第1章原子結(jié)構(gòu)與鍵合b-yao

1、辦公室：行政樓辦公室：行政樓1618室，電話：室，電話：67791474Email: 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)B決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素：決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素：l 組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)，（原子）組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)，（原子）l 原子間相互作用，相互結(jié)合，（鍵合）原子間相互作用，相互結(jié)合，（鍵合）l 原子或分子在空間的排列，（晶體結(jié)構(gòu)）原子或分子在空間的排列，（晶體結(jié)構(gòu)）l以及原子集合體的形貌特征，（顯微組織）以及原子集合體的形貌特征，（顯微組織）鍵的形成鍵的形成在凝聚狀態(tài)下，原子間距在凝聚狀態(tài)下，原子間距離十分接近，便產(chǎn)生了原子間的作用力，離十分接近，便產(chǎn)生了原子間的作用力

2、，使原子結(jié)合在一起，就形成了鍵。使原子結(jié)合在一起，就形成了鍵。鍵分為一次鍵和二次鍵：鍵分為一次鍵和二次鍵：一次鍵一次鍵結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵。共價鍵和金屬鍵。二次鍵二次鍵結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。斯鍵和氫鍵。1.2原原子子間間的的鍵鍵合合 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning共價鍵的特點(diǎn)共價鍵的特點(diǎn)：u 每2個原子之間共享一個以上的價電子。u 有方向性，2原子連接的方向即為鍵的方向。u 晶體結(jié)構(gòu)與鍵具有方向性有關(guān)。 2003 Brooks/Cole Publishi

3、ng / Thomson Learning 1.2原原子子間間的的鍵鍵合合極化分子極化分子間的作用力間的作用力正電中心正電中心負(fù)電負(fù)電中心中心原子核原子核電子云電子云a)原子核原子核電子云電子云+b)c)a)理論的電子云分布理論的電子云分布 b)原子偶極矩的產(chǎn)生原子偶極矩的產(chǎn)生 c)原子（或分子）間的范德瓦耳斯鍵結(jié)合原子（或分子）間的范德瓦耳斯鍵結(jié)合影響范德華力大小的因素影響范德華力大小的因素結(jié)構(gòu)相似的分子，結(jié)構(gòu)相似的分子，相對分子質(zhì)量相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大。如鹵素單質(zhì)越大，范德華力越大。如鹵素單質(zhì)分子極性分子極性越強(qiáng)，范德華力越大越強(qiáng)，范德華力越大 化學(xué)鍵影響物質(zhì)的化學(xué)鍵影響物質(zhì)的化

4、學(xué)性質(zhì)（主）化學(xué)性質(zhì)（主）和和物理性質(zhì)物理性質(zhì) 范德華力影響物質(zhì)的范德華力影響物質(zhì)的物理性質(zhì)物理性質(zhì)（熔、沸（熔、沸點(diǎn)及溶解度等）點(diǎn)及溶解度等） 分子間范德華力越大，熔沸點(diǎn)越高分子間范德華力越大，熔沸點(diǎn)越高 范德華力對物質(zhì)性質(zhì)的影響范德華力對物質(zhì)性質(zhì)的影響壁虎為什么能在天花板土爬行自如壁虎為什么能在天花板土爬行自如?這曾是一個困擾這曾是一個困擾科學(xué)家一百多年的謎。用電子顯微鏡可觀察到，壁虎科學(xué)家一百多年的謎。用電子顯微鏡可觀察到，壁虎的四足覆蓋著幾十萬條纖細(xì)的由角蛋白構(gòu)成的納米級的四足覆蓋著幾十萬條纖細(xì)的由角蛋白構(gòu)成的納米級尺寸的毛。壁虎的足有多大吸力尺寸的毛。壁虎的足有多大吸力?實(shí)驗(yàn)證明，如

5、果在一實(shí)驗(yàn)證明，如果在一個分幣的面積土布滿個分幣的面積土布滿100萬條壁虎足的細(xì)毛，可以吊起萬條壁虎足的細(xì)毛，可以吊起20kg重的物體。近年來，有人用計(jì)算機(jī)模擬，證明壁重的物體。近年來，有人用計(jì)算機(jī)模擬，證明壁虎的足與墻體之間的作用力在本質(zhì)上是它的細(xì)毛與墻虎的足與墻體之間的作用力在本質(zhì)上是它的細(xì)毛與墻體之間的范德華力。體之間的范德華力。思考？夏天經(jīng)常見到許多壁虎在墻壁或天花板上爬行，思考？夏天經(jīng)常見到許多壁虎在墻壁或天花板上爬行，卻掉不下來，為什么？卻掉不下來，為什么？ 荷蘭物理學(xué)家荷蘭物理學(xué)家范德華范德華,1910,1910年獲得諾貝爾物理獎年獲得諾貝爾物理獎, ,因因確立真實(shí)氣體狀態(tài)方程和

6、分子間范德華力而聞名于世。確立真實(shí)氣體狀態(tài)方程和分子間范德華力而聞名于世。 他是分子間作用力的首位發(fā)現(xiàn)者，所以人們又把分子他是分子間作用力的首位發(fā)現(xiàn)者，所以人們又把分子間作用力叫做范德華力。間作用力叫做范德華力。 范德華力范德華力是一種普遍存在于固體、液體和氣是一種普遍存在于固體、液體和氣體中分子之間的作用力。體中分子之間的作用力。思考思考: :1 1、范德華力與化學(xué)鍵的強(qiáng)弱？范德華力與化學(xué)鍵的強(qiáng)弱？2 2、影響范德華力的因素有哪些？、影響范德華力的因素有哪些？3 3、范德華力是否具有飽和性和方向性？、范德華力是否具有飽和性和方向性？4 4、范德華力對物質(zhì)的哪些性質(zhì)有影響？、范德華力對物質(zhì)的哪

7、些性質(zhì)有影響？閱讀材料：閱讀材料：如如O-HO 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 1.2原原子子間間的的鍵鍵合合冰是一種典型的氫鍵晶體，水分子 H2O之間主要靠氫鍵相結(jié)合，氫原子不但與一個氧原子形成共價鍵，而且還和另一個水分子中氧原子相吸引，但后者結(jié)合較弱。冰有許多相，圖2-1-3是冰的一種結(jié)構(gòu)。氫鍵和范德瓦爾斯鍵都是弱鍵，但前者較后者略強(qiáng)一些。范德華力、氫鍵和共價鍵的對比范德華力、氫鍵和共價鍵的對比1.2.6混合鍵對于大多數(shù)晶體而言，它們的鍵并不單純屬于上述五種中的某一種，而具有某種綜合性。換言之，許多晶體存在混合鍵。完全共價結(jié)合：

8、金剛石完全共價結(jié)合：金剛石 c-c,(共有的電子在兩個共有的電子在兩個C原子上被找到的概率相等原子上被找到的概率相等）完全離子鍵結(jié)合：完全離子鍵結(jié)合：NaCl一、一、石墨石墨（共價鍵、金屬鍵和共價鍵、金屬鍵和范德瓦爾斯力的混合鍵的混合鍵）1. C原子的三個價電子組成 sp2雜化軌道，分別與最近鄰的三個C原子形成三個共價鍵，在同一平面內(nèi)互成120，使碳原子形成六角平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。2. 第四個價電子未參與雜化，自由的在整個層內(nèi)活動，具有金屬鍵的特點(diǎn)。（石墨是一種良導(dǎo)體，可做電極等）3. 層與層之間以范德瓦爾斯力結(jié)合。（結(jié)合力弱，所以石墨質(zhì)地疏松，在層與層之間可插入其它物質(zhì)，制成石墨插層化合物）石墨結(jié)

9、構(gòu)示意圖2. SiO2、P2O5、B2O3等是玻璃的主要形成體，Stanworth發(fā)現(xiàn)均具有混合型鍵。其中SiO2有 共價鍵離子鍵；P2O5有 共價鍵離子鍵；B2O3有 共價鍵離子鍵。 形成玻璃必須為混合鍵。3. 大部分合金都具有金屬鍵共價鍵的混合鍵型，同時鍵的性質(zhì)可隨成分變化，故可通過改變成分改變鍵性比例，從而改進(jìn)材料性能等。除金剛石和石墨外，碳的第三種結(jié)晶形式為C60固體，稱作足球烯或富勒烯。C60是由60個碳原子組成的分子，其結(jié)構(gòu)如圖所示。碳原子分布在由20個六邊形和12個五邊形環(huán)所組成的封閉的多面體，形式象足球，直徑約為7。在球面上每個碳原子以sp2 雜化軌道與三個近鄰碳原子形成共價鍵

10、，剩下的一個p電子的電子云分布在球內(nèi)外表面上形成鍵。 C60固體是由 C60分子組成， C60占據(jù)晶格位置，以范德瓦爾斯鍵相結(jié)合，屬于分子晶體。溫度在260K以上時 C60晶體是面心立方結(jié)構(gòu)，260K以下轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵瘟⒎浇Y(jié)構(gòu)。 C60固體具有許多奇特的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，可能有重要的應(yīng)用前景而引起人們的重視。C60結(jié)構(gòu)示意圖1.2.7 結(jié)合鍵的本質(zhì)與原子間距結(jié)合鍵的本質(zhì)與原子間距 固體原子中存在兩種力：固體原子中存在兩種力：吸引力和排斥力吸引力和排斥力。它們。它們隨原子間距的增大而減小。當(dāng)距離很遠(yuǎn)時，排斥力很隨原子間距的增大而減小。當(dāng)距離很遠(yuǎn)時，排斥力很小，只有當(dāng)原子間接近至電子軌道互相重疊時斥

11、力才小，只有當(dāng)原子間接近至電子軌道互相重疊時斥力才明顯增大，并超過了吸引力。在某一距離下引力和斥明顯增大，并超過了吸引力。在某一距離下引力和斥力相等，這一距離力相等，這一距離r0相當(dāng)于原子的平衡距離，稱原子間相當(dāng)于原子的平衡距離，稱原子間距。距。 力（力（F）核能量（）核能量（E）之間的轉(zhuǎn)換）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：關(guān)系： F= E= FddEd0 彈性彈性圖 彈性變形與塑性變形圖 雙原子模型原子處于平衡位置時，原子間距為原子處于平衡位置時，原子間距為r0，位能，位能U處于最低位置，相互作處于最低位置，相互作用力為零，這是最穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)用力為零，這是最穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)原子受力后將偏離其平衡位置，原原子

12、受力后將偏離其平衡位置，原子間距增大時將產(chǎn)生引力；原子間子間距增大時將產(chǎn)生引力；原子間距減少時將產(chǎn)生斥力。這樣外力去距減少時將產(chǎn)生斥力。這樣外力去除后，原子恢復(fù)其原來的平衡位置，除后，原子恢復(fù)其原來的平衡位置，所產(chǎn)生的變形完全消失，這就是彈所產(chǎn)生的變形完全消失，這就是彈性變形。性變形。1.2.8 結(jié)合鍵與性能結(jié)合鍵與性能1、物理性能、物理性能（1）熔點(diǎn)的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。共價鍵、離子鍵熔點(diǎn)的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。共價鍵、離子鍵化合物的熔點(diǎn)很高這是陶瓷材料比金屬材料具有更高熱穩(wěn)定性化合物的熔點(diǎn)很高這是陶瓷材料比金屬材料具有更高熱穩(wěn)定性的根本原因。二次鍵結(jié)合的材料熔點(diǎn)一定偏低，如聚

13、合物等。的根本原因。二次鍵結(jié)合的材料熔點(diǎn)一定偏低，如聚合物等。（2）材料的密度與結(jié)合鍵類型有關(guān)。金屬有高的密度，陶瓷材料的密度與結(jié)合鍵類型有關(guān)。金屬有高的密度，陶瓷材料的密度很低材料的密度很低。聚合物由于其是二次鍵結(jié)合密度最低。聚合物由于其是二次鍵結(jié)合密度最低。 （3）金屬鍵使金屬材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而由非金屬鍵使金屬材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而由非金屬鍵結(jié)合色陶瓷、聚合物均在固態(tài)下不導(dǎo)電。金屬鍵結(jié)合色陶瓷、聚合物均在固態(tài)下不導(dǎo)電。2、力學(xué)性能、力學(xué)性能 結(jié)合鍵是影響彈性模量的主要因素。結(jié)合鍵能越大，彈性結(jié)合鍵是影響彈性模量的主要因素。結(jié)合鍵能越大，彈性模量越大，材料的強(qiáng)度越大。

14、模量越大，材料的強(qiáng)度越大。第第一一章章原原子子結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與鍵鍵合合1.3高高分分子子鏈鏈1.3高高分分子子鏈鏈1.3高高分分子子鏈鏈1.4 原子排列方式原子排列方式一、晶體與非晶體一、晶體與非晶體 晶體中原子的排列是有序的，即原子按晶體中原子的排列是有序的，即原子按某種特定方式在三維空間內(nèi)呈周期性規(guī)則重某種特定方式在三維空間內(nèi)呈周期性規(guī)則重復(fù)排列。而非晶體內(nèi)部原子的排列是無序的。復(fù)排列。而非晶體內(nèi)部原子的排列是無序的。這種排列上的差異造成性能上的不同：這種排列上的差異造成性能上的不同：各向異性各向異性晶體由于其空間不同方向上的原晶體由于其空間不同方向上的原子排列不同，沿著不同方向上所測得的性能

15、子排列不同，沿著不同方向上所測得的性能數(shù)據(jù)亦不同這種性質(zhì)稱晶體的各向異性。數(shù)據(jù)亦不同這種性質(zhì)稱晶體的各向異性。單晶硅太陽能電池片多晶硅單晶硅多晶硅太陽能電池片單晶生長示意圖 單晶爐鈮酸鋰單晶藍(lán)寶石單晶（Al2O3）金剛石單晶金屬單晶體和多晶體示意圖各向同性各向同性非晶體在各個方向上的原子排非晶體在各個方向上的原子排列可視為相同，沿任何方向測得的性能是一列可視為相同，沿任何方向測得的性能是一致的，表現(xiàn)為各向同性。致的，表現(xiàn)為各向同性。 從液態(tài)到非晶態(tài)固體是一個漸變過程，從液態(tài)到非晶態(tài)固體是一個漸變過程，既無確定的熔點(diǎn)，又無體積的突變。這說明既無確定的熔點(diǎn)，又無體積的突變。這說明非晶態(tài)轉(zhuǎn)變只不過是

16、液態(tài)的簡單冷卻過程，非晶態(tài)轉(zhuǎn)變只不過是液態(tài)的簡單冷卻過程，隨溫度的下降，液態(tài)的粘度越來越高，當(dāng)其隨溫度的下降，液態(tài)的粘度越來越高，當(dāng)其流動性完全消失時則稱固相。流動性完全消失時則稱固相。 液體向晶體的轉(zhuǎn)變還具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這液體向晶體的轉(zhuǎn)變還具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這一原子重排過程是通過在液體中不斷形成有一原子重排過程是通過在液體中不斷形成有序排列的小晶核及晶核的逐漸生長實(shí)現(xiàn)的。序排列的小晶核及晶核的逐漸生長實(shí)現(xiàn)的。非晶鐵芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高導(dǎo)磁率、高電感量、低損耗、體積小、重量輕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、頻率特性優(yōu)良、溫度穩(wěn)定性高的特性非晶硅薄膜太陽能電池準(zhǔn)晶體，亦稱為“準(zhǔn)晶”， 是一種介于晶體和非晶體之間的

17、固體。準(zhǔn)晶體具有與晶體相似的長程有序的原子排列；但是準(zhǔn)晶體不具備晶體的平移對稱性。根據(jù)晶體局限定理（crystallographic restriction theorem），普通晶體只能具有二次、三次、四次或六次旋轉(zhuǎn)對稱性，但是準(zhǔn)晶的布拉格衍射圖具有其他的對稱性，例如五次對稱性或者更高的如六次以上的對稱性。雖然準(zhǔn)晶體在此前就已被觀察到并被研究，但由于它們違背了人們之前對于晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，所以直至20世紀(jì)80年代在開始受到重視。獲得2011年諾貝爾化學(xué)獎的丹舍特曼是第一個正式報道發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶的人。1984年他和以色列理工學(xué)院的同事們在快速冷卻的鋁錳合金中發(fā)現(xiàn)了一種新的金屬相，其電子衍射斑具有明顯

18、的五次對稱性。這篇文章發(fā)表于物理評論快報（Physical Review Letters）上（被Journal of Applied Physics 斷然拒掉）。格(lattice)局限多邊形。兼容：六次（三次）、4次（二次）；不兼容: 八次、五次。銀鋁合金準(zhǔn)晶的原子模型晶體中找不到五重對稱鋁錳合金的5重對稱電子衍射圖彭羅斯瓷磚，5重對稱五重、九重和十二重對稱圖案和相應(yīng)衍射圖準(zhǔn)晶材料的性能：1）有趣是，準(zhǔn)晶出自合金，本身卻是電的不良導(dǎo)體；熱導(dǎo)差；2）磁性較強(qiáng)；3）在高溫下也比晶體更有彈性，十分堅(jiān)硬，抗變形能力也很強(qiáng)，4）低摩檫和低粘附性等1.5 晶體材料的組織晶體材料的組織材料的組織材料的組織

19、指各種晶粒的組合特征，即各種晶粒的指各種晶粒的組合特征，即各種晶粒的相對量、尺寸大小、形狀及分布等特征。相對量、尺寸大小、形狀及分布等特征。一、組織的顯示與觀察一、組織的顯示與觀察宏觀組織宏觀組織粗大的組織用肉眼即能觀察到。粗大的組織用肉眼即能觀察到。顯微組織顯微組織用金相顯微鏡或電子顯微鏡觀察到用金相顯微鏡或電子顯微鏡觀察到 的組織。的組織。二、單相組織二、單相組織具有單一相的組織，即具有單一相的組織，即所有晶粒的所有晶粒的組成相同組成相同，晶體晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)也相同。也相同。單相組織單相組織描述單相組織特征的主要有晶粒尺寸與形狀。描述單相組織特征的主要有晶粒尺寸與形狀。（1）晶粒尺寸晶粒尺寸:

20、對材料性能有重要影響，細(xì)化對材料性能有重要影響，細(xì)化晶粒可提高材料的強(qiáng)度，還可改善材料的塑性晶?？商岣卟牧系膹?qiáng)度，還可改善材料的塑性和韌性。和韌性。（2）晶粒形狀晶粒形狀:取決于各個核心的生長條件。取決于各個核心的生長條件。等軸晶等軸晶：若每個核心在各個方向上的生長條件：若每個核心在各個方向上的生長條件接近，最終得到的晶粒在空間三維方向上尺度接近，最終得到的晶粒在空間三維方向上尺度相當(dāng)。相當(dāng)。柱狀晶柱狀晶：若在特定的條件下，空間某一方向的：若在特定的條件下，空間某一方向的生長條件明顯優(yōu)于其它二維方向，最終得到拉生長條件明顯優(yōu)于其它二維方向，最終得到拉長的晶粒形狀。長的晶粒形狀。三、多相組織三、

21、多相組織單相多晶體材料的強(qiáng)度往往很低，因此工程單相多晶體材料的強(qiáng)度往往很低，因此工程中應(yīng)用更多的是兩相以上的晶體材料，各個中應(yīng)用更多的是兩相以上的晶體材料，各個相具有不同的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)。相具有不同的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)。 下圖是兩相合金的一種典型組織，兩個相的下圖是兩相合金的一種典型組織，兩個相的晶粒尺度相當(dāng)，晶粒尺度相當(dāng)，兩種晶粒各自成為等軸狀，兩者均勻的兩種晶粒各自成為等軸狀，兩者均勻的交替分布，此時合金的力學(xué)性能取決于交替分布，此時合金的力學(xué)性能取決于兩個相或兩種組織組成物的相對量及各兩個相或兩種組織組成物的相對量及各自的性能。以強(qiáng)度為例，材料的強(qiáng)度自的性能。以強(qiáng)度為例，材料的強(qiáng)度應(yīng)

22、等于：應(yīng)等于： =11+221、2為兩個相的強(qiáng)度值；為兩個相的強(qiáng)度值；1、2為兩個相的體積分?jǐn)?shù)為兩個相的體積分?jǐn)?shù)。彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化指一種通過在均勻材料中加入硬質(zhì)顆粒的一種材料的強(qiáng)化手段。是指用不溶于基體金屬的超細(xì)第二相(強(qiáng)化相)強(qiáng)化的金屬材料。第二相一般為高熔點(diǎn)的氧化物或碳化物、氮化物，其強(qiáng)化作用可保持到較高溫度，既可顯著提高合金強(qiáng)度和硬度，又可使塑性和韌性下降不大，并且顆粒越細(xì)小，越呈彌散均勻分布，強(qiáng)化效果越好。更多的時候，多相組織中兩個相的晶粒尺度相差甚遠(yuǎn)，尺寸較細(xì)的相以更多的時候，多相組織中兩個相的晶粒尺度相差甚遠(yuǎn)，尺寸較細(xì)的相以球狀、點(diǎn)狀、片狀或針狀等形態(tài)彌散地分布于另一相的基體內(nèi)。大幅度球狀、點(diǎn)狀、片狀或針狀等形態(tài)彌散地分布于另一相的基體內(nèi)。大幅度地提高材料的強(qiáng)度。地提高材料的強(qiáng)度。彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)彌散強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是利用彌散的超細(xì)微粒阻礙位錯的運(yùn)動。圖 微波燒結(jié)法制備的（a）純鎢，（b）W-1%La2O3，（c）W-1%Y2O3掃描電鏡照片1.6 材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)同一材料在不同條件下可同一材料在不同條件下可以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量最低的結(jié)構(gòu)稱穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。最低的結(jié)構(gòu)稱穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)