材料科學(xué)基礎(chǔ)chp1-原子結(jié)構(gòu)與鍵合課件

2023/8/5第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合內(nèi)部結(jié)構(gòu)→材料的性能結(jié)構(gòu)篇2023/7/31第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合內(nèi)部結(jié)構(gòu)→材料2023/8/5章目錄1.1原子結(jié)構(gòu)及其周期性1.2原子間的鍵合1.3高分子鏈2023/7/31章目錄1.1原子結(jié)構(gòu)及其周期性2023/8/5結(jié)構(gòu)的四個(gè)層次成分、加工工藝共同決定著材料的結(jié)構(gòu)，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了材料的性能。材料結(jié)構(gòu)分為四個(gè)層次:原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)合鍵成分原子排列相結(jié)構(gòu)加工工藝2023/7/31結(jié)構(gòu)的四個(gè)層次成分、加工工藝共2023/8/51.1原子結(jié)構(gòu)及其周期性原子核+電子1922年獲得諾貝爾獎(jiǎng)（物理學(xué)）2023/7/311.1原子結(jié)構(gòu)及其周期性原子核+電子2023/8/5一、核外電子分布核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由四個(gè)量子數(shù)決定。主量子數(shù)n=1、2、3…

距核遠(yuǎn)近、能量高低。角量子數(shù)l=0、1、2…

電子云形狀、能量高低。磁量子數(shù)m=0、、…

電子軌道空間取向自旋量子數(shù)ms=電子自旋方向2023/7/31一、核外電子分布核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2023/8/5電子軌道將不同組合的量子數(shù)代入薛定諤方程求解，得到四種電子分布的波函數(shù)—電子軌道s—一種組態(tài)（球?qū)ΨQ）2p—三種組態(tài)（軸對(duì)稱）6d—五種組態(tài)10f—七種組態(tài)142023/7/31電子軌道將不同組合的量子數(shù)代入薛定2023/8/5d-軌道空間分布示意圖p-軌道空間分布示意圖2023/7/31d-軌道空間分布示意圖p-軌道空間分布示意2023/8/5電子分布須遵循的兩個(gè)原則：泡利不相容原則一個(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。能量最低原則電子總是優(yōu)先占據(jù)能量較低的軌道，使系統(tǒng)的能量處于穩(wěn)定的狀態(tài)。2023/7/31電子分布須遵循的兩個(gè)原則：泡利不相容原則2023/8/5二、原子結(jié)構(gòu)的周期規(guī)律周期表中，周期數(shù)代表了電子主層數(shù)n。1、元素的周期性1、2、3為短周期，外層電子只有s、p次層。4、5、6、7為長(zhǎng)周期，除s、p次層外，還有d層電子。6、7周期中，除s、p、d外，還填入了f層電子。spdf2023/7/31二、原子結(jié)構(gòu)的周期規(guī)律周2023/8/52023/7/312023/8/52、主族元素ⅠA?ⅧA分別填入外層s、p電子（2+6=8），原子的電負(fù)性和化學(xué)性質(zhì)由此呈周期變化?；顫娊饘佟墙饘佟栊栽?。以半金屬元素ⅣA為中心，可作為材料使用；性質(zhì)活潑的元素不宜用作材料。2023/7/312、主族元素ⅠA?ⅧA分別填入外層s、2023/8/53、副族元素ⅢB?ⅡB分別填入d內(nèi)層電子（共10個(gè)）。由于外層s電子為1、2個(gè)，幾乎相同，化學(xué)性質(zhì)變化不大，統(tǒng)稱“過渡族元素”。因核內(nèi)正電荷數(shù)目增加，對(duì)外層電子吸引力增大，穩(wěn)定性上升。材料元素的重點(diǎn)選擇區(qū)域。2023/7/313、副族元素ⅢB?ⅡB分別填入d內(nèi)層電2023/8/54、鑭系、錒系分別填入f內(nèi)層電子（共14個(gè)）。因外層s電子都是2，化學(xué)性質(zhì)非常接近，統(tǒng)稱“稀土元素”。由于f層內(nèi)有許多空軌道，相互間能級(jí)差很小，易于激發(fā)，因而具有重要的功能效應(yīng)。例如：長(zhǎng)余輝稀土鋁酸鹽材料。2023/7/314、鑭系、錒系分別填入f內(nèi)層電子（共14個(gè)2023/8/55、電負(fù)性周期表中由左至右、由下到上，電負(fù)性↑。同族、同周期元素有相似的性質(zhì)特點(diǎn)。例如：Nb具有低溫超導(dǎo)性，在它周圍的Zr、Mo、V、Ta也有這一特性。S化物、Se化物、Te化物同族，都有光電特性。spdf2023/7/315、電負(fù)性周期表中由左至右、由下到上，電負(fù)2023/8/51.2原子間的鍵合1、金屬鍵（Metallicbonding）典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子（valenceelectron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Freeelectron），形成電子云（electroncloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好2023/7/311.2原子間的鍵合1、金屬鍵（Meta2023/8/52、離子鍵（Ionicbonding)

特點(diǎn)：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(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體3、共價(jià)鍵（covalentbonding）亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對(duì)而成

特點(diǎn)：飽和性配位數(shù)較小，方向性（s電子除外）性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差實(shí)質(zhì)：金屬原子帶正電的正離子（Cation）

非金屬原子帶負(fù)電的負(fù)離子（anion）2023/7/312、離子鍵（Ionicbonding)2023/8/54、范德華力

次價(jià)鍵，偶極作用，沒有方向性和飽和性。鍵能弱（幾～數(shù)十KJ/mol）。5、氫鍵：

次價(jià)鍵。H與電負(fù)性很大、原子半徑較小的O、F、N等結(jié)合而產(chǎn)生的較強(qiáng)的鍵力，幾十KJ/mol，有方向性和飽和性。2023/7/314、范德華力

次價(jià)鍵，偶極作用，沒有方2023/8/51.3高分子鏈（HighpolymerChain）

2023/7/311.3高分子鏈（Highpolymer2023/8/5近程結(jié)構(gòu)（short-rangeStructure)

一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（theChemistryofmerunito)

1.碳鏈高分子聚乙烯主鏈以C原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)，加聚反應(yīng)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.雜鏈高分子

滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價(jià)鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對(duì)苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等2023/7/31近程結(jié)構(gòu)（short-rangeStru2023/8/53.元素有機(jī)高分子硅橡膠

主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側(cè)鏈則有機(jī)基團(tuán)，故兼有無機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠4.無機(jī)高分子二硫化硅

主鏈既不含C原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解聚二氯—氮化磷2023/7/313.元素有機(jī)高分子2023/8/5二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bondingtape）1.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序單烯類單體中除乙烯分子是完全對(duì)稱的，其結(jié)構(gòu)單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對(duì)稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭—頭尾—尾頭—尾雙烯類高聚物中，則更復(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同2023/7/31二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bondi2023/8/52.共聚物的序列結(jié)構(gòu)（Copolymers）

按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為2023/7/312.共聚物的序列結(jié)構(gòu)（Copolymers2023/8/5三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（structure）不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不能改變形狀—熱固性（thermosetting）

2023/7/31三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（structure）不2023/8/5四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecularconfigurations）鏈的構(gòu)型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過化學(xué)鍵斷裂才行2023/7/31四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecularc2023/8/5旋光異構(gòu)體（stereoisomerism）由烯烴單體合成的高聚物在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對(duì)稱C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元，有三種排列方式2023/7/31旋光異構(gòu)體（stereoisomerism2023/8/5幾何異構(gòu)（Geometricalisomerism）

雙烯類單體定向聚合時(shí)，可得到有規(guī)立構(gòu)聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉(zhuǎn)，從而每一雙就可能有

順式

反式

對(duì)于大分子鏈而言就有二甲基丁二烯二甲基丁二烯兩種異構(gòu)體之分，稱為幾何異構(gòu)2023/7/31幾何異構(gòu)（Geometricalisom2023/8/5遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（Long-rangeStructure)一、高分子的大小（MolecularSize）高分子的相對(duì)分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性平均相對(duì)分子質(zhì)量2023/7/31遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（Long-rangeStruc2023/8/5高分子鏈中重復(fù)單元數(shù)目稱為聚合度不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質(zhì)，對(duì)加工和使用也有很大影響。數(shù)均相對(duì)分子量每鏈節(jié)的質(zhì)量對(duì)力學(xué)性能起決定作用，2023/7/31高分子鏈中重復(fù)單元數(shù)目稱為聚合度不僅影響高2023/8/5二、高分子的形狀（Molecularshape）主鏈以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長(zhǎng)d和鍵角θ，每個(gè)單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chaintwisting）故高分子在空間