第二章材料科学基础知识

《第二章材料科学基础知识》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第二章材料的微观世界内容概要地球上的物质都是由元素周期表中的元素组成的,本章将介绍各种元素结合成不同材料所遵循的基本原则,包括原子间结合力和结合能的特点,理想材料原子的排列方式,晶体缺陷,不同元素或化合物构成新物质的规律。最后,介绍电子的分布与运动对材料性能的影响。这些基本知识可以帮助大家认识为什么宇宙中有各种各样具有不同性能的材料,其根本原因在于不同材料具有不同的微观组织结构.学习要求：1、牢固地建立各种材料都具有不同的内部结构这一概念。2、明确内部微观结构有几个不同的层次。3、明确不同层次的结构对性能有不同

2、的影响。4、学会利用相图分析材料的组织。第一节固体原子间相互作用和材料分类　1.1元素周期表及电负性所有的材料都是由元素周期表上的元素所组成的。每种元素的原子都是由原子核及核外运动的电子所组成，电子在原子内部占据着不连续的能级（图2-1）。元素周期表揭示了每种元素的原子其电子在核外运动所采取的排列方式或状态。因此，我们不仅在化学中用元素周期表归纳和预测元素的化学行为，而且在材料科学中我们也将应用周期表来分析凝聚态材料的形成及性能。当自由原子凝聚而成固体时，邻近原子间将发生化学交互作用。有些原子易于失去电子，有些

3、原子易于得到电子，为了科学地比较各种元素的原子得失电子的难易程度，引入了原子电负性的概念，用它来表征一种元素的原子对外层电子的吸引能力，通常采用密立根定义：电负性＝0.18（I1＋A1）（ev）式中x为某种元素的原子，I1为该原子第一电离能，A1为电子亲和能，系数0.18是为了使La原子的电负性为1ev。显然,原子的电负性越大，吸引电子的能力越强。表2-1按元素周期表排列给出了各种元素的电负性值。可以看出，同一周期元素自左至右电负性逐步增加，同一族元素自上而下电负性逐渐减少，过渡族元素的电负性比较接近。这种变化

4、趋势可以这样理解：对于具有N个价电子的原子，其中每个价电子不仅受带正电的原子核的库仑吸引作用，还受到其他（N－1）个价电子对原子核电荷的屏蔽作用。由于这种屏蔽作用不完全，因此，作用在价电子上的有效电荷在+e到+Ne之间，随N增大，有效电荷将加强，因而在同一周期中元素自左至右电负性增大。对于同一族元素，自上而下价电子距原子核距离越来越远。因此库仑作用减弱，电负性减小。　1.2原子结合能与结合力当元素的原子相互距离为无限时，彼此间是不存在相互作用的。但他们相互靠近时，便会发生相互作用。这种相互作用既有吸引，也有排斥

5、。无论采取什么方式结合，吸引都是来自于异号电荷的库仑相互作用；排斥则一方面来自同号电荷的库仑相互作用，另一方面来自于泡利不相容原理决定的电子间相互作用。这种相互作用能与原子间相互距离的关系见图2-2a，由图中可见，吸引与排斥的综合作用与距离的关系存在着极小值，即能量最低值。从热力学观点，能量最低的状态是稳定存在状态。这表明当单个原子彼此靠近变成凝聚态时，在适当的原子间距的情况下体系可处于能量最低的稳定状态，并且有能量释放出来，这个能量即原子的结合能。这是宇宙间存在凝聚态物质的理论基础。由原子间相互用作势能v，可

6、以求出原子间作用力f，，（图2-2b），可见在势能最小所对应的原子间距ro处，原子间结合力f=0，表明在这个距离时，原子间的吸引力与排斥力大小相等，方向相反，互相抵消，原子处于平衡位置。　1.3化学键由于不同元素的原子得失电子的能力不同，所以不同原子组成凝聚态固体时，原子间相互作用使电子重新分布，在原子间形成了化学键，正是这些化学键使原子结合成固体。根据电子的分布，键形成的物理起源和所涉及的键力的性质，可将化学键分成五种类型：离子键、共价键、分子键、氢键和金属键。由前四种键形成的固体一般为绝缘体，而后一种键形成

7、的固体是金属。1.3.1离子键　　最典型的离子键结合的材料是通式为MX的二元离子晶体，M代表金属元素，X代表非金属元素。如，其中碱金属易于失去外层电子形成钠离子，，而卤族元素氯却易接受钠原子所失去的电子形成氯离子，，在这种正负离子之间的静电库仑吸引作用下便形成了离子晶体（图2-3）。由于这种离子具有球对称性，所以这样的离子键束缚力是没有方向性的。这种离子键是相当强的，离子间的吸引能的数量级约几个电子伏特，因此靠离子键结合而成的离子晶体有相当高的强度、硬度及很高的熔点。离子键材料导电性很差，因为电荷的迁移是以整个

8、离子运动方式进行的（图2-4），而离子的运动不象电子那么容易。1.3.2共价键　　当不是离子而是原子作为结合成分子的基元时，把原子结合形成分子的键称为共价键（或原子键）。以共价键结合的最简单的物质是氢分子，H2。两个氢原子各有一个电子在1S轨道上，当它们相距很远时没有相互作用，当它们相互接近时，由于泡利不相容原理的限制，这二个电子取自璇相反的二种状态在二个核之间的区域有较大的电子密度，