材料科学基础chp.1-原子结构与键合课件.ppt

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1、第一章原子结构与键合内部结构→材料的性能结构篇2021/7/30章目录1.1原子结构及其周期性1.2原子间的键合1.3高分子链2021/7/30结构的四个层次成分、加工工艺共同决定着材料的结构，材料的内部结构决定了材料的性能。材料结构分为四个层次:原子结构原子结合键成分原子排列相结构加工工艺2021/7/301.1原子结构及其周期性原子核+电子1922年获得诺贝尔奖（物理学）2021/7/30一、核外电子分布核外电子的运动状态，由四个量子数决定。主量子数n=1、2、3…距核远近、能量高低。角量子数l=0、1、2…电子云

2、形状、能量高低。磁量子数m=0、、…电子轨道空间取向自旋量子数ms=电子自旋方向2021/7/30电子轨道将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解，得到四种电子分布的波函数—电子轨道s—一种组态（球对称）2p—三种组态（轴对称）6d—五种组态10f—七种组态142021/7/30d-轨道空间分布示意图p-轨道空间分布示意图2021/7/30电子分布须遵循的两个原则：泡利不相容原则一个原子中，不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。能量最低原则电子总是优先占据能量较低的轨道，使系统的能量处于稳定的状态。2021/7/30二

3、、原子结构的周期规律周期表中，周期数代表了电子主层数n。1、元素的周期性1、2、3为短周期，外层电子只有s、p次层。4、5、6、7为长周期，除s、p次层外，还有d层电子。6、7周期中，除s、p、d外，还填入了f层电子。spdf2021/7/302021/7/302、主族元素ⅠA〜ⅧA分别填入外层s、p电子（2+6=8），原子的电负性和化学性质由此呈周期变化。活泼金属→非金属→惰性元素。以半金属元素ⅣA为中心，可作为材料使用；性质活泼的元素不宜用作材料。2021/7/303、副族元素ⅢB〜ⅡB分别填入d内层电子（共10个

4、）。由于外层s电子为1、2个，几乎相同，化学性质变化不大，统称“过渡族元素”。因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大，稳定性上升。材料元素的重点选择区域。2021/7/304、镧系、锕系分别填入f内层电子（共14个）。因外层s电子都是2，化学性质非常接近，统称“稀土元素”。由于f层内有许多空轨道，相互间能级差很小，易于激发，因而具有重要的功能效应。例如：长余辉稀土铝酸盐材料。2021/7/305、电负性周期表中由左至右、由下到上，电负性↑。同族、同周期元素有相似的性质特点。例如：Nb具有低温超导性，在它周围的Zr、

5、Mo、V、Ta也有这一特性。S化物、Se化物、Te化物同族，都有光电特性。spdf2021/7/301.2原子间的键合1、金属键（Metallicbonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键性质：良好导电、导热性能，延展性好2021/7/302、离子键（Ionicbonding)特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正

6、负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体3、共价键（covalentbonding）亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差实质：金属原子带正电的正离子（Cation）非金属原子带负电的负离子（anion）2021/7/304、范德华力次价键，偶极作用，没有方向性和饱和性。键能弱（几～数十KJ/mol）。5、氢键：次价键。H与电负性很大、原

7、子半径较小的O、F、N等结合而产生的较强的键力，几十KJ/mol，有方向性和饱和性。2021/7/301.3高分子链（HighpolymerChain）2021/7/30近程结构（short-rangeStructure)一、结构单元的化学组成（theChemistryofmerunito)1.碳链高分子聚乙烯主链以C原子间共价键相联结，加聚反应制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯2.杂链高分子涤纶主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚

8、酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等2021/7/303.元素有机高分子硅橡胶主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶4.无机高分子二硫化硅主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类