中國礦業(yè)大學《材料科學基礎》課件 第一章 原子結構與排列

返回第一章 原子結構與排列內部結構 材料的性能結構篇*返回章 目 錄1.1 原子結構及其周期性1.2 原子的結合鍵1.3 晶體學基礎1.4 典型金屬的晶體結構1.5 陶瓷的晶體結構Date返回結 構 的 四 個 層 次 成分、加工工藝共同決定著材料的結構，材料的內部結構決定了材料的性能。 材料結構分為 四個層次 :原子 結構原子結合鍵原子排列相結構加工工藝成分Date返回1.1 原子結構及其周期性一、 核外電子分布核外電子的運動狀態(tài)，由四個 量子 數決定。 主量子數 n = 1、 2、 3 距核遠近、能量高低。 角量子數 l = 0、 1、 2 電子云形狀、能量高低。 磁量子數 m = 0、 、 電子軌道空間取向 自旋量子數 ms = 電子自旋方向原子核 + 核外運動的電子Date返回電子軌道將不同組合的量子數代入薛定諤方程求解，得到四種電子分布的波函數 電子軌道 s 一種組態(tài)（球對稱） 2 p 三種組態(tài)（軸對稱） 6 d 五種組態(tài)（面對稱） 10 f 七種組態(tài) 14Date返回d-軌道空間分布示意圖p-軌道空間分布示意圖Date返回電子分布須遵循的兩個原則： 泡利不相容原則一個原子中，不可能存在有四個量子數完全相同的兩個電子。 能量最低原則電子總是傾向于優(yōu)先占據能量較低的軌道，使系統(tǒng)的能量處于穩(wěn)定的狀態(tài)。Date返回二、原子結構的周期規(guī)律周期表中， 周期數代表了電子主層數 N。1、元素的周期性 1、 2、 3為短周期，主層電子只有 s、 p次層。 4、 5、 6、 7為長周期，除 s、 p次層外，還有 d層電子。 6、 7周期中，除 s、 p、 d外，還填入了 f層電子。s pdfDate返回2、主族元素 A A 外主層中分別填入 s、 p次層電子（ 1-8），原子的電負性和化學性質主要由它們決定，因此呈周期變化。 活潑金屬 非金屬 惰性元素。 以半金屬元素 A 為中心，可作為材料使用；性質活潑的元素不宜用作材料。Date返回3、副族元素 B B 分別 填入 d內層電子 (共 10個 )。 由于外層 s電子為 1、 2個，幾乎相同，化學性質變化不大，統(tǒng)稱 “ 過渡族元素 ” 。 與堿土金屬相比，因核內正電荷數目增加，對外層電子吸引力增大，穩(wěn)定性上升。 材料基礎元素的重點選擇區(qū)域。Date返回4、鑭系、錒系 分別 填入 f內層電子（共 14個）。 因外層 s電子都是 2， 化學性質非常接近，統(tǒng)稱 “ 稀土元素 ” 。 由于 f層內有許多空軌道，相互間能級差很小，易于激發(fā)，因而具有重要的功能效應。例如：長余輝稀土鋁酸鹽材料。Date返回5、電負性 周期表中由左至右、由下到上， 電負性 。 同族、同周期元素有相似的性質特點。Nb具有低溫超導性，在它周圍的 Zr、 Mo、 V、 Ta也有這一特性。S化物、 Se化物、 Te化物同族，都有光電特性 。s pdf例如：Date返回1.2 原子的結合鍵一、 典型結合鍵化學鍵： 離子鍵、 共價鍵、 金屬鍵物理鍵：范德華力、 氫鍵 電負性相差大的元素之間形成 特點：無方向性、無飽和性 鍵能最高 1000KJ/mol離子鍵：Date返回共價鍵： 電負性相近，有方向性和飽和性，幾百幾千 KJ/mol金屬鍵： 無方向性 無飽和性， 400 800KJ/molDate返回范德華力 次價鍵，分子間靜電引力，沒有方向性和飽和性。鍵能弱（幾 數 十 KJ/mol）。Date返回氫鍵： 次價鍵。 H與 電負性很大、原子半徑較小的 O、 F、 N等結合而產生的較強的鍵力， 幾十 KJ/mol ， 有方向性和飽和性。Date返回二、材料的結合鍵1、無機非金屬： 離子鍵共價鍵 A-B結合對，離子鍵比例計算：其中： xA、 xB分別為結合對 A、 B的電負性。 性能：強大的鍵合力，具有高強、高硬、耐高溫、耐腐蝕，但塑性韌性差。 功能：極性強，使其具有寬廣的導電、導熱、透光性；良好的鐵電、鐵磁和壓電性。Date返回2、高分子： 共價鍵范德華力 /氫鍵 分子鏈內強大的共價鍵，賦予材料一定的強度、硬度，極好的柔韌性，高彈性、耐化學藥品性。3、金屬 ： 金屬鍵具有良好的綜合力學性能、導電、導熱。 分子鏈之間結合力弱，熔點低。聚氯乙烯范德華力Date返回1.3 晶體學基礎 (原子排列）一、晶體和非晶體晶體 雪花、食鹽、水晶 簡單分子固體 非晶體 橡膠、玻璃、松香 復雜分子液晶 (介晶態(tài) ) 既有流動性，又有各向異性。Date返回區(qū)別： 原子規(guī)則排列 紊亂分布 熔點固定 逐漸軟化 各向異性 各向同性 晶體有天然晶型 低能量、穩(wěn)定 能量較高、亞穩(wěn) 涂蠟云母片天然水晶Date返回二、晶體結構的歸類 晶體的基本特征是原子（或分子、離子、原子集團）在空間有規(guī)則地排列。研究它們排列的規(guī)律性和對稱性，是擺在我們面前的首要任務。 然而在自然界中，實際晶體結構是無限多的，分別進行研究顯然是徒勞的，為了方便起見，我們必須進行簡化歸類。Date返回 操作：將晶體中實際存在的原子、分子、離子或原子集團等物質質點，抽象為純粹的幾何點，而完全忽略它們的物質性，余下的空間格架稱為空間點陣。 空間點陣中具有代表性的最小單元稱為晶胞。 空間點陣中的幾何點稱為陣點。Date返回例： Cu晶體的抽象操作晶體結構 結構單元 空間點陣Cu Cu原子 f.c.c晶胞 陣點Date返回 將晶胞在空間重復堆垛得空間點陣，在陣點上加入Cu、 Al、 Ni等不同的結構單元，可得到不同的晶體結構。 從上述簡單晶體的歸類，似乎看不出抽取結構單元的必要，但對于結構復雜的晶體結構，情況就不是這樣。 如 NaCl：如果不抽取結構單元，將得到兩種不同的基本單元。不能通過重復堆垛基本單元得到 NaCl晶體。因此它們不能反映晶體的重復性和對稱性。Date返回例： NaCl晶體的抽象操作f.c.cNaCl晶體 NaCl分子NaCl-經抽象后，將無限多的晶體結構歸納成了 14種空間點陣。Date返回重 要 概 念 晶體結構： 實際晶體 結構單元： 組成物質的基本物質實體 原子、分子或原子集團。反映物質的物化性質。 空間點陣： 規(guī)則排列于空間的幾何格架。反映晶體中物質排列的規(guī)律性和對稱性。 陣點： 代表原子、分子或原子集團的中心。 每個陣點（ 結構單元中心） 在實際晶體中的 周圍環(huán)境必須相同，這是 空間點陣的主要特征。Date返回三、晶胞、晶系與布拉菲點陣1、晶胞從空間點陣中取出的具有代表性的基本單元（平行六面體）。 晶胞選取的 不唯一性。體心正方Date返回選取晶胞的原則 充分反映空間點陣的點群對稱性。 平行六面體內，相等的棱和角的數目應最多。 當平行六面體的棱間呈直角時，直角數目應最多。 在滿足以上的條件下，晶胞應具有最小的體積。Date返回2、晶胞參數任一 晶胞可由 a、 b、 c、 、 、 六個點陣參數唯一確定。 空間點陣中， 任一 陣點的位置：其中， uvw表示該陣點的坐標。 晶胞體積：abcxzy晶胞參數Date