原子间作用力和结合能.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,化工学院高分子,3.2原子间作用力和结合能,原子的聚集态,聚集态气态、液态、固态,物质最常见的存在方式,液体,液晶,橡胶态,玻璃态,晶态,弹性模量,体积模量,向立方块物体表面施加一均匀压力时，其体积将减小，其单位体积的体积变化作为所需压力大小的度量,切变模量,当物体受到方向相反的切向力时，将受剪切而变形，而没有体积变化，单位剪切应变的切应力的大小,E,/,K,d,p/,d,/,d,/,原子的聚集态,凝聚态物质最常见的存在方式,液体,液晶,橡胶态,玻璃态,晶态,弹性模量 体积模量 切变模量,趋于零,很大,零,很小,很大,趋于零,很小,很大,很小,很大,很大,很大,很大,很大,很大,原子间作用力和结合能,原子间的距离和作用,原子间距离很大时,相互作用很小;,距离减小时，斥力和引力以不同的函数形式增大。,平衡间距,就是斥力和引力相等的距离。,a,：,平衡间距,，合力,F,=0，能量,E,最低，,结合能的负值,；,r,增大，,F,为引力，,E,增大；,r,减小，,F,为斥力，,E,大大增大。,F,R,F,A,总作用势能,吸引能,排斥能,总作用力,吸引力,排斥力,(a)金属半径 (b)离子半径,原子半径和离子半径,结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，,a,不同，半径不同,多原子间的相互作用,材料类型,结合能的大小,势能曲线,晶体的结合能,E,B,E,N,E,0,E,0,晶体总能量，,E,N,组成该晶体的N个原子在自由状态的总能量,晶体结合能,离子晶体,m,1,n,=9金属晶体,m,1，,n,3,3.3原子间结合键,原子结合方式键型,化学键：,(一次键),物理键：,(二次键),离子键,金属键,共价键,分子键(范德华力),氢键,化学键(一次键),离子键,共价键,金属键,这三种物质在固态下都有很高的熔点,化学键的结合中存在,电子的交换,，这些电子称为,价电子,。,NaCl,Si,Cu,801,1683,1356,离子键,正离子负离子,库仑引力,以离子为结合单元,离子键,(Ionic Bonding),离子键,多数,盐类、碱类和金属氧化物,特点：,结合力很大,电子束缚在离子中；,正负离子吸引，达静电平衡,相间排列,电场引力无方向性,无饱和性；,在溶液中离解成离子,性质：,熔点和硬度均较高，热膨胀系数小,良好电绝缘体，,不吸收可见光，无色透明,共价键,(Covalent Bonding),实质：,两个或多个电,负性差不大的原子通过,共用电子对的键合。,类型,极性键：共用电子对偏于某成键原子,非极性键：位于两成键原子中间,共价键,亚金属(C、Si、Sn、Ge)，聚合物和无机非金属材料,特点：,两原子共享最外壳层电子对；,有饱和性；,8N,有方向性；,结合力很大,性质：,熔点高、硬度大、脆性大、,沸点高、不易挥发、导电能力差,金属键,(Metallic Bonding),价电子,极易挣脱原子核,之束缚而成为,自由电子,，,在整个晶体内自由地运,动，形成电子云。,金属键,金属中自由,电子气与金属正离子之,间的,静电吸引力,主要物质：,金属和以金属为主的合金,金属键,特点：,由正离子排列成有序晶格；,各原子最(及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；,原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；,价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变(可塑性)。,性质：,良好导电、导热性能，,延展性好，有不透光性,物理键(二次键),作用力,也,是,库仑引力,与离子键相同,但,弱得多,不存在电子交换，,原子或分子电子分布不均匀,原子或分子的极性结合,种类,分子键(范德华键),氢键,外界条件,分子键,分子键分子（或电中性原子）间的结合力，是以弱静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的力，又称范德华力。,特点：,无方向性和饱和性,键能最小,分类,原子或分子的偶极,静电力,(葛生力),诱导力,(德拜力),色散力,(伦敦力),静电力,实质：,分子永久偶极间相互作用，如,HCl分子,作用能,1.2102.110KJ/mol,影响因素,分子极性,与温度成反比,与分子间距的6次方成反比,诱导力,实质：,被诱导的偶极与永久偶极间作用,作用能：,0.6101.210KJ/mol,产生于：,极性非极性,极性极性,离子分子,离子离子,影响因素：,分子极性,被诱导分子的外层电子壳越大，越易变形,与分子间距的,6,次方成反比,色散力,实质：,非极性分子间瞬时偶极间的作用,作用能：0.88.4KJ/mol,特点：,普遍性,具有加和性,影响因素：,分子的变形性越大，色散力越大,分子的电离势越低，色散力越大,分子间距离的6次方成反比,分子键,分子键与物质的性质,沸点、熔点、汽化热、熔化热、溶解度、和表面张力,存在于,惰性气体,分子性固体聚合物(长链大分子构成),液体,实质：,质子给予体(如H)与强电负性原子X(如O、N、F、Cl)结合，再与另一强电负性原子Y(质子接受体)形成一个键的键合方式。,氢键 (Hydrogen bond),条件：,分子中必须含有氢,另一个元素必要电负性很强的非金属元素；,氢键,特点,：,有方向性，饱和性；,分子间氢键；,键能:一般为几 十几 kJ/mol,主要存在于固体和液体中,水、胺、羧酸、无机酸、水合物、氨合物,蛋白质、脂肪、糖,分子键与物质的性质,沸点、熔点、溶解度、表面吸附,各种键性比较,方向性：,金属键、离子键,无,共价键、分子键、氢键,有,键能：,在101.3,kPa,，298,K,条件下，1,mol,物质结合键分裂放出的能量,表示结合的强弱,化学键 物理键,化学键中:共价键 离子键 金属键,共价键中:叁键双键单键,物理键中:氢键 分子键,不同结合键的键能及熔点,注：1cal4.18J,3.4结合键与材料类型及性质,1.材料类型与结合键,金属,金属键简单金属,金属键共价键过渡金属,高分子材料,分子内部共价键,分子之间分子键或氢键,陶瓷材料,离子键（为主）,共价键,2.材料性质与结合键,弹性模量,E=/=S,0,/r,0,F,R,F,A,金属金属键大,陶瓷材料离子键和共价键大,高分子分子键小 交联增大,2.材料性质与结合键,密度,原子量、原子半径、配位数,熔点,原子结合力,热膨胀系数,电导率,原子键,材料结构,组成材料的原子(或离子、分子)的,构造,原子间的,结合方式,原子间的排列方式,结构中存在的缺陷,结合键,晶体结构,位错、晶格畸变,晶体结构,金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但是它们的性质截然不同。,金刚石是正四面体结构，每个面都是三角形，所以金刚石坚硬无比；,石墨是片层结构，层与层之间很容易滑动，所以石墨较软而且有滑腻感，可以作高温润滑剂。,结晶特性,晶 体,：原子(团)沿,三维空间呈周期性,长程有序,排列的固体物质,金属，大多陶瓷及一些聚合物,非晶体：,原子(团)无周期性长程有序排列的物质,包括气体，液体和部分固体,晶体的性质,熔点确定,有自发形成规则多面体外形的能力,稳定性（晶体能量最低）,各向异性（物理性质不同）,均匀性（周期小，宏观连续）,晶体学基础,基本概念,空间点阵,晶胞,晶系和布拉菲点阵,晶向、晶向指数、晶向族,晶面和晶面指数,晶面族和晶面间距,1点阵：,晶体结构的,微观,特征,某种结构单元（基元）在三维空间作,周期性规则排列,基元：,原子、分子、离子或原子团 (组成、位形、取向均同),抽象为,基元 几何点,抽象为,基元的三维空间周期排列 空间点阵,点阵+基元 =晶体结构,空间点阵的特征：,点阵反映晶体结构的平移对称,点阵是抽象的几何图形,点阵中每个阵点的,周围环境均相同,2晶胞,晶胞,：代表晶体内部结构的,基本,重复,单位（平行六面体）,晶胞的基本要素,：A大小和形状 B各原子坐标位置,晶轴上晶胞三个边的,长度,a，b，c,和 其,夹角,，,称为,晶格常数,简单晶胞（初级晶胞）：,只有在平行六面体每个顶角上有一阵点,复杂晶胞：,除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点,晶胞选取晶胞的原则,)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；,）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；,）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；,）在满足上述条件，晶胞应具有最小的体积。,3.晶系和布拉菲点阵,按,晶格常数,的不同,组合,可将晶胞分为,7,种,类型,，对应,7,个,晶系,7个晶系中，共有,14,种,空间点阵型式,布拉菲点阵,3.晶系与布拉菲点阵,7个晶系，14个布拉菲点阵,晶系,布拉菲点阵,晶系,布拉菲点阵,三斜Triclinic,abc，,单斜 Monoclinic,abc，=90,正交,abc，=90,简单三斜,简单单斜,底心单斜,简单正交,底心正交,体心正交,面心正交,六方 Hexagonal,a,1,=a,2,a,3,c，,=90，=120,菱方 Rhombohedral,a=b=c,=90,四方（正方）Tetragonal,a=bc,=90,立方 Cubic,a=b=c，=90,简单六方,简单菱方,简单四方,体心四方,简单立方,体心立方,面心立方,底心单斜,简单三斜,简单单斜,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,简单立方,体心立方,面心立方,4.晶向、晶向指数、晶向族,晶胞定位,（用分数坐标）,原点（0,0,0）,晶胞内离原点最远的顶角点(1,1,1)，即位置为(1a,1b,1c),定位系数以晶胞的尺度来表示,点的位置用,(x,y,z),表示 (点在晶胞内,无符号,分数,),方向可不同,晶向和晶向指数、晶向族,(1),晶向,是原点出发通过某点的,射线,(或过若干结点的直线方向),(2),晶向指数,用晶胞各轴上投影的最低整数标明,u v w,表示晶向，其中,u v w,即晶向指数,一个晶向代表了一系列相互平行的阵点构成的直线,晶体中同一晶向的阵点直线系列称为,晶列,，,用,u v w,表示,晶向族,，代表原子密度相同(等价)的所有晶向。,定义右图中的晶向指数,晶向指数计算举例,解,x y z,投影,a/2 1b 0c,根据晶格常数投影 1/2 1 0,取整 1 2 0,晶向指数 120,返回,如,立方,晶体中：,111,111,111,111,X,Z,Y,立方晶系常见的晶向为：,晶面,：晶体内的阵点（组成的）平面。,晶面指数：,是晶面在三个晶轴上的,截距倒数,之比，用,(h k l),表示。,截距用晶格常数,a，b，c,的倒数,r，s，t,表示,即：,h:k:l=1/r:1/s:1/t,，,最小整数,5.晶面和晶面指数,解,:,x y z,截距 ,a -b c,/2,根据晶格常数的截距 -1 1/2,取倒数s 0 -1 2,化为整数(必要时),加上括号 (0 1 2),6.晶面族：,晶面,族,用,h k l,表示,代表,原子排列和面间距,相同（,晶面方位不同,）的所有晶面。,对立方晶体：,A100 3组,B111 4组,C110 6组,110,（110）,（110）,（101）,（101）,（011）,（011）,X,Z,Y,立方晶系常见的晶面为：,晶面间距,晶面组,：晶体所有阵点被划成平行等距的一组晶面,晶面间距,晶面组中最近两晶面间的距离叫,晶面间距,晶面指数低，面上具有较高的原子密度，间距大、作用力弱。,立方晶体：,a 为点阵常数,金属的晶体结构,体心立方点阵,面心立方点阵,密排六方点阵,离子晶体,Cs,Cl,共价晶体,分子晶体,高分子结晶结构,(6)原子半径：,晶胞中,原子密度最大方向上,相邻原子间距的一半。,(7)晶胞原子数：,一个晶胞内所包含的原子数目。,(8)配位数：,晶格中与任一原子,距离最近,且,相等,的原子数目。,(9)致密度：,晶胞中原子本身所占的体积百分数。,补充参数,体心立方晶格,体心立方晶格,原子个数：,2,配位数：,8,致密度：,0.68,常见金属：,-Fe、,Cr,、,W、Mo、V、Nb,铌(niobium),等,晶格常数：,a,(,a,=,b,=,c,),原子半径：,面心立方晶格,a,4,2,r,=,：,原子半径,原子个数：,4,配位数：,12,致密度：,0.74,常见金属：,-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au,等,晶格常数,：,a,面心立方晶格,密排六方晶格,原子半径,：,r,a,/2,原子个数,：6,配位数,：12（6+6）,致密度,：0.74,常见金属,：,Mg、Zn、Be、Cd,镉(cadmium),等,晶格常数,：底面边长,a,和高,c，,c/a=1.633,密排六方晶格,结 构 特 征,结 构 类 型,体 心 立 方,（bcc）,面 心 立 方,（fcc）,密 排 六 方,（hcp）,点 阵 类 型,体心立方,面心立方,简单六方,点 阵 常 数,a,a,a，c，c/a=1633,最近的原子间距,（原子直径）,晶胞中原子数,6,配 位 数,8,12,12,致 密 度,0.74,典型金属结构晶体学特点,三种常见晶格的密排面和密排方向,单位面积晶面上的原子数称,晶面原子密度,。,单位长度晶向上的原子数称,晶向原子密度,。,原子密度最大的晶面和晶向称,密排面,和,密排方向,。,密排面,数量,密排方向,数量,体心立方晶格,110,6,4,面心立方晶格,111,4,6,密排六方晶格,六方底面,1,底面对角线,3,间 隙,四面体间隙,八面体间隙,面心立方,(bbc),四面体间隙数,：,每晶胞：8,每原子：8/4=2,间隙大小（半径）,八面体间隙数,：,每晶胞：1(体)+1/4 12(棱)=4,每原子：4/4=1,间隙大小（半径）,=a/2 R=0.414R,体心立方,（,bcc,）,八面体间隙数：四面体间隙数：,每晶胞：每晶胞：,1/2 6(面)+1/4 12(棱)=6 4 1/2 6(面)=12,每原子：6/2=3 每原子：12/2=6,间隙大小（半径）,间隙大小（半径）,=a/2 R=0.633R =5 a/4 R =0.291R,=a/2 R=0.154R ,密排六方,(hcp)(c/a=1.633),八面体间隙数：四面体间隙数：,每晶胞：4 每晶胞：8,每原子：6/2=3 每原子：12/2=6,间隙大小（半径）,间隙大小（半径）,0.414 R 0.225R,晶 胞 类 型,四 面 体 间 隙,八 面 体 间 隙,配位数,数 量,间隙,大小,配位数,数量,大 小,面心,立方,(密排六方),4,8(12),0.225 R,6,4(6),0.414 R,体心,立方,4,12,0.291 R,6,6,001方向0.154 R,110方向0.633 R,面心立方、密排六方与体心立方晶胞中的间隙,材料结构,组成材料的原子(或离子、分子)的,构造,原子间的,结合方式,原子间的排列方式,结构中存在的缺陷,结合键,晶体结构,位错、晶格畸变,金属晶体,晶体缺陷,变形金属晶粒尺寸约,1100,m,，,铸造金属可达,几,mm,。,纯铁组织,晶粒示意图,单晶体与多晶体,单晶体：,其内部晶格方位完全一致的晶体。,多晶体：,晶粒：,实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,沿晶断口,铅锭宏观组织,晶界：,晶粒之间的交界面。存在一定晶界能。,晶粒越细小，晶界面积越大，晶界能越高。,多晶体：,由多晶粒组成的晶体结构。,光学金相显示的纯铁晶界,多晶体示意图,晶体缺陷,晶格的不完整部位称,晶体缺陷,。,实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即,点、线、面缺陷。,点缺陷,空间三维尺寸都很小的缺陷。,空位,间隙原子,置换原子,点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。,a,.,空位：,晶格中某些缺排原子的空结点。,(热平衡缺陷),b,.,间隙原子：,挤进晶格间隙中的原子。,可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,体心立方的四面体和八面体间隙,空位和间隙原子引起的晶格畸变,c,.,置换原子：,取代原来原子位置的外来原子称置换原子。,点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称,晶,空位,间隙原子,小置换原子,大置换原子,格畸变,。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,线缺陷,晶体中的位错,指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，,位错：,晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作,位错,。分为,刃型位错,和,螺型位错,。,线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。,刃型位错和螺型位错,刃型位错,螺型位错,刃型位错：,当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是,刃型位错,。,半原子面在滑移面以上的称,正位错,，用“,”表示。,半原子面在滑移面以下的称,负位错,，用“,”表示。,G,H,E,F,刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图,晶体局部滑移造成的刃型位错,螺型位错,平行的晶面变成,围绕一螺旋轴的,螺旋面，这种晶,格缺陷被称为,螺型位错,螺型位错有,左旋,和,右旋,之分,C,B,A,D,(b),螺型位错示意图:（a）立体模型；（b）平面图,A,B,C,D,(a),螺型位错示意图,位错密度：,单位体积内所包含的位错线总长度。,=S/V,(cm/cm,3,或1/cm,2,),金属的位错密度为10,4,10,12,/cm,2,位错对性能的影响,：,金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。,减少或增加,位错密度都可以提高金属的强度。,金属晶须,退火态,(10,5,-10,8,/cm,2,),加工硬化态,(10,11,-10,12,/cm,2,),电子显微镜下的位错,透射电镜下钛合金中的位错线(黑线),高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）,电子显微镜下的位错观察,面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。,面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。,面缺陷晶界与亚晶界,晶界示意图,亚晶界示意图,晶界,晶界是不同位向晶粒的过度部位,，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。,亚晶粒,大角度和小角度晶界,位错壁,亚晶粒,是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2,)的小晶块。,亚晶粒之间的交界面称,亚晶界,。由一系列相隔一定距离的刃型位错垂直排列而构成的。,亚晶界也可看作,位错壁,。,晶界的特点：,原子排列不规则,。,熔点低。,晶界处的原子偏离其平衡位置，有较高的动能，并存在较多的空位、位错等缺陷，原子扩散速度快,。,耐蚀性差,。,易产生内吸附,，外来原子易在晶界偏聚。,常温时，,阻碍位错运动,，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。,是相变的优先形核部位,显微组织的显示,超高强度高导电性纳米孪晶纯铜,