中国矿业大学《材料科学基础》课件 第一章 原子结构和排列.ppt

第一章 原子结构与排列 内部结构 → 材料的性能 章 目 录 1.1 原子结构及其周期性 1.2 原子的结合键 1.3 晶体学基础 1.4 典型金属的晶体结构 1.5 陶瓷的晶体结构 结 构 的 四 个 层 次 成分、加工工艺共同决定着材料的结构，材料的内部结构决定了材料的性能。 材料结构分为四个层次: 原子结构 原子结合键 原子排列 相结构 1.1 原子结构及其周期性 电子轨道 将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解， 得到四种电子分布的波函数 — 电子轨道 s — 一种组态（球对称） 2 p — 三种组态（轴对称） 6 d — 五种组态（面对称） 10 f — 七种组态 14 电子分布须遵循的两个原则： 泡利不相容原则 一个原子中，不可能存在有四个量子数完全 相同的两个电子。 能量最低原则 电子总是倾向于优先占据能量较低的轨道，使系统的能量处于稳定的状态。 2、主族元素 ⅠA～ⅧA 外主层中分别填入s、p次层电子（1--8），原子的电负性和化学性质主要由它们决定，因此呈周期变化。 活泼金属→非金属→惰性元素。 以半金属元素ⅣA为中心，可作为材料使用；性质活泼的元素不宜用作材料。 3、副族元素 ⅢB?ⅡB 分别填入d内层电子(共10个)。 由于外层s电子为1、2个，几乎相同，化学性质变化不大，统称“过渡族元素”。 与碱土金属相比，因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大，稳定性上升。 材料基础元素的重点选择区域。 4、镧系、锕系 分别填入f内层电子（共14个）。 因外层s电子都是2，化学性质非常接近，统称“稀土元素”。 由于f层内有许多空轨道，相互间能级差很小，易于激发，因而具有重要的功能效应。 例如：长余辉稀土铝酸盐材料。 5、电负性 周期表中由左至右、由下到上，电负性↑。 同族、同周期元素有相似的性质特点。 1.2 原子的结合键 一、典型结合键 化学键：离子键、共价键、金属键 物理键：范德华力、氢键 共价键：电负性相近，有方向性和饱和性， 几百～几千KJ/mol 范德华力次价键，分子间静电引力，没有方向性和饱和性。键能弱（几～数十KJ/mol）。 二、材料的结合键 1、无机非金属：离子键＋共价键 A-B结合对，离子键比例计算： 其中：xA、xB分别为结合对A、B的电负性。 性能：强大的键合力，具有高强、高硬、耐高温、耐 腐蚀，但塑性韧性差。 功能：极性强，使其具有宽广的导电、导热、透光 性；良好的铁电、铁磁和压电性。 2、高分子：共价键＋范德华力/氢键 分子链内强大的共价键，赋予材料一定的强度、硬度，极好的柔韧性，高弹性、耐化学药品性。 1.3 晶体学基础 (原子排列） 一、晶体和非晶体 晶体 雪花、食盐、水晶 简单分子 固体 非晶体 橡胶、玻璃、松香 复杂分子 液晶(介晶态) 既有流动性，又有各向异性。 区别： 原子规则排列 —— 紊乱分布 熔点固定 —— 逐渐软化 各向异性 —— 各向同性 晶体有天然晶型 低能量、稳定 —— 能量较高、亚稳 二、晶体结构的归类 晶体的基本特征是原子（或分子、离子、原子集团）在空间有规则地排列。研究它们排列的规律性和对称性，是摆在我们面前的首要任务。 然而在自然界中，实际晶体结构是无限多的，分别进行研究显然是徒劳的，为了方便起见，我们必须进行简化归类。 操作： 将晶体中实际存在的原子、分子、离子或原子集团等物质质点，抽象为纯粹的几何点，而完全忽略它们的物质性，余下的空间格架称为空间点阵。 空间点阵中具有代表性的最小单元称为晶胞。 空间点阵中的几何点称为阵点。 例：Cu晶体的抽象操作 将晶胞在空间重复堆垛得空间点阵，在阵点上加入Cu、Al、Ni等不同的结构单元，可得到不同的晶体结构。 从上述简单晶体的归类，似乎看不出抽取结构单元的必要，但对于结构复杂的晶体结构，情况就不是这样。 如NaCl：如果不抽取结构单元，将得到两种不同的基本单元。不能通过重复堆垛基本单元得到NaCl晶体。因此它们不能反映晶体的重复性和对称性。 重 要 概 念 晶体结构：实际晶体 结构单元：组成物质的基本物质实体 — 原子、分子