2材料科学基础课件-第一章-原子结构与排列.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,返回,第一章 原子结构与排列,内部结构 材料的性能,结构篇,2026/10/23,章 目 录,1.1,原子结构及其周期性,1.2,原子的结合键,1.3,晶体学基础,1.4,典型金属的晶体结构,1.5,陶瓷的晶体结构,2026/10/23,结 构 的 四 个 层 次,成分、加工工艺共同决定着材料的结构，材料的内部结构决定了材料的性能。,材料结构分为,四个层次:,原子,结构,原子结合键,成分,原子排列,相结构,加工工艺,2026/10/23,1.1,原子结构及其周期性,一、,核外电子分布,核外电子的运动状态，由四个,量子,数决定。,主量子数,n=1、2、3,距核远近、能量高低。,角量子数,l=0、1、2,电子云形状、能量高低。,磁量子数,m=0、,电子轨道空间取向,自旋量子数,m,s,=,电子自旋方向,原子核+电子,2026/10/23,电子轨道,将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解，,得到四种电子分布的波函数,电子轨道,s,一种组态（球对称）2,p,三种组态（轴对称）6,d,五种组态 10,f,七种组态 14,2026/10/23,d,-,轨道空间分布示意图,p-,轨道空间分布示意图,2026/10/23,电子分布须遵循的两个原则：,泡利不相容原则,一个原子中，不可能存在有四个量子数完全,相同的两个电子。,能量最低原则,电子总是优先占据能量较低的轨道，使系统,的能量处于稳定的状态。,2026/10/23,二、原子结构的周期规律,周期表中，,周期数,代表了电子主层数,n。,1、元素的周期性,1、2、3为短周期，外层电子只有,s、p,次层。,4、5、6、7为长周期，除,s、p,次层外，还有,d,层电子。,6、7,周期中，除,s、p、d,外，还填入了,f,层电子。,s,p,d,f,2026/10/23,3、副族元素 ,B,B,分别,填入,d,内层电子（共10个）。,由于外层,s,电子为1、2个，几乎相同，化学性质变化不大，统称,“过渡族元素”,。,因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大，稳定性上升。,材料元素的重点选择区域。,2026/10/23,4、镧系、锕系,分别,填入,f,内层电子（共14个）。,因外层,s,电子都是,2，,化学性质非常接近，统称,“稀土元素”,。,由于,f,层内有许多空轨道，相互间能级差很小，易于激发，因而具有重要的功能效应。,例如：长余辉稀土铝酸盐材料。,2026/10/23,5、电负性,周期表中由左至右、由下到上，,电负性。,同族、同周期元素有相似的性质特点。,例如：,Nb,具有低温超导性，在它周围的,Zr、Mo、V、Ta,也有这一特性。,S,化物、,Se,化物、,Te,化物同族，都有光电特性,。,s,p,d,f,2026/10/23,1.2,原子的结合键,一、,典型结合键,化学键：,离子键、,共价键、,金属键,物理键：范德华力、,氢键,电负性相差大的元素之间形成,特点：无方向性、无饱和性,键能最高,1000KJ/mol,离子键：,2026/10/23,共价键：,电负性相近，有方向性和饱和性，,几百几千,KJ/mol,金属键：,无方向性,无饱和性，,400,800KJ/mol,2026/10/23,范德华力,次价键，偶极作用，没有方向性和饱和性。键能弱（几,数,十,KJ/mol,）。,2026/10/23,氢键：,次价键。,H,与,电负性很大、原子半径较小的,O,、,F,、,N,等结合而产生的较强的键力，,几十,KJ/mol,，,有方向性和饱和性。,2026/10/23,二、材料的键合,1、无机非金属：,离子键共价键,离子键比例计算：,其中：,x,A,、,x,B,分别为结合对,A、B,的电负性。,性能：强大的键合力，具有高强、高硬、耐高温、耐,腐蚀，但塑性韧性差。,功能：极性强，使其具有宽广的导电、导热、透光,性；良好的铁电、铁磁和压电性。,2026/10/23,2、高分子：,共价键范德华力,/,氢键,分子链内强大的共价键，赋予材料一定的强度、硬度，极好的柔韧性，高弹性、耐化学药品性。,3、金属,：,金属键,具有良好的综合性能、导电、导热。,分子链之间结合力弱，熔点低。,聚氯乙烯范德华力,2026/10/23,1.3,晶体学基础,一、晶体和非晶体,晶体 雪花、食盐、水晶 简单分子,固体 非晶体 橡胶、玻璃、松香 复杂分子,液晶,(,介晶态,),既有流动性，又有各向异性。,2026/10/23,区别：,原子规则排列 紊乱分布,熔点固定 逐渐软化,各向异性 同性,晶体有天然晶型,低能量、稳定 能量较高、亚稳,2026/10/23,二、晶体结构的归类,操作：,将实际存在的原子、分子、离子或原子集团,等物质质点，抽象为纯粹的几何点，而完全忽略,它们的物质性，余下的空间格架称为空间点阵。,空间点阵中的最小单位单元称为晶胞。,空间点阵中的几何点称为阵点。,2026/10/23,例：,Cu,晶体的抽象操作,晶体结构 结构单元 空间点阵,Cu,Cu,原子,f.c.c,晶胞,阵点,2026/10/23,例：,NaCl,晶体的抽象操作,f.c.c,NaCl,晶体,NaCl,分子,Na,Cl,-,2026/10/23,重 要 概 念,晶体结构：,实际晶体,结构单元：,组成物质的基本物质实体,原子、分子,或原子集团。反映物质的物化性质。,空间点阵：,规则排列于空间的几何格架。,反映晶体中物质排列的规律性和对称性。,阵点：,代表原子、分子或原子集团的中心。,每个阵点（,结构单元）,在实际晶体中的,周围环境必须相同，这是,空间点阵的主要特征。,2026/10/23,三、晶胞、晶系与布拉菲点阵,1,、晶胞,从空间点阵中取出的具有代表性的基本单元（平行六面体）。,晶胞选取的不唯一性。,体心正方,2026/10/23,选取晶胞的原则,充分反映空间点阵的点群对称性。,平行六面体内，相等的棱和角的数目应最多。,当平行六面体的棱间呈直角时，直角数目应最多。,在满足以上的条件下，晶胞应具有最小的体积。,2026/10/23,2,、晶胞参数,任一晶胞可由,a、b、c、,六个点阵参数唯一确定。,空间点阵中，任一阵点的位置：,其中，,uvw,表示该阵点的坐标。,晶胞体积：,a,b,c,x,z,y,晶胞参数,2026/10/23,3,、布拉菲点阵和晶系,布拉菲将花样繁多的晶体结构，归纳成14种空间点阵。,按晶格参数是否相等，可归纳成七大晶系。,点阵,晶系,点阵,晶系,简单三斜,三斜,简单六方,六方,简单单斜,底心单斜,单斜,简单菱方,菱方,简单正交,底心正交,体心正交,面心正交,正交,简单正方,体心正方,正方,简单立方,体心立方,面心立方,立方,2026/10/23,正,(,四,),方,a=b,c,=,=,=90,立方,a=b,=,c,=,=,=90,2026/10/23,六角,a=b,c,=,=90,=120,正交,a,b,c,=,=,=90,2026/10/23,菱方,a=b=c,=,=,120,90,60,单斜,a,b,c,=,=90,三斜,a,b,c,90,2026/10/23,作业一,:,P51:1,、,2,、,3,、,4,、,5,题,6.,下述电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属,?,ls2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2,ls2 2s2 2p6 3s2 3p6,1s2 2s2 2p5,ls2 2s2 2p6 3s2,ls2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2,ls2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1,7,为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价,键固体为高,?,2026/10/23,四、晶向与晶面指数,(,Miller,指数,),1,、晶向指数,空间点阵中任意两阵点的连接矢量称为晶向。,确定步骤：,取坐标，平移矢量至,O,点,；,向坐标轴投影，得三个分量；,最小整数化，用,uvw,表示。,注：,uvw,代表晶体空间某种,方位的,一组平行,晶向。,o,z,y,x,100,111,110,001,010,112,2026/10/23,代表具有相同原子排列，但位向不同的所有晶向。,如：立方晶系中,：、,、,相反方向的晶向相差一个符号。,晶向族,2026/10/23,2,、晶面指数,标定步骤：,取坐标，所定晶面不应,通过原点；,取截距；,取倒数；,整数化后用（,hkl,）,表示。,2026/10/23,例：,（,hkl）,代表晶体空间中相互平行的一组晶面。,相差一个符号的指数代表同一晶面。,（100）,（110）,（111）,（112）,),0,1,1,(,2026/10/23,hkl,表示具有相同原子排列方式，只是空间位向不同的各组晶面，称为,晶面,族。,111,110,100,晶面族,),001,(,),010,(,),100,(,),1,00,(,),0,1,0,(,),00,1,(,),1,1,0,(,),01,1,(,),10,1,(,),011,(,),101,(,),110,(,),1,01,(,),1,10,(,),0,1,1,(,),1,1,0,(,),1,0,1,(,),0,1,1,(,),1,11,(,),1,1,1,(,),11,1,(,),111,(,),1,1,1,(,),1,1,1,(,),1,1,1,(,),1,1,1,(,2026/10/23,在立方晶系中，,具有相同指数的,晶面和晶向必定相互垂直。,如：,即：晶向 为晶面 的法向量。,因此，晶面,指数可作为,向量进行运算。,2026/10/23,（100）,（110）,（111）,（112）,100,111,110,112,2026/10/23,例：,计算（100）与（010）和（111）之间的交角。,解：夹角为,注：,立方晶系中，向量运算封闭，但其它晶系不适用。,2026/10/23,3、晶带与晶带定理,与某晶向平行的所有晶面集合称为,晶带。此,晶向称为,晶带轴，这些,晶面是属于该,晶带轴的晶带。,晶带中任一,晶面的法向量，与,晶带轴垂直。,uvw,uvw,h,1,k,1,l,1,h,2,k,2,l,2,2026/10/23,晶带定理,以立方晶系为例，推导,晶带定理,晶面的法向量与,晶带轴垂直,uvw,(hkl)=,uh+vk+wl=0,晶带条件,例：已知两晶面,（,h,1,k,1,l,1,),和（,h,2,k,2,l,2,)，,求它们的,晶带轴。,2026/10/23,4、六方晶系指数,可采用三指数法,（,hkl)、uvw,表示，,但不能反映相同晶面（晶向）的类同关系。,如:六柱面,（100）（1 0）（010）,（00）（10）（0 0）,100和110原子排列等同,z,y,x,（1 0）,（100）,（010）,100,110,2026/10/23,四指数法,坐标轴：,X,1,、X,2,、X,3,和,Z,基矢：,满足：,uvtw、(hkil),表示晶向和晶面,(1)晶面,指数的标定,取截距之倒数，其中需,满足：,h+k+i=0,指数换算：从,(hkil),去掉,i,得,(hkl)。,z,x,1,x,3,x,2,（1 00）,（10 0）,（01 0,）,（100）,（1 0）,（010）,2026/10/23,(2)晶向指数的标定,方法：走步法、垂足法和指数转化法,垂足法：向坐标轴作垂线，,将原点到垂足的距离化整。,注意：,第四指数的正确性？,x,1,x,2,x,3,o,0,1,1,2,0,2,11,2026/10/23,z,x,1,x,3,x,2,指数转化法,例：,uvw,101,0,1,1,2,?,1,1,2,2026/10/23,五、晶面间距,d,简单立方,晶面间距,简单立方：,100,b.c.c:110,f.c.c:111,h.c.p:0001,低指数晶面间距较大。,低指数晶面原子排列面,密度较大。,2026/10/23,h.c.p,c,a,b.c.c,a,f.c.c,a,2026/10/23,计算公式,:,立方系,:,六方系,:,立方系,:,六方系,:,面夹角,面间距,2026/10/23,(010),简单立方,面心立方,d,=,a,注,:,不同点阵,d,计算有差异,d,=,a/,2,2026/10/23,1.4,典型金属的晶体结构,金属键无方向性和饱和性，能量最低的结构是每个原子的周围有尽可能多的相邻原子。,倾向于组成密堆结构。,b.c.c,f.c.c,h.c.p,2026/10/23,110,111,h.c.p,c,a,b.c.c,a,f.c.c,a,),0001,(,0,1,1,2,25种）,随温度、压力的改变，晶体结构发生的转变，,称为多晶型,转变或,同素异构,转变。,872,720,1100,1137,910,1400,-Mn -Mn -Mn -Mn,复杂立方 复杂结构,f.c.c b.c.c,2026/10/23,多数金属元素在高温下的同素异构是,b.c.c。,因为,b.c.c,较,f.c.c、h.c.p,排列松散，振动熵较大。,由,G=H TS,可知：,b.c.c,的,G T,曲线,斜率（-,S）,较大。,-Fe,在低温下存在，,是因为磁性转变的结果。,同素异构,转变，伴随着,性能的突变，为材料热,处理带来了机遇。,b.c.c,f.c.c,T,0,T,G,2026/10/23,1.5,陶瓷的晶体结构,一、离子晶体结构,由电负性相差较大的阴、阳离子，通过离子键结合而成的晶体。,几乎所有的晶体，或多或少包含离子晶体的特征。,半金属、碳化物、氮化物和硼化物共价成分较高。,1,、典型离子晶体的构成规则,在满足电中性及离子球密堆积的条件下，尽可能,降低能量。,离子晶体形成的大原则。,2026/10/23,(1)电中性原则,化学成分满足定比规律，以保持电中性：,离子配位数之比与化合价之比相等,式中：,n,-,，,n,+,阴、阳离子配位数,Z,-,，,Z,+,阴、阳离子价。,例：,NaCl,n,-,=n,+,=6,Z,-,=Z,+,=1,满足以上规律,2026/10/23,(2)密堆积,阴阳离子周围有尽可能多的异类原子。,(3)异类原子相切,离子晶体中，异类原子必须相切，核间距等于异类原子半径之和。,注：,同类离子不相切。（斥力所致）,-,+,r,0,2026/10/23,结论：,（配位多面体形成规律）,在离子晶体中，以阳离子为中心构成阴离子多面体时，阳离子半径必须大于阴离子多面体间隙。,若阳离子半径,r,+,太小，为保证阴、阳离子相切，配位数只能降低。,若阳离子半径,r,+,较大，为保持密堆积，配位数上升。,-,-,-,+,-,-,+,-,-,-,-,2026/10/23,阳离子配位体规律,半径比,r,+,/r,-,0,0.155,0.155,0.225,0.225,0.414,0.414,0.732,0.732,1,配位数,n,+,2,3,4,6,8,间隙位置,线性,三角形,四面体,八面体,立方体,示意图,-,-,-,-,-,r,+,/r,-,是决定离子晶体配位多面体形态的关键因素。,2026/10/23,例：解释,Ca,+2,F,2,-1,结构的合理性,查上表,，n,8,，立方体间隙；,F,-1,配位数为：,CaF,2,结构,Ca,2+,F,-1,0.752,/r,r,1.33,r,1.00,r,-,-,F,Ca,=,=,=,+,+,4,2,1,8,=,=,=,+,-,+,-,z,z,n,n,2026/10/23,（,4,）配位多面体接触规则,配位多面体以共点、线、面连接，能量升高，稳定性下降。这是因为配位多面体中心离子间斥力所致。,离子晶体以共点连接为主，以共线或共面连接为辅，构成稳定的晶体结构。,2026/10/23,2,、离子晶体结构举例,MgO,（,NaCl,）,重叠,f.c.c,的,Mg,+2,和,O,-2,；,沿 方向平移,Mg,+2,晶格得,MgO,。,空间点阵,:,f.c.c,结构单元：,MgO,晶胞中含：,4Mg,4O,Mg,+2,O,-2,100,2,a,2026/10/23,(2)ZrO,2,（,CaF,2,）,将一个,Zr,4+,与两个,O,2-,晶格重叠成,f.c.c,；,Zr,4+,不动；,一个,O,2-,晶格沿 平移,一个,O,2-,晶格沿 平移,空间点阵：,f.c.c,结构单元：,ZrO,2,晶胞中含：,4Zr,8O,Zr,+4,O,-2,2026/10/23,(3)Al,2,O,3,P64,图2-7,3,个,h.c.p,的,O,-2,构成骨架；,AB,层之间插入,C,层,Al,+3,；,在,Al,+3,的密排面上按规则,抽去1/3的,Al,+3,。,空间点阵：,简单六方,结构单元：,2,（,Al,2,O,3,）,晶胞中含：,12Al,+3,18O,-2,A,A,A,A,B,B,B,O,-2,h.c.p,C,C,C,C,C,C,Al,+3,2026/10/23,2026/10/23,二、共价晶体结构,由,A,、,A、A,族，电负性相近的原子，通过共价键结合的晶体。,最大配位数应遵循,8,N,规则，,N,族数。,如：,B,，,A,配位数,5,C,、,Si,、,Ge,、,Sn,，,A,配位数,4,N,、,P,、,As,，,A,配位数,3,2026/10/23,a,）金刚石结构,两个,f.c.c,的,C,重叠,沿,a/4,11,平移,空间点阵：,f.c.c,结构单元：,2C,晶胞中含：,8C,配 位 数：,4,满足,8,N,规律，为典型共价晶体,2026/10/23,2026/10/23,（,b,）,SiC,(,金刚石型）,f.c.c,的,C,和,Si,重叠，,Si,沿,a/4,11,方向平移,空间点阵：,f.c.c,结构单元：,SiC,晶胞中含：,4Si,4,C,配 位 数：,4(8,N,规律),C,Si,2026/10/23,（,c,）方石英,SiO,2,(,金刚石型）,2,个,f.c.c,的,Si,4,重叠；,沿,a/4,11,方向平移,（得到金刚石骨架结构）,以,Si,为中心，按（,8,N,）,规律，形成,SiO,4,4-,。,空间点阵：,f.c.c,结构单元：,2,（,SiO,2,）,晶胞中含：,8Si,16O,配 位 数：,Si,4；O 2,SiO,4,4-,Si,O,2026/10/23,2026/10/23,回顾：,已讨论了5种典型晶体结构：,金刚石,NaCl,CaF,2,-Al,2,O,3,石墨,2026/10/23,作业,2,：,1,、计算离子晶体中配位数为,3,和,4,的最小离子半径比,r,+,r,-,。,2,、已知,NaF,核间距为,0.231nm,，,F,-,半径为,0.133nm,，求正负离子的配位数，说明晶体结构特征（空间点阵、结构单元、晶胞中原子数）。,3,、示意画出金刚石型结构的晶胞，说明其中包含有几个原子，并写出各个原子的坐标。,2026/10/23,87,SEM,TEM,Optical,5 nm,2026/10/23,