材料科学基础第一章

1、本章主要内容要求,基本概念和术语 原子间的结合键对材料性能的影响 用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的特征解释金属材料的性能：1.正的电阻温度系数；2.良好的延展性；3.良好的导电、导热性；4.具有金属光泽等。,1.1 原子结构,1.1.1 物质的组成 物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。 1.1.2 原子结构(atomic structure) 原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成 原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。 1.1.3 原子的电子结构 电子云(election atmo

2、sphere) 1.描述原子中一个电子的位置和能量用四个量子数(quantum number)：主量子数（电子层）、轨道量子数（电子亚层）、磁量子数（轨道数）、自旋角动量子数（自旋方向）。 2.核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauli principle)、Hund规则(Hund s rule)。,原子结构,原子排列,1.1.4 元素周期表 1.1.5 原子的电离能、电子亲合能和电负性 1.电离能(ionization energy) 气态原子失去一个电子成为一价正离子所需要的最低能量称为第一电离能。从一价正离子失去一个电子成为二价正离子所需要的最低能量称为第二电

3、离能。依此类推。电离能 的大小可以反映原子失去电子的难易程度。单位：电子伏特或千伏/摩尔。 2.电子亲合能(electron affinity) 气态原子获得一个电子成为一价负离子所释放的能量。 3.电负性(electronegativity) 原子在化合物中把电子吸引向自己的本领。,1.2 原子间的键合,结合键(binding bond) ： 结合键分为：化学键金属键、离子键、共价键 物理键范德华力、氢键 1.2.1 化学键（主价键、一次键） 1. 金属键(metallic bond) 自由电子金属正离子间 特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。 可以解释金属的一些特征，如良好的导电、导热性

4、，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的电阻温度系数 。 2. 离子键(ionic bond) 金属正离子非金属负离子之间 特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性。 可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。,金属键,特点： 电子共有化,没有方向性。 特性： 良好的导电、导热性； (2) 不透明，具有金属光泽； (3) 具有较高的强度和良好的塑性； (4) 正的电阻温度系数。,3. 共价键(covalent bond) 两个或多个原子间共用电子对 特点：以原子的形式

5、共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。 可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。 1.2.2 物理键（次价键、二次键） 1. 范德华力(Van Der Waals force) 电偶极矩的感应作用 特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，无方向性。 2. 氢键(hydrogen bond) 分子间特殊作用力 表达为：XHY 特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。氢键主要存在于高分子材料内。,图1.4-5 由共价键方向性特点 决定了的SiO2四面体晶体结构,图1.4-4 形成共价键的SiO2, 蓝色圆圈代

6、表Si的价电子， 红色圆圈代表O的价电子,1.2.3 混合键,实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键 金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键 陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力 聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键,1.2.4 结合键的本质及原子间距,原子间距：两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离r0相当于原子间的平衡距。 把两个原子平衡距离下的作用能称为原子的结合能（E）。结合能的大小相当于把两原子分开所需做的功，E越大，原子结合越稳定。离子键、共价键的E最大；金属

7、键的次之；范德华力的最小。,原子能量与原子间距的关系A,原子能量与原子间距的关系B,1.2.5 结合键与性能,1.物理性能 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共、离子键化合物的Tm较高。 密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列 导热、导电性 2.力学性能 弹性模量与结合能有较好的对应关系。 强度 塑性,1.3 高分子链,1.3.1 近程结构（一级结构） 1.链结构单元 2.分子结构 线型、支化、交联结构 3.共聚物结构 共聚物 共聚物结构类型：无规则聚合物、交替聚合物、接枝共聚物、嵌段共聚物 4.高分子链的构型 旋光异构（全同、间同、无规）、几何异构（顺式、反式） 1.3.2 远程结构 （二级结构） 1.高分子大小 2.高分子链的内旋构象 3.影响高分子链柔