绪论晶体结合能

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1、第一章绪论主讲人：张骞材料科学基础绪论材料科学基础课程的教学内容主要介绍材料科学中的共性规律，即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能-材料用途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材料种类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表面与界面、相图、扩散、相变、固相反应及烧结等基础知识。材料按化学组成（或基本组成）分类根据材料的性能分类材料按服役的领域来分类材料按结晶状态分类材料按材料的尺寸分类材料分类材料按化学组成（或基本组成）分类金属材料无机非金属材料高分子材料（聚合物）复合材料根据材料的性能分类根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为结构材料和功能材料。结构材

2、料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。材料按服役的领域来分类根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。材料按结晶状态分类单晶材料是由一个比较完整的晶粒

3、构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等。按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料等。按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、包装材料等。材料组成-结构-

4、性质-工艺过程之间的关系材料科学与工程的四个基本要素：合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。探索这四个要素之间的关系(如图)，覆盖从基础学科到工程的全部内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。材料组成-结构-性质-工艺过程之间关系示意图合成与制备过程使用性能性质组成与结构（化学）（工程）（物理学）材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要决定于材料的组成与结构。使用性能是材料在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等。合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制

5、粉、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。第二章晶体结构——结合力与结合能晶体中质点间的结合力1.晶体中键的类型2.晶体中键的表征3.晶体中离子键、共价键比例的估算晶体中键的类型晶体中的原子之所以能结合在一起，是因为它们之间存在着结合力和结合能。按照结合力性质的不同，分为化学键（主价键或强键力）和物理键（次价键力或弱键力）。化学键包括离子键，共价键和金属键。物理键包括范德华键和氢键。离子键的特点及典型的离子晶体的性质离子键是正负离子依靠静电库仑力而产生的键合，离子键的特点是没有方向性和饱和性，质点之间主要依靠静电库仑力而结

6、合的晶体称为离子晶体。典型的离子晶体是元素周期表中第I族碱金属和第VII族卤族元素结合成的晶体。如NaCl，CsCl等。共价键的特点及典型的原子晶体的性质共价键是原子之间通过共用电子对或通过电子云重叠而产生的键合，共价键的特点是具有方向性和饱和性。靠共价键结合的晶体称为共价晶体或原子晶体。元素周期表中的第IV族元素C，Si，Ge，Sn等的晶体是典型的共价晶体。晶体中键的表征实际晶体中的键合作用可以用键型四面体来表示，方法是将离子键，共价键，金属键及范德华键这四种典型的键分别写在四面体的顶点上，构成键型四面体，如图所示。晶体中离子键、共价键比例的估算大多数氧化物及硅酸盐晶体中的化学键主要

7、包含离子键和共价键。为了判断晶体的化学键中离子键所占的比例，可以借助于元素的电负性这一参数来实现。一般情况下，当同种元素结合成晶体时，因其电负性相同，故形成非极性共价键；当两种不同元素结合成晶体时，随两元素电负性差值增大，键的极性逐渐增强。因此，可以用下面的经验公式计算有A、B两元素组成的晶体的化学键中离子键的百分数：离子键％＝1－exp[-1/4*(XA-XB)2]式中XA，XB分别为A，B元素的电负性值。例题：计算MgO和GaAs晶体中离子