材料科学基础2.pptx

第 章 固体材料的结构; 2.1 基础知识; 2.2 金属及合金相的晶体结构; 2.3 陶瓷的晶体结构; 2.4 高分子的链结构及聚集态结构;2.5 复合材料的细观结构;2.6 非晶、准晶和纳米晶; ● 2.1 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）; ● 2.1.4 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。; 材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。根据结合力的强弱可把结???键分为两大类。 一次键：结合力较强（依靠外壳层电子转移或共享而形成稳定的电子壳层），包括离子键、共价键和金属键。 二次键：结合力较弱（依靠原子之间的偶极吸引力结合而成），包括分子键和氢键。 ;●一、金属键(Metallic Bond) 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。;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。 ;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。;良好塑性、固溶性、导电性、导热性、金属光泽、正的电阻温度系数及晶体中原子密集排列。 (1)良好塑性：金属键没有方向性，正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子之间的结合力，因而金属具有良好的塑性； (2)固溶性：金属正离子被另一种金属正离子取代时也不会破坏结合键,即它们具有相互溶解性(称为固溶)； (3)导电性：在外加电压作用下，自由电子可定向移动； ;(4)导热性：固态金属中，不仅正离子的振动可传递热能，而且电子的运动也能传递热能，故比非金属具有更好的导热性； (5)金属光泽：金属中的自由电子可吸收可见光的能量，被激发、跃迁到较高能级，因此金属不透明。当它跳回到原来能级时，将所吸收的能量重新辐射出来，使金属具有金属光泽； (6)正的电阻温度系数：随温度升高，正离子（或原子）本身振幅增大，阻碍电子通过，使电阻升高，因此金属具有正的电阻温度系数； (7)晶体中原子密集排列：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。 ; ● 二、共价键（Covalent Bond） 亚金属(例如 ⅣA族元素C、Si、Ge以及ⅥA族的Se、Te等);氧化硅（SiO2）的四面体结构，它包含硅和氧原子之间的共价键。 ;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°。 ;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。;具有方向性。因为共价键除依赖电子配对外，还依赖于电子云的重叠，电子云重叠愈大，结合能愈大，结合能愈强。原子的结构表明，s轨道电子云呈球对称,其它轨道的电子云都有一定的方向性。为使电子云达到最大限度的重叠，共价键具有方向性。 延性和导电性都很差；具有高熔点、高硬度。例如金刚石具有最高的摩氏硬度，且熔点高达3750℃。; ● 三、离子键（Ionic Bond）;无方向性。原因是离子周围的电子云是以核为中心球对称分布的，它在各个方向上与异性离子的作用力都是相同的。 结合力较强，结合能很高，所以离子晶体大多具有高熔点、高硬度、低的热膨胀系数。而且由于不存在自由电子，所以离子晶体是不导电的，但在熔融状态下可以依靠离子的定向运动来导电。 ;四、分子键;Figure 7. Van der Waals Bond; 分子键键能很低，所以分子晶体的熔点很低 。依靠它大部分气体才能聚合为液态甚至固态，当然它们的稳定性极差。例如，塑料易产生大的变形，液氮室温下汽化，水100℃下汽化等。; ● 四、氢键;;聚氯乙烯的变形; ●五、结合能;晶体中缺陷区域的原子最多不超过晶体中原子总数的1/1000，即绝大部分是规则排列的。 规则的排列＝原子处于平衡位置＝相互作用力平衡、势能最低 晶体中原子结合在一起存在着: (1)结合能＝吸引能（电子与离子）＋排斥能（电子与电子、离子与离子） (2)结合力 人们把金属晶体中原子间的结合能，简化为两原子间的结合能。;通过双原子结构模型，要求： （1）掌握周期势场的观点，可以把想晶体看作是原子在周期势场中分布，每个原子处在能阱底部(即能量的峰谷）。 （2)能解释两个问题： 1晶体中原子的规则排列，为使整个系统的能量最低，或相互作用力为零，原子趋于相互平衡位置. 2金属原子趋于密集排列的原因：最近邻原子数（配位数）越多，原子的能阱域越深，越稳定，由