材料科学基础
读书报告
姓 名：黄 道 翔
学 号：091615
所在院系：材料科学与工程学院
学科门类：材料科学与工程
学科方向：高分子材料
二○##年十月
摘要
生活中我们所接触到的材料大多可以分为晶体和非晶体两类。在科学研究上，科学家们又发现了准晶体。本文是在学习了相关基础课程后，通过各种途径，着重探讨于以下三个问题：（1）晶体和非晶体的根本区别以及在生活中的实际用途和性能；（2）晶体具有一定的熔点，而非晶体没有固定熔点的原因（3）准晶体与晶体的根本区别以及晶体中的周期性与准晶体中的准周期性。本文将首先简介晶体、非晶体和准晶体，并逐步展开，回答上述三个问题。
关键词：晶体，非晶体，准晶体，熔点，周期性
第一章 晶体、非晶体和准晶体介绍
1.1 晶体
晶体是如下定义的：物质是由原子、分子或离子组成的。当这些微观粒子在三维空间按一定的规则进行排列，形成空间点阵结构时，就形成了晶体。因此，具有空间点阵结构的固体就叫晶体。[1]即，晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。
1.1.1 晶体的分类
晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。其中，由正、负离子或离子集团按一定比例组成的晶体是离子晶体 [2]；相邻原子之间通过强烈的共价键结合而成的空间网状结构的晶体是原子晶体[3]；分子间通过分子间作用力(包括范德华力和氢键)构成的晶体是分子晶体[4]；而金属晶体是晶格结点上排列金属原子-离子时所构成的晶体。[5]
晶体按照来源可以分为天然晶体和人工晶体。自然界中形成的晶体叫天然晶体，而人们利用各种方法生长出来的晶体则叫人工晶体。
另外，也可以根据用途把晶体分为压电晶体、半导体晶体、光功能晶体等。
1.1.2 晶体的共性
晶体的共性有以下八点：1．长程有序：晶体内部原子在至少在微米级范围内的规则排列。2．均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。3．各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。4．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。5．自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。6．解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。7．最小内能：在相同热力学条件下，晶体与同种物质非晶体固态液态气体相比，其内能最小。8．晶面角守恒：属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变。[6]
1.2 非晶体
非晶体，或称无定形体，是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体，与晶体相对应。也有人把非晶体叫做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。非晶体中，原子只与近邻原子间有相对近似规则的排列，而与较远的原子之间的相对位置就显得完全没有规则了，这种排列方式称为短程有序。物质的短程有序长程无序状态称为非晶固态，或简称非晶态。[7]
1.2.1 非晶体的分类
非晶态固体包括非晶态电介质、非晶态金属和非晶态半导体等三大类。它们有特殊的物理、化学性质。非晶态电介质包括玻璃、天然树脂、沥青和高分子塑料等，一般具有很高的耐电压强度[8]；非晶态金属指在原子尺度上结构无序的一种金属材料，相比晶态金属他的强度硬度和韧性更高、弹性更好、抗腐蚀性更强、导磁性更强及电阻率更高等[9]；非晶态半导体是具有半导体性质的非晶态材料，分为硫系玻璃和四面体键非晶态半导体两大类。这使非晶态固体有多方面的应用。它是一个正在发展中的新的研究领域，近年来得到迅速的发展。[10]
1.2.2 非晶体的共性
非晶体在性质上表现为各向同性，亦称均质性，其表现为在物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即在不同的方向测得非晶体的性能数值完全相同。同时，由于融化时热能仅用来提高平均动能，因此非晶体没有固定熔点，只能测定融化的范围。
1.3 准晶体[11]
准晶体，亦称为“准晶”或“拟晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但是准晶体不具备晶体的平移对称性。根据晶体局限定理（crystallographic restriction theorem），普通晶体只能具有二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的如六次以上的对称性。
数学家在20世纪60年代就发现了这种非周期平铺（aperiodic tilings）图形。但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶的研究联系起来。自然界中非周期图形的发现在结晶学领域造成了典范转移。虽然准晶体在此前就已被观察到并被研究[12]，但由于它们违背了人们之前对于晶体结构的认识，所以直至20世纪80年代在开始受到重视。
获得20##年诺贝尔化学奖的丹·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新的金属相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性。[13]
第二章 晶体和非晶体的根本区别以及在生活中常见晶体和非晶体的用途及性能
2.1 晶体和非晶体的根本区别[7]
本质区别
晶体有自范性，在适宜的条件下,晶体能够自发地呈现封闭的规则和凸面体外形的性质；或者说，在适宜的条件下，晶体能够自发地呈现封闭的、规则的多面体外形。所以在适当的结晶条件下，晶体物质都能自发地成长为单晶体，并且发育良好的单晶体均以平面作为它与周围物质的界面，最终呈现出凸多面体。而非晶体无自范性，没有固定的形态。所以，晶体与非晶体在外观上有明显差别。
物理性质不同
晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，具有长程有序，并成周期性重复排列，外形都具有有规则的几何形状而非晶体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体，具有近程有序，但不具有长程有序，外形为无规则形状的固体。
晶体有各向异性，非晶体是各向同性。例如，云母的结晶薄片，在外力的作用下，很容易沿平行于薄片的平面裂开。但要使薄片断裂，则困难得多。这说明晶体在各个方向上的力学性质不同，而非晶体玻璃在破碎时，其碎片的形状是完全任意的。又如，在云母片上，涂上一层薄薄的石蜡，然后用炽热的钢针去接触云母片的反面，则石蜡沿着以接触点为中心，向四周熔化成椭圆形，这表明云母晶体在各方向上的导热性不同；如果用玻璃板代替云母片重做上面实验，发现熔化了的石蜡在玻璃板上总成圆形，这说明非晶体的玻璃在各个方向上的导热性相同。
晶体有固定的熔点，不同的晶体，具有各不相同的熔点。且在熔解过程中温度保持不变；而非晶体没有固定的熔点，它在熔化过程中随着温度升高，物质首先变软，然后逐渐由稠变稀。
微观结构不同
组成晶体的微粒——原子是对称排列的，形成很规则的几何空间点阵；空间点阵排列成不同的形状，就在宏观上呈现为晶体不同的独特几何形状；组成点阵的各个原子之间，都相互作用着，它们的作用主要是静电力；对每一个原子来说，其他原子对它作用的总效果，使它们都处在势能最低的状态，因此很稳定，宏观上就表现为形状固定，且不易改变；晶体内部原子有规则的排列，引起了晶体各向不同的物理性质；如果外力沿平行晶面的方向作用，则晶体就很容易滑动（变形），这种变形还不易恢复，称为晶体的范性；从这里可以看出沿晶面的方向，其弹性限度小，只要稍加力，就超出了其弹性限度，使其不能复原，而沿其他方向则弹性限度很大，能承受较大的压力、拉力而仍满足虎克定律；当晶体吸收热量时，由于不同方向原子排列疏密不同，间距不同，吸收的热量多少也不同，于是表现为有不同的传热系数和膨胀系数。
非晶体的内部组成是原子无规则的均匀排列，没有一个方向比另一个方向特殊，如同液体内的分子排列一样，形不成空间点阵，故表现为各向同性。
X射线衍射实验
通常情况下，我们可以用肉眼区分晶体、非晶体，但无法辨别时，可采用X射线衍射实验来区分两者。当单一波长的X射线通过非晶体时，不会在记录仪上看到分立的斑点或明锐的谱线，而同一条件下摄取的晶体图谱中能看到分立的斑点或明锐的谱线。
2.2生活中常见晶体和非晶体的用途及性能
2.2.1 常见晶体
离子晶体：
食盐：氯化钠晶体（纯度99%）。“盐”字本意是“在器皿中煮卤”，在《说文》中有这样的记述：“天生者称卤，煮成者叫盐。”同时，盐也是最重要的调味品。五味之中，咸为首。中国古人调味，先要用盐和梅，故《尚书》称：“若作和羹，尔惟盐梅。”
食用碱：碳酸氢钠晶体。食用碱是指有别于工业用的纯碱的碳酸氢钠。食用碱在有些地方也被称作小苏打（粉末状）。食用碱呈固体状态，圆形，色洁白，易溶于水。食碱并不是一种调味品，它只是一种食品疏松剂和肉类嫩化剂，能使干货原料迅速涨发，软化纤维，去除发面团的酸味。
分子晶体：
味精：谷氨酸钠晶体。食盐冲淡四百倍，已感觉不出咸味，但谷氨酸钠盐稀释三千倍，仍能感觉到鲜味，因而得名“味精”。味精于1909年被日本味之素（味の素）公司所发现并申请专利[14]。味精通过刺激舌头味蕾上特定的味觉受体，以带给人“鲜”的味觉感受。
食糖：糖类物质结晶（主要成分为蔗糖）。是食用糖的简称，品种较多，但人们日常食用的主要是白糖、红糖和冰糖三种，这三种糖的主要成分都是蔗糖。食糖虽然没有位列开门七件事“柴米油盐酱醋茶”之一，但也是重要的调味品之一。
金属晶体：
金银首饰。其中包括Au，Ag，Pt，Pd等。黄金即Au，源自罗马神话中的黎明女神Aurora，意为闪耀的黎明，一般用"k金"表示其的纯度。银不仅可以做首饰，它还有金属中最高的导电性和传热性，加入其他金属中制成合金，改善材料性能。铂耐熔、耐摩擦、耐腐蚀；在高温下化学性稳定。在18世纪进入欧洲后不久，它就在炼金的狂热中成为极其重要的成分。钯最早是作为铂金的一种添加元素。直到近年，由于其性质和Pt相似，人们开始将其作为主体制作首饰和工艺品。
建材和航空航天器材。可以作建材或航空航天器材的有Al，Fe，Ti等。这些金属虽性能优异，但由于均有一些缺点，如纯铝和纯铁质地较软，钛的价格过高等因素，往往将他们制成合金，如飞机上的铝镁合金，建筑内钢筋使用的合金钢材，潜艇上使用的钛合金等，克服了原有的缺点，得到了更广泛的应用。
原子晶体：
宝石是岩石中最美丽而贵重的一类。它们颜色鲜艳，质地晶莹，光泽灿烂，坚硬耐久，同时赋存稀少。属于晶体的宝石有以下两种分类：
宝——钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿、海蓝宝石、猫眼宝石、变色宝石、欧泊、碧玺、尖晶宝石、石榴石、锆石、橄榄绿、翡翠、石英猫眼、长石等。
晶——水晶、紫水晶、黄水晶、墨晶、茶晶（烟水晶）、软水晶、鬃晶、发晶。
2.2.2 常见非晶体
玻璃: 一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的组成(Na2O·CaO·6SiO2),主要成份是二氧化硅。广泛应用于建筑物，用来隔风透光，属于混合物。
橡胶：提取橡胶树、橡胶草等植物的胶乳，加工后制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空气的材料。高弹性的高分子化合物。分为天然橡胶与合成橡胶二种。天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取胶质后加工制成；合成橡胶则由各种单体经聚合反应而得。橡胶制品广泛应用于工业或生活各方面。
塑料：根据美国材料试验协会所下的定义，塑料乃是一种以高分子量有机物质为主要成分的材料，它在加工完成时呈现固态形状，在制造以及加工过程中，可以借流动来造型。大部分塑料的抗腐蚀能力强，同时其制造成本低，耐用、防水、质轻，易塑形，并且是良好的绝缘体。
第三章 晶体有一定的熔点，而非晶体无固定熔点的原因
3.1 普遍原因
构成物体的大量分子（含原子、离子和分子，下同）永不停息地运动着，分子运动越剧烈，分子的能量就越大，物体的内能就越大，宏观上就表现为温度越高。物体的内能除了包括分子运动的动能外，还包括分子间因存在的相互作用力而具有的势能。分子的运动和势能的总和就是物体的内能。
一般来说，当晶体从外界吸收热量时，其内部分子的平均动能增大，温度也开始升高，但仍保持有规则排列。继续吸热达到一定的温度（熔点）时，其分子运动的剧烈程度可以破坏其有规则的排列，于是晶体开始变成液体。在晶体从固体向液体的转化过程中，吸收的热量用来破坏晶体分子的有规则的排列。晶体熔化的过程就是破坏分子间的规则排列，增大分子间距离的过程，这个过程需要克服分子间的吸引力而做功，这就是晶体熔化之所以会吸收热量的原因。晶体熔化时吸收的热量是用来克服分子引力做功，晶体熔化时吸收的热量全部转化为分子的势能，分子的动能并没有改变，所以温度不变。当晶体完全熔化后，随着从外界吸收热量，温度又开始升高。
非晶体由于分子的排列不规则，吸收热量后不需要破坏分子的有规则排列，只用来提高平均动能，所以当从外界吸收热量时，非晶体的温度不断升高，并由硬变软，最后变成液体。
3.2 特例
冰熔化的过程是破坏分子间的规则排列，减小分子间距离的过程，这个过程需要克服分子间的斥力而做功，熔化时吸收的热量全部转化为分子的势能，使分子间的势能增大，分子的动能并没有改变，所以温度也保持不变。除冰外，还有灰铸铁等也属于这种情况。[15]
第四章 准晶体与晶体的根本区别以及晶体中的周期性与准晶体中的准周期性
4.1 准晶体历史
准晶体的结构在20世纪之前就已经被建筑师熟知，例如在伊朗伊斯法罕的清真寺，上面瓷砖的图案就是按照准晶样式排列。[16]
1961年，数学家王浩提出了用不同形状的拼图铺满平面的拼图问题。数学家们已经知道，可以用单一形状的拼图拼满一个平面，例如任意形状的四边形或者正六边形，但是当增加拼图单元的种类时，就能够构造出更多的拼满一个平面的方法。两年后，王浩的学生Robert Berger构造了一系列不具有周期性的拼图方法。之后铺满平面所需要的拼图种类越来越少，1976年Roger Penrose构造了一系列只需要两种拼图的方法，这种方法拼出来的图案具有五次对称性。
数学家在20世纪60年代就发现了这种非周期平铺图形。但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶的研究联系起来。自然界中非周期图形的发现在结晶学领域造成了典范转移。虽然准晶体在此前就已被观察到并被研究[12]，但由于它们违背了人们之前对于晶体结构的认识，所以直至20世纪80年代在开始受到重视。
获得20##年诺贝尔化学奖的丹尼尔·舍特曼成为第一个正式报道发现了准晶的人。他发现了三维世界中的20面体准晶。这一准晶的拼图形式由两种不同的菱形组成。他们发现的这一五次对称性结构产生于融化后快速冷却的Al-Mn合金的电子衍射斑中。成果发表于1984年，标题为“一种长程有序但是不具有平移对称性的金属相”（Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry）。[13]第二年Ishimasa等人报道了Ni-Cr颗粒中的十二次对称性。之后在V-Ni-Si和Cr-Ni-Si合金中又发现了八次对称衍射图[17][18]。多年以来已经发现了几百种具有多种组成和对称性的准晶体。最早发现的这种准晶体结构在热力学上是不稳定的，一旦加热就会重新变成规则晶体。但是1987年的时候发现了许多种稳定的准晶体，这样就可以合成更大的晶体用于进一步的结构及应用研究。
20##年，矿物学上的一个发现为准晶是否能在自然条件下形成提供了证据[19]。俄罗斯的一块铝锌铜矿上发现了Al63Cu24Fe13组成的准晶颗粒。和实验室中合成的一样，这些颗粒的结晶程度都非常好[20]。
4.2 典型结构
一种典型的准晶体结构是三维空间的彭罗斯拼图（Penrose）。二维空间的彭罗斯拼图由内角为36度、144度和72度、108度的两种菱形组成，能够无缝隙无交叠地排满二维平面。这种拼图没有平移对称性，但是具有长程的有序结构，并且具有晶体所不允许的五次旋转对称性。
4.3 与晶体的区别
准晶体是其中原子的排列存在5次和6次以上（如8次[18]，10次[21]和12次[17]等）对称轴的一种特殊的晶体。它既不同于非晶体，也不同于真正完整的晶体。晶体为具有平移对称的固体，即整个晶体中原子的排列都是很规则。三维晶体不可能具有5次和6次以上的对称轴，此点可由晶体学限制定理证明。[22]
4.4 周期性与准周期性
4.4.1 周期性
根据布喇菲的定义：各晶体是由一些基元按一定规则，周期重复排列而成。基元是晶体结构的最小重复单元，它具有物理内涵，可以是原子或原子集团（如蛋白质）；理想晶体是无限延伸的，完美的。这是一个理想的模型，晶体结构=晶格+基元。
X射线衍射证实了晶体结构的周期性。如Cu(铜)是面心立方结构(fcc)；K(钾)是体心立方结构(bcc)；SiF4(四氟化硅)是基元为正四面体的体心立方结构。
理想化的晶体是周期排列无限延伸的，理想晶体的每一个基元是等价的，其物理内容都相同，它周围的环境也是相同的。对实际晶体，宏观尺度的晶粒含极大量的原子，一方面，原子之间的相互作用主要是库仑相互作用，它与距离的平方成反比，晶粒内的原子主要受近邻原子的影响；另一方面，晶粒界面上的原子数远小于晶粒内部的原子数，所以，边界上的原子及其相互作用的贡献可忽略不计。这样，可把实际晶体近似为理想晶体。
4.4.2 准周期性
准晶体是一类不具备晶格的周期性，但仍然具有一定的长程有序性的固体材料。这种长程有序性在一个方向上往往以无理数序列的方式来表达，即这个序列像无理数一样是无限不循环的，因此没有严格意义上的周期，但它又是按一定的规则排列的，例如
，其数码的排列是完全确定的。最著名的三维准晶体的典例子是1984年Shechtman等制备的急冷Al-Mn合金的二十面体相。它可看做二十面体按一定的方式堆砌而成，因此在空间的三个方向都不具有周期性，但它的长程结构又是完全确定的。另一个例子是所谓的Fibonacci超晶格，它是用两种材料在一个方向上按Fibinacci序列的方式堆砌起来的层状结构，因此它在与层平行的方向上仍然有周期性，但在与层垂直的方向上不具备周期性。实际上，任何一个无理数的序列都可以用作构造准晶的依据。从其性质来看，准晶的电子谱和电子波函数往往表现出数学上的Cantor集合的性质，电子态的空间分布往往有自相似和复分形的性质。[23]
参考文献
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[10] 百度百科非晶态半导体http://baike.baidu.com/view/1362685.htm
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