第4章：材料的原子结构和原子间结合键
《材料科学基础》复习大纲(08级)
《材料科学基础》总结及重点第一章 材料的结构与键合1、金属键、离子键、共价键、分子键（范德华力）、氢键的特点，并解释材料的一些性能特点。
2、原子间的结合键对材料性能的影响。
用金属键的特征解释金属材料的性能—①良好的延展性；②良好的导电、导热性；③具有金属光泽。
3、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
本章重要知识点： 1. 金属键、离子键、共价键、分子键、氢键的特点。
第二章 固体结构1、晶体与非晶体（在原子排列上的区别）2、空间点阵、晶格、晶胞及选取晶胞的的原则、七大晶系及各自的特点，布拉菲点阵（14种） 、晶格常数、晶胞原子数。
3、晶面指数、晶面族、晶向指数、晶向族、晶带和晶带定理、晶面间距、配位数、致密度、八面体间隙、四面体间隙。
各向同性与各向异性、实际晶体的伪各向异性、同素异构转变（重结晶、多晶型性转变） 。
（1）指数相同的晶向.和晶面必然垂直。
如[111]⊥（111）（2）当一晶向[uvw]位于或平行某一晶面（hkl ）时，则必然满足晶带定理：h ·w+k ·v+l ·w =04、能绘出三维的体心、面心立方和密排六方晶胞，根据原子半径计算出金属的体心和面心立方晶胞的晶胞常数。
三种典型晶体结构的特征（包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排面（滑移面）和最密排方向的指数与个数，滑移系数目等）；即：bcc 、fcc 、hcp 的晶格特征及变形能力（结合塑性变形一章的内容你必须知道常用金属材料的滑移面与滑移系的指数）。
给画出晶胞指出滑移面和滑移方向。
能标注和会求上述三种晶胞的晶向和晶面指数。
晶向和晶面指数的一些规律。
求晶面间距d （hkl ）、晶面夹角。
5、晶面间距：d （hkl ） 的求法：（1）立方晶系：222)(l k h ad hkl ++= （2）正交晶系：222)(1⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=c l b k a h d hkl （3）六方晶系：2222)()(341⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=c l a k hk h d hkl （4）四方晶系：2222)()/(/)(1c l a k h d hkl ++=以上公式仅适用于简单晶胞，复杂晶胞要考虑其晶面层数的增加。
材料的原子结构和原子间的结合键
第二节 原子间作用力和结合能
学习目标：
1.掌握原子的聚集态分类； 2.了解原子间作用力和结合能。
原子的聚集态
一、原子的聚集态：
除了在某些特殊条件下之外，元素难得以原子态 存在，基本上均以分子或液态及固态存在，后二者统 称为凝聚态。 根据结合键的不同状态，可把凝聚态分成五大类： 液体、液晶、橡胶态、玻璃态和晶态。
金属键
三、金属键
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。由金属键 结合起来的晶体为金属晶体。 由于存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性， 自由电子能吸收光波能量，产生跃迁，从而表现出有 金属光泽、不透明。 另外，金属键无所谓的饱和性和方向性。
分子健（范德瓦尔斯力）
材料科学与工程导论
2019/2/5
第三章
材料的原子结构和原子间 的结合键
2019/2/5
材料的原子结构和原子间的结合键
内容简介：
本章主要讲述了各种材料的原子结构 和原子特性，并介绍了原子间结合键 种类及材料的分类。Fra bibliotek本章重点：
3.1 材料结构和原子特性； 3.3 原子间的结合键；
2019/2/5
概述
原子特性——量子力学基本概念 (二)量子力学几个基本概念 1．微观粒子的波粒两象性 2．海森堡测不准原理
原子特征—核外电子
（三）核外电子
电子在原子中的运动状态是由主量子数、 角量子数、磁量子数和自旋量子数，对应着一 个特定的波函数ψ。在多电子的原子中，电子 的分布必须遵守泡利不相容原理、能量最低原 理和最多轨道原理（洪特规则）。
第四节 原子间结合键与材料类型及性质 学习目标：
1.了解原子间结合键与材料类型的关系； 2.了解原子间结合键与材料性质的关系。
机械工程材料第1-6章习题及参考答案
第 1 章 材料的结构和金属的结晶1. 材料的结构层次包括： （）。
（a ） 原子结构和原子结合键、原子的空间排列、相和组织 （b ） 原子结构和电子结构、原子的空间排列、相和组织 （c ） 原子结构、电子结构、相和组织 （d ） 原子、电子、质子2. 金属中正离子与电子气之间强烈的库仑力使金属原子结合在一起，这种结合力叫做（）。
（a ）离子键 （b ）共价键 （c ）金属键 （d ）氢键3. 两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键叫做（ ）。
（a ）离子键 （b ）氢键 （c ）共价键 （d ）金属键4. 金属具有良好的导电性和导热性与（ ）有密切关系。
（a ）金属有光泽 （b ）金属不透明（c ）金属塑性好（d ）金属中自由电子数量多5. 金属键没有方向性，对原子没有选择性，所以在外力作用下发生原子相对移动时，金属键不会被破坏，因 而金属表现出良好的（ ）。
（a ）脆性（b ）塑性 （c ）绝缘性 （d ）刚性6. 金属加热时，正离子的振动增强，原子排列的规则性受到干扰，电子运动受阻，电阻增大，因而金属具有（ ）。
（a ）正的电阻温度系数 （b ）高强度 （c ）高塑性 （d ）绝缘性7. 固态物质按原子（离子或分子）的聚集状态分为两大类，即（ ）。
（a ）晶体和非晶体（b ）固体和液体8. 原子（离子或分子）在空间规则排列的固体称为（（a ）气体 （b ）液体 （c ）晶体 9. 原子（离子或分子）在空间不规则排列的固体称为（ （a ）气体 （b ）液体 （c ）晶体 10. 晶体具有（ ）的熔点。
（a ）不定确定 （b ）固定 （c ）可变 11. 非晶体（ ）固定的熔点。
（a ）没有 （b ）有12. 在晶体中，通常以通过原子中心的假想直线把它们在空间的几何排列形式描绘出来，这样形成的三维空 间格架叫做（ ）。
（a ）晶胞 （b ）晶格 （c ）晶体（d ）晶核13. 从晶格中取出一个能完全代表晶格特征的最基本的几何单元叫做（）。
6材料内部结构的四个层次以及原子间结合键类型
运动方式
显微组织
金属材料工程基础知识
金属材料内部结构的四个层次
从宏观到微观 ， 其内部结构按研
究尺寸
1、宏观组织结构 （尺度：mm到m量级）
用肉眼和放大镜所能观察到的粗大晶体或相的集合状态
2、显微组织结构 （尺度：10-7-10-4m，µm量级）
借助光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒或相的集合
3、原子（或分子）排列结构 （尺度：10-10m，0.1nm量级）
的来源：偶极间的静电力 诱导力 色散力
氢键
定义：氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子
金属材料工程基础知识 四、常见材料结合键
1、金属键合
金属和合金的基本键合方式
高导热，高导电
2、陶瓷键合
陶瓷包含金属和非金属元素的化合 物主要以离子键合，电子不能移动，
故不导电，不导热
3、高分子键合
主要以共价键构成
不耐热、导热导电有限
小资料：一种材料一般主要由一种类型的主要价键，但也有其他类型键，所以
混合间很普遍，如锡，有金属性，也有共价性，故较脆；硅，主要是共价键，但也 ……
有金属键，故能激发电子，因此用作半导体。
金属材料工程基础知识 一、材料的内部结构的四个层次 二、材料的常见结合键：
（根据结合力强弱）
原子外层电子重新排布，不再属于原来的原子
一次键
金属材料工程基础知识
离子键与离子晶体
离子键：正、负离子经库仑静电引力相互结合起来的结合键 离子晶体：由离子键结合而成的固体，如NaCl(无色透明)
共价键和共价晶体
共价键：相邻原子共同占有部分价电子，使最外层电子处于满壳状态 特点：饱和性方向性
晶体的原子排列结构，也称为晶体结构
材料基础
第１章原子结构与结合健前言材料是国民经济的物质基础。
通过实践和研究表明：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。
为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。
金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。
因此。
其熔点和硬度均较高。
另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是copyright(c) 2004 材料工程学院v1.0 版权所有1.2 原子间的键合1.2.1 金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。
金属键的基本特点是电子的共有化。
金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。
当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。
1.2.2 离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。
离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。
一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。
因此。
其熔点和硬度均较高。
另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。
但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。
1.2.3 共价键两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。
共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
中硅和氧原子间的共价键示意图图1.6 sio2共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。
共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。
材料科学基础名词解释
原子结构与结合键 + 材料的结构1、第一电离能气态原子失去一个电子成为气态一价正离子所需要的最低能量称为第一电离能。
2、第二电离能气态A+再失去一个电子成为气态二价正离子所需要的最低能量称为第二电离能。
3、结合键原子间的结合力，主要表现为原子间的吸引力和排斥力的合力结果。
4、离子键通过两个或多个原子失去或获得电子而成为离子后形成，本质上可以归结为静电吸引作用，主要存在于晶体化合物中。
5、共价键由两个或多个电负性相差不大的原子共用电子对所形成的化学键，有方向性、饱和性。
6、金属键金属正离子和自由电子之间的相互作用所构成的结合力，无方向性、饱和性7、范德华键由瞬间偶极矩和诱导偶极矩产生的分子间引力所构成的物理键，属于分子间作用力，无方向性和饱和性。
8、氢键已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另一分子中电负性很强的原子之间的作用力，具有方向性和饱和性。
9、晶体指内部质点(原子、分子或离子)在三维空间按周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。
10、晶胞能充分反映晶体的晶体结构特征的最小体积单位（平行六面体）。
11、阵胞在三维方向上两两平行且相等的六面体，是空间点阵中的体积单元。
12、晶格原子在晶体中排列规律的空间格架。
13、空间点阵由一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间点阵。
空间点阵四要素：阵点、阵列、阵面、阵胞)14、晶族依据晶体中高次轴（n>2）的数目，将晶体分为低级（无高次轴），中级（一个高次轴）和高级（多于一个高次轴）晶族。
15、空间群晶体结构中所有对称要素的组合所构成的对称群，晶体微观结构中共存在230种空间群。
16、晶面/晶向在晶体内部构造中，由物质质点所组成的平面/穿过物质质点所组成的直线方向。
17、晶带所有相交于某一直线或平行于此直线的所有晶面的组合(此直线称为晶带轴)。
18、晶面间距一组平行晶面中，最近邻的两个晶面间距称为晶面间距。
晶面间距越大，晶面上原子排列的密度越大，反之越小。
材料科学基础知识点
材料科学基础第零章材料概论该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。
核心是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系。
主要内容包括：材料的原子排列、晶体结构与缺陷、相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面，并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新成果。
材料是指：能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定形态和物理化学性状的物质。
按基本组成分为：金属、陶瓷、高分子、复合材料金属材料是由金属元素或以金属元素为主，通过冶炼方法制成的一类晶体材料，如Fe、Cu、Ni等。
原子之间的键合方式是金属键。
陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。
它可以是晶体、非晶体或混合晶体。
原子之间的键合方式是离子键，共价键。
聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长分子链组成的髙分子材料。
它主要是非晶体或晶体与非晶体的混合物。
原子的键合方式通常是共价键。
复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。
其原子间的键合方式是混合键。
密度弹性模量:材料抵抗变形的能力强度:是指零件承受载荷后抵抗发生破坏的能力。
韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力功能成本结构(Structure)性质(Properties)加工(Processing)使用性能(Performance)在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。
宏观结构←显微镜下的结构←晶体结构←原子、电子结构重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结构（显微组织）的关系。
以及有哪些主要因素能够影响和改变结构，实现控制结构和性能的目的。
第四章 材料科学基础3
刚球模型
质点模型
晶胞原子数
a.晶胞中的原子数
b.晶胞常数与原子半径的关系
c.配位数与致密度
3) 密排六方结构 (hexagonal closed-packed, “hcp”) α-Ti、Be、Zn、Cd、Mg等金属是密排六方结 构。
刚球模型
质点模型
晶胞原子数
a.晶胞中的原子数
b.晶胞常数与原子半径的关系
1，3，5 位。 ( 或对准 2，4，6 位，其情形是一样的 )
1
3 6 5
2
3 4
6 5 4
A
，
1
2
B
关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧 密的堆积方式。
第一种是将球对准第一层的球。
下图是此种六方紧密堆积 的前视图
1 6 5
2
3 4
A
B
HCP
于是每两层形成一个周期， 即 AB AB 堆积方式，形成六 方紧密堆积。 配位数 12 。 ( 同层 6，上下层各 3 )
(2)fcc和hcp金属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些 金属中的间隙原子往往位于八面体间隙中。 (3)fcc和hcp中的八面体间隙远大于bcc中的八面体或四面 体间隙，因而间隙原子在fcc和hcp中的固溶度往往比在 bcc中大得多。
3)金属晶体的密度计算
若已知某种金属晶体的晶体结构，则可根据下 式算出晶体的理论密度
7c/8
合计：3×2+2+6×2/3=12个
间隙半径r 四面体间隙
rR R c 2 3a 2 ( )2 [ ( )] , 8 3 2 8 r 6 , 1 0.225 3 R 2
1 c a, 2 a
材料结构
核外电子的排布（ n )规律
能量最低原理（ principle)电子总是占据能量最低的壳层 能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s- 4d-5p Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n2 不相容原理（ principle): Pauli不相容原理 全充满 Hund原则（Hund' Rule)半充满 原则（ Hund原则 Hund' Rule) 自旋方向相同 全空
特点
1：在形成共价键时，为使电子云达到最大限度 在形成共价键时， 的重叠，共价键就有方向性， 的重叠，共价键就有方向性，键的分布严格服从 键的方向性 方向性； 键的方向性； 2：当一个电子和另一个电子配对以后就不再 和第三个电子配对了， 和第三个电子配对了，成键的公用电子对数 目是一定的，这就是共价键的饱和性 饱和性。 目是一定的，这就是共价键的饱和性。 由于共价键具有方向性，配位数比较小， 由于共价键具有方向性，配位数比较小，同时 共价键的结合比较牢固，因此其结构较稳定， 共价键的结合比较牢固，因此其结构较稳定， 熔点较高，硬度较大。 熔点较高，硬度较大。
原子序数＝ 原子序数＝核电荷数 周期序数＝ 周期序数＝电子壳层数 主族序数＝最 外 层 电 子数 主族序数＝ 零族元素最外层电子数为8（氦为2） 零族元素最外层电子数为 （氦为 ）
核电荷 ，原子半径 ↑ ↓ 同周期元素： 右， → 同周期元素：左 右，金属性 ，非金属性 ↓ ↑ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↑ ↓ ↑ 最外层电子数相同， 最外层电子数相同，电子层数 ，原子半径 ↑ ↑ 同主族元素：上 下，金属性 ，非金属性 同主族元素： →下， ↑ ↓ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↓ ↑ ↓
材料科学基础---简答题【可编辑全文】
可编辑修改精选全文完整版材料科学基础---简答题(总14页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第二部分简答题第一章原子结构1、原子间的结合键共有几种各自的特点如何【11年真题】答：（1）金属键：基本特点是电子的共有化，无饱和性、无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构。
当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使得金属具有良好的延展性，又由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电性和导热性能。
（2）离子键：正负离子相互吸引，结合牢固，无方向性、无饱和性。
因此，七熔点和硬度均较高。
离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此他们都是良好的电绝缘体。
（3）共价键：有方向性和饱和性。
共价键的结合极为牢固，故共价键晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。
共价结合的材料一般是绝缘体，其导电能力较差。
（4）范德瓦尔斯力：范德瓦尔斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
它没有方向性和饱和性，其结合不如化学键牢固。
（5）氢键：氢键是一种极性分子键，氢键具有方向性和饱和性，其键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。
2、陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。
【模拟题一】答：陶瓷材料中主要的结合键是离子键和共价键。
由于离子键和共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高、硬度很高。
因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好、耐高温、化学稳定性高。
第二章固体结构1、为什么密排六方结构不能称为一种空间点阵【11年真题】答：空间点阵中每个阵点应该具有完全相同的周围环境。
密排六方晶体结构位于晶胞内的原子具有不同的周围环境。
如将晶胞角上的一个原子与相应的晶胞之内的一个原子共同组成一个阵点，这样得出的密排六方结构应属于简单六方点阵。
材料科学基础--材料结构的基本知识
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。
原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
二、元素周期表及性能的周期性变化
原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，相邻原子间可以共同组成一个 新的电子轨道，由两个原子中各有一个 电子共用，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间
原子结构与键合
束缚）,并在整个晶体内运动，形成电子云。这种由
金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属
键。
特点：既无饱和性又无方向性。 性质：良好导电、导热性能，延展性好
6
二、离子键
多数盐类、碱类和金属氧化物
实质: 金属原子 非金属原子 带正电的正离子（Cation） 带负电的负离子（Anion） 静电引力离 子键
第一章
原子结构与键合
四大量子数
主量子数n
-----决定电子能量，与核平均距离。 轨道角动量量子数li -----给出电子在同一壳层内所处的能级。 磁量子数mi -----给出每个轨道角动量子数的能级数或轨道数。 自旋角动量量子数si -----给出电子不同的自旋方向。
2
电子排布规则
不溶于任何溶剂，也不 能熔融,一旦受热固化便不 能改变形状—热固性 （Thermosetting）
21
四、高分子链的构型
链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之
须通过化学键断裂才行
22
旋光异构体（Optical
isomerism） CH2 ─ CHR 由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种 旋光异构单元 ，有三种排列方式:
17
3.元素有机高分子
主链中不含C原子，而由Si、
B 、P 、Al、 Ti 、As等元 素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有 机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高 弹性和可塑性，如硅橡胶等。
4.无机高分子
主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元 素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量 不高，并易水解。
材料的结合键
材料的结合键材料的结合键是指原子或分子之间的相互作用力，它决定了材料的性质和结构。
在材料科学中，结合键的类型和性质对材料的性能起着至关重要的作用。
常见的结合键包括离子键、共价键、金属键和范德华力等。
不同类型的结合键在材料的性质和用途上有着不同的影响。
离子键是由正负电荷吸引而形成的结合。
它通常存在于金属与非金属元素之间，如氯化钠（NaCl）中的钠离子和氯离子。
离子键的特点是具有高熔点和硬度，同时易溶于水和具有良好的导电性。
这种结合方式常见于盐类和陶瓷材料中，对于制备高熔点材料和电解质材料具有重要意义。
共价键是由原子间共享电子而形成的结合。
它通常存在于非金属元素之间，如氧气（O2）中的氧气分子。
共价键的特点是具有较高的熔点和硬度，同时不导电，且化学稳定性好。
这种结合方式常见于有机物和大多数无机物中，对于制备高强度、高硬度和化学稳定性好的材料具有重要意义。
金属键是由金属原子间的电子云形成的结合。
它通常存在于金属元素之间，如铜（Cu）中的金属结构。
金属键的特点是具有良好的导电性和导热性，同时具有良好的塑性和延展性。
这种结合方式常见于金属材料中，对于制备导电性好、塑性好的材料具有重要意义。
范德华力是由分子间的瞬时偶极子引起的弱相互作用力。
它通常存在于分子间，如氢气（H2）中的氢气分子。
范德华力的特点是弱相互作用力，同时易受温度和压力的影响。
这种结合方式常见于分子间的相互作用中，对于制备柔软材料和液态材料具有重要意义。
总的来说，材料的结合键类型和性质决定了材料的性能和用途。
在材料设计和制备过程中，合理选择和控制结合键类型和性质，可以有效地改善材料的性能，满足不同领域的需求。
因此，对于材料科学研究和材料工程应用而言，深入理解和掌握材料的结合键是非常重要的。
通过不断深入研究和探索，将有助于发现新型的结合键类型和性质，推动材料科学和材料工程领域的发展。
材料科学基础-名词解释
材料科学基础名词解释（上海交大第二版）第一章原子结构结合键结合键分为化学键和物理键两大类，化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。
化学键是指晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用。
金属键金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。
离子键阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键共价键由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。
范德华力是借助临近原子的相互作用而形成的稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
氢键氢与电负性大的原子（氟、氧、氮等）共价结合形成的键叫氢键。
近程结构高分子重复单元的化学结构和立体结构合称为高分子的近程结构。
它是构成高分子聚合物最底层、最基本的结构。
又称为高分子的一级结构远程结构由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状称为高分子的远程结构第二章固体结构1、晶体：原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质。
晶体熔化时具固定的熔点，具有各向异性。
2、非晶体：原子是无规则排列的固体物质。
熔化时没有固定熔点，存在一个软化温度范围，为各向同性。
3、晶体结构：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。
4、空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。
5、阵点：把实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体，并将其中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。
6、晶胞：为了说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具有代表性的单基本元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
7、晶系：根据六个点阵参数间的相互关系，将全部空间点阵归属于7中类型，即7个晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。
13、晶带轴：所有平行或相交于某一晶向直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。
属于此晶带的晶面称为共带面。
14、晶面间距：晶面间的距离。
《材料科学基础》作业-答案全
绪论一、填空题1、材料科学主要研究的核心问题是结构和性能的关系。
材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是原子结构，第二个水平是原子排列方式，第三个水平是显微组织。
2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为结构材料和功能材料两大类。
根据原子之间的键合特点，材料分为金属、陶瓷、高分子和复合材料四大类。
第一章材料的原子结构一、填空题1. 金属材料中原子结合以金属键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以共价键和离子键结合键为主，聚合物材料以共价键和氢键以及范德华键为主。
第二章材料的结构一、填空题1、晶体是基元（原子团）以周期性重复方式在三维空间作有规则的排列的固体。
2、晶体与非晶体的最根本区别是晶体原子排布长程有序，而非晶体是长程无序短程有序。
3、晶胞是晶体结构中的最小单位。
4、根据晶体的对称性，晶系有三大晶族，七大晶系，十四种布拉菲Bravais点阵，三十二种点群，230种空间群。
5、金属常见的晶格类型有体心立方、面心立方、密排六方。
6、fcc晶体的最密排方向为<110>，最密排面为{111}，最密排面的堆垛顺序为ABCABCABCABC……。
7、fcc晶体的致密度为0.74，配位数为12，原子在（111）面上的原子配位数为6。
8、bcc晶体的最密排方向为<111>，最密排面为{110}，致密度为0.68，配位数为8。
9、晶体的宏观对称要素有对称点、对称轴、对称面。
10、CsCl型结构属于简单立方格子，NaCl型结构属于面心立方格子，CaF2型结构属于面心立方格子。
11、MgO晶体具有NaCl型结构，其对称型是3 L44L36L29PC，晶族是高级晶族，晶系是立方晶系，晶体的键型是离子键。
12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是硅氧四面体[SiO4]。
？13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si2O7]6-、[Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-，它们的晶体结构类型分别为组群状，链状，层状，和架状。
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材料的原子结构和 原子间结合键
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第4章 材料的原子结构和原子间结合键
4.1 材料的结构与结构层次 4.2 孤立原子的特性 4.3 原子间结合力和结合能 4.4 原子间的结合键—一次键 4.5 原子间的结合键—二次键 4.6 原子间结合键与材料性质 (一) 4.7 原子间结合键与材料性质（二）
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高弹态（如橡
4.3.2 聚集态原子间相互作用的一般规律
凝聚→ 说明原子间存在吸引的长程作用； 材料不可压缩 → 说明原子间存在排斥的短程作用；
r0处达到平衡, 具有一定的体积：
FN=FA+FR=0
因此—— 1.周期表上元素的周期性规律是反映了元素（孤立原子）核外电 子排布（运动状态，即按量子数排布）周期性规律的直接结果。
2.周期表与材料性质的关连：同一族元素性质相似； 同一周期 元素性质的渐变。
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多电子原子中，电子分 布的原则
❖ 泡利不相容原理： 原子中每个电子必须有独自一组四个量
子数，一个原子中不可能有运动状态完全相同的 两个电子； ❖ 能量最低原则：
高碳钢（0.6% ～1.2%），强度高、硬度高、 塑性低 →汽车板簧，加工工具等。 原因：Wc不同，内部组织结构的构成可以很不相同，导致 其性能的明显不同。 例2：0.77%C 共析碳钢，退火态15HRC,软; 淬火态62HRC，很硬。 原因：不同工艺过程，材料内部结构类型变化了， 导致其性能的巨大差异。
a
10 20 30 40 50 60 70 80
2θ(degree)
(a)ZnS粉体； (b)ZnS/导电聚合物纤维复合材料 2θ为26.4°的衍射峰与对应着石墨 (002)晶面
2θ为28.47°、47.58°、56.22° 的衍射峰，分别对应着ZnS的(111), (220), (311)晶面
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4.3.1 原子聚集态特点Fra bibliotek表4-2
孤立原子 → 相互作用 →各种凝聚态（较低温时） 特征：
① 凝聚态难以改变体积（不可压缩）， ∴体积模量 K 大
② 不同状态拉伸模量 E 、剪切模量G很不一 样，晶态和玻璃态
可以承受很大应力，E、G 均大；液态、液晶和高温下非晶态原子
结合弱，G 、 E → 0；
③ 高分子材料，随T ，从玻璃态（如塑料） 胶） 粘流态（利于注塑成型）。
图4-1
2.显微层次：显微组织结构 光镜（80～800×，μm），电镜（数千～数万倍），
尺度10-7～10-4 m。 例：铸锭经压力加工的组织，钢材热处理组织（变细）。
5
图4-2
图4-3
光学显微镜
6
电子显微镜
7
3.原子、分子层次： 晶体结构与缺陷（原子或分子排列）， X线衍射等。尺度10-10m（10-1nm）。 例：钢材室温下原子排列为体心立方，高温为面心立方；
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4.2.2 量子力学的几个基本概念 ①波粒二象性：
如光（光子），实物粒子（电子等），有
E = hυ； P = h /λ
左边体现粒子性，右边波动性（几率波）。
②测不准原理：
p（或v）与x不能同时确定，宏观物体可用经典力学中牛顿第二 定律描述。但对于微观粒子——
①②
ψ
微观粒子
用波函数 （x，t）描述
由小布拉格测得的绿宝石晶体结构— 由此而制作的绣花蕾丝
布拉格太太参加1951年国际结晶学联 合会年会所着的绿宝石晶体结构裙子
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水合硅酸钙是一种自然结晶矿物， 也可由人工制成。图为水合硅酸钙 晶体结构图和由之而制作的花布裙 子和羊毛挂毯的图案 。
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4.2 孤立原子的特性
4.2.1 原子结构
自由原子由电子及其所围绕的原 子核组成。 电子、质子和中子都是基本粒子。
③高分子材料：周期表右上方的非金属元素之间形成 大分子（C基，Si基）。
或性
4.周期表与材料设计及其发展新材料
例1.同类元素可在合金中适当取代，如硫、 硒、碲提高切削加 工性。
例2. W、Mo及Cr（较差）提高钢的高温性能 和刀具的红硬性。
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4.3 原子间结合力和结合能 (Binding force and energy)
遵循薛定谔
方程
求解可得E 、ψ 、n、m、l。
n、l、m即量子数，微观粒子出现的几率∝ |ψ|2 。
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4.2.3 核外电子 ●核外电子的运动状态由n，l，ml，ms四个量子数确定。 主量子数：1，2，3….. 角量子数：0，1，2……(n-l)
磁量子数：0，±1，±2…… ±(n-l) 自旋量子数：1/2 ，-1/2
电子总是按能量最低的状态分布。 ❖ 洪特规则(最多轨道原理)：
简并轨道(相同能量的轨道)，分占轨道最 多，自旋方向相同。
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3. 周期表与材料类型
①金属（元素）：周期表左、中侧（80多种）， 非金属（元素）：位于周期表右侧（少数）， 过渡处：为半（类）金属（元素）。
②陶瓷：为金属/非金属化合物（如Al2O3、CaO等）， 质相差不大的非金属/类金属元素构成（SiC、 硅酸盐）以及周期表中间位置的单质（C、Si等）。
例3：外界（使用）环境影响。钢材高温下强度明显下降而低温 下会变脆、韧性下降。
原因：高温下原子活性↑↑,且发生蠕变等现象→材料软化；
低温下原子活动性会大大削弱，对材料塑性变形负责的 4结构即位错变得难以运动的缘故。
材料的4个结构层次（可类比建筑物等）
材料结构的内涵丰富，是分层次的。 1.宏观层次：宏观组织结构 肉眼或低倍（1～20倍），尺度10-3 m。 例：冰（窗）花，铸锭（粗大）
铜、铝为面心立方。 4.电子层次： 主要为外层电子结构(电子的运动状态与分布规律)，
尺度 10-13m(10-4nm) 。 要考虑电子能量，电子间互作用及运动状态的改变，从而形成
各种结合键，使得孤立原子（结合成）→ 聚集态材料。
8
9
X射线衍射仪
Intensity
(111) (002)
(220)
(311) b
2
第4章 材料的原子结构和原子间结合键
已知：材料的结构决定着材料的性能 → →
为此：必须研究了解———— 材料的结构、成分、制备 与加工工艺、外界条件等→
这些因素：会改变材料的结构→ 最终： 改变材料的性能。
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4.1 材料的结构与结构层次
（1） 材料的结构与性能
例1：低碳钢板（≤0.2%C），良好塑、韧性且强度低。 可冲压成型，焊接成型等。