第1章工程材料中的原子排列

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1、1第一章第一章 工程材料中的原子排列工程材料中的原子排列1.1 1.1 原子键结合原子键结合1.2 1.2 原子的规则排列原子的规则排列1.2.1 1.2.1 晶体学基础晶体学基础1.2.2 1.2.2 晶体结构及其几何特征晶体结构及其几何特征1.3 1.3 原子的不规则排列原子的不规则排列1.3.1 1.3.1 点缺陷点缺陷1.3.2 1.3.2 线缺陷线缺陷1.3.3 1.3.3 面缺陷面缺陷21.1 1.1 原子键结合原子键结合硅表面隧道扫描硅表面隧道扫描原子模型原子模型31.1.1 1.1.1 固体中原子的结合键固体中原子的结合键u金属键金属键：-正离子和电子之间的相互吸引，使正离子与

2、电子结合起来。u共价键共价键：-原子间通过共用电子对(电子云重叠)所形成的化学键。金属原子正常堆积时的金属金属原子正常堆积时的金属键及其电子云键及其电子云硅原子硅原子硅的四个共硅的四个共价键价键41.1.1 1.1.1 固体中原子的结合键固体中原子的结合键u离子键：离子键：-正离子和负离子由于静电引正离子和负离子由于静电引力相互吸引；当它们充分接力相互吸引；当它们充分接触时会产生排斥，引力和斥触时会产生排斥，引力和斥力相等时即形成稳定的离子力相等时即形成稳定的离子键。键。u分子键分子键( (范德瓦尔斯力范德瓦尔斯力) )：- - 一个分子带正电的部位，一个分子带正电的部位，同另一个分子带负电的

3、部位同另一个分子带负电的部位之间就存在比较弱的静电吸之间就存在比较弱的静电吸引力，这种吸引力就称为范引力，这种吸引力就称为范德瓦尔斯力。德瓦尔斯力。51.1.1 1.1.1 固体中原子的结合键固体中原子的结合键u氢键氢键：- 氢原子与某一原子形成氢原子与某一原子形成共价键时，共有电子向这个共价键时，共有电子向这个原子强烈偏移，使氢原子几原子强烈偏移，使氢原子几乎变成一半径很小的带正电乎变成一半径很小的带正电荷的核，而这个氢原子还可荷的核，而这个氢原子还可以和另一个原子相吸引，形以和另一个原子相吸引，形成附加的键。成附加的键。 氢键是一种较强的、有方氢键是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。向性

4、的范德瓦尔斯键。61.1.1 1.1.1 固体中原子的结合键固体中原子的结合键结合键类型结合键类型作用力来源作用力来源 键强度键强度实例实例形成晶体的特点形成晶体的特点离子键离子键 原子得、失电子后原子得、失电子后形成负、正离子，形成负、正离子，正负离子间的库仑正负离子间的库仑引力引力 最强最强 LiCILiCINaClNaClKClKClGaClGaCl无方向性键、高配位数、无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导固态不导电、熔态离子导电电 共价键共价键 相邻原子价电子各相邻原子价电子各处于相反的

5、自旋状处于相反的自旋状态，原子核间的库态，原子核间的库仑引力仑引力 强强 金刚石金刚石SiSiGeGeSnSn有方向性键、低配位数、有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电即使在熔态也不导电 金属键金属键 自由电子气与正离自由电子气与正离子之间的库仑引力子之间的库仑引力 较强较强 LiLiNaNaK K无方向性键、结构密堆、无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电光泽、良好的导热、导电性性 分子键分子键 原子间瞬时电偶极原子间瞬时电偶极矩的感应作用矩的感应

6、作用 最弱最弱 NeNeArAr无方向性键、结构密堆、无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘高熔点、绝缘 氢键氢键 氢原子核与极性分氢原子核与极性分子间的库仑引力子间的库仑引力 弱弱 H H2 2O O（冰）（冰）HFHF有方向性和饱和性有方向性和饱和性 71.1.2 1.1.2 工程材料的分类工程材料的分类工程材料金属材料陶瓷材料复合材料高分子材料普通陶瓷特殊陶瓷金属陶瓷树脂基复合材料树脂基复合材料金属基复合材料金属基复合材料黑色金属有色金属钢铸铁轻金属重金属工程塑料橡胶合成纤维81.2 1.2 原子的规则排列原子的规则排列在铜基上的铁原子在铜基上的铁原子CaAsCaAs表面结构隧道扫描表面结构

7、隧道扫描91.2.1 1.2.1 晶体学基础晶体学基础1.2.1.1 晶体晶体晶体晶体- -原子原子( (分子分子) )在三维空间按一定规律作周期性排列在三维空间按一定规律作周期性排列的固体。的固体。 非晶体非晶体(如玻璃、松香)-原子是散乱分布，或仅有局部原子是散乱分布，或仅有局部区域为短程规则排列区域为短程规则排列。u晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别晶体晶体- -有确定的熔点有确定的熔点, ,各向异性。各向异性。 非晶体非晶体- -无确定的熔点无确定的熔点, ,各向同性。各向同性。101.2.1 1.2.1 晶体学基础晶体学基础1.2.1.2 晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵u晶体

8、结构晶体结构( (点阵）点阵） 实际原子排列成的规则集合体。实际原子排列成的规则集合体。u空间点阵空间点阵 由环境相同抽象阵点所组成的点由环境相同抽象阵点所组成的点阵排列。阵排列。注意：注意： 环境相同和抽象阵点表达的意思？环境相同和抽象阵点表达的意思？1.2.1 1.2.1 晶体学基础晶体学基础11结构相似的不同点阵结构相似的不同点阵121.2.1 1.2.1 晶体晶体u晶格晶格晶体中原子排列规律的空间格架晶体中原子排列规律的空间格架u晶胞晶胞定义定义：能够完全反映晶格特征的能够完全反映晶格特征的最小几何单元最小几何单元选取原则选取原则：a a 能够充分反映空间点阵的对称能够充分反映空间点阵

9、的对称性；性；b b 相等的棱和角的数目最多；相等的棱和角的数目最多；c c 具有尽可能多的直角；具有尽可能多的直角；d d 体积最小体积最小形状和大小形状和大小: :有三个棱边的长度有三个棱边的长度a,b,ca,b,c及其夹及其夹角角,表示表示晶胞中点的位置表示（坐标法）晶胞中点的位置表示（坐标法）晶格晶格晶胞晶胞131.2.1 1.2.1 晶体学基础晶体学基础1.2.1.3 布拉菲点阵布拉菲点阵 14 14种空间点阵的晶胞种空间点阵的晶胞141.2.1 1.2.1 晶体学基础晶体学基础u7 7个晶系个晶系(1)(1)三斜晶系：三斜晶系：abc,90abc,90o o (2)(2)单斜晶系：

10、单斜晶系：abc,=90abc,=90o o (3)(3)正交晶系：正交晶系：abc,=90abc,=90o o (4)(4)六方晶系：六方晶系：a=bc,=90a=bc,=90o o,=120,=120o o (5)(5)菱方晶系：菱方晶系：a=b=c,=90a=b=c,=90o o (6)(6)正方晶系：正方晶系：a=bc,=90a=bc,=90o o (7)(7)立方晶系：立方晶系：a=b=c,=90a=b=c,=90o o晶晶 系系空间点阵空间点阵分图号分图号晶晶 系系空间点阵空间点阵分图号分图号三斜三斜简单三斜简单三斜（1 1）六方六方简单六方简单六方（8 8）单斜单斜简单单斜简单单

11、斜（2 2）正方正方简单正方简单正方（9 9）底心单斜底心单斜（3 3）体心正方体心正方（1010）正交正交简单正交简单正交（4 4）菱方菱方简单菱方简单菱方（1111）底心正交底心正交（5 5）立方立方简单立方简单立方（1212）体心正交体心正交（6 6）体心立方体心立方（1313）面心正交面心正交（7 7）面心立方面心立方（1414）151.2.1 1.2.1 晶体学基础晶体学基础1.2.1.4 晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数u晶向晶向晶体中某个方向。晶体中某个方向。u晶面晶面晶体中原子所构成的平面。晶体中原子所构成的平面。u晶向指数晶向指数 确定晶向在晶体中的相对取向。确定晶向在晶