材料科學基礎主講：李克教授緒論

第一章原子結構與鍵合

第二章固體結構

第三章晶體缺陷

第四章固體中原子及分子的運動

第五章材料的形變與再結晶

第六章單組元相圖及純晶體的凝固

第七章二元相圖及其合金的凝固2023/2/11《材料科學基礎》CAI課件-李克材料的微觀結構（MicrostructureofMaterials）了解物質由原子組成，而組成材料的各元素的原子結構和原子間的鍵合是決定材料性能的重要因素。

決定材料性質最為本質的內在因素包括：組成材料各元素原子結構，原子間相互作用和相互結合，原子或分子在空間的排列（晶體），運動規律，以及原子集合體的形貌特征第一章原子結構與鍵合

AtomicStructureandInteratomicBonding1、原子結構2、原子間的鍵合2023/2/12《材料科學基礎》CAI課件-李克物質(Substance)是由原子（atom）組成在材料科學中，最為關心原子的電子結構原子結構直接影響原子間的結合方式;原子的電子結構—原子間鍵合本質原子結構--決定材料分類：金屬、非金屬、陶瓷、高分子--決定材料性能：物理、化學、力學※1原子結構

（AtomicStructure）2023/2/13《材料科學基礎》CAI課件-李克一、物質的組成（SubstanceConstruction）物質由無數微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：單獨存在保存物質化學特性

dH2O=0.2nmM(H2)為2M（protein）為百萬原子（Atom）：化學變化中最小微粒量子力學中，原子還可以再分-聚變和裂變（聚變一般是指氘和氚聚變成氦的過程，常見裂變有鈾、钚等的裂變）E=mC22023/2/14《材料科學基礎》CAI課件-李克二、原子的結構1879年J.J湯姆孫發現電子（electron),揭示了原子內部秘密1911年E.盧瑟福提出原子結構有核模型1913年玻爾將Bohratomicmodel

2023/2/15《材料科學基礎》CAI課件-李克描述原子中一個電子的空間和能量，可用四個量子數（quantumnumbers）表示三、原子的電子結構單原子體系、多原子體系；詳見“固體能帶理論”2023/2/16《材料科學基礎》CAI課件-李克核外電子的排布遵循的三個原則沒有狀態相同的電子(4個量子)保證能量最低—穩定2023/2/17《材料科學基礎》CAI課件-李克四、元素周期表（PeriodicTableofElements)元素（Element）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，核電荷數是劃分元素的依據同位素（Isotope）：具有相同的質子數和不同中子數的同一元素的原子

元素有兩種存在狀態：游離態和化合態（FreeState&CombinedForm)2023/2/18《材料科學基礎》CAI課件-李克7個橫行（Horizontalrows)周期（period）按原子序數（AtomicNumber)遞增的順序從左至右排列18個縱行（column）16族（Group），7個主族、7個副族、1個第Ⅷ族、1個零族（InertGases）最外層的電子數相同，按電子殼層數遞增的順序從上而下排列。2023/2/19《材料科學基礎》CAI課件-李克周期規律：原子序數＝核電荷數周期序數＝電子殼層數主族序數＝最外層電子數零族元素最外層電子數為8（氦為2）價電子數（Valenceelectron）2023/2/110《材料科學基礎》CAI課件-李克※2原子間的鍵合

(

Bondingtypewithotheratom)結合鍵：原子結合形成分子或固體時，原子間產生的相互作用力，稱為結合力，也叫結合鍵。結合力從本質上講都起源于原子核和電子間的靜電交互作用（庫倫力）。

2023/2/111《材料科學基礎》CAI課件-李克一、金屬鍵（Metallicbonding）典型金屬原子結構：最外層電子數很少，即價電子（valenceelectron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Freeelectron），形成電子云（electroncloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構成鍵合稱為金屬鍵特點：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結構性質：良好導電、導熱性能，延展性好配位數：金屬晶體多采取配位數為12的密堆積，少數金屬為體心立方結構，配位數為8。第Ⅰ族堿金屬、第Ⅱ族堿土金屬及過渡元素晶體都是典型的金屬晶體。過渡金屬兼有金屬鍵和共價鍵，前者提供良好的導電性和導熱性，后者提供強度。2023/2/112《材料科學基礎》CAI課件-李克二、離子鍵（Ionicbonding)特點：以離子而不是以原子為結合單元，要求正負離子相間排列，且無方向性（得失電子位置不確定），無飽和性性質：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體，膨脹系數小配位數：離子晶體中最大的配位數為8。氯化鈉(配位數為6)，氯化銫(配位數為8)。實質：金屬原子帶正電的正離子（Cation）

非金屬原子帶負電的負離子（anion）e多數鹽類、堿類和金屬氧化物2023/2/113《材料科學基礎》CAI課件-李克氯化鈉氯化銫硫化鋅堿金屬-鹵族堿土金屬-氧族ⅠA-ⅦBⅡA-ⅥBⅡB-ⅥB鋅族-氧族典型離子晶體結構:氯化鈉、氯化銫、硫化鋅（閃鋅礦）等礦物、硅酸鹽、陶瓷等2023/2/114《材料科學基礎》CAI課件-李克三、共價鍵（covalentbonding）特點：共用電子對；配位數較小；有方向性、飽和性。有飽和性：一個原子只能形成一定數目的共價鍵有方向性（s電子除外）：原子只能在特定方向上形成共價鍵物理性質：結構穩定、熔點高（缺陷少）、質硬脆（方向性決定）、導電能力差Si-C,Ni-AlSi-Si包括亞金屬（C、Si、Sn、Ge），高分子聚合物和無機非金屬材料（碳化物、氧化物等）實質：由二個或多個電負性差不大的原子間通過共用電子對而成，如氫分子、金剛石、單晶硅2023/2/115《材料科學基礎》CAI課件-李克金剛石結構示意圖金剛石、硅/鍺的單晶中都有這種正四面體成鍵方式2023/2/116《材料科學基礎》CAI課件-李克四、范德華力（Vander

waalsbonding)包括：靜電力、誘導力和色散力（概念，及與溫度、距離的關系）屬物理鍵，系次價鍵，不如化學鍵強大，但能很大程度改變材料性質，如熔點、沸點、溶解度等。比如肥皂泡相互吸引。。。。高分子材料以范德華力為主，化學鍵為輔—故沒有氣態，只有液態、固態。如有機玻璃、環氧樹脂。2023/2/117《材料科學基礎》CAI課件-李克五、氫鍵（Hydrogenbonding）

氫鍵為極性分子鍵，存在于HF、H2O、NH3等分子間，可視為特殊的范德華力。氫鍵是冰中水分子之間主要的相互作用。在高分子中占重要地位，有機物、生物體中，分子和高分子靠氫鍵連接。DNA復制和其他生命過程可視為氫鍵的鍵開與鍵合（酶的參與）。氫原子同時與兩個負電性較大，而原子半徑較小的原子(O、F、N等)結合，構成氫鍵。本質：分子間電偶極距相互作用。氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價鍵結合），裸露原子核將與近鄰分子的負端相互吸引——氫橋氫鍵具有飽和性和方向性。2023/2/118《材料科學基礎》CAI課件-李克19

各種結合鍵主要特點的比較類

型

作用力來源

鍵強

形成晶體的特點

離子鍵

原子得、失電子后形成負、正離子，正負離子間的庫侖引力

最強

無方向性和飽和性、高配位數、高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數、塑性較差、固態不導電、熔態離子導電

共價鍵

相鄰原子價電子各處于相反的自旋狀態，原子核間的庫侖引力

強

有方向性和飽和性、低配位數、高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數、塑性較差、即使在熔態也不導電

、絕緣

金屬鍵

自由電子氣與正離子實之間的庫侖引力

較強

無方向性和飽和性、結構密堆、配位數高、塑性較好、有光澤、良好的導熱、導電性

分子鍵

原子間瞬時電偶極矩的感應作用

最弱

無方向性和飽和性、結構密堆氫鍵

氫原子核與極性分子間的庫侖引力

弱

有方向性和飽和性

2023/2/119《材料科學基礎》CAI課件-李克1.

原子中一個電子的空間位置和能量可用哪四個量子數來決定？2.

在多電子的原子中，核外電子的排布應遵循哪些原則？3.

鉻的原子序數為24，它共有四種同位素：4.31%的Cr原子含有26個中子，83.76%含有28個中子，9.55%含有29個中子，且2.38%含有30個中子。試求鉻