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1、2020/9/26,材料科学基础 第一章,1,第一章 工程材料中的原子排列,认识材料的制备，结构，品质，服役，变化与损伤乃至破坏全过程并知道如何去控制它们的钥匙。 攀登材料科学与工程这一科学殿堂的阶石,2020/9/26,材料科学基础 第一章,2,第一章 工程材料中的原子排列,先进材料 金属，合金,美国航天飞机,2020/9/26,材料科学基础 第一章,3,第一章 工程材料中的原子排列,先进材料 合金热电材料,俄罗斯卫星,2020/9/26,材料科学基础 第一章,4,第一章 工程材料中的原子排列,材料引言,什么是材料：世界万物凡于我有用者皆谓材料。 材料科学：是一门以固体材料为研究对象，以固体
2、物理，热力学，动力学，量子力学，冶金，化工为基础的多学科交叉基础应用学科。 材料分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料，复合材料。（按化学组成分类）,2020/9/26,材料科学基础 第一章,5,第一章 工程材料中的原子排列,固体中原子的相互作用、结合及排列方式； 晶体的特征及其描述方法； 晶体结构的特点； 各种晶体之间的差异； 晶体结构中缺陷的类型及性质等。,本章主要内容：,2020/9/26,材料科学基础 第一章,6,1.1 原子键合,材料处于液态和固态时凝聚态，此时，原子(分子、离子)间距很近，产生较强的相互作用力结合力或结合键；,原子间作用力与原子间距的关系,2020/9/26,材
3、料科学基础 第一章,7,1.1 原子键合,结合键可分为化学键和物理键两类：,化学键：由于电子运动使原子产生聚集的结 合力，结合力较强，也称为一次键， 包括金属键、共价键和离子键。 物理键：也叫二次键，包括分子键由于范 德瓦尔斯力作用和氢键多在高分 子材料中。,2020/9/26,材料科学基础 第一章,8,1.1 原子键合,金属键与金属晶体,典型金属原子结构：最外层电子数很少，价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云电子共有化；,金属键,金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合即为金属键；,特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性。,2020/9/26,材料科学基础 第一章,9,
4、 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,2020/9/26,材料科学基础 第一章,10, 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,2020/9/26,材料科学基础 第一章,11,1.1 原子键合,金属晶体的特点：,自由电子的存在使金属具有良好的导电和导热性能： 在外电场的作用下自由电子会做定向移动，形成电流金属导电性强；,金属的一部分受热时，受热部分的自由电子能量增加，运动加剧，不断与金属离子碰撞而交换能量，把热从一部分传向各整体金属导热性好。,由于金属键既无饱和性又无方向性，每个原子
5、可能同更多的原子相结合并趋于形成低能量的密堆结构； 当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不会使金属键破坏，使金属具有良好延展性；,2020/9/26,材料科学基础 第一章,12,1.1 原子键合,共价键与共价晶体,核外电子云达到最大的重叠,特点：共价键中原子以一定角度邻接，有确定的方位， 即有方向性；与某一原子共价结合的原子数最多 8N个，配位数较小，即有饱和性。 亚金属(C、Si、Sn、Ge)，聚合物和无机非金属材料多为共价键。 结合力大，共价晶体熔点高、质地硬脆、导电能力差。,共价键：由二个或多个电负性差不大的原子间通过 共用电子对而形成的键合方式。,2020/9/26,材料科学基础
6、第一章,13,硅的共价键,1.1 原子键合,金刚石的共价结合及其方向性,2020/9/26,材料科学基础 第一章,14,1.1 原子键合,离子键与离子晶体 离子键是多数盐类、碱类和金属氧化物的结合方式。 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),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。 离子晶体性质： 离子键正负离子静电引力较强，结合牢固，故熔点高、硬度高、热膨胀系数小、脆性大； 很难产生自由运动的电子所以是良好的电绝缘体； 高温熔融状态时正负离子在外电场作用下可以自由运动，呈现离子导电性。,2020/9
7、/26,材料科学基础 第一章,15,1.1 原子键合,离子键,NaCl的离子结合键,2020/9/26,材料科学基础 第一章,16,1.1 原子键合,分子键(范德瓦尔斯键Van der waals bonding) 依靠偶极吸引力使中性原子或分子结合在一起的方式,2020/9/26,材料科学基础 第一章,17,1.1 原子键合,聚氯乙烯的范德瓦尔斯键,2020/9/26,材料科学基础 第一章,18,1.1 原子键合,氢键(Hydrogen bonding) 存在于HF、H2O、NH3和带有-COOH、-OH、 -NH2原子团的高分子聚合物中的极性分子键。,氢原子中唯一电子被其它原子所共有(共价
8、键结合)，裸露的氢原子核将与近邻分子的负端相互吸引氢桥，可表示为：X-HY,2020/9/26,材料科学基础 第一章,19,1.1 原子键合,水分子H2O有稳定的电子结构，但氢原子单个电子的特性使H2O具有明显的极性，氢原子与另一水分子中的氧原子相互吸引，在两个水分子的氧原子之间起桥键作用。 氢键介于化学键与物理键之间，结合力较范德瓦尔斯键强，具有饱和性，在高分子中占重要地位。,冰中水分子的排列及氢键的作用,2020/9/26,材料科学基础 第一章,20,1.2 原子的规则排列晶体学基础,固体材料可分为：,晶体：原子(分子,离子或原子集团)在三维空间按一定 规律作周期性重复排列的固体。 非晶体
9、：原子散乱分布，或局部区域为短程规则排列。 主要差别: 晶体 非晶体 长程有序 短程有序 有固定熔点 液、固转变温度不定 各向异性 各向同性,2020/9/26,材料科学基础 第一章,21,1.2 原子的规则排列晶体学基础,海盐,蓝宝石,雪花,常林 钻石,2020/9/26,材料科学基础 第一章,22,1.2 原子的规则排列晶体学基础,晶体的特征,1)自范性: 晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体 外形能力的性质,又称为自限性. 2)均一性: 指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征. 3)各向异性: 在晶体的不同方向上具有不同的性质. 4)对称性: 指晶体的物理化学性质能够在不同方向 或位置上
10、有规律地出现,也称周期性. 5)最小内能和最大稳定性,有固定的熔点.,2020/9/26,材料科学基础 第一章,23,1.2 原子的规则排列晶体学基础,晶体结构与空间点阵,晶体结构: 原子、分子、离子或原子集团按一定几 何规律的具体排列方式。 结构基元: 在空间排布上,每隔相同距离重复出现的 微粒(原子、离子)或由微粒按一定结构组 成的集团,简称基元。 结点: 将实际结构基元抽象成无体积的几何点,也称 阵点周围环境相同。 晶体格子: 把结点用直线联起来构成的空间格架即 晶体格子，简称晶格。,2020/9/26,材料科学基础 第一章,24,1.2 原子的规则排列晶体学基础,不同晶体的差别： 不同
11、晶体的晶胞，其形状、大小可能不同；围绕每个结点的原子种类、数量、分布可能不同。,空间点阵: 由这些结点构成的三维空间总体称为空间点 阵(空间格子或晶体点阵),结点又叫阵点,它 仅有几何意义, 并不真正代表任何质点。空 间点阵中所有阵点的周围环境都是相同的, 或者说，所有阵点都具有等同的晶体学位置.,晶体结构 = 结构基元 + 空间点阵,2020/9/26,材料科学基础 第一章,25,1.2 原子的规则排列晶体学基础,晶体的周期性： 整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向按一定间距重复出现形成的，结点间的距离称为该方向上晶体的周期。同一晶体不同方向的周期不一定相同。,晶胞： 从晶格中取出来、能完全
12、反映晶体特征(周期性和对称性)的最小几何单元平行六面体。晶胞在空间的重复堆垛即构成空间点阵。,2020/9/26,材料科学基础 第一章,26,1.2 原子的规则排列晶体学基础,晶胞参数： 晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示，此即晶格特征参数，称晶胞参数、晶格参数或点阵参数。它们是： 3条棱边的长度a、b、c; 3条棱边两两的夹角、。,晶胞坐标及晶胞参数,晶胞类型: 点阵晶胞：仅反映周期性最小的固体物理学原胞； 结构晶胞：既反映周期性，也反映对称性结晶学原胞。,2020/9/26,材料科学基础 第一章,27,1.2 原子的规则排列晶体学基础,点阵晶胞,结构晶胞,2020/9/26,材料科学基础
13、 第一章,28,1.2 原子的规则排列晶体学基础,简单晶胞: 也称初级晶胞,在平行六面体的八个顶点 上各有八分之一个阵点,故每个简单晶胞 只含有一个阵点. 复合晶胞: 非初级晶胞,除在平行六面体八个顶点上 有阵点外,体心、面心和底心上也有阵点, 所以每个复合晶胞中含有一个以上阵点. 晶轴: 以晶胞角上的某一阵点为原点,以过原点的三 个棱边为坐标轴x、y、z晶轴. 点阵矢量: 原点到各坐标轴上最近的第一个阵点的 单位矢量。,2020/9/26,材料科学基础 第一章,29,1.2 原子的规则排列晶体学基础,布拉菲点阵(Bravais lattice),布拉菲(Bravais)依据晶格特征参数之间关
14、系的不同，把所有晶体的空间点阵划归为7类,即7个晶系. 晶胞中有的阵点只位于顶点,有的还占据上下底面的面心,各面的面心或晶胞的体心等位置,尽管阵点(结点)在空间排列方式不同,但按照点阵对称性要求通过数学方法可以证明,7个晶系共包括14种点阵,称为布拉菲点阵.,2020/9/26,材料科学基础 第一章,30,1.2 原子的规则排列晶体学基础,简单三斜,abc 90,三斜晶系,2020/9/26,材料科学基础 第一章,31,1.2 原子的规则排列晶体学基础,正交晶系,简单正交,底心正交,体心正交,面心正交,abc 90,2020/9/26,材料科学基础 第一章,32,1.2 原子的规则排列晶体学基
15、础,六方晶系,简单六方,简单菱方,abc 90 120,2020/9/26,材料科学基础 第一章,33,1.2 原子的规则排列晶体学基础,正方晶系,简单正方,体心正方,abc, 90,2020/9/26,材料科学基础 第一章,34,1.2 原子的规则排列晶体学基础,立方晶系,abc, 90,简单立方,体心立方,面心立方,第二节 原子的规则排列,布拉菲点阵,Auguste Bravais (1811-1863,法国),14种点阵分属7个晶系,2020/9/26,材料科学基础 第一章,36,2020/9/26,材料科学基础 第一章,37,1.2 原子的规则排列晶体学基础,注意点： 晶体结构与空间点
16、阵的区别； 空间点阵只有14种，晶体结构是无限多的； 晶体结构=结构基元+空间点阵,2020/9/26,材料科学基础 第一章,38,1.2 原子的规则排列晶体学基础,具有相同点阵的晶体结构,晶体结构相似而点阵不同,2020/9/26,材料科学基础 第一章,39,1.2 原子的规则排列晶体学基础,晶向指数与晶面指数,晶向: 空间点阵中各阵点列的方向代表晶体中原 子列的方向,称为晶向. 晶面: 通过空间点阵中的任意一组阵点的平面代 表晶体中的原子平面,称为晶面. 密勒指数(Miller indices): 国际通用、用以表示晶向和晶面空间位置的符号,分晶向指数和晶面指数.,William H. Miller Professor of Chemistry,2020/9/26,材料科学基础 第一章,40,正交点阵中几个晶向的晶向指数,1.2 原子的规则排列晶体学基础
