1、材料科学与工程概论材料科学与工程概论材料专业导论材料专业导论材料科学与材料科学与工程概论工程概论材料科学与工程导论材料科学与工程导论材料基础材料基础 无机非金属材料无机非金属材料 金属材料金属材料 高分子材料高分子材料 复合材料复合材料生物材料生物材料 纳米材料纳米材料材料原子结构和原子间结合键材料原子结构和原子间结合键材料结构决定材料的性能（1）宏观组织结构肉眼或放大镜所能观察到的粗大晶粒或相的集合状态（2）显微组织结构光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒或相的集合状态，约10-710-4m。（3）原子排列结构称为晶体结构，X衍射，约为10-10m（4）原子的电子结构原子中电子的分布规律，这种
2、结构的尺度更小，电子间相互作用1 材料结构材料结构1.1 原子结构原子结构1.1.1 物质的组成物质的组成 物质是由无数微粒（分子、原子、离子物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。）按一定方式聚集而成的集合体。粒子粒子1.1.2 原子结构原子结构(atomic structure)原子是由原子核原子是由原子核(由带正由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子和核外电子(带负电荷带负电荷)构构成。成。原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。子核内，原子核的密度很
3、大。1.1.3 原子的电子结构原子的电子结构 电子云电子云(election atmosphere)1.描述描述原子中一个电子的位置和能量用四个量子数原子中一个电子的位置和能量用四个量子数(quantum number)：主量子数（电子层）、轨道量子数（电子亚层）：主量子数（电子层）、轨道量子数（电子亚层）、磁量子数（轨道数）、自旋角动量子数（自旋方向）。、磁量子数（轨道数）、自旋角动量子数（自旋方向）。2.核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原不相容原理理(Pauli principle)、Hund规则规则(Hund s rule)。原
4、子结构、原子排列原子结构、原子排列2.原子间作用力和结合能原子间作用力和结合能一般情况下元素以分子或液态及固态存在，液态和固态称为凝聚态。凝聚态之所以成为物质常见的存在状态，说明原子间存在着把它们束缚在一起的相互作用力，或称它们之间存在结合键。不同材料内部存在着不同类型的结合键。2 原子间的结合键原子间的结合键2.1 原子聚集态特点原子聚集态特点 气态分子存在 凝 液态剪切模量G=0，弹性模量E=0 状 聚 常态结合键（化学键）态 态 固态体积模量K大，弹性模量大 势能及作用力与原子间距离的关系 2元素周期表元素周期表 2原子的电离能、电子亲合能和电负性原子的电离能、电子亲合能和电负性（补充）
5、（补充）1.电离能电离能(ionization energy)气态原子失去一个电子成为一价气态原子失去一个电子成为一价正离子所需要的最低能量称为第一电离能。从一价正离子失去正离子所需要的最低能量称为第一电离能。从一价正离子失去一个电子成为二价正离子所需要的最低能量称为第二电离能。一个电子成为二价正离子所需要的最低能量称为第二电离能。依此类推。电离能依此类推。电离能 的大小可以反映原子失去电子的难易程度。的大小可以反映原子失去电子的难易程度。单位：电子伏特或千伏单位：电子伏特或千伏/摩尔。摩尔。2.电子亲合能电子亲合能(electron affinity)气态原子获得一个电子成为一气态原子获得一
6、个电子成为一价负离子所释放的能量。价负离子所释放的能量。3.电负性电负性(electronegativity)原子在化合物中把电子吸引向自己原子在化合物中把电子吸引向自己的本领。的本领。1.2 原子间的键合原子间的键合结合键结合键(binding bond)：1.是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。2.结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。3.从原则上讲，只要能从理论上正确地分析和计算结合键，就能从原则上讲，只要能从理论上正确地分析和计算结合键，就能预测物质的各项性质。因此，结
7、合键的分析和计算乃是各种分预测物质的各项性质。因此，结合键的分析和计算乃是各种分子和固体电子理论的基础。子和固体电子理论的基础。4.目前还不能对各种物质的结合键进行准确的理论计算。目前还不能对各种物质的结合键进行准确的理论计算。5.各种键合本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用即各种键合本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用即库仑力。库仑力。6.根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为五类：根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为五类：金属键、离子键、共价键；金属键、离子键、共价键；分分子键（范德华力）和氢子键（范德华力）和氢键。键。化学键化学键 物理键物理键 1.2.1
8、化学键（主价键、一次键）化学键（主价键、一次键）1.金属键金属键(metallic bond)1）自由电子）自由电子弥漫于金属正离子间弥漫于金属正离子间 金属原子的外层电子数比较少，且各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。2）定义：）定义：由金属正离子和自由电子之间互相作用所构成的键合称为金属键。3）特点：）特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。4）可以解释金属的一些特征：）可以解释金属的一些特征：如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的电阻温度系数属光泽，正的电阻温度系数。图图3 金属键示金
9、属键示意图意图2.离子键离子键(ionic bond)金属正离子金属正离子非金属负离子之间非金属负离子之间 特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性和饱和性。和饱和性。可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。以以 NaCl为例：为例：1）金属原子放弃一个外层电子，非）金属原子放弃
10、一个外层电子，非金属原子得到此电子使外层填满，结金属原子得到此电子使外层填满，结果双双变得稳定。果双双变得稳定。2）金属原子失去电子带正电荷，非）金属原子失去电子带正电荷，非金属原子得到电子带负电荷，双双均金属原子得到电子带负电荷，双双均成为离子成为离子3）离子键键的大小在离子周围各个离子键键的大小在离子周围各个方向上都是相同的，故没有方向性和方向上都是相同的，故没有方向性和饱和性。饱和性。解释：熔点高、硬度高、固态下绝缘解释：熔点高、硬度高、固态下绝缘性好、熔融时可以导电等。性好、熔融时可以导电等。图图5 Cl与与Na形成离子键形成离子键图图4 NaCl 晶体晶体3.共价键共价键(coval
11、ent bond)两个或多个原子间通过共用电子对而形成的化学键。两个或多个原子间通过共用电子对而形成的化学键。特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。性，配位数较小、各键间都有确定方位。可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。图图7 SiO2四面体晶体结四面体晶体结构构（由共价键方向性特点（由共价键方向性特点 决决定）定）图图6 形成共价键的形成共价键的SiO2（蓝色圆圈代表（蓝色圆圈
12、代表Si的价电子，的价电子，红色圆圈代表红色圆圈代表O的价电子）的价电子）表表1 几种材料的结合能和熔点几种材料的结合能和熔点 2.2 物理键（次价键、二次键）物理键（次价键、二次键）1.范德华力范德华力(Van Der Waals force)，也叫分子键。，也叫分子键。1）微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用）微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用 2）特点：除高）特点：除高分子材料外，键的结合分子材料外，键的结合不如化学键牢固，不如化学键牢固，无饱和性，无方向性。无饱和性，无方向性。2.氢键氢键(hydrogen bond)1）分子间特殊作用力）分子间特殊作用力 2）表达为：）表达为：XHY 3）
13、特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间）特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。4）氢键主要存在于高分子材料内。）氢键主要存在于高分子材料内。2.3 混合键混合键 （补充）（补充）实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键 金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键 陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力 聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间
14、则为范德聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键华力或氢键2.4 结合键的本质及原子间距（补充）结合键的本质及原子间距（补充）原子间距：两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，两原子便稳定在原子间距：两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离此相对位置上，这一距离r0相当于原子间的平衡距。相当于原子间的平衡距。把两个原子平衡把两个原子平衡距离下的作用能称为原子的结合能（距离下的作用能称为原子的结合能（E）。结合能的大小相当于把两）。结合能的大小相当于把两原子分开所需做的功，原子分开所需做的功，E越大，原子结合越稳定。离子键、共价键的越大，原子结合
15、越稳定。离子键、共价键的E最大；金属键的次之；范德华力的最小。最大；金属键的次之；范德华力的最小。原子能量与原子间距的关系原子能量与原子间距的关系2.5 结合键与性能结合键与性能1.物理性能物理性能 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共、离子键化合物的熔点的高低代表了材料稳定性程度。共、离子键化合物的Tm较高。较高。密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列排列 导热、导电性导热、导电性 2.力学性能力学性能 弹性模量与结合能有
16、较好的对应关系。弹性模量与结合能有较好的对应关系。强度强度 塑性塑性3 高分子链高分子链3.1 近程结构（一级结构）近程结构（一级结构）1.链结构单元链结构单元 2.分子结构分子结构 线型、支化、交联结构线型、支化、交联结构 3.共聚物结构共聚物结构 共聚物结构类型：无规则聚合物、交替聚合物、接枝共聚物、嵌段共聚共聚物结构类型：无规则聚合物、交替聚合物、接枝共聚物、嵌段共聚物物 4.高分子链的构型高分子链的构型 旋光异构（全同、间同、无规）、几何异构（顺式、旋光异构（全同、间同、无规）、几何异构（顺式、反式）反式）3.2 远程结构远程结构（二级结构）（二级结构）1.高分子大小高分子大小 2.高
17、分子链的内旋构象高分子链的内旋构象 3.影响高分子链柔性的主要因素影响高分子链柔性的主要因素 主链结构、取代基、交联主链结构、取代基、交联类 型 作用力来源键合强弱 形成晶体的特点 离子键 原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力 最强 无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电 共价键 相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力 强有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电 金属键 自由电子气与正离子实之间的库仑引力 较强无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热导电性 分子键 原子间瞬时电偶极矩的感应作用 较弱无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘氢键 氢原子核与极性分子间的库仑引力 弱有方向性和饱和性 硼氮共掺杂石墨纳米管封装中空过渡金属氧化物(tmo)纳米材料之美材料之美
