第5章 材料科学的基本理论框架

第一节 材料电子结构和材料内部的原子间 相互作用
一、原子结构和微观粒子的量子化描述 1．原子运动状态的特征 ． • 物质（材料）是由一种或多种元素的原子结合而成，带负电的 物质（材料）是由一种或多种元素的原子结合而成， 电子通过静电吸引被束缚在原子核周围。 电子通过静电吸引被束缚在原子核周围。对材料构成和物质起 重要作用的是外层价电子 外层价电子。 重要作用的是外层价电子。 • 粒子的运动规律与宏观物体是很不相同的 ，微观粒子具有波 粒子的运动规律与宏观物体是很不相同的 粒二象性。一方面具有尺寸大小、动量、能量或位置的改变， 粒二象性。一方面具有尺寸大小、动量、能量或位置的改变， 粒子性）； ）；另一方面微观粒子在运动中又象波一样在空间各 （粒子性）；另一方面微观粒子在运动中又象波一样在空间各 处按一定的几率分布，它们可以产生衍射效应， 处按一定的几率分布，它们可以产生衍射效应，其轨道具有不 确定性（波动性）。 确定性（波动性）。
金属原子间的键合特点
离子键 共价键 方向性明显， 方向性明显， 配位数小， 配位数小，密度小 金属键 无方向性， 无方向性，配位 数大， 数大，密度大
结构特点
方向性不明显， 方向性不明显，配位数大
力学性能
强 度高，劈裂性良好， 度高，劈裂性良好，硬度大
强度高，硬度大 强度高，
有各种强度， 有各种强度，有 塑性
金属的结构
晶态
SiO2的结构
非晶态
材料的原子排列
非晶态
原子排列短程有序或无序
非晶体的特点是： 非晶体的特点是：①结 构无序； 构无序；②物理性质表 现为各向同性；③没有 现为各向同性； 固定的熔点； 固定的熔点；④热导率 导热系数） （导热系数）和膨胀性 小；
2、晶格与晶胞 • ⑴ 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。 的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。 三维空间格架。直线的交点（原子中心） 结点。 交点 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵
材料不是力学意义上的连续介质， 材料不是力学意义上的连续介质，而是具有丰富多彩的 不是力学意义上的连续介质 不同层次结构的物质。 不同层次结构的物质。各个层次上的结构都影响着材料 的行为与性能。 的行为与性能。 不同结构层次上材料的特征与行为 特征与行为， 不同结构层次上材料的特征与行为，组成材料科学的基 本理论。 本理论。 介绍其主要理论框架： 介绍其主要理论框架： 材料的电子结构和材料内部的原子间相互作用； 材料的电子结构和材料内部的原子间相互作用； 材料的原子排列特征； 材料的原子排列特征； 材料的结构缺陷； 材料的结构缺陷； 材料中的原子扩散； 材料中的原子扩散； 材料的相图与相变； 材料的相图与相变； 材料的强化与韧化等。 材料的强化与韧化等。
三、工程材料的键性
１．原子间结合键类型与性质 • 键型： 键型： 一次键（强键） 离子键、共价键、金属键； 一次键（强键）：离子键、共价键、金属键； 二次键（弱键） 范德瓦尔斯键、氢键； 二次键（弱键）：范德瓦尔斯键、氢键； • 各类键特征 表5-1
范德瓦尔键
形成： 形成：一个分子 的正电荷部位与 另一分子的负电 荷部位间以微弱 静电引力相引而 结合在一起称为 分子键。 分子键。 特性： 特性：分子晶体 因其结合键能很 低，所以其熔点 很低，硬度也低。 很低，硬度也低。 但其绝缘性良好。 但其绝缘性良好。
• 1、晶体与非晶体 、 • 晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主 晶体是指原子呈规则排列的固体。 是指原子呈规则排列的固体 要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 • 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件 非晶体是指原子呈无序排列的固体。 是指原子呈无序排列的固体 下晶体和非晶体可互相转化。 下晶体和非晶体可互相转化。
晶格与晶胞 晶格与晶胞 • 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。 的三维空间 格架。 格架。直线 的交点（原 的交点（ 子中心） 子中心）称 结点。 结点。由结 点形成的空 间点的阵列 称空间点阵
二. 工程材料中的原子排列 晶体结构：晶体中原子重复周期性排列的具体方式（花样、 晶体结构：晶体中原子重复周期性排列的具体方式（花样、类 型）。 1.金属材料的典型晶体结构 图5-2 金属材料的典型晶体结构 重复排列的最小单元即晶胞 晶胞， 重复排列的最小单元即晶胞，晶胞在三维空间的重复堆砌就构 成了晶体。 成了晶体。 原子半径、配位数（最临近原子数）、堆积因子（致密度） ）、堆积因子 用原子半径、配位数（最临近原子数）、堆积因子（致密度） 描述原子尺度及原子排列的紧密程度 紧密程度。 描述原子尺度及原子排列的紧密程度。 晶向指数、晶面指数反映其晶体性和原子排列的非均衡性 用晶向指数、晶面指数反映其晶体性和原子排列的非均衡性 各向异性） （各向异性） 三种典型而简单的晶体结构类型： 三种典型而简单的晶体结构类型：图5-3 面心立方： 、 、 、 等 面心立方：Cu、Al、Ni、Au等 配位数 12 致密度 0.74 体心立方： 、 、 等 体心立方：Fe、Cr、Mo等 配位数 8 致密度 0.68 密排六方：Zn、Mg等 密排六方： 、 等 配位数 12 致密度 0.74
二、原子间相互作用
• 靠相互吸引作用（构成结合健 ），原子结合成分子或凝聚态 靠相互吸引作用（构成结合健 ），原子结合成分子或凝聚态 物质（液体或固态）。 物质（液体或固态）。 • 较远距离时，引力占优势；近距离时斥力占优势，存在一个 较远距离时，引力占优势；近距离时斥力占优势， 平衡距离。从而原子结合成分子，或多原子（或分子之间） 平衡距离。从而原子结合成分子，或多原子（或分子之间） 结合成材料。 结合成材料。
四.材料的导电性和超导性 材料的导电性和超导性
• 导电现象： 导电现象： 金属外层价电子结合时构成未填满的能带 外层价电子结合时构成未填满的能带， 金属外层价电子结合时构成未填满的能带，电场下可自由流动 导电）； （导电）； 非金属外层为空能带 内层为满带， 外层为空能带， 非金属外层为空能带，内层为满带，两带之间大的能量间隔 能隙），外场不能激发， ），外场不能激发 （能隙），外场不能激发，故为绝缘体 ；半导体具有小能隙 （～1ev），稍高温度能被热激发而导电。 ），稍高温度能被热激发而导电 （～ ），稍高温度能被热激发而导电。 • 超导电性：低温下电阻为零和排斥磁力线（完全抗磁性）的特 超导电性：低温下电阻为零和排斥磁力线（完全抗磁性） 殊现象。 殊现象。 • 超导体：在一定温度下具有零电阻、超导电现象的材料。 超导体：在一定温度下具有零电阻、超导电现象的材料。 • 原因：电子构成“库柏对”（再构成整体，见第十四章） 原因：电子构成“库柏对” 再构成整体，见第十四章） • 超导应用：超导输电、磁悬浮列车、超导发电机、超导储能、 超导应用：超导输电、磁悬浮列车、超导发电机、超导储能、 磁力体发电机、超导计算机（运算速度快10多倍 多倍， 磁力体发电机、超导计算机（运算速度快 多倍，2050年实用 年实用 以及推动航天飞机（加速到接近光速，做星际旅行） 化）以及推动航天飞机（加速到接近光速，做星际旅行）
第五章 材料科学的基本理论框架 Framework of principal theories in Materials Science
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
材料电子结构和材料内部原子间相互作用 材料的原子排列特征 材料中的结构缺陷 材料中的原子扩散 材料的相图与相变 材料的强化与韧化
第二节 材料的原子排列特征
• 原子排列对固体材料的微观结构和行为起着重要的作用 • 金属、陶瓷、聚合物的原子排列很不同→性能亦很不同。 金属、陶瓷、聚合物的原子排列很不同 性能亦很不同。 的原子排列很不同→ 一、聚集态与原子排列 原子排列的秩序：无序、短程有序和长程有序。 １．原子排列的秩序：无序、短程有序和长程有序。 图5-1 晶体与非晶体（固体材料） ２．晶体与非晶体（固体材料） 非晶体：仅短程有序，亦称无定形、玻璃态，如普通玻璃， ①非晶体：仅短程有序，亦称无定形、玻璃态，如普通玻璃，部 分高聚物材料。 分高聚物材料。 晶体：长程有序材料，如金属、半导体、 ②晶体：长程有序材料，如金属、半导体、大部分陶瓷及某些高 聚物（如等规聚丙烯、尼龙），雪花；可以有规则外形（ ），雪花 聚物（如等规聚丙烯、尼龙），雪花；可以有规则外形（如六 角形的雪花，大颗粒结晶状食盐），也可以没有规则的外形， ），也可以没有规则的外形 角形的雪花，大颗粒结晶状食盐），也可以没有规则的外形， 但内部原子仍规则排列（如盐末、沙粒、鹅卵石、 但内部原子仍规则排列（如盐末、沙粒、鹅卵石、金属或非晶 态合金）。 态合金）。 同一成分的物质在不同条件下可形成晶体或非晶体， 同一成分的物质在不同条件下可形成晶体或非晶体，如 SiO2 水晶（晶体）或石英（玻璃）；金属（晶体）或非晶态合金。 ）；金属 →水晶（晶体）或石英（玻璃）；金属（晶体）或非晶态合金。
光学性质
与各构成离子的性质相同， 与各构成离子的性质相同， 对红外线的吸收强， 对红外线的吸收强，多是无色或 浅色透明的
折射率大， 折射率大，同气 体的吸收光谱很不 同
不透明的键性 工程材料的键性
金属材料：主要为金属键（Na、Cu、Ag等），也有共价键（灰 金属材料：主要为金属键（ 、 、 等），也有共价键（ 也有共价键 和离子键（ ）；过渡金属为不饱和共价键 过渡金属为不饱和共价键（ 锡 ）和离子键（Mg3Sb2）；过渡金属为不饱和共价键（故结合 力强、熔点高、弹性模量大，而导电性远不如简单 力强、熔点高、弹性模量大， 金属）。具有较好强韧性。 ）。具有较好强韧性 金属）。具有较好强韧性。 陶瓷材料：离子键和共价键（如金刚石、 碳化硅）， ），多以 陶瓷材料：离子键和共价键（如金刚石、硅、碳化硅），多以 离子键为主；故硬而脆，导电性差。 离子键为主；故硬而脆，导电性差。 高分子材料：共价键和分子键， 高分子材料：共价键和分子键，大分子链内为强结合的共价键 如碳与氢、碳与碳），大分子链间为弱结合的分子链。 ），大分子链间为弱结合的分子链 （如碳与氢、碳与碳），大分子链间为弱结合的分子链。故而 熔点低、强度低、刚性差。 熔点低、强度低、刚性差。 复合材料：多种物质的多种键的组合；可具有特殊性能。 复合材料：多种物质的多种键的组合；可具有特殊性能。
热力性质
熔点高，膨胀系数小， 熔点高，膨胀系数小，熔体 中有离子存在
熔点高， 熔点高，膨胀系 数小， 数小，熔体中有的 含有分子
有各种熔点， 有各种熔点， 导热性好， 导热性好，液态的 温度范围宽
电学性质
绝缘体， 绝缘体，熔体为导体
绝缘体， 绝缘体，熔体为 非导体
导电体（自由电子） 导电体（自由电子）
２．电子组态、周期表及材料应用 电子组态、
☆ 周期表 元素性质周期性的变化的图示 ，是按元素的电子组态 周期表(元素性质周期性的变化的图示 元素性质周期性的变化的图示)， 建立起来的。 建立起来的。 ☆ 元素的电子结构由若干壳层构成，外层电子数（s、p能级）是 元素的电子结构由若干壳层构成，外层电子数（ 、 能级） 壳层构成 能级 最重要的。 最重要的。 ☆ 应用：同族（外层电子数一样）元素 的合金化的效应相似， 应用：同族（外层电子数一样） 的合金化的效应相似， 可相互替代。 可相互替代。 ⅥB族 提高钢的切削加工性，同族的硒、 硫（ⅥB族）提高钢的切削加工性，同族的硒、碲可用于同一 目的的不锈钢和非铁合金； 目的的不锈钢和非铁合金； ⅥA族 提高钢的高温抗软化性，同族的钼及铬（ 钨（ⅥA族）提高钢的高温抗软化性，同族的钼及铬（效果稍 可替代之。 差）可替代之。 ☆ 由于周期表与电子结构的关联和其科学性，常用于材料发展、 由于周期表与电子结构的关联和其科学性，常用于材料发展、 研究中。 研究中。
材料的结构
• 物质由原子组成。原子 物质由原子组成。 的结合方式和排列方式 决定了物质的性能。 决定了物质的性能。 • 原子、离子、分子之间 原子、离子、 的结合力称为结合键。 的结合力称为结合键。 结合键 它们的具体组合状态称 为结构。 结构。
C60
元素及其性质
元素
单质 材料 化合物
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一、晶体结构的基本概念