材料的微观结构 (Microstructure of Materials) 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，原子或分子在空间的排列，运动规 律，以及原子集合体的形貌特征 第一章原子结构和键合 Atomic Structure and Interatomic Bonding 物质(Substance)是由原子(atom)组成 在材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构一原子间键合本质 决定材料分类：金属陶瓷 高分子 材料性能：物化力学 ※1原子结构 (Atomic Structure 一、物质的组成(Substance Construction) 物质由无数微粒(Particles)聚集而成 分子(Molecule):单独存在 保存物质化学特性 d2o=0.2nmM(H)为2 M(protein)为百万 原子(Atom): 化学变化中最小微粒
物质(Substance)是由原子（atom）组成 在材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构—原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力学 材料的微观结构（Microstructure of Materials） 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，原子或分子在空间的排列，运动规 律，以及原子集合体的形貌特征 一、物质的组成（Substance Construction） 物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O =0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒
二、原子的结构 1879年 J.J Thomson发现电子(electron,),揭示了原子内部秘密 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 1913年 N.Bohr将 M,Planki和A.Einstein量子论 原子结构的量子理论 Rutherford原子有核模型 Bohr atomic model K壳层(n=1) L光层(n=2) 原子(atom) 2个中子 rg=3.7×102nm M壳层(n=3) ra1=1.43×10'nm 图1.1钠（原子序数为11）原子结构中 K,L和M量子壳层的电子分布状况 原子核(nucleus)):位于原子中心、带正电 质子(proton):正电荷m=1.6726X107kg 中子(neutron):电中性n=1.6748X102kg 电子(electron),：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云(electron cloud) m=9.1095×10kg,约为质子的1/1836
l 1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 l 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 l 1913年 N.Bohr将 l Bohr atomic model M.Plank和A.Einstein量子论 原子结构的量子理论 Rutherford 原子有核模型 -2 H -1 Al 原子（atom) r = 3.7 10 nm r = 1.43 10 nm -27 -27 -31 （proton） （neutron） 质子 ：正电荷m＝1.6726×10 kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电 中子 ：电中性m＝1.6748×10 kg 电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（electron cloud） m＝9.1095 10 kg，约为质子的1/1836
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数(juantum numb83)表示 主量子数：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q electron shell 轨道动量量子数1：与电子运动的角动量有关，取值为0,1,2，n-1,S,p,d,f shape of the electron s ubshell 磁量子数m: 决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-1，-（①1），-1,0,1,1 spatial orientation of an electron cloud 自旋角动量量子数s:表示电子自旋(spin moment) 的方向，取值为十 核外电子的排布(electron configuration]规律 能量最低原理(Minimum Energy principle))电子总是占据能量最低的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p- Pauli不相容原理(Pauli Exclusion principle):2n 全充满 Hund原则(Hund'Rule) 半充满 自旋方向相同 全空
l 核外电子的排布（electron configuration)规律 i i i n l n 1, s p d f m i 主量子数 ：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、 P、Q electron shell 轨道动量量子数 ：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2， ， ， ， shape of the electron s ubshell 磁量子数 ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-l i 1), 1,0,1, spatial orienta tion of an electron cloud s ， i i -(l l 1 1 自旋角动量量子数 ：表示电子自旋（spin moment）的方向，取值为＋ 或- 2 2 l 描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示 2 全充满 半充满 全空 自旋方向相同 能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量 最低的壳层 1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 4s - 3d - 4p - 5s - 4d - 5p - Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n Hund原则（Hund' Rule)
三、元素周期表 (periodic Table of the Elements) 元素(Element):具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是 划分元素的依据 同位素(Isotope)：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 C2 C C4 元素有两种存在状态：游离态和化合态(Free State&Combined Form) 7个横行(Horizontal rows)周期(period)按原子序数(Atomic Number)递增 的顺序从左至右排列 18个纵行(column)16族(Group),7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族 (Inert Gases)最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。 原子序数=核电荷数 周期序数=电子壳层数 主族序数=最外层电子数 零族元素最外层电子数为8（氦为2） 价电子数(Valence electron) 同周期元素：左 核电荷原子半径 电离能，失电子能力，得电子能分 →右，金属性↓，非金属性 同主族元素：上 最外层电子数相同，电子层数，原子半径 电离能失电子能，得电子能力 →下，金属性↑，非金属性↓
l 元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是 划分元素的依据 l 同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 l l 元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form) l 7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)递增 的顺序从左至右排列 l 18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族 （Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。 12 13 14 6 6 6 C ，C ，C 原子序数＝核电荷数 周期序数＝电子壳层数 主族序数＝最 外 层 电 子 数 零族元素最外层电子数为8（氦为2） 价电子数（Valence electron） 电离 核电荷↑，原子半径↓ 能↑，失电子能力↓，得电子能力↑ 最外层电子数相同，电子层数↑，原子半径↑ 电离能↓，失电子能力↑，得电子能力↓ 同周期元素：左 右，金属性↓，非金属性↑ 同主族元素：上 下，金属性↑，非金属性↓
元素周期表 IA 诚金属 碱土金属 过渡元素 0 1 H IIA 主族金属 非金属 稀有气体 IIIA IYA YIA YIIA He 2 L山 Be B Ne 3 Na Mg IIIB IYB YB YIB YIIB YIIIB IB IIB Al Ar 4 K Ca Sc Ti Cr Mn Fe Co Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Zr Nb Mo Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te e 6 Cs Ba La H Ta Re 05 Ir Pt Au Hg Pb i Po At Rn 7 世 Ra Ac Rf Db Bh Hs Mt Uun Uuu Uub 系 La Ce Pr Nd Pm 5m Eu Gd Tb Dy Ho Er Im Yb Lu 系 Ac h Pa Np Pu Am Cm Bk ES Fm Md No Lr
※2原子间的键合【Bonding type with other atom] 金属键(Metallic bonding) 化学键(Chemical bonding) 离子键(Ionic bonding 价键primary interatomic bonds 共价键(covalent bonding) 物理键(physical bonding),次价键(Secondary bondng), 亦称Van der Waals bonding 氢键(Hydrogen-bonding)介于化学键和范德华力之间 金属键(Metal lic bonding) 典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子(valence electron) 极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子(Free electron),形成电子云 (electron cloud)金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键 特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构 性质：良好导电、导热性能，延展性好
l ※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom) 金属键（Metallic bonding） 化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding） 主价键primary interatomic bonds 共价键（covalent bonding） 物理键（physical bonding),次价键(Secondary bonding)，亦称Van der Waals bonding 氢键（Hydrogen - bondin g) 介于化学键和范德华力之间 l 一、金属键（Metallic bonding） 典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云 （electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键 l 特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构 l 性质：良好导电、导热性能，延展性好
离子键(lonic bondingl 多数盐类、碱类和金属氧化物 实质： 金属原子 带正电的正离子(Cation) e 静钝历离子键 非金属原子 带负电的负离子(anion) 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列， 且无方向性，无饱和性 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体 三、共价键(covalent bonding) 亚金属(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 极性键(Polar bonding):共用电子对偏于某成键原子 非极性键(Nonpolar bonding):位于两成键原子中间 ●特点：饱和性 配位数较小，方向性(s电子除外) 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差
l 二、离子键（Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物 l 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列， 且无方向性，无饱和性 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体 静电引力 离子键 l 三、共价键（covalent bonding） l 亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料 l 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 键 电 对 键 键 两 键 间 极性 (Polar bonding):共用 子 偏于某成 原子 非极性 （Nonpolar bonding): 位于 成 原子中 l 特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s电子除外） l 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation） 非金属原子 带负电的负离子（anion） e
四、范德华力(Van der waals bonding) 近邻原子相互作用→电荷位移→ 偶极子(dipoles)电偶极矩的感应作用，范德华力 原子或分子偶极 图1.7极性分子间的范德华力示意图 包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induct ion)和色散力 (dispersive force) 。属物理键， 系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 五、氢键(Hydrogen bonding) 极性分子键 存在于HF、H0、NH中，在高分子中占重要地位， 氢原子中唯一的电子被其它原子所共有 (共价键结合)，裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引—氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性 H 氢键 图1.8HF氢键示意图
l 四、范德华力（Van der waals bonding) 电应 邻 电 偶极矩的感 作用 华 近 原子相互作用→ 荷位移 → 偶极子(dipoles） 范德 力 l 包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力 (dispersive force) l 属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 l 五、氢键（Hydrogen bonding） 极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位， 氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性
※3高分子链(High polymer Chain 链结构(Chain Structure) 高分子结构 聚集态结构(Structure of aggregation state) 加聚反应 添加引发剂通过共价键将单分子聚合 (polyaddition) 单体一聚合反应缩聚反应 化学反应，释放出副产品 (ploycondensation) 近程结构：一次结构 属于化学结构 链结构 远程结构：二次结构 分子量、形态、链的柔顺性、构象
l ※3高分子链（High polymer Chain) 链结 结 态结 （Structure of aggregation state) 构（Chain Structure) 高分子 构 聚集 构 应 发剂 过 键将单 单 应 缩 应 学 应 释 产 （ploycondensation) （polyaddition) 加聚反 添加引 通 共价 分子聚合 体 — 聚合反 聚反 化 反 ， 放出副 品 结 结 属 学结 链结 远 结 结 态 链 顺 近程 构：一次 构 于化 构 构 程 构：二次 构 分子量、形 、 的柔 性、构象
近程结构(short-ange Structure】 一、结构单元的化学组成(the Chemistry of mer unito] 。1.碳链高分子 聚乙烯 主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得 如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯， 聚丙烯 杂链高分子 @ 涤纶 主链除C原子外还有其它原子如0、N、S等，并以共价键联接，缩 聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、 聚苯醚、聚酚等
l 近程结构（short-range Structure) l 一、结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito) l 1.碳链高分子 聚乙烯 H H C C H H │ │ ─ │ │ l 主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得 l 如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯 l 杂链高分子 涤纶 O O H H C C O C C O H H │ │ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │ │ │ l 主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价键联接，缩 聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、 聚苯醚、聚酚等