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1、关于固体材料的结构现在学习的是第1页，共16页第2章 固体材料的结构引言：引言： 固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。因此，要正确地选择性能符合要求的材固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。因此，要正确地选择性能符合要求的材料或研制具有更好性能的材料，首先要熟悉、乃至控制其结构。料或研制具有更好性能的材料，首先要熟悉、乃至控制其结构。除了实用意义外，研究固体材料的结构还有很大的理论意义，因为材料的结构是和组成材料的原子之间的作用力结合键密切相关的，而结合键乃是各种固体理论的基本出发点(或基本参数)。通过固体材料结构的研究可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征。 由于以上原因，固体
2、材料的结构测定已成为材料科学中一个独立的、重要的研究领固体材料的结构测定已成为材料科学中一个独立的、重要的研究领域，即所谓结构分析。域，即所谓结构分析。结构分析的方法很多，其中最重要、应用最广泛的方法就是最重要、应用最广泛的方法就是x光、光、电子和中子衍射方法，其基本原理在于一定的晶体结构对应着一定的衍射图象和衍电子和中子衍射方法，其基本原理在于一定的晶体结构对应着一定的衍射图象和衍射线射线(或斑点或斑点)强度，通过对衍射图象和强度的分析即可推知晶体结构。强度，通过对衍射图象和强度的分析即可推知晶体结构。具体的测定和分析方法请参考有关的书籍。 由于晶体结构和组成晶体的原子的结构密切相关，本章首
3、先简单复习物理和化学中学过的原子结构和结合键，然后以此为基础，着重讨论各种重要类型固体材料的结构及其性能特点。这些材料包括：金属、非金属、离子晶体、陶瓷材料、合金(包括固溶体和金属间化合物)等。 要掌握一些基本概念，还要熟悉些典型晶体的结构、特点和决定结构的主要因素、典型晶体的结构、特点和决定结构的主要因素、结构与性能的关系结构与性能的关系等。现在学习的是第2页，共16页原子的结构现在学习的是第3页，共16页结合键是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。原子间的结合力称为结合键，它主要表现为原子间吸引力与排斥力的合力结果。根据不同的原子结合方式
4、，结合键可分为以下几类：第一节 结合键现在学习的是第4页，共16页第一节 结合键（1）离子键）离子键正离子和负离子之间的静电引力。正离子和负离子之间的静电引力。形成的离子晶体：原子结合，结合力大，发生电形成的离子晶体：原子结合，结合力大，发生电子转移，硬度、硬度高，脆性大，熔点高、热膨子转移，硬度、硬度高，脆性大，熔点高、热膨胀系数小、导电性差，高配位数；胀系数小、导电性差，高配位数；如氧化物陶瓷。如氧化物陶瓷。Al2O3， NaCl等等现在学习的是第5页，共16页（2）共价键）共价键 共价键的实质就是两个或多个电负性相差不大的原子间通过共价键的实质就是两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用
5、电子对而形成的化学键。共用电子对而形成的化学键。 相邻原子共用电子对相邻原子共用电子对 共价晶体：原子结合，结合力大，电子共用，有方向性和饱和性共价晶体：原子结合，结合力大，电子共用，有方向性和饱和性；强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。低配；强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。低配位数。位数。 低温导电率很小。如：低温导电率很小。如：Si, 金刚石金刚石第一节 结合键现在学习的是第6页，共16页（3）金属键）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。 各原子都贡献出其价电子而变成
6、外层为八电子层的金属正电子。这些价电子为所有金属原子所各原子都贡献出其价电子而变成外层为八电子层的金属正电子。这些价电子为所有金属原子所共有。共有。 金属晶体：原子结合，结合力较大，无方向性和饱和性；导电性、导热性、延展性好，熔金属晶体：原子结合，结合力较大，无方向性和饱和性；导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属点较高。如金属Al、Cu。第一节 结合键现在学习的是第7页，共16页（4）分子键与分子晶体）分子键与分子晶体电中性原子之间的长程作用力。电中性原子之间的长程作用力。电子云偏移电子云偏移负电荷中心与正电荷中心不重合负电荷中心与正电荷中心不重合瞬时电偶极瞬时电偶极距距瞬时电场瞬时电场
7、分子晶体：原子结合力很小，无方向性和饱和性，易变形分子晶体：原子结合力很小，无方向性和饱和性，易变形，压缩系数大，保留分子性质。结合力小，熔点低，硬度，压缩系数大，保留分子性质。结合力小，熔点低，硬度低。如高分子材料、惰性气体。低。如高分子材料、惰性气体。现在学习的是第8页，共16页（5）氢键）氢键条件：条件：分子中必须有氢；分子中必须有氢；另一个元素具有显著的非金属元素如：另一个元素具有显著的非金属元素如：F、 O、 N。分子通过共价键结合，分子之间通过氢键连接分子通过共价键结合，分子之间通过氢键连接特点：特点：结合力较强，比离子键、共价键小。易变形，熔点低，硬度低、结合力较强，比离子键、共
8、价键小。易变形，熔点低，硬度低、有方向有方向性。性。如如O-HO现在学习的是第9页，共16页各种结合键比较结合键类型实例结合能 ev/mol主要特征离子键LiClNaClKClRbCl8.637.947.206.90高配位数，低温不导电（良好的绝缘体），高温离子导电。结合力大，晶体高强度、高硬度，脆，热膨胀系数小，共价键金刚石SiSiCSn1.371.683.873.11饱和性，方向性，低配位数，纯金属低温导电率很小结合力大，共价晶体高强度、高硬度，脆，熔点高金属键LiNaKRb1.631.110.9310.852无方向性，高配位数，密度高，导电性高，塑性好，导热性好氢键H2OHF0.520.
9、30结合力较强，比离子键、共价键小。结合力小，易变形，熔点低，硬度低分子键NeAr0.0200.078低熔点、压缩系数大，保留分子性质。结合力小，易变形，熔点低，硬度低现在学习的是第10页，共16页（6） 结合键分类结合键分类化学键：金属键、共价键、离子键。化学键：金属键、共价键、离子键。都涉及到原子外层电子电子的重新分布，这些电子在键合后都涉及到原子外层电子电子的重新分布，这些电子在键合后不在仅仅属于原来的电子。不在仅仅属于原来的电子。物理键：分子键和氢键。物理键：分子键和氢键。在形成分子键和氢键时，原子的外层电子分布没有变化或变化在形成分子键和氢键时，原子的外层电子分布没有变化或变化极小，
10、仍属于原来的原子。极小，仍属于原来的原子。u化学键最强、氢键次之、分子键最弱。化学键最强、氢键次之、分子键最弱。现在学习的是第11页，共16页 金刚石是碳原子的一种结晶体。其中的碳原子都以共价键结合，原子排列的基本规律是每一个碳原子的周围都有4个按照正四面体分布的碳原子；这种结构可看成是由两套面心立方点阵套构而成的，套构的方式是沿着单胞立方体对角线的方向移动1/4距离；也可以看成是由许多（111）的原子密排面沿着111方向、按照ABCABCABC规律堆积起来而构成的； 重要的半导体Si和Ge就具有金刚石型的晶体结构。 现在学习的是第12页，共16页现在学习的是第13页，共16页现在学习的是第14页，共16页Al/SiC复合材料中的复合材料中的SiC粒子粒子SiC现在学习的是第15页，共16页感谢大家观看现在学习的是第16页，共16页