材料科學(xué)基礎(chǔ)第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)

1 第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí) 結(jié)構(gòu)分4個(gè)層次 原子結(jié)構(gòu)結(jié)合鍵原子的排列顯微組織 2 第一節(jié)原子結(jié)構(gòu) 一 原子的電子排列1 原子的核式結(jié)構(gòu)原子由原子核及核外電子構(gòu)成原子核 體積小 質(zhì)量大 帶正電電子 質(zhì)量可忽略 在一定軌道繞核旋轉(zhuǎn) 帶負(fù)電2 電子分布 1 4個(gè)量子數(shù) 主量子數(shù)n 電子能級(jí)的殼層序數(shù) n 1 2 3 7 次量子數(shù)l 角量子數(shù) 軌道量子數(shù) l 0 1 2 確定每一殼層的亞殼層數(shù)目 spdf 3 磁量子數(shù)m 確定每一亞殼層中空間取向不同的軌道數(shù)目 m 0 1 2 軌道空間取向 spdf 1357 自旋量子數(shù)ms 確定每一軌道中能容納的電子數(shù)目 ms 1 2 1 2各殼層能夠容納的電子總數(shù) 2n2 n 主量子數(shù) 4 2 兩個(gè)基本原理 泡利不相容原理 一個(gè)原子中不可能存在有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子 最低能量原理 電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道 使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài) 3 能級(jí)的重疊相鄰主殼層的能量范圍有重疊 5 例題 寫出原子序數(shù)為11的鈉原子及原子序數(shù)解 Na 1s22s22p63s1Ca 1s22s22p63s23p64s23 原子的活潑程度主要取決于外殼層 S層和P層 填滿與否例如 為20的鈣原子的電子分布 He 1s2Ne 2s22p6Ar 3s23p6Kr 4s23d104p6Xe 5s24d105p6Rn 6s24f145d106p6Na 3s1 6 二 元素周期表及性能的周期性變化 7 1 周期對(duì)應(yīng)于電子主殼層2 同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)和相似的化學(xué)性質(zhì)3 過渡族元素具有未滿的內(nèi)殼層和典型的金屬性4 B族和 B族的內(nèi)殼層填滿 A族和 A族的內(nèi)殼層未滿 故 B族和 B族不如 A族和 A族活潑例如 Cu 3p63d104s1 K 3p64s1 8 5 電負(fù)性呈周期性變化 同周期自左至右逐漸增強(qiáng) 同族自上而下逐漸減弱 9 第二節(jié)原子的結(jié)合鍵 一次鍵二次鍵混合鍵結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距結(jié)合鍵與性能 10 按結(jié)合力強(qiáng)弱分 一次鍵 通過電子的轉(zhuǎn)移或共享使原子結(jié)合的結(jié)合鍵 包括離子鍵 共價(jià)鍵 金屬鍵 結(jié)合力較強(qiáng) 二次鍵 通過偶極吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵 包括氫鍵 范德瓦爾斯鍵 結(jié)合力較弱 一 一次鍵1 離子鍵通過正負(fù)離子間相互吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵 11 例如 NaCl MgO對(duì)于NaCl Na 1S22S22P63S1Cl 1S22S22P63S23P5Na原子失去一個(gè)外層電子 變成正離子 帶正電Cl原子得到一個(gè)外層電子 變成負(fù)離子 帶負(fù)電 12 13 2 共價(jià)鍵通過共用電子對(duì)使原子結(jié)合的結(jié)合鍵 例如 金剛石 14 1 具有方向性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 金剛石109 5 2 8 N定律 一個(gè)原子周圍的共用電子對(duì)的數(shù)目 其中 為原子的價(jià)電子數(shù) A族 4個(gè)共用電子對(duì) 空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu) A族 3個(gè)共用電子對(duì) 空間層狀結(jié)構(gòu) A族 2個(gè)共用電子對(duì) 空間鏈狀結(jié)構(gòu) 15 3 金屬鍵通過正離子與自由電子之間相互吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵 價(jià)電子脫離原子成為 電子氣 正離子整齊地排列在 電子氣 的海洋中 金屬具有高的密度 良好的塑性 導(dǎo)電 導(dǎo)熱 固態(tài)溶解 16 二 二次鍵1 范德瓦耳斯鍵具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的原子或分子通過電偶極矩相互吸引而結(jié)合的結(jié)合鍵 如石蠟 塑料 17 2 氫鍵含氫的分子具有極性 與另一個(gè)具有較強(qiáng)電負(fù)性的原子通過氫離子而結(jié)合的結(jié)合鍵 如冰 X H YX H 離子鍵H Y 氫鍵 18 三 混合鍵大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合 1 一次鍵混合 1 共價(jià)鍵與金屬鍵混合如 A族中 CSiGeSnPb 共價(jià)鍵 共價(jià)鍵 金屬鍵 金屬鍵 再如 過渡族元素 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)少量共價(jià)鍵 19 2 金屬鍵與離子鍵混合如金屬間化合物中 3 共價(jià)鍵與離子鍵混合如陶瓷化合物中AB化合物中離子鍵的比例取決于組成元素的電負(fù)性差 差越大 離子鍵比例越高 XA XB A B的電負(fù)性數(shù)值 表1 2 P17 20 例題 計(jì)算化合物 1 MgO 2 GaAs中離子鍵結(jié)合的比例 解 1 MgO查電負(fù)性表得XMg 1 31 XO 3 44代入公式得 離子鍵結(jié)合比例 68 2 GaAs查電負(fù)性表得 XGa 1 81 XAs 2 18代入公式得 離子鍵結(jié)合比例 4 21 由表可見 A B原子間的電負(fù)性差越大 所形成的AB化合物中離子鍵結(jié)合的比例越高 22 2 一次鍵與二次鍵混合例如 石墨 片層中為共價(jià)鍵 片層間為范德瓦爾斯鍵高分子 分子鏈中為共價(jià)鍵 鏈與鏈之間為二次鍵 23 四 結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距1 結(jié)合鍵的本質(zhì) 結(jié)合鍵的強(qiáng)弱反映了原子或分子間結(jié)合時(shí)互作用能降低的程度 離子鍵 共價(jià)鍵最強(qiáng) 金屬鍵次之 氫鍵再次之 范德瓦爾斯鍵最弱 24 2 原子間的互作用力及結(jié)合能 1 雙原子模型固體原子間總存在著兩種力 吸引力 排斥力引力與斥力相等時(shí) r0稱原子間距 平衡距離下的作用能定義為原子的結(jié)合能 0結(jié)合能越大 原子結(jié)合越穩(wěn)定 25 2 原子結(jié)合能的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)測(cè)定原理測(cè)定固體的蒸發(fā)熱理論計(jì)算 自學(xué)P24例題 五 結(jié)合鍵與性能1 對(duì)物理性能的影響1 熔點(diǎn) 共價(jià)鍵 離子鍵的最高 高分子材料的最低 2 密度 金屬鍵的最高 共價(jià)鍵 離子鍵的較低 高分子材料的最低 3 導(dǎo)電導(dǎo)熱性 金屬鍵最好 共價(jià)鍵 離子鍵最差 26 2 對(duì)力學(xué)性能的影響 1 強(qiáng)度 結(jié)合鍵強(qiáng) 則強(qiáng)度也高 但還受組織的影響 2 塑韌性 金屬鍵最好 共價(jià)鍵 離子鍵最低 3 彈性模量 共價(jià)鍵 離子鍵最高 金屬鍵次之 二次鍵最低 27 第三節(jié)原子排列方式 晶體與非晶體原子排列的研究方法一 晶體與非晶體1 晶體原子 原子團(tuán)或分子 在空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的固體 一般情況下 金屬 大多數(shù)陶瓷 少數(shù)高分子材料為晶體 28 非晶體 排列無序 不存在長(zhǎng)程的周期規(guī)則排列 二氧化硅結(jié)構(gòu)示意圖a 晶體b 非晶體 29 2 結(jié)晶過程 晶核形成 晶核長(zhǎng)大 30 3 晶體與非晶體性能的主要差別 晶體 有確定熔點(diǎn)單晶體各向異性多晶體各向同性 非晶體 無確定熔點(diǎn)各向同性 31 二 原子排列的研究方法 X射線或電子束衍射原理布拉格定律 根據(jù)衍射分布圖 可分析晶體中原子排列的特征 排列方式 原子面間距等 32 第四節(jié)晶體材料的組織 1 結(jié)晶過程及多晶組織 33 2 材料的組織各種晶粒的組合特征 即各種晶粒的相對(duì)量 尺寸大小 形狀及分布等特征 組織是影響材料性能的極為敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素 34 3 組織的顯示與觀察宏觀組織 肉眼能觀察顯微組織 用金相顯微鏡或電子顯微鏡才能看到 磨光 拋光 浸蝕 顯微鏡下觀察 35 4 單相與多相組織 1 單相組織所有晶粒的化學(xué)組成相同 晶體結(jié)構(gòu)也相同 描述單相組織特征的主要用晶粒尺寸及形狀 2 多相組織兩相以上的晶體材料 各個(gè)相具有不同的成分和晶體結(jié)構(gòu) 兩相例子 36 第五節(jié)材料的穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 平衡態(tài)結(jié)構(gòu) 能量最低的結(jié)構(gòu) 亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)能量相對(duì)較高的結(jié)構(gòu) 材料最終得到什么結(jié)構(gòu) 必須綜合考慮結(jié)構(gòu)形成的熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件 1 熱力學(xué)條件結(jié)構(gòu)形成時(shí)必須沿著能量降低的方向進(jìn)行 或者說結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變必須存在一個(gè)推動(dòng)力 37 等溫等容過程 亥姆霍茲