材料科學(xué)基礎(chǔ)

FoundationsofMaterialsScience)

材料工程系

材料成型與控制工程

專業(yè)

任課教師■張敬堯

緒論

(Introduction)

一.什么是《材料科學(xué)基礎(chǔ)》

二.材料科學(xué)的重要地位

三.學(xué)習(xí)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的必要性

四.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》涵蓋的主要內(nèi)容

五.怎樣學(xué)好《材料科學(xué)基礎(chǔ)》

一.什么是《材料科學(xué)基礎(chǔ)》

什么是材料科學(xué)？什么是材料科學(xué)基礎(chǔ)？

材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、材料的性

能與應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學(xué)。其核心為研究材料組織結(jié)構(gòu)與性能

的關(guān)系。它是當(dāng)代科技發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當(dāng)今世界的

帶頭學(xué)科之一。作為分支之一的新興的納米材料科學(xué)與技術(shù)是20世

紀80年代發(fā)展起來的新興學(xué)科，成為21世紀新技術(shù)的主導(dǎo)中心。

材料科學(xué)基礎(chǔ)是進行材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)理論，它將各種材料

（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀特性和宏觀規(guī)律建立在共同

的理論基礎(chǔ)上，用于指導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了

材料科學(xué)和材料工程的基礎(chǔ)理論。

二、材料科學(xué)的重要地位

?人類社會發(fā)展的歷史階段常常根據(jù)當(dāng)時使用的主要材料來劃

分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了6個時代：石器時代

一青銅器時代一鐵器時代一鋼時代一半導(dǎo)體時代一新材料時代

?20世紀70年代，人們把信息、材料和能源稱為當(dāng)代文明的三

大支柱；80年代，乂把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)

革命的重要標志；90年代以來，把材料、信息、能源和生物技術(shù)作

為國民經(jīng)濟發(fā)展的四大支柱產(chǎn)業(yè)。

?1986年《科學(xué)的美國人》雜志指出“先進材料對未來的宇航、

電子設(shè)備、汽車以及其他工業(yè)的發(fā)展是必要的，材料科學(xué)的進步?jīng)Q定

了經(jīng)濟關(guān)鍵部門增長速率的極限范圍。”1990年美國總統(tǒng)的科學(xué)顧問

Allany.Bromley明確指出“材料科學(xué)在美國是最重要的學(xué)科”。1991

年日本為未來工業(yè)規(guī)劃技術(shù)列舉的11項主要項目中有7項是基于先

進材料基礎(chǔ)之上。

故材料科學(xué)是科技發(fā)展的基礎(chǔ)、技術(shù)進步和工業(yè)化生產(chǎn)的支柱。

三.學(xué)習(xí)《料料科學(xué)基礎(chǔ)》的必要性

(-)材料科學(xué)的核心問題

材料科學(xué)是以物理、化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，涉及材料晶

體結(jié)構(gòu)、材料熱力學(xué)、材料動力學(xué)、材料性能等系統(tǒng)的材料科學(xué)知識。

材料科學(xué)的核心問題是材料的組織結(jié)構(gòu)(Structure)和性能

(Property)以及它們之間的關(guān)系。下圖為材料科學(xué)與工程四要素。

所以，先要了解材料的結(jié)構(gòu)是什么？

材料科學(xué)的形成：“材料，，早存在，“材料科學(xué)，，提出于20世紀

6()年代，1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學(xué)相繼建立十

余個材料科學(xué)研究中心，自此開始，“材料科學(xué)”一詞廣泛應(yīng)用。一般

來講，科學(xué)是研究“為什么”的學(xué)問，而工程是解決“怎么做”的問題。

?材料科學(xué)：是一門科學(xué)，它從事材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了

解，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結(jié)構(gòu)

與性能之間的關(guān)系。它包括下面的三個環(huán)節(jié)，核心是結(jié)構(gòu)和性能：

?材料工程：是工程的一個領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟地，而又為社

會所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。它包括下面的五個環(huán)節(jié):

?材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點的不同或者

說各自強調(diào)的重點不同，它們之間并沒有一條明確的界限；材料科學(xué)

的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮

現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。因此，后來人們常常將

二者放在一起，采用一個復(fù)合名詞一材料科學(xué)與工程（MSE,Material

ScienceandEngineering）

（三）材料的分類

（I）根據(jù)服役要求分類一結(jié)構(gòu)材料和功能材料

?結(jié)構(gòu)材料：以強度，硬度，剛度，韌性，疲勞強度等力學(xué)性能為

特征的材料。

?功能材料：以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料（如

電子材料、光電子材料、超導(dǎo)材料等）。

（口）按物理化學(xué)屬性（結(jié)合鍵種類）分類一金屬、陶瓷、高分

子和復(fù)合材料

?金屬材料：黑色金屬（鋼鐵）、有色金屬（除鋼鐵以外的）

?陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷

?高分子材料?：塑料、橡膠、合成纖維

?復(fù)合材料：金屬基、陶瓷基、樹脂基復(fù)合材料

（四）材料的應(yīng)用

?計算機與材料

1、計算機經(jīng)歷：電子管一晶體管一集成電路時代

2、個人電腦移動存儲器的比較

材料科學(xué)的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。

?飛機和材料

種類使用的材料存儲容量特點

軟盤氧化鐵1.44Mb容量小，文本文件存儲

CD-RW以ZnS等為主的650MbCD光盤，價低，用量大

陶瓷材料

M0（磁光TbFeCo合金磁光650Mb,1.3Gb需專用驅(qū)動器，價格高，局限在廣告圖

盤）材料形用戶

DVDZnS等為主的陶單面單層為4.7CD-RW和CD光盤，用量大

RW瓷材料Gb

實例壓氣機葉片壓氣機機飛機尾翼硼纖維鋁合金板和管路

匣

材料鋁合金鈦合金碳纖維復(fù)合材料硼纖維增強鋁合金

強度范圍150-450350-11(X)1000-1200（順15（X）（順纖維方向）

MPa纖維方向）

比強度55-16080-245625-750570

MPa

?材料和生活用品

如鈦合金自行車、形狀記憶合金百葉窗等。

四.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》涵蓋的主要內(nèi)容

?理論課程的主要內(nèi)容：

1.材料的微觀結(jié)構(gòu)，包括原子的排列方式，固體結(jié)構(gòu)、晶體缺

陷、固體中原子和分子的運動（擴散）、材料的變形和回復(fù)再結(jié)晶。

2.材料組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，包括單元系的相變、二元合金系

的相變規(guī)律、三元合金系的相變規(guī)律。

3.實際材料的狀態(tài)，包括晶體、非晶體、亞穩(wěn)態(tài)。

?實驗內(nèi)容：

1.金相顯微鏡的使用；

2.金相試樣的制備；

3.結(jié)晶過程觀察；

4.二元合金顯微組織觀察；

5.鐵碳合金平衡組織觀察

6.金屬冷變形組織與再結(jié)晶組織觀察。

五.怎樣學(xué)好《材料科學(xué)基礎(chǔ)》

?性質(zhì)：必修課，專'業(yè)基礎(chǔ)課

?學(xué)時：75學(xué)時

?本課程特點：

?概念術(shù)語多

?理解記憶的知識多

?涉及相關(guān)學(xué)科多（物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)、礦物學(xué)、金屬學(xué)、

陶瓷學(xué)以及高分子學(xué)等）

?學(xué)習(xí)方法：

?作為一門應(yīng)用學(xué)科，做到理論聯(lián)系實際；

?要學(xué)以致用，善于總結(jié)歸納；

?加強實踐環(huán)節(jié)，通過綜合實驗培養(yǎng)創(chuàng)新能力；

?將微觀與宏觀結(jié)合起來分析和解決問題；

?掌握基礎(chǔ)理論和基本概念要掌握；

?通過參考書和網(wǎng)絡(luò)資源，博覽相關(guān)知識。

?教材和主要參考書目

教材-《材料科學(xué)基礎(chǔ)》王章忠主編機械工業(yè)出版社

參考書目?《材料科學(xué)基礎(chǔ)》劉智恩主編西北工大出版社

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》石德珂主編機械工業(yè)出版社

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》胡麋祥主編上海交大出版社

?自學(xué)輔導(dǎo)參考網(wǎng)址

（上海交大精品課程網(wǎng)）

第1章原子結(jié)構(gòu)與結(jié)合鍵

(ChiAtomStructureandLinkBond)

■原子結(jié)構(gòu)

■原子結(jié)合鍵

1.1原子的結(jié)構(gòu)

Li.i原子的電子排列

一.原子的組成

孩子：正電荷

「原子核：位于原子中心，帶正電y

Y子：電中性

〔電子：核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負電，按能量高低排列，電子云

量子力學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，電子的旋轉(zhuǎn)軌道不是任意的，它的確切的

途徑也是測不準的,1926年，奧地利著名的物理學(xué)家薛定譯提出描

述氫原子的電子的運動狀態(tài)的方程，稱為薛定娉方程,方程成功地解

決了電子在核外運動狀態(tài)的變化規(guī)律，方程中引入了波函數(shù)的概念，

以取代經(jīng)典物理中圓形的固定軌道，解得出波函數(shù)（習(xí)慣上又稱原子

軌道）描述了電子在核外空間各處位置出現(xiàn)的幾率，相當(dāng)于給出了電

子運動的“軌道這一軌道是由四

個量子數(shù)所確定。

圖1.1鈉（原子序數(shù)為u）原子結(jié)構(gòu)中

K,L和M量子殼層的電子分布狀況

二.四個量子數(shù)

（-）主量子數(shù)

主量子數(shù)〃決定原子軌道的能量，它的取值為1、2、3...on越

大，電子離原子核的距離越遠，電子的能量越高。在一個原子中，常

稱〃相同的電子為一個電子層。當(dāng)〃=1、2、3、4、5、6、7時，

分別稱為第一、二、三、四、五、六、七電子層，相應(yīng)地用符號K、

L、M、N、O、P、Q表示。

（-）角量子數(shù)

角量子數(shù)I決定原子軌道的形狀，它的取值為0、1、2....〃一1。

在多電子原子中，當(dāng)〃相同而/不同時，電子的能量還有差別.又常

將一個電子層分為幾個亞層。當(dāng)/=0、1、2、3時，分別稱為s、

p、d、f亞層：時，/=0,K層只有s亞層；

〃=2時，I=0、1,L層有s、p亞層；

n=3時，1=0、1、2,M層有s、p、d亞層；

〃=4時，I=（）、1、2、3,N層有s、p、d、f亞層。

在多電子原子中，/也決定著原子軌道的能量。當(dāng)〃相同時，隨

/的增大，原子軌道的能量升高。

（三）磁量子數(shù)

磁量子數(shù)m決定原子軌道在空間的取向。它的取值為0,±1,±

2,±/因此有2/+1種取向。

I=0時，m只能取0,s亞層只有1個軌道；

/=1時，m可取一1、（）、+1,p亞層有3個軌道。

同理，d亞層有5個軌道，f亞層有7個軌道?！ê?相同，

但m不同的各原子軌道的能量相同，稱為簡并軌道或等價軌道。

（四）自旋量子數(shù)

自旋量子數(shù)3描述電子的自旋方向，它的取值為+1/2和-1/2,

常用箭號f和I表示電子的兩種自旋方向。ms不能從求解薛定

謂方程得到，它是后來實驗和理論進一步研究中引入的。

綜上所述，小/、m三個量子數(shù)可以確定一個原子軌道，而小

/、m、ms四個量子數(shù)可以確定電子的運動狀態(tài)。

表L1電子層、電子亞層、原子軌道與量子數(shù)之間的關(guān)系

n電子層1電子亞層m軌道數(shù)

1K01s01

02s01

2L12P1A+13

03s01

13P■1A+13

3M23d-2-l0+l+2

9?5?5

04s01

14p-1A+13

4N24d?2,?lQ+l,+25

3-2「l,0,+l,+2,+3

34f7

三.原子的核外電子排布

原子的核外電子排布遵守泡利不相容原理、能量最低原理、洪德

定則。

（一）泡利不相容原理：在一個原子中，不可能存在四個量子數(shù)完全

相同的兩個電子。由泡利不相容原理，可知一個原子軌道最多只能容

納兩個電子，而且這兩個電子的自旋必須相反。

（二）能量最低原理：在不違背泡利不相容原理的前提下，核外電子

總是盡可能排布在能量最低的軌道上，當(dāng)能量最低的軌道排滿后，電

子才依次排布在能量較高的軌道上。

（三）洪德定則：在能級相等的軌道上，電子盡可能分占不同的軌道,

且電子自旋平行。在未填滿的殼層中，電子的自旋量子數(shù)應(yīng)盡量地大。

依據(jù)上述原理，電子從低的能量水平至高的能量水平，依次排列

在不同的量子狀態(tài)下。決定電子能量水平的主要因素是主量子數(shù)和次

量子數(shù)，各個主殼層及亞殼層的能量水平在圖1-1中示意畫出.由圖

可見，電子能量隨主量子數(shù)M的增加而升高，同一殼層內(nèi)各亞殼層

的能量是按S、P、d、f次序依次升高的。值得注意的是相鄰殼層的

能量范圍有重疊現(xiàn)象，例如：4s的能量水平反而低于3d；5s的能量

也低于4d、4f.這樣，電子填充時，有可能出現(xiàn)內(nèi)層尚未填滿前就

先進入外殼層的情況。

例題：試根據(jù)電子從低能到高能,

依次排列在不同量子態(tài)的原理，寫

出原子序數(shù)為11的鈉（Na）原子以

及原子序數(shù)為20的鈣（Ca）原子中的

電子排列方式。

解：鈉原子的原子序數(shù)為11,

主我于數(shù)”

圖1T電子能量水平隨主量子數(shù)

和次量子數(shù)的變化情況

有11個電子，電子首先進入能量最低的第一殼層，它只有S態(tài)一個

亞殼層，可容納2個電子，這電子狀態(tài)記做1S2；然后逐漸填入能量

稍高的2s2,2p6;第11個電子便進入第三殼層的S態(tài)，所以鈉原子的電

226,

子排列記作IS2S2p3So

鈣原子有20個電子，當(dāng)電子填入第三殼層s態(tài)和p態(tài)后仍有2

個剩余電子，根據(jù)圖1」，4s態(tài)能量低于3d態(tài)，所以這兩個剩余電

子不是填入3d,而是進入新的外殼層上的4s態(tài)，所以鈣原子的電子

排列記作IS22s22P63s23P64s2。

根據(jù)量子力學(xué)，各殼層的s態(tài)和P態(tài)中電子的充滿程度對該殼層

的能量水平起著重要的作用。一旦殼層的s態(tài)和p態(tài)被填滿.該殼層

的能量便落入十分低的值，使電子處于極為穩(wěn)定的狀態(tài)，如原子序數(shù)

為2的氮，其2個勇于將第一殼層的s態(tài)充滿；原子序數(shù)為10的氮,

其電子排列為IS22s22P6,外殼層的s態(tài)、p態(tài)均被充滿，還有原子序

數(shù)為18的氫，電子排列為IS22s22P63s23P6,最外殼層的s態(tài)、p態(tài)

也被充滿，這些元素的電子極為穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為惰性，故稱惰

性元素。另一方面，如果最外殼層上的s杰、p態(tài)電子沒有充滿，這

些電子的能量較高，與原子核結(jié)合較弱，很活潑，這些電子稱為價電

子。原子的價電子極為重要，它們直接參與原子間的結(jié)合，對材料的

物理性能和化學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。

1.1.2元素周期表

一、元素的電子層結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系

二、元素的電子層結(jié)構(gòu)與族的關(guān)系

三、元素性質(zhì)的周期性

元素周期表

IA堿金屬堿土金屋過渡元素0

1HIIA主族金屬非金屬稀有氣體IIIAIVAVAVIAVIIAHe

2LiBeBMNOFNe

3NaMgIIIBIVBVBVIBVIIBVIIIBIBIIBAlSiPSClAr

4KwTiVMn地CuZnGaGeAsSeBr立

怛」?

5Rb如曲MoTcRhPdAflCdInSnSbIeIXe

La

6CsBall世la在Re西比PtAuHgHPbBiPoAtRn

7FrRaAcRf獨因曲HsMtUunUyuUyb

LaCePrNd5m5dTbOxHoTmYbLu

AcThPa□PuAmCmBkEsFmMd二NoLr

一、元素的電子層結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系

元素周期表共有七個橫行，每一橫行為一個周期，共有七個周期。

元素在周期表中所屬周期數(shù)等于該元素基態(tài)原子的電子層數(shù)，也等于

元素基態(tài)原子的最外電子層的主量子數(shù)。元素周期表中各周期所包含

元素的數(shù)目，等于相應(yīng)能級組中的原子軌道所能容納的電子總數(shù)。

二、元素的電子層結(jié)構(gòu)與族的關(guān)系

周期表上豎的各列稱為族，劃分方法是分為16個族，除第8、

9、10三個縱行為一個族外，其余15個縱行，每一個縱行為一個族。

第1縱行和第2縱行分別為IA族和IIA族，第3?7縱行分別

為IIIB?VIIB族，第8?1()縱行為VIII族，第11縱行和第12縱

行分別為IB族和IIB族,第13?17縱行分別為IIIA?VIIA族，

第18縱行為。族。A族由長周期元素和短周期元素組成，也稱主

族；B族只由長周期元素組成，也稱副族。

表1.2周期與能級組的關(guān)系

周期能級組能級組內(nèi)原子軌道元素數(shù)目電子最大容量

1I1s22

2II2s2p88

3III3s3p88

4IV4s3d4p1818

5V5s4d5p1818

6VI6s4f5d6p3232

7vn7s5f6d26(未完)未滿

同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)，周期表兩側(cè)的各族IA

IlAIHA…V1IA分別對應(yīng)子外殼層價電子為1、2、3.??7的情況，所

以同一族元素具有非常相似的化學(xué)性能。例如IA族的Li、Na、K

等都具有一個價電子，很容易失去價電子成為1價的正離子，因此化

學(xué)性質(zhì)非常活潑，都能與VIIA族元素氟、氯形成相似的氟化物和氯化

物。最右邊的。族元素，它們的外殼層s、p態(tài)均已充滿，電子能量

很低，十分穩(wěn)定，不易形成離子，不能參與化學(xué)反應(yīng)，是不活潑元素，

在常溫下原子不會形成凝聚態(tài)，故以氣體形式存在，稱為惰性氣體。

周期表中部的H1B?W1B對應(yīng)著內(nèi)殼層電子逐漸填充的過程，把這

些內(nèi)殼層末填滿的元素稱為過渡元素，由于外殼層電子狀態(tài)沒有改

變，都只有1?2個價電子，這些元素都有典型的金屬性。與vmB族相

鄰的IB、HB族元素.外殼層價電子數(shù)分別為1和2,這點與IA、

nA族相似，但IA、nA族的內(nèi)殼層電子尚未填滿，而IB、IIB

族內(nèi)殼層已填滿，因此表現(xiàn)在化學(xué)性能上內(nèi)殼層族元素不如IA、II

A族活潑，如IA族的鉀(K)的電子排列…3P64sl，而同周期的1B族

Cu,其電子排列為,??3p63diO4SL兩者相比，鉀的化學(xué)性能更活潑，

更容易失去電子，電負性更弱。

三、元素性質(zhì)的周期性

從上面對周期表的構(gòu)成以及各族元素的共性所作的分析中不難

得出：各個元素所表現(xiàn)的行為或性質(zhì)一定會呈現(xiàn)同樣的周期性變化，

因為原子結(jié)構(gòu)從根本上決定了原于間的結(jié)合鍵，從而影響元素的性

質(zhì)。實驗數(shù)據(jù)已證實了這一點。不論是決定化學(xué)性質(zhì)的電負性，還是

元素的物理性質(zhì)(熔點、線膨脹系數(shù))及元素晶體的原子半徑都符合周

期性變化規(guī)律。

電負性數(shù)據(jù):

由表中數(shù)據(jù)可以看出：

(1)非金屬元素的電負性較大，而金屬元素的電負性較小。

可以近似地作為金屬元素和非金屬元素的分界點。

(2)一般說來，同一周期的元素的電負性從左向右隨著核電荷數(shù)

增加而增大；同一族的元素從上到下隨著電子層的增加而減小。

(3)電負性相差大的金屬元素與非金屬元素之間以離子鍵結(jié)合，

形成離子型化合物；電負性相同或相近的非金屬元素之間以共價鍵結(jié)

合，形成共價化合物；電負性相同或相近的金屬元素之間以金屬鍵結(jié)

合，形成金屬或合金。

上表給出電負性數(shù)據(jù)的周期變化.電負性是用來衡量原子吸引電

子能力的參數(shù)。電負性越強，吸引電子能力越強，數(shù)值越大，同一周

期內(nèi)，自左至右電負性逐漸增大，同一族內(nèi)自上至下電負性數(shù)據(jù)逐漸

減小。達一規(guī)律有助于理解材料的原子結(jié)合及晶體結(jié)構(gòu)類型的變化。

1.2原子結(jié)合鍵

?一次鍵：離子、共價、金屬

?二次鍵：范德瓦耳斯鍵、氫鍵

?混合鍵

?結(jié)合鍵本質(zhì)及原子間距

?結(jié)合鍵與性能

1.2.1一次鍵

一.離子鍵

(-)離子鍵的形成

????

Na+:Cb-Na+[:C1:]

????

當(dāng)電負性較小的活潑金屬元素的原子與電負性較大的活潑非金

屬元素的原子相互接近時，金屬原子失去最外層電子形成帶正電荷的

陽離子；而非金屬原子得到電子形成帶負電荷的陰離子。

陽、陰離子之間除了靜電相互吸引外，還存在電子與電子、原子核與

原子核之間的相互排斥作用。當(dāng)陽、陰離子接近到一定距離時，吸引

作用和排斥作用達到了平衡，系統(tǒng)的能量降到最低，陽、陰離子之間

就形成了穩(wěn)定的化學(xué)鍵。這種陽、陰離子間通過靜電作用所形成的化

學(xué)鍵稱為離子鍵。

（-）離子鍵及其特點

定義：正負離子間的靜電吸引力叫做離子鍵。

特點：離子鍵既沒有方向性也沒有飽和性。

NaCl晶體

（-）共價鍵的本質(zhì)和特點

本質(zhì):原子相互接近時軌道重疊（即波函數(shù)疊加），原子間通過共

用自旋相反的電子對使能量降低而成鍵。

特點:具有飽和性和方向性。

Atomic

orbitals

Q鍵（成鍵軌道）頭碰頭九鍵，肩并肩

<-）共價鍵的鍵型

（三）共價鍵形成實例

金剛石是共價鍵結(jié)合的典型，下圖表示了它的結(jié)合情況，碳的四

個價電子分別與其周圍的四個碳原子組成四個公用電子對，達到八個

電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。此時各個電子對之間靜電排斥，因而它們在空間以

最大的角度互相分開，互成109.5°,于是形成一個正四面體，碳原

子分別處于四面體中心及四個頂角位置，正是依靠共價鍵將許多碳原

子形成堅固的網(wǎng)絡(luò)狀大分子。共價結(jié)合時由于電子對之間的強烈排斥

力，使共價鍵具有明顯的方向性，這是其它鍵所不具備的，由于方向

性、不允許改變原子間的相對位置，所以材料不具塑性且比較堅硬.像

金剛石就是世界上最堅硬的物質(zhì)之一。

三.金屬鍵

圖金剛石的共價結(jié)合及其方向性

金屬鍵沒有方向性，正離子之間改變相對位置并不會破壞電子與

正離子間的結(jié)合力.因而金屬具有良好的塑性。

同樣，金屬正離子被另一種金屬的正離子取代

時也不會破壞結(jié)合鍵，這種金屬之間的溶解

（稱固溶）能力也是金屬的重要特性。圖金屬離子沉浸在自由電子的海洋中

此外，金屬導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及金屬晶體中原子的密集排列等都直接

起因于金屬鍵結(jié)合。

122二次鍵：原子間的偶極吸引

一.范德瓦耳斯鍵

范德瓦耳斯鍵只是原子間的偶極吸引力，鍵力遠低于一次鍵。穩(wěn)

定性較差。然而它仍是材料結(jié)合鍵的重要組成部分，依靠它大部分氣

體才能聚合成液態(tài)，固態(tài)。

圖1?6范德瓦耳斯鍵力示意圖

a）理論的電子云分布b）原子偶極矩的產(chǎn)生0原子（或分子）間的范德瓦耳斯鍵結(jié)合

二.氫鍵

氫鍵的本質(zhì)與范德瓦耳斯鍵一樣，也是靠原子（或分子、原子團）

的偶極吸引力結(jié)合起來的.只是氫鍵中氫原子起了關(guān)鍵作用，氫原子

很特殊，只有一個電子，當(dāng)氫原子與一個電負性很強的原子（或原子

團）X結(jié)合成分子時，氫原子的一個電子轉(zhuǎn)移至該原子殼層上；分子

的氫離子側(cè)實質(zhì)上是一個裸露的質(zhì)子.對另一個電負性較大的原子Y

表現(xiàn)出較強的吸引力，這樣，氫原子便在兩個電負性很強的原子（或

原子團）之間形成一個橋梁，把兩者結(jié)合起來，成為氫鍵。所以氫鍵

可以表達為：X-H-Yo氫與X原子（或原子團）為離子鍵結(jié)合，與Y

之間為氫鍵結(jié)合，通過氫鍵將X、Y結(jié)合起來。X、Y可以相同或不

同。氫鍵的結(jié)合力比范德瓦耳斯鍵強。在帶一COOH、一OH、—NH2

原子團的高分子聚合物中常出現(xiàn)氫鍵。氫鍵在一些生物分子如DNA

中也起重要作用。

28A

(b)

圖冰的結(jié)構(gòu)

1.2.3混合鍵

初看起來，上述各種鍵的形成條件完全不同，故對具體材料而言,

似乎只能滿足其中的一種，只具有單一的結(jié)合鍵，如金屬應(yīng)為金屬鍵,

VHA族元素應(yīng)為共價鍵，電負性不同的元素應(yīng)結(jié)合成離子鍵……。然

而，實際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不很多，前面講的只是一些典型

的例子，大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合。

化合物中離子鍵的比例取決于組成元素的電負件差.電負性相差

越大則離子鍵比例越高，鮑林推薦以下公式來確定化合物AB中離子

鍵結(jié)合的相對值：式中.XA、XB分別為化合物組成元素A、B的電

負性數(shù)值。

離子結(jié)合（%”[1一司丁"—"xlOO%（1-1）

陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵與共價鍵混合的情況很常見.通常金屬

正離子與非金屬離子所組成的化合物并不是純粹的離子化合物.它們

的性質(zhì)小能僅用離子鍵予以理解。表1-3給出了某些陶瓷化合物中混

合鍵的相對比例。

表1?3某些陶瓷化合物中混合鍵特征

化臺初整合原子對電負性差離子城比例（%）共價健比例（%）

1.2.4結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距

固體中原子是依據(jù)結(jié)合鍵力結(jié)合起來的。結(jié)合力是怎樣產(chǎn)生的呢?

下面以最簡單的雙原子模型來說明。不論是何種類型的結(jié)合鍵，固體

原子間總存在兩種力，一是吸引力，來源于異類電荷間的靜電吸引；

二是同種電荷之間的排斥力。根據(jù)庫倫定律，吸引力和排斥力均隨原

子間距的增大而減小。但兩者減小的情況不同，根據(jù)計算，排斥力更

具有短程力的性質(zhì)，即當(dāng)距離很遠時，排斥力很小，只有當(dāng)原子間接

近至電子軌道互相重疊時，排斥力才明顯增大，并超過了吸引力（圖

l-8a）在某距離下吸引力與排斥力相等，兩原子便穩(wěn)定在此相對位置

上，這一距離、相當(dāng)于原子的平衡距離，或稱原子間距。當(dāng)原子距離

被外力拉開時，相互吸引力則力

圖使它們縮回到平衡距離ro;反

之，當(dāng)原子受到壓縮時，排斥力

又起作用，使之回到平衡距離

roo根據(jù)物理學(xué)，力（F）和能量（E）

之間的轉(zhuǎn)換關(guān)「"E

dx

系：E=—Fdx

所以兩原子相互作用的能量隨

距離的變化（如圖l-8b）所示。

在作用力等于零的平衡距離下

原子間作用位能（b）與原子間距的關(guān)系

能量應(yīng)該達到最低值，表征該距

離下體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。能量曲線可解釋如下：當(dāng)兩個原子無限遠

時.原子間不發(fā)生作用，作用能可視為零。當(dāng)距離在吸引力作用下靠

近時，體系的位能逐漸下降、到達平衡距離時，位能最低。當(dāng)原子距

離進一步接近，就必須克服反向排斥力，使作用能重新升高。通常把

平衡距離下的作用能定義為原子的結(jié)合能民。

1.2.5結(jié)合鍵與性能

一.物理性能

（一）熔點：熔點的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。熔點與鍵能值有

較好的對應(yīng)關(guān)系。

由表1-4可見：共價鍵、離子鍵化合物的熔點較高，其中純共價

鍵的全剛石具有最高的熔點，金屬的熔點相對較低，這是陶瓷材料比

金屬具有更高熱穩(wěn)定性的根本原因。金屬中過渡族金屬有較高的熔

點，特別是難熔金屬w、Mo、Ta等熔點更高，這可能起因于內(nèi)殼層

電子未充滿，使結(jié)合鍵中有一定比例的共價鍵混合所致。具有二次鍵

結(jié)合的材料，它們的熔點一定偏低，如聚合物等。

表1-4不同材料的鍵能和熔點

?AM?a

kJ,moH*CkJ?molw|X

ntNnd6M種IFt收1534

M<01觸麗wMMIO

Si癡BIOAf7.1-115

-713>3S$0助-101

Ht79NHiU-7t

10

Al輜110

(-)密度：材料的密度與結(jié)合鍵類型有關(guān)。

大多金屬有高的密度；陶瓷材料的密度較低；聚合物密度最低。

(三)導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性：材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性與結(jié)合鍵類型有關(guān)。

金屬鍵使金屬具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而由非金屬鍵結(jié)合

的陶瓷物在固態(tài)下不導(dǎo)電，可作為絕緣體或絕熱體在工程上應(yīng)用。

二.力學(xué)性能

(-)結(jié)合鍵能與彈性模量E

其意義為：即E相當(dāng)于發(fā)生單位彈性變形所需的應(yīng)力。

可把原子結(jié)合比喻成很多小彈簧的連結(jié)。結(jié)合鍵能與G

彈性模量兩者間有很好的對應(yīng)關(guān)系。金剛石具有最高Q—

￡

的彈性模量值，E=l（）OOGpa；其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化

物、氯化物等結(jié)合鍵能也較高，彈性模量為250-600Gpa；常用金

屬材料的彈性模量約為70-350Gpa；聚合物由于二次鍵的作用，彈

性模量僅為O.7-3.5GPa。

（二）結(jié)合鍵能與強度

一般來說，結(jié)合鍵能高的，強

度也高一些。然而強度在很大程度

上還取決于材料的其他結(jié)構(gòu)因素，

如材料的組織，因此強度與鍵能之

間的對應(yīng)關(guān)系不如彈性模量明顯。

（三）結(jié)合鍵能與塑性

金屬鍵賦予材料良好的塑性，而離子鍵、共價鍵結(jié)合，使塑性變

形困難，所以陶瓷材料的塑性很差。

第2章晶體結(jié)構(gòu)

(Ch2CrystalStructure)

氣態(tài)(gasstate)

物質(zhì)(substance),液態(tài)(liquidstate)

固態(tài)(solidstate)"Lal)

非晶體(amorphoussolid)

2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)

晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：

原子(或分子、離子)在三

維空間呈周期性重復(fù)排列，

即存在長程有序。

性能上兩大特點：

固定的熔點

各向異性。

金的AFM照片

一.晶體的空間點陣

1.空間點陣的概念

將晶體中原子或原子團抽象為純幾何點，即可得到一個由無數(shù)幾

何點在三維空間排列成規(guī)則的陣列一空間點陣。

特征：每個陣點在空間分布必須具有完全相同的周圍環(huán)境。

2.晶胞

代表性的基本單元(最小平行六面體)。選取晶胞的原則：

I）選取的平行六面體應(yīng)與宏觀晶體具有同樣的

對稱性；

II）平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多;

III）當(dāng)平行六面體的棱角存在直角時?，直角的

數(shù)目應(yīng)最多；

IV）在滿足上條件，晶胞應(yīng)具有最小的體積。

「a,b,c棱邊長（點陣常數(shù)），或用點陣矢量。也c

描述晶胞＜

0,y晶軸間的夾角

陣點rliVW=ua+yb+yvc體積V=a?（Z?Xc）

簡單晶胞（初級晶胞）：只有在平行六面體每個頂角上有一陣點

復(fù)雜晶胞：除在頂角外，在體心、面心或底心上有陣點

3.晶系與布拉菲點陣

4.晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣

2.1七個晶系，14個布拉舉點陣

晶系布拉菲點陣品系布拉菲點陣

三斜Triclinic簡單三斜六方Hexagonal簡單六方

aKbWc,Q#6WYa〔=a2=a3#c,a=p=90°,

￥=120°

單斜Monoclinic簡單單斜菱方Rhombjhcdta1簡單菱方

a*b*c,a=Y=90°=^P底心單斜a=b=c,Q=6=y#90°

四方（正方）Tetragonal簡單四方

a=b#c,a=p=y=90°體心四方

正交簡單正交

a#bKc,a=P=Y=90°底心正交立方Cubic簡單立方

體心正交a=b=c,a=P=y=90°體心立方

面心正交面心立方

圖2.8晶體結(jié)構(gòu)相似而點陣不同

二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

L陣點坐標op=xa^yb+zc

2.晶向指數(shù)（Orientationindex）

求法：1）確定坐標系

2）過坐標原點，作直線與待求晶向平行；

3）在該直線上任取一點，并確定該點的坐標（x,y,z）

4）將此值化成最小整數(shù)u,v,w并加以方括號［uvw］即是。

（代表一組互相平行，方向一致的晶向）

晶向族vuvw＞：具有等同性能的晶向歸并而成；

（xi,yi,zi）,（X2,y2/2）二點連線的晶向指數(shù)：［x2?xi,y2-yi,Z2-zi］

指數(shù)看特征，正負看走向

3.晶面指數(shù)

求法：

1)在所求晶面外取晶胞的某一頂點為原點o,三棱邊為三坐標軸x,

y,z

2)以棱邊長a為單位，量出待定晶面在三個坐標軸上的截距；

3)取截距之倒數(shù)，化為最小整數(shù)h,k,1并加以圓括號(hkl)即是。

晶面族｛hkl｝中的晶面數(shù)：

a)hk1三個數(shù)不等，且都W0,則此晶面族中有3!X4=24組，如｛123｝

b)hkl有兩個數(shù)字相等且都W0,則有，如;X4=12,如｛112｝

3x4=4組,如｛111｝

c)hki三個數(shù)相等，則有，3!

土x4=12組,如｛120｝

d)hkl有一個為()，應(yīng)除以2,則有2

31

—yx4=3組，如｛100｝

有二個為0,應(yīng)除以22,則有2!2

圖2.16晶面間距公式的推導(dǎo)

4.六方晶系指數(shù)

三坐標系.四軸坐標系

a?,a^),c3|9o,2，a彳9C

(hkiI)i--(h+k)

[uvtw]t--(w+v)

圖2.14六方晶系晶向指數(shù)的表示方法(<?軸與圖面垂直)

三指數(shù)系統(tǒng)一四指數(shù)系統(tǒng)

three—indexsystemfour—indexsystem

(hk1)----------?(hki1)i=-(h+k)

[UVW][uvtw]

U=u-t,V=v-tfW=w

u=-[2U-V]v=-[2V-U]t=-(u+v),w=W

3f3f

5.晶帶(Crystalzone)

所有相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構(gòu)成一個“晶

帶“(crystalzone)。此直線稱為晶帶軸(crystalzoneaxis),所有的這

些晶面都稱為共帶面。晶帶軸［uvw］與該晶帶的晶面(hkl)之間存

在以下關(guān)系：hu+kv+lw=()-------晶帶定律。凡滿足此關(guān)系

的晶面都屬于以|uvw］為晶帶軸的晶帶。

U1V1W1

U2V2W2=0,則三個晶軸同在一個晶面上

U3V3W3

12=0,則三個晶軸同屬一個晶帶

13

6.晶面間距(Interplanarcrystalspacing)

兩相鄰近平行昂面間的垂直距離一晶面間距，用dhki表示，從原

點作(hkl)晶面的法線，則法線被最近的(hkl)面所交截的距離。

直角坐標系d?=?

.符率+