固體材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí).ppt

1、1,第一章 固體材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí),問題的提出與思考： 材料是用來制造器件的物質(zhì)。 與物質(zhì)有關(guān)的學(xué)科 物理、化學(xué)、量子力學(xué) 物質(zhì)是由無數(shù)微粒（分子、原子、離子）按一定的方式聚集而成的集合體）,2,第一章 固體材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí),第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)及鍵合 1.1 原子結(jié)構(gòu) 原子是由原子核（帶正電的質(zhì)子和呈電中性的中子組成）和核外電子（帶負(fù)電荷）構(gòu)成。 特點(diǎn)： 體積很小，但是質(zhì)量大部分都集中在原子核內(nèi)，原子核的密度很大。 核外電子的質(zhì)量雖然可以忽略，但是它們的分布卻是原子結(jié)構(gòu)中的最重要的問題，它不僅決定了單個(gè)原子的行為，也對(duì)材料內(nèi)部原子的結(jié)合及其材料的一些性能起著重要的作用。,3,111 原子的電子

2、排列 電子在核外的運(yùn)動(dòng)是測(cè)不準(zhǔn)的，但是電子的旋轉(zhuǎn)軌跡也不是任意的。 電子在核外的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律（薛定諤方程 ）： 四個(gè)量子數(shù)： （1） n（主量子數(shù)）：確定電子距離內(nèi)核遠(yuǎn)近和能量高低的 主要參數(shù) ，電子的能量隨n的增大而增高。 （2） L（次量子數(shù)）：反映軌道的形狀，由s、p、d、f四個(gè)量 子數(shù)表示各軌道在原子核周圍的角度分 布不同，次量子數(shù)也影響軌道的能級(jí)。 （3） m（磁量子數(shù)）：確定軌道的空間取向。 （4） ms（自旋量子數(shù)）：表示在每個(gè)狀態(tài)下可以存在自旋方 向相反的兩個(gè)電子。,4,5,6,原子核外電子的分布除了與這四個(gè)量子數(shù)有關(guān)外，還服從以下兩項(xiàng)基本原理： 泡利不相容原理：一個(gè)原子中不可

3、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)； 洪德定則：在未填滿的殼層中，電子的自旋值應(yīng)該盡量地大。,7,112 元素周期表及其性能的周期變化,8,幾個(gè)概念： （1）原子的電離能 指氣態(tài)原子在最低能態(tài)失去電子時(shí)所需要的能量。元素的電離能越小，則越容易失去電子而成為正離子。 （2）電子的親和能 指氣態(tài)原子獲得一個(gè)電子時(shí)所放出的能量。元素的電子親和能越大，則越容易獲得電子形成負(fù)離子。 （3）原子的電負(fù)性 原子在形成價(jià)鍵時(shí)吸引電子的能力，用以比較各種原子形成負(fù)離子或正離子的傾向。兩元素的電負(fù)性差越大，所形成的鍵的極性就越強(qiáng)。,9,12

4、 鍵合 固體材料中的原子（此處“原子”這一名詞僅僅是為了標(biāo)志一種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的質(zhì)點(diǎn)，是離子、原子或分子可以不必追究，下同）之間存在著一定的結(jié)合力，物質(zhì)依據(jù)這種結(jié)合力將各種原子連接起來，使材料保持著一定的幾何形狀或物性，原子間的結(jié)合力也稱為結(jié)合鍵，材料的許多性能在很大程度上都與結(jié)合鍵的大小或類型有關(guān)。根據(jù)結(jié)合鍵的強(qiáng)弱常分成一次鍵和二次鍵兩大類。 一次鍵：依靠電子的轉(zhuǎn)移或共享來實(shí)現(xiàn)的一種結(jié)合力，結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵； 二次鍵：借助原子或分子間的偶極吸引力而形成，結(jié)合力較弱，包括范德華鍵和氫鍵。,10,121 鍵合的類型 (1) 離子鍵,11,離子健合的意義及其特點(diǎn)： （1）通常實(shí)現(xiàn)離

5、子鍵合的一方為金屬元素，而另一方為非金屬元素，它們分別位于周期表的水平兩則； （2）由于金屬元素放棄了它們的價(jià)電子給非金屬元素，使得兩者的原子都變得穩(wěn)定，形成惰性氣體元素的電子構(gòu)型，并分別成為正離子和負(fù)離子。這種形式的結(jié)合使得系統(tǒng)的能量處于最低位置，形成最穩(wěn)定的結(jié)合狀態(tài)，它們之間的鍵合也較牢固； （3）離子鍵合不具有方向性，其健力的大小在環(huán)繞離子的所有方向上相等，就是說，一個(gè)離子可以吸引幾個(gè)電荷相反的離子，形成所謂的大分子結(jié)構(gòu)，當(dāng)大分子結(jié)構(gòu)足夠大時(shí)，就形成了離子晶體的固體材料； （4）離子鍵合的材料具有較高的對(duì)稱性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)較高、硬度大、膨脹系數(shù)較小而脆性較大。 （5）離子晶體材料中沒有

6、自由電子，所以，通常是電或熱的不良導(dǎo)體是絕緣體，但是，在高溫下可以是借助離子本身在晶體中的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電。,12,（2）共價(jià)健,13,共價(jià)健的意義及其特點(diǎn)： （1）通過共享電子對(duì)的結(jié)合使相鄰原子鍵合起來的形式稱為共價(jià)鍵 ； （2）飽和性。根據(jù)量子力學(xué)理論，已成對(duì)的電子不能再與其它原子中的電子結(jié)合成對(duì)，即共價(jià)結(jié)合的原子所能形成鍵的數(shù)目有一最大值，當(dāng)原子的價(jià)電子數(shù)為N時(shí)，應(yīng)建立（8N）個(gè)共用電子對(duì)才達(dá)到共價(jià)結(jié)合。 （3）方向性。共價(jià)鍵是借共享的電子結(jié)合而成的，相鄰兩原子的外層未滿殼層電子云重疊越多，所形成的共價(jià)鍵就越穩(wěn)定，因此，電子云是按其最大密度的方向重疊的，各個(gè)共價(jià)鍵之間有確定的相對(duì)取向，帶有明顯

7、的方向性。 （4）在外力的作用下，原子發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，鍵將被破壞，故共價(jià)鍵的材料通常都不具有塑性，是較為典型的脆性材料；為使電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，必須破壞共價(jià)鍵，需要高溫、高壓，因此共價(jià)鍵材料又都具有良好的絕緣性能。但是共價(jià)鍵的結(jié)合能變化范圍較大，共價(jià)鍵的結(jié)合能可以很強(qiáng)，如金剛石非常堅(jiān)硬、熔點(diǎn)非常高；共價(jià)鍵的結(jié)合能也可以很弱，如鉍270左右即可熔化。,14,（3）金屬鍵,15,金屬鍵的意義及其特點(diǎn)： （1）由金屬正離子和自由電子之間相互作用而形成的結(jié)合稱為金屬鍵 （2）金屬鍵中的電子處于共用化狀態(tài)，將原子維持在一起的電子并不固定在一定的位置上，所以，沒有飽和性和明顯的方向性。 （3）金屬鍵結(jié)合的金

8、屬材料具有良好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能。此外，金屬鍵的結(jié)合能比離子晶體和共價(jià)晶體低一些，但是過渡族金屬的結(jié)合能則要大些。各種金屬鍵的結(jié)合能存在著較大的差異，因此各種金屬的強(qiáng)度、熔點(diǎn)等相差較大。,16,（4）范德華鍵 意義及其特點(diǎn)： 范德華鍵力是一種因電偶極矩的感應(yīng)作用而產(chǎn)生的鍵合現(xiàn)象； 除高分子外，鍵的結(jié)合力不如化學(xué)鍵牢固，也無飽和性和方向性。,17,（5）氫鍵 意義及其特點(diǎn)： 依靠原子或分子的偶極矩引力而形成，但是氫原子起到了關(guān)鍵作用； 具有明顯的飽和性和方向性，結(jié)合力大于范德華鍵，主要存在于分子內(nèi)或分子間，如高分子材料中存在著大量的氫鍵。,18,(6) 混合鍵 實(shí)際的材料大多為混合鍵： 或由幾

9、種類型的鍵組合構(gòu)成晶體 ； 或以兩種獨(dú)立類型的鍵共同存在 。 實(shí)例： 陶瓷材料中主要是離子健和金屬鍵； 一些氣體分子以共價(jià)健結(jié)合，而分子凝聚時(shí)卻依靠范德華鍵； 金屬中主要是金屬鍵，但是還有其它的鍵，如共價(jià)健、離子健等。 聚合物的長(zhǎng)鏈分子內(nèi)部是共價(jià)健結(jié)合，而鏈與鏈之間則為范德華鍵或氫鍵。,19,122 鍵合的本質(zhì)及其性能 原子間斥力和引力,20,原子間距(r0) ： 兩原子在某距離下吸引力和排斥力相等，此時(shí)，該兩原子便被穩(wěn)定在此相對(duì)位置上，這一距離r0稱為原子的平衡距離，簡(jiǎn)稱原子間距。 結(jié)合能（E）: 原子在平衡距離下的作用能稱為原子的結(jié)合能。 結(jié)合能的大小相當(dāng)于把兩原子分開所需要作的功，E越大

10、，原子的結(jié)合也就越穩(wěn)定。 一般而言： 離子鍵、共價(jià)健的E值最大；金屬鍵的次之；而范德華的E最小。,21,（2）材料的結(jié)合能與性能 物質(zhì)的性質(zhì)依據(jù)鍵型的不同有很大的差異； 材料的密度與結(jié)合鍵型有關(guān)； 材料的力學(xué)性能等與結(jié)合鍵型的關(guān)系尤為明顯。,22,23,材料的組織,材料性能不但決定其組成相的性質(zhì)，而且與它們的形態(tài)、尺寸及相互分布情況有關(guān)，材料組織就是在光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到，能反映各組成相形態(tài)、尺寸及分布。材料組織分析研究中十分重要的工作。,24,成分和組織結(jié)構(gòu)的檢測(cè),在材料成分和結(jié)構(gòu)的分析方面，先進(jìn)儀器的不斷出現(xiàn)對(duì)材料科學(xué)與工程的飛速發(fā)展起到了決定性的作用。 （1）光學(xué)顯微鏡、X射

11、線衍射儀、紅外光譜、紫外光譜、HRSEM、SEM、STEM、隧道掃描顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、紅外原子力顯微鏡（infrared AFM)、固態(tài)核磁共振、雙準(zhǔn)直離子散射儀、高分辨率電子損耗光譜儀、俄歇能譜儀、低能電子顯微鏡、自旋極化分析儀、場(chǎng)離子顯微鏡、原子探針。,25,結(jié)構(gòu)材料的失效,一、材料的變形：材料在載荷的作用下發(fā)生幾何尺寸變化稱為變形。 變形分為彈性變形和塑性變形 彈性變形和塑性變形超過結(jié)構(gòu)所允許的范圍，即發(fā)生過量彈性變形或過量塑性變形失效。,26,結(jié)構(gòu)材料的失效,二、材料的斷裂：固體材料在力的作用下分裂為若干部分的現(xiàn)象稱為斷裂。 材料的斷裂過程包括裂紋的萌生和擴(kuò)展兩個(gè)過程材料的品種不同，引起斷裂的條件各異，材料斷裂的機(jī)理和特征也不盡相同。 斷裂的分類：（1）按照斷裂前宏觀塑性變形的程度，斷裂分為韌性和脆性斷裂兩類。（2）按照斷裂的取向，分為正斷和切斷。（3）按照裂紋擴(kuò)展的途徑，分為穿晶斷裂和沿晶斷裂。（4）按照裂紋斷裂機(jī)理，分為解理斷裂、微孔聚集型斷裂和純剪切斷裂。 衡量材料抗斷裂能力的力學(xué)性能指標(biāo)主要是抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、韌度及斷裂韌度。,27,結(jié)構(gòu)材料的失效,材料的磨損：在機(jī)件表