文档介绍：第2章固体材料的结构
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。结构分析的方法很多,其中最重要、应用最广泛的方法就是x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(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。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、结构与性能的关系等。
原子的结构
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,结合键可分为以下几类:
第一节结合键
第一节结合键
(1)离子键
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;
如氧化物陶瓷。Al2O3, NaCl等
(2)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用电子对而形成的化学键。
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;强度高、硬度高(金刚石)、熔点高、脆性大、导电性差。低配位数。
低温导电率很小。如:Si, 金刚石
第一节结合键
(3)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。
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Al、Cu。
第一节结合键
(4)分子键与分子晶体
电中性原子之间的长程作用力。
电子云偏移—负电荷中心与正电荷中心不重合—瞬时电偶极距—瞬时电场—
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,硬度低。如高分子材料、惰性气体。
(5)氢键
条件:分子中必须有氢;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
特点: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。
如O-H—O
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
LiCl
NaCl
KCl
RbCl
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
Si
SiC
Sn
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
Li
Na
K
Rb
无方向性,高配位数,密度高,导电性高,塑性好,导热性好
氢键
H2O
HF
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
Ne
Ar
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
(6) 结合键分类
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,这些电子在键合后不在仅仅属于原来的电子。
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极小,仍属于原来的原子。
化学键最强、氢键次之、分子键最弱。