1材料结构的基本知识

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1、第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识一、一、原子结构原子结构 二、二、原子结合健原子结合健 三、三、原子排列方式原子排列方式 四、四、晶体材料的组织晶体材料的组织 五、五、材料的稳态结构与亚稳态结构材料的稳态结构与亚稳态结构概概 述：材料结构的不同侧面述：材料结构的不同侧面原子结构材料的性能内部结构原子键合原子排列晶 体非晶体取决于包括包括显微组织? 化学方面化学方面 ? 结构方面结构方面 ? 能量方面（热力学等）能量方面（热力学等）第一节第一节 原子结构原子结构一、原子的电子排列一、原子的电子排列可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成

2、。原子原子核原子原子核中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。电子电子绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。原子的结构1897年年 J.J Thomson 发现电子（发现电子（electron),揭示了原子内部秘密

3、揭示了原子内部秘密 1911年年 E.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型1913年年 N.Bohr: Bohr atomic modelBohr atomic model原子结构理论(9.1 10(9.1 10-28-28g)(10g)(10-13-13cm)电子 (10cm) 电子 (10- 8-8cm,1838倍)中子(10cm,1838 倍)中子(10-12-12cm)(10cm)(10- 8-8cm)(10cm)(10- 8-8cm,1836倍)质子原子核原子 cm,1836 倍)质子原子核原子 电子运动的轨道电子运动的轨道由四个量子数决定，分别是主量子 数、

4、次量子数、磁量子数及自旋量子数。由四个量子数决定，分别是主量子 数、次量子数、磁量子数及自旋量子数。 主量子数主量子数决定电子离核远近和能量 高低的主要参数。决定电子离核远近和能量 高低的主要参数。 次量子数次量子数量子轨道并不一定总是球 形的，次量子数反映了轨道的形状，各 轨道在原子核周围的角度分布不同。它 也影响轨道的能级，按量子轨道并不一定总是球 形的，次量子数反映了轨道的形状，各 轨道在原子核周围的角度分布不同。它 也影响轨道的能级，按s、p、d、f依次 升高。依次 升高。磁量子数磁量子数确定了轨道的空间取向，以确定了轨道的空间取向，以m 表示。没有外磁场时，处于同一亚壳层而空 间取向

5、不同的电子具有相同的能量，但在外 加磁场下，不同空间取向轨道的能量会略有 所差别。表示。没有外磁场时，处于同一亚壳层而空 间取向不同的电子具有相同的能量，但在外 加磁场下，不同空间取向轨道的能量会略有 所差别。 自旋量子数自旋量子数ms=+1/2，1/2，表示在每 个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。，表示在每 个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。各电子壳层及亚壳层的电子状态主量子数 壳层序号次量子数 亚壳层状 态磁量子数 规第的状 态数目考虑自旋 量子数后 的状态数目各壳层 总电子数主量子数 壳层序号次量子数 亚壳层状 态磁量子数 规第的状 态数目考虑自旋 量子数后 的状态数目各壳层

6、 总电子数12341s 2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f1 1 31 3 51 3 5 72 2 62 6 102 6 10 142（=212）8（=222）18（=232）32（=242）原子核外电子的分部与四个量子数 有关，且服从下述两个基本原理： （原子核外电子的分部与四个量子数 有关，且服从下述两个基本原理： （1）泡利不相容原理泡利不相容原理 一个原子中不 可能存在有四个量子数完全相同的两个 电子。 （一个原子中不 可能存在有四个量子数完全相同的两个 电子。 （2）最低能量原理最低能量原理 电子总是优先占 据能量低的轨道，使系统处于最低的能 量状态。电子总是优先占 据

7、能量低的轨道，使系统处于最低的能 量状态。电子能量水平随主量子数和次量子数的变化二、元素周期表及性能的周期性变化二、元素周期表及性能的周期性变化二、元素周期表及性能的周期性变化原子周期律原子周期律早在早在1869年，俄国化 学家门捷耶夫已发现了元素性质是按 原子相对质量的增加而程周期性的变 化。这正是由于原子核外电子的排列 是随原子序数的增加呈周期性变化。年，俄国化 学家门捷耶夫已发现了元素性质是按 原子相对质量的增加而程周期性的变 化。这正是由于原子核外电子的排列 是随原子序数的增加呈周期性变化。 族族周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。

8、周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。过渡元素过渡元素周期表中部的周期表中部的BB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。总结总结各个元素所表现的行为或性质一定 会呈现同样的周期性变化，因为原子结 构从根本上决定了原子间的结合键，从 而影响元素的性质。各个元素所表现的行为或性质一定 会呈现同样的周期性变化，因为原子结 构从根本上决定了原子间的结合键，从 而影响元素的性质。第二节第二节 原子结合键原子结合键 凝聚态凝聚态：固态和液态，原子之间

9、有结合健：固态和液态，原子之间有结合健 结合键结合键(bond)是指由原子结合成分子或固体的方式和 结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化 学、力学等性质。(bond)是指由原子结合成分子或固体的方式和 结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化 学、力学等性质。 键的形成键的形成在凝聚状态下，原子间距离十分接近， 便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，就形 成了键。在凝聚状态下，原子间距离十分接近， 便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，就形 成了键。 键分为一次键和二次键：键分为一次键和二次键： 一次键（强键）一次键（强键）结合力较强，在分子内起键合作 用的是强键。包括

10、离子键、共价键和金属键。结合力较强，在分子内起键合作 用的是强键。包括离子键、共价键和金属键。 二次键（弱键）二次键（弱键）结合力较弱，（可能比强键小3-4 个数量级），分子之间的相互作用大都为弱键。包括 范德瓦耳斯键和氢键。结合力较弱，（可能比强键小3-4 个数量级），分子之间的相互作用大都为弱键。包括 范德瓦耳斯键和氢键。1、一次键：、一次键：离子键（Ionic Bond） 正负离子间的静电作用是离子键的根源，正负离子间的静电作用是离子键的根源，多数 盐类、碱类和金属氧化物多数 盐类、碱类和金属氧化物离子键特点 键合特点：无饱和性、方向性、强键（一次键）键合特点：无饱和性、方向性、强键（一

11、次键） 离子键材料的性能特点：高熔点、高硬度、低塑 性、绝缘性能好离子键材料的性能特点：高熔点、高硬度、低塑 性、绝缘性能好 举例：举例：NaCl等等离子晶体典型的金属元素和非金属元素就是通过离子键 而化合的。此时金属原子的外层价电子转移到非金属 原子的外层，因而形成外层都是八电子层（满的 典型的金属元素和非金属元素就是通过离子键 而化合的。此时金属原子的外层价电子转移到非金属 原子的外层，因而形成外层都是八电子层（满的 nsns + + np np 支壳层）的金属正离子和非金属负离子。正负离子 通过静电引力（库仑引力（Coulombic Forces）而 结合成所谓离子型化合物（或离子晶体（

12、Ionic Crystal），因此,离子键又称极性键。显然离子化 合物必须是电中性的，即正电荷数应等于负电荷数。 离子化合物支壳层）的金属正离子和非金属负离子。正负离子 通过静电引力（库仑引力（Coulombic Forces）而 结合成所谓离子型化合物（或离子晶体（Ionic Crystal），因此,离子键又称极性键。显然离子化 合物必须是电中性的，即正电荷数应等于负电荷数。 离子化合物 Ax By Ax By 对晶体结构的唯一限制是 A 和 对晶体结构的唯一限制是 A 和 B B 的近邻数必须与化合比的近邻数必须与化合比x xy y成反比。这一限制也同时 限制了离子晶体的配位数（Coodi

13、native Number/CN） 最高为 8 。成反比。这一限制也同时 限制了离子晶体的配位数（Coodinative Number/CN） 最高为 8 。1、一次键共价键（Covalent Bond） 同号电荷聚集在两个原子之间，形成共用电子对。参与 共价键的主要为原子的外层电子（价电子），相邻原子 壳层的电子以共享的形式形成满壳层的稳定结构。同号电荷聚集在两个原子之间，形成共用电子对。参与 共价键的主要为原子的外层电子（价电子），相邻原子 壳层的电子以共享的形式形成满壳层的稳定结构。 氢分子的价键理论氢分子的价键理论共价键共价键价电子数为价电子数为4或或5个的个的A、 、 A族元素，离子

14、化比较困难，在这种 情况下，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，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，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，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。1、一次键：、一次键：共价键共价键的特点 键合特点：饱和性、方向性、强键（一次键）键合特点：饱和性、方向性、强键（一次键） 共价键材料性能特点：高熔点、高硬度、低塑 性、绝缘性共价键材料性能特点：高熔点、高硬度、低塑 性、绝缘性 可与离子键相混合，形成部分离子键可与离子键相混合，

15、形成部分离子键在形成共价键时，为使电子云达到最大限 度的重叠，共价键就有方向性，键的分布 严格服从键的方向性；当一个电子和另一 个电子配对以后就不再和第三个电子配对 了，成键的公用电子对数目是一定的，这 就是共价键的饱和性。此外，由于共价键 具有方向性，配位数比较小，同时共价键 的结合比较牢固，因此其结构较稳定，熔 点较高，硬度较大。 共价键 其键型（单键、双键或多键）、键长、键角等 参量反映其特征其键型（单键、双键或多键）、键长、键角等 参量反映其特征 IV族（亚金属）（C、Si、Sn、 Ge）IV族（亚金属）（C、Si、Sn、 Ge） III族和V族III族和V族 II族和VI族II族和V

16、I族 聚合物和无机非金属材料聚合物和无机非金属材料半导体材料金刚石中碳原子之间的共 价键 金刚石中碳原子之间的共 价键 共价键中共有电子对不能自由运动，因此共价结合形成的材料一般是绝 缘体，其导电能力差。共价键在亚金属（共价键中共有电子对不能自由运动，因此共价结合形成的材料一般是绝 缘体，其导电能力差。共价键在亚金属（C,Si,Sn等）、聚合物和无机非金属材料中起重要作用等）、聚合物和无机非金属材料中起重要作用。 共价晶体1、一次键 金属键（Metallic Bond） 金属原子的外层价电子 数比较少（通常金属原子的外层价电子 数比较少（通常s s, ,p p 价 电子数少于4），且各 个原子的价电子极易挣 脱原子核的束缚而成为 自由电子，在整个晶体 内运动，即弥漫于金属 正离子组成的