大学材料科学基础 第一章材料结构的基本知识ppt课件.ppt

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1、第一章：材料结构的基本知识材料内部结构与材料性能密切相关，本章对结构知识作一初步介绍。材料由原子组成，内部结构从四个层次上考察：1原子本身的结构；2原子结合键；3原子排列方式；4显微组织。第一节原子结构一、原子的电子排列原子：原子核+电子原子核：中子+质子电子的分布:主量子数n、次量子数l、磁量子数m、自旋量子数ms原子核外电子的分布规律与四个量子数有关；服从泡利不相容原理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；服从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。写出原子序数为11的钠(Na)原子中的电子排列方式：解：1s22

2、s22p63s1。元素的化学活泼性最外壳层的s态和p态均被填满——惰性氦He：1s2氖Ne：1s22s22p6氩Ar：1s22s22p63s23p6最外壳层上的s态、p态电子没有充满——活泼最外壳层的电子被称为价电子。原子的价电子极为重要，它们直接参与原子间的结合，对材料的物理性能和化学性能产生重要影响。周期——各排，相同的主量子数族——各列，具有相同的外壳层电子数A为主族——IA、ⅡA、ⅢA…ⅦA分别对应于外壳层价电子数为1、2、3…7B为副族——IA、ⅡA族内壳层电子未填满IB、ⅡB族内壳层已填满IIIB～VIIIB过渡族——内壳层未填满VIIIB难熔金

3、属——熔点高元素电负性的周期变化电负性代表了原子吸引电子的能力，与它在周期表中的位置有关。第二节原子结合键（BondingofAtoms）凝聚态：固态和液态。材料由原子（分子、离子或分子团）组成，这些质点在凝聚态时相互间距离很近，相互产生作用力结合在一起，这种相互作用力称为结合键。结合键分类：一次键（化学键：共价键、离子键和金属键）二次键（范德瓦耳斯键和氢键）1离子键离子键是由于正、负离子间的库仑引力而形成的。一般是金属原子给出电子，非金属原子接受电子。多数为盐类、碱类和金属氧化物离子键特点：离子相间排列无饱和性和方向性离子键材料熔点和硬度均较高，不导电。一

4、、一次键2共价键由二个或多个电负性差不大的原子间通过公用电子对而成键，即利用共享价电子对来达到稳定的电子结构。主要是亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料（如金刚石、单质Si、SiC等）共价键特点：1由同类原子或电负性差别不大的原子形成。2具有饱和性、方向性、配位数小。3共价键材料熔点高、质硬脆、绝缘。硅氧四面体中的Si-O共价键示意图3金属键当金属原子处于聚集状态时，几乎所有的原子都将它们的价电子贡献出来，为整个原子集体所共有，形成所谓“电子云”（electroncloud）。这些自由电子己不再只围绕自己的原子核运动，而是与所有的价电子一起

5、在所有的原子核周围按量子力学规律运动着。贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键，它没有饱和性和方向性。金属键：原子间通过正离子与自由电子之间的相互吸引而形成的结合。绝大多数的金属和合金都是由金属键结合。金属材料特性和金属键的特点：1.电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量原子密堆结构。2.金属正离子被另一种金属的正离子取代时不会破坏结合键，这种金属之间的溶解(称固溶)能力也是金属的重要特性。3.金属良好的塑性、导电性、导热性以及金属晶体中原子的密集排列等，都直接起因于金属键结合。金属键示意图二、

6、二次键二次键——不是依靠电子的转移或共享，而是借原子之间的偶极吸引力结合而成。形成条件：原子或分子本身已具有稳定的电子结构，如惰性气体及CH4、CO2、H2或H2O等分子，分子内部靠共价键结合使单个分子的电子结构十分稳定，分子内部具有很强的内聚力。众多的气体分子仍然可凝聚成液体或固体。1范德瓦尔键(vandeWaalsBond)一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起，这种结合方式称为范德瓦尔键，也称为分子键。和化学键不同的是，质点（分子）以这种键结合时，相互间没有电子转移，是物理键。图l—6范德瓦耳斯键力示意图a)

7、理论的电子云分布b)原子偶极矩的产生c)原子(或分子)间的范德瓦耳斯键结合2．氢键氢键——本质与范德瓦耳斯键一样，是靠原子(或分子)的偶极吸引力结合的，只是氢键中氢原子起了关键作用，结合力比范德瓦耳斯键强。图l—7冰中水分子的排列及氢键的作用三、混合键实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。IⅤA族元素——共价键与金属键混合陶瓷化合物——离子键与共价键混合金属离子/非金属离子——非纯粹离子化合物离子键的比例——组成元素的电负性差越大，离子键比例越高。离子键结合的相对值由A、B元素所组成的化合物中离子键结合(％)＝[

8、1一100％XA、XB分别为元素A、B的电负性工程材