材料科学基础2

1、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 2.1 基础知识 2.1.1 原子结构 2.1.2 能级图和原子的电子结构 2.1.3 周期表与周期性 2.1.4 晶体中的原子结合 2.2 金属及合金相的晶体结构 2.2.1 元素的晶体结构 2.2.2 典型金属的晶体结构 2.2.3 亚金属的晶体结构 2.2.4 合金相的晶体结构 2.3 陶瓷的晶体结构 2.3.1 概述 2.3.2 离子晶体的结构 2.3.3 硅酸盐结构 2.3.4 非晶态结构 2.

2、4 高分子的链结构及聚集态结构 2.4.1 高分子链的组成与构造 2.4.2 高分子的远程结构 2.4.3 高分子的聚集态结构 2.4.4 高聚物的非晶态、取向及液晶结构 2.4.5 高分子合金的织态结构2.5 复合材料的细观结构 2.5.1 复合材料及其组成 2.5.2 复合材料的细观结构2.6 非晶、准晶和纳米晶 2.6.1 非晶态材料 2.6.2 准晶的结构 2.6.3 纳米晶的结构 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

3、种强烈的相互作用-化学键。金属键离子键共价键氢 键分子键(范德瓦尔键) 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合键分为两大类。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。金属键动画金属变形时，由金属键结合的原子可变换相对位置，因而

4、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

5、、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 A族元素C、Si、Ge以及A族的Se、Te等)共价键要求原子间共享电子的方式是每个原子的外层sp轨道被填满，在4价硅中，必须形成4个共价键。 共价键动画氧化硅（SiO2）的四面体结构，它包含硅和氧原子之间的共价键。

6、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） 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。

7、离子键动画无方向性。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（ van der Waals bonding）范德瓦尔键是以弱静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的(即原子间的偶极吸引力)。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

8、的变形，液氮室温下汽化，水100下汽化等。 四、氢键氢键的本质与范德瓦尔键一样，只是在氢键中氢原子起了关键作用。氢只有一个电子，当它与一个电负性很强的原子（或原子团）X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上，氢离子则实质上成了一个裸露的质子，对另一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力氢键的结合力较范德瓦尔键为强。 在带有-COOH、-OH、-NH2原子团的高分子聚合物中常出现氢键，依靠它将长分子链结合起来。氢键在一些生物分子如DNA中也起重要作用。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

9、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： 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. 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，由于金属键无方向性、饱和性，当大量原子组成晶体时，为使系统的能量最低，则希望配位数越多越好。（3）明确一个概念：原子偏离平衡位置，必然引起点阵畸变（弹性畸变） 弹性应力场、弹性应变能 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键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