第4章：材料的原子结构和原子间结合键.ppt

材料的原子结构和材料的原子结构和原子间结合键原子间结合键第第 4 章章1第第4 4章章 材料的原子材料的原子结构和原子构和原子间结合合键4.1 4.1 材料的材料的结构与构与结构构层次次4.2 4.2 孤立原子的特性孤立原子的特性4.3 4.3 原子原子间结合力和合力和结合能合能4.4 4.4 原子原子间的的结合合键一次一次键4.5 4.5 原子原子间的的结合合键二次二次键4.6 4.6 原子原子间结合合键与材料性与材料性质 (一一)4.7 4.7 原子原子间结合合键与材料性与材料性质（二）（二）2 第第4章章 材料的原子结构和原子间结合键材料的原子结构和原子间结合键已知已知：材料的结构决定着材料的性能材料的结构决定着材料的性能 为此为此：必须研究了解：必须研究了解 材料的结构、成分、制备材料的结构、成分、制备 与加工工艺、外界条件等与加工工艺、外界条件等这些因素这些因素：会改变：会改变材料的结构材料的结构最终最终：改变改变材料的性能。材料的性能。34.1 材料的材料的结构与构与结构构层次次 低碳低碳钢板板（0.2%C），良好塑、），良好塑、韧性且性且强度低。度低。可冲可冲压成型，成型，焊接成型等。接成型等。高碳高碳高碳高碳钢钢（0.6%0.6%1.2%1.2%），），），），强强度高、硬度高、度高、硬度高、度高、硬度高、度高、硬度高、塑性低塑性低塑性低塑性低汽汽汽汽车车板簧，加工工具等。板簧，加工工具等。板簧，加工工具等。板簧，加工工具等。原因原因原因原因：WcWc不同，内部不同，内部不同，内部不同，内部组织结组织结构的构成可以很不相同，构的构成可以很不相同，构的构成可以很不相同，构的构成可以很不相同，导导致致致致其性能的明其性能的明其性能的明其性能的明显显不同。不同。不同。不同。例例1 1：0.77%C 0.77%C 0.77%C 0.77%C 共析碳钢，共析碳钢，共析碳钢，共析碳钢，退火态退火态退火态退火态15HRC,15HRC,15HRC,15HRC,软软软软;淬火态淬火态淬火态淬火态62HRC62HRC62HRC62HRC，很硬。，很硬。，很硬。，很硬。原因原因原因原因：不同工艺过程，材料内部结构类型变化了，：不同工艺过程，材料内部结构类型变化了，：不同工艺过程，材料内部结构类型变化了，：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导致其性能的巨大差异导致其性能的巨大差异导致其性能的巨大差异。例例例例2 2 2 2：外界（使用）环境影响外界（使用）环境影响外界（使用）环境影响外界（使用）环境影响。钢材高温下强度明显下降而低温。钢材高温下强度明显下降而低温。钢材高温下强度明显下降而低温。钢材高温下强度明显下降而低温 下会变脆、韧性下降。下会变脆、韧性下降。下会变脆、韧性下降。下会变脆、韧性下降。原因原因原因原因：高温下原子活性高温下原子活性,且发生蠕变等现象且发生蠕变等现象材料软化；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低温下原子活动性会大大削弱，对材料塑性变形负责的结构即位错变得难以运动的缘故。结构即位错变得难以运动的缘故。（1）材料的结构与性能材料的结构与性能 例例例例3 3：4材料的材料的4 4个结构层次（可类比建筑物等）个结构层次（可类比建筑物等）1.1.宏观层次宏观层次宏观层次宏观层次：宏观组织结构：宏观组织结构：宏观组织结构：宏观组织结构 肉眼或低倍（肉眼或低倍（肉眼或低倍（肉眼或低倍（1 1 1 120202020倍），尺度倍），尺度倍），尺度倍），尺度10101010-3-3-3-3 m m m m。例例例例：冰（窗）：冰（窗）：冰（窗）：冰（窗）花花花花，铸锭（粗大），铸锭（粗大），铸锭（粗大），铸锭（粗大）2.2.2.2.显微层次显微层次显微层次显微层次：显微组织结构：显微组织结构：显微组织结构：显微组织结构 光镜（光镜（光镜（光镜（80808080800800800800，mmmm），电镜（数千数万倍），），电镜（数千数万倍），），电镜（数千数万倍），），电镜（数千数万倍），尺度尺度尺度尺度10101010-7-7-7-710101010-4-4-4-4 m m m m。例例例例：铸锭经压力加工的组织，钢材热处理组织（变细）。：铸锭经压力加工的组织，钢材热处理组织（变细）。：铸锭经压力加工的组织，钢材热处理组织（变细）。：铸锭经压力加工的组织，钢材热处理组织（变细）。图图4-1图图4-2图图4-3材料结构的内涵丰富，是分层次的。材料结构的内涵丰富，是分层次的。材料结构的内涵丰富，是分层次的。材料结构的内涵丰富，是分层次的。5光学显微镜光学显微镜6电子显微镜电子显微镜7 3.3.原子、分子原子、分子原子、分子原子、分子层层次次次次：晶体晶体晶体晶体结结构与缺陷（原子或分子排列），构与缺陷（原子或分子排列），构与缺陷（原子或分子排列），构与缺陷（原子或分子排列），XX线线衍射等。尺度衍射等。尺度衍射等。尺度衍射等。尺度1010-10-10mm（1010-1-1nmnm）。）。）。）。例：例：例：例：钢钢材室温下原子排列材室温下原子排列材室温下原子排列材室温下原子排列为为体心立方，高温体心立方，高温体心立方，高温体心立方，高温为为面心立方；面心立方；面心立方；面心立方；铜铜、铝为铝为面心立方。面心立方。面心立方。面心立方。4.4.电电子子子子层层次次次次：主要主要主要主要为为外外外外层电层电子子子子结结构构构构(电电子的运子的运子的运子的运动动状状状状态态与分布与分布与分布与分布规规律律律律)，尺度尺度尺度尺度 1010-13-13m(10m(10-4-4nm)nm)。要考要考要考要考虑电虑电子能量，子能量，子能量，子能量，电电子子子子间间互作用及运互作用及运互作用及运互作用及运动动状状状状态态的改的改的改的改变变，从而形成，从而形成，从而形成，从而形成 各种各种各种各种结结合合合合键键，使得孤立原子（，使得孤立原子（，使得孤立原子（，使得孤立原子（结结合成）合成）合成）合成）聚集聚集聚集聚集态态材料。材料。材料。材料。8 X射线衍射仪射线衍射仪9(a)ZnS粉体；(b)ZnS/导电聚合物纤维复合材料 2为26.4的衍射峰与对应着石墨(002)晶面 2为28.47、47.58、56.22 的衍射峰，分别对应着ZnS的(111),(220),(311)晶面 10由小布拉格测得的绿宝石晶体结构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由此而制作的绣花蕾丝 布拉格太太参加布拉格太太参加1951年国际结晶学联年国际结晶学联合会年会所着的绿宝石晶体结构裙子合会年会所着的绿宝石晶体结构裙子 11水合硅酸钙是一种自然结晶矿物，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晶体结构图和由之而制作的花布裙子和羊毛挂毯的图案子和羊毛挂毯的图案。12 4.2 孤立原子的特性孤立原子的特性自由原子由电子及其所围绕的原自由原子由电子及其所围绕的原子核组成。子核组成。电子、质子和中子都是电子、质子和中子都是基本粒子基本粒子。4.2.1 原子结构原子结构13 4.2.24.2.2 量子力学的几个基本概念量子力学的几个基本概念 波粒二象性：波粒二象性：如光（光子），实物粒子（电子等），有如光（光子），实物粒子（电子等），有 E E=h=h；P P=h/=h/左边体现粒子性，右边波动性（几率波）。左边体现粒子性，右边波动性（几率波）。测不准原理：测不准原理：p p（或（或v v）与）与x x不能同时确定，宏观物体可用经典力学中牛顿第二不能同时确定，宏观物体可用经典力学中牛顿第二 定律描述。定律描述。但对于但对于微观粒子微观粒子 微观粒子微观粒子 用波函数用波函数 （x x，t t）描述）描述 遵循薛定谔遵循薛定谔方程方程 求解可得求解可得E E 、n n、mm、l l。n n、l l、mm即即量子数量子数量子数量子数，微观粒子出现的，微观粒子出现的几率几率几率几率|2 2 。141 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。子排布（运动状态，即按量子数排布）周期性规律的直接结果。子排布（运动状态，即按量子数排布）周期性规律的直接结果。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 2.周期表与材料性质的关连：同一族元素性质相似；周期表与材料性质的关连：同一族元素性质相似；周期表与材料性质的关连：同一族元素性质相似；周期表与材料性质的关连：同一族元素性质相似；同一周期同一周期同一周期同一周期元素性质的渐变。元素性质的渐变。元素性质的渐变。元素性质的渐变。4.2.34.2.3 核外电子核外电子核外电子核外电子核外电子的运动状态由核外电子的运动状态由n，l，ml，ms四个量子数确定四个量子数确定。主量子数主量子数：1，2，3.角量子数角量子数：0，1，2(n-l)磁量子数磁量子数：0，1，2(n-l)自旋量子数自旋量子数：1/2，-1/2因此因此15 v泡利不相容原理：泡利不相容原理：原子中每个原子中每个电子必子必须有独自一有独自一组四个量四个量子数，一个原子中不可能有运子数，一个原子中不可能有运动状状态完全相同的完全相同的两个两个电子；子；v能量最低原能量最低原则：电子子总是按能量最低的状是按能量最低的状态分布。分布。v洪特洪特规则(最多最多轨道原理道原理)：简并并轨道道(相同能量的相同能量的轨道道)，分占，分占轨道最道最多，自旋方向相同。多，自旋方向相同。多多电子原子中，子原子中，电子分子分布的原布的原则1617 3.周期表与材料周期表与材料类型型 金属金属（元素）：周期表左、中（元素）：周期表左、中侧（80多种），多种），非金属非金属（元素）：位于周期表右（元素）：位于周期表右侧（少数），（少数），过渡渡处：为半（半（类）金属（）金属（元素）。元素）。陶瓷：陶瓷：为金属金属/非金属化合物（如非金属化合物（如Al2O3、CaO等），等），或性或性质相差不大的非金属相差不大的非金属/类金属元素构成（金属元素构成（SiC、硅酸硅酸盐）以及周期表中）以及周期表中间位置的位置的单质（C、Si等）。等）。高分子材料高分子材料：周期表右上方的非金属元素之：周期表右上方的非金属元素之间形成形成 大分子（大分子（C基，基，Si基）。基）。4.周期表与材料设计及其发展新材料周期表与材料设计及其发展新材料例例1.1.同类元素可在合金中适当取代，如硫、同类元素可在合金中适当取代，如硫、硒、碲提高切削加硒、碲提高切削加 工性。工性。例例2.W、Mo及及Cr（较差）提高钢的高温性能（较差）提高钢的高温性能 和刀具的红硬性。和刀具的红硬性。18 4.3 原子间结合力和结合能原子间结合力和结合能 (Binding force and energy)4.3.1 原子聚集态特点 孤立原子孤立原子孤立原子孤立原子 相互作用相互作用相互作用相互作用 各种凝聚态（较低温时）各种凝聚态（较低温时）各种凝聚态（较低温时）各种凝聚态（较低温时）特征特征特征特征：凝聚态难以改变体积（不可压缩），凝聚态难以改变体积（不可压缩），体积模量体积模量 K K 大大 不同状态拉伸模量不同状态拉伸模量 E E、剪切模量、剪切模量G G很不一很不一 样，晶态和玻璃态样，晶态和玻璃态可以承受很大应力，可以承受很大应力，E E、G G 均大；液态、液晶和高温下非晶态原子均大；液态、液晶和高温下非晶态原子结合弱，结合弱，G G、E E 0 0；高分子材料，随高分子材料，随T T ，从玻璃态（，从玻璃态（如塑料如塑料）高弹态（高弹态（如橡如橡胶胶）粘流态（利于粘流态（利于注塑成型注塑成型）。）。表表4-219材料不可压缩材料不可压缩 说明原子间存在排斥的短程作用；说明原子间存在排斥的短程作用；r r0 0处达到平衡处达到平衡,具有一定的体积：具有一定的体积：F FN N=F=FA A+F+FR R=0=0 r r0 0 0.3nm 0.3nm 对于双原子模型对于双原子模型 数学上，数学上，EFEF关系：关系：E=FdrE=Fdr；F F（r r）=E E（r r）r r 图图4-4总能总能总能总能N=N=r r FNdr=FNdr=FA Adr+r r FR Rdr=r r VA A+VR Rr0处，F（r0）=V（r）rr=rr=r0 0=04.3.24.3.2 聚集态原子间相互作用的一般规律聚集态原子间相互作用的一般规律聚集态原子间相互作用的一般规律聚集态原子间相互作用的一般规律凝聚凝聚 说明原子间存在吸引的长程作用；说明原子间存在吸引的长程作用；20 V VN N 为势能曲线；为势能曲线；D D为势阱深，即二原子体系的结合能。为势阱深，即二原子体系的结合能。推广到多原子体系及固体材料推广到多原子体系及固体材料 固体（晶体）的结合能：固体（晶体）的结合能：Ub=UUb=UN N（N N个原子的能量）个原子的能量）U U0 0（晶体总能）（晶体总能）0 01 1.只有只有mmn n，才能形成聚集态，才能形成聚集态2 2.不同类型材料，不同类型材料，mm、n n值不同值不同一般表达式一般表达式一般表达式一般表达式：=U（r r）+A Ar rmmB Br rn n214.4 原子间的结合键 一次键 离子键与离子晶体离子键与离子晶体特点：电子的完全得失，无方向性。电子的完全得失，无方向性。22共价键与共价晶体特点：特点：电子局部共有，具有饱和性和方向性。电子局部共有，具有饱和性和方向性。23金属金属键与金属晶体与金属晶体特点：特点：电子的全部共有，无饱和性和明显的方向性。电子的全部共有，无饱和性和明显的方向性。24范德瓦范德瓦尔斯斯键（分子（分子键）4.5 原子间的结合键二次二次键特点：特点：电子分布的瞬时偏移，很弱，如高聚物的大分子链之间。电子分布的瞬时偏移，很弱，如高聚物的大分子链之间。电子分布的瞬时偏移，很弱，如高聚物的大分子链之间。电子分布的瞬时偏移，很弱，如高聚物的大分子链之间。25 氢键氢原子同时与两个负电性很大氢原子同时与两个负电性很大而原子半径较小的原子（而原子半径较小的原子（O、F、N等）相结合等）相结合。26 4.6 结合键与材料性质结合键与材料性质（Bond and material propertiesBond and material properties）原子间的结合类型、结合方式、强烈程度等必然反映原子间的结合类型、结合方式、强烈程度等必然反映原子间的结合类型、结合方式、强烈程度等必然反映原子间的结合类型、结合方式、强烈程度等必然反映到材料中来。到材料中来。到材料中来。到材料中来。材料类型及一些原子参量材料类型及一些原子参量4.6.1 原子结合键与材料类型（Materials type)27金属材料金属材料金属材料金属材料：主要为金属键（主要为金属键（主要为金属键（主要为金属键（NaNa、KK及及及及Cu Cu、AgAg等），也有共价键（如灰锡）等），也有共价键（如灰锡）等），也有共价键（如灰锡）等），也有共价键（如灰锡）和离子键（如金属间化合物和离子键（如金属间化合物和离子键（如金属间化合物和离子键（如金属间化合物Mg2SiMg2Si）；非典型金属可以认为是）；非典型金属可以认为是）；非典型金属可以认为是）；非典型金属可以认为是不饱和的共价键。不饱和的共价键。不饱和的共价键。不饱和的共价键。陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料：离子键离子键离子键离子键+共价键，多以离子键为主（如共价键，多以离子键为主（如共价键，多以离子键为主（如共价键，多以离子键为主（如Al2O3Al2O3）,部分以共价键部分以共价键部分以共价键部分以共价键为主（如金刚石、为主（如金刚石、为主（如金刚石、为主（如金刚石、SiCSiC等）等）等）等）高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料：共价键（链内）共价键（链内）共价键（链内）共价键（链内）+分子键分子键分子键分子键(链间链间链间链间)，如聚乙烯。，如聚乙烯。，如聚乙烯。，如聚乙烯。键合四面体：图图图图2-32-3工程材料的键性：28 4.6.2 4.6.2 材料中原子参量及原子空间配位（置）材料中原子参量及原子空间配位（置）材料中原子参量及原子空间配位（置）材料中原子参量及原子空间配位（置）原子尺寸参量原子尺寸参量（Atom size parameter)Atom size parameter)：最近邻原子间距最近邻原子间距最近邻原子间距最近邻原子间距 ro=2Rro=2R（原子半径），由晶体结构可（原子半径），由晶体结构可（原子半径），由晶体结构可（原子半径），由晶体结构可算出算出算出算出 R R（例（例（例（例 fcc:R=fcc:R=?）影响因素影响因素影响因素影响因素 ：1 1.T.T，RR。2 2.离子半径离子半径离子半径离子半径 原子半径，原子半径，原子半径，原子半径，R RMeMe R RMe+Me+R RMe+Me+；负离子相反。；负离子相反。；负离子相反。；负离子相反。3 3.共价结合用半键距，如共价结合用半键距，如共价结合用半键距，如共价结合用半键距，如C-CC-C，C-HC-H；R R单键单键单键单键 R R双键双键双键双键 R R叁键叁键叁键叁键。(Coordination)29原子配位原子配位：即材料内原子间的空间几何：即材料内原子间的空间几何配置关系配置关系 延伸延伸 具体晶体结构具体晶体结构。配位数配位数Z Z（CN,CN,Coordination)控制因素控制因素:两方面两方面1.共价配位情况共价配位情况（化学键因素化学键因素）Covalent coordination 配位数配位数 围绕此原子的共价键数围绕此原子的共价键数 价电子数价电子数如如金刚石 C（1s22s22p2)sp3杂化 与4个碳原子共价 z=4；相应地相应地，zN=3，zs=z0=2，zC1=zF=zH=1 （形成双原子气体双原子气体）.某中心原子的第一近邻数某中心原子的第一近邻数.302.正负离子配位情况正负离子配位情况（几何因素与吸、几何因素与吸、斥力平衡因素斥力平衡因素）：原子的有效堆积原子的有效堆积原子的有效堆积原子的有效堆积:正、负离子球体接触正、负离子球体接触,而同号离子球体不接触而同号离子球体不接触或刚接触或刚接触 稳定情况稳定情况;正、负离子球不接触正、负离子球不接触,而同号离子球相接触而同号离子球相接触 不稳定情况不稳定情况.由正、负离子均相切的情况可算出：由正、负离子均相切的情况可算出：（r/R)min 或或 (R+/R-)min 31特例特例：金属键（纯金属或合金）均是金属键（纯金属或合金）均是金属键（纯金属或合金）均是金属键（纯金属或合金）均是正离子正离子正离子正离子+自由电子自由电子自由电子自由电子 ,所以一不挑剔对象，所以一不挑剔对象，所以一不挑剔对象，所以一不挑剔对象，二是尽量紧密堆积，可达二是尽量紧密堆积，可达二是尽量紧密堆积，可达二是尽量紧密堆积，可达 z=12z=12。结论结论1 1.每个原子均可作为中心原子，各自配位，空间漫延每个原子均可作为中心原子，各自配位，空间漫延每个原子均可作为中心原子，各自配位，空间漫延每个原子均可作为中心原子，各自配位，空间漫延 构成三维材料结构。构成三维材料结构。构成三维材料结构。构成三维材料结构。2 2.键的方向性（如共价键）与配位情况决定了材料形态键的方向性（如共价键）与配位情况决定了材料形态键的方向性（如共价键）与配位情况决定了材料形态键的方向性（如共价键）与配位情况决定了材料形态及原子排列特征。及原子排列特征。及原子排列特征。及原子排列特征。例例例例1 1 1 1：单质单质单质单质 卤素卤素卤素卤素，z z（CNCN）=1=1，两两成对、单键结合成气态的，两两成对、单键结合成气态的，两两成对、单键结合成气态的，两两成对、单键结合成气态的 分子，分子，分子，分子，F F2 2、ClCl2 2，极低温可固化。，极低温可固化。，极低温可固化。，极低温可固化。AA族族族族，z=2z=2，如硫、硒，如硫、硒，如硫、硒，如硫、硒，-s-s-s-，链状固态。，链状固态。，链状固态。，链状固态。32A族族，z=3，石墨等，平面层状结构，石墨等，平面层状结构，层层/层间范氏力结合。层间范氏力结合。A族族，z=4，金刚石、，金刚石、Si等，立体结构，强大共价键。等，立体结构，强大共价键。例例例例2 2 2 2：化合物化合物化合物化合物NaCl RCl-=0.181nm,RNa+=0.097nm,R+/R-=0.536,CsCl R+CS(0.169)R-Cl（0.181），），z=8，立方体配位，立方体配位，z=6，离子键结合，正、负离子相间排列，离子键结合，正、负离子相间排列，八面体配位，形成面心立方。八面体配位，形成面心立方。简立方结构。简立方结构。例例3:纯金属纯金属 r/R 1，z=8（体心立方）（体心立方）12 （面心立方，密排六方），如（面心立方，密排六方），如Cu、Ni、Fe 思考题思考题思考题思考题：材料中能否：材料中能否：材料中能否：材料中能否 z z12 12?!?!334.7 原子间结合键与材料性质：原子间结合键与材料性质：弹性模量及其他相关性质弹性模量及其他相关性质4.7.1 金属、陶瓷和聚合物的弹性模量金属、陶瓷和聚合物的弹性模量实验事实实验事实实验事实实验事实：1 1.弹性模量与材料原子间结合键密切相关；弹性模量与材料原子间结合键密切相关；弹性模量与材料原子间结合键密切相关；弹性模量与材料原子间结合键密切相关；2 2.不同材料的不同材料的不同材料的不同材料的E E值相差很大：值相差很大：值相差很大：值相差很大：晶体材料（金属、晶体材料（金属、晶体材料（金属、晶体材料（金属、陶瓷）陶瓷）陶瓷）陶瓷）高聚物（多为非晶）。高聚物（多为非晶）。高聚物（多为非晶）。高聚物（多为非晶）。34本质本质：模型，比拟弹簧模型，比拟弹簧由由f=-，弹性变形难易程度（相应于，弹性变形难易程度（相应于）取）取 决于决于F F（r r）-r-r曲线斜率曲线斜率s s0 0 ，小变形小变形(弹变弹变 0.1)时，时，=（r-r0 0）很小，）很小，将将s0视为常数视为常数dFs s0 0=drd2v dr2 235 F=s s0 0（r-r0 0）,为为HookHook定律的基本形式，定律的基本形式，s s0 0表示结合键的刚性表示结合键的刚性.再考虑多条键转换成应力，设单位面积键数为再考虑多条键转换成应力，设单位面积键数为N N=Ns0（r-r0），），N1/rN1/r0 02 2 =1/r02s0（r-r0）/r0r0=（s s0 0 r0）E=s0/r0 （与（与=E=E 比较）比较）说明说明：1.s0越大（越大（F(F(r)-r)-r曲线越陡，即互作用越强），曲线越陡，即互作用越强），362.2.理论计算值与实验值符合较好理论计算值与实验值符合较好理论计算值与实验值符合较好理论计算值与实验值符合较好或或或或 r r0 0 0 0 越小（原子排列越紧密，即原子吸引作用大），越小（原子排列越紧密，即原子吸引作用大），越小（原子排列越紧密，即原子吸引作用大），越小（原子排列越紧密，即原子吸引作用大），材料结合强度大，材料结合强度大，材料结合强度大，材料结合强度大，E E E E大。大。大。大。3.3.结合强的陶瓷、金属的结合强的陶瓷、金属的结合强的陶瓷、金属的结合强的陶瓷、金属的 E E 高；而高聚物主要高；而高聚物主要高；而高聚物主要高；而高聚物主要 4.4.E E 还受温度及某些冶金因素（如气孔率等）还受温度及某些冶金因素（如气孔率等）还受温度及某些冶金因素（如气孔率等）还受温度及某些冶金因素（如气孔率等）由于长链之间的二次键的弱结合，易相互滑动变形，由于长链之间的二次键的弱结合，易相互滑动变形，由于长链之间的二次键的弱结合，易相互滑动变形，由于长链之间的二次键的弱结合，易相互滑动变形，E E 低低低低。的影响。的影响。的影响。的影响。思考题思考题思考题思考题 ：对比金刚石与石墨，均为碳，为何性质截然：对比金刚石与石墨，均为碳，为何性质截然：对比金刚石与石墨，均为碳，为何性质截然：对比金刚石与石墨，均为碳，为何性质截然 不同？不同？不同？不同？37本本 章章 小小 结结v材料具有多种材料具有多种层次的次的结构。原子的构。原子的电子子结构可以用构可以用4个量子个量子数描述的每个数描述的每个电子所子所处的能的能级和出和出现的几率来表征。元素周的几率来表征。元素周期表符合元素的核外期表符合元素的核外电子子层结构构规律。律。电子能量子能量对材料的各材料的各种物理性能起着重要影响。材料内部原子之种物理性能起着重要影响。材料内部原子之间存在平衡原子存在平衡原子间距等，都是来自距等，都是来自组分原子之分原子之间吸引与排斥作用的抗衡。正吸引与排斥作用的抗衡。正是是结合合键的方向性和原子配位的方式，决定了材料内部原子的方向性和原子配位的方式，决定了材料内部原子排列的特征，形成了（晶体等）材料的具体排列排列的特征，形成了（晶体等）材料的具体排列结构。构。v典型金属存在三典型金属存在三维方向移方向移动的非局域的非局域电子，它子，它们与离子与离子实之之间形成金属形成金属键，具有，具有较强结合及良好延性和合及良好延性和导电性。陶瓷和性。陶瓷和高聚物的高聚物的电子分布局域化和具有共价子分布局域化和具有共价键和离子和离子键结构，其延构，其延性和性和导电性都不好。陶瓷性都不好。陶瓷结合合强，性，性质硬但很脆；硬但很脆；许多高聚多高聚物具有延性是因物具有延性是因为其大分子其大分子链间的范德瓦的范德瓦尔斯斯键的极弱的极弱结合。合。v这样，材料的，材料的许多性多性质都可以与其都可以与其组成原子之成原子之间的的结合特征、合特征、结合合类型及其型及其电子子结构构联系起来，同系起来，同时也要注意有明也要注意有明显例外，例外，那是因那是因为许多材料中多材料中结合合键具有具有综合性合性质 38 扩展阅读材料（导读）扩展阅读材料（导读）7 高分子材料的结构层次高分子材料的结构层次 8 材料结构层次的耦合和脱耦材料结构层次的耦合和脱耦 作业：作业：1，3，5，6，83940图图4-1 静止锭型浇铸（静止锭型浇铸（a）和某种纯金属铸锭组织（）和某种纯金属铸锭组织（b）(a)(b)41图图4-2 4-2 纯铁的显微组织（纯铁的显微组织（4%4%硝酸酒精溶液浸蚀，硝酸酒精溶液浸蚀，250250)42图图4-3 金属内部晶界示意图金属内部晶界示意图43图图4-4 4-4 势能及作用力与原子间距离的关系势能及作用力与原子间距离的关系 44图图4-5 4-5 配位计算。（配位计算。（a a）3 3重配位（重配位（b b）6 6重配位重配位 45 图图4-5 4-5 体系能量与原子间距的关系体系能量与原子间距的关系(a)(a)原子间作用力和间距的关系原子间作用力和间距的关系(b)(b)46图图4-6 4-6 石石墨墨层层内内的的非非局局域域电电子子。每每一一层层包包含含“复复式式苯苯环环”。平行方向的传导率比垂直方向的传导率大一百倍。平行方向的传导率比垂直方向的传导率大一百倍47图图4-6(2)4-6(2)晶体原子面之间的结合晶体原子面之间的结合48 物质状物质状态态 结合键状态结合键状态 弹性模量弹性模量体积模体积模量量K KG G和和E E1 1、液体、液体2 2、液晶、液晶3 3、橡胶态、橡胶态4 4、玻璃态、玻璃态5 5、晶态、晶态熔化熔化熔化熔化二次键熔化，一次键固化二次键熔化，一次键固化固化固化固化固化大大大大大大大大大大0 0接近于接近于0 0小（小（EKEK）大（大（E EK K）大（大（E EK K）表表4 42 2 物质的凝聚态物质的凝聚态 49表表4-3 4-3 离子半径比离子半径比R R/R/R，配位数与负离子配位多面体的形成，配位数与负离子配位多面体的形成 50 结合键类型结合键类型 计算的计算的E值值/GPa共价键（共价键（CC键）键）纯离子键如：纯离子键如：NaCl键键纯金属（纯金属（CuCu键）键）氢键（氢键（H2OH2O）范得瓦尔斯键（石蜡、多种聚合物）范得瓦尔斯键（石蜡、多种聚合物）1000 3070 30150 8 2表表4 44 4 各类结合键典型的弹性模量数值各类结合键典型的弹性模量数值 51