材料科學基礎chp1-原子結構與鍵合課件

2023/8/5第一章原子結構與鍵合內部結構→材料的性能結構篇2023/7/31第一章原子結構與鍵合內部結構→材料2023/8/5章目錄1.1原子結構及其周期性1.2原子間的鍵合1.3高分子鏈2023/7/31章目錄1.1原子結構及其周期性2023/8/5結構的四個層次成分、加工工藝共同決定著材料的結構，材料的內部結構決定了材料的性能。材料結構分為四個層次:原子結構原子結合鍵成分原子排列相結構加工工藝2023/7/31結構的四個層次成分、加工工藝共2023/8/51.1原子結構及其周期性原子核+電子1922年獲得諾貝爾獎（物理學）2023/7/311.1原子結構及其周期性原子核+電子2023/8/5一、核外電子分布核外電子的運動狀態(tài)，由四個量子數(shù)決定。主量子數(shù)n=1、2、3…

距核遠近、能量高低。角量子數(shù)l=0、1、2…

電子云形狀、能量高低。磁量子數(shù)m=0、、…

電子軌道空間取向自旋量子數(shù)ms=電子自旋方向2023/7/31一、核外電子分布核外電子的運動狀態(tài)2023/8/5電子軌道將不同組合的量子數(shù)代入薛定諤方程求解，得到四種電子分布的波函數(shù)—電子軌道s—一種組態(tài)（球對稱）2p—三種組態(tài)（軸對稱）6d—五種組態(tài)10f—七種組態(tài)142023/7/31電子軌道將不同組合的量子數(shù)代入薛定2023/8/5d-軌道空間分布示意圖p-軌道空間分布示意圖2023/7/31d-軌道空間分布示意圖p-軌道空間分布示意2023/8/5電子分布須遵循的兩個原則：泡利不相容原則一個原子中，不可能存在有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子。能量最低原則電子總是優(yōu)先占據(jù)能量較低的軌道，使系統(tǒng)的能量處于穩(wěn)定的狀態(tài)。2023/7/31電子分布須遵循的兩個原則：泡利不相容原則2023/8/5二、原子結構的周期規(guī)律周期表中，周期數(shù)代表了電子主層數(shù)n。1、元素的周期性1、2、3為短周期，外層電子只有s、p次層。4、5、6、7為長周期，除s、p次層外，還有d層電子。6、7周期中，除s、p、d外，還填入了f層電子。spdf2023/7/31二、原子結構的周期規(guī)律周2023/8/52023/7/312023/8/52、主族元素ⅠA?ⅧA分別填入外層s、p電子（2+6=8），原子的電負性和化學性質由此呈周期變化?；顫娊饘佟墙饘佟栊栽?。以半金屬元素ⅣA為中心，可作為材料使用；性質活潑的元素不宜用作材料。2023/7/312、主族元素ⅠA?ⅧA分別填入外層s、2023/8/53、副族元素ⅢB?ⅡB分別填入d內層電子（共10個）。由于外層s電子為1、2個，幾乎相同，化學性質變化不大，統(tǒng)稱“過渡族元素”。因核內正電荷數(shù)目增加，對外層電子吸引力增大，穩(wěn)定性上升。材料元素的重點選擇區(qū)域。2023/7/313、副族元素ⅢB?ⅡB分別填入d內層電2023/8/54、鑭系、錒系分別填入f內層電子（共14個）。因外層s電子都是2，化學性質非常接近，統(tǒng)稱“稀土元素”。由于f層內有許多空軌道，相互間能級差很小，易于激發(fā)，因而具有重要的功能效應。例如：長余輝稀土鋁酸鹽材料。2023/7/314、鑭系、錒系分別填入f內層電子（共14個2023/8/55、電負性周期表中由左至右、由下到上，電負性↑。同族、同周期元素有相似的性質特點。例如：Nb具有低溫超導性，在它周圍的Zr、Mo、V、Ta也有這一特性。S化物、Se化物、Te化物同族，都有光電特性。spdf2023/7/315、電負性周期表中由左至右、由下到上，電負2023/8/51.2原子間的鍵合1、金屬鍵（Metallicbonding）典型金屬原子結構：最外層電子數(shù)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性質：良好導電、導熱性能，延展性好2023/7/311.2原子間的鍵合1、金屬鍵（Meta2023/8/52、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，無飽和性

性質：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體3、共價鍵（covalentbonding）亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無機非金屬材料實質：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

特點：飽和性配位數(shù)較小，方向性（s電子除外）性質：熔點高、質硬脆、導電能力差實質：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）2023/7/312、離子鍵（Ionicbonding)2023/8/54、范德華力

次價鍵，偶極作用，沒有方向性和飽和性。鍵能弱（幾～數(shù)十KJ/mol）。5、氫鍵：

次價鍵。H與電負性很大、原子半徑較小的O、F、N等結合而產生的較強的鍵力，幾十KJ/mol，有方向性和飽和性。2023/7/314、范德華力

次價鍵，偶極作用，沒有方2023/8/51.3高分子鏈（HighpolymerChain）

2023/7/311.3高分子鏈（Highpolymer2023/8/5近程結構（short-rangeStructure)

一、結構單元的化學組成（theChemistryofmerunito)

1.碳鏈高分子聚乙烯主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結，加聚反應制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯2.雜鏈高分子

滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等2023/7/31近程結構（short-rangeStru2023/8/53.元素有機高分子硅橡膠

主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側鏈則有機基團，故兼有無機高分子和有機高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠4.無機高分子二硫化硅

主鏈既不含C原子，也不含有機基團，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解聚二氯—氮化磷2023/7/313.元素有機高分子2023/8/5二、高分子鏈結構單元的鍵合方式（bondingtape）1.均聚物結構單元鍵接順序單烯類單體中除乙烯分子是完全對稱的，其結構單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭—頭尾—尾頭—尾雙烯類高聚物中，則更復雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同2023/7/31二、高分子鏈結構單元的鍵合方式（bondi2023/8/52.共聚物的序列結構（Copolymers）

按結構單元在分子鏈內排列方式的不同分為2023/7/312.共聚物的序列結構（Copolymers2023/8/5三、高分子鏈的結構（structure）不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不能改變形狀—熱固性（thermosetting）

2023/7/31三、高分子鏈的結構（structure）不2023/8/5四、高分子鏈的構型（Molecularconfigurations）鏈的構型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過化學鍵斷裂才行2023/7/31四、高分子鏈的構型（Molecularc2023/8/5旋光異構體（stereoisomerism）由烯烴單體合成的高聚物在其結構單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構單元，有三種排列方式2023/7/31旋光異構體（stereoisomerism2023/8/5幾何異構（Geometricalisomerism）

雙烯類單體定向聚合時，可得到有規(guī)立構聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉，從而每一雙就可能有

順式

反式

對于大分子鏈而言就有二甲基丁二烯二甲基丁二烯兩種異構體之分，稱為幾何異構2023/7/31幾何異構（Geometricalisom2023/8/5遠程結構（Long-rangeStructure)一、高分子的大?。∕olecularSize）高分子的相對分子質量M不是均一的，具有多分散性平均相對分子質量2023/7/31遠程結構（Long-rangeStruc2023/8/5高分子鏈中重復單元數(shù)目稱為聚合度不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質，對加工和使用也有很大影響。數(shù)均相對分子量每鏈節(jié)的質量對力學性能起決定作用，2023/7/31高分子鏈中重復單元數(shù)目稱為聚合度不僅影響高2023/8/5二、高分子的形狀（Molecularshape）主鏈以共價鍵聯(lián)結，有一定鍵長d和鍵角θ，每個單鍵都能內旋轉（Chaintwisting）故高分子在空間