工学材料科学基础第1章课件

1材料科学基础1Chapter

1–原子结构和晶体结构李谦–宁向梅主讲2Chapter

Outline21.1原子的结构1.2原子和离子排列1.3晶体结构的表示方法1.4纯金属的晶体结构1.5晶胞中的点、晶向和晶面1.6间隙1.7离子晶体结构和共价晶体结构3NanotechnologyMicro-electro-mechanical

(MEMS)systems-AirbagsensorsNanostructuresThe

Structure

of

Materials:Technological

Relevance34材料的成分（composition）和结构（structure）对于材料的性能具有重要的影响。微观结构是尺寸范围在～10到1000nm的材料结构。微观结构一般包含材料的平均晶粒尺寸、晶粒尺寸分布、晶粒取向和与缺陷有关的特征。宏观结构是宏观水平在～>1000nm材料结构。宏观结构主要包括气孔率，表面喷涂，内部和外部宏观裂纹等内容。原子结构包括构成材料整体的所有的原子和原子排列。在材料整体的内部存在着纳米、微观和宏观结构。根据原子排列的特点，可以区分材料是非晶体还是晶体。非晶体中原子或离子具有短程有序，长程无序的排列。晶体中原子或离子具有短程和长程均有序的排列。4The

Structure

of

Materials:Technological

Relevance5Level

of

StructureTechnologiesExample

of原子结构

~10-10m

金刚石–刀具刃口涂层原子排列：长程有序~10-10-10-9m，有序化范围：几cm大晶体PZT锆钛酸铅-点燃气体原子排列：长程有序~10-10-10-9m非晶硅-光纤通讯工业表1-15结构层面6Level

of

Structure Example

ofTechnologies纳米结构~10-9-10-7m1-100nm）纳米氧化铁-铁磁流体微观结构~10-8-10-6m（10-1000nm）金属和合金的机械性能宏观结构~>10-4m（1000nm）汽车防腐蚀涂层Table

1.1

(Continued)67Section

1.1.2

原子结构7原子由原子核及分布在核周围的电子所组成。原子核内有中子和带正电的质子。原子是由原子中心带正电的原子核和核外绕核高速旋转的带负电的电子所构成。每个电子和原子核内的质子带的电荷均为1.60×10－19库仑（C）。原子中电子和质子的数目相同。所以，整个原子呈电中性。元素的原子序数（atomicnumber）等于原子核中的质子数或核外电子数。每种元素均与一定的原子序数相对应。所有元素按照原子序数由小到大排列在元素周期表中。铁

原子含有26个电子和26个质子，原子序数为26。81.1.2

原子结构8原子质量主要在原子核内。每个质子和中子的质量是1.67×10－24g，但是电子的质量仅为9.11×10－28g。原子量（atomic

mass

）M等于原子中质子和中子的质量的平均值，也就是原子的阿佛加德罗常数（avogadronumber）NA的质量。

NA=6.02×1023原子/摩尔是每摩尔的原子和分子数。因此，原子量的单位是g/mol。一种质量单位是原子质量单位（atomic

mass

unit-amu），它等于碳最多的同位素碳12的原子质量的十二分之一。例如，1摩尔铁原子含有6.02×1023个原子，原子量为55.847g或者

55.847amu。9银中的原子数的计算计算100g银中的原子数例题1-1

解答：银中的原子数==5.58

×

10239例题1-1101.1.3

The

Periodic

Table元素周期表1011工程上主要应用的材料：

高聚物（塑料）(主要是4A族中的碳)

陶瓷（主要是从1族到5A族多种元素的结合，如O、C和N）

金属材料（主要是1、2族和过渡族元素）

当前热门的半导体一般在4A族，例如硅（Si），金刚石（C），硒（Ge），而硒化镉（CdSe）是2B族的镉（Cd）和6A族的硒（Se）元素的结合的，被称为Ⅱ－Ⅵ半导体(semiconductors)。同样砷化镓（GaAs）被称为Ⅲ－Ⅴ半导体，因为砷是3A族，镓是5A族。过渡族元素(transition

element)钛(Ti)、钒(V)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)等元素对磁性材料和光学材料非常重要，因为它们都具有多种化合价。111.1.3

The

Periodic

Table元素周期表12碳（金刚石型）的熔点最高，碳元素下面的元素的熔点一般会降低，例如硅（Si）（1410℃），硒（Ge）（937℃），锡(Sn)(232℃),铅（Pb）（327℃）。元素周期表还可以看到其他性能的变化。4A族元素的金刚石（C）是一种能带隙很宽的材料，是电的不良导体。在4A族中熔点最高，内部原子结合力大。金刚石（C）下面的元素，能带隙逐渐降低。锡的一种形态为半导体性质，另一种形态为金属性质。在1A族里，锂元素电负性很高。元素周期表可以帮助我们预计元素和化合物的性能变化和更合理地设计设计材料。121.1.3

元素周期表The

Periodic

Table13结合键：使不同的原子、离子或分子相互结合在一起的作用力。金属键（metallic

bond）

（一次键，结合力较强）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间的结合力，因而金属具有良好的塑性。金属正离子被另一种金属的正离子取代时也不会破坏结合键，这种金属之间的溶解（称固溶）能力也是金属的重要特性。一般来讲，金属的熔点比较高。对可见光的反射能力比较强，许多金属容易产生腐蚀和氧化。许多纯金属具有良好的导热性，可用于热交换器上。金属导电性以及金属晶体中原子的密集排列等，都直接起因于金属键结合。131.1.4

原子结合键14Figure

1-2

金属键14金属键:使正离子和电子气之间通过强烈的静电吸引力结合在一起的结合力。15Figure15金属导电性Whenvoltage

isapplied

toa

metal,theelectronsin

theelectronsea

caneasilymove

andcarry

acurrent162.共价键（covalent

bond）

（一次键，结合力较强）

价电子数为4或5个的ⅣA、V

A族元素，相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用，利用共用电子对来达到稳定的电子结构。161.1.4

原子结合键17Figure

1-3

共价键Covalent

bonding

requires

that

electrons

be

shared

betweenatoms

in

such

a

way

that

each

atom

has

its

outer

sp

orbitalfilled. In

silicon,

with

a

valence

of

four,

four

covalent

bondsmust

be

formed17由共用电子对所产生的结合键-共价键。18Figure Covalent

bonds

aredirectional. In

silicon,

atetrahedral

structure

is

formed,with

angles

of

109.5°

requiredbetween

each

covalent

bonda)

b)图1-3金刚石的共价结合及其方向性18碳的四个价电子分别与其周围的四个碳原子组成四个公用电子时，达到八个电子的稳定结构。此时各个电子对之间静电排斥，因而它们在空间以最大的角度互相分开，互成109.50°，于是形成一个正四面体，碳原子分别处于四面体中心及四个顶角位置，正是依靠共价键将许多碳原子形成坚固的网络状大分子。共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键具有明显的方向性。19共价键结合强度高，共价晶体具有极高的强度和硬度。例如金刚石(C)，碳化硅(SiC)，氮化硅(Si3N4)和氮化硼(BN)都是共价键晶体。金刚石是世界上最坚硬的物质之一。具有极高的熔点，很适合高温结构应用。因为共价键具有方向性，不允许改变原子间的相对位置，所以共价键结合的材料的塑性和韧性很低。许多共价晶体的导电性不高（例如硅，金刚石和很多陶瓷），是因为共价电子被固定在原子间的结合当中，不容易移动产生电流。对于硅等一些材料，可以通过掺杂少量的元素，可以得到目前最热门的半导体材料。导电聚合物也是一种可以转变成半导体的转变物。它对于挠性电子元件十分重要。191.1.4

原子结合键20例题1-2SiO2中氧和硅原子是怎样结合的?20假定二氧化硅（SiO2）是100％的共价键，说明二氧化硅（SiO2）中氧和硅原子是怎样结合的。Example

1-2解答硅的外层有四个价电子，它与相邻的四个氧原子分别共用一个价电子，因此，对于每个硅原子一共有8个电子，然而，氧的外层有6个价电子，它与两个硅原子共用2个价电子，一共也有8个电子。图1-4说明了可能的一种晶体结构。和硅相似，也形成了一个四面体结构。21图1-4

二氧化硅（SiO2）中的硅氧共价四面体结构The

tetrahedral

structure

of

silica

(Si02),

which

containscovalent

bonds

between

silicon

and

oxygen

atoms

(forExample

2-6)2122离子键（ionic

bond）

（一次键，结合力较强）正电性元素原子失去外层价电子变成带正电荷的正离子（cation），负电性元素原子获得电子变成带负电荷的负离子（anion），两者之间靠静电引力相互吸引，形成稳定的离子键。在周期表右方，外层大多只差一或两个电子即可填满，因此很容易得到电子(具有较高的电子亲和力)，形成负离子。在周期表的左方，外层多出一或两个电子，很容易失去(具有较低的游离能)，形成正离子。因此周期表右方的元素很容易得到周期表左方的元素的电子，形成一对正负离子。正负离子靠近时，产生互相吸引的库伦作用力，形成离子键。例如氯化钠离子晶体。221.1.4

原子结合键23Figure

2.18

氯化钠离子键的形成An

ionic

bond

is

created

between

two

unlike

atomswithdifferent

electronegativities. When

sodium

donatesitsvalence

electron

to

chlorine,

each

becomes

an

ion;

attractionoccurs,

and

the

ionic

bond

is

formed2324广泛应用在光电元件的III-V族(GaAs)与II-VI族(CdS)化合物半导体，是共价键倾向离子键。广泛应用在介电，压电，磁性，以及超导体的陶瓷材料，大部份都是离子晶体。如CsCl，ZnS，BaTiO3，Fe3O4….等。由于离子键的结合力很大，所以离子晶体的硬度高、强度大、熔点和沸点较高、热膨胀系数较小，但脆性大；由于离子键中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体；在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地束缚在离子的外围，可见光的能量一般不足以使其外层电子激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体往往是无色透明的。241.1.4

原子结合键25Figure When

voltage

is

applied

to

an

ionic

material,

entireionsmust

move

to

cause

a

current

to

flow. Ion

movement

isslowand

the

electrical

conductivity

is

poor2526二次键一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。在另一些情况下，原子或分子本身已具有稳定的电子结构，如惰性气体及CH4

,CO2,H2或H2O等分子，分子内部靠共价键结合使单个分子的电子结构十分稳定，分子内部具有很强的内聚力。然而，众多的气体分子仍然可凝聚成液体或固体，显然它们的结合键本质不同于一次键，不是依靠电子的转移或共享，而是借原子之间的偶极吸引力结合而成，这就是二次键。261.1.4

原子结合键27范德瓦耳斯键（van

der

Waals

bond）从统计的角度，电子的分布具有球形对称性，并不具有偶

极矩。然而，实际上原子的负电荷中心与正电荷（原子核）中心并不一定重叠，产生一个偶极矩，此外，一些极性分

子的正负电性位置不一致，也有偶极矩。当原子或分子互相靠近时，一个原子的偶极矩将会影响另一个原子内电子的分布，电子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些，这样使两个原子相互静电吸引，体系就处于较低的能量状态。这种不带电荷粒子之间的偶极吸引力称为范德瓦耳斯键（分子键）。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，另外，工程材料中的塑料、石腊等也是依靠它将大分子链结合为固体。分子键结合的材料：熔点低、硬度低，有良好的绝缘性。271.1.4

原子结合键28Figure Illustration

of

London

forces,

a

type

of

a

vander

Waals

force,

between

atoms28292）氢键（hydrogen

bond）氢键的本质与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子（或分子、原子团）的偶极吸引力结合起来的，只是氢键中氢原子起了关键作用。氢键可以表达为：X—H…Y

。氢与X原子（或原子团）为离子键结合，与Y之间为氢键结合，通过氢键将X、Y结合起来，X与Y可以相同或不同。水或冰是典型的氢键结合，它们的分子H2O具有稳定的电子结构，但由于氢原子单个电子的特点使H2O分子具有明显的极性，因此氢与另一个水分子中的氧原子相互吸引，这一氢原子在相邻水分子的氧原子之间起了桥梁的作用。氢键的结合力较范德瓦耳斯键为强。在带有—COOH、—OH、—NH2原子团的高分子聚合物中常出现氢键，依靠它将长链分子结合起来。氢键在一些生物分子如DNA

中也起重要的作用。291.1.4

原子结合键30混合键铁是金属键和共价键的混合键结合的，所以铁原子不会像理想情况排列那么紧密。二种以上金属间形成的化合物也可能是金属键和离子键的混合键结合的。它们不具有金属特有的塑性，往往很脆。元素间电负性差别越大，离子键的比例也越大。锂的电负性是1.0，铝的的电负性是1.5，AlLi应该是金属键和离子键的混合键。另一方面，铝和钒的电负性都是1.5，Al3V应该主要是金属键结合的。许多由金属和非金属元素组成的陶瓷和半导体化合物是共价键和离子键的混合键。元素间电负性差别越大，离子键的比例也越大。共价键的比例＝

exp（-0.25ΔE2）

ΔE-电负性差

301.1.4

原子结合键31Figure The

Keesom

interactions

are

formed

as

a

result

ofpolarization

of

molecules

or

groups

of

atoms. In

water,electrons

in

the

oxygen

tend

to

concentrate

away

fromthehydrogen. The

resulting

charge

difference

permits

themolecule

to

be

weakly

bonded

to

other

water

molecules3132Figure

(a) Inpolyvinylchloride

(PVC),

thechlorine

atoms

attachedto

the

polymer

chainhave

a

negative

chargeand

the

hydrogen

atomsare

positively

charged.The

chains

are

weaklybonded

by

van

derWaals

bonds.

Thisadditional

bondingmakes

PVC

stiffer,(b)When

a

force

is

appliedto

the

polymer,

the

vander

Waals

bonds

arebroken

and

the

chainsslide

past

one

another3233实际上二氧化硅（SiO2）是共价键和离子键的混合键。其中共价键占的比例是多少？例题1-3

解答：硅的的电负性是1.8，氧的电负性是3.5共价键的比例=exp[-0.25(3.5-1.8)2]=exp(-0.72)=

0.486虽然二氧化硅中共价键的比例约占一半，但是共价键的方向性在实际的SiO2结构中仍然起着重要作用。33例题1-3Determine

if

Silica

is

IonicallyorCovalently

Bonded34图1-8

双原子作用模型Atoms

or

ions

areseparated

byandequilibrium

spacingthat

corresponds

tothe

minimum

inter-atomic

energy

for

apair

of

atoms

or

ions(or

when

zero

force

isacting

to

repel

orattract

the

atomsorions)34Section

1.1.5结合能和原子间距35由排斥力和吸引力的平衡产生的原子的平衡距离称为原子间距（Interatomicspacing）

。例如，在金属键中，电子和离子核间的排斥力受到离子间的吸引力的平衡作用。原子间距对应于双原子作用模型中结合能最低的位置，此时，排斥力和吸引力的合力—作用力为0。固体金属材料中的原子间距近似等于原子直径。而对于离子键结合的材料，原子间距等于两个不同离子半径的和。双原子作用模型中最小的能量就是结合能（Bindingenergy）

，即产生或者破坏结合需要的能量。因此，结合能高的材料其强度和熔点也很高。由于离子间电负性差异比较大，离子键