材料科学基础1章(材料的结构)

第一章材料的结构1.1材料的结合方式1.1.1化学键组成物质整体的质点（原子、分子、离子）间的相互作用力叫化学键。1、共价键由共用价电子对产生的结合键叫共价键。组成共价键的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现结合。共价键具有方向性。共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高和挥发性低，共价键材料具有良好的绝缘性。

共价键材料：金刚石、硅、SiC、Si3N4、BN等化合物。

2.离子键当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时，前者失去最外层价电子变成带正电荷的正离子，后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。离子键没有方向性，离子键无饱和性。离子键的结合力很大，离子晶体的硬度高，熔点高，脆性大，导电性差，热膨胀系统小。

离子键中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体。在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明的。3.金属键金属中金属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。在金属晶体中，价电子弥漫在整个体积内，所有的金属离子皆处于相同的环境之中，全部离子(或原子)均可被看成是具有一定体积的圆球，所以金属键无所谓饱和性和方向性。金属由金属键结合，因此金属具有下列特性。金属具有下列特性:良好的导电性和导热性；正的电阻温度系数；不透明并呈现特有的金属光泽；良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。4.范特瓦尔键惰性气体元素在低温下可结合成固体。甲烷分子在固态也能相互结合成为晶体。在它们的结合过程中没有电子的得失、共有或公有化，价电子的分布几乎不变，原子或分子之间是分子键。

范特瓦尔斯力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。范特瓦尔斯力很弱，由其键结合的固体材料因无自由电子，材料有良好的绝缘性。离子键共价键金属键结构特点无方向性或方向性不明显，配位数大方向性明显，配位数小，密度小无方向性，无饱和性，配位数极大，密度大力学特点强度高，膨胀系数小，劈裂性良好，硬度大强度高，硬度大有各种强度，有塑性热学特点熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子有各种熔点高，导热性好，液态的温度范围宽电学特点绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为非导体导电体金属材料：金属键陶瓷材料：共价键/离子键高分子材料：共价键/分子键/氢键

1.1.2工程材料的键性（1）金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，具有良好的工艺性能，为主要的工程材料。（2）高分子材料以分子键和共价键结合，耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热性较差。（3）陶瓷材料以离子键、共价键结合，熔点高,硬度高，耐高温，耐磨损，脆性大，难以加工。（4）复合材料根据其组元材料具有复合的结合键，也具有复合的性能。1.2晶体学基础1.2.1晶体与非晶体晶体：物质的质点（原子、分子或离子）在三维空间呈规则的周期性排列。非晶体：物质的质点在整体上是无规则堆积。晶体与非晶体区别：(a)是否具有周期性、对称性；(b)是否有确定的熔点；(c)是否各向异性；1.2.2空间点阵将晶体抽象为规则排列与空间的无数几何点，这些点代表原子（分子或离子）的中心，这些点的空间排列称为空间点阵。晶体中能够代表原子排列特征的最基本的结构单元方能作为晶胞。布拉菲点阵：7个晶系，14种空间点阵。1.2.3晶向指数和晶面指数1.晶向指数的标定晶向:在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。晶向指数:用密勒指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。确定方法:设置坐标;求投影坐标;化最小整数[uvw]。2.晶面指数的标定晶面:在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。晶面指数:用密勒指数对晶格中某一晶面进行标定。确定方法:设置坐标;求截距;取倒数;化整数(hkl)。立方晶体中常用晶面指数(110)(112)(111)(001)3.晶面族与晶向族在晶体中，有些晶面原子排列情况相同，面间距也相等，只是空间位向不同，属于同一晶面族用{hkl}表示。原子排列情况相同，只是空间位向不同的所有晶向，属于同一晶向族用<uvw>表示。

<100>:crystalaxes<110>:facediagonal<111>:bodydiagonal<112>:apicestooppositeface-centers4.六方系晶面及晶向指数标定

六方系晶面晶向的标定中，坐标系使用四轴，C轴垂直于底面，a1、a2、a3轴在底面上，其夹角为120o，晶面标定为(hkil)。a1a2a3cacb四个指数中前三个指数只有两个是独立的，它们有如下关系：i≡－(h＋k)

晶向指数用[uvtw]表示，其中前三个指数只有两个是独立的，它们有如下关系：

t＝－(u＋v)采用三轴坐标系时，C轴垂直于地面，a1、a2轴在底面上，其夹角为120o三轴制晶向指数为[UVW]与[uvtw]关系为:5.晶带相交与某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。立方晶系某晶面(hkl)以[uvw]为晶带轴时必有：hu+kv+lw=0两个不平行的晶面（h1k1l1),(h2k2l2)的晶带轴[uvw]可如下求得:u=k1l2-k2l1v=l1h2-l2h1w=h1k2-h2k16.晶面间距

不同的晶面族{hkl}，其晶面间距也不同。低指数晶面的面间距较大，高指数晶面的面间距较小。

正交晶系:

立方晶系:六方晶系:晶面(h1

k1

l1)和(h2

k2l2)晶面间的夹角，其计算公式如下：例如：(1

0

0)和(1

10)晶面间的夹角为45度。(1

0

0)和(0

01)晶面间的夹角为90度。x=zlinex=yliney=zline1.2.4晶体的极射赤面投影1.参考球与极射赤面投影2.标准投影图

以晶体的某个晶面平行于投影面，作出全部主要晶面的极