文档介绍：材料科学与工程基础科目:材料科学与工程基础学院:材料科学与工程学院专业:2010级材料化学学号:41007324姓名:喻俊陕西师范大学材料科学与工程学院2012年12月06日影响物质结构变化的因素(陕西师范大学材料科学与工程学院陕西西安710062)摘要众所周知,物质的结构决定其性质,性质决定其用途。而性质就是其特征,是能够通过一定的手段或方法能够让其表现出来的。那么其特征也只能在特定条件下才能表现出来的,可以想象,当改变某些因素,一旦物质的微观结构发生变化,则其性质很有可能也会变化。晶体结构的改变意味着材料发生了相变,相变过程一般由相变热力学与相变动力学控制,在热力学中,相吉布斯自由能决定该相的稳性,GibbS自由能越小,该相的稳定性就越大,在一定条件下越不易发生变化。本文就是从这里入手,来探讨影响物质结构变化的因素。关键词物质结构晶体温度压强磁场应力一、什么是物质的结构?结构是物质赖以存在的基本方式,是物质固有的基本属性。结构亦是物质不可分离的基本存在方式和属性,世界上的任何事物都是具有结构的。从宏观世界到微观世界,从自然界到人类社会,从无机物到有机物,从实物形态到场形态。从微观化学角度最直接最简单的表述就是指物质的最小组成微粒(原子、粒子)在空间或几何的排列方式。二、物质结构对于物质性质究竟起什么作用呢?用最简单的一句话说就是“物质结构决定了物质的性质”。在物质结构中有三个主要因素:基本点的性质、基本点的数量、基本点的配合方式,前者是指事物“由什么构成”,后两者是指“怎样构成”。因此,既然物质的结构会影响到其性质,要改变其性质,就必须从改变它的结构入手。三、哪些因素会影响到物质的结构呢?物质一般表现出来的大都是体系能量最低的稳定态结构,还有部分则表现不稳态或亚稳态的结构。一旦某些因素改变,就会微粒(原子、分子或离子)在原来的结构中产生扩散运动或改变原有的结合方式,从而发生稳态结构和物质结构的变化。微观因素影响结构:晶体中质点的堆积、结构单位的数目、原子核和强相互作用力、各组分间的相互作用、质点的相对大小、电子浓度、缺陷、原子有序/无序、极化作用、多元体系中各组元的化学势不同、配位数与配位多面体、离子缺失等等,而且各种因素相互之间的影响也十分复杂。宏观条件影响微观结构:温度、压强、场(电/磁)、环境应力等变化引起物质结构的改变。四、为什么不同结构表现出不同的物理、化学性质?不同物质具有不同化学性质和物理性质,这就是自然界中个体的独立性,即特性。不同的物质,其化学结构的组成是不同的,这就造就了其物理性质和化学性质不同的原因,进一步表现出不同的抗压、柔性、刚性、消光及其他性质。如同补钙剂中的主要成分碳酸钙在岩石中也能够找到的原因,碳的单质在自然界有3种(金刚石,碳60,黑炭),元素都相同,因为他们的化学组成结构不同,致使其化学结构的不同。可能影响物质结构变化的因素:——?——温度对晶体结构的影响——?——温度导致相变的原因:原子的热运动是其固有性质,热振幅是温度的函数当温度足够高时,原子离开其平衡位置从而发生相变。从热力学角度来说,Gibbs自由能变小,属于自发反应。温度导致的相变(配位数减小、比重降低、体积增加、对称性增高)。不同温度条件下Na4Ca(SO4)3复盐的SEM照片Pseudocubicsub-(BaTiO3)晶体及其结构变化钛酸钡是一致性熔融化合物,其熔点为1618℃。在此温度以下,1460℃以上结晶出来的钛酸钡属于非铁电的六方晶系6/mmm点群。此时,六方晶系是稳定的。在1460~130℃之间钛酸钡转变为立方钙钛矿型结构。在此结构中Ti4+(钛离子)居于O2-(氧离子)构成的氧八面体中央,Ba2+(钡离子)则处于八个氧八面体围成的空隙中(见右图)。此时的钛酸钡晶体结构对称性极高,因此无偶极矩产生,晶体无铁电性,也无压电性。随着温度下降,晶体的对称性下降。当温度下降到130℃时,钛酸钡发生顺电-铁电相变。在130~5℃的温区内,钛酸钡为四方晶系4mm点群,具有显著地铁电性,其自发极化强度沿c轴方向,即[001]方向。钛酸钡从立方晶系转变为四方晶系时,结构变化较小。从晶胞来看,只是晶胞沿原立方晶系的一轴(c轴)拉长,而沿另两轴缩短。当温度下降到5℃以下,在5~-90℃温区内,钛酸钡晶体转变成正交晶系mm2点群,此时晶体仍具有铁电性,其自发极化强度沿原立方晶胞的面对角线[011]方向。为了方便起见,通常采用单斜晶系的参数来描述正交晶系的单胞。这样处理的好处是使我们很容易地从单胞中看出自发极化的情况。钛酸钡从四方晶系转变为正交晶系,其结构变化也不大。从晶胞来看,相当于原