第2章 固体材料的原子排列2014
材料科学基础_第2章_固体材料的结构
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
25
体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
26
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
配位数： CN=8 致密度： k=0.68
31
密排六方晶格原子位置
32
密排六方晶格晶胞原子数
33
密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
35
密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。
材料科学基础 第二章 固体材料的结构
第二章固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。
原子之间的作用结合键与晶体结构密切相关。
通过研究固体材料的结构可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征。
固体材料主要包括：金属、合金、非金属、离子晶体、陶瓷研究方法：X光、电子、中子衍射——最重要、应用最多§2-1 结合键结合键——原子结合成分子或固体的结合键决定了物质的物理、化学、力学性质。
一切原子之间的结合力都起源于原子核与电子间的静电交互作用（库仑力）。
不同的结合键代表了实现结构）的不同方式。
一、离子键典型的金属与典型的非金属元素就是通过离子键而化合的。
从而形成离子化合物或离子晶体由共价键方向性特点决定了的SiO2四面体晶体结构极性共价键非极性共价键五、氢键含有氢的分子都是通过极性共价键结合，极性分子之间结合成晶体时，通过氢键结合。
例如：H 2O ，HF ，NH 3等固态冰液态水§2-2 金属原子间的结合能一、原子作用模型固态金属相邻二个原子之间存在两种相互作用：a) 相互吸引——自由电子吸引金属正离子，长程力；b) 相互排斥——金属正离子之间的相互排斥，短程力。
平衡时这二个力相互抵消，原子受力为0，原子处于能量最低状态。
此时原子间的距离为r0。
§2-3 合金相结构基本概念♦合金——由两种或两种以上的金属或金属非金属元素通过化学键结合而组成的具有金属特性的材料。
♦组元、元——组成合金的元素。
♦相——具有相同的成分或连续变化、结构和性能的区域。
♦组织——合金发生转变（反应）的结果，可以包含若干个不同的相，一般只有一到二个相。
♦合金成分表示法：(1) 重量（质量）百分数A-B二元合金为例m B——元素B的重量(质量m A——元素A的重量(质量合金中的相分为：固溶体，化合物两大类。
固溶体金属晶体(溶剂)中溶入了其它元素(溶质)后，就称为固溶体。
一、固溶体的分类：♦按溶质原子在溶剂中的位置分为：置换固溶体，间隙固溶体♦按溶解度分为：有限固溶体，无限固溶体♦按溶质原子在溶剂中的分布规律分为：有序固溶体，无序固溶体置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。
材基第2章 固体结构
空间点阵
这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全 相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则 排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。
晶胞
具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作 为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维 的重复堆砌就构成了空间点阵。
H
13
晶胞选取的原则
同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同 的晶胞
金
H
1
金 的 金 相 照 片
金 的 T E M 照
片
金纳米颗粒的TEM照片
H
2
金的AFM 照片
H
3
镍的STM 照片
H
4
镍的操纵排列照片
H
5
铁的操纵排列照片
钴的操纵排列照片
H
6
铜的操纵排列照片
H
7
氙的操纵排列照片
H
8
扫描隧道显微镜 (STM)
H
9
第2章 固体结构
物质：气态 液态 固态
H
34
六方晶系晶面指数标定
根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用a1 ，a2，a3及c四个晶轴，a1，a2，a3之间的夹角 均为120度，这样，其晶面指数就以(h k i l）四 个指数来表示。
根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多 不超过三个。前三个指数中只有两个是独立的， 它们之间存在以下关系：i ＝－ ( h + k ) 。
数
H
29
•晶向指数
任意阵点P的位 置可以用矢量或 者坐标来表示。
OP = u a + v b + wc
晶向指数：[ u v w]
H
30
晶向指数的例子
正交晶系一些重要晶向的晶向指数
第二章无极精细化学品第2-3节单晶化、非晶化
3单晶
一、非晶态合
元素周期
大家都知道的非晶态材料仅有窗玻璃，它的主要成分是非晶态二氧化硅。
非晶态材料是
由晶态材料变来的。
它们相比有两个最基本的特点：一是非晶态材料中原子排列不具有周期性；二是非晶态材料属于热力学的亚稳态。
在晶态中，原子的排列是规则的、有序的，共有
32种基本排列方式，从一个原子位置出发，在各个方向每隔一定的距离，一定能找到另一
个相同的原子；而在非晶态中，原子排列混乱，千变万化、无章可循。
无定型材料、无序材料、玻璃态材料是它的别名。
非晶态合金是在研究合金快速淬火处理过程中意外发现的。
这一发现从根本上解决了晶
态和非晶态之间的转换难题。
非晶态金属又称玻璃金属，分为金属-半金属合金系、金属-金
属合金系。
讲
授
山东理工职业学院教案纸
山东理工职业学院教案纸。
第2章 固体材料的原子排列
氢原子在两个电负性较大的原子或原子团之间形成一个桥梁，把 两者结合起来，成为氢键
氢键可以表达为：X-H—Y
氢键的结合力
氢键的结合力比范德瓦尔斯键结合力强
在带有—COOH、—OH、—NH2原子团的高 分子聚合物依靠氢键将长链分子结合起来 氢键在一些生物分子如DNA中也有重要作用
各种结合键比较
电负性
同一周期元素自左至右电负性逐步增加 同一族元素自上而下电负性逐渐减少 过渡族元素的电负性比较接近。
这种变化趋势可以这样理解：对于具有N个价电子的原子，其中每个 价电子不仅受到带正电的原子核的库仑吸引作用，还受到其他（N－ 1）个价电子对原子核电荷的屏蔽作用。由于这种屏蔽作用不完全， 因此，作用在价电子上的有效电荷在+e到+Ne之间，随N增大，有 效电荷将加强，因而在同一周期中元素自左至右电负性增大。对于同 一族元素，自上而下价电子距原子核距离越来越远。因此库仑作用减 弱，电负性减小。
共价键（cov子活动能力小，共价键晶体的 断裂必须断开了两个原子间的公用电子对，因此，共价键 晶体熔点高、质硬脆、导电能力差
非金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料 实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成
某些陶瓷化合物中混合键的相对比例
混合键
一些材料中独立存在两种类型的键
一些气体分子以共价键结合，分子凝聚则依靠范德瓦尔斯键 高分子聚合物和许多有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间以范德瓦尔斯键或氢键结合 石墨（碳）的片层上是共价键结合，片层与片层之间是范德 瓦尔斯键结合
6 . 材料的结合键与性能
结合键：原子（离子或分子）间的作用力
原子的规则排列完美版资料
• 能够反映晶格特征的最小几何单元叫晶胞。 通常取一个最小的平行六面体作晶胞，称 为点阵晶胞，也叫做物理学原胞，其特点 是一个点阵晶胞只含一个基元。
• 选取点阵晶胞的一个角点为原点，3条棱边为坐标 轴(称为晶轴)，则晶胞形状和大小可用3条棱边的
• 为了同时反映晶体的空间对称性，结晶学中常取 立方：a=b=c, α=β=γ=90º
由结点组成的任意平面都代表晶体的原子平面，称为晶面。
点阵晶胞的几倍作为最小几何单元，称为结构晶 菱方：a=b=c, α=β=γ≠90º
其微观特点是周期性和对称性； 穿过两个以上晶格结点的任意直线都代表晶体中一个原子列的空间位向，称为晶向；
由阵点在三维空间排列成的阵列叫空间点阵space lattice。 穿过两个以上晶格结点的任意直线都代表晶体中一个原子列的空间位向，称为晶向；
4 将坐标比化为简单整数比：x:y:z=u:v:w，把所得最小整数组(没有公倍数)加上方括号即为AB晶向的晶向指数[uvw]。 选取点阵晶胞的一个角点为原点，3条棱边为坐标轴(称为晶轴)，则晶胞形状和大小可用3条棱边的长度a,b,c(称点阵常数)和晶轴之间的 夹角α,β,γ共6个参数来表达。 菱方：a=b=c, α=β=γ≠90º
• 3 选取OP上离原点最近的结点坐标(x,y,z)。
• 4 将坐标比化为简单整数比：x:y:z=u:v:w， 把所得最小整数组(没有公倍数)加上方括号 即为AB晶向的晶向指数[uvw]。若其中某 数为负，则将负号标于该数上方(如[uvw])。
空间点阵与晶系
• 三斜：a≠b≠c, α≠β≠γ≠90º • 单斜：a≠b≠c, α=β=90º≠γ • 正交：a≠b≠c, α=β=γ=90º • 六方：a=b≠c, α=β=90º, γ=120º • 菱方：a=b=c, α=β=γ≠90º • 正方：a=b≠c, α=β=γ=90º • 立方：a=b=c, α=β=γ=90º
2014年《材料科学基础》作业
注意：习题按以下内容结构给出，加深理解本课程的内容和结构。
绪论第一篇材料的原子结构第一章材料的原子结构第二篇材料的晶体结构与缺陷第二章材料的结构第三章晶体结构缺陷第七章晶态固体材料中的界面第三篇材料的组织结构第五章相平衡与相图第四章晶态固体中的扩散第六章材料的凝固-----材料的制备工艺基础理论材料的结构相图与相变【综合习题】绪论一、填空题1、材料科学主要研究的核心问题是结构和性能的关系。
材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是原子水平，第二个水平是原子的排列方式，第三个水平是显微组织。
2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为结构材料和功能材料两大类。
根据原子之间的键合特点，材料分为金属、陶瓷、高分子和复合材料四大类。
第一篇材料的原子结构第一章材料的原子结构一、填空题1. 金属材料中原子结合以金属键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以共价键和离子键结合键为主，聚合物材料以共价键和氢键和范德华键为主。
第二篇 材料的晶体结构与缺陷第二章 材料的结构一、填空题1、晶体是 基元以周期性重复的方式在三维空间作有规则排列的固体。
2、晶体与非晶体的最根本区别是 晶体长程有序，非晶体长程无序短程有序 。
3、晶胞是 晶体结构中的最小单位 。
4、根据晶体的对称性，晶系有 3 大晶族， 7 大晶系， 14 种布拉菲Bravais 点阵， 32 种点群， 230 种空间群。
5、金属常见的晶格类型有 面心立方 、 体心立方 、 密排六方 。
6、fcc 晶体的最密排方向为 【111】 ，最密排面为 （110） ，最密排面的堆垛顺序为 ABCABCABC …… 。
7、fcc 晶体的致密度为 0.84 ，配位数为 12 ，原子在（111）面上的原子配位数为 6 。
8、bcc 晶体的最密排方向为 【110】 ，最密排面为 （111） ，致密度为 0.76 ，配位数为 8 。
9、晶体的宏观对称要素有 对称点 、 对称轴 、 对称面 。
(修改)工程材料习题集参考答案(第二章)武汉理工大学,考试试题(含原题),2014年
习题集部分参考答案2金属的晶体结构思考题1.晶体和非晶体的主要区别是什么？答：晶体和非晶体的区别在于内部原子的排列方式。
晶体内部的原子（或分子）在三维空间按一定规律作周期性排列，而非晶体内部的原子（或分子）则是杂乱分布的，至多有些局部的短程规律排列。
因为排列方式的不同，性能上也有所差异。
晶体有固定的熔点，非晶体没有，晶体具有各向异性，而非晶体则是各向同性。
2.何为各向异性？答：各向异性是指晶体的某些物理性能和力学性能在不同方向上具有不同的数值。
3.为什么单晶体呈各向异性，而多晶体通常呈各向同性？答：单晶体是原子排列方位完全一致的一个晶粒，由于在不同晶向上原子密度不同，原子间的结合力不同，因而导致在单晶体中的各个方向上性能差异。
对于多晶体中的任意一个晶粒来看，基本满足单晶体的特征，呈现各向异性，但是在多晶体系统中，单一晶粒的各向异性已经被周围其他位向的晶粒所“干扰”或“抵消”，整个多晶系统呈现其各向同性。
4.什么叫晶体缺陷？晶体中可能有哪些晶体缺陷？他们的存在有何实际意义？答：晶体缺陷是指金属晶体中原子排列的不完整性。
常见的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷三类，它们都会造成材料的晶格畸变。
点缺陷是指呈点状分布的缺陷，包含有空位、间隙原子和置换原子等，它对材料中的原子扩散、固态相变，以及材料的物理性能（电阻、体积、密度）等都会产生重大影响。
过饱和的点缺陷还可以提高材料的强度。
线缺陷是各种类型的位错。
对材料的变形、扩散以及相变起着非常大的作用。
特别它很好地解释了塑性变形的微观机理，使我们了解到滑移是借助于位错的运动来实现的。
当位错密度不高的情况下，位错支持了滑移，材料的塑性很好，但是当位错密度达到了较高的水平时，位错间的相互作用会造成位错的彼此“纠缠”，使滑移运动受阻，这时表现出材料的塑性变形的抗力提高，材料的强度提高。
金属晶体中面缺陷主要有晶界、亚晶界、孪晶界和相界等。
比如：晶界处原子的平均能量比晶内高，在高温时，晶粒容易长大。
2-2 固体中的原子有序
晶面组中最近两晶面间的距离叫晶面间距（interplanar spacing）
晶面指数低，面上具有较高的原子密度，间距大、作用力弱。 a 立方晶体： d h k l = h2 + k2 + l2 a 为点阵常数
使用X-射线衍射（X-ray Diffraction）结果，
通过布拉格定律（Bragg’s Law），可测定晶面间距： nλ= 2 d sinθ = M H’’ P （光程差） n = 1，2，3，，，为衍射级数；λ为波长；θ为衍射角
2-5 固体中的原子有序内容 (Perfections in Solids)
2-5-1 结晶的特性与晶体的性质 (Speciality and Properties of Crystals) 2-5-2 晶体几何学基础 (Fundamentals of Crystal Geometry)
2-5-3晶体的结构 (Crystalline Structures)
滑移量受点阵限制
M
t
2t
t
返回
2．点阵：
晶体结构的微观特征
某种结构单元（基元）在三维空间作周期性规则排列 基元：原子、分子、离子或原子团 (组成、位形、取向均同) 抽象为
基元
抽象为
几何点
基元的三维空间周期排列
点阵 + 基元 = 晶体结构
空间点阵
点阵反映晶体结构的平移对称 点阵是抽象的几何图形 点阵中每个阵点的周围定 有自发形成规则多面体外形的能力 稳定性 （晶体能量最低） 各向异性（物理性质不同） 均匀性（周期小，宏观连续）
返回 2.5
2-5-2 晶体几何学基础
(Fundamentals of Crystal Geometry)
固体物理第二章1-2
原因： 共价结合使两原子核间出现一个电子云密集区，降低了 两核间的正电排斥，使体系的势能降低，形成稳定的结构。
三、离子结合
离子晶体：电负性小的原子失去电子，电负性大的原子俘获电 子，二者结合在一起一个失去电子，变成正离子，一个俘获电子 变成负离子，二者靠库仑力吸引形成离子键，形成离子晶体。
当钠原子相互靠近相 距3.7 Å时，形成金 属钠。使价电子不再 属于某个特定离子实， 而是属于整个晶体， 成为公有化的电子， 离子实有规律地排列 在电子气中
Na晶体中轨道交叠
原子实物理模型：金属原子都失去了最外层的价电子而 成为原子实，原子实浸没在共有电子的电子云中。
结合力：金属晶体的结合力主要是原子实和共有化电子 之间的静电库仑力。
33As
205
34Se
-35
36Kr
45
-156
有关电子亲和能的规律：
电子亲和能一般随原子半径的减小而增大。因为原子半 径小，核电荷对电子的吸引力较强，对应较大的相互作用 势（负值）。所以当原子获得一个电子时，相应释放出较 大的能量。
02_01_离子性结合 —— 固体的结合
四、电负性（负电性 electronegtivity） 原子争夺电子能力的表达（不同角度）：电离能、亲和能。
结构：金属结合只受最小能量的限制，原子越紧密，电 子云与原子实就越紧密，库仑能就越低，所以金属原子是 立方密积或六角密积排列，配位数最高。金属的另一种较 紧密的结构是体心立方结构。 金属具有延展性的微观根源：原子实与电子云之间的作 用，不存在明确的方向性，原子实与原子实相对滑动并不 破坏密堆积结构，不会使系统的内能增加。 金属晶体的特点：金属的性质主要由价电子决定，金属 具有良好的导电性、导热性，不同金属存在接触电势差。
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元素的电负性值(鲍林标度)
元素 氢 碳 钠 磷 钙 铬 镍 锗 铷 铌 铑 铟 碘 铪 铅 电负性 2.20 2.55 0.93 2.19 1.00 1.66 1.91 2.01 0.82 1.6 2.28 1.78 2.66 1.3 2.33 元素 锂 氮 镁 硫 钪 锰 铜 砷 锶 钼 钯 锡 铯 钽 铋 电负性 0.98 3.04 1.31 2.58 1.36 1.55 1.90 2.18 0.95 2.16 2.2 1.96 0.79 1.6 2.02 元素 电负性 元素 铍 1.57 硼 氧 3.44 氟 铝 1.61 硅 氯 3.16 钾 钛 1.54 钒 铁 1.83 钴 锌 1.65 镓 硒 2.55 溴 钇 1.22 锆 锝 1.9 钌 银 1.93 镉 锑 2.05 碲 钡 0.89 镧 钨 2.36 铊 碘 2.66 电负性 2.04 3.98 1.90 0.82 1.63 1.88 1.81 2.96 1.33 2.2 1.69 2.1 1.1 2.04
混合键比例取决于元素的电负性差异
1）电负性
描述原子获得电子的趋势。 当自由原子凝聚而成固体时，邻近原子间将发生化学交互作用。有 些原子易于失去电子，有些原子易于得到电子，为了科学地比较各 种元素的原子得失电子的难易程度，引入了元素电负性的概念，用 它来表征一种元素的原子对外层电子的吸引能力，通常采用密立根 定义： 电负性＝0.18(I1+A1)（ev） 式中x为某种元素的原子，I1为该原子的第一电离能，A1为电子亲 和能，系数0.18是为了使Li原子的电负性为1ev。显然原子的电负 性越大，吸引电子的能力越强。
离子键（Ionic bonding)
在许多技术应用中，可以通过升高温度、增加 化学势梯度或化学驱动力来应用离子导电。 如: 锂电池：应用Li-Co氧化物导电 固体氧化物燃料电池： ZrO2 Al，Mg电解生产利用氧化铝，氧化 镁的 高温导电性
8
共价键（covalent bonding）
1）定义： 当不是离子而是原子作为结合成分子的基元时，把原子 结合形成分子的键称为共价键（或原子键）。实质：由二个 或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成。
e 金属原子 非金属原子 带正电的正离子（Cation） 带负电的负离子（anion）
静电引力 离子键
实质：
最典型的离子键结合的材料是通式为MX的二元离晶体， M代表金属元素，X代表非金属元素。
离子键（Ionic bonding)
如NaCl,其中碱金属Na易于失去外层电 子形成钠离子，Na+ ，而卤族元素氯却 易接受钠原子所失去的电子形成氯离子， Cl- ，在这种正负离子之间的静电库仑吸 引作用下便形成了离子晶体。 MgO、Mg2Si、 CuO、CrO2、MoF2 等也是离子键结合为 主
远远低于化学键，范德瓦尔斯键聚合的材料稳定性非常差
液氮在室温下的热扰动就可以破坏范德瓦尔斯键结合，变成气体
氢键
氢键的本质与范德瓦尔斯键一样 靠原子或分子、原子团的偶极吸引力结合 起来的 氢键中氢原子起了关键作用
氢键
氢原子只有一个电子
氢原子与电负性很强的X结合成为分子时，氢离子一侧实际上是 一个裸露的质子，对电负性较大的原子Y表现出强烈的吸引力
共价键（covalent bonding）
(3) 共价键结合力很强，电子活动能力小，共价键晶体的 断裂必须断开了两个原子间的公用电子对，因此，共价键 晶体熔点高、质硬脆、导电能力差
非金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料 实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成
NaCl的晶胞 (实心点Na＋ 空心点Cl－)
离子键（Ionic bonding)
2）特点
（1）离子具有球对称性，所以这样的
离子键束缚力是没有方向性的。 （2）离子键相当强，正负离子间的吸
引能的数量级约几个电子伏特，因此靠
离子键结合而成的离子晶体有相当高的 强度、硬度及很高的熔点。
（3）离子键材料导电性很差，因为电 荷的迁移是以整个离子运动方式进行的 （图2-4），而离子的运动不象电子那 么容易。
统计的角度，电子的分布球形对称性，无偶极距
实际：原子负电荷中心与正电荷中心不重叠，产生偶极距 极性分子正、负电性位置不一致，也有类似的偶极距
a-理论电子云分布；b-产生原子偶极距；c原子或分子间范德瓦尔斯键结 合
分子键（范德瓦尔斯力）与氢键
原子或分子互相靠近时，电子密度在靠近第一个原子的正电荷的地方 要高，这样使两个原子相互静电吸引，从而使体系处于较低的能量状 态 特点： a 不带电粒子之间偶极吸引力结合 大部分气体由范德瓦尔斯键聚合成液态甚至固态，塑料、石蜡等也是 依靠范德瓦尔斯键将大分子链结合为固体 b 结合力低
ⅣA、ⅤA族元素， 相邻两个原子利用 共有电子对达到稳 定电子结构
共价键典型结构如图所示（Si）。
共价键（covalent bonding） 8-N规则， N是元素的价电子数
N大于4，即共用电子对数小于4时不能形成象金刚石那 样的空间网络大分子
ⅤA族元素三个共用电子，元素结合成层状大分子 ⅥA族元素二个共用电子对，元素结合成链状大分子 链状、层状大分子再依靠二次键结合成为大块 固体材料
共价键（covalent bonding）
（2）方向性 这是由于从电子的运动空间来看，S态电子的运动是绕原 子核成球形对称的，但三对P电子的运动则是分别成“棒槌状”，互相垂 直的，因此共键价若含有P电子，就具有方向性。 如每个硅原子通过四个共价键与4 个邻近原子结合（图2-6）,每个共价 键间的夹角是109o（图2-7），电子位于这些共价键附近的几率要比位 于原子核周围的其他地方高得多。
共价键（covalent bonding）
共价键典型结构（SiO2）。
The tetrahedral structure of silica (Si02), which contains covalent bonds between silicon and oxygen atoms (for Example 2-6)
分子键（范德瓦尔斯力）与氢键
分子键（范德瓦尔斯力）
分子或原子团具有极性，存在于中性的原子或分子之间的结合力
结合力小，易变形，熔点低，硬度低 塑料
氢键
含氢物质中，H 与其它原子形成共价键，共有电 子偏离H ，H 与另外一原子吸引，形成附加键 有方向性，结合力较强，比离子键、共价键小 H2O
范德瓦耳斯键
共价键
方向性，低配位数，纯金属低温导电率很小
金属键
无方向性，高配位数，密度高，导电性高，塑性好
分子键
氢键
Ne Ar
H2O HF
0.020 0.078
0.52 0.30
低熔点、沸点压缩系数大，保留分子性质
结合力高于无氢键分子
6 电负性与混合键
大部分材料的内部原子结合键往往是各种结合键的混合
大多数工程材料的结合键是混合的，材料的性能可以在很 大的范围内变化；
第二章
材料中的原子排列
物质(Substance)是由原子（atom）组成 决定材料性质最为本质的内在因素： 组成材料各元素原子结构 原子间相互作用，相互结合－化学建 原子或分子在空间的排列，运动规律－晶体结构 原子集合体的形貌特征－相 在材料科学中，原子的电子结构—原子间的键合本质决定了： 材料分类： 金属 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力学
金刚石的原子结合
依靠共价键将碳原子连接成坚固的网络状大分子 碳与周围4个碳原子电子组成4个共用电子对，达到稳定电 子结构。电子对在空间相互成109.5°，形成正四面体，碳 原子分别处于四面体中心和四个顶角位置
共价键（covalent bonding）
2）特点： 共价键有二个特点： （1）饱和性，即一个原子只能形成一定数目的共价键， 因此只能与一定数目的原子相键合。
为了增加晶体的稳定性，即降低体系的 内能，金属中原子排列都尽可能的紧密， 倾向于有更多的近邻原子。相对于离子键 和共价键来说，金属键是比较弱的，因此， 性能上反映出金属的熔点低、硬度低。
4. 二次键
惰性气体、CH4、CO2、H2和H2O，分子内部共 价键结合，单个分子的电子结构十分稳定 气体分子之间凝聚依靠原子之间的偶极吸引力结 合而成，就是二次键 二次键又可以分为范德瓦耳斯键和氢键
金属元素，良好塑性，导电性、导热性
金属键（Metallic bonding）
金属原子正常堆积时的金属键及电子云示意图
金属键特征
2）特点：
（1）电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密 堆结构。
正离子间改变相对位置不破坏电子与正离子间的结合，金属 有良好塑性 金属正离子被另外一种金属正离子取代不会破坏结合键，金 属之间溶解的能力（称为固溶）
结合键：原子（离子或分子）间的作用力
原子的键合
材料的许多性能在很大程度上取决于原 子结合键
根据结合键可将材料分为金属、无机材料和高分子材料
金刚石和石墨，具有不同的键合方式，性质不一
金属、半导体和绝缘体材料原子结合情况不同，导致具 有不同的能带结构，有着截然不同的导电性
2.1.1 原子的键合Biblioteka 化学键2.1
原子的键合
材料的液态和固态称为凝聚态
凝聚态下，材料的原子间的距离小，原子之间产生的 相 作用力使原子结合在一起，形成了键合 ，这种相互作 用包括三个方面：
A 来自于异号电荷的库仑相互作用引起的吸引力 B 来自于同号电荷的库仑相互作用引起的排斥力。