材料科学基础第2章1

1、 材料的结合键材料的结合键 各种工程材料是由各种不同的元素组成，各种工程材料是由各种不同的元素组成，由不同的原子、离子或分子结合而成。由不同的原子、离子或分子结合而成。 结合键结合键 原子、离子或分子之间的结合力。原子、离子或分子之间的结合力。 结合键分为：结合键分为： 离子键离子键 共价健共价健 金属键金属键 分子键分子键 一、离子键 正电性元素原子失去最外层价电子变成正正电性元素原子失去最外层价电子变成正离子，负电性元素原子后者获得电子变成负离离子，负电性元素原子后者获得电子变成负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引，形子。正离子和负离子由静电引力相互吸引，形成稳定的离子键。成稳定的离子

2、键。 NaClNaCl、MgOMgO、AlAl2 2O O3 3等由离子键组成。等由离子键组成。离子键示意图离子键示意图 氧化镁结构氧化镁结构 离子键特点：离子键特点： 结合力很大。离子晶体的硬度高，强结合力很大。离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系统小，但脆性大。度大，热膨胀系统小，但脆性大。 离子键中很难产生可以自由运动的电离子键中很难产生可以自由运动的电子，离子晶体都是良好的绝缘体。子，离子晶体都是良好的绝缘体。 离子外层电子被束缚，可见光的能量离子外层电子被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的。光，典型的

3、离子晶体是无色透明的。 二、共价键 处于周期表中间位置的三、四、五价元素处于周期表中间位置的三、四、五价元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。现结合。 由共用价电子对产生的结合键叫共价键。由共用价电子对产生的结合键叫共价键。 共价键示意图共价键示意图 金刚石为共价晶体。金刚石为共价晶体。 由碳原子组成，构成正四由碳原子组成，构成正四面体：一个碳原子在中心，另面体：一个碳原子在中心，另外外4 4个碳原子在个碳原子在4 4个顶角上。个顶角上。 硅、锗、锡等元素也

4、可构硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的成共价晶体。属于共价晶体的有有SiCSiC、SiSi3 3N N4 4、BNBN等化合物。等化合物。 共价键共价键特特点：点：结合力很大。共价晶体强度结合力很大。共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。性低。金刚石结构金刚石结构 三、金属键 周期表中周期表中、族元素的原子丢失价电族元素的原子丢失价电子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公有，叫有，叫自由电子自由电子，在正离子之间自由运动，形成，在正离子之间自由运动，形成电子气。正离子在三维空

5、间规则分布。电子气。正离子在三维空间规则分布。 正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，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。这种结合力叫使全部离子结合起来。这种结合力叫金属键金属键。 金属键示意图金属键示意图 钼的结构钼的结构 金属由金属键结合，金属具有下列特性：金属由金属键结合，金属具有下列特性： 1.1.良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。 金属中存在大量自由电子，外加电场时金属中存在大量自由电子，外加电场时电子可以定向地流动。电子可以定向地流动。 金属的导热性很好。自由电子的活动性金属的导热性很好。自由电子的活动性很强，金属离子振动作用导热。很强，金属离子

6、振动作用导热。 2.2.正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。 随温度升高电阻增大。随温度升高电阻增大。 3.3.不透明并呈现特有的金属光泽。不透明并呈现特有的金属光泽。 自由电子能吸收并随后辐射出大部分自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。投射到表面的光能。 4.4.良好的塑性变形能力，金属材料的良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。强韧性好。 金属键没有方向性，受外力作用发生金属键没有方向性，受外力作用发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。破坏。 四、分子键 甲烷分子在固态能相互结合成为晶体。甲烷分子在固态能相互结合成为晶体。结合过程

7、中没有电子的得失、共有或公有化。结合过程中没有电子的得失、共有或公有化。 靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。叫分子键。分子键示意图分子键示意图 甲烷结构甲烷结构 在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中，在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中，一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、半径较小的原子半径较小的原子(F(F、O O、N)N)相结合相结合, , 形成形成氢键氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。尼龙尼龙66的结构的结构 分子键特点：分子键特点：范德瓦尔斯力

8、很弱，由分范德瓦尔斯力很弱，由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。 因无自由电子，材料有良好的绝缘性。因无自由电子，材料有良好的绝缘性。一、晶体结构的密堆积原理一、晶体结构的密堆积原理1、密堆积原理、密堆积原理金属晶体金属晶体金属键金属键离子晶体离子晶体离子键离子键分子晶体分子晶体范德华力范德华力原子晶体原子晶体共价键共价键混合型晶体混合型晶体共价键和范德华力共价键和范德华力晶体分类：晶体分类：原子、离子、分子的排布总是趋向于配位原子、离子、分子的排布总是趋向于配位数高，空间利用率大的紧密堆积结构方式，最紧密的堆数高，空间利用率大的紧密堆积结构方式，最

9、紧密的堆积往往是最稳定的结构。积往往是最稳定的结构。金属晶体金属晶体离子晶体离子晶体空间利用率空间利用率% 晶晶胞胞球球VVnn 晶胞内圆球的数目晶胞内圆球的数目有限的原子、离子或分子尽量占取较小的空有限的原子、离子或分子尽量占取较小的空 间的堆积。间的堆积。一个球周围最邻近的圆球的数目。一个球周围最邻近的圆球的数目。等径圆球的堆积模型等径圆球的堆积模型不等径圆球的堆积模型不等径圆球的堆积模型单位体积空间中圆球所占体积百分数。单位体积空间中圆球所占体积百分数。2、等径球的密堆积、等径球的密堆积面心立方最密堆积（面心立方最密堆积（A1）六方最密堆积（六方最密堆积（ A3 ）体心立方密堆积（体心立

10、方密堆积（ A2 ）金刚石型堆积（金刚石型堆积（ A4 ）堆积型式堆积型式 A1和和 A3 型堆积型堆积等径圆球沿一维方向排列的唯一一种排列方式。等径圆球沿一维方向排列的唯一一种排列方式。a等径圆球沿二维方向伸展的唯一一种排列方式。可等径圆球沿二维方向伸展的唯一一种排列方式。可抽象成平面点阵。抽象成平面点阵。 将第二层球坐落在第一层球一半的将第二层球坐落在第一层球一半的空隙上，就空隙上，就得到密置双层的唯一一种排列方式。得到密置双层的唯一一种排列方式。第三层球放在第二层球的空隙上有两种方式第三层球放在第二层球的空隙上有两种方式重复重复ABC的堆积叫的堆积叫A1堆积，重复单位堆积，重复单位ABC

11、。重复重复AB的堆积叫的堆积叫A3堆积，重复单位堆积，重复单位AB。四个球围成的空隙叫四面体空隙。四个球围成的空隙叫四面体空隙。六个球围成的空隙叫八面体空隙。六个球围成的空隙叫八面体空隙。4个个 四面体空隙四面体空隙3个个 八面体空隙八面体空隙抽出立方面心晶胞，又叫面心立方最密堆积抽出立方面心晶胞，又叫面心立方最密堆积(cubic closest packing)简写为简写为ccp 。)21,21, 0()21, 0 ,21()0 ,21,21()0 , 0 , 0(xyz配位数：配位数：12设：晶胞中球半径为设：晶胞中球半径为r， 晶胞参数为晶胞参数为aa ar % 晶晶胞胞球球VV ar%

12、.% ar 4rA1堆积中堆积中, 球数球数 : 八面体空隙八面体空隙 : 四面体空隙四面体空隙8个四面体空隙，个四面体空隙，6个八面体空隙。个八面体空隙。紫球周围：紫球周围：紫球分摊到：紫球分摊到：四面体空隙中，每个球占四面体空隙中，每个球占1/4个空隙。个空隙。八面体空隙中，每个球占八面体空隙中，每个球占1/6个空隙。个空隙。 四面体空隙四面体空隙 八面体空隙八面体空隙A1中中, 晶胞中有晶胞中有4个球个球, 4个八面体空隙个八面体空隙, 8个四面体空隙个四面体空隙八面体空隙的坐标：八面体空隙的坐标：),();,();,();,( 四面体空隙的坐标：四面体空隙的坐标：),)(,)(,)(,

13、( ),)(,)(,)(,( 空隙半径空隙半径 在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。 四面体空隙半径四面体空隙半径: : r r四四=0.225=0.225r r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径: : r r八八=0.414=0.414r r原子原子四面体空隙半径四面体空隙半径八面体空隙半径八面体空隙半径抽出六方晶胞，又叫六方最密堆积抽出六方晶胞，又叫六方最密堆积(hexagonal closest packing)简写为简写为hcp 。 晶胞内含有个球。晶胞内含有个球。),(),( 分数坐标：分数坐标：),( orxyz1200配位数：配

14、位数： 12个球为二套等同点个球为二套等同点设：球半径：设：球半径：r， 晶胞参数：晶胞参数：arba 空间利用率：空间利用率： % 晶晶胞胞球球VVac .2rbcaa2r%. ar %. 八面体空隙的坐标：八面体空隙的坐标：),)(,( ),)(,( 四面体空隙的坐标：四面体空隙的坐标：),)(,( xyz （4 4）致密度）致密度 0.74 (74%)0.74 (74%) （5 5）空隙半径）空隙半径 四面体空隙半径四面体空隙半径为为: : r r四四= =0.2250.225r r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径为为: : r r八八= =0.4140.414r r原子原子 （6

15、 6）配位数）配位数 12 12 体心立方密堆积体心立方密堆积A2和金刚石型堆积和金刚石型堆积A4晶胞中含两个球，晶胞中含两个球，分数坐标：分数坐标：),(),( 一套等同点，一套等同点，又叫体心立方密堆积（，又叫体心立方密堆积（body cubic packing）简写为：）简写为：bcpA2堆积：堆积：%.% arVV 晶晶胞胞球球空间利用率：空间利用率： arar ,体心立方堆积中的空隙体心立方堆积中的空隙4r 空隙半径空隙半径 在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。 体心立方晶胞中有两种空隙：体心立方晶胞中有两种空隙： 四面体空隙半径四面体

16、空隙半径: :r r四四= =0.290.29r r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径: :r r八八= =0.150.15r r原子原子 四面体空隙半径四面体空隙半径八面体空隙半径八面体空隙半径晶胞中含有晶胞中含有8个球，个球，),(),(),(),( ),)(,)(,)(,( ),)(,)(,)(,( 或或两套等同点，两套等同点，分数坐标分数坐标: ( (又叫金刚石型堆积又叫金刚石型堆积) )不是密堆积不是密堆积arar ,% 晶晶胞胞球球VV%.%)( aa 总结：总结：二、金属晶体的堆积型式和金属的原子半径二、金属晶体的堆积型式和金属的原子半径 绝大多数金属单质都是绝大多数金属单质

17、都是A1，A2，A3型，少数金属单型，少数金属单质具有质具有A4型型(如如:Si,Ge,Sn)或其它特殊结构型式或其它特殊结构型式(Mn-x)。1、金属晶体的堆积型式（、金属晶体的堆积型式（P524表表5-3.2）2、金属原子半径、金属原子半径如：立方如：立方F点点阵阵ar ar 立方立方I点阵点阵ar ar 同一种金属元素，在不同结构型式中金属的原同一种金属元素，在不同结构型式中金属的原子半径不同。子半径不同。 AAArrr或或%配位数配位数 12 8 6 4 2 1原子半径相对值原子半径相对值 1.00 0.97 0.96 0.88 0.81 0.72P524表表53.2中金属原子半径已折

18、合成配位数为中金属原子半径已折合成配位数为12A2型是型是A1 或或A3型的型的97%例例1：金属：金属Pt为为A1型结构，立方晶胞参数型结构，立方晶胞参数a=392.3pm, Pt的相对原子质量为的相对原子质量为195，试求，试求Pt的密度和原子半径。的密度和原子半径。解：解： A1型型 立方面心晶胞立方面心晶胞ar pmar . aNMNVnMVWApAt晶晶胞胞晶晶胞胞 )/(.).(. cmg例例2：灰锡为金刚石型结构，晶胞参数：灰锡为金刚石型结构，晶胞参数 a=648.9pm。写出晶胞中写出晶胞中8 8个个Sn原子的分数坐标原子的分数坐标计算计算Sn原子原子的的半的的半径径 求求:S

19、n的相对原子质量的相对原子质量白白Sn属四方晶系属四方晶系a=583.2pm, c=318.1pm,晶胞中含晶胞中含4个个 Sn原子，计算说明由白原子，计算说明由白Sn变为灰变为灰Sn体积是膨胀了，还体积是膨胀了，还是收缩了。是收缩了。白白Sn中中Sn-Sn间最短距离为间最短距离为302.2pm，试对比灰，试对比灰Sn数数据，估计哪种据，估计哪种Sn的配位数高。的配位数高。 cmgSn.灰灰 解：解：),(),(),(),(),( ,),(),(),( A4型结构中型结构中ar )(.pmar aNMNVnMASnA晶晶胞胞 )/(.molgNaMASn 白白Sn中中).(.)( cmgcaNMNVnMASnASn晶晶胞胞白白 白白Sn灰灰Sn 密度由密度由7.26 5.75 体积增大了。体积增大了。 谁的间距大谁的间距大(