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1、第一章 固体材料的结构基础知识 问题的提出与思考： 材料是用来制造器件的物质。与物质有关的学科物理、化学、量子力学物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按 一定的方式聚集而成的集合体）1 1第一章 固体材料的结构基础知识l第一节 原子结构及键合 1.1 原子结构 原子是由原子核（带正电的质子和呈 电中性的中子组成）和核外电子（ 带负电荷）构成。 特点： 体积很小，但是质量大部分都集中在 原子核内，原子核的密度很大。 核外电子的质量虽然可以忽略，但是 它们的分布却是原子结构中的最重 要的问题，它不仅决定了单个原子 的行为，也对材料内部原子的结合 及其材料的一些性能起着重要的作 用。2 2l111
2、原子的电子排列电子在核外的运动是测不准的，但是电子的旋转轨迹也不是 任意的。 电子在核外的运动变化规律（薛定谔方程 ）： 四个量子数： （1） n（主量子数）：确定电子距离内核远近和能量高低的主要参数 ，电子的能量随n的增大而增高。 （2） L（次量子数）：反映轨道的形状，由s、p、d、f四个 量子数表示各轨道在原子核周围的角度分布不同，次量子数也影响轨道的能级。（3） m（磁量子数）：确定轨道的空间取向。（4） ms（自旋量子数）：表示在每个状态下可以存在自旋 方向相反的两个电子。3 34 45 5原子核外电子的分布除了与这四个量子数 有关外，还服从以下两项基本原理：l泡利不相容原理：一个原
3、子中不可能存在 有四个量子数完全相同的两个电子；l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；l洪德定则：在未填满的壳层中，电子的自 旋值应该尽量地大。6 6112 元素周期表及其性能的周期变化7 7l几个概念： （1）原子的电离能 指气态原子在最低能态失去电子时所需要的能量 。元素的电离能越小，则越容易失去电子而成 为正离子。 （2）电子的亲和能 指气态原子获得一个电子时所放出的能量。元素 的电子亲和能越大，则越容易获得电子形成负 离子。 （3）原子的电负性原子在形成价键时吸引电子的能力，用以比较各 种原子形成负离子或正离子的倾向。两元素的 电负性差越大，所形成的
4、键的极性就越强。8 8l12 键合固体材料中的原子（此处“原子”这一名词仅仅是 为了标志一种简单结构的质点，是离子、原子或分 子可以不必追究，下同）之间存在着一定的结合力 ，物质依据这种结合力将各种原子连接起来，使材 料保持着一定的几何形状或物性，原子间的结合力 也称为结合键，材料的许多性能在很大程度上都与 结合键的大小或类型有关。根据结合键的强弱常分 成一次键和二次键两大类。 一次键：依靠电子的转移或共享来实现的一种结合力 ，结合力较强，包括离子键、共价键和金属键； 二次键：借助原子或分子间的偶极吸引力而形成，结 合力较弱，包括范德华键和氢键。9 9l121 键合的类型 (1) 离子键101
5、0离子健合的意义及其特点： （1）通常实现离子键合的一方为金属元素，而另一方为非金属 元素，它们分别位于周期表的水平两则； （2）由于金属元素放弃了它们的价电子给非金属元素，使得两 者的原子都变得稳定，形成惰性气体元素的电子构型，并分 别成为正离子和负离子。这种形式的结合使得系统的能量处 于最低位置，形成最稳定的结合状态，它们之间的键合也较 牢固； （3）离子键合不具有方向性，其健力的大小在环绕离子的所有 方向上相等，就是说，一个离子可以吸引几个电荷相反的离 子，形成所谓的大分子结构，当大分子结构足够大时，就形 成了离子晶体的固体材料； （4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高
6、 、硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。 （5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不 良导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶 体中的运动而导电。1111（2）共价健1212共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共 价键 ； （2）饱和性。根据量子力学理论，已成对的电子不能再与其它 原子中的电子结合成对，即共价结合的原子所能形成键的数 目有一最大值，当原子的价电子数为N时，应建立（8N） 个共用电子对才达到共价结合。 （3）方向性。共价键是借共享的电子结合而成的，相邻两原子 的外层未满壳层电子云重叠越多，所形成的共价键就越稳定 ，因
7、此，电子云是按其最大密度的方向重叠的，各个共价键 之间有确定的相对取向，带有明显的方向性。 （4）在外力的作用下，原子发生相对位移时，键将被破坏，故 共价键的材料通常都不具有塑性，是较为典型的脆性材料； 为使电子运动产生电流，必须破坏共价键，需要高温、高压 ，因此共价键材料又都具有良好的绝缘性能。但是共价键的 结合能变化范围较大，共价键的结合能可以很强，如金刚石 非常坚硬、熔点非常高；共价键的结合能也可以很弱，如铋 270左右即可熔化。 1313（3）金属键1414金属键的意义及其特点： （1）由金属正离子和自由电子之间相互作用而形 成的结合称为金属键 （2）金属键中的电子处于共用化状态，将原
8、子维 持在一起的电子并不固定在一定的位置上，所 以，没有饱和性和明显的方向性。 （3）金属键结合的金属材料具有良好的导电性能 、导热性能。此外，金属键的结合能比离子晶 体和共价晶体低一些，但是过渡族金属的结合 能则要大些。各种金属键的结合能存在着较大 的差异，因此各种金属的强度、熔点等相差较 大。 1515（4）范德华键 意义及其特点： l范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生 的键合现象； l除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无 饱和性和方向性。1616（5）氢键 意义及其特点： l依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原 子起到了关键作用； l 具有明显的饱和性和方向性，结合力
9、大于范德华 键，主要存在于分子内或分子间，如高分子材料 中存在着大量的氢键。1717(6) 混合键实际的材料大多为混合键： l 或由几种类型的键组合构成晶体 ； l 或以两种独立类型的键共同存在 。 实例： 陶瓷材料中主要是离子健和金属键； 一些气体分子以共价健结合，而分子凝聚时却依 靠范德华键； 金属中主要是金属键，但是还有其它的键，如共 价健、离子健等。 聚合物的长链分子内部是共价健结合，而链与链 之间则为范德华键或氢键。1818l 122 键合的本质及其性能l原子间斥力和引力 1919l原子间距(r0) ：两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距
10、离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 l结合能（E）:原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功 ，E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。2020（2）材料的结合能与性能l物质的性质依据键型的不同有很大的差异；l材料的密度与结合键型有关；l材料的力学性能等与结合键型的关系尤为明显 。21212222材料的组织l材料性能不但决定其组成相的性质，而且 与它们的形态、尺寸及相互分布情况有关 ，材料组织就是在光学显微镜或电子显微 镜下可观察到，能反映各组成相形态、尺 寸及分布。材料组织分析
11、研究中十分重要 的工作。2323成分和组织结构的检测l在材料成分和结构的分析方面，先进仪器的不断出 现对材料科学与工程的飞速发展起到了决定性的作 用。 （1）光学显微镜、X射线衍射仪、红外光谱、紫外 光谱、HRSEM、SEM、STEM、隧道扫描显微镜 （STM）、原子力显微镜（AFM）、红外原子力 显微镜（infrared AFM)、固态核磁共振、双准直离 子散射仪、高分辨率电子损耗光谱仪、俄歇能谱仪 、低能电子显微镜、自旋极化分析仪、场离子显微 镜、原子探针。2424结构材料的失效l一、材料的变形：材料在载荷的作用下发 生几何尺寸变化称为变形。l变形分为弹性变形和塑性变形l弹性变形和塑性变形
12、超过结构所允许的范 围，即发生过量弹性变形或过量塑性变形 失效。2525结构材料的失效l二、材料的断裂：固体材料在力的作用下分裂 为若干部分的现象称为断裂。 l材料的断裂过程包括裂纹的萌生和扩展两个过 程材料的品种不同，引起断裂的条件各异，材 料断裂的机理和特征也不尽相同。 l断裂的分类：（1）按照断裂前宏观塑性变形的 程度，断裂分为韧性和脆性断裂两类。（2）按 照断裂的取向，分为正断和切断。（3）按照裂 纹扩展的途径，分为穿晶断裂和沿晶断裂。（4 ）按照裂纹断裂机理，分为解理断裂、微孔聚 集型断裂和纯剪切断裂。 l衡量材料抗断裂能力的力学性能指标主要是抗 拉强度、疲劳强度、韧度及断裂韧度。2626结构材料的失效l材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。l磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。2727结构材料的失效l材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。28282929303031313232
