固體材料的結(jié)構(gòu)

關(guān)于固體材料的結(jié)構(gòu)第1頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月第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，因為材料的結(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(或基本參數(shù))。通過固體材料結(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)測定已成為材料科學中一個獨立的、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)對應著一定的衍射圖象和衍射線(或斑點)強度，通過對衍射圖象和強度的分析即可推知晶體結(jié)構(gòu)。具體的測定和分析方法請參考有關(guān)的書籍。

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)，本章首先簡單復習物理和化學中學過的原子結(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。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2頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月原子的結(jié)構(gòu)第3頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月結(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、力學等性質(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4頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)結(jié)合鍵（1）離子鍵正離子和負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，熔點高、熱膨脹系數(shù)小、導電性差，高配位數(shù)；如氧化物陶瓷。Al2O3，NaCl等第5頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）共價鍵共價鍵的實質(zhì)就是兩個或多個電負性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學鍵。相鄰原子共用電子對共價晶體：原子結(jié)合，結(jié)合力大，電子共用，有方向性和飽和性；強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、脆性大、導電性差。低配位數(shù)。低溫導電率很小。如：Si,金剛石第一節(jié)結(jié)合鍵第6頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月（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。

各原子都貢獻出其價電子而變成外層為八電子層的金屬正電子。這些價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，無方向性和飽和性；導電性、導熱性、延展性好，熔點較高。如金屬Al、Cu。第一節(jié)結(jié)合鍵第7頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）分子鍵與分子晶體電中性原子之間的長程作用力。電子云偏移—負電荷中心與正電荷中心不重合—瞬時電偶極距—瞬時電場—分子晶體：原子結(jié)合力很小，無方向性和飽和性，易變形，壓縮系數(shù)大，保留分子性質(zhì)。結(jié)合力小，熔點低，硬度低。如高分子材料、惰性氣體。第8頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）氫鍵條件：分子中必須有氫；另一個元素具有顯著的非金屬元素如：F、O、N。分子通過共價鍵結(jié)合，分子之間通過氫鍵連接特點：結(jié)合力較強，比離子鍵、共價鍵小。易變形，熔點低，硬度低、有方向性。如O-H—O第9頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月各種結(jié)合鍵比較結(jié)合鍵類型實例結(jié)合能ev/mol主要特征離子鍵LiClNaClKClRbCl8.637.947.206.90高配位數(shù)，低溫不導電（良好的絕緣體），高溫離子導電。結(jié)合力大，晶體高強度、高硬度，脆，熱膨脹系數(shù)小，共價鍵金剛石SiSiCSn1.371.683.873.11飽和性，方向性，低配位數(shù)，純金屬低溫導電率很小結(jié)合力大，共價晶體高強度、高硬度，脆，熔點高金屬鍵LiNaKRb1.631.110.9310.852無方向性，高配位數(shù)，密度高，導電性高，塑性好，導熱性好氫鍵H2OHF0.520.30結(jié)合力較強，比離子鍵、共價鍵小。結(jié)合力小，易變形，熔點低，硬度低分子鍵NeAr0.0200.078低熔點、壓縮系數(shù)大，保留分子性質(zhì)。結(jié)合力小，易變形，熔點低，硬度低第10頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）結(jié)合鍵分類化學鍵：金屬鍵、共價鍵、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的電子。物理鍵：分子鍵和氫鍵。在形成分子鍵和氫鍵時，原子的外層電子分布沒有變化或變化極小，仍屬于原來的原子?；瘜W鍵最強、氫鍵次之、分子鍵最弱。第11頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月金剛石是碳原子的一種結(jié)晶體。其中的碳原子都以共價鍵結(jié)合，原子排列的基本規(guī)律是每一個碳原子的周圍都有4個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陣套構(gòu)而成的，套構(gòu)的方式是沿著單胞立方體對角線的方向移動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)律堆積起來而構(gòu)成的；重要的半導體Si和Ge就具有金剛石型的晶體結(jié)構(gòu)。第12頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年