无机材料科学基础第一单元.pptVIP

* 值得指出的是，实际晶体不一定只有一种键，可能是多种键合的混合，至少范氏力就是普遍存在的一种力。不过，在某一键合为主键的情形下，其他弱键就可以忽略。实际材料中存在的键合情况如图所示。　　 以上我们简单地讨论了结合键的类型及其本质，由于各种结合键的本质不同，所形成的固体其性质也大不相同。 * 价键四面体 * 金属主要是金属键结合，但也会出现一些非金属键，如过渡族元素（特别是高熔点过渡族金属W、Mo等），它们的原子结合中也会出现少量的共价键结合，这也是过渡族金属具有高熔点的原因。 金属与金属形成的金属间化合物（如CuGe），尽管组成元素都是金属，但是由于两者的电负性不一样，有一定的离子化倾向，于是构成金属键和离子键的混合键。因此，它们具有一定的金属特性，但是不具有金属特有的塑性，往往很脆。 * 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚则依靠范德瓦尔斯力。 高分子材料和许多有机材料德长链分子内部是共价键结合，链与链之间以范德瓦尔斯力或氢键结合。 石墨片层上是共价键结合，而片层与片层之间是范德瓦尔斯力结合。 * 原子能够结合为固体的根本原因，是原子或分子结合起来后，体系的能量可以降低，即在分散的原子结合成晶体过程中，会有一定的能量释放出来。这个能量叫做结合能。 结合能越大，则原子结合越稳定。 离子晶体、共价晶体的结合能最大；金属键结合次之，金属键结合中以过渡元素为最大；范德瓦尔斯键的结合能最小，只有几十kJ/mol。 材料结合键的类型及结合能的大小对材料的性能有重要的影响，特别是对物理性能和力学性能。 4 材料的结合键与性能 * 熔点的高低代表了材料稳定性的程度。材料加热时，原子振动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化，所以熔点与结合能有很好的对应关系。 共价键、离子键化合物结合能较高，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。 金属中过渡族金属具有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点较高，这可能是由于这些金属的内层电子没有填满，使结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。 结合键与物理性能的关系－－熔点 * 材料的密度与结合键类型有关。 大多数金属有较高的密度，如Pt、W、Au的密度在工程材料中最高。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量；另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常是简单的原子密排结构。 离子键和共价键结合时的情况。原子排列不可能非常致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离子键结合时则要满足正、负离子之间 结合键与物理性能的关系－－密度 * 的电荷平衡的要求，相邻的原子数目都不如金属多，所以陶瓷材料的密度比较低。 聚合物中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，加上组成的原子质量比较小（C、H、O），因此聚合物的密度很低。 与金属键结合的金属相比，由非金属键结合的陶瓷、聚合物一般在故态下不导电，它们可以作为绝缘体和绝热体在工程上应用。 结合键与物理性能的关系－－密度 * 工程材料的腐蚀是一种化学反应，实质是结合键的形成和破坏。金属腐蚀时，金属离子离开金属就与外层价电子的失去有关。 结合键与化学性能的关系－－腐蚀 * 晶体材料的硬度与晶体的结合键有关。一般来说，共价键、离子键、金属键结合的晶体比分子键结合的晶体的硬度高。 结合键与力学性能的关系－－硬度 * 弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。 在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性应变，而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。 结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结合键能越大，则弹性模量越大，结合键能与弹性模量之间有很好的对应关系。 结合键与力学性能的关系－－弹性模量 * 结合键与力学性能的关系－－弹性模量 金刚石具有最高的弹性模量，E＝1000GPa 工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等结合键能也比较高，它们的弹性模量为250~600GPa 金属键结合的金属材料弹性模量要抵一些，常用金属材料的弹性模量约为70～350GPa 聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7～3.5GPa * 材料的强度与结合键能也有一定的联系。一般结合键能高，强度也高一些。 材料的强度在很大程度上还取决于材料的其他结构因素，如材料的组织，因此材料的强度可以在一个较大的范围内变化。 结合键与力学性能的关系－－强度 * 材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键结合的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。 结合键与力学性能的关系－－塑性 * 描述原子中一个电子的空间