原子结构和键合.

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1、第2章 材料科学基础 l材料不是力学意义上的连续介质，而是具有丰富多彩 的不同层次结构的物质。而且，从微观到宏观，各个 层次上的结构都具有不同的特征，它们均在不同程度 上和不同的范围内影响着材料的行为与性能。近百年 来，经过几代人不断地试验与研究、探索与归纳，已 经就不同结构层次上材料的特征与行为而总结出许多 规律来，建立了相应的概念、原理，它们共同组成材 料科学的基本理论。 l本章依次介绍其主要理论框架： l材料的原子结构和键合作用； l材料的原子排列特征； l材料的结构缺陷； l材料中的原子扩散； l材料的相图与相变； l材料的强化与韧化等。 第一节 原子结构和键合 Atomic Stru

2、cture and Interatomic Bonding 物质(Substance)是由原子（atom）组成 在材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力学 材料的微观结构（Microstructure of Materials） 决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构， 原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规 律，以及原子集合体的形貌特征 人类认识原子历史回顾人类认识原子历史回顾 11原子结构原子结构 （Atomic Structure Atomic Structure ） 一、

3、物质的组成（Substance Construction） 物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒 l1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 l1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 l1913年 N.Bohr将 lBohr atomic model 二、原子的结构 l核外电子的排布（electron configuration)规律 l描述原子中一个电子的空间和能量

4、，可用四个量子数（quantum numbers）表示 镁(原子序数12)原子结构中K,L和M量子壳层的电子分布状况 1.能量最低原理 基态原子核外电子的排布力求使整个原子的能量处于最低状 态。 填充顺序：构造原理 2.泡利不相容原理 基态多电子原子中不可能同时存在4个量子数完全相同的电 子。 或：在一个轨道里最多只能容纳2个电子，它们的自旋方向 相反。 3.洪特规则 基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、单独地填入简 并轨道。 三、元素周期表（periodic Table of the Elements) l元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是 划

5、分元素的依据 l同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 l l元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form) l7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)递增 的顺序从左至右排列 l18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个族、1个零族 （Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列 。 原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数 主族序数最 外 层 电 子 数 零族元素最外层电子数为8（氦为2） 价电子

6、数（Valence electron） l2原子间的键合 ( Bonding type with other atom) l一、金属键（Metallic bonding） l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 l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 l性质：良好导电、导热性能，延展性好 l二、离子键（Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物 l 特点：以

7、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 l 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体 实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation） 非金属原子 带负电的负离子（anion） e NaCl离子键 l三、共价键（covalent bonding） l 亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料 l实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 l特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s电子除外） l性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 l四、范德华力（Van der waals bonding) l包括：静电力(electrostatic)、诱导

8、力(induction)和色散力 (dispersive force) l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 l五、氢键（Hydrogen bonding） 极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位， 氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性 l离子晶体 l共价晶体 l高分子晶体（线型高聚物） 高分子晶体（体型高聚物） 工程材料的键性 l工程上使用的材料，有的是单纯一种键，但更多的是几种键的结 合。根据键性可以大致估计出材料的性能。 l 金属材料 l 金

9、属材料的结合键主要是金属键，也有以共价键（如灰锡为 共价键、白锡为金属键）和离子键（如金属间化合物Mg3Sb2、 CuGe、MgSi2等）为主的。过渡族金属及其合金也不是典型的金属 键，现代观点认为是不饱和共价键，因而结合力强、熔点高、弹 性模量大，而导电性远不如简单金属（如碱金属）。钢铁等过渡 族金属及合金为重要结构材料的基础。 l无机非金属材料（陶瓷材料） l形成稳定无机晶体的主要作用力是正、负离子间的静电引力（如 NaCl），以及原子间共有电子对形成的共价结合。陶瓷材料的结 合键是离子键和共价键，多以离子键为主，所以陶瓷材料有高的 熔点和很高的硬度，但脆性较大。有些陶瓷材料，它们由性质相

10、 差不大的非金属元素或类金属元素构成，如SiC和硅酸盐，还有某 些这类元素的单质，如金刚石、单晶硅和砷等，这些材料完全或 主要是共价键结合。共价键本身是很强的，但是以这种方式结合 起来的材料，其延展性和导电性都很差。 l高分子材料（高聚物） 只含有非金属元素的材料可 通过共有电子而形成大分子，成为工程上的高分子材 料，这类材料是非金属化合物。高分子材料的结合键 是共价键和分子键，即大分子链内的原子键合（如碳 与氢、碳与碳）是共价键，而大分子链与链之间是弱 的分子键。由于高分子材料的分子量很大，所以大分 子间的作用力也达到相当大程度，因而也具有一定的 力学特性。 l 显然，复合材料一般更是多种结

11、合键的组合。 材料的导电性和超导电性 l金属键形成之后，一般金属具有外层未填满的能带，价电子是自 由的，可以导电；而非金属则具有较内层的满带和外层的空带， 故为绝缘体（又称为介电体）；如果以上能带之间的间隔（称能 隙）较小（约leV，而绝缘体则约为6eV），因而在不很高的温度 下，满带中的部分电子受热运动的 影响，能够被热激发而越过 禁带，进入到上面的空带成为自由电子，从而产生导 电能力， 便是半导体。 l材料在一定温度以下，其电阻为零和排斥磁力线（即完全抗磁性 ）的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻、超 导电现象的材料，称为超导体。 l3高分子链（High polymer Ch

12、ain) l近程结构（short-range Structure) l一、结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito) l1.碳链高分子 聚乙烯 l主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得 l如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯 l杂链高分子 涤纶 l主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价键联接，缩 聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛 、聚苯醚、聚酚等 l3.元素有机高分子 硅橡胶 l l主链中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素与O组 成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分

13、子的特性 ，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶 l4.无机高分子 二硫化硅 聚二氯氮化磷 l主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成， 这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解 二、高分子链结构单元的键合方式（bonding tape） l1.均聚物结构单元键接顺序 单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中 的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键 接方式（以氯乙烯为例）： 头头 尾尾 头尾 双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同 l2.共聚物的序列结构（Copolymers） l

14、按结构单元在分子链内排列方式的不同分为 三、高分子链的结构（structure） 不溶于任何溶剂， 也不能熔融， 一旦受热固化便 不能改变形状 热固性（thermosetting） 四、高分子链的构型（Molecular configurations） l链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之 须通过化学键断裂才行 l旋光异构体（stereoisomerism） l由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在 两种旋光异构单元 ，有三种排列方式 几何异构（Geometrical isomerism） 双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键

15、，且双键 不能旋转，从而每一双就可能有 顺式 反式 两种异构体之分， 对于大分子链而言就有 称为几何异构 二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 远程结构（Long-range Structure) l一、高分子的大小（Molecular Size） l高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性 l平均相对分子质量 l高分子链中重复单元数目称为聚合度 不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质， 对加工和使用也有很大影响 。 数均相对分子量 每链节的质量 对力学性能 起决定作用， l二、高分子的形状（Molecular shape） l主链以共价键联结，有一定键长 d和键角，每个单键都能内旋 转（Chain

16、twisting）故高分子在空间形态有mn-1( m为每个单键 内旋转可取的位置数，n为单键数目) l统计学角度高分子链取 伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲 （zigzag）构象几率极大 l高分子链的总链长 l均方根 三、影响高分子链柔性的主要因素 （the main influencing factors on the molecular flexibility） 高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility） 人类认识原子结构的简单历史 关于世界本原的看法，早在古希腊有多种。泰 勒斯认为是水，毕达哥拉斯派认为是数，赫拉克利 特认为是火，巴门尼德认为是无限的一和中国 的道家看法类似，恩培多克勒认为是土、气、火、 水四种