材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)第5版中文翻譯

1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)第1章、導(dǎo)言學(xué)習(xí)重點(diǎn)：仔細(xì)學(xué)過這一章后，你應(yīng)當(dāng)掌握以下內(nèi)容：1 列出材料應(yīng)用所涉及到的6種不同性質(zhì)。2 描述材料在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用中涉及的四要素，敘述它們之間的關(guān)系。3 描述材料選擇過程的三條重要標(biāo)準(zhǔn)。4 （a）列出固體材料的三種主要分類，描述這三種材料各自的化學(xué)特征。（b）記住另外三種形式的材料，以及每種的特征。1.1 歷史的回顧與展望超乎一般人的認(rèn)識(shí)，材料可能是對(duì)人類文明影響最根深蒂固的一類物質(zhì)。交通運(yùn)輸，住房，穿衣，通訊，娛樂和食品生產(chǎn)，實(shí)質(zhì)上、我們?nèi)粘Ｉ钪械拿恳徊糠侄荚谝欢ǔ潭葧?huì)受到這種或那種材料的影響。歷史上，社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展都與人類生產(chǎn)和掌握某種材料滿足自己的需

2、要密切相關(guān)。事實(shí)上，早先的文明曾按照人類開發(fā)某種材料的能力來劃分時(shí)代（例如石器時(shí)代，青銅器時(shí)代等等）。最早的人類所遇到的材料極為有限，通常是天然的土生土長(zhǎng)的一些東西，如石頭，木材，粘土，獸皮等等。隨著時(shí)代的發(fā)展，人類發(fā)現(xiàn)了生產(chǎn)材料的技術(shù)，這些人造的材料性能上優(yōu)于天然材料，這類新材料包括陶瓷和各種金屬。后來人們發(fā)現(xiàn)通過熱處理和加入其它物質(zhì)可以改變這些材料的性能。從某種意義上說，材料的應(yīng)用總是伴隨著一種篩選過程，也就是說，從有限的材料中篩選出其特性最適用于特定場(chǎng)合使用的材料。直到近代，科學(xué)家們開始知道材料的結(jié)構(gòu)組成與其性質(zhì)之間的關(guān)系。在過去60年里，人們所獲得的各種知識(shí)從很大程度上已經(jīng)改變了對(duì)許多

3、材料的認(rèn)識(shí)。迄今為止，已有成千上萬種具有不同特性的材料被開發(fā)出來以滿足我們這個(gè)現(xiàn)代和復(fù)雜社會(huì)的需要，這些材料包括金屬、塑料、玻璃和纖維。技術(shù)的進(jìn)步使人類的生活變得越來越舒適，而這一切又與我們所使用的材料密切相關(guān)。人類對(duì)某一類材料認(rèn)識(shí)程度的進(jìn)步往往是這個(gè)時(shí)代技術(shù)革命的前奏。例如，如果沒有廉價(jià)的鋼鐵和其他相應(yīng)材料，就不會(huì)有當(dāng)今的汽車工業(yè)。復(fù)雜電子設(shè)備的基本單元是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。因此，我們目前的電子信息時(shí)代，它的材料基礎(chǔ)是半導(dǎo)體材料。1.2 材料科學(xué)與工程材料科學(xué)學(xué)科涉及研究材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以其它們之間的關(guān)系。與之相應(yīng)的是，材料工程則是根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)所需要性質(zhì)的材料

4、。在整篇課文中我們將把注意力放在材料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)組成的關(guān)系上。首先，“結(jié)構(gòu)”這個(gè)模糊的概念應(yīng)該得到應(yīng)有的解釋。簡(jiǎn)單地說，材料的結(jié)構(gòu)與它的內(nèi)部成分以及物質(zhì)的排列有關(guān)。按大小我們可以把結(jié)構(gòu)分為4個(gè)層次，第一個(gè)層次為亞原子結(jié)構(gòu)，包括電子和原子核及其相互作用。結(jié)構(gòu)的第二個(gè)層次為原子大小水平，其結(jié)構(gòu)包括原子或相應(yīng)的分子相互的排列。第三個(gè)大的結(jié)構(gòu)王國(guó)是由原子團(tuán)簇聚在一起構(gòu)成的，也叫做“微觀”世界，既可以通過某些顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)的世界。第四也是最后一個(gè)結(jié)構(gòu)層次是我們可以用肉眼看到的“宏觀”世界。“性質(zhì)”的解釋是這樣的，所有材料在使用的時(shí)候都會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境有所反應(yīng)。例如工件受力會(huì)變形；拋光的金屬表面會(huì)反射光。按照

5、施加在材料上的特殊作用，性質(zhì)就是材料對(duì)這種作用的不同種類，不同大小響應(yīng)的一種特性。通常，材料的性質(zhì)與它的形狀和大小無關(guān)。實(shí)際上，固體材料的所有重要性質(zhì)都可以分成六個(gè)不同的大類：即力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和質(zhì)變學(xué)性質(zhì)。對(duì)每一種性質(zhì)都有不同的方法進(jìn)行測(cè)定。力學(xué)性質(zhì)是通過給樣品施加負(fù)載或受力來測(cè)定樣品的變形，材料的力學(xué)參數(shù)有彈性模量和強(qiáng)度等。對(duì)于電學(xué)性質(zhì)，例如材料的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，是通過施加電場(chǎng)來測(cè)定的。固體材料的熱性質(zhì)可以通過它的熱容和熱導(dǎo)率來反映。材料的磁性質(zhì)反映了它在磁場(chǎng)中應(yīng)用的能力。對(duì)于光學(xué)性質(zhì)，環(huán)境施加的是電磁波或光輻射，折射和反射程度是材料光學(xué)性質(zhì)的量度。最后，質(zhì)變學(xué)性質(zhì)是材料的化

6、學(xué)反應(yīng)性。在以后的章節(jié)中我們將分別討論材料的這六種性質(zhì)。除了結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以外，在材料科學(xué)與工程中還涉及到另外兩個(gè)很重要的要素：即材料的“加工”和“性能”。關(guān)于材料這四個(gè)要素之間的關(guān)系，人們一致認(rèn)為：材料的結(jié)構(gòu)取決于它是怎樣被加工出來的，而且，材料的性能是材料性質(zhì)的函數(shù)。于是材料的加工、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和性能呈現(xiàn)如圖1.1所示那樣的線性關(guān)系。本課程我們將通過材料的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用來說明這四個(gè)要素間的關(guān)系。我們?cè)趫D1.2中列舉了一個(gè)例子來說明材料的加工結(jié)構(gòu)性質(zhì)性能的原理，圖上是在有印刷字體的頁(yè)面上放置了三個(gè)薄圓片。很顯然，這三個(gè)樣品的光學(xué)性質(zhì)（光透過率）是不同的；放在左邊的那塊是透明的（即所有反射光都能透

7、過它），而放在中間和右邊的分別是半透明和不透明的。所有這三塊樣品都是相同的氧化鋁材料，但是左邊那塊是單晶，是沒有缺陷的固體材料，它是透明的，中間那塊是由許多相互聯(lián)接的小單晶構(gòu)成的材料，這些小單晶之間的晶界會(huì)反射部分光線，因此看起來是半透明的。在右邊的樣品內(nèi)部不僅有許多相互聯(lián)接的小晶體，而且還有大量小孔即空腔。這些孔會(huì)散射掉反射光線，導(dǎo)致這種材料不透明。由于材料的晶界和孔洞會(huì)影響到它們的光學(xué)透過性質(zhì)，因此、按照材料的晶界和孔洞指標(biāo)，這三個(gè)樣品的結(jié)構(gòu)是不同的。而且，這三個(gè)樣品是采用不同的生產(chǎn)工藝制成。顯然，如果光學(xué)透過率在最后應(yīng)用的時(shí)候是一個(gè)重要參數(shù)，那么每一種材料的性能將有所不同。1.3為什么要

8、學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程？我們?yōu)槭裁匆芯坎牧?？許多應(yīng)用科學(xué)家或工程師，機(jī)械、土木工程、化工或電子工程師們隨時(shí)都會(huì)遇到與材料有關(guān)的設(shè)計(jì)問題。這方面的例子包括機(jī)器上的傳動(dòng)齒輪，建筑上的各種承重結(jié)構(gòu)，石油化工上的煉油單元操作，以及電子工業(yè)應(yīng)用的集成電路芯片。當(dāng)然材料科學(xué)家和工程師是研究和設(shè)計(jì)這些材料方面的總專家。多少年以來，材料問題就是從數(shù)千種可用的材料中正確選出滿足需要用途的材料。有若干種影響最后決定選擇什么樣材料的標(biāo)準(zhǔn)。首先，要搞清楚材料在什么條件下使用，因?yàn)檫@將告訴我們應(yīng)當(dāng)選擇具有什么性質(zhì)的材料。一種材料很難同時(shí)具有各方面綜合最優(yōu)良或理想的性質(zhì)。因此，有必要反復(fù)交替考查材料的一種或另一類特性。典型

9、的例子包括強(qiáng)度和延展性；通常具有高強(qiáng)度的材料延展性都比較差。這種情況下，合理的折衷取舍兩種或多種性質(zhì)通常是必要的。其次，在選擇材料時(shí)必須考慮材料的使用過程中任何有害于材料性質(zhì)的一些環(huán)境因素。例如，暴露于高溫或腐蝕性環(huán)境下的材料的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)大大降低。最后，還有一個(gè)最重要的因素需要考慮，就是所選用的材料在經(jīng)濟(jì)上是否能夠承受：產(chǎn)品的最后成本如何？一種材料可能具有非常理想的使用性質(zhì)，但是如果價(jià)格太貴，也是無法應(yīng)用的。這里再重申一遍，在選擇材料時(shí)，某些折衷的考慮是必要的。產(chǎn)品的成本也包括制造生產(chǎn)所需形態(tài)材料的一切費(fèi)用。工程師或科學(xué)家對(duì)材料的各種檢測(cè)分析方法，材料的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系以及材料的加工技術(shù)越熟悉，

10、那么他或她，在根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)作出選擇材料的明智決定的時(shí)候，就越精通老練，就越自信。1.4 材料的分類傳統(tǒng)上我們把固體材料分為三個(gè)基本大類：金屬、陶瓷和聚合物。這種分類主要基于這些材料化學(xué)鍵和原子結(jié)構(gòu)的不同，現(xiàn)實(shí)世界的大多數(shù)材料都屬于這一類或者那一類材料，盡管也有介于兩者之間的材料。此外還有三類重要的工程材料，那就是復(fù)合材料、半導(dǎo)體和生物材料。復(fù)合材料是兩種或多種不同材料復(fù)合而成的材料，而半導(dǎo)體材料被應(yīng)用則是基于它們特殊的電學(xué)性能；生物材料是植入人體的一類材料。下面簡(jiǎn)要解釋材料的種類和它們的具有代表性的特性。金屬金屬材料是由金屬元素構(gòu)成的。它們具有大量的自由電子，這些電子不受特定的原子束縛。金屬的

11、許多性質(zhì)直接與這些自由電子有關(guān)，金屬有極好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力，不能透過可見光；拋光的金屬表面具有光澤。并且，在力學(xué)性質(zhì)方面，金屬?gòu)?qiáng)度高，有塑性，因此在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。陶瓷陶瓷是由金屬和非金屬元素構(gòu)成的化合物，最常見的有氧化物，氮化物和碳化物。廣義上這類材料還包括由粘土礦、水泥和玻璃構(gòu)成的陶瓷材料。這類材料是典型的電和熱的絕緣體，與金屬和聚合物相比，耐高溫并耐苛刻的環(huán)境侵蝕。至于力學(xué)性質(zhì)方面，陶瓷硬而脆。聚合物聚合物包括我們熟悉的塑料和橡膠。它們中的許多為有機(jī)化合物，由碳、氫、和其它非金屬元素構(gòu)成，它們有很大的分子結(jié)構(gòu)，這些材料具有密度低、容易加工的特性。復(fù)合材料復(fù)合材料由不止一種材料構(gòu)成

12、，許多已經(jīng)工程化。玻璃鋼是熟悉的例子，它是將玻璃纖維嵌入聚合物材料中得到的。復(fù)合材料同時(shí)具有每一種單獨(dú)材料的性能，又結(jié)合了幾種材料的優(yōu)良性能。玻璃鋼就是利用了玻璃纖維的強(qiáng)度和聚合物的彈性。最近材料的許多進(jìn)展都與復(fù)合材料有關(guān)。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電性介于絕緣體和導(dǎo)體之間。它最重要的性質(zhì)是其電性質(zhì)對(duì)存在于其中的微量雜質(zhì)濃度極其敏感，半導(dǎo)體中很小區(qū)域的雜質(zhì)濃度可以通過人為控制。半導(dǎo)體材料使得集成電路時(shí)代的來臨成為可能，它給電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)工業(yè)帶來革命，對(duì)當(dāng)今社會(huì)生活帶來劃時(shí)代的影響，如果倒退20年，簡(jiǎn)直無法想象這種影響。 生物材料生物材料是植入人體中取代人體病變器官或部分損壞器官的一類材料。這些材料必

13、須對(duì)人體無毒，也必須與人體組織相容（即必須沒有生物排斥反應(yīng)）。所有以上材料金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料、半導(dǎo)體都可以用作生物材料。例如，20.8節(jié)將討論生物材料用于人體臀部置換。1.5先進(jìn)材料用在高技術(shù)領(lǐng)域的材料有時(shí)稱作先進(jìn)材料。我們指的高技術(shù)是利用了相對(duì)復(fù)雜深?yuàn)W的原理制造的設(shè)備或產(chǎn)品；如電子設(shè)備（VCRs,CD播放器），計(jì)算機(jī)，光纖系統(tǒng)，宇宙飛船，飛機(jī)和軍事上用的火箭。這些先進(jìn)材料要么是典型的、性能得到改善的傳統(tǒng)材料，要么是最新開發(fā)的新材料和高性能材料。也就是說，它們可以是金屬、陶瓷和聚合物這樣的材料類型，通常比較昂貴。在以后的章節(jié)里要討論許多先進(jìn)材料的性質(zhì)和應(yīng)用例如，用于激光、集成電路、磁

14、信息儲(chǔ)存，液晶顯示、光纖和用于航天飛機(jī)熱保護(hù)體系的材料。1.6將來的材料智能材料（或聰明的材料）是一類新型和藝術(shù)級(jí)的材料，目前正在被人們開發(fā)出來，對(duì)我們的現(xiàn)代技術(shù)有很深的影響?！皊mart”這個(gè)形容詞意指這些材料能夠感受周圍環(huán)境的變化，并能夠?qū)@些變化作出反映，正如生命物質(zhì)所具有的這種特性和方式。此外“smart”這個(gè)概念還可以擴(kuò)展到由敏感材料和傳統(tǒng)材料構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)中。 智能材料（或系統(tǒng)）成分包括某些形式的傳感器（探測(cè)輸入信號(hào)），感應(yīng)裝置（執(zhí)行響應(yīng)和適應(yīng)動(dòng)作）。感應(yīng)裝置可以通過對(duì)溫度、電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)的改變響應(yīng)來改變形狀、位置、自然頻率、或力學(xué)特性。 四種類型的材料通常被用來作傳動(dòng)裝置，即形狀

15、記憶合金、壓電陶瓷、磁致伸縮材料、電流變/磁流變流體。形狀記憶合金是金屬，在變形以后，當(dāng)溫度改變，它又可以回到它原來的形狀。壓電陶瓷在施加電場(chǎng)或電壓的時(shí)候會(huì)膨脹或收縮，反之如果用外力改變它們的尺寸大小，它們也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。磁致伸縮材料的行為類似壓電材料，不過這時(shí)施加的是磁場(chǎng)而不是電場(chǎng)。電流變/磁流變材料是液體，當(dāng)分別施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)，它們的粘度會(huì)發(fā)生巨大的變化。 用作傳感器的材料或設(shè)備包括光纖、壓電材料（包括一些聚合物），和微電動(dòng)力學(xué)設(shè)備。 例如，用在直升飛機(jī)上的一種智能系統(tǒng)是為了減少直升飛機(jī)漿葉產(chǎn)生的航空動(dòng)力駕駛倉(cāng)噪音。壓電材料嵌入葉片中，監(jiān)測(cè)葉片的應(yīng)力和變形，把信號(hào)反饋到計(jì)算機(jī)控制的調(diào)控裝置

16、去執(zhí)行產(chǎn)生反向噪音來抵消飛機(jī)產(chǎn)生的噪音。納米技術(shù) 直到最近，科學(xué)家認(rèn)識(shí)材料化學(xué)和物理是開始從大的和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)著手，然后研究這些由較小和較簡(jiǎn)單的構(gòu)成這種結(jié)構(gòu)的基本建筑模塊。有時(shí)把這種方法稱作“自上而下”的科學(xué)?？墒请S著掃描探針顯微鏡的出現(xiàn)，它可以看到單個(gè)的原子和分子，并且可以移動(dòng)原子和分子形成新的結(jié)構(gòu)，因此、有可能從簡(jiǎn)單的原子級(jí)水平設(shè)計(jì)新材料（即“材料設(shè)計(jì)”）。這種精確排列原子的能力為人類提供了開發(fā)過去不能實(shí)現(xiàn)的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和其他性能材料的機(jī)遇。我們把這種“自下而上”的方法和這些材料性質(zhì)的研究叫做“納米技術(shù)”；“nano”這個(gè)前綴說明的是這個(gè)結(jié)構(gòu)單元的大小相當(dāng)于納米級(jí)，從（109m）100n

17、m（相當(dāng)于500個(gè)原子直徑長(zhǎng)度）。這種材料的一個(gè)例子是后面我們要介紹的碳納米管。將來、無可置疑的我們將發(fā)現(xiàn)應(yīng)用這些納米工程材料會(huì)大大加快我們的技術(shù)進(jìn)步。1.7現(xiàn)代材料需求盡管在過去幾年，人類在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展，但是仍然在技術(shù)上面臨極大的挑戰(zhàn)，包括開發(fā)更為復(fù)雜和具有更加特殊性能的材料，同時(shí)還要考慮材料生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的危害。為了人類可持續(xù)發(fā)展，有必要把這部分內(nèi)容在這里做適當(dāng)介紹。核能具有許多優(yōu)勢(shì)，要解決它的廣泛應(yīng)用仍然涉及到材料問題，從核燃料的生產(chǎn)，到防止放射性污染的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，到放射性廢料的處理都與材料有關(guān)。相當(dāng)數(shù)量的能量消耗在交通運(yùn)輸業(yè)中。減少運(yùn)輸工具（汽車、飛機(jī)、列車等）

18、的重量，以及增加發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度，都有助于提高燃燒效率。新的高強(qiáng)度、低密度的結(jié)構(gòu)材料，以及用于發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫材料會(huì)不斷被開發(fā)出來。而且，人們已經(jīng)意識(shí)到需要開發(fā)新的、經(jīng)濟(jì)的能源，并且更有效的利用現(xiàn)有的能源。在發(fā)展和解決這一問題的過程中，材料無疑起著非常重要的作用。例如從理論和實(shí)踐上已經(jīng)證明將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能是可行的。太陽(yáng)能電池就是這樣一種裝置，人類目前制造的太陽(yáng)能電池采用了一些相當(dāng)復(fù)雜和昂貴的材料。只能在一些特殊領(lǐng)域應(yīng)用。為了大規(guī)模應(yīng)用實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，必須開發(fā)出光電轉(zhuǎn)換效率高，費(fèi)用低的新材料。另一方面，我們居住的環(huán)境質(zhì)量取決于我們控制空氣和水污染的能力。現(xiàn)代污染控制技術(shù)采用了多種材料。并且，材

19、料加工和精制的方法需要改進(jìn)，以減少對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)排放，即更少的污染，更少的占用開采礦石所用土地，獲得人類所需要的材料。而且，在某些材料的生產(chǎn)過程中，必須考慮產(chǎn)生的毒性物質(zhì)和處理它們時(shí)導(dǎo)致的生態(tài)問題。目前從自然界提取供人類使用的許多材料是不可再生的（即材料的重復(fù)加工使用性）。這些材料包括聚合物（它的原材料是石油）和某些金屬。這些不能再生的材料將逐漸被人類消耗殆盡。這就需要：1）發(fā)現(xiàn)另外的資源，2）開發(fā)有相應(yīng)性質(zhì)又對(duì)環(huán)境沖擊小的新材料。和/或3）提高材料的循環(huán)效率和開發(fā)新的再生材料技術(shù)。因此、材料的生產(chǎn)不僅要考慮它的成本，而且還要考慮它對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響。與考慮材料的生產(chǎn)過程相比，考慮材料生產(chǎn)對(duì)

20、環(huán)境和生態(tài)的影響在材料從“搖籃墳?zāi)埂钡纳h(huán)過程中已變得越來越重要。第2章 原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵為什么要學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵了解固體材料中原子間的鍵的一個(gè)重要原因是如果知道材料鍵的類型可以解釋材料的性質(zhì)。例如，碳以石墨和金剛石兩種晶型存在，石墨相對(duì)較軟，摸起來有“油膩”的感覺，而金剛石是已知最硬的材料。這種性質(zhì)上的巨大差異直接與石墨和金剛石（3.9節(jié)）中存在的原子鍵不同有關(guān)。學(xué)習(xí)重點(diǎn)：仔細(xì)學(xué)過這一章后，你應(yīng)當(dāng)掌握以下內(nèi)容：1 記住兩種原子模型，注意它們之間的區(qū)別。2 描述重要的與電子能量有關(guān)的量子力學(xué)原理。3 (a)畫出兩個(gè)原子或離子間距離與吸引、排斥能和凈能量的關(guān)系曲線。(b)記住能量

21、曲線中平衡分離能和鍵能。4(a)簡(jiǎn)要描述離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、氫鍵和范德瓦耳斯鍵。 (b)記住什么材料呈現(xiàn)以上那種類型的鍵。2.1引言固體材料的某些重要性質(zhì)取決于原子的幾何排列，也取決于原子或分子之間的相互作用。在這一章里，為了為以后要討論的內(nèi)容作準(zhǔn)備，要介紹一些重要的和基本的概念，即原子結(jié)構(gòu)、原子中的電子構(gòu)型和元素周期表，把原子結(jié)合在一起組成固體物質(zhì)的各種形式的原子間的主價(jià)鍵和次價(jià)鍵。每個(gè)題目的評(píng)述簡(jiǎn)明扼要，這里假設(shè)讀者對(duì)其中一些內(nèi)容是熟悉的。原子結(jié)構(gòu)2.2基本概念每個(gè)原子是由很小的原子核和環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。電子和質(zhì)子均帶電荷，電荷的大小為1.6×

22、10-19C, 質(zhì)子帶正電，電子帶負(fù)電，中子是電中性的。這些亞原子粒子的質(zhì)量極小，質(zhì)子和中子質(zhì)量差不多，為1.67×10-27kg,遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量9.11×10-31kg。每一個(gè)化學(xué)元素是由原子核中的質(zhì)子數(shù)大小定義的，我們把它叫做原子序數(shù)（Z）。對(duì)于電中性即完整的原子，原子序數(shù)也等于核外電子數(shù)。原子序數(shù)為整數(shù)從最小的原子序數(shù)氫原子的1到自然界存在的最大的原子序數(shù)鈾原子的92。每個(gè)原子的原子質(zhì)量（A）可以用原子核里質(zhì)子和中子質(zhì)量的和來表示。雖然對(duì)于所有給定元素的質(zhì)子數(shù)是相同的，但中子數(shù)(N)可以變化。因此有些元素的原子有兩種或更多的的原子質(zhì)量，這樣的物質(zhì)我們把它們叫做同位素。

23、原子量是自然界現(xiàn)存的包括同位素在內(nèi)的原子質(zhì)量的平均值。原子質(zhì)量單位（amu）可用于計(jì)算原子量。一個(gè)原子質(zhì)量單位被定義為最普通的碳同位素12（A=12.00000）原子質(zhì)量的1/12。用這樣一個(gè)計(jì)量單位，質(zhì)子和中子的質(zhì)量略大于1。A Z + N (2.1)元素的原子量或化合物的分子量可以用每個(gè)原子或分子的原子質(zhì)量或每摩爾材料的質(zhì)量來表示。一摩爾物質(zhì)有6.023×1023個(gè)原子或分子（阿弗加德羅常數(shù)）。這兩種原子量之間的關(guān)系為如下方程：1amu/atom(or molecule)=1g/mol例如鐵的原子量為55.85amu/atom,或55.85g/mol。有時(shí)用1amu/atom(o

24、r molecule)比較方便。有時(shí)用g/mol（或kg/mol）則更好。本書用的是后者。2.3 原子中的電子原子模型19世紀(jì)末期，人們發(fā)現(xiàn)在涉及到固體材料中的電子的許多試驗(yàn)現(xiàn)象的時(shí)候，無法用經(jīng)典力學(xué)解釋。支撐原子和亞原子這個(gè)物質(zhì)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的就是后來人們建立的一系列的稱之為量子力學(xué)的原理和法則。了解原子和晶體中電子的行為必然涉及到一些量子力學(xué)概念的討論?？墒窃敿?xì)地解釋量子力學(xué)原理已經(jīng)超出了本教材的范圍。這里只做一些膚淺的，簡(jiǎn)要的介紹。在量子力學(xué)的誕生初期，出現(xiàn)了簡(jiǎn)化的波爾原子模型，波爾原子模型假設(shè)電子在它們各自的固定軌道上圍繞原子核運(yùn)行，任何電子都或多或少的固定在各自的軌道上。該原子模型圖

25、2.1所示。量子力學(xué)的另外一個(gè)重要原理是電子的能量是量子化的，既能量值不連續(xù)，只能為某特定的值。電子的能量可以改變，能量改變時(shí)必須發(fā)生量子躍遷，要么到更高能級(jí)（吸收能量）要么到更低的能級(jí)（放出能量）。把電子能量與能級(jí)或能態(tài)聯(lián)系起來考慮是方便的。這些能態(tài)不是連續(xù)改變的，即相鄰的能級(jí)被一定能量隔開。例如，波爾氫原子的允許能態(tài)為圖2.2a所示。這些能量都為負(fù)數(shù)，能量為零是非電子填充時(shí)的參比狀態(tài)。當(dāng)然，氫原子中的一個(gè)電子只能填充一個(gè)能級(jí)狀態(tài)。因此、波爾模型代表了人們?cè)缙诎凑瘴恢茫娮榆壍溃┖湍芰浚孔踊哪芗?jí)）來描述原子中的電子的一種嘗試。 人們發(fā)現(xiàn)用波爾原子模型解釋涉及電子的一些物理現(xiàn)象仍然具有局限

26、性。后來通過波動(dòng)力學(xué)原子模型成功解決了這一問題。在波動(dòng)力學(xué)模型中，電子呈現(xiàn)波動(dòng)和粒子兩像性。電子的運(yùn)動(dòng)不再是在固定的軌道上，位置被認(rèn)為是電子在原子核外各位置上出現(xiàn)的概率。換句話說，位置通過概率分布和電子云描述。圖2.3 比較了波爾和波動(dòng)力學(xué)的氫原子模型。本教材這兩種理論都在使用，選擇哪一種取決于更能夠簡(jiǎn)單的說明問題。量子數(shù)原子中的每個(gè)電子可以用波動(dòng)力學(xué)中的四個(gè)參數(shù)即量子數(shù)描述。電子概率密度的大小，形狀和空間取向均由該量子數(shù)中的三個(gè)量子數(shù)決定。而且波爾能級(jí)可以分裂成能級(jí)，量子數(shù)給出了每一個(gè)次能級(jí)層的數(shù)量。主量子數(shù)n為整數(shù)，從1開始，分別可以取n=1,2,3,4,5,；有時(shí)這些能級(jí)也可以用字母K,

27、L,M,N,O等分別表示n=1,2,3,4,5,時(shí)的狀態(tài)，如表2.1所示。注意只有這個(gè)主量子數(shù)與波爾模型有聯(lián)系。主量子數(shù)的大小與電子距核遠(yuǎn)近即位置有關(guān)，n愈大，能級(jí)愈高。 第二個(gè)量子數(shù)l表示次能級(jí)，分別用小寫字母s，p，d，f來表示次能級(jí)電子云的形狀。此外，次能級(jí)上的次量子數(shù)要受到主量子數(shù)n大小的限制。表2.1分別列出了在幾個(gè)主量子數(shù)下允許存在的次量子數(shù)。對(duì)于次能級(jí)的能態(tài)數(shù)由第三個(gè)量子數(shù)ml決定。處于s狀態(tài)的電子，只有一個(gè)能級(jí)態(tài)，而對(duì)于p，d，f次能級(jí)上的電子，則分別有3，5，7種能級(jí)狀態(tài)存在。電子除繞核運(yùn)動(dòng)外還有自旋運(yùn)動(dòng)，方向有向上或向下兩種。第四個(gè)量子數(shù)自旋量子數(shù)ms用來確定電子的自旋方向

28、，只能取12或12，每個(gè)值表示一種方向。因此，波爾模型被波動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)一步精細(xì)化，波動(dòng)力學(xué)引入了三個(gè)新量子數(shù)來描述每個(gè)能級(jí)的電子次能級(jí)態(tài)。圖2.2a和2.2b是氫原子的這兩種模型的比較。圖2.4是用波動(dòng)力學(xué)模型描述的一個(gè)完整的各主能級(jí)和次能級(jí)的能級(jí)圖。圖的幾個(gè)特征值得注意。首先，主量子數(shù)越小，能級(jí)越低，例如，1s能級(jí)小于2s能級(jí)，2s能級(jí)小于3s能級(jí)。其次，在每個(gè)能級(jí)層，次能級(jí)層的能量隨量子數(shù)l值的增大而增加，例如，3d能級(jí)高于3p能級(jí)，3p能級(jí)高于3s能級(jí)。最后一點(diǎn)，在相鄰的能級(jí)之間還存在能量大小重疊的現(xiàn)象，特別是d和f能級(jí)態(tài)，例如，3d能級(jí)高于4s能級(jí)。電子構(gòu)型前面主要討論了電子態(tài)-允許電

29、子填充的能級(jí)。為了決定電子填充這些能態(tài)的方式，我們要應(yīng)用另一量子力學(xué)概念-包利不相容原理。該原理說明每個(gè)電子能級(jí)態(tài)只能容納不超過兩個(gè)電子，且必須是自旋相反的。于是，s,p,d,f軌道可以分別容納2，6，10和14個(gè)電子。表2.1總結(jié)了可以占據(jù)頭4層軌道中每一層的最大電子數(shù)。當(dāng)然，原子中不是所有的能級(jí)都填充滿了電子。對(duì)大多數(shù)原子，電子只占據(jù)盡可能低的能態(tài)和次能態(tài)，每個(gè)能態(tài)只容納兩個(gè)自旋相反的電子。遵從能量最低原理從低到高填充，兩個(gè)自旋方向相反的電子占據(jù)一個(gè)能態(tài)。圖2.5說明了鈉原子的能態(tài)結(jié)構(gòu)。按照前述的限制，當(dāng)所有電子占據(jù)了能量最低的狀態(tài)，該原子叫做處于基態(tài)?？墒?，電子是可以躍遷到較高能態(tài)的，正

30、如12章和19章所討論的。電子構(gòu)型即原子結(jié)構(gòu)表示這些能級(jí)被電子填充的方式。每個(gè)次能級(jí)上的電子數(shù)用次能級(jí)字母上標(biāo)的數(shù)字表示。例如氫、氦、鈉的電子構(gòu)型分別為：1s1,1s2,1s22s22p63s1。一些普通元素的電子構(gòu)型列在表2.2中。考查原子的電子構(gòu)型通常是很有用處的。首先，價(jià)電子是占據(jù)原子最外層軌道的電子。這些電子是極其重要的，因?yàn)樗鼈儏⑴c成鍵形成原子和分子團(tuán)。并且許多固體物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)都與這些價(jià)電子有關(guān)。此外，一些原子具有稱為“穩(wěn)定的電子構(gòu)型”結(jié)構(gòu)；即最外電子層即價(jià)電子層是全充滿的。如氖、氬、氪，通常最外電子層s,p軌道上總共有8個(gè)電子。氦是例外，它只有兩個(gè)1s電子。這些元素（Ne,

31、Ar,Kr,He）都是不活撥的，惰性的氣體，實(shí)際上不參與化學(xué)反應(yīng)。某些元素的原子通過失去或獲得電子得到穩(wěn)定的電子構(gòu)型形成帶電的離子，或與其他原子共用電子。這就是化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)，也是固體原子鍵的基礎(chǔ)，正如節(jié)2.6所解釋的。在特殊情況下s和p軌道結(jié)合形成雜化的spn軌道，這里n代表p軌道的數(shù)量，分別可以取1，2，3。周期表（圖2.6）中3A，4A，和5A族元素最可能形成雜化軌道。形成雜化軌道的驅(qū)動(dòng)力是由于這樣做可以降低價(jià)電子的能量。對(duì)于碳元素，sp3雜化在有機(jī)和聚合物化學(xué)中具有很重要的意義。聚合物中可以發(fā)現(xiàn)（第四章）sp3雜化軌道的形狀是四面體結(jié)構(gòu)，每?jī)蓷l鏈的夾角為109o。2.4 周期表元素周期

32、表（圖2.6）是按照電子構(gòu)型對(duì)所有元素進(jìn)行的分類排列。在這里元素按原子序數(shù)從小到大進(jìn)行排列，共有7行每一行為一個(gè)周期。每一列或族上的元素具有相似的價(jià)電子結(jié)構(gòu)，以及相似的化學(xué)和物理性質(zhì)。在每個(gè)周期水平方向，這些性質(zhì)呈現(xiàn)周期性的變化。位于最右邊的0族元素是惰性氣體，最外層填滿了電子具有穩(wěn)定的電子構(gòu)型。7A,6A族是分別缺一個(gè)和兩個(gè)電子就變?yōu)榉€(wěn)定結(jié)構(gòu)的元素。7A族元素（F,Cl,Br,I和At）有時(shí)也叫鹵素元素。堿和堿土金屬(Li,Na,K,Be,Mg,Ca等)表為1A和2A族,分別有一個(gè)和兩個(gè)多余的電子變?yōu)榉€(wěn)定結(jié)構(gòu)。在三個(gè)長(zhǎng)周期元素中， 3B到2B族為過渡金屬，部分填充了d電子。3A,4A,5A族

33、(B,Si,Ge,As等)由于它們的價(jià)電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)金屬和非金屬間的性質(zhì)。從周期表注意到，許多元素屬于金屬。這些元素有時(shí)也叫電正性元素，它們?nèi)菀资ネ鈱虞^少的價(jià)電子變?yōu)檎x子。而位于周期表右邊的是電負(fù)性元素，它們?nèi)菀撰@得電子變?yōu)樨?fù)離子。有時(shí)它們也與其他原子共用電子。圖2.7列出了按照元素周期表中的各元素電負(fù)性的值。電負(fù)性大小的一般規(guī)律是從左到右，從下到上增加。如果原子最外電子層的電子接近飽和，它們更容易接受電子，外層電子距離原子核越近，受到的“屏蔽”越小，接受電子的能力越強(qiáng)。固體中的原子鍵2.5 鍵力和鍵能材料的許多物理性質(zhì)可以通過把原子結(jié)合在一起的原子鍵力來解釋。也許原子鍵的原理可以通過兩個(gè)隔

34、離的原子從無限遠(yuǎn)處彼此相互靠近時(shí)它們之間的相互作用來說明。距離很大時(shí)，相互作用力可以忽略不計(jì)；但是靠近時(shí)，每個(gè)原子就會(huì)把力作用在其他原子身上。這種力分成兩種，吸引力和排斥力，其大小是原子間距離大小的函數(shù)。吸引力FA的起源取決于存在于兩個(gè)原子之間鍵的類型。它的大小隨距離而改變，如圖2.8(a)所示。當(dāng)兩個(gè)原子的外圍電子層開始重疊時(shí)強(qiáng)的排斥力FR開始起作用。兩原子凈的合力FN為吸引力和排斥力之和；即：FN =FA+FR （2.2）排斥力FN也是原子間距離的函數(shù)，如圖2.8(a)也畫了出來。當(dāng)FA和FR相等時(shí)，沒有凈的合力，即： FA+FR =0 （2.3）這就是一種平衡狀態(tài)，兩原子中心之間的距離r

35、0為平衡距離，如圖2.8(a)所示。對(duì)許多原子，r0大致為0.3nm（3埃）。在這個(gè)位置，兩個(gè)原子通過吸引力會(huì)抵消任何打算把它們分開的企圖，即通過一種拉力把它們連結(jié)在一起。有時(shí)，用兩個(gè)原子間的勢(shì)能而不是作用力來表示更為方便。能量(E)和作用力(F)數(shù)學(xué)上的關(guān)系為： （2.4）對(duì)于原子體系： (2.5) （2.6） （2.7）公式中EN , EA, ER分別為兩個(gè)隔離和相鄰原子間的凈的能量、吸引能和排斥能。圖2.8(b) 畫出了吸引、排斥和凈的勢(shì)能與兩原子間距離的關(guān)系圖。在這里同樣的平衡距離r0相應(yīng)于勢(shì)能曲線的極小值。原子間的平衡鍵能E0就是相應(yīng)于該點(diǎn)的能量(如圖2.8b)所示，它表示把兩個(gè)原子

36、分開到無限遠(yuǎn)處所需要的能量。盡管以上的處理只研究了兩個(gè)原子存在的理想狀態(tài)，然而類似的但更為復(fù)雜的情況出現(xiàn)在固體材料中，因?yàn)楸仨毧紤]許多原子存在時(shí)的相互作用力和能量。然而與上面討論的E0類似，鍵能與每個(gè)原子都有關(guān)系。鍵能的大小以及鍵能與原子距離大小的關(guān)系曲線隨材料不同而有所不同，兩者均取決原子鍵的類型。而且，材料許多性質(zhì)也取決于E0，曲線形狀和鍵的類型。例如，常溫下具有較大鍵能的固體材料通常有較高的熔點(diǎn)，氣體有較小的鍵能，液體的鍵能介于兩者之間。此外，如7.3節(jié)所討論的，材料的力學(xué)硬度（即彈性模量）也取決于構(gòu)成材料的原子間的力和原子間距離的曲線形狀（圖7.7）。較硬的固體材料的原子間的力和原子間

37、距離的曲線的波谷較深，而較軟的材料則波谷較淺。而且許多材料的熱脹冷縮（即它的線性熱膨脹系數(shù)）也與它的E0r0曲線形狀有關(guān)(17.3節(jié))。具有深和窄的E0r0曲線形狀的材料鍵能較高，有較低的熱漲系數(shù)，溫度變化時(shí)，尺寸變化較小。固體材料有三種不同類型的主要的化學(xué)鍵：離子鍵，共價(jià)鍵和金屬鍵。每一種鍵的類型都與價(jià)電子有關(guān)；也就是說，鍵的性質(zhì)取決于構(gòu)成原子的電子結(jié)構(gòu)。一般說，這三種鍵的形式都與原子構(gòu)成物質(zhì)時(shí)趨向獲得穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)相關(guān)，就像惰性氣體，最外層電子層被全填滿的狀態(tài)。在許多固體材料中也發(fā)現(xiàn)了次價(jià)鍵，即物理作用力和能量構(gòu)成的鍵，與主價(jià)鍵相比次價(jià)鍵較弱，但是也會(huì)影響材料的一些物理性質(zhì)。下面我們將解釋

38、原子間的幾種主價(jià)鍵和次價(jià)鍵。2.6 主價(jià)鍵離子鍵也許離子鍵是最容易描述和想象的。人們發(fā)現(xiàn)離子鍵化合物是由元素周期表水平線兩端的金屬和非金屬元素構(gòu)成。金屬元素容易失去它們的外層價(jià)電子給非金屬元素。這一過程使得金屬和非金屬的所有原子獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)即惰性氣體結(jié)構(gòu)，并且變?yōu)閹щ姷碾x子。氯化鈉是典型的離子鍵材料。鈉原子這時(shí)具有氖的電子結(jié)構(gòu)（帶一個(gè)正電荷），它失去它的一個(gè)3s價(jià)電子給氯原子。經(jīng)過電子轉(zhuǎn)移，氯離子帶一個(gè)負(fù)電荷，電子構(gòu)型與氬相同。在氯化鈉中所有鈉和氯以離子形態(tài)存在。圖2.9示出了這種鍵的類型。離子鍵的吸引力是庫(kù)侖力，即正負(fù)電荷通過靜電吸引相互結(jié)合在一起。對(duì)兩個(gè)分開的離子，吸引能EA是原子間距離

39、的函數(shù)，遵從以下關(guān)系： EA=-A/r (2.8)排斥能ER為： ER=B/rn (2.9)公式中，A,B,n是與離子體系有關(guān)的常數(shù)。n值約等于8。離子鍵沒有方向性，鍵的大小在任何方向是相同的。離子健十分穩(wěn)定，在三維方向，所有正離子都必須有最相鄰的負(fù)離子圍繞，反之亦然。陶瓷材料鍵的主要形式是離子鍵。陶瓷材料中離子的某些排列將在第三章中討論。離子鍵的鍵能相對(duì)較大，一般為6001500kJ/mol（相當(dāng)于38eV/atom），使離子鍵材料具有較高的熔點(diǎn)。表2.3列出了幾種離子鍵材料的鍵能和熔點(diǎn)。離子鍵材料通常硬度高，脆性大，而且導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力差。正如下一章將要討論的，離子鍵材料的這些特性直接與它們

40、的電子構(gòu)型和/或離子鍵的性質(zhì)有關(guān)。共價(jià)鍵 在共價(jià)鍵中穩(wěn)定的電子構(gòu)型由相鄰原子間共用電子對(duì)來實(shí)現(xiàn)。構(gòu)成共價(jià)鍵的兩個(gè)原子每個(gè)至少要拿出一個(gè)電子形成共價(jià)鍵，共用的電子屬于兩個(gè)原子。圖2.10是甲烷分子形成的共價(jià)鍵。共價(jià)鍵具有方向性，只能在一定方向上與共用電子的相鄰原子形成共價(jià)鍵。 許多非金屬元素分子（H2，Cl2，F(xiàn)2等）和一些分子如CH4,H2O,HNO3,HF等是共價(jià)鍵材料。而且共價(jià)鍵也在一些元素構(gòu)成的材料中存在，如金剛石（碳），硅，鍺，以及元素周期表右手邊的元素構(gòu)成的化合物如砷化鎵（GaAs），銻化銦（InSb）和碳化硅（SiC）。 共價(jià)鍵的數(shù)量可以通過組成共價(jià)鍵的原子的價(jià)電子數(shù)計(jì)算得到。一個(gè)

41、原子如果有N個(gè)價(jià)電子，它最多可以與8N個(gè)其它原子形成共價(jià)鍵。如氯原子有8個(gè)價(jià)電子，它最多可以與871個(gè)其它原子形成共價(jià)鍵，例如Cl2。同樣，碳原子有四個(gè)價(jià)電子，每個(gè)碳原子有844個(gè)價(jià)電子可以共用。金剛石是一種三維方向碳原子之間簡(jiǎn)單相連的結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子與它相鄰的四個(gè)碳原子共用四個(gè)電子。圖3.16畫出了這種結(jié)構(gòu)。 共價(jià)鍵可以很強(qiáng)，如金剛石，很硬且具有很高的熔點(diǎn)，熔點(diǎn)>3550，共價(jià)鍵也可以較弱，如鈹，熔點(diǎn)僅為270。表2.3列出了幾種共價(jià)鍵材料的鍵能和熔點(diǎn)。聚合物是典型的共價(jià)鍵材料，其基本分子結(jié)構(gòu)聚合物長(zhǎng)鏈上，每個(gè)碳原子與其它兩個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵。通常，剩下的兩個(gè)鍵與其它原子也形成共價(jià)鍵。

42、第四章將要詳細(xì)討論聚合物的結(jié)構(gòu)。 事實(shí)上，只有很少的化合物是純的離子鍵或共價(jià)鍵，化合物中離子鍵和共價(jià)鍵各占一部分是完全可能的。對(duì)于某種化合物，哪一種鍵所占分量取決于構(gòu)成該化合物的原子在周期表中的位置（圖2.6）和元素電負(fù)性值的大小差異（圖2.7）。兩者在周期表中無論水平或垂直方向隔得越開，從左下角到右上角隔得越遠(yuǎn)（即電負(fù)性值相差越大），則該化合物的離子鍵程度越高。反之，如果兩者在周期表中靠得越近，電負(fù)性值相差越小，則該化合物的共價(jià)鍵程度越高。元素A,B構(gòu)成的鍵的離子鍵百分含量可以用下式表示： 離子鍵% 1 exp-(0.25)(XAXB)2×100 (2.10) 公式中XA、XB是A

43、、B元素的電負(fù)性值。金屬鍵最后一種主價(jià)鍵是金屬鍵，金屬和它們的合金中都屬于金屬鍵。一種比較簡(jiǎn)單的模型被用來說明金屬鍵結(jié)構(gòu)。金屬鍵材料有一個(gè)、兩個(gè)、最多三個(gè)價(jià)電子。在金屬鍵模型中，這些價(jià)電子并沒有束縛在任何特定的，而是在整個(gè)金屬中或多或少自由的漂移?？梢哉J(rèn)為這些電子屬于整個(gè)金屬，形成所謂“電子海洋”或“電子云”。其余的非價(jià)電子和原子核形成所謂離子核，帶凈的正電荷，大小等于單位原子總價(jià)電子所帶電荷。圖2.11是金屬鍵的示意圖。自由電子靠靜電排斥力把帶正電的離子核相互隔離開，充斥在金屬離子核的周圍，因此、金屬鍵沒有方向性。此外，這些自由電子象“膠”一樣把離子核粘在一起。表2.3列出了幾種金屬的鍵能和

44、熔點(diǎn)。金屬鍵鍵能有弱有強(qiáng)，范圍從水銀的68kJ/mol(0.7eV/atom)到金屬鎢的850kJ/mol(8.8eV/atom)。它們的熔點(diǎn)分別為39和3410。周期表中IA和IIA族元素是金屬鍵，事實(shí)上，所有金屬元素都是金屬鍵。各種材料（如金屬、陶瓷、聚合物）的基本性質(zhì)可以用化學(xué)鍵的類型來解釋。例如，由于存在自由電子，金屬具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。反之，由于不存在大量自由電子，離子鍵和共價(jià)鍵材料是典型的電和熱的不良導(dǎo)體。并且，我們將在8.5節(jié)看到，在常溫下大多數(shù)金屬和它們的合金都具有延展性，即它們要經(jīng)歷相當(dāng)大的永久變形后才發(fā)生斷裂。這種行為可以用變形機(jī)理（8.3節(jié)）來說明，實(shí)際上與金屬鍵的特

45、性有關(guān)。相反，在常溫下，離子鍵材料是很脆的，那是由于組成離子鍵材料的離子的帶電荷性引起的。2.7 次價(jià)鍵或范德瓦爾斯鍵與主價(jià)鍵即化學(xué)鍵相比，次價(jià)鍵，范德瓦爾斯鍵即物理鍵較弱，鍵能只有10kJ/mol 的一次方數(shù)量級(jí)（0.1eV/atom）。實(shí)際上在所有原子和分子中都存在次價(jià)鍵，但是如果存在三種主價(jià)鍵中的任何一種，次價(jià)鍵是可以忽略不計(jì)的。具有穩(wěn)定電子構(gòu)型的惰性氣體分子之間存在明顯的次價(jià)鍵，盡管它們的分子中存在的是共價(jià)鍵。次價(jià)鍵的作用力由原子或分子的偶極子引起。實(shí)際上，只要原子或分子正負(fù)電荷中心不重合就會(huì)產(chǎn)生電偶極子。如圖2.12，帶相反電荷的相鄰的電偶極子依靠庫(kù)倫引力相互吸引形成次價(jià)鍵。電偶極子

46、的相互作用發(fā)生在誘導(dǎo)偶極子之間，誘導(dǎo)偶極子與極性分子間（具有永久偶極子）以及極性分子之間。氫鍵是一種特殊形式的次價(jià)鍵，發(fā)現(xiàn)存在于一些具有氫原子的分子之間?，F(xiàn)在簡(jiǎn)要討論這些鍵形成的機(jī)理。波動(dòng)的誘導(dǎo)偶極子鍵 偶極子可以從電荷分布對(duì)稱的原子或分子中產(chǎn)生或誘導(dǎo)產(chǎn)生，圖2.13a是電子在帶正電的核周圍呈空間對(duì)稱分布的圖形。由于所有原子都在經(jīng)歷不停的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致暫時(shí)的短暫的原子或分子中電荷分布的變形，產(chǎn)生小的電偶極子，如圖2.13b所示。其中這些偶極子又會(huì)影響相鄰的原子或分子，導(dǎo)致相鄰分子或原子電荷分布的變化，產(chǎn)生新的電偶極子，這些偶極子依靠弱的靜電引力相互吸引結(jié)合在一起，這就是范德瓦爾斯鍵的

47、一種形式。這些吸引力存在于大量的原子或分子之間，產(chǎn)生的力是暫時(shí)的，隨時(shí)間而波動(dòng)。在某些條件下，惰性氣體，電中性和對(duì)稱的分子如H2和Cl2被液化和固化之所以能實(shí)現(xiàn)就是因?yàn)榇嬖谶@種形式的鍵。誘導(dǎo)偶極子鍵起主要作用的材料的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都很低，在所有分子鍵中，它是最弱的。表2.3也列出了氬和氯的的鍵能和熔點(diǎn)。極性分子誘導(dǎo)偶極子鍵由于分子中正負(fù)電荷的不對(duì)稱分布，永久偶極矩存在于某些分子中，這種分子叫做極性分子。圖2.14是氯化氫分子的示意圖，永久偶極矩分別由帶正電的氫和帶負(fù)電的氯HCl分子兩端產(chǎn)生。極性分子可以誘導(dǎo)相鄰的非極性分子產(chǎn)生偶極子，這樣就會(huì)產(chǎn)生吸引兩個(gè)分子的力導(dǎo)致極性分子誘導(dǎo)偶極子鍵的產(chǎn)生。并且

48、極性分子誘導(dǎo)偶極子鍵能比波動(dòng)誘導(dǎo)偶極子鍵能要大。永久偶極子鍵范德瓦爾斯力也存在于相鄰的極性分子之間。這種鍵能遠(yuǎn)大于誘導(dǎo)偶極子形成的鍵能。最強(qiáng)的次價(jià)鍵是氫鍵，氫鍵是一種特殊的極性分子鍵。它出現(xiàn)在氫與氟（如HF），氧（如H2O），和氮（如NH3）共價(jià)成鍵的分子中。對(duì)于每個(gè)HF，HO或HN鍵，氫原子的一個(gè)電子與其他原子共用。因此、在鍵的氫原子末端實(shí)際上存在一個(gè)未被電子屏蔽的帶正電的裸露質(zhì)子。這種帶強(qiáng)正電性的分子端頭對(duì)相鄰的分子負(fù)電荷中心具有強(qiáng)烈的吸引力，如圖2.15中的FH分子所示。實(shí)際上這個(gè)單質(zhì)子為兩個(gè)帶負(fù)電的原子搭了一個(gè)橋。氫鍵通常大于其他任何形式的次價(jià)鍵，如表2.3所示，可以達(dá)到51kJ/mo

49、l(0.52eV/atom)。按照氟化氫和水的小分子量，它們不應(yīng)當(dāng)有那么高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，之所以如此，就是因?yàn)槠渲械臍滏I在起作用。2.8 分子這一章結(jié)束的時(shí)候，讓我們討論固體材料中分子的概念。分子可以定義為原子通過主價(jià)鍵結(jié)合在一起的原子團(tuán)。離子鍵和金屬鍵形成的固體可以認(rèn)為是單分子。但是，許多物質(zhì)共價(jià)鍵起主要作用，包括兩元素分子（氟氣、氧氣和氫氣等），以及許多化合物（水、二氧化碳、硝酸、苯、甲烷等）。在凝聚態(tài)的液體和固體材料中，分子鍵是較弱的。因此，分子材料具有相對(duì)低的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。大部分是由幾個(gè)原子構(gòu)成的小分子，在常溫和常壓下是氣體。另一方面許多現(xiàn)代聚合物是以固態(tài)形式存在的大分子材料，它們的一些性

50、質(zhì)強(qiáng)烈取決于范德瓦爾斯鍵和氫鍵的存在。本章總結(jié) 這一章開始先總結(jié)了原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，提出了電子在原子中的波爾和波動(dòng)力學(xué)模型。波爾原子模型假設(shè)電子在它們各自的固定軌道上運(yùn)行，而波動(dòng)力學(xué)認(rèn)為電子像波一樣運(yùn)動(dòng)，電子的位置用概率分布描述。 電子的能態(tài)按照量子數(shù)即電子所在的能級(jí)層或次能級(jí)層描述。電子在各能級(jí)層或次能級(jí)層的填充即原子的電子構(gòu)型服從鮑利不相容原理。元素周期表是按照各種元素的價(jià)電子構(gòu)型對(duì)所有元素進(jìn)行的分類排列。 固體中的原子鍵可以按照吸引力和排斥力或吸引能和排斥能來定義。固體中的三種主價(jià)鍵是離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。對(duì)于離子鍵，由于價(jià)電子從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子形成帶電的離子，作用力是庫(kù)侖力。相鄰

51、原子共用價(jià)電子形成共價(jià)鍵。在金屬鍵中，價(jià)電子形成“電子海洋”，均勻分布在金屬離子核周圍，并象膠一樣把金屬離子粘在一起。范德瓦爾斯鍵和氫鍵都是次價(jià)鍵，與主價(jià)鍵相比較弱。它們通過電偶極子產(chǎn)生的吸引力形成，有兩種類型的電偶極子，即誘導(dǎo)偶極子和永久偶極子。至于氫鍵，當(dāng)氫與非金屬元素例如氟共價(jià)成鍵時(shí)形成高極性的分子，就會(huì)產(chǎn)生氫鍵。第3章 金屬和陶瓷的結(jié)構(gòu)為什么要學(xué)習(xí)金屬和陶瓷的結(jié)構(gòu)某些材料的性質(zhì)與它們的晶體結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。例如、未變形的純鎂和純鈹有相同的晶體結(jié)構(gòu)，它們比另一種具有相同晶體結(jié)構(gòu)的未變形的純金屬銀和金更脃（即在較低的變形程度下斷裂）（見8.5節(jié)）。而且、相當(dāng)大的性質(zhì)差異存在于具有相同組成的晶體

52、材料和非晶態(tài)材料之間。例如、非晶態(tài)陶瓷和聚合物通常是不透明的，而相同組成的晶體（或半結(jié)晶體）材料卻呈現(xiàn)透明或半透明現(xiàn)象。學(xué)習(xí)重點(diǎn)：仔細(xì)學(xué)過這一章后，你應(yīng)當(dāng)掌握以下內(nèi)容：1. 描述晶體和非晶態(tài)材料的原子/分子結(jié)構(gòu)差異。2. 畫出面心立方、體心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)的單位晶胞圖形。3. 導(dǎo)出面心立方、體心立方晶體結(jié)構(gòu)中單位晶胞邊長(zhǎng)和原子半徑的關(guān)系。4. 已知單位晶胞邊長(zhǎng)長(zhǎng)度，計(jì)算具有面心立方、體心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬密度。5. 畫出/描述氯化鈉、氯化銫、硫化鋅、立方金剛石、螢石和鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，以及石墨和二氧化硅玻璃的原子結(jié)構(gòu)。6. 已知陶瓷化合物的分子式，組成化合物中離子的半徑，確定它的晶體結(jié)構(gòu)

53、。7. 已知某晶向指數(shù)，在單位晶胞中畫出該晶向。8. 已知描述某晶面的米勒指數(shù)，在單位晶胞中畫出該晶面。9. 描述面心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)怎樣從原子密堆積面產(chǎn)生，以氯化鈉中陰離子密堆積面為例，說明氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)如何產(chǎn)生。10. 單晶和多晶材料的區(qū)別是什么？11. 定義與材料性質(zhì)有關(guān)的同素異形和各向異性。3.1引言第二章我們主要討論了各種類型的原子鍵，它們主要由每個(gè)原子的電子結(jié)構(gòu)所決定。這一章我們將討論材料的另一結(jié)構(gòu)層次，即固體材料中原子是如何排列的。這里我們要引入晶態(tài)和非晶態(tài)的概念。晶體物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，特別要按照單位晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。要詳細(xì)討論金屬和陶瓷材料中常見的晶體結(jié)構(gòu)以及通過圖解來說明

54、晶向和晶面。這一章也將介紹單晶、多晶和非晶材料。晶體結(jié)構(gòu)3.2 基本概念 固體材料可以根據(jù)原子或離子的空間排列是否有規(guī)律來分類。晶體材料是原子在很長(zhǎng)一段距離都呈現(xiàn)周期性重復(fù)排列的一類物質(zhì)；即存在長(zhǎng)程有序，這種現(xiàn)象取決于固化，原子在三維空間競(jìng)爭(zhēng)排列，每個(gè)原子與最相鄰原子緊緊的相連。所有金屬、許多陶瓷和某些高分子在通常的固化條件下形成晶體結(jié)構(gòu)。非晶體材料原子排列不符合長(zhǎng)程有序性。這些非晶態(tài)及無定形材料在本章結(jié)尾時(shí)要簡(jiǎn)要討論。 晶體固體的一些性質(zhì)取決于它的晶體結(jié)構(gòu)，也就是材料中的原子、離子或分子在空間排列的方式。有很多不同的長(zhǎng)程有序的晶體結(jié)構(gòu)，從相對(duì)較簡(jiǎn)單的金屬到較復(fù)雜的陶瓷和聚合物材料差異較大。這

55、一章只討論幾種最普通的金屬和陶瓷晶體結(jié)構(gòu)。下一章再介紹聚合物的晶體結(jié)構(gòu)。 當(dāng)描述晶體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，原子（或離子）被認(rèn)為具有一定直徑的實(shí)心小球。這就是原子硬球模型，該模型中的硬球就是那些相互緊密靠在一起的原子。硬球模型的一個(gè)例子正如圖3.1c所示的某些普通金屬元素的原子排列。在該特殊情況下，所有原子是相同的。有時(shí)晶體結(jié)構(gòu)要用到晶格這個(gè)詞。這里晶格代表與原子位置（球心）相一致的三維點(diǎn)的排列。3.3 單位晶胞晶體固體中的原子排列表明少量的原子形成重復(fù)排列結(jié)構(gòu)。于是在描述晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，把晶體劃分成小的可重復(fù)的結(jié)構(gòu)單位是很方便的，這種結(jié)構(gòu)單元叫單位晶胞。對(duì)大部分晶體，單位晶胞是平行六面體或棱柱，有三組平行的

56、平面，從聚集的球體中可畫出一個(gè)單位晶胞（圖3.1c），這里碰巧是一個(gè)立方體。選擇單位晶胞可用來表示晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，晶體中所有原子的位置可以沿著單位晶胞的邊長(zhǎng)的整數(shù)倍的距離找到。因此，單位晶胞是構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單位，通過它的幾何結(jié)構(gòu)和原子的位置可定義晶體結(jié)構(gòu)。通常使平行六面體的頂角與硬球原子核心一致是比較方便的。并且對(duì)于特定的晶體可能不止一種單位晶胞；但是通常采用具有最高幾何對(duì)稱性的單位晶胞。3.4 金屬晶體結(jié)構(gòu)金屬材料的原子鍵為金屬鍵，金屬鍵沒有方向性。因此對(duì)最相鄰原子的位置和數(shù)量沒有限制，這就導(dǎo)致大多數(shù)金屬晶體具有大的近鄰原子數(shù)和原子填充密度。而且可用硬球模型表示金屬晶體結(jié)構(gòu)。每個(gè)球

57、代表一個(gè)金屬離子核。表3.1列出了一些金屬的原子半徑。人們發(fā)現(xiàn)許多常見金屬具有相對(duì)簡(jiǎn)單的三種金屬結(jié)構(gòu)：即面心立方、體心立方和密排六方結(jié)構(gòu)。面心立方晶體結(jié)構(gòu)許多金屬具有立方對(duì)稱的單位晶胞晶體結(jié)構(gòu)，原子位于單位晶胞的每個(gè)角上以及所有面的中心。這種結(jié)構(gòu)稱為面心立方晶體結(jié)構(gòu)（FCC）。屬于此類結(jié)構(gòu)的一些較熟悉的金屬有銅、鋁、銀、金（也見表3.1）。圖3.1a是面心立方單位晶胞的硬球模型，而圖3.1b則是用小圓代表原子的中心，可以更好看清原子所在的位置。圖3.1c中的原子聚集體代表由許多面心立方單位晶胞構(gòu)成的一組晶體。這些球或離子核彼此相切，穿過面對(duì)角線。因此立方體的邊長(zhǎng)a和原子半徑R有如下關(guān)系： （3.1）例3.1說明這一結(jié)果是如何得到的。對(duì)于面心立方晶體，每個(gè)角上的原子由8個(gè)晶胞所共有，而面心上的原子為兩個(gè)晶胞共有。每個(gè)單位晶胞有8個(gè)頂角和6個(gè)面，因此單位晶胞