材料科學(xué)基礎(chǔ)材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)文檔資料

1、1第一章 材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)結(jié)構(gòu)分4個(gè)層次： 原子結(jié)構(gòu) 結(jié)合鍵 原子的排列 顯微組織2第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)一、原子的電子排列1、 原子的核式結(jié)構(gòu) 原子由原子核及核外電子構(gòu)成 原子核：體積小，質(zhì)量大，帶正電 電子：質(zhì)量可忽略，在一定軌道繞核旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電2、電子分布（1）4個(gè)量子數(shù)：主量子數(shù) n ：電子能級(jí)的殼層序數(shù)。n=1,2,3,7；次量子數(shù) l(角量子數(shù)、軌道量子數(shù))：l=0,1,2,確定每一殼層的亞殼層數(shù)目(spdf)3磁量子數(shù) m：確定每一亞殼層中空間取向不同的軌道數(shù)目。m=0,1，2，, 軌道空間取向（spdf1357）自旋量子數(shù)ms ：確定每一軌道中能容納的電子數(shù)目。ms=+1/2,-1

2、/2 各殼層能夠容納的電子總數(shù)：2n2(n-主量子數(shù))4（2）兩個(gè)基本原理： 泡利不相容原理；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。 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)。（3）能級(jí)的重疊相鄰主殼層的能量范圍有重疊5例題 ：寫出原子序數(shù)為11的鈉原子及原子序數(shù)解： na: 1s22s22p63s1 ca: 1s22s22p63s23p64s23、原子的活潑程度主要取決于外殼層（s層和p層）填滿與否例如：6二、元素周期表及性能的周期性變化71、周期對(duì)應(yīng)于電子主殼層2、同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)和相似的化學(xué)性質(zhì)3、過渡族元素具有未滿的內(nèi)殼層和典型

3、的金屬性4、b族和b族的內(nèi)殼層填滿，a族和a族的內(nèi)殼層未滿，故b族和b族不如a族和a族活潑例如：cu ： 85、電負(fù)性呈周期性變化：同周期自左至右逐漸增強(qiáng)，同族自上而下逐漸減弱9第二節(jié) 原子的結(jié)合鍵 一次鍵 二次鍵 混合鍵 結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距 結(jié)合鍵與性能10按結(jié)合力強(qiáng)弱分： 一次鍵：通過電子的轉(zhuǎn)移或共享使原子結(jié)合的結(jié) 合鍵包括離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵，結(jié)合力較強(qiáng) 二次鍵：通過偶極吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵包括氫鍵、范德瓦爾斯鍵，結(jié)合力較弱一、一次鍵1、離子鍵 通過正負(fù)離子間相互吸引力 使原子結(jié)合的結(jié)合鍵 11 例如：nacl, mgo對(duì)于 nacl：na：1s22s22p63s1cl： 1s

4、22s22p63s23p5na 原子失去一個(gè)外層電子，變成正離子，帶正電cl 原子得到一個(gè)外層電子，變成負(fù)離子，帶負(fù)電12132、共價(jià)鍵 通過共用電子對(duì)使原子結(jié)合的結(jié)合鍵例如，金剛石14(1) 具有方向性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性金剛石109.5(2) 8-n 定律 一個(gè)原子周圍的共用電子對(duì)的數(shù)目，其中，為原子的價(jià)電子數(shù) a族，4個(gè)共用電子對(duì)，空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu) a族，3個(gè)共用電子對(duì)，空間層狀結(jié)構(gòu) a族，2個(gè)共用電子對(duì)，空間鏈狀結(jié)構(gòu)153、金屬鍵 通過正離子與自由電子之間相互吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵。 價(jià)電子脫離原子成為“電子氣”，正離子整齊地排列在 “電子氣”的海洋中 金屬具有高的密度，良好的塑性，導(dǎo)電，導(dǎo)熱

5、，固態(tài)溶解16二、二次鍵1、范德瓦耳斯鍵 具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的原子或分子通過電偶極矩相互吸引而結(jié)合的結(jié)合鍵。如石蠟、塑料172、氫鍵 含氫的分子具有極性，與另一個(gè)具有較強(qiáng)電負(fù)性的原子通過氫離子而結(jié)合的結(jié)合鍵。如冰 x-h-yx-h: 離子鍵h-y：氫鍵18三、混合鍵 大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合。1、一次鍵混合（1）共價(jià)鍵與金屬鍵混合如 a族中， c si ge sn pb19（2） 金屬鍵與離子鍵混合如金屬間化合物中（3）共價(jià)鍵與離子鍵混合如陶瓷化合物中 ab化合物中離子鍵的比例取決于組成元素的電負(fù)性差，差越大，離子鍵比例越高： xa, xb a,b 的電負(fù)性數(shù)值。（表1-2，

6、p17）2()abxx1- 4離子鍵結(jié)合（）1-e 100%20例題: 計(jì)算化合物 (1)mgo、(2)gaas中離子鍵結(jié)合的比例解：(1) mgo查電負(fù)性表得 x mg = 1.31, x o = 3.44代入公式得, 離子鍵結(jié)合比例68%(2) gaas查電負(fù)性表得, x ga = 1.81, x as = 2.18代入公式得, 離子鍵結(jié)合比例4%21222、一次鍵與二次鍵混合例如： 石墨: 片層中為共價(jià)鍵,片層間 為范德瓦爾斯鍵 高分子:分子鏈中為共價(jià)鍵,鏈 與鏈之間為二次鍵23四、結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距1、結(jié)合鍵的本質(zhì) 結(jié)合鍵的強(qiáng)弱反映了原子或分子間結(jié)合時(shí)互作用能降低的程度242、原子

7、間的互作用力及結(jié)合能（1）雙原子模型 固體原子間總存在著 兩種力： 吸引力、排斥力 引力與斥力相等時(shí)， r0稱原子間距。 平衡距離下的作用能定義為原子的結(jié)合能0 結(jié)合能越大，原子結(jié)合越穩(wěn)定。0efdx 25（2）原子結(jié)合能的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及理論計(jì)算 實(shí)驗(yàn)測(cè)定原理 測(cè)定固體的蒸發(fā)熱 理論計(jì)算(自學(xué)p24例題)五、結(jié)合鍵與性能五、結(jié)合鍵與性能1、對(duì)物理性能的影響1) 熔點(diǎn)：共價(jià)鍵、離子鍵的最高，高分子材料 的最低2) 密度：金屬鍵的最高，共價(jià)鍵、離子鍵的較 低，高分子材料的最低3) 導(dǎo)電導(dǎo)熱性：金屬鍵最好，共價(jià)鍵、離子鍵最差。262、對(duì)力學(xué)性能的影響（1） 強(qiáng)度：結(jié)合鍵強(qiáng)，則強(qiáng)度也高，但還受組織的影響（

8、2） 塑韌性：金屬鍵最好，共價(jià)鍵、離子鍵最低.（3） 彈性模量：共價(jià)鍵、離子鍵最高，金屬鍵次之，二次鍵最低27第三節(jié) 原子排列方式 晶體與非晶體 原子排列的研究方法一、晶體與非晶體1、晶體 原子(原子團(tuán)或分子)在空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的固體。 一般情況下，金屬、大多數(shù)陶瓷、少數(shù)高分子材料為晶體。28 非晶體： 排列無(wú)序，不存在長(zhǎng)程的周期規(guī)則排列。二氧化硅結(jié)構(gòu)示意圖二氧化硅結(jié)構(gòu)示意圖 a)晶體晶體 b)非晶體非晶體292、結(jié)晶過程晶核形成晶核長(zhǎng)大303、晶體與非晶體性能的主要差別31二、 原子排列的研究方法 x射線或電子束 衍射原理布拉格定律： 根據(jù)衍射分布圖，可分析晶體中原子排列的特征（排

9、列方式、原子面間距等）2 sindn32第四節(jié) 晶體材料的組織1、結(jié)晶過程及多晶組織332、材料的組織各種晶粒的組合特征。即各種晶粒的相對(duì)量、尺寸大小、形狀及分布等特征。 組織是影響材料性能的極為敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素。343、組織的顯示與觀察 宏觀組織：肉眼能觀察 顯微組織：用金相顯微鏡或電子顯微鏡才能看到。磨光拋光浸蝕顯微鏡下觀察：354、單相與多相組織（1）單相組織 所有晶粒的化學(xué)組成相 同，晶體結(jié)構(gòu)也相同。 描述單相組織特征的主要用晶粒尺寸及形狀。（2）多相組織 兩相以上的晶體材料，各個(gè)相具有不同的成分和晶體結(jié)構(gòu)。 兩相例子：36第五節(jié) 材料的穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)（平衡態(tài)結(jié)構(gòu)） 能量最低的結(jié)構(gòu)。 亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 能量相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)。 材料最終得到什么結(jié)構(gòu)，必須綜合考慮結(jié)構(gòu)形成的熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件。1、熱力學(xué)條件 結(jié)構(gòu)形成時(shí)必須沿著能量降低的方向進(jìn)行，或者說(shuō)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變必須存在一個(gè)推動(dòng)力。37 等溫等容過程：亥姆霍茲自由能變化， 自發(fā)過程 等溫等壓過程：吉布斯自由能變化，