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材料物理第二章.ppt

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1,,2材料结构理论本章介绍金属键、离子键、共价键和极化键的特点,以及这些键合类型对材料性能的影响;介绍有关晶体学的一些基本知识;讲解密勒指数和密勒-布喇菲指数的应用方法;从原子(分子)排列的角度,介绍晶体、准晶、非晶和液晶等材料;了解进行晶体结构实验的设备手段。要求掌握原子结合方式(四种结合键的结合原理)和四种结合键对材料性能(脆性、导电性和导热性)的影响,会确定晶向和晶面指数,根据晶向和晶面指数会计算晶向和晶面密度。了解准晶、非晶和液晶和光学显微镜、电子显微镜等。,2,,2.1概述:决定材料性能的主要因素按重要性排列:化学成分,结构,组织,形状等。不同化学成分:即使结构、组织、形状都相同,其性能也可能相差很大;相同化学成分:可以通过改变其结构、组织、形状等来改变性能,但这种改变很有限。材料在使用过程中,结构、组织、形状都可能发生变化,但组成这一材料的元素一般不会变化。但也有例外,例如,核嬗变反应(由中子辐照引起的原子种类发生变化的现象),不仅会,3,,使材料带有放射性,而且还会改变材料的化学成分,进而影响材料的性能。在半导体材料中,常利用核嬗变反应进行施主和受主的掺杂。材料的结构:指材料中原子的排列方式。同一种元素的原子,可以组成不同结构的材料。例如,石墨和金刚石,都是由碳原子组成,但它们的结构完全不同,其性能也差之千里。同素异构体:由一种元素组成具有不同结构的材料。,4,,原子的什么特性决定它的排列方式呢?目前还正在探索之中。材料的组织:表示晶粒的取向以及它们的尺寸等有关概念,就是材料的组织。材料的尺寸也影响材料的使用性能。例如,在研究材料断裂时,要考虑材料尺寸。2.2原子结合与结合键决定材料晶体结构 内因—原子之间的结合方式,即结合键(离子键、共价键、金属键、极化键四种)外因—温度、压力等,5,,2.2.1离子键正电性元素和负电性元素依靠静电作用结合,这种结合方式称为离子键。图2.1表示离子键的结合原理。例如,氯化钠晶体(食盐颗粒)就是离子键结合的物质。正电性元素失去电子,同时负电性原子得到电子,从而各自形成正离子和负离子。离子键物质的导电性一般不好,因为电荷的流动需要通过离子的移动来实现,而这些离子的尺寸通常很大,不像电子那样容易移动。,6,,,7,,2.2.2共价键相邻原子各给出一个电子,作为两个原子的公共电子,这种两个相邻原子通过公共电子(共价电子)结合的方式称为共价键。,8,,图2.2表示共价键的结合原理。在硅晶体中,硅原子之间完全以共价键相结合,每一个硅原子周围都有其它4个硅原子以一定角度与其结合。共价键的结合力非常强,且具有方向性。因此象陶瓷、半导体等共价键结合的材料的塑性很差,而且导电性和导热性都不好。,9,,离子键的形成需要电荷的转移,然而许多化学键的形成并不存在明显的电荷转移现象,而是同号电荷聚集在两个原子之间。也可以说是两个原子都贡献出电子,在这两个原子中间的区域有较高的电荷密度,抵消了部分原子核间的库仑斥力并且产生静电相互作用,因而有利于形成共价键。,10,,2.2.3金属键 失去了价电子的金属原子成为正离子,嵌镶在共有的价电子云中,依靠共有化电子的静电作用而相互结合,这种结合方式称为金属键。图2.3表示金属键的结合原理。,11,,处于凝聚状态的金属原子,将它们的价电子贡献出来,作为整个原子基体的共有电子。电子自由游移于正离子之间,遍及整个晶体,构成近自由电子,这就像是正离子浸在近自由电子的海洋之中。金属键在本质上和共价键有类似的地方,但是其外层电子比共价键更共有化,这些共有化的电子也称为自由电子。金属中的金属键使得价电子可以在整个材料中运动,因此金属常为韧性材料,具有很好的导电性和导热性。,12,,2.2.4极化键一些本身不易得失电子的中性原子或分子相互结合时,其内部的电子可能发生不均匀的重新分布。由于电荷的不均匀性使原子或分子一端呈负电性,另一端呈正电性,依靠正负极的相互作用而结合的结合方式称为极化键。图2.4表示极化键的结合原理。,13,,14,,当分子中的氢原子出现这种极化现象时,又可称为氢键。氢原子与非金属元素(如氟、氧、氮等)结合形成分子时,共价电子会更靠近非金属原子而偏离氢原子,从而使分子具有极性。氢原子呈正电性,非金属原子呈负电性。这样,一个分子里的氢原子与另一个分子里的非金属原子之间形成极化键(氢键)而相互连接起来。极化键是一种二次键。一个分子里的原子之间通过共价键或离子键结合,这是一次键。这些分子之间则又通过极化键相结合。,15,,离子键、共价键和金属键均属于强键,而极化键则属于弱键。极化键能够戏剧性地改变材料的性能高分子材料通常是共价键结合,所以共价键的PVC塑料似乎应该是脆性的。但是这种材料中含有许多很长的链状分子,如图2.5所示。每个分子链内部的原子是通过共价键
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