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 d20=0.2nmm(H2)为2(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. Plank和A. Einstein量子论 Rutherford原子有核模型 原子结构的量子理论 o Bohr atomic model I K壳层(n=1 原子(atom) r=3.7×102nm M壳层(n=3) rA1=1.43×10nm 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=1.6726×102kg 中子mtm):电中性m=1.6748×10kg 电子( electron):核外高速旋转,带负电,按能量高髙低排列,如电子云( electron cloud) m=9.1095×1031kg,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(uamm numbers)表示 主量子数n: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、 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,…n1s,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;-(1-1)…-10.12 spatial orienta tion 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+22 ●核外电子的排布(础 ectron cl0n们gra0规律 能量最低原理( Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 ls-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p Paui不相容原理( Pauli Exclusion principle):2n2 全充满 Hund原则(Hund’Rule){半充满旋方向相同 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)
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 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:左电他题)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 电离能失电了能机得电了能力 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 碱金属碱土金属过渡元索 H IIA 主族金属非金属稀有气体 IIIAIVAYAVIAVIIAHe aLBe BcNoENe 3 Na Mq IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB 且ses 旦Ar u Ga oRb Mo Tc Ru Rh Pd AqCdIn La Hf. Re ⅡpPt Fr Ra Ac 镧 Ce Pr Nd Pm SmEuGdTb Ho Er Im Yb A血Pa旦№ Pu AmCm眺旦臣「m‖Md№‖ 系
●※2原子间的键合[ Bonding type witter atom 金属键( Metallic bonding) 化学键( Chemical bonding离子键( onic bonding)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- bonding)介于化学键和范德华力之间 金属键( Metal l ic bond ing) 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
●二、离子键( lonic honding 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 非金属原子 带负电的负离子( an i on)离子键 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 bond ing) ●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( Nonpo lar bond ing):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( ander waals bonding 近邻原子相互作用→电荷位移→ 偶极子( dipoles)一电偶极矩的感作用范德华力 原子或分子偶极 1.7极性分子间的范德华力示意图 ●包括:静电力( electrostatic)、诱导力( induction)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( ydrogen bonding) 极性分子键存在于HF、H20、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 F 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 高分子结构链结构( chain Structure 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-range Structure 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+c 涤纶 主链除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