材料第三講教材

作業(yè)化學(xué)鍵：金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵分子鍵：氫鍵、分子鍵（范德華鍵）物質(zhì)是由分子組成的，分子是由原子組成的。分子中原子的作用力-化學(xué)鍵；分子之間的作用力-氫鍵、分子鍵。3/15/20241第二章材料的組成與結(jié)構(gòu)2.1材料的組成2.2材料的結(jié)構(gòu)3/15/20242一、材料中的化學(xué)鍵合作用(1)金屬鍵(2)離子鍵(3)共價(jià)鍵(4)氫鍵(5)分子鍵3/15/20243為什么化學(xué)組成相同（C）的石墨與金剛石有完全不同的性質(zhì)？材料中原子和離子的排列顯著影響材料的性質(zhì)。二、材料的微觀結(jié)構(gòu)非晶多晶單晶3/15/202441、晶體結(jié)構(gòu)是指原子或原子團(tuán)、離子或分子按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成的物質(zhì)。(三維空間有序)3/15/202452、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是指原子、原子團(tuán)或分子呈無(wú)序排列的固體。近程有序、長(zhǎng)程無(wú)序(>20nm)。玻璃、橡膠、塑料等都是非晶態(tài)固體鈉鈣玻璃3/15/20246例如：Si鋼—Fe78%、Si10%,B12%,作為鐵芯，磁性材料3/15/202473/15/20248視頻1：非晶態(tài)材料（3:29)材料科學(xué)和工程的前沿技術(shù)之一局限性：不穩(wěn)定.視頻2：電網(wǎng)節(jié)能新方向—非晶合金變壓器(1:0)3/15/20249國(guó)家“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃(-2015年）中提出的大力培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)（七個(gè)）：1、節(jié)能環(huán)保；2、新一代信息技術(shù)；3、生物產(chǎn)業(yè)；4、高端裝備制造；5、新能源：積極發(fā)展新的可再生能源、智能電網(wǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)、裝備及系統(tǒng)。6、新材料：大力發(fā)展新型功能與智能材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料、納米材料、新型電子功能材料、高溫合金材料等關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。7、新能源汽車3/15/202410新材料要開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域：非晶合金在能源的節(jié)能領(lǐng)域找到大顯身手的機(jī)會(huì)。新能源領(lǐng)域充滿了挑戰(zhàn)與機(jī)遇，希望同學(xué)們不要錯(cuò)過(guò)機(jī)會(huì)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展極其重要的一些領(lǐng)域進(jìn)行一些較深入的了解，并將它們有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)。3/15/202411為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排需要大量投資，預(yù)測(cè)投資：2011～2020年投資6.8萬(wàn)億美元，輸電和配電(T&D)占44%；煤12%，風(fēng)能占12%。2021～2035年將投資10.1萬(wàn)億美元。3/15/202412三、晶體結(jié)構(gòu)1、幾個(gè)基本概念晶體：是指原子或原子團(tuán)、離子或分子按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成的物質(zhì)。(三維空間有序)晶粒：材料組織是由無(wú)數(shù)小晶體組成的，這個(gè)小晶體就是一個(gè)晶粒．各晶粒內(nèi)部原子排列的情況(晶體結(jié)構(gòu))是一樣的。晶界：由多晶體組成的金屬及合金中，每個(gè)晶粒都有它自己的固定取向，這些取向不同的相鄰晶粒之間的交界，稱為晶界。3/15/202413材料的SEM圖3/15/202414在晶體結(jié)構(gòu)中，原子或離子總是以某種方式與周圍的原子或離子相互結(jié)合。配位數(shù)：每個(gè)原子或離子周圍與它直接相鄰的原子或異號(hào)離子的數(shù)目稱為該原子或離子的配位數(shù)。晶胞：在晶格中取出一個(gè)能代表原子在空間的排列規(guī)則的最小基本單位，稱為晶胞。晶格是由無(wú)數(shù)大小、形狀和方向相同的晶胞在空間重復(fù)排列而成的。晶格常數(shù)：晶胞的大小和形狀常以晶胞的棱邊長(zhǎng)度a、b、c及棱面夾角α、β、γ來(lái)表示。棱邊的長(zhǎng)度a、b、c稱為晶格常數(shù)，其大小常以?(埃)為單位。3/15/202415晶體—點(diǎn)陣---晶格---晶胞晶格常數(shù)3/15/2024162、晶體的七大晶系：根據(jù)晶格常數(shù)a,b,c和晶面夾角α,β,γ,可將晶體分為七大類。(1)立方晶系：a=b=c,α=β=γ=90?；3/15/202417(2)正方晶系：a=b≠c。α=β=γ=90?；3/15/202418(3)三方（菱形）晶系：a=b=c，α=β=γ≠90?；SiO2石英晶體具有不對(duì)稱性，可作壓電材料3/15/202419(4)斜方（正交）晶系：a≠b≠c,α=β=γ=90?；3/15/202420(5)單斜晶系：a≠b≠c,α=γ=90?，β≠90?(6)三斜晶系：a≠b≠c,α≠γ≠β≠90?；(7)六方晶系：a=b≠c,α=β=90?，γ=120?很多壓電材料具有三斜晶系結(jié)構(gòu)，無(wú)對(duì)稱性。3/15/2024213、典型的晶體結(jié)構(gòu)演變典型的晶格結(jié)構(gòu)1原子球的正方排列簡(jiǎn)單的立方晶格晶胞3/15/202422典型的晶格結(jié)構(gòu)2體心立方排列體心立方晶格晶胞0.31r03/15/202423典型的晶格結(jié)構(gòu)3原子球的密排堆積方式六角密排晶格晶胞CBA排列方式：ABABAB…..六角密排晶格3/15/202424典型的晶格結(jié)構(gòu)3原子球的密排堆積方式面心立方晶格晶胞CBA立方密排晶格：ABCABC…..面心立方3/15/202425典型晶格結(jié)構(gòu)4金剛石結(jié)晶結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)晶結(jié)構(gòu)A+B-

在面心立方晶胞的四條對(duì)角線上，相間在長(zhǎng)度為1/3處各排列一個(gè)原子，共四個(gè)，形成的晶格為金剛石結(jié)構(gòu)。當(dāng)對(duì)角線上的原子與面心立方體上的不同時(shí)，為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。3/15/202426黃銅礦結(jié)晶結(jié)構(gòu)CuInSe當(dāng)閃鋅礦結(jié)構(gòu)中面心立方上的原子為兩種金屬原子時(shí)，為黃銅礦結(jié)構(gòu)。3/15/202427四、微觀結(jié)構(gòu)的不完整性–缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷1.缺陷對(duì)材料性能，比如對(duì)結(jié)構(gòu)敏感的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、塑性、電阻率、磁導(dǎo)率等有很大的影響.2.晶體缺陷與擴(kuò)散、相變、塑性變形、再結(jié)晶、氧化、燒結(jié)有著密切關(guān)系。3/15/202428缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小，它是在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)正常排列的一種缺陷。點(diǎn)缺陷可分為熱力學(xué)平衡缺陷和雜質(zhì)缺陷。1、點(diǎn)缺陷3/15/202429(1).熱缺陷:

熱缺陷亦稱為本征缺陷，是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）。類型:弗蘭克爾缺陷（Frenkeldefect）和肖脫基缺陷（Schottkydefect）熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系:溫度升高時(shí)，熱缺陷濃度增加。3/15/202430熱缺陷產(chǎn)生示意圖

（a）弗侖克爾缺陷的形成（空位與間隙質(zhì)點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)）（b）單質(zhì)中的肖特基缺陷的形成3/15/202431A弗蘭克爾缺陷離開平衡位置的原子（離子)，擠入點(diǎn)陣的間隙位置，而在晶體中同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙原子。B肖特基缺陷離開平衡位置的原子（離子),遷移到其他空位或晶體界面、表面。3/15/202432（2）雜質(zhì)缺陷:

亦稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)所產(chǎn)生的缺陷。類型：間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。3/15/202433從位置上看，它可以進(jìn)入結(jié)點(diǎn)位置，也可以進(jìn)入間隙位置

置換原子缺陷間隙原子缺陷3/15/2024341-大的置換原子2-肖脫基缺陷

3-小的間隙原子4-復(fù)合空位5-弗蘭克爾缺陷6-小的置換原子點(diǎn)缺陷為什么對(duì)強(qiáng)度有影響？3/15/202435刃位錯(cuò)2.線缺陷線缺陷是指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即晶體中一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向很小的缺陷。3/15/2024361934年提出位錯(cuò)的概念τττ3/15/202437螺位錯(cuò)3/15/202438位錯(cuò)的滑移和晶體變形刃位錯(cuò)在外力作用下的滑移運(yùn)動(dòng)造成了晶體的塑性變形。螺位錯(cuò)在外力作用下的滑移運(yùn)動(dòng)造成了晶體的塑性變形。3/15/2024393.面缺陷面缺陷是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、表面結(jié)構(gòu)等。3/15/202440五、晶體的類型（化學(xué)鍵來(lái)分）1、離子鍵晶體離子鍵作用的正、負(fù)離子在晶格點(diǎn)陣上排列；熔點(diǎn)、硬度較高；硬而脆；不導(dǎo)電、在水溶液中溶解導(dǎo)電，熔融導(dǎo)電；鹽、金屬氧化物；由離子半徑、離子電荷、離子電子層決定；晶格類型很多3/15/202441A.氯化銫（CsCl）型立方-體心立方8個(gè)Cs原子包圍1個(gè)Cl原子，或相反；晶胞中一個(gè)Cs原子和一個(gè)Cl原子；所含分子數(shù)N=1正、負(fù)離子的配位數(shù)：8稱為：8:8配位CsBr、CsI3/15/202442B.巖鹽（NaCl）型立方-簡(jiǎn)單立方體Cl-Na+面心立方：Cl-形成面心立方，Na-在間隙中。NaCl晶胞3/15/202443晶胞：4個(gè)Na+離子、4個(gè)Cl-離子；N=4配位數(shù)：6稱為：6：6配位NaF、AgBr、BaO3/15/202444C.閃鋅礦（ZnS)型

面心立方的八條對(duì)角線上相間排列4個(gè)離子閃鋅礦結(jié)晶結(jié)構(gòu)A+B-

N=4配位數(shù)：4稱為4：4配位ZnO、AgI、ZnS3/15/202445D.螢石（CaF2）型面心立方結(jié)構(gòu)的Ca2+離子8個(gè)對(duì)角線上各有一個(gè)F-離子。1正離子與8負(fù)離子相鄰1負(fù)離子與4正離子相鄰稱為8：4配位N=43/15/202446離子半徑與配位數(shù)：正、負(fù)離子盡可能緊密地排列才能穩(wěn)定離子間距：d=r++r-3/15/202447晶格能：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，使一摩爾的離子變成為氣態(tài)離子時(shí)所吸收的能量。-離子鍵的作用大小。晶格能越大，熔點(diǎn)越高、硬度越大。大?。号c正、負(fù)離子半徑之和成反比，與正、負(fù)離子價(jià)數(shù)成正比，3/15/202448離子的極化與變形離子鍵與共價(jià)鍵的區(qū)別：離子鍵屬于離子之間的純的靜電作用力，不含有軌道重疊組合的成分；共價(jià)鍵則純粹是由原子軌道的重疊組合形成。離子之間存在著相互極化作用，使離子間的相互作用力(化學(xué)鍵)由離子鍵向共價(jià)鍵轉(zhuǎn)化。3/15/202449離子的極化作用：使其他離子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極的作用。帶電的正、負(fù)離子靠近，正離子吸引負(fù)離子的電子、排斥其原子核；離子價(jià)數(shù)、半徑、離子外層電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。極化同時(shí)導(dǎo)致離子變形。+--+-+3/15/202450極化對(duì)鍵型的影響：?jiǎn)渭兊碾x子鍵：沒(méi)有極化和變形；極化越大、變形越大，則離子鍵中共價(jià)鍵的成份越多。結(jié)論：離子鍵和共價(jià)鍵不能絕對(duì)分開。3/15/202451極化對(duì)化合物性質(zhì)的影響(1)使正、負(fù)離子的電子云部分重疊，由離子鍵轉(zhuǎn)變?yōu)楣矁r(jià)鍵。(2)使正、負(fù)離子間的電荷遷移更加容易，物質(zhì)更容易吸收某一波段的可見光，從而使物質(zhì)的顏色變深。(3)使物質(zhì)的離子性減小，在水中的溶解度降低。(4)使得負(fù)離子的電子云向正離子偏移，自身更容易發(fā)生分解反應(yīng)（即正離子氧化負(fù)離子），因而物質(zhì)的熱穩(wěn)定性降低。3/15/2024522、原子晶體（共價(jià)鍵晶體）中性原子在晶格點(diǎn)陣上，以共價(jià)鍵結(jié)合。金剛石結(jié)晶結(jié)構(gòu)如：金剛石，金剛砂SiC，Si，Ge

等特點(diǎn)：硬度大、熔點(diǎn)高，多數(shù)不導(dǎo)電，難溶于一般的溶劑。3/15/2024533、分子晶體共價(jià)小分子通過(guò)分子間作用力(和氫鍵)結(jié)合而成的晶體稱為分子晶體。晶格點(diǎn)陣上排列的是分子。硬度很低、熔沸點(diǎn)很低，不導(dǎo)電、延展性差。二氧化碳固體3/15/2024544、金屬晶體金屬離子和自由電子通過(guò)金屬鍵結(jié)合在一起形成的晶體。金屬鍵無(wú)方向性，因而其能量最低的結(jié)構(gòu)是每個(gè)原子的周圍都有盡可能多的相鄰原子-緊密堆積結(jié)構(gòu)，配位數(shù)高---密度大。特點(diǎn)：有光澤、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好3/15/202455A.體心立方結(jié)構(gòu)BCC(body-centeredcubicstructure)例如，在常溫下的鐵、鉻、鎢等是屬于這類結(jié)構(gòu)。3/15/20