材料的原子结构和原子间的结合键.ppt

2019/3/31,材料科学与工程导论,2019/3/31,第三章 材料的原子结构和原子间的结合键,材料的原子结构和原子间的结合键,2019/3/31,内容简介： 本章主要讲述了各种材料的原子结构和原子特性，并介绍了原子间结合键种类及材料的分类。 本章重点： 3.1 材料结构和原子特性； 3.3 原子间的结合键；,2019/3/31,概述,在外界条件固定时，材料的性能取决于材料内部的构造，即组成材料的原子种类和含量（称为成分）以及它们的排列方式和空间分布（称为组织结构）。我们研究材料结构与性能之间的关系，首先必须弄清楚组成材料的原子结构以及相互之间的结合特点。,第一节 材料结构和原子特性,2019/3/31,学习目标： 1. 了解材料结构的基本涵义； 2. 理解原子结构、量子力学的基本概念。,材料结构和原子特性,材料结构的涵义： 材料结构是指组成材料的原子（或离子、分子）相互结合的方式或构成的形式（这些形式称为结构要素）以及结构要素按一定次序的组合、排列及相互间的各种联系。 材料结构包括以下内容： 1.组成材料原子（或离子、分子）的构造 2.组成材料原子（或离子、分子）间的结合 3.组成材料原子（或离子、分子）的排列 4.材料结构内存在的缺陷 材料结构从宏观到微观，即按研究的层次，大致可分为宏观组织结构、显微组织结构、原子或分子排列结构、原子中的电子结构等。,原子特性 原子结构,二、原子特性 （一）原子结构 在结构上，原子核是由带正电荷的粒子即质子和不带电荷的粒子即中子组成。质子数也即原子序数（Z），决定了元素的本性。核内质子和中子的总数决定了原于量。每个原子的原子核周围有电子围绕。 原子的轨道电子或电子云，能被电力、磁力和机械力所改变或干忧。这种改变和和干扰对工程材料的性能，如导电性、导热性、磁性和抗腐蚀性等产生很大的影响。,原子特性量子力学基本概念,(二)量子力学几个基本概念 1微观粒子的波粒两象性 2海森堡测不准原理,原子特征核外电子,（三）核外电子 电子在原子中的运动状态是由主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数，对应着一个特定的波函数。在多电子的原子中，电子的分布必须遵守泡利不相容原理、能量最低原理和最多轨道原理（洪特规则）。,第二节 原子间作用力和结合能,学习目标： 1.掌握原子的聚集态分类； 2.了解原子间作用力和结合能。,原子的聚集态,一、原子的聚集态： 除了在某些特殊条件下之外，元素难得以原子态存在，基本上均以分子或液态及固态存在，后二者统称为凝聚态。 根据结合键的不同状态，可把凝聚态分成五大类：液体、液晶、橡胶态、玻璃态和晶态。,聚集态原子间作用力和结合能,二、聚集态原子间作用力和结合能,图3-1 势能及作用力与原子间距离的关系,聚集态原子间作用力和结合能,从图3-1可看到，当原子间距 r 很大时，原子之间的作用力很小；当原子离开得更远时（无限距离），相互间作用力趋近于零，位能也是如此。当原子间距离 r 较小时，存在着很大的吸引力，势必把原子拉在一起，当原子更接近即 r = r0 时，终于达到原子间吸引力与排斥力相平衡，换言之，力的和等于零，此时原子对的位能为最小值，该能量代表了原子间的键能，该位置是原子最稳定的构型，该间距称为平衡间距。,第三节 原子间的结合键,学习目标： 1.掌握结合键的概念； 2.了解各种结合键,原子间的结合键,原子之间的结合力，也称结合键它主要表现为原子间吸引力和排斥力的合力结果。 结合键可大致分为两类：化学键和物理键或称一次键和二次键。化学键（一次键）通常指离子键、共价键和金属键，而物理键（二次键）则是范德瓦尔斯键和氢键,原子间的结合键,原子间的结合键,金属键,分子键,共价键,离子键,氢键,离子键,一、离子键： 正离子和负离子由于静电引力相互吸引，当它们充分接近时会产生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。离子键要求正负离子相间排列，而且要使异号离子之间的引力最大，同号离子之间的斥力最小。 离子键的结合力比较大，所以离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大。例如MgO、Al2O3和钢中的某些非金属夹杂等 。,共价键,二、共价键： 由共用价电子对产生的化学键叫做共价键。由共价键形成的晶体为共价晶体。共价晶体中的粒子为中性原子，所以也叫做原子晶体。具有代表性的共价晶体为金刚石。 共价键的结合力很大，所以共价晶体具有强度高、硬度大、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低等性质，结构也比较稳定。由于相邻原子所共有的电子不能自由运动，共价晶体的导电能力较差。,金属键,三、金属键 正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来，这种结合力就叫做金属键。由金属键结合起来的晶体为金属晶体。 由于存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性，自由电子能吸收光波能量，产生跃迁，从而表现出有金属光泽、不透明。 另外，金属键无所谓的饱和性和方向性。,分子健（范德瓦尔斯力）,四、分子健（范德瓦尔斯力） 范德瓦尔斯键有3个来源：偶极间的静电力（葛生力） 诱导力（德拜力） 色散力（伦敦力） 晶体几种不同结合键中，离子键结合能最高，共价键其次，金属键第三，而范德瓦尔键最弱。,氢键,五、氢键： 在含氢的物质中，特别是含氢的聚合物中，经常可以见到由氢离子所引起的键。一般一个中性氢原子只和一个另外的原子形成共价键。但是在一定的条件下，一个氢原子可以同时与两个电子亲合能大的，半径较小的原子（F、O、N等）相结合，这种结合力叫氢键。 氢键结合起来的晶体为氢键晶体。水、冰中都有氢键，化工材料硼酸就是典型的氢键晶体。,第四节 原子间结合键与材料类型及性质,学习目标： 1.了解原子间结合键与材料类型的关系； 2.了解原子间结合键与材料性质的关系。,原子间结合键与材料类型,一、原子间结合键与材料类型 工程上主要根据固体中的结合键的特点或本性将材料分为以下四类： （1）金属材料 （2）高分子材料 （3）陶瓷材料 （4）复合材料,原子间结合键与材料性质,二、原子间结合键与材料性质 (一)原子间结合键与材料的弹性模量 金属材料弹性模量的主要由晶体中原子的本性，晶格类型以及晶格常数等因素决定。 在无机非金属材料中，金刚石具有极高的弹性量 ；硅酸盐材料一般也具有较高的弹性模量 ，原因在于硅酸盐材料的结合键主要是共价键和离子键，故键合力大。 有机高分子材料的弹性模量很低，且在相当大的范围内变化，这与其结合键的性质有关。,原子间结合键与材料性质,（二）原子间结合键与材料其它性能 材料的