原子结构和键合课件.ppt

第2章 材料科学基础 材料不是力学意义上的连续介质，而是具有丰富多彩的不同层次结构的物质。而且，从微观到宏观，各个层次上的结构都具有不同的特征，它们均在不同程度上和不同的范围内影响着材料的行为与性能。近百年来，经过几代人不断地试验与研究、探索与归纳，已经就不同结构层次上材料的特征与行为而总结出许多规律来，建立了相应的概念、原理，它们共同组成材料科学的基本理论。 本章依次介绍其主要理论框架： 材料的原子结构和键合作用； 材料的原子排列特征； 材料的结构缺陷； 材料中的原子扩散； 材料的相图与相变； 材料的强化与韧化等。 第一节　原子结构和键合Atomic Structure and Interatomic Bonding 二、原子的结构 核外电子的排布（electron configuration)规律 三、元素周期表（periodic Table of the Elements) 元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元素的依据 同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State Combined Form) 7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)递增的顺序从左至右排列 18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族（Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。 ※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom) 二、离子键（Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物 四、范德华力（Van der waals bonding) 离子晶体 共价晶体 高分子晶体（线型高聚物） 工程材料的键性 工程上使用的材料，有的是单纯一种键，但更多的是几种键的结合。根据键性可以大致估计出材料的性能。 ①金属材料 　　金属材料的结合键主要是金属键，也有以共价键（如灰锡为共价键、白锡为金属键）和离子键（如金属间化合物Mg3Sb2、CuGe、MgSi2等）为主的。过渡族金属及其合金也不是典型的金属键，现代观点认为是不饱和共价键，因而结合力强、熔点高、弹性模量大，而导电性远不如简单金属（如碱金属）。钢铁等过渡族金属及合金为重要结构材料的基础。 ②无机非金属材料（陶瓷材料） 形成稳定无机晶体的主要作用力是正、负离子间的静电引力（如 NaCl），以及原子间共有电子对形成的共价结合。陶瓷材料的结合键是离子键和共价键，多以离子键为主，所以陶瓷材料有高的熔点和很高的硬度，但脆性较大。有些陶瓷材料，它们由性质相差不大的非金属元素或类金属元素构成，如SiC和硅酸盐，还有某些这类元素的单质，如金刚石、单晶硅和砷等，这些材料完全或主要是共价键结合。共价键本身是很强的，但是以这种方式结合起来的材料，其延展性和导电性都很差。 ③高分子材料（高聚物） 只含有非金属元素的材料可通过共有电子而形成大分子，成为工程上的高分子材料，这类材料是非金属化合物。高分子材料的结合键是共价键和分子键，即大分子链内的原子键合（如碳与氢、碳与碳）是共价键，而大分子链与链之间是弱的分子键。由于高分子材料的分子量很大，所以大分子间的作用力也达到相当大程度，因而也具有一定的力学特性。 显然，复合材料一般更是多种结合键的组合。 材料的导电性和超导电性 金属键形成之后，一般金属具有外层未填满的能带，价电子是自由的，可以导电；而非金属则具有较内层的满带和外层的空带，故为绝缘体（又称为介电体）；如果以上能带之间的间隔（称能隙）较小（约leV，而绝缘体则约为6eV），因而在不很高的温度下，满带中的部分电子受热运动的 影响，能够被热激发而越过禁带，进入到上面的空带成为自由电子，从而产生导 电能力，便是半导体。 材料在一定温度以下，其电阻为零和排斥磁力线（即完全抗磁性）的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻、超导电现象的材料，称为超导体。 ※3高分子链（High polymer Chain) 近程结构（short-range Structure) 一、结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito) 1.碳链高分子 聚乙烯 3.元素有机高分子 硅橡胶 主链中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特