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第2章　材料结构简述 2.1　 材料结构的涵义 所谓结构，是指材料系统内各组成单元之间的相互联系和相互作用方式。 材料结构从尺寸上来讲，又分为宏观结构、显微结构、微观结构。 宏观结构是用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态。 显微结构是借助光学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构 微观结构包括原子及分子的结构以及原子和分子的排列结构 　　　各种材料都是由不同元素的原子、离子或分子结合而成。原子、离子或分子间的结合力称为结合键(bond)或价键。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。从原则上讲，只要能从理论上正确地分析和计算结合键，就能预测物质的各项性质。因此，结合键的分析和计算乃是各种分子和固体电子理论的基础。遗憾的是，目前还不能对各种物质的结合键进行准确的理论计算。 　　　 不论什么物质，其原子结合成分子或固体的力从本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用即库仑力。要计算结合力，就需要知道外层电子围绕各原子核的分布。根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为五类，即离子键、共价键、金属键、分子键和氢键。 2.2.1　原子结构 原子是由原子核及围绕原子核的电子组成。原子核由中子及带正电的质子组成。电子通过静电吸引被束缚于原子核周围。 原子的质量主要集中在原子核，电子的质量可以忽略。元素的原子序数等于原子中质子的数目。原子核内的结合是非常牢固的，这种结合力称为核力，它比万有引力大40个数量级，但其作用范围很小，不超过10-6nm。在材料科学中，原子结构一般都指原子的电子结构 当众多相同或不相同的原子结合在一起构成聚集状态的材料时，材料内部的电子结构决定了原子之间的结合键及材料的组织结构。 虽然不同的键对应着不同的电子分布方式，但它们都满足一个共同的条件，即键合后各原子的外层电子结构要成为稳定的结构，也就是隋性气体原子的外层电子结构，由于“八电子层”结构（即ns 2np6 结构）是最普遍、最常见的稳定电子结构，因此可以说，不同的结合键代表着实现八电子层结构的不同方式。 2.2.2 结合键 　　　　　　根据结合力的强弱： 金刚石是共价键结合的典型，下图表示了它的结合情况，碳的四个价电子分别与其周围的四个碳原于组成四个公用电子时，达到八个电子的稳定结构。此时各个电子对之间静电排斥，因而它们在空间以最大的角度互相分开，互成109.5°，于是形成一个正四面体，碳原子分别处于四而体中心及四个顶角位置，正是依靠共价键将许多碳原子形成坚固的网络状大分子。共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键具有明显的方向性 ，这是其它键所不具备的，由于方向性、不允许改变原子向的相对位置，所以材料不具有塑性且比较坚硬．像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。 在聚合物中，大分子链中原子之间的连接键是共价键。也就是说，大分子中单个原子是由强大的化学键结合在一起的。 （4）分子键 （Van der Waals Bond）?? 分子键是电中性的分子之间的长程作用力。所有惰性气体原子在低温下就是通过范氏力而结合成晶体的。N2，O2，CO，Cl2，Br2 和 I2 等由共价键结合而成的双原子分子在低温下聚集成所谓分子晶体，此时每个结点上有一个分子，相邻结点上的分子之间就存在着范德瓦尔斯力。正是此种范氏力使分子结合成分子晶体（分子键的名称即由此而来）。　 为什么在电中性的原子之间会出现静电引力呢？如果将核外电子的分布（或电子云的密度）看成是不随时间改变的固定分布，那么电中性原子的正电荷中心和负电荷中心在任何时刻都应该重合，因而不可能对其他原子或电子有静电引力。 　然而实际上核外电子是在不断运动的（虽然我们不能指出它的运动轨道），因而电子云的密度随时间而变。在每一瞬间，负电荷中心并不和正电荷中心重合，这样就形成瞬时电偶极子（Dipole），产生瞬时电场。 　　　总结以上所述，分子间作用力的来源是静电、诱导力和色散力。一般说来，极性分子与极性分子之间，静电力、诱导力、色散力都存在；极性分子与非极性分子之间，则存在诱导力和色散力；非极性分子与非极性分子之间，则只存在色散力。这三种类型的力的比例大小，决定于相互作用分子的极性和变形性。极性越大，取向力的作用越重要；变形性越大，色散力就越重要；诱导力则与这两种因素都有关。但对大多数分子来说，色散力是主要的。分子间作用力的大小可从作用能反映出来。 在 HF，H2O，NH3 等物质中，分子都是通过极性共价键结合的，而分子之间则是通过氢