中国矿业大学《材料科学基础》课件 第一章 原子结构与排列

返回第一章 原子结构与排列内部结构 材料的性能结构篇*返回章 目 录1.1 原子结构及其周期性1.2 原子的结合键1.3 晶体学基础1.4 典型金属的晶体结构1.5 陶瓷的晶体结构Date返回结 构 的 四 个 层 次 成分、加工工艺共同决定着材料的结构，材料的内部结构决定了材料的性能。 材料结构分为 四个层次 :原子 结构原子结合键原子排列相结构加工工艺成分Date返回1.1 原子结构及其周期性一、 核外电子分布核外电子的运动状态，由四个 量子 数决定。 主量子数 n = 1、 2、 3 距核远近、能量高低。 角量子数 l = 0、 1、 2 电子云形状、能量高低。 磁量子数 m = 0、 、 电子轨道空间取向 自旋量子数 ms = 电子自旋方向原子核 + 核外运动的电子Date返回电子轨道将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解，得到四种电子分布的波函数 电子轨道 s 一种组态（球对称） 2 p 三种组态（轴对称） 6 d 五种组态（面对称） 10 f 七种组态 14Date返回d-轨道空间分布示意图p-轨道空间分布示意图Date返回电子分布须遵循的两个原则： 泡利不相容原则一个原子中，不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。 能量最低原则电子总是倾向于优先占据能量较低的轨道，使系统的能量处于稳定的状态。Date返回二、原子结构的周期规律周期表中， 周期数代表了电子主层数 N。1、元素的周期性 1、 2、 3为短周期，主层电子只有 s、 p次层。 4、 5、 6、 7为长周期，除 s、 p次层外，还有 d层电子。 6、 7周期中，除 s、 p、 d外，还填入了 f层电子。s pdfDate返回2、主族元素 A A 外主层中分别填入 s、 p次层电子（ 1-8），原子的电负性和化学性质主要由它们决定，因此呈周期变化。 活泼金属 非金属 惰性元素。 以半金属元素 A 为中心，可作为材料使用；性质活泼的元素不宜用作材料。Date返回3、副族元素 B B 分别 填入 d内层电子 (共 10个 )。 由于外层 s电子为 1、 2个，几乎相同，化学性质变化不大，统称 “ 过渡族元素 ” 。 与碱土金属相比，因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大，稳定性上升。 材料基础元素的重点选择区域。Date返回4、镧系、锕系 分别 填入 f内层电子（共 14个）。 因外层 s电子都是 2， 化学性质非常接近，统称 “ 稀土元素 ” 。 由于 f层内有许多空轨道，相互间能级差很小，易于激发，因而具有重要的功能效应。例如：长余辉稀土铝酸盐材料。Date返回5、电负性 周期表中由左至右、由下到上， 电负性 。 同族、同周期元素有相似的性质特点。Nb具有低温超导性，在它周围的 Zr、 Mo、 V、 Ta也有这一特性。S化物、 Se化物、 Te化物同族，都有光电特性 。s pdf例如：Date返回1.2 原子的结合键一、 典型结合键化学键： 离子键、 共价键、 金属键物理键：范德华力、 氢键 电负性相差大的元素之间形成 特点：无方向性、无饱和性 键能最高 1000KJ/mol离子键：Date返回共价键： 电负性相近，有方向性和饱和性，几百几千 KJ/mol金属键： 无方向性 无饱和性， 400 800KJ/molDate返回范德华力 次价键，分子间静电引力，没有方向性和饱和性。键能弱（几 数 十 KJ/mol）。Date返回氢键： 次价键。 H与 电负性很大、原子半径较小的 O、 F、 N等结合而产生的较强的键力， 几十 KJ/mol ， 有方向性和饱和性。Date返回二、材料的结合键1、无机非金属： 离子键共价键 A-B结合对，离子键比例计算：其中： xA、 xB分别为结合对 A、 B的电负性。 性能：强大的键合力，具有高强、高硬、耐高温、耐腐蚀，但塑性韧性差。 功能：极性强，使其具有宽广的导电、导热、透光性；良好的铁电、铁磁和压电性。Date返回2、高分子： 共价键范德华力 /氢键 分子链内强大的共价键，赋予材料一定的强度、硬度，极好的柔韧性，高弹性、耐化学药品性。3、金属 ： 金属键具有良好的综合力学性能、导电、导热。 分子链之间结合力弱，熔点低。聚氯乙烯范德华力Date返回1.3 晶体学基础 (原子排列）一、晶体和非晶体晶体 雪花、食盐、水晶 简单分子固体 非晶体 橡胶、玻璃、松香 复杂分子液晶 (介晶态 ) 既有流动性，又有各向异性。Date返回区别： 原子规则排列 紊乱分布 熔点固定 逐渐软化 各向异性 各向同性 晶体有天然晶型 低能量、稳定 能量较高、亚稳 涂蜡云母片天然水晶Date返回二、晶体结构的归类 晶体的基本特征是原子（或分子、离子、原子集团）在空间有规则地排列。研究它们排列的规律性和对称性，是摆在我们面前的首要任务。 然而在自然界中，实际晶体结构是无限多的，分别进行研究显然是徒劳的，为了方便起见，我们必须进行简化归类。Date返回 操作：将晶体中实际存在的原子、分子、离子或原子集团等物质质点，抽象为纯粹的几何点，而完全忽略它们的物质性，余下的空间格架称为空间点阵。 空间点阵中具有代表性的最小单元称为晶胞。 空间点阵中的几何点称为阵点。Date返回例： Cu晶体的抽象操作晶体结构 结构单元 空间点阵Cu Cu原子 f.c.c晶胞 阵点Date返回 将晶胞在空间重复堆垛得空间点阵，在阵点上加入Cu、 Al、 Ni等不同的结构单元，可得到不同的晶体结构。 从上述简单晶体的归类，似乎看不出抽取结构单元的必要，但对于结构复杂的晶体结构，情况就不是这样。 如 NaCl：如果不抽取结构单元，将得到两种不同的基本单元。不能通过重复堆垛基本单元得到 NaCl晶体。因此它们不能反映晶体的重复性和对称性。Date返回例： NaCl晶体的抽象操作f.c.cNaCl晶体 NaCl分子NaCl-经抽象后，将无限多的晶体结构归纳成了 14种空间点阵。Date返回重 要 概 念 晶体结构： 实际晶体 结构单元： 组成物质的基本物质实体 原子、分子或原子集团。反映物质的物化性质。 空间点阵： 规则排列于空间的几何格架。反映晶体中物质排列的规律性和对称性。 阵点： 代表原子、分子或原子集团的中心。 每个阵点（ 结构单元中心） 在实际晶体中的 周围环境必须相同，这是 空间点阵的主要特征。Date返回三、晶胞、晶系与布拉菲点阵1、晶胞从空间点阵中取出的具有代表性的基本单元（平行六面体）。 晶胞选取的 不唯一性。体心正方Date返回选取晶胞的原则 充分反映空间点阵的点群对称性。 平行六面体内，相等的棱和角的数目应最多。 当平行六面体的棱间呈直角时，直角数目应最多。 在满足以上的条件下，晶胞应具有最小的体积。Date返回2、晶胞参数任一 晶胞可由 a、 b、 c、 、 、 六个点阵参数唯一确定。 空间点阵中， 任一 阵点的位置：其中， uvw表示该阵点的坐标。 晶胞体积：abcxzy晶胞参数Date