材料科学基础材料结构的基本知识演示文稿

材料科学基础材料结构的基本知识演示文稿现在是1页\一共有39页\编辑于星期一第一节原子结构一、原子的电子排列1、原子的核式结构原子由原子核及核外电子构成原子核：体积小，质量大，带正电电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋转，带负电2、电子分布（1）4个量子数：①主量子数n：电子能级的壳层序数。n=1,2,3,…7；②次量子数l(角量子数、轨道量子数)：l=0,1,2,…,确定每一壳层的亚壳层数目(spdf)2现在是2页\一共有39页\编辑于星期一③磁量子数m：确定每一亚壳层中空间取向不同的轨道数目。m=0,±1，±2，…,轨道空间取向（spdf→1357）④自旋量子数ms

：确定每一轨道中能容纳的电子数目。ms=+1/2,-1/2各壳层能够容纳的电子总数：2n2(n-主量子数)3现在是3页\一共有39页\编辑于星期一（2）两个基本原理：①泡利不相容原理；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。②最低能量原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。（3）能级的重叠相邻主壳层的能量范围有重叠4现在是4页\一共有39页\编辑于星期一例题：写出原子序数为11的钠原子及原子序数解：Na:1s22s22p63s1Ca:1s22s22p63s23p64s23、原子的活泼程度主要取决于外壳层（S层和P层）填满与否例如：为20的钙原子的电子分布

He：1s2

Ne：…2s22p6

Ar：…3s23p6

Kr：…4s23d104p6

Xe：…5s24d105p6Rn：…6s24f145d106p6

Na：…3s15现在是5页\一共有39页\编辑于星期一二、元素周期表及性能的周期性变化6现在是6页\一共有39页\编辑于星期一1、周期对应于电子主壳层2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的化学性质3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族的内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族活泼例如：Cu：…3p63d104s1K：…3p64s17现在是7页\一共有39页\编辑于星期一5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强，同族自上而下逐渐减弱8现在是8页\一共有39页\编辑于星期一第二节原子的结合键一次键二次键混合键结合键的本质及原子间距结合键与性能9现在是9页\一共有39页\编辑于星期一按结合力强弱分：一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较强．二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合键．包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱．一、一次键1、离子键通过正负离子间相互吸引力使原子结合的结合键．

10现在是10页\一共有39页\编辑于星期一例如：NaCl,MgO对于NaCl：Na：1S22S22P63S1Cl：1S22S22P63S23P5Na原子失去一个外层电子，变成正离子，带正电Cl原子得到一个外层电子，变成负离子，带负电11现在是11页\一共有39页\编辑于星期一12现在是12页\一共有39页\编辑于星期一2、共价键通过共用电子对使原子结合的结合键．例如，金刚石…13现在是13页\一共有39页\编辑于星期一(1)具有方向性和结构稳定性．金刚石109.5°(2)8-N定律—

一个原子周围的共用电子对的数目，其中，Ｎ为原子的价电子数ⅣA族，4个共用电子对，空间网络状结构ⅤA族，3个共用电子对，空间层状结构ⅥA族，2个共用电子对，空间链状结构14现在是14页\一共有39页\编辑于星期一3、金属键通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结合的结合键。价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地排列在“电子气”的海洋中．金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，固态溶解15现在是15页\一共有39页\编辑于星期一二、二次键1、范德瓦耳斯键具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相互吸引而结合的结合键。如石蜡、塑料…16现在是16页\一共有39页\编辑于星期一2、氢键含氢的分子具有极性，与另一个具有较强电负性的原子通过氢离子而结合的结合键。如冰…X-H--YX-H:离子键H--Y：氢键17现在是17页\一共有39页\编辑于星期一三、混合键大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。1、一次键混合（1）共价键与金属键混合如ⅣA族中，

CSiGeSnPb共价键共价键＋金属键金属键再如，过渡族元素，有时会出现少量共价键18现在是18页\一共有39页\编辑于星期一（2）金属键与离子键混合如金属间化合物中（3）共价键与离子键混合如陶瓷化合物中AB化合物中离子键的比例取决于组成元素的电负性差，差越大，离子键比例越高：

XA,XB

–A,B的电负性数值。（表1-2，P17）19现在是19页\一共有39页\编辑于星期一例题:计算化合物(1)MgO、(2)GaAs中离子键结合的比例．解：(1)MgO查电负性表得XMg

=1.31,XO

=3.44代入公式得,离子键结合比例＝68%(2)GaAs查电负性表得,XGa

=1.81,XAs

=2.18代入公式得,离子键结合比例＝4%20现在是20页\一共有39页\编辑于星期一由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所形成的AB化合物中离子键结合的比例越高21现在是21页\一共有39页\编辑于星期一2、一次键与二次键混合例如：石墨:片层中为共价键,片层间为范德瓦尔斯键高分子:分子链中为共价键,链与链之间为二次键22现在是22页\一共有39页\编辑于星期一四、结合键的本质及原子间距1、结合键的本质—

结合键的强弱反映了原子或分子间结合时互作用能降低的程度．离子键、共价键最强，金属键次之，氢键再次之，范德瓦尔斯键最弱。23现在是23页\一共有39页\编辑于星期一2、原子间的互作用力及结合能（1）双原子模型固体原子间总存在着两种力：吸引力、排斥力引力与斥力相等时，

r0称原子间距。平衡距离下的作用能定义为原子的结合能Ｅ0结合能越大，原子结合越稳定。24现在是24页\一共有39页\编辑于星期一（2）原子结合能的实验测定及理论计算实验测定原理测定固体的蒸发热理论计算(自学P24例题)五、结合键与性能1、对物理性能的影响1)熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料 的最低．2)密度：金属键的最高，共价键、离子键的较 低，高分子材料的最低．3)导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。25现在是25页\一共有39页\编辑于星期一2、对力学性能的影响（1）强度：结合键强，则强度也高，但还受组织的影响．（2）塑韧性：金属键最好，共价键、离子键最低.（3）弹性模量：共价键、离子键最高，金属键次之，二次键最低26现在是26页\一共有39页\编辑于星期一第三节原子排列方式晶体与非晶体原子排列的研究方法一、晶体与非晶体1、晶体原子(原子团或分子)在空间有规则的周期性重复排列的固体。一般情况下，金属、大多数陶瓷、少数高分子材料为晶体。27现在是27页\一共有39页\编辑于星期一非晶体：排列无序，不存在长程的周期规则排列。二氧化硅结构示意图a)晶体b)非晶体28现在是28页\一共有39页\编辑于星期一2、结晶过程晶核形成晶核长大29现在是29页\一共有39页\编辑于星期一3、晶体与非晶体性能的主要差别晶体：有确定熔点单晶体各向异性多晶体各向同性非晶体：无确定熔点各向同性30现在是30页\一共有39页\编辑于星期一二、原子排列的研究方法X射线或电子束衍射原理布拉格定律：根据衍射分布图，可分析晶体中原子排列的特征（排列方式、原子面间距等）31现在是31页\一共有39页\编辑于星期一第四节晶体材料的组织1、结晶过程及多晶组织32现在是32页\一共有39页\编辑于星期一2、材料的组织各种晶粒的组合特征。即各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征。组织是影响材料性能的极为敏感而重要的结构因素。33现在是33页\一共有39页\编辑于星期一3、组织的显示与观察宏观组织：肉眼能观察显微组织：用金相显微镜或电子显微镜才能看到。磨光→抛光→浸蚀→显微镜下观察：34现在是34页\一共有39页\编辑于星期一4、单相与多相组织（1）单相组织所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。描述单相组织特征的主要用晶粒尺寸及形状。（2）多相组织两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和晶体结构。两相例子：35现在是35页\一共有39页\编辑于星期一第五节材料的稳态与亚稳态结构稳态结构（平衡态结构）能量最低的结构。亚稳态结构能量相对较高的结构。材料最终得到什么结构，必须综合考虑结构形成的热力学条件和动力学条件。1、热力学条件结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力。36现在是36页\一共有39页\编辑于星期一等温等容过程：亥姆霍兹自由能变化，自发过程等温等压过程：吉布斯自由能变化，自发过程2、动力学条件反应速度。化学反应动力学的Arhennius方程：

v-反应速度；