材料科学基础第一章.ppt

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1、本章主要内容要求基本概念和术语原子间的结合键对材料性能的影响用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的特征解释金属材料的性能：1.正的电阻温度系数；2.良好的延展性；3.良好的导电、导热性；4.具有金属光泽等。1.1原子结构1.1.1物质的组成物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。1.1.2原子结构(atomicstructure)原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。1.1.3原子的电子结构电子云(electionatmos

2、phere)———1.描述原子中一个电子的位置和能量用四个量子数(quantumnumber)：主量子数（电子层）、轨道量子数（电子亚层）、磁量子数（轨道数）、自旋角动量子数（自旋方向）。2.核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauliprinciple)、Hund规则(Hund’srule)。原子结构原子排列1.1.4元素周期表1.1.5原子的电离能、电子亲合能和电负性1.电离能(ionizationenergy)气态原子失去一个电子成为一价正离子所需要的最低能量称为第一电离能。从一价正离子失去一个电子成为二价正离子所需要的最低能量称

3、为第二电离能。依此类推。电离能的大小可以反映原子失去电子的难易程度。单位：电子伏特或千伏/摩尔。2.电子亲合能(electronaffinity)气态原子获得一个电子成为一价负离子所释放的能量。3.电负性(electronegativity)原子在化合物中把电子吸引向自己的本领。1.2原子间的键合结合键(bindingbond)：结合键分为：化学键－金属键、离子键、共价键物理键－范德华力、氢键1.2.1化学键（主价键、一次键）1.金属键(metallicbond)自由电子——金属正离子间特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。可以解释金属的一些特征，如良好的导电、

4、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的电阻温度系数。2.离子键(ionicbond)金属正离子——非金属负离子之间特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性。可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。金属键特点：电子共有化,没有方向性。特性：良好的导电、导热性；(2)不透明，具有金属光泽；(3)具有较高的强度和良好的塑性；(4)正的电阻温度系数。一种材料由两种原子组成，且一种是金属，另一种是非金属时容易形成离子键(Ionbond)

5、的结合(如图1.4-1)。由NaCl离子键的形成可以归纳出离子键特点如下：1.金属原子放弃一个外层电子，非金属原子得到此电子使外层填满，结果双双变得稳定。   2.金属原子失去电子带正电荷，非金属原子得到电子带负电荷，双双均成为离子3.离子键键的大小在离子周围各个方向上都是相同的，所以，它没有方向性。图1.4-1Cl与Na形成离子键Cl和Na离子在引力和斥力作用下，相互保持r0的距离，即F＝0，能量E为最小（如图1.4-2）的位置。每一个Cl（或Na）离子与其近邻的Na（或Cl）离子均保持这种最低的能量关系，从而，形成NaCl特有的晶体结构，如图1.4-3所示

6、。许多陶瓷材料主要是离子键结合的。离子键的结合能比较高，所以陶瓷材料的熔点也较高。表1.4-1列出了几种材料的结合能和熔点。图1.4-2Cl和Na离子保持r0的距离图1.4-3NaCl晶体3.共价键(covalentbond)两个或多个原子间共用电子对特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。1.2.2物理键（次价键、二次键）1.范德华力(VanDerWaalsforce)电偶极矩的感应作用特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，

7、无方向性。2.氢键(hydrogenbond)分子间特殊作用力表达为：X—H—Y特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。氢键主要存在于高分子材料内。图1.4-5由共价键方向性特点决定了的SiO2四面体晶体结构图1.4-4形成共价键的SiO2,蓝色圆圈代表Si的价电子，红色圆圈代表O的价电子1.2.3混合键实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键1.2.4结合键

8、的本质及原子间距原子间距