固體材料的結(jié)構(gòu)

關(guān)于固體材料的結(jié)構(gòu)第一頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日第2章固體材料的結(jié)構(gòu)引言：

固體材料的各種性質(zhì)主要取決于它的晶體結(jié)構(gòu)。因此，要正確地選擇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、乃至控制其結(jié)構(gòu)。除了實(shí)用意義外，研究固體材料的結(jié)構(gòu)還有很大的理論意義，因?yàn)椴牧系慕Y(jié)構(gòu)是和組成材料的原子之間的作用力——結(jié)合鍵密切相關(guān)的，而結(jié)合鍵乃是各種固體理論的基本出發(fā)點(diǎn)(或基本參數(shù))。通過(guò)固體材料結(jié)構(gòu)的研究可以最直接、最有效地確定結(jié)合鍵的類型和特征。

由于以上原因，固體材料的結(jié)構(gòu)測(cè)定已成為材料科學(xué)中一個(gè)獨(dú)立的、重要的研究領(lǐng)域，即所謂結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)分析的方法很多，其中最重要、應(yīng)用最廣泛的方法就是x光、電子和中子衍射方法，其基本原理在于一定的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著一定的衍射圖象和衍射線(或斑點(diǎn))強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)衍射圖象和強(qiáng)度的分析即可推知晶體結(jié)構(gòu)。具體的測(cè)定和分析方法請(qǐng)參考有關(guān)的書(shū)籍。

由于晶體結(jié)構(gòu)和組成晶體的原子的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，本章首先簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)物理和化學(xué)中學(xué)過(guò)的原子結(jié)構(gòu)和結(jié)合鍵，然后以此為基礎(chǔ)，著重討論各種重要類型固體材料的結(jié)構(gòu)及其性能特點(diǎn)。這些材料包括：金屬、非金屬、離子晶體、陶瓷材料、合金(包括固溶體和金屬間化合物)等。

要掌握一些基本概念，還要熟悉—些典型晶體的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和決定結(jié)構(gòu)的主要因素、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系等。第二頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日原子的結(jié)構(gòu)第三頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日結(jié)合鍵是指由原子結(jié)合成分子或固體的方式和結(jié)合力的大小。決定了物質(zhì)的一系列物理、化學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)。原子間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵，它主要表現(xiàn)為原子間吸引力與排斥力的合力結(jié)果。根據(jù)不同的原子結(jié)合方式，結(jié)合鍵可分為以下幾類：第一節(jié)結(jié)合鍵第四頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)結(jié)合鍵（1）離子鍵正離子和負(fù)離子之間的靜電引力。形成的離子晶體：原子結(jié)合，結(jié)合力大，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，硬度、硬度高，脆性大，熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)電性差，高配位數(shù)；如氧化物陶瓷。Al2O3，NaCl等第五頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日（2）共價(jià)鍵共價(jià)鍵的實(shí)質(zhì)就是兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子間通過(guò)共用電子對(duì)而形成的化學(xué)鍵。相鄰原子共用電子對(duì)共價(jià)晶體：原子結(jié)合，結(jié)合力大，電子共用，有方向性和飽和性；強(qiáng)度高、硬度高（金剛石）、熔點(diǎn)高、脆性大、導(dǎo)電性差。低配位數(shù)。低溫導(dǎo)電率很小。如：Si,金剛石第一節(jié)結(jié)合鍵第六頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日（3）金屬鍵

金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。

各原子都貢獻(xiàn)出其價(jià)電子而變成外層為八電子層的金屬正電子。這些價(jià)電子為所有金屬原子所共有。金屬晶體：原子結(jié)合，結(jié)合力較大，無(wú)方向性和飽和性；導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，熔點(diǎn)較高。如金屬Al、Cu。第一節(jié)結(jié)合鍵第七頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日（4）分子鍵與分子晶體電中性原子之間的長(zhǎng)程作用力。電子云偏移—負(fù)電荷中心與正電荷中心不重合—瞬時(shí)電偶極距—瞬時(shí)電場(chǎng)—分子晶體：原子結(jié)合力很小，無(wú)方向性和飽和性，易變形，壓縮系數(shù)大，保留分子性質(zhì)。結(jié)合力小，熔點(diǎn)低，硬度低。如高分子材料、惰性氣體。第八頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日（5）氫鍵條件：分子中必須有氫；另一個(gè)元素具有顯著的非金屬元素如：F、O、N。分子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合，分子之間通過(guò)氫鍵連接特點(diǎn)：結(jié)合力較強(qiáng)，比離子鍵、共價(jià)鍵小。易變形，熔點(diǎn)低，硬度低、有方向性。如O-H—O第九頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日各種結(jié)合鍵比較結(jié)合鍵類型實(shí)例結(jié)合能ev/mol主要特征離子鍵LiClNaClKClRbCl8.637.947.206.90高配位數(shù)，低溫不導(dǎo)電（良好的絕緣體），高溫離子導(dǎo)電。結(jié)合力大，晶體高強(qiáng)度、高硬度，脆，熱膨脹系數(shù)小，共價(jià)鍵金剛石SiSiCSn1.371.683.873.11飽和性，方向性，低配位數(shù)，純金屬低溫導(dǎo)電率很小結(jié)合力大，共價(jià)晶體高強(qiáng)度、高硬度，脆，熔點(diǎn)高金屬鍵LiNaKRb1.631.110.9310.852無(wú)方向性，高配位數(shù)，密度高，導(dǎo)電性高，塑性好，導(dǎo)熱性好氫鍵H2OHF0.520.30結(jié)合力較強(qiáng)，比離子鍵、共價(jià)鍵小。結(jié)合力小，易變形，熔點(diǎn)低，硬度低分子鍵NeAr0.0200.078低熔點(diǎn)、壓縮系數(shù)大，保留分子性質(zhì)。結(jié)合力小，易變形，熔點(diǎn)低，硬度低第十頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日（6）結(jié)合鍵分類化學(xué)鍵：金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵。都涉及到原子外層電子電子的重新分布，這些電子在鍵合后不在僅僅屬于原來(lái)的電子。物理鍵：分子鍵和氫鍵。在形成分子鍵和氫鍵時(shí)，原子的外層電子分布沒(méi)有變化或變化極小，仍屬于原來(lái)的原子?；瘜W(xué)鍵最強(qiáng)、氫鍵次之、分子鍵最弱。第十一頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，8月28日金剛石是碳原子的一種結(jié)晶體。其中的碳原子都以共價(jià)鍵結(jié)合，原子排列的基本規(guī)律是每一個(gè)碳原子的周圍都有4個(gè)按照正四面體分布的碳原子；這種結(jié)構(gòu)可看成是由兩套面心立方點(diǎn)陣套構(gòu)而成的，套構(gòu)的方式是沿著單胞立方體對(duì)角線的方向移動(dòng)1/4距離；也可以看成是由許多（111）的原子密排面沿著[111]方向、按照ABCABCABC···規(guī)律堆積起來(lái)而構(gòu)成的；重要的半導(dǎo)體Si和Ge就具有金剛石型的晶體結(jié)構(gòu)。第十二頁(yè)，共十六頁(yè)，2022年，