材料第三讲教材

作业化学键：金属键、离子键、共价键分子键：氢键、分子键（范德华键）物质是由分子组成的，分子是由原子组成的。分子中原子的作用力-化学键；分子之间的作用力-氢键、分子键。3/15/20241第二章材料的组成与结构2.1材料的组成2.2材料的结构3/15/20242一、材料中的化学键合作用(1)金属键(2)离子键(3)共价键(4)氢键(5)分子键3/15/20243为什么化学组成相同（C）的石墨与金刚石有完全不同的性质？材料中原子和离子的排列显著影响材料的性质。二、材料的微观结构非晶多晶单晶3/15/202441、晶体结构是指原子或原子团、离子或分子按一定规律呈周期性地排列构成的物质。(三维空间有序)3/15/202452、非晶态结构是指原子、原子团或分子呈无序排列的固体。近程有序、长程无序(>20nm)。玻璃、橡胶、塑料等都是非晶态固体钠钙玻璃3/15/20246例如：Si钢—Fe78%、Si10%,B12%,作为铁芯，磁性材料3/15/202473/15/20248视频1：非晶态材料（3:29)材料科学和工程的前沿技术之一局限性：不稳定.视频2：电网节能新方向—非晶合金变压器(1:0)3/15/20249国家“十二五”科技发展规划(-2015年）中提出的大力培育和发展战略性新兴产业（七个）：1、节能环保；2、新一代信息技术；3、生物产业；4、高端装备制造；5、新能源：积极发展新的可再生能源、智能电网和储能系统等关键技术、装备及系统。6、新材料：大力发展新型功能与智能材料、先进结构与复合材料、纳米材料、新型电子功能材料、高温合金材料等关键基础材料。7、新能源汽车3/15/202410新材料要开发新的应用领域：非晶合金在能源的节能领域找到大显身手的机会。新能源领域充满了挑战与机遇，希望同学们不要错过机会对全球经济发展极其重要的一些领域进行一些较深入的了解，并将它们有机的联系起来。3/15/202411为了实现节能、减排需要大量投资，预测投资：2011～2020年投资6.8万亿美元，输电和配电(T&D)占44%；煤12%，风能占12%。2021～2035年将投资10.1万亿美元。3/15/202412三、晶体结构1、几个基本概念晶体：是指原子或原子团、离子或分子按一定规律呈周期性地排列构成的物质。(三维空间有序)晶粒：材料组织是由无数小晶体组成的，这个小晶体就是一个晶粒．各晶粒内部原子排列的情况(晶体结构)是一样的。晶界：由多晶体组成的金属及合金中，每个晶粒都有它自己的固定取向，这些取向不同的相邻晶粒之间的交界，称为晶界。3/15/202413材料的SEM图3/15/202414在晶体结构中，原子或离子总是以某种方式与周围的原子或离子相互结合。配位数：每个原子或离子周围与它直接相邻的原子或异号离子的数目称为该原子或离子的配位数。晶胞：在晶格中取出一个能代表原子在空间的排列规则的最小基本单位，称为晶胞。晶格是由无数大小、形状和方向相同的晶胞在空间重复排列而成的。晶格常数：晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱面夹角α、β、γ来表示。棱边的长度a、b、c称为晶格常数，其大小常以Å(埃)为单位。3/15/202415晶体—点阵---晶格---晶胞晶格常数3/15/2024162、晶体的七大晶系：根据晶格常数a,b,c和晶面夹角α,β,γ,可将晶体分为七大类。(1)立方晶系：a=b=c,α=β=γ=90˚；3/15/202417(2)正方晶系：a=b≠c。α=β=γ=90˚；3/15/202418(3)三方（菱形）晶系：a=b=c，α=β=γ≠90˚；SiO2石英晶体具有不对称性，可作压电材料3/15/202419(4)斜方（正交）晶系：a≠b≠c,α=β=γ=90˚；3/15/202420(5)单斜晶系：a≠b≠c,α=γ=90˚，β≠90˚(6)三斜晶系：a≠b≠c,α≠γ≠β≠90˚；(7)六方晶系：a=b≠c,α=β=90˚，γ=120˚很多压电材料具有三斜晶系结构，无对称性。3/15/2024213、典型的晶体结构演变典型的晶格结构1原子球的正方排列简单的立方晶格晶胞3/15/202422典型的晶格结构2体心立方排列体心立方晶格晶胞0.31r03/15/202423典型的晶格结构3原子球的密排堆积方式六角密排晶格晶胞CBA排列方式：ABABAB…..六角密排晶格3/15/202424典型的晶格结构3原子球的密排堆积方式面心立方晶格晶胞CBA立方密排晶格：ABCABC…..面心立方3/15/202425典型晶格结构4金刚石结晶结构闪锌矿结晶结构A+B-

在面心立方晶胞的四条对角线上，相间在长度为1/3处各排列一个原子，共四个，形成的晶格为金刚石结构。当对角线上的原子与面心立方体上的不同时，为闪锌矿结构。3/15/202426黄铜矿结晶结构CuInSe当闪锌矿结构中面心立方上的原子为两种金属原子时，为黄铜矿结构。3/15/202427四、微观结构的不完整性–缺陷点缺陷线缺陷面缺陷1.缺陷对材料性能，比如对结构敏感的屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响.2.晶体缺陷与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结有着密切关系。3/15/202428缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷。点缺陷可分为热力学平衡缺陷和杂质缺陷。1、点缺陷3/15/202429(1).热缺陷:

热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。类型:弗兰克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖脱基缺陷（Schottkydefect）热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加。3/15/202430热缺陷产生示意图

（a）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）（b）单质中的肖特基缺陷的形成3/15/202431A弗兰克尔缺陷离开平衡位置的原子（离子)，挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子。B肖特基缺陷离开平衡位置的原子（离子),迁移到其他空位或晶体界面、表面。3/15/202432（2）杂质缺陷:

亦称为组成缺陷，是由外加杂质所产生的缺陷。类型：间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。3/15/202433从位置上看，它可以进入结点位置，也可以进入间隙位置

置换原子缺陷间隙原子缺陷3/15/2024341-大的置换原子2-肖脱基缺陷

3-小的间隙原子4-复合空位5-弗兰克尔缺陷6-小的置换原子点缺陷为什么对强度有影响？3/15/202435刃位错2.线缺陷线缺陷是指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即晶体中一维方向较长，另外二维方向很小的缺陷。3/15/2024361934年提出位错的概念τττ3/15/202437螺位错3/15/202438位错的滑移和晶体变形刃位错在外力作用下的滑移运动造成了晶体的塑性变形。螺位错在外力作用下的滑移运动造成了晶体的塑性变形。3/15/2024393.面缺陷面缺陷是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面结构等。3/15/202440五、晶体的类型（化学键来分）1、离子键晶体离子键作用的正、负离子在晶格点阵上排列；熔点、硬度较高；硬而脆；不导电、在水溶液中溶解导电，熔融导电；盐、金属氧化物；由离子半径、离子电荷、离子电子层决定；晶格类型很多3/15/202441A.氯化铯（CsCl）型立方-体心立方8个Cs原子包围1个Cl原子，或相反；晶胞中一个Cs原子和一个Cl原子；所含分子数N=1正、负离子的配位数：8称为：8:8配位CsBr、CsI3/15/202442B.岩盐（NaCl）型立方-简单立方体Cl-Na+面心立方：Cl-形成面心立方，Na-在间隙中。NaCl晶胞3/15/202443晶胞：4个Na+离子、4个Cl-离子；N=4配位数：6称为：6：6配位NaF、AgBr、BaO3/15/202444C.闪锌矿（ZnS)型

面心立方的八条对角线上相间排列4个离子闪锌矿结晶结构A+B-

N=4配位数：4称为4：4配位ZnO、AgI、ZnS3/15/202445D.萤石（CaF2）型面心立方结构的Ca2+离子8个对角线上各有一个F-离子。1正离子与8负离子相邻1负离子与4正离子相邻称为8：4配位N=43/15/202446离子半径与配位数：正、负离子尽可能紧密地排列才能稳定离子间距：d=r++r-3/15/202447晶格能：在标准状态下，使一摩尔的离子变成为气态离子时所吸收的能量。-离子键的作用大小。晶格能越大，熔点越高、硬度越大。大小：与正、负离子半径之和成反比，与正、负离子价数成正比，3/15/202448离子的极化与变形离子键与共价键的区别：离子键属于离子之间的纯的静电作用力，不含有轨道重叠组合的成分；共价键则纯粹是由原子轨道的重叠组合形成。离子之间存在着相互极化作用，使离子间的相互作用力(化学键)由离子键向共价键转化。3/15/202449离子的极化作用：使其他离子产生诱导偶极的作用。带电的正、负离子靠近，正离子吸引负离子的电子、排斥其原子核；离子价数、半径、离子外层电子结构有关。极化同时导致离子变形。+--+-+3/15/202450极化对键型的影响：单纯的离子键：没有极化和变形；极化越大、变形越大，则离子键中共价键的成份越多。结论：离子键和共价键不能绝对分开。3/15/202451极化对化合物性质的影响(1)使正、负离子的电子云部分重叠，由离子键转变为共价键。(2)使正、负离子间的电荷迁移更加容易，物质更容易吸收某一波段的可见光，从而使物质的颜色变深。(3)使物质的离子性减小，在水中的溶解度降低。(4)使得负离子的电子云向正离子偏移，自身更容易发生分解反应（即正离子氧化负离子），因而物质的热稳定性降低。3/15/2024522、原子晶体（共价键晶体）中性原子在晶格点阵上，以共价键结合。金刚石结晶结构如：金刚石，金刚砂SiC，Si，Ge

等特点：硬度大、熔点高，多数不导电，难溶于一般的溶剂。3/15/2024533、分子晶体共价小分子通过分子间作用力(和氢键)结合而成的晶体称为分子晶体。晶格点阵上排列的是分子。硬度很低、熔沸点很低，不导电、延展性差。二氧化碳固体3/15/2024544、金属晶体金属离子和自由电子通过金属键结合在一起形成的晶体。金属键无方向性，因而其能量最低的结构是每个原子的周围都有尽可能多的相邻原子-紧密堆积结构，配位数高---密度大。特点：有光泽、导电性、导热性、延展性好3/15/202455A.体心立方结构BCC(body-centeredcubicstructure)例如，在常温下的铁、铬、钨等是属于这类结构。3/15/20