功能材料结构与设计.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,第一章 功能材料概述,功能材料的概念、分类及特点,功能设计的概念及方法,第二章 材料结构原理,对称操作和对称元素-分子篇,对称操作和对称元素-晶体篇,晶体学中的群论,二维晶体学,三维晶体学,空间群与晶体结构,第三章 固体总论,固体中的化学键,固体中的缺陷,无机固体的合成,第四章 功能设计的原理和方法简介,固体结构与性能之间的相互关系,功能材料设计原理,功能材料设计方法,第五章 不同功能材料结构与设计选讲,磁性材料,超导材料,特殊热性能材料,智能材料,功能高分子材料,纳米功能材料,其它功能材料,第六章 现代功能材料应用及其设计方法展望,内容提要,第一章 功能材料概述,功能材料定义:,在声、光、电、磁、热及化学性能上有特殊效应的，用于,非结构目的,的(高技术)材料。,功能材料分类:,根据材料的,化学组成、应用领域、使用性能,进行分类。,功能材料的现状,:现已开发的以物理功能材料最多有，,单功能材料,，,功能转换材料,，,多功能材料,，,复合和综合功能材料,，,新形态和新概念功能材料。,化学和生物功能材料的种类较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。,电功能材料,电功能材料,按,导电机理,可分为：,电子导电材料,和,离子导电材料,两大类。电子导电材料包括,导体,、,超导体,和,半导体。,导体材料的电阻率随着温度升高而升高。,分类:金属材料，合金材料（铂铑-铂热电偶），无机非金属材料。,半导体材料具有,负的电阻温度系数,。,半导体的导电机理：,半导体的导电来源于电子（导带）和空穴（价带）的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。,电功能材料,杂质半导体 固溶体,化合物半导体,原子数比,:1/10,9,1/10,0,1/10,0,原子站位,:,同位,同位 异位,电功能材料,超导电现象,：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。,超导体：,低于某一温度出现超导电性的物质。,超导体的基本特性,：,特性一：,完全导电性（零电阻）,特性二：,完全抗磁性,特性三：临界温度（,Tc,）、临界磁场（,Hc,）、临界电流,Jc是,约束超导现象的三大临界条件,特性四：,约瑟夫森（B D Josephson）效应（,隧道效应,）,超导合金其中Ge-Nb,3,的临界温度最高（23.2K）,陶瓷超导体YBaCuO（,Tc,90K）,磁功能材料,磁功能材料,磁化强度（M）,：只有当内部磁矩同向有序排列时才对外显示强磁性。,磁场强度（H）,：指空间某处磁场的大小。磁感应强度（B）,：物质在外磁场作用下，其内部原子,磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场,。,H,c,-,矫顽磁力；,Br,-,剩余磁感应强度；,Bm,-,饱和磁感应强度。,软磁材料：镍铁合金（Hc1kA/m）,硬磁材料：,钕铁硼永磁合金,矩磁材料：,磁滞回线为矩形,其他功能材料,磁致伸缩材料,：磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象为磁致伸缩效应。（,声纳、传感器敏感元件,）,功能高分子,-指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出反应的高分子材料。,热功能材料：,随着温度的变化，有些材料的某些物理性能会发生显著变化，如热胀冷缩、出现形状记忆效应或热电效应等，这类材料称为热功能材料。分类:(正/负)热膨胀材料 形状记忆材料 测温材料（热电）,纳米功能材料、光功能材料,、,敏感材料、储氢材料、隐形材料。,功能材料设计的概念及方法,原 料,材料试样,组织结构,特 性,评 价,可 否,制备,观测,测试,试用,改进,微观组织结构设计,制备方法设计,系统设计,材料设计,功能设计基本思想,基本思想,Basic Structure+/-,d,(Structure),=New Structure,Basic Properties/functions,+3,+,New Properties/functions,第二章 材料结构原理-分子篇,分子的对称性：,是指存在一定的操作，它在保持,任意两点间距离不变,的条件下，使分子内部各部分变换位置，而且变换后的分子整体又,恢复原状。,这种操作称为,对称操作,。对称操作据以进行的元素称为,对称元素,。,对称元素符号,对称元素,对称操作符号,对称操作,E,恒等操作,E,恒等操作,C,n,旋转,C,i、,C,s、,C,5,绕C,n,轴转360,0,/n,v,镜面,v、h、d,通过镜面反映,i,对称中心,i,按对称中心反演,S,n,映轴,S,1,n,=C,1,n,绕S,n,轴转360,0,/n,在反映,分子结构中的重要点群,C,1,点群,：分子完全不对称,对称元素:,E,一阶群(,E,),C,i,点群,:,对称元素:,i,二阶群(,E,，,i),二氟二氯乙烷,分子结构中的重要点群,C,s,点群:,对称元素:,二阶群(,E,，,),C,2,点群:,对称元素:,n,二阶群(,C,2,，,C,2,2,=,E,),H,2,O,2,C,2,分子结构中的重要点群,C,3,点群:,对称元素:,n,三阶群,CCl,3,CH,3,C,3,分子结构中的重要点群,C,n,点群（n1）,对称元素:,n,n 阶群,(,C,n,C,n,2,C,n,3,C,n,n-1,C,n,n,=,E,),分子结构中的重要点群,C,nv,点群,对称元素:,n，,n个,v,/,d,2n,阶群,C,4,v,BrF5,C,5,v,Ti(C5H5),分子结构中的重要点群,C,nv点群,:,H,2,O,NH,3,分子结构中的重要点群,C,nh,点群,对称元素:,n，,h,2n 阶群,C,1h,=C,s,分子结构中的重要点群,点群,对称元素:,(和键轴方向一致),v,(无穷多个,通过键轴的垂直镜面),例:CO、HCN,无对称中心的线型分子均属,点群,HCN,分子结构中的重要点群,D,n,点群,对称元素:,C,n，,C,2,(在主轴的垂面方向上),含三个相同双齿配体的六配位化合物均属,D,3,点群,C,2,C,2,C,2,D,3,：,Co(NH,2,CH,2,CH,2,NH,2,),3,3+,分子结构中的重要点群,D,nh,点群,对称元素:,C,n，,C,2,(在主轴的垂面方向上)，,h,(水平),D,2h,E,C,2,2C,2,h,i,2,v,D,3h,重叠式乙烷,E,2C,3,2S,3,3C,2,3,v,h,分子结构中的重要点群,D,nd,点群,对称元素:,C,n,C,2,(在主轴的垂面方向上),d,(一套平分每一对,C,2,轴间夹角的垂直镜面),D,2d,分子结构中的重要点群,D,nd,点群例:,分子结构中的重要点群,点群,对称元素:,(和键轴方向一致),v,(无穷多个,通过键轴的垂直镜面),h,(水平镜面),C,2,(无穷多个,垂直于 ),例:,H2,、,CO2,、XeF2,有,对称中心的线型分子,均属,点群,S,n,点群,对称元素:,S,n,(映轴)n=奇数，,S,n,=,C,nh,n=偶数，,S,2,=,C,i,S,4,，,S,6,新群,S,4,E,S,4,1,S,4,2,S,4,3,E,h,C,4,1,C,2,1,h,C,4,3,分子结构中的重要点群,T,d,点群,正四面体,构型的分子或离子（,对称操作:24个）,CH,4,，,CCl,4,，GeCl,4,O,h,点群,正八面体,构型的分子或离子（,对称操作:48个）,UF,6,，,SF,6,，PtCl,6,2-,分子结构中的重要点群,I,h,点群,二十面体,构型的分子或离子（对称操作:120个）,富勒烯,、B,12,H,12,2-,分子结构中的重要点群列表,点群,范例,点群,范例,C1,CFClBrH,、麦角酸,D6h,二苯铬、苯,Cs,亚硫酰氯、次氯酸,D2d,丙二烯、四氮化四硫,C2,过氧化氢,D3d,乙硅烷交叉式构象,C2h,反,-1,2-,二氯乙烯,D4d,十羰基二锰交叉式构象,C2v,水、四氟化硫、硫酰氟,D5d,二茂铁交叉式构象,C3v,氨、三氯氧磷,Td,四氯化锗、五氧化二磷,C4v,四氟氧氙,Oh,立方烷、六氟化硫,D2h,四氧化二氮、乙硼烷,Cv,氯化氢、一氧化二碳,D3h,三氟化硼、五氯化磷、三氧化硫,Dh,氢分子、叠氮根离子、二氧化碳,D4h,四氟化氙,Ih,富勒烯,D5h,二茂铁重叠式构象、,C70,富勒烯,对称操作的表示矩阵,恒等操作,E,的表示矩阵,反映操作,xy,的表示矩阵,反演操作,i,的表示矩阵,旋转,C,n,操作矩阵方程,绕Z轴,对称操作的表示矩阵,旋转-反映操作,Sn,的表示矩阵,(绕,z,轴按逆时针方向转动,角),对称操作群,群的定义：按照某种规律联系着的一组元素的集合。,对于给定的,乘法,满足下述四条公设：,满足封闭性,、,结合律成立,、,单位元E存在,、,逆元素存在,。,封闭性,：若a,G,b,G，则abG,结合律：,(ab)c=a(bc),单位元E：,ae=ea=a,逆元素:,aa,-1,=e,对称操作的集合构成的群称为对称操作群,简称,对称群,。,分子所有对称元素必须至少通过一点,故称分子,点群,。,对称群,证明：封闭性,对称群,旋转-反映,S,n,m,的逆操作与m和n的奇偶性有关,n=是偶数,，不论M是偶或奇数，它的,逆操作都是,S,n,n-m,n=是奇数，m=偶数,，,则,S,n,m,=,C,n,m,，因而它的,逆操作是,C,n,n-m,n=是奇数，m=奇数,，,则,S,n,m,=,C,n,m,，它的逆操作应为,C,n,n-m,的乘积，且等于,C,n,2n-m,，因而可写成单一的操作,S,n,2n-m,反映,的逆操作就是,本身：,=,2,=E,旋转,C,n,m,的逆操作是,C,n,n-m,，因为：,C,n,m,C,n,n-m,=,C,n,n,=E,群的表示,对称操作群所含的一组,对称操作的表示矩阵也构成群,.简称,群的表示,特征标-矩阵的对角元素之和.,任何表示矩阵的集合，包含了点群的全部对称信息，这些信息也包含在矩阵的特征标之中。,可约表示,不可约表示,特征标表,任何表示矩阵的集合，包含了点群的全部对称信息，这些信息也包含在矩阵的特征标之中。,同类元素,:若,A,B,C,为群的元素.当有关系式,BAB,-1,=C,成立时,称A和C是群的类元素。,C3v,的特征标表,群的不可约表示和特征标规则,群的不可约表示维数平方和等于,群的阶,。,C,3v,点群的三个不可约表示中，两个一维，一个二维，阶为6。(,1,2,+1,2,+2,2,=6=h),2.群的不可约表示的数目等于群中,类,的数。C,3v,点群的群元素分成三类因而必须有三个不可约表示。,3.群的不可约表示特征标的平方和等于群的阶。,4.群的两个不可约表示的特征标满足正交关系。,5.属于同一类的对称操作具有相同的特征标。,可约表示的分解,可约表示可以分解为组成它的一系列不可约表示分解公式：,其中：,n,(,v,)为第,v,个不可约表示在可约表示中出现的次数;,h,为群的阶；,h,i,第,i,类对称操作数；,x,i,v,为第,v,个,不可约表示,对应于第i类对称操作的特征标，,x,i,为,可约表示,对应于第,i,类对称操作的特征标上式对,i,的,求和遍及所有的对称操作类,可约表示的分解,分子的对称性应用,若分子的正负电荷中心重合，就表示分子的偶极矩等于零，否则分子就有偶极矩，这种分子就是极性分子,。,例如：,H,2,O,和,NH,3,分子有偶极矩，为极性分子；,CO,2,的永久偶极矩为零；,CCl,4,分子永久偶极矩为零。,2.分子有无旋光性就看它是否能跟它的镜像重合。,所有不对称分子都具有旋光性。,第二章 材料结构原理-晶体篇,晶体结构可表述为：,晶体结构=点阵+,结构基元,点阵：在空间,任何方向,上均为,周期性,排布的,无限,个,全同,点,的集合。,点操作的集合构成的群称为,点群。,给定晶体，其中任意两个点阵点所代表的两个结构基元应该满足：,1)化学组成相,同,2),内部结构相同,3),周围环境相同,旋转倒反、反映、旋转-倒反、旋转-反映、螺旋旋转、滑移反映,点对称操作,轴次定理,绕A轴旋转，将B点转至B,点,绕B轴反向旋转，将A点转至A,点,线段B,A,长度为t,，且与线段AB平行,A，B点是点阵点，,A,B点也必是点阵点,AB与BA属于同方向的点列，该方向点列的周期为t，BA的距离t必为t的整数倍，即,t=mt,由左图可得,t=-2tcos+t,联立,cos=(1-m)2,即-2(1-m)2,m=-1,0,1,2,3,相应的 =0,2/6,2/4,2/3,2/2,轴次定理,：晶体中只可能存在1，2，3，4，6重对称轴，5,重和,6,重以上对称轴不存在,。,A,B,A,B,t,t,轴次定理正五边形沿竖直轴每旋转,72,0,恢复原状，但它不能重复排列充满一个平面而不出现空隙。因此晶体的旋转对称轴中不存在五次轴，只有,1,，,2,，,3,，,4,，,6,度,旋转对称轴,。,对称群,群的阶：有限群中互不相同的元素的个数称为该群的阶。,对称群中,两个元素的,乘积,为顺次进行两个操作，,乘积a,2,a,1,表示先操作a,1,，后操作a,2,，即先进行右边的操作。,对称操作的乘积,不一定,服从交换律.,有限群、无限群、子群、交换群、循环群。,重排定理：有限群G的所有元素的阶都是有限的，并且不大于群G的阶。,共轭与相似,定义：设a与b是群G的两个元素，若G中可找到一元素x，使得b=xax,1,，则称b与a,共轭,。,共轭操作是,同类型,的对称操作，x是使操作a的对称要素与操作b的对称要素重合的对称操作。,（,反身性、相互性、传递性,）,群G中的所有相互共轭的元素的集合称为G的一个共轭类,。每一元素属于且仅属于一个共轭类。,定义：设A，X为两个操作，则满足B=XAX,-1,，则称B与A是,相似操作,。X是使操作A的几何要素与操作B的几何要素重合的操作.,万花筒原理:,两个交角为n 的对称面的交线是n重旋转对称轴。,万花筒原理,把对镜面m,j,的反映转化为对镜面m,i,反映的表达式。由相似操作的概念,m,j,=R,m,i,(,R,),-1,其中R,是以m,i,m,j,的交线为轴将镜面m,i,转到镜面m,j,的操作，因此m,j,的操作矩阵为:,cos -sin,sin cos,cos sin,-sin cos,cos2 sin2,sin2 -cos2,=,0,0 -1,顺次进行m,i,m,j,两个操作的矩阵为,cos2 sin2,sin2 -cos2,0,0 -1,cos2 -sin2,sin2 cos2,=,这正是绕,m,i,和,m,j,的交线转2,的旋转。对称面的夹角取,n,，则,n,重对称轴的基转角为2,n,。,第,44,页,/,共,47,页,子群的陪集,群G的子集H构成的群为G的子群。任何群G都有两个平凡子群即G本身和单位元,e,。这两个子群之外的其它子群称为G的真子群。,a左乘H的每一元素得到的集合aH称为H的一个左陪集，集合Ha称为H的一个右陪集。,有限群的子群H的每一左(右)陪集中的元素个数与H中的元素个数相同；,H的任何两个左(右)陪集的两组元素或者全部相同，或者全不相同。,Lagrange陪集展开定理：,群G的阶q为其子群H的阶r的整数倍,。,第,45,页,/,共,47,页,共轭子群,定义：设H为群G的一个子群，g为G中的一个元素，则集合，gHg,-l,=ghg,-l,|h遍取,H,，构成一个群，称为H的共轭子群。,证:C,3v,点群中3个子群H,1,=1,m,1,H,2,=1,m,2,H,3,=1,m,3,是互相共轭的子群。,1(3+001),3,m2=(3+001),2,(m1),m3=(3+001)(m1),三个对称面m1，m2，m3,可以通过操作3+互易位置。,点群C3v的H4=1,3-,3+是不变子群，,几何意义,：G中的任何操作不改变H的对称要素系。,第,46,页,/,共,47,页,