材料性能学：6-1-材料的键合

1、材料物理性能绪 论现代材料发展的特点：明显地超出了传统组成和工艺范围；创造出具有各种性能的新材料；在现代工业和科学技术上获得广泛的应用。现代材料科学的重要研究内容：在严格控制材料组成和结构的基础上，深入了解和研究各项物理化学性能。也是发展材料的主要途径。工程学看材料：首先注意材料的物性，然后考虑它与外界条件相互作用出现的各种现象，最后联系到用途，作为制品出售。材料与物性、现象、用途之间的关系以材料为中心，从物性 现象 用途周转循环，巧妙地应用此表征方法能容易做到逐步地改进材料，不断创造出性能更好、更稳定的制品。环保。具体化现象经济性材料作用改善原料工艺条件物性用途需掌握和了解的内容材料的特性与

2、应用不同的化学组成和材料结构决定其具有不同的特殊性质和功能。例如：如高强，高硬，耐温，耐腐，绝缘和各种电，磁，光及生物相容性等，材料的这些性能，可以广泛应用于机械，电子，宇航，医学工程等各个方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。材料的结构包括：原子结构、原子间的结合状态、键型或电子结构、晶体结构、相的体系及其结合，它们尺寸 因素各类缺陷的存在及分布等。 领 域 特 性应 用光、 电、磁学功能领域电子材料高绝缘性集成电路基片,封装材料,高频绝缘材料铁电,介电性 图像存储元件，电光偏振光元件，电容器压电性点火元件，电子钟表，超声 波元件，滤波器热电性红外检测元件，探测器，温度计，武器电子放射性

3、阴极射线管电子枪热阴极，电子显微镜半导,传感性电子发热体，湿度传感器，热敏电阻，压力传感器，稳压电源，自控系统电阻发热元件（恒温器），气体传感器离子导电性氧量传感器，高炉的控制，钠硫电池 机 械 功 能 领 域高强度，耐磨性，非膨胀收缩性超高精度全陶瓷车床，机床，测量机械，拉丝模高强度，耐高温性高性能高效汽车发动机，燃气轮机叶片高比强度性汽车零件，人造卫星机体，火箭机体，飞机机体高模量高尔夫球棒，网球拍，撑杆跳高撑杆，钓鱼杆，各种弹簧材料超硬性研磨材料，切削工具，磨削材料润滑性轴承材料，高温润滑材料光、电、磁学功能领域光电陶瓷 荧光性荧光体，彩色电视显象管材料 偏振光性电光偏振光元件 光电性光

4、电变换元件光陶瓷 透光性耐高温耐蚀透光性，窑炉观察窗，半导性透可 见光性 光反射性耐高温金属特性反射红外性透过可见光，反射红外线特性（节能型窗玻璃） 导光性通信用光纤，光通信光缆，胃摄象机磁性陶瓷软，硬磁性电脑存储元件，变压器磁芯，磁带，磁盘，磁头，信用卡，冷 藏库气密磁门热学功能领域传热性集成电路绝缘（散热）基板绝热性耐热绝热体，轻质绝热体，节能型炉耐高温性耐高温结构材料，高温炉，原子能反应堆材料生物化学功能领域骨亲和性人工骨，人造牙根，人造关节载体性固定酶载体，催化剂载体，生物化学反应控制器耐蚀性理化仪器，化工材料，化工装置内衬，原子能有关材料催化性水煤气反应催化剂，耐热催化剂，化学用催化

5、剂材料的性能本质外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如：外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，引起原子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈一定的关系，其中有一个与材料本质有关的常数材料的性能作用物理量 感应 物理量公式材料内部的 变化 材料 性 能性能的 种类应力 形变=S 原子发生相对位移柔性系数力学性能表面电荷密度DD=C 原子发生相对位移引起偶极矩的变化压电常数压电性能温差t形变 = t原子发生位移热膨胀系数热学性能热量QQ=Ct原子振动加强热容热学性能温差电动势V= t载流子的定向运动温差电动势系数导电性能温度梯度dt/dx热流密度qq=

6、kdt/dx原子热振动的相互作用热导率热学性能电场 E电流密度JJ=E荷电离子远距离的移动电导率导电性能极化强度PP= 0E宏观电场荷电离子短距离的移动介质电极化率介电性能离子的偶极矩 =E局部电场原子核与周围电子发生短距离的移动离子的极化率介电性能材料的形变 =d E偶极矩的变化压电常数压电性能材料结构的三个层次单个原子结构：影响材料的电、磁、光和热性能；影响原子结合方式；决定材料的类型；原子空间排列：金属、许多陶瓷和一些聚合物材料有非常规整的原子排列，称为晶体结构，部分陶瓷和大多数聚合物的原子排列是无序的，称为非晶态显微组织：包括晶粒大小、合金相种类、数量和分布等参数。材料不同层次的结构原

7、子间的键合 原子结构理论: 原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子组成的。原子间的作用力是由原子的外层电子排布结构造成的化学键（Chemical bonding）属于主价键（primary interatomic bonds），包括：离子键（Ionic bonding）金属键（Metallic bonding）共价键（covalent bonding）物理键（physical bonding),亦称Van der Waals bonding，属于次价键(Secondary bonding）氢键（Hydrogen-bonding）：介于化学键和范德华力之间离子键（Ionic bonding)离

8、子键：是由于正离子（Cation） 、负离子（anion）间的库仑引力而形成的。多数盐类、碱类和金属氧化物NaCl离子键示意图特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体共价键（covalent bonding）：是由于相邻原子共用其外部价电子，形成稳定的电子满壳层结构。亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料特 点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差氧化硅中硅原子间共价键示意图金属键（Metallic bonding）：贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子

9、间产生静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键，它没有饱和性和方向性。典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云（electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好金属键模型示意图一些高分子材料和陶瓷，它们的分子往往具有极性，即分子的一部分带正电荷，而另一部分则带负电荷。一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起这种结合方式称为范德瓦尔键，也称为分子键。包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质聚氯乙烯中范德瓦尔键示意图 范德瓦尔键，又称为“分子键” （Van der waals bonding)碳纳米管的拥挤生长（Overcrowding growth）氢键（Hydrogen b