材料科学基础-第2章-晶体结构.pptx

第二章 固体材料的结构 2021/3/272.1 基础知识2.1.1 原子结构（自学）2.1.2 能级图和原子的电子结构（自学）2.1.3 周期表与周期性（自学）2021/3/272.1.4晶体中的原子结合 原子能够相互结合成分子或晶体,说明原子间存在着某种强烈的相互作用---化学键 金属键 共价键 离子键 分子键(范德瓦尔键) 氢 键2021/3/27（一）金属键(Metallic Bond)——金属晶体 典型金属 金属键没有饱和性和方向性,故形成的金属晶体结构大多为具有高对称性的紧密排列。利用金属键可以解释金属的导电性、导热性、金属光泽以及正的电阻温度系数等一系列特性。2021/3/27 金属变形时,由金属键结合的原子可变换相对位置,因而金属具有良好的延性 2021/3/27将电压作用于金属时,电子云中的电子很容易运动并传送电流2021/3/27（二）共价键（Covalent Bond）——原子晶体 非金属之间或非金属与亚金属(例如 ⅣA族元素C、Si、Ge以及ⅥA族的Se、Te等)（非极性、极性）共价键要求原子间共享电子的方式是每个原子的外层轨道被填满,在4价硅中,必须形成4个共价键。 2021/3/27氧化硅（SiO2）的四面体结构,它包含硅和氧原子之间的共价键 2021/3/27共价键是有方向性的,对硅来说在形成的四面体结构中,每个共价键之间的夹角约为109° 2021/3/27共价键材料在外力作用下可能发生键的破断。因此,共价键材料是脆性的 2021/3/27（三）离子键（Ionic Bond）——离子晶体离子键结合即为失掉电子的正离子和得到电子的负离子依靠静电引力而结合在一起。无方向性、高熔点、不导电。2021/3/27（四）分子键(范德瓦尔键-Van der Waals Bond,氢键)——分子晶体分子键是以弱静电吸引的方式使分子或原子团连接在—起的。 2021/3/27聚氯乙烯的变形原子半径较小,非金属性很强的原子X,（N、O、F）与H原子形成强极性共价键，与另一个分子中的半径较小，非金属性很强的原子Y （N、O、F），在分子间H与Y产生较强的静电吸引，形成氢键氢键比化学键弱很多但比分子间作用力稍强2021/3/272021/3/27饱和性方向性金属键??离子键??共价键??分子键??氢键??不能以紧密堆砌方式排列能以紧密堆砌方式排列2021/3/27（五）结合能2021/3/27（六）不同类型结合键的特性结合键的多重性 只有一种键合机制的材料并不多见,大多数的工程材料是以共价键、金属键、离子键三种混合机制方式结合的。 如VRML/石墨结构.wrl石墨 ①金属:虽然是典型的金属键,但工程材料中的大多数金属内，不只是含有一种金属原子，通常还含有其他物质，如化合物等。因此，金属材料大多是除分子健以外的多种键合机制。 ②陶瓷:是以离子键(尤其是 A12O3、MgO等金属氧化物)和共价键(如Si3N4、SiC等)为主的结合键。所以通常陶瓷材料也是以两种或两种以上的键合机制进行结合的。 ③工程塑料：有共价键、分子键等机制进行结合。 ④复合材料：可以有三种或三种以上的键合机制。2021/3/27（六）不同类型结合键的特性结合键的特性种类键能KJ/mol熔点硬度导电性离子键586—1047高高固态不导电共价键63—712高高不 导 电金属键113—350有高有低有高有低良好分子键42低低不 导 电2021/3/272.2 金属及合金相的晶体结构2021/3/272.2.1 元素的晶体结构第一类是真正的金属绝大多数具有高对称性的简单结构,典型结构为:面心立方结构(代号为A1);体心立方结构(A2);密排六方结构(A3)。第二类包括8个金属元素,其晶体结构和第一类有些不同。第三类多数为非金属元素，也包括少数亚金属，如硅、锗、锑、铋等，这类元素多数具有复杂的晶体结构。2021/3/272.2.2 典型金属的晶体结构?一、三种常见结构2021/3/27二维（左）与三维牛顿数示意图。二维牛顿数是6,三维牛顿数是12。2021/3/271 fcc－面心立方（Al、g-Fe、Ni、Cu、Ag、Au……）金属键不具有饱和性和方向性——倾向最大限度填满空间,即最紧密堆垛。原子看作是一个刚性小球,以最近邻两个原子的中心定义为原子直径。2021/3/271 fcc－面心立方（Al、g-Fe、Ni、Cu、Ag、Au……）4{111} 110晶胞内原子数:密排面、密排方向:2021/3/27?2021/3/272021/3/27配位数:每个原子的最近邻数目。2021/3/27面心立方结构:晶胞内原子数:密排面、密排方向:配位数：致密度：4{111} 1101274%2021/3/272 hcp－VRML/hcp.WRL密排六方（a-T