固体的结合力结合能与材料性能的关系 材料结构与性能无机非课件.ppt

第二章 固体的结合力、结合能与材料性能的关系 本章是阐明原子是依靠怎样的相互作用结合成为固体的，以及这种结合对材料性能的影响。 一般固体的结合可以概括为离子性结合、共价结合、金属性结合和范德华结合四种基本形式。 一个固体材料可以兼有几种结合形式，而且由于不同结合形式之间存在着一定的联系，实际固体的结合可以具有两种结合之间的过渡性质。 固体结合的基本形式、固体材料的结构和物理、化学性质都存在密切的联系。因此固体的结合是研究固体材料性质的重要基础。 2.1固体结合力、结合能的理论计算 2.2固体结合力、结合能与力学性能的关系 2.3固体结合力、结合能与热学性能的关系 2.1固体结合力、结合能的理论计算 固体材料内的结合力、结合能虽然可以用量子力学的方法近似地进行计算，但这种方法比较复杂，为了简便，通常对离子晶体直接用静电学方法处理，其他晶体材料则可在离子晶体的基础上做适当修正。 静电学处理方法的基本出发点是把正负离子看成离子晶体中的基本荷电质点。由于离子中的电子云一般是满壳层的，因此可假定正负离子的电子云分布是球形对称的。这样在计算时可以不考虑各个离子内部的结构，而将各个离子看作是电荷集中于球心的圆球。 一、离子性结合 靠这种形式结合的晶体称为离子晶体或极性晶体，最典型的离子晶体就是碱金属元素Li、Na、K、Rb、Cs和卤族元素F、Cl、Br、I之间形成的化合物。 （内能） （结合能） 典型离子晶体的结合能晶格常数弹性模量 r0(A) U理论（10-18J/每对离子） 体变模量1010Pa NaCl 2.82 -1.25 2.4 NaBr 2.99 -1.18 1.99 KCl 3.15 -1.13 1.75 KBr 3.30 -1.08 1.48 RbCl 3.29 -1.10 1.56 RbBr 3.43 -1.05 1.30 二、共价结合 靠这种结合的晶体称为共价晶体或同极晶体。 氢分子是共价结合的典型例子。实际上共价键的现代理论正是由氢分子的量子理论开始的。 设有氢原子A和氢原子B，各有一个电子在1S轨道上，其运动是由波函数来描述ψA、 ψ B，当两个原子相互靠近时，能量发生变化，波函数发生交叠，发生线性组合。 成键态（对应二种能量状态） 反键态（对应一种能量状态） 通过量子力学的计算，成键态的能量相对于原子能级ε0是降低了。形象地描述为：成键态中的电子云密集在两个原子核之间。反键态时，电子云排斥。 共价晶体结合能的计算结果与实验比较 晶格常数A结合能（ev/原子）体变模量1010Pa C 计算值3.602 7.56 4.33 实验值3.567 7.37 4.43 Si 计算值5.451 4.67 0.98 实验值5.429 4.63 0.99 Ge 计算值5.655 4.02 0.73 实验值5.652 3.85 0.77 共价结合的固体的结合能的计算远比离子晶体复杂，目前通过局域密度泛函理论计算了各类半导体金属材料的结合能、晶格常数、体变模量，成为电子理论的重要成就。 当A原子和B原子为异类原子是，就形成的共价键含有离子键的成分，或者说这种情况下的结合是采取共价结合和离子结合之间的过渡形式。 鲍林根据原子的负电性定义一种电离度的标度方式。 当xA和xB差很大时，fi趋向于1，fi数值越大，表明离子性越强。当xA和xB相等时，共价结合时，fi=0。 C：fi=0 SiC：fi=0.177 GaAs ：fi=3.10 ZnO：fi=0.616 CuCl ：fi=0.746 GaN： fi=0.5 三、金属结合 金属性结合的基本特点是电子的共有化，