材料基础-第二章材料结构的基础知识

1、第二章 材料结构的基础知识2.1 概述 新材料从研究开发到工程应用，一般经历四个基本步骤： 制备结构性能使用 从使用效能出发，提出材料应有的力学性能和物理化学性能；性能是由材料的微观结构和组织所决定；材料的微观结构和组织则是通过特殊的制备方法来获得。 因此，结构决定性能是材料最基本的相互关系，是必须遵循的客观规律。 通常，不同的材料具有不同的性能，即使同一种材料，由于加工工艺的不同，形成的材料的微观结构和显微组织也不同，从而具有不同的性能。 例如，单质碳元素（C），有石墨（层型结构）、金刚石（骨架型结构）和 C60（球型结构）等三种性能不同的同素异构体材料。 高分子材料的PE 和UHMWPE，

2、组成一样，但强度差别很大，完全是加工工艺引起的。 组成相同的材料，性能上的明显差别，主要是与微观结构有关,即原子结构、原子键合、原子排列和显微组织四种结构因素。2.2 原子结构1. 原子的电子结构 原子结构模型如图21所示。 原子是原子核和绕核旋转的电子所组成。原子核内有质子和中子，如图22 a 所示。 图21 原子结构模型 a. 原子核及核外电子 b. 原子半径与原子核 图22 原子核与电子的示意图 核内质子带正电荷，中子不带电荷；核外电子带负电荷；质子数和电子数相等，中子数中子数可变，可变，故原子呈电中性。质子数为原子序数。 原子体积很小，直径约10-10 m, 原子核直径更小，仅10-1

3、4 m， 如图22b所示。 原子核体积虽小，却集中了原子质量的绝大部分。质子质量约1.67710-27 kg，中子质量1.67510-27 kg ，电子质量约9.1110-30 kg，质子和中子质量之和是电子质量的1800倍之多。 具有相同质子数而中子数不同的原子，叫同位素。U235、U238都是铀的同位素，质子数均92，但中子数分别为143和146。 量子力学的研究，得出微观粒子（电子）具有波粒两象性，而且绕原子核旋转的电子轨道并不是任意的。 2. 电子结构的两个重要原理（1）海森堡测不准原理海森堡测不准原理（Heisenberg) 同时确定原子中的电子的位置和动量，原则上是不可能的。 也就

4、是它们的确切值是测不准的，即一个量测量到任何的准确程度，必然会降低另一个量的测量精确度。因而，位置x和动量p的关系可用量子化定量表示： 1)-(2 2 hpx 其中，h为普朗克常数。 该原理表明，量子力学的一个基本特点是，我们只能从大量宏观测量中得到微观粒子的几率分布，但不能决定某一物理量的确切数值，这是和经典力学有着本质上的区别。（2）薛定谔方程（Schrodinger） 由于电子具有波动性，谈论电子在某一瞬时的准确位置就没有意义，只能讨论电子可能出现在各处的几率。 薛定谔提出用位置和时间的函数，即波函数，描述电子在某一位置出现的可能几率： （22） 解得波函数，就可得电子在核外空间各处位置

5、出现的可能几率，相当于电子所处的轨道位置。), r ( ),( ttzyx或（3）电子的能级与分布 原子中电子的分布和运动属于微观运动，可用量子力学来求解。 电子在原子中的位置不能严格确定，但理论和实验能够精确得到电子在原子核势场的作用下所处的一些特定能量状态，即能级大小。 最简单的情况是氢原子，它由一个带正电荷的质子(原子核)和一个带负电荷的电子组成，其电势能U仅取决于两电荷相隔的距离r，即 （23）为真空介电常数。式中02041 reU 当两个电荷相距无限远时，势能为零。将（ 23 ）代入代入波函数（22），得电子能量的表达式： .54 3 2 1nn ;10108. 9m ;J .C10

6、8.854 ;10602. 1e ;.10624. 6h ,4)-(2 16 .131831001 -212-00193422220，为主量子数，为电子质量，为真空介电常数，为电子电荷，为普朗克常数，式中kgmCesJhnnhmeEn 可见，电子在原子核势场作用下，处在不连续的能量状态，其值由主量子数n决定并与n2成反比。n值越大，能量越小；n无穷大，电子能量为零，电子就不受束搏。 原子的能级分布如图23所示。 图23 原子的能级分布图 在多个电子的原子中，电子能量也是不连续，分布在不同能级上，电子所处的轨道位置和能级大小可用四个量子数来确定，即主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数。a.主

7、量子数n (principal quantum number) 主量子数n是确定电子离核远近和能级高低的主要参数,取值整数，如n1、2、3、4、5，表示电子所处的量子壳层；n1，用K表示，n2，用L表示，n3，用M表示，n越大，能级越高。每个壳层占据的电子数为 2n2 。 图24显示Na原子结构在每个壳层中的电子数及其分布。 图24 Na原子结构中K、L、M 量子 壳层的电子分布 b.角量子数(azimuthal quantum number) 电子绕核运动不仅具有一定的能量，也具有一定的角动量，而且量子轨道并不总是球形的。角量子数反映了轨道的形状。 因此，在主量子数同一壳层上的电子，又可依据

8、角量子数l分成若干个能量水平不同的亚壳层，l= 0、1、2、3、4， 这些亚壳层用 s、p、d、f 表示。 符号s、p、d和f 是根据四个亚壳层的光谱线特征而得的，即 sharp (敏锐的)、principal(主要的), diffuse(漫散的), fundamental(基本的)。 具有不同l的电子，在空间各方向上的分布状态是不同的。 n相同但内层轨道不同，它们的能级也不同，能量水平随s，p，d，f 依次升高。 假如，n1 时，l只能为零，处于这种状态的电子称为1s； 当 n2时，就可以有l=0,l=1两种状态，分别称为2s，2p电子，依次类推。 其能级可以表示为： l =0 s能级； l

9、=1 p能级; l =2 d能级； l=3 f能级。c.磁量子数 ml (magnetic quantum number) 在磁场H作用中，电子的轨道运动的角动量Pl，不仅数值上是不能任意取的，而且相对于磁场方向也是不能任意取的，即 Pl mlh /2 (2-5)其中，ml为磁量子数，决定轨道角动量在空间的方位。 对每一个角量子数l，ml的取整数值: 0，1，2.,其总数为2(l) +1,. 对于 l =2 情况， ml 为2(2) 1 5， 其值为 2， 1， 0， 1， 2。例如例如 计算n=2时 L壳层中可能有的轨道数。 主量子数 n=2, 则 l=0, 1。 l=0, 磁量子数ml计算

10、为：2(0) 1 1， 所以，ml0 l=1, 磁量子数ml计算为： 2(1) 1 3， 所以，ml 1, 0, +1。 因此， L壳层中的可能轨道总数为4。d .自旋量子数 ms (spinning quantum number) 电子除了绕核运动外，还有自旋运动，并且自旋运动仍是量子化，其自旋角动量为 Ps msh /2 (2-6)其中，ms值 为+1/2, 1/2，称为直旋量子数。 (26)式表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。 这种电子只有在磁场下才具有略为不同的能量。 图25显示了钠原子内每个电子的量子数和能级数。图25 Na元素11个电子中每个电子的 全部量子数3电子排

11、列规则 原子核外的电子排列及其分布除与四个量子数有关外，还必须服从二个基本原理： (1)1) 泡利不相容原理泡利不相容原理 在一个原子中不可能同时存在四个量子在一个原子中不可能同时存在四个量子数完全相同和运动状态完全一样的两个电子数完全相同和运动状态完全一样的两个电子。 根据这个原理，计算得到主量子数为n的壳层中最多能容纳的电子数为2n2。 n1时，最多能容纳2个电子； n2时，最多能容纳8个电子。这从理论上也说明了周期表的结构特点，见表21。 表21 各电子壳层及其亚壳层的电子状态(2)(2) 能量最低原理能量最低原理 原子核外的电子是按能级高低而分层排列的，确保体系处于最低的能量状态。 在

12、同一壳层中，电子的能级依s，p, d, f 的次序增大，电子总是优先占据能量最低的轨道。 因此，电子从低的能量水平向高的能量水平依次排列在不同的量子状态下，见图2-6。 图26 电子能级水平与主量子数和 角量子数的变化情况 应该强调的是，决定电子能量水平高低的是主量子数n和角量子数l。 如图26所示的那样，在电子填充轨道时，当 n 3 或 3 时，将出现内层尚未填满前就进入外壳层的情况，相邻壳层的能量范围将发生重叠。 一些常见的过渡金属元素就是如此。 例如，4s的能量水平低于3d， 5s的能量水平还低于4d、4f ， 而且，5p的能量水平也低于4f； 依次类推，量子数大的元素都是如此。 为清晰

13、明了，原子的电子排列方式常用原子的电子排列方式常用简化符号的方式，即用电子结构来表述简化符号的方式，即用电子结构来表述。 电子结构通常用主量子数n、角量子数l，以及在每一轨道上用上角表示容纳的电子数目的组合简便表示出。 例如，原子序数为11的钠(Na) 原子，共有11个电子，第一壳层只有s态，容纳2个电子，记作1s2，第二壳层有s态和p态，分别容纳2个电子和6个电子，记作2s22p6 ，第11个电子便进入第三壳层的s态，记作3s1 。 所以，Na原子的电子排列方式可记作: 1s22s22p63s1 4. 偏离正常电子结构 电子结构有时并不遵循原子序数的顺序依次排列，原子序数大时就会发生这种情况

14、。 例如，原子序数为20的钙原子的电子排列，因主量子数等于4，其排列发生了变化。 钙原子有20个电子。当电子填入第三壳层s态、p态后仍有2个剩余电子，由于4s态的能量是低于3d态，按能量最低原理的原则，这两个剩余电子不按常规方式填入3d态，而是先进入新的外壳层第4壳层4s态上。所以，其电子排列方式则为： 1s22s22p63s23p64s2 另外，按照量子力学的观点，一旦壳层的s态、p态的电子被填满，该壳层的能量便落入十分低的值，电子处于一种十分稳定的状态。 例如，原子序数为18的氩原子（Ar），其电子排列方式为： 1s22s22p63s23p6 由于最外层的s态、p态已被填满，电子极为稳定，

15、其化学性质表现为惰性，故称为惰性元素。 还有，原子序数为2的氦元素和原子序数为10的氖元素等也是如此。5原子价 如果最外壳层上的s态、p态电子没被填满，电子的能量就较高，很活泼，与原子核结合较弱，这些电子称为价电子。 价电子直接参与原子间的结合，对材料的物理化学性能产生重大影响。 原子价(valence)是指一种原子与其他元素化合的能力，由电子排列最外层的s态、p态能级中的电子数所决定。 按电子的排列方式，可以推知原子价。例如, Na (11) ： 1s22s22p63s1 原子价1 Mg (12): 1s22s22p63s2 原子价2 Al (13): 1s22s22p63s23p1 原子价

16、3 6. 电负性 电负性(electronegativity)是指原子获得电子的倾向和能力。 Cl(17)的电子排列为:1s22s22p63s23p5 ，原子的最外层的能级几乎被填满，具有很强的电负性，容易接受电子。 Na(11)的电子排列为： 1s22s22p63s1，原子的外层能级几乎是空着，容易失去电子，具有强的正电性。这两个原子之间的结合方式是离子键合。 归纳起来，原子结构是材料的一级结构，决定原子间的结合键，并影响元素的物理性质如熔点、热膨胀系数、原子半径等。 2.3 元素周期表及其特点 元素是指具有相同核电荷数的同一类原子元素是指具有相同核电荷数的同一类原子。 早在1869年，前苏

17、联科学家门捷列夫发现，元素的性质是按原子质量的增加而呈周期性变元素的性质是按原子质量的增加而呈周期性变化。这一重要规律称为元素周期律。化。这一重要规律称为元素周期律。 表22为元素周期表。总计109个元素。其中水平各排称为周期，七个周期，纵向各列称为族，共有八族， 周期表是元素周期律的具体体现，显示元素的原子结构及其化学和物理性质，反映元素之间相互关系的规律。原子的电子排列规则，揭示了各种元素的性质及其配置规律。 表22 元素周期表 元素周期表的特征主要有： 1. 竖列称为族 从左到右为第几族。同一族元素在最外层的电子数都相同，周期表两侧的各族IA、IIA、IIIAVIIA分别对应于外壳层价电

18、子数1、2、3.7 的情况；同一族元素的化学性能极其相似。 例如，IA的Li、Na、K等均为1价电子，它们容易失去电子成为1价正离子，化学性能活泼，能与右边VIIA族的F、Cl形成化合物。 最右边的O族元素的s态、p态电子已被填满，电子能量很低，不能形成离子，化学性能稳定，不能参与化学反应，属于一种不活泼元素，是惰性气体。2. 横行称为周期 从上至下为第几周期。每一周期开始时对应着电子进入新的壳层 (主量子数)，每一周期的结束对应于主量子数的s态、p态已被填满。 周期表中部的IIIBVIIIB对应于内壳层电子逐渐填充的过程，这些内层未填满的元素称为过渡元素。由于外壳层电子状态未改变，只有12个

19、价电子，故具有典型的金属性质。 与VIIIB相邻的IB、IIB族元素，外壳层电子数虽分别为1和2，与 IA、IIA族相似，但由于内壳层已填满，在化学性能上表现出IB、IIB族 元素不如IA、IIA族元素那样活泼。3. 基本特点 周期表主要揭示了原子的化学性质、元素晶周期表主要揭示了原子的化学性质、元素晶体的物理性质和元素之间的变化规律。体的物理性质和元素之间的变化规律。 电负性是衡量原子吸引电子的化学能力。 同一周期中，电负性从左至右逐渐增大；同一族中，电负性自上而下逐渐减少，见表23。最左边元素的原子外层仅有1个电子，向右依次递增，失去电子能力减弱，得到电子能力增加。 原子量从左到右递增，内

20、壳层电子基本填满，质子和电子之间吸引力增大，原子体积逐渐变小。 总之，原子结构、元素性质以及元素在周期原子结构、元素性质以及元素在周期表中的相对位置，三者之间存在着密切关系表中的相对位置，三者之间存在着密切关系。 表22元素的电负性2.4 原子结合键 材料是由物质组成。物质是由原子和分子结合而成，是原子核和电子之间的静电引力作用的结果。 实际材料的形态有气态、液态和固态。 液态和固态通称为凝聚态。在凝聚态下，原子间的距离很短，产生相互作用力，原子便结合在一起，形成一种结合键。 原子结合键是材料的二级结构原子结合键是材料的二级结构。材料的性能在很大程度上取决于原子间的结合力。 结合键分为离子键、

21、共价键、金属键、分离子键、共价键、金属键、分子键和氢键子键和氢键等5种，可简单分成二大类： （1）结合力强的结合键叫化学键化学键（一次键）。 如离子键、共价键和金属键离子键、共价键和金属键。（2）结合力弱的结合键叫物理键物理键（二次键）。 如范范德华键和氢键，德华键和氢键，通称为分子键分子键。 化学键（一次键） 化学键是通过原子间的电子得失、电子共化学键是通过原子间的电子得失、电子共有和电子公有化而形成有和电子公有化而形成。（1） 离子键 离子键是释放外层电子变成正电荷离子键是释放外层电子变成正电荷( (正离子正离子) )的原子与接受其电子变成带负电荷的原子的原子与接受其电子变成带负电荷的原子

22、( (负离负离子子) )之间的吸引作用之间的吸引作用( (库伦引力库伦引力) )产生的结合力产生的结合力。 周期表中IA、IIA 族金属元素外壳层仅有12个价电子，很容易逸出成为正离子；VIA、VIIA族的非金属原子外壳层为多电子，很容易接受电子成为负离子，成为稳定的电子结构，降低体系能量。这种正负离子的结合属于离子键。 NaCl 是典型的离子键结合，如图27所示，正的Na离子和负的Cl离子相互吸引，稳定地结合在一起，许多陶瓷尤其是氧化物陶瓷，主要是以离子键结合为主。 由于离子的电荷分布呈球星形对称，任何方向上可以吸引电荷相反的离子，没有方向性和饱和性。这些相反电荷的离子强烈地相互吸引，彼此很

23、难分离。图27 NaCl的离子键结合 因此，离子键的键能最高，结合力大，材料性能上表现出硬度大、强度高、熔点大及热硬度大、强度高、熔点大及热膨胀系数小膨胀系数小。但由于每个离子被带有相反的电荷所包围，滑动时会引起库伦斥力，变形较为困难，故材料呈脆性材料呈脆性。（2） 共价键 共价键是相邻原子之间共用其外层电子形成稳定的电子满壳层结构而产生的结合力。 周期表中价电子为4个或5个的IVA、VA族元素如C、Si等原子，要离子化极其困难,只能利用电子共享在s态、p态角量子壳层达到稳定的8个电子结构。 例如，Si原子有4个价电子，每个原子只能通过4个共价键合与4个邻近原子结合，各键之间有确定的方向，如图

24、28所示的SiO2。 金刚石、硅芯片等均是典型的共价键结合，许多高分子材料、陶瓷材料和单质分子是共价键的结合或是部分共价键的结合。 图28 SiO2的共价键结合 共价键具有明显的方向性，不允许原子间相对位置的改变，故结合力大结合力大，材料性能上表现为硬度高、熔点高、强度大硬度高、熔点高、强度大、沸点高、挥发沸点高、挥发性低，性低，但导电性差导电性差、不具塑性（脆性）不具塑性（脆性）。（3 3） 金属键金属键 金属键是金属中的金属正离子和许多自由电子间相互吸引而产生的结合力。 金属原子的外层电子数少（小于4个），晶体结构的配位数却很高（高于6个），金属原子容易失去电子成为带正电荷的阳离子。许多金

25、属原子结合时，这些阳离子在空间中整齐地排列，远离核的电子则在各阳离子之间自由游荡，在阳离子组成的晶格之中形成“电子云”、或“电子气”，如图29所示。金属原子是依靠阳离子和自由电子间的相互吸引结合在一起。 金属键不具有方向性和饱和性。金属由于图29 金属键的结合自由电子的存在，使其具有良好的导电、导热良好的导电、导热性，塑性变形好，强度高性，塑性变形好，强度高。但是材料不透光材料不透光。2. 物理键（二次键/分子键/次价键） 物理键是由原子或分子之间的静电引力产物理键是由原子或分子之间的静电引力产生的，简称分子键。生的，简称分子键。 物理键形成过程中，没有电子的得失、共有和公有化，它是因分子中的

26、电子分布不均匀而引起的分子间的极性结合。 一般情况下，分子本身已经是稳定的电子结构，如CO2、H2O和H2等，分子内靠共价键结合，具有很强的内聚力，电子结构十分稳定。然而，众多的分子之所以能结合在一起，凝聚成液体或固体，依靠的是原子或分子之间的偶极吸引力结合而成，故是一种分子间键合。（1）范德华键（Van der Waals） 范德华键是一个分子的正电荷和另一个分子的负电荷之间的静电吸引力将两个分子结合在一起的力。 如图210所示，原子的正电荷中心（原子核）和负电荷中心（电子）一般并不重叠，这种分布便产生一个偶极矩。一些极性分子正、负电性位置不一致时，也会产生偶极矩，如图211所示的PVC材料

27、大分子链之间的结合力 。 范德华键是依靠分子间偶极吸引力形成的物理键，其键力远低于化学键，故键合力弱，熔点低，硬度低，材料稳定性差，且易变形。 图210范德华键示意图范德华键示意图图211 聚氯乙烯大分子链之间的范德华键(2) 氢键力氢键力 氢键力是一种由氢原子引起的特殊的分子氢键力是一种由氢原子引起的特殊的分子间相互作用力间相互作用力。 它是由氢原子同时与两个电负性很大但原子半径又较小的原子（O、F、N）结合而形成的物理键。氢键中氢原子起关键作用，如图212所示的H2O分子。氢键可以表示为： X-HY （27）其中H与X原子的结合是共价键，与Y的结合是氢键，通过氢键把X 、Y原子结合在一起。

28、 氢键本质上与范德华键一样，均依靠分子图212 H2O分子氢键力示意图间的偶极吸引力结合在一起，性质相似，但结合力比范德华键大，且具有饱和性和方向性。 一些高分子材料带有侧基基团如OH、 COOH、NH2等均存在明显的氢键力，依靠氢键力将线性大分子链之间堆积在一起。3. 混合键混合键 实际材料中原子之间的结合，靠单一键力结合在一起的情况极其少，原子间的结合常是化学键和物理键的复合，属于混合键。 例如，金钢石（IVA族C元素）具有单一的共价键，同族Si、Ge、Sn、Pb等也有4个价电子，因电负性自上而下变小，失去电子的倾向逐渐增大，这些元素形成共价键的同时，电子有一定的几率脱离原子成为自由电子，

29、存在一定比例的金属键。 IV族Si、Ge、Sn、Pb等元素成为固体时，其键合方式是共价键和金属键的混合。 陶瓷材料中，离子键和共价键混合的情况出现更为常见。 鲍林根据离子化合物AB中的电负性的大小，给出计算出离子键在化合物中的比例： （28） 例如，MgO从表22中查得 XMg1.31，XO3.44，代入(28)式， 得化合物中离子键比例为68。的电负性值。、分别为化合物组成元素、式中离子结合比例（）BAX100e1 BXX412BAAX 还有一种混合键表现为两种类型的键独立存在。 例如，一些气体分子是以共价键结合，分子凝聚则依靠范德华键的结合。 高分子材料大分子链内部完全是共价键结合，分子链

30、之间是范德华键或氢键结合。 现代复合材料是由二种或二种以上的不同材料经加工复合而成，材料结合键为混合键。 正是材料结合键是混合型，比例又随材料的成分而变化，故可制备出材料的性能丰富又广泛。 4. 结合键本质结合键本质 固体材料中的原子是依靠结合键力结合起来的。原子间同时存在二种力：（1）吸引力：异类电荷之间的静电吸引；（2）排斥力：同类电荷之间的相互排斥。 按库仑定律，吸引力和排斥力是随原子间距 r 的增大而减少，排斥力更具有短程力的性质，即当距离很远时，排斥力很小，当原子间接近电子轨道互相重叠时，排斥力才明显增大，并超过吸引力，如图213a所示。 因此，原子间距 r0 是原子之间的平衡距离，

31、是斥力和引力相等时的平衡结果。图213 原子间吸引力、排斥力、合力及其位能的相互关系 按照作用力 F 与能量 E 的相互转换关系： （29） 两原子相互作用的能量是随距离变化的，如图213b所示。在作用力为零的平衡距离下，能量最低，体系处于稳定状态。 因此，结合键的本质就是原子的结合能相结合键的本质就是原子的结合能相当于把两个原子完全分开所作的功的大小。结当于把两个原子完全分开所作的功的大小。结合能越大，原子结合愈稳定合能越大，原子结合愈稳定。 结合能大小可以通过测定固体的蒸发热而得到，见表23。 0FdxE dxdEF 表23 不同材料的键能和熔点 从表23中可以看出，原子间结合方式的不同，

32、键能大小差别很大。 离子键和共价键的键能最大，金属键次之，物理键的氢键很小，范德华键最小。5. 结合能与材料性能结合能与材料性能（1） 结合能结合能 表24比较了四种键的结合能大小。相比起来，范德华键的结合能要远小于三种化学键的结合能，差好几个数量级。 表24 不同结合键能的大小键型结合能 (kcal/ mol)离子键150250共价键15275金属键2580范氏键 10（2） 物理性能物理性能 a. 熔点熔点 熔点与键能值有较好的对应关系。离子键和共价键的化合物的熔点高，其中纯共价键的金刚石具有最高的熔点；某些金属如W、Mo、Ta等存在部分共价键，熔点也较高；一般的金属材料熔点较低。 离子键

33、结合能最大，故陶瓷材料比金属材料具有更高的稳定性，耐高温性。 物理键结合的材料，熔点偏低，如高分子材料，由于大量的物理键存在，熔点很低，材料热稳定较差。b. 密度密度 材料的密度与结合键类型关系密切。 金属材料如Pb、Ag、Cu 等密度高，这是因为：一是金属元素原子质量大；二是金属键的结合方式没有方向性。 金属原子总是趋于紧密排列，得到简单的原子排列形态；离子键和共价键结合的原子，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离子键结合还要满足正、负离子间电荷之间的平衡，原子不可能紧密堆积，故密度较小。高分子材料的原子质量小（C、H）, 且分子链间是物理键结合，堆积不紧密，密度就更小。c. 导电导热性

34、导电导热性 金属键有大量自由电子的存在和离子的振动，使金属材料具有良好的传热导电性。 陶瓷材料和高分子材料无自由电子存在，固态下基本不导电，成为一种绝缘体材料。d. 透明性透明性 金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分透射到其表面的光能，故金属材料不透明但呈光泽性；陶瓷材料一般不吸收可见光，典型的离子晶体是透明的。（3） 力学性能力学性能 弹性模量 E 或称杨氏模量 (Youngs Modulus)是材料应力应变曲线上弹性变形段的斜率，相当于发生单位弹性变形所需的应力。 弹性模量定义为： E / （210）其中， 、 分别是弹性应力和弹性应变。 从微观角度看，晶体在外力作用下，发生弹性变形对

35、应于原子间距的变化，拉伸时从平衡距离拉开，压缩时则缩短。一旦外力卸除，原子在吸引力与排斥力作用下回到平衡距离 ro ，其变形行为如同弹簧一样。 结合能与材料的弹性模量之间存在很好的对应关系，结合能越大，E 也越大。 金刚石弹性模量最高，E1000GPa； 陶瓷材料： E 250600GPa； 金属材料： E40350GPa； 高分子材料: E0.7-3.5GPa (物理键存在) 此外，材料的塑性变形也和键的类型有关。 金属键赋予金属材料具有良好的塑性和加工工艺性；离子键和共价键所组成的材料变形困难，陶瓷材料的塑性则更差。2.5 原子排列方式原子排列方式1. 晶态与非晶态晶态与非晶态 固体材料按

36、原子（原子团或分子)的排列分成两大类：晶态和非晶态，如图214所示的氧化硅材料的晶态结构和非晶态结构。 a. 晶态 b.非晶态图214 氧化硅材料形态示意图 晶态材料晶态材料是组成材料的原子沿三维空间呈周期性规则重复排列； 非晶态材料非晶态材料是内部原子的排列呈无序状态，尽管在微观尺度上有短程有序的排列。 金属材料基本上是晶体结构，并且是多晶体结构，见图215。成分相同的高分子材料有晶态和非晶态结构，见图216，但大多数高分子材料是非晶态。陶瓷材料有晶态和非晶态 (图214)。 原子排列是材料的三级结构，决定材料的原子排列是材料的三级结构，决定材料的形态并影响材料的物理与力学性能形态并影响材料

37、的物理与力学性能。 材料是否会成为晶态，除与成分及键合类型有关外，还与材料的成型加工工艺有关。图图2 215 15 金属材料晶态结构金属材料晶态结构 图图2 216 16 聚丙烯（聚丙烯（PPPP）的材料形态）的材料形态 2. 材料性质差别材料性质差别（1）性能表现不同）性能表现不同 材料的强度、模量、形变率、导电率、透光率、热导率等性能均与形态密切有关。（2）相变行为不同）相变行为不同 晶态材料从液态凝固成固体时，熔点确定，体积突变；非晶态材料熔点不确定，体积无明显变化，如图217所示。 物相转变时，晶态材料的原子排列从无序到有序，结构发生转变：形核和长大。 非晶态材料的原子排列基本上保持不变，固液态无结构上的明显转变。 图217 从液态凝固成固体时 晶体和非晶体的物性变化2.6 晶体的显微组织晶体的显微组织 就晶体材料而言，实际的材料大都为多晶体，即由多晶粒所组成。 材料的组织是指各个晶粒的组合特征，即晶粒的大小、形状、分布及其相对量大小、形状、分布及其相对量等特征，如图218所示的多