材料性能學(xué)：6-1-材料的鍵合

1、材料物理性能緒 論現(xiàn)代材料發(fā)展的特點：明顯地超出了傳統(tǒng)組成和工藝范圍；創(chuàng)造出具有各種性能的新材料；在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)上獲得廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代材料科學(xué)的重要研究內(nèi)容：在嚴(yán)格控制材料組成和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入了解和研究各項物理化學(xué)性能。也是發(fā)展材料的主要途徑。工程學(xué)看材料：首先注意材料的物性，然后考慮它與外界條件相互作用出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，最后聯(lián)系到用途，作為制品出售。材料與物性、現(xiàn)象、用途之間的關(guān)系以材料為中心，從物性 現(xiàn)象 用途周轉(zhuǎn)循環(huán)，巧妙地應(yīng)用此表征方法能容易做到逐步地改進材料，不斷創(chuàng)造出性能更好、更穩(wěn)定的制品。環(huán)保。具體化現(xiàn)象經(jīng)濟性材料作用改善原料工藝條件物性用途需掌握和了解的內(nèi)容材料的特性與

2、應(yīng)用不同的化學(xué)組成和材料結(jié)構(gòu)決定其具有不同的特殊性質(zhì)和功能。例如：如高強，高硬，耐溫，耐腐，絕緣和各種電，磁，光及生物相容性等，材料的這些性能，可以廣泛應(yīng)用于機械，電子，宇航，醫(yī)學(xué)工程等各個方面，成為近代尖端科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。材料的結(jié)構(gòu)包括：原子結(jié)構(gòu)、原子間的結(jié)合狀態(tài)、鍵型或電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相的體系及其結(jié)合，它們尺寸 因素各類缺陷的存在及分布等。 領(lǐng) 域 特 性應(yīng) 用光、 電、磁學(xué)功能領(lǐng)域電子材料高絕緣性集成電路基片,封裝材料,高頻絕緣材料鐵電,介電性 圖像存儲元件，電光偏振光元件，電容器壓電性點火元件，電子鐘表，超聲 波元件，濾波器熱電性紅外檢測元件，探測器，溫度計，武器電子放射性

3、陰極射線管電子槍熱陰極，電子顯微鏡半導(dǎo),傳感性電子發(fā)熱體，濕度傳感器，熱敏電阻，壓力傳感器，穩(wěn)壓電源，自控系統(tǒng)電阻發(fā)熱元件（恒溫器），氣體傳感器離子導(dǎo)電性氧量傳感器，高爐的控制，鈉硫電池 機 械 功 能 領(lǐng) 域高強度，耐磨性，非膨脹收縮性超高精度全陶瓷車床，機床，測量機械，拉絲模高強度，耐高溫性高性能高效汽車發(fā)動機，燃?xì)廨啓C葉片高比強度性汽車零件，人造衛(wèi)星機體，火箭機體，飛機機體高模量高爾夫球棒，網(wǎng)球拍，撐桿跳高撐桿，釣魚桿，各種彈簧材料超硬性研磨材料，切削工具，磨削材料潤滑性軸承材料，高溫潤滑材料光、電、磁學(xué)功能領(lǐng)域光電陶瓷 熒光性熒光體，彩色電視顯象管材料 偏振光性電光偏振光元件 光電性光

4、電變換元件光陶瓷 透光性耐高溫耐蝕透光性，窯爐觀察窗，半導(dǎo)性透可 見光性 光反射性耐高溫金屬特性反射紅外性透過可見光，反射紅外線特性（節(jié)能型窗玻璃） 導(dǎo)光性通信用光纖，光通信光纜，胃攝象機磁性陶瓷軟，硬磁性電腦存儲元件，變壓器磁芯，磁帶，磁盤，磁頭，信用卡，冷 藏庫氣密磁門熱學(xué)功能領(lǐng)域傳熱性集成電路絕緣（散熱）基板絕熱性耐熱絕熱體，輕質(zhì)絕熱體，節(jié)能型爐耐高溫性耐高溫結(jié)構(gòu)材料，高溫爐，原子能反應(yīng)堆材料生物化學(xué)功能領(lǐng)域骨親和性人工骨，人造牙根，人造關(guān)節(jié)載體性固定酶載體，催化劑載體，生物化學(xué)反應(yīng)控制器耐蝕性理化儀器，化工材料，化工裝置內(nèi)襯，原子能有關(guān)材料催化性水煤氣反應(yīng)催化劑，耐熱催化劑，化學(xué)用催化

5、劑材料的性能本質(zhì)外界因素（作用物理量）作用于某一物體，如：外力、溫度梯度、外加電場磁場、光照等，引起原子、分子或離子及電子的微觀運動，在宏觀上表現(xiàn)為感應(yīng)物理量，感應(yīng)物理量與作用物理量呈一定的關(guān)系，其中有一個與材料本質(zhì)有關(guān)的常數(shù)材料的性能作用物理量 感應(yīng) 物理量公式材料內(nèi)部的 變化 材料 性 能性能的 種類應(yīng)力 形變=S 原子發(fā)生相對位移柔性系數(shù)力學(xué)性能表面電荷密度DD=C 原子發(fā)生相對位移引起偶極矩的變化壓電常數(shù)壓電性能溫差t形變 = t原子發(fā)生位移熱膨脹系數(shù)熱學(xué)性能熱量QQ=Ct原子振動加強熱容熱學(xué)性能溫差電動勢V= t載流子的定向運動溫差電動勢系數(shù)導(dǎo)電性能溫度梯度dt/dx熱流密度qq=

6、kdt/dx原子熱振動的相互作用熱導(dǎo)率熱學(xué)性能電場 E電流密度JJ=E荷電離子遠(yuǎn)距離的移動電導(dǎo)率導(dǎo)電性能極化強度PP= 0E宏觀電場荷電離子短距離的移動介質(zhì)電極化率介電性能離子的偶極矩 =E局部電場原子核與周圍電子發(fā)生短距離的移動離子的極化率介電性能材料的形變 =d E偶極矩的變化壓電常數(shù)壓電性能材料結(jié)構(gòu)的三個層次單個原子結(jié)構(gòu)：影響材料的電、磁、光和熱性能；影響原子結(jié)合方式；決定材料的類型；原子空間排列：金屬、許多陶瓷和一些聚合物材料有非常規(guī)整的原子排列，稱為晶體結(jié)構(gòu)，部分陶瓷和大多數(shù)聚合物的原子排列是無序的，稱為非晶態(tài)顯微組織：包括晶粒大小、合金相種類、數(shù)量和分布等參數(shù)。材料不同層次的結(jié)構(gòu)原

7、子間的鍵合 原子結(jié)構(gòu)理論: 原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成的。原子間的作用力是由原子的外層電子排布結(jié)構(gòu)造成的化學(xué)鍵（Chemical bonding）屬于主價鍵（primary interatomic bonds），包括：離子鍵（Ionic bonding）金屬鍵（Metallic bonding）共價鍵（covalent bonding）物理鍵（physical bonding),亦稱Van der Waals bonding，屬于次價鍵(Secondary bonding）氫鍵（Hydrogen-bonding）：介于化學(xué)鍵和范德華力之間離子鍵（Ionic bonding)離

8、子鍵：是由于正離子（Cation） 、負(fù)離子（anion）間的庫侖引力而形成的。多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物NaCl離子鍵示意圖特點：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，且無方向性，無飽和性性質(zhì)：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體共價鍵（covalent bonding）：是由于相鄰原子共用其外部價電子，形成穩(wěn)定的電子滿殼層結(jié)構(gòu)。亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無機非金屬材料特 點：飽和性 配位數(shù)較小 ，方向性（s電子除外）性質(zhì)：熔點高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差氧化硅中硅原子間共價鍵示意圖金屬鍵（Metallic bonding）：貢獻出價電子的原子成為正離子，與公有化的自由電子

9、間產(chǎn)生靜電作用而結(jié)合起來，這種結(jié)合方式稱為金屬鍵，它沒有飽和性和方向性。典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價電子（valence electron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Free electron），形成電子云（electron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵特點：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好金屬鍵模型示意圖一些高分子材料和陶瓷，它們的分子往往具有極性，即分子的一部分帶正電荷，而另一部分則帶負(fù)電荷。一個分子的正電荷部位和另一個分子的負(fù)電荷部位間的微弱靜電吸引力將兩個分子結(jié)合在一起這種結(jié)合方式稱為范德瓦爾鍵，也稱為分子鍵。包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力(dispersive force)屬物理鍵 ，系次價鍵，不如化學(xué)鍵強大，但能很大程度改變材料性質(zhì)聚氯乙烯中范德瓦爾鍵示意圖 范德瓦爾鍵，又稱為“分子鍵” （Van der waals bonding)碳納米管的擁擠生長（Overcrowding growth）氫鍵（Hydrogen b