633。如果c/a值偏离1.633很多(如Zn和Cd),则此六方点阵的配位数就变成6。化学元素周期表中,金属和非金属交界处的元素(有时也叫半金属)以及更右边的非金属元素具有复杂的晶体点阵和小的配位数。化学元素周期表中Ⅶ、Ⅵ、Ⅴ族和部分Ⅳ族(亚族B)半金属和非金属元素的晶体结构配位数可按“8-N”规则求得,N为给定元素在周期表中的族号,例如As、Sb、Bi属ⅤB族,按此规律的配位数是3。

(14)晶胞填充系数 原子占有体积和晶胞体积的比值。体心立方晶胞的填充系数等于68%。面心立方和六方密排(c/a=1.633)点阵最为密实,其原子体积填充系数等于74%。在H12点阵中,配位数为6时的填充系数约50%,而配位数为4时的填充系数仅约25%。

(15)原子半径 晶体点阵中两原子中心最小距离的一半。其随配位数减小而增大,因为配位数越小,原子间的空间越大。

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