材料科学与技术第二部分.ppt

* 第三节 原子的键合 四种基本的原子键：金属键、共价键、离子键和范德瓦尔键 一、金属键 二、共价键 三、离子键 三、离子键 离子键材料由两种以上的电负性相差很大的原子组成 离子键：以正负离子间的相互作用力形成的结合 离子晶体的特性： （1）离子晶体是最密堆积的面心立方或六方密填结构； （离子键的各向同性） （2）对可见光透明、吸收红外波长。 结构特征 离子振动能级吸收 （3）低温下导电性差、高温下离子导电； （结构上致密性、离子对电子约束紧密） （4）高价离子的氧化物坚硬、熔点高。 原子电子结构、电负性差异决定材料的结合机制 Sp价电子金属原子间：只存在金属键 过渡金属：金属键和共价键 （d 电子受原子核束缚强烈、只能与邻近 d 电子形成不饱和共价键） 电负性差异很大的原子：只存在离子键 (氧化钇) 电负性差异不大的原子：既存在离子键又存在共价键 多元素化合物材料一般是离子键和共价键结合： . . . . . . . . . . . . . . . . 离子结合 主要是共价结合 四、范德瓦尔键 分子或原子团间的一种弱静电键合 存在于高分子材料的分子间及一些陶瓷材料的分子层间，这类分子必有显正电的部分和显负电的部分 （2）处在一定距离范围的任意分子间，存在微弱的吸引力 产生的根源： （1）一个分子的正电部分和另一分子的负电部分间 有微弱静电吸引力； （核外电子运动相当波动电偶极子） 分子间是范德瓦尔键，分子内的原子间是强有力的共价键等 水分子间：范德瓦尔键 水易成水蒸气 氢氧间不易断裂 共价键 云母： 层间: 范德瓦尔键 层内：离子键和共价键； 层间易剥离 范德瓦尔键易断裂 Cl C H 聚氯乙烯（PVC塑料） 剪切力 剪切力 高分子链内：共价键 聚氯乙烯：性脆、可产生很大变形 第四节 结合能及原子间距 四种化学键的共同特征：结合力包括吸引和排斥两部分 r O EP0 Fm r0 rm F EP 排斥力和吸引力的合力 两原子间距离大于 r0 : 吸引力大于排斥力、原子间呈现相吸引 两原子间距离小于 r0 : 排斥力急剧增加、大于吸引力，原子间呈现排斥 两原子间作用力随距离的变化： rA rB A B 原子 两原子间距离为 r0 : 平衡位置 吸引力等于排斥力、合力为零 范德瓦尔键最小 r O EP0 Fm r0 rm F EP 势能 两原子间势能随距离的变化： r1 最小 原子间或晶体的结合能 结合键不同、结合能不同： 离子键最大 共价键 金属键 第三章 材料的物性 第一节 材料的电性质 物性：电性、磁性、热性、光学性质和力学性质 材料按电性能分类：导体、半导体、绝缘体 导体： 绝缘体： 金属： 一、欧姆定律 反映材料导电性的参数： 电阻率 或电导率 两者关系： 半导体： 试样电阻： 欧姆定律宏观形式： 电阻率： 试样长度， 试样截面积 金属的导电性：几乎不随电压变化 恒定 半导体的导电性：随电压明显变化 伏安特性曲线为直线 伏安特性曲线为曲线 欧姆定律的微分形式： 电流密度 材料中的场强 电流密度定义： 电流密度矢量： 欧姆定律的微分形式反映材料中电流与电场的逐点对应关系 载流子在单位电场作用下的迁移速率 迁移率： 电子： 空穴： Si 单晶 电导率的微观表达式： 二、固体电子能带结构 能量 能带 能带 禁带 平衡间距 原子间距 能级 能级 孤立原子的能级 考察 N 个相同原子组成的固体 ： 原子距离很大（无相互作用、孤立原子）时： 每个原子的能级构造相同；系统的能级相当于 N 度简并的孤立原子能级。 原子相互靠近结合成晶体（原子间有相互作用） ： 电子除受自身原子的作用外，还受周围原子势场的作用， 系统的电子能态结构： N 度简并的能级 N 个彼此相距很近的能级，展宽为能带 固体电子能带的形成 能级分裂的原因：电子波函数叠合、相互作用的结果 能级分裂： 从价电子到内层电子。 能量 能带 能带 禁带 平衡间距 原子间距 能级 能级 孤立原子的能级 内层能级只有原子非常接近时才发生分裂，即使分成能带、能带也很窄 固体电子能带结构： 原子间处于平衡间距时的能带结构 固体在 0 K 时的能带结构 电子填充能带的原则： 2、首先填充能量最小的状态 1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态 孤立原子的能量较高的空能级，原子结合成晶体、形成的能带后仍是空着的 电子能带结构因材料不同而异 （一）金属的电子能带结构 Na 金属电子能带 3s 3p 钠原子的电子结构： 满电子能级 钠晶体的与之相应能带也是全满带 与之相应能带是半满带 Mg 金属电子能带 3s 3p 镁原子的电子结构： 满电子能级 镁晶体的与之相应能带也是全满带 与之相应能带是空带 Mg 金属电子能带 3s 3p