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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料或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。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，固体材料
2、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，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。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、电子光、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射线和中子衍射方法，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(或斑点或斑点)强度，强度，通过对衍射图象和强度的分析即可推知晶体结构。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，本章首先简单
3、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，结合键
4、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。形形成成的的离离子子晶晶体体：原原子子结结合合，结结合合力力大大，发发生生电电子子转转移移，硬硬度度、硬硬度度高高，脆脆性性大大，熔熔点点高高、热热膨膨胀系数小、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 共共价价键键的的实实质质就就是是两两个个或或多多个个电电负负性性相相差差不不大大的的原子间通过共用电子对而形成的化学键。原子间通过共用
5、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 共共价价晶晶体体：原原子子结结合合，结结合合力力大大，电电子子共共用用，有有方方向向性性和和饱饱和和性性；强强度度高高、硬硬度度高高（金金刚刚石石）、熔熔点点高高、脆性大、导电性差。低配位数。、脆性大、导电性差。低配位数。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。各各原原子子都都贡贡献献出出其其价价电电子子而而变变成成外外层层为为八八电电子子
6、层层的的金金属属正正电电子子。这这些些价价电电子子为为所所有有金金属属原原子子所所共共有。有。金金属属晶晶体体：原原子子结结合合，结结合合力力较较大大，无无方方向向性性和和饱饱和和性性；导导电电性性、导导热热性性、延延展展性性好好，熔点较高。如金属熔点较高。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。电电子子云云偏偏移移负负电电荷荷中中心心与与正正电电荷荷中中心心不不重重合合瞬瞬时时电电偶偶极极距距瞬时电场瞬时电场分分子子晶晶体体：原原子子结结合合力力很很小小，无无方方向向性性和和饱
7、饱和和性性，易易变变形形，压压缩缩系系数数大大，保保留留分分子子性性质质。结结合合力力小小，熔熔点点低低，硬硬度度低低。如如高高分子材料、惰性气体。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、共价键小。易变形，熔点低，硬度低、有方向性。有方向性。如如O-HO现在学习的是第9页，共16页
8、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H2OHF0.520.30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NeAr0.020
9、0.078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。都都涉涉及及到到原原子子外外层层电电子子电电子子的的重重新新分分布布，这这些些电电子子在在键键合合后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。在在形形成成分分子子键键和和氢氢键键时时，原原子子的的外外层层电电子子分分布布没没有有变变化化或或变化极小，仍属于原来的原子。变化极小，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
10、、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