材料科學基礎_原子與結構鍵合-20頁PPT課件

1、第一章原子結構和鍵合Atomic Structure and Interatomic Bonding物質(Substance)是由原子（atom）組成在材料科學中，最為關心原子的電子結構原子的電子結構原子間鍵合本質決定材料分類：金屬 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力學材料的微觀結構（Microstructure of Materials）決定材料性質最為本質的內在因素：組成材料各元素原子結構，原子間相互作用，相互結合，原子或分子在空間的排列，運動規(guī)律，以及原子集合體的形貌特征 1原子結構 （Atomic Structure ）一、物質的組成（Substance Construction）物質

2、由無數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：單獨存在 保存物質化學特性 dH2O=0.2nm M(H2)為2 M（protein）為百萬原子（Atom）： 化學變化中最小微粒二、原子的結構1879年 J.J Thomson 發(fā)現(xiàn)電子（electron),揭示了原子內部秘密1911年 E.Rutherford提出原子結構有核模型1913年 N.Bohr將 Bohr atomic model 核外電子的排布（electron configuration)規(guī)律描述原子中一個電子的空間和能量，可用四個量子數(shù)（quantum numbers）表示三、元素周期表（periodic T

3、able of the Elements)元素（Element）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)同位素（Isotope）：具有相同的質子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的原子 元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（Free State& Combined Form)7個橫行（Horizontal rows)周期（period）按原子序數(shù)（Atomic Number)遞增的順序從左至右排列18個縱行（column）16族（Group），7個主族、7個副族、1個族、1個零族（Inert Gases）最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下排列。原子序數(shù)核電荷數(shù)

4、 周期序數(shù)電子殼層數(shù)主族序數(shù)最 外 層 電 子 數(shù) 零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為2） 價電子數(shù)（Valence electron）2原子間的鍵合 ( Bonding type with other atom)一、金屬鍵（Metallic bonding）典型金屬原子結構：最外層電子數(shù)很少，即價電子（valence electron）極易 掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Free electron），形成電子云（electron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構成鍵合稱為金屬鍵特點：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結構性質：良好導電、導熱性能，延展性好二、離子鍵（I

5、onic bonding) 多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物 特點：以離子而不是以原子為結合單元，要求正負離子相間排列， 且無方向性，無飽和性性質：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體三、共價鍵（covalent bonding） 亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無機非金屬材料實質：由二個或多個電負性差不大的原子間通過共用電子對而成 特點：飽和性 配位數(shù)較小 ，方向性（s電子除外）性質：熔點高、質硬脆、導電能力差 實質： 金屬原子 帶正電的正離子（Cation） 非金屬原子 帶負電的負離子（anion） e 四、范德華力（Van der waals bonding)包括：靜電力(electros

6、tatic)、誘導力(induction)和色散力(dispersive force)屬物理鍵 ，系次價鍵，不如化學鍵強大，但能很大程度改變材料性質 五、氫鍵（Hydrogen bonding） 極性分子鍵 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位， 氫 原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價鍵結合），裸露原子核 將與近鄰分子的負端相互吸引氫橋 介于化學鍵與物理鍵之間，具有飽和性3高分子鏈（High polymer Chain)近程結構（short-range Structure)一、結構單元的化學組成（the Chemistry of mer unito)1.碳鏈高分子 聚乙烯主

7、鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結 加聚反應制得如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯雜鏈高分子 滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N 、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等3.元素有機高分子 硅橡膠 主鏈中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素與O組成，其側鏈則有機基團，故兼有無機高分子和有機高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠4.無機高分子 二硫化硅 聚二氯氮化磷主鏈既不含C原子，也不含有機基團，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易

8、水解二、高分子鏈結構單元的鍵合方式（bonding tape）1.均聚物結構單元鍵接順序 單烯類單體中 除乙烯分子是完全對稱的，其結構單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭頭尾尾頭尾雙烯類高聚物中，則更復雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同 2.共聚物的序列結構（Copolymers） 按結構單元在分子鏈內排列方式的不同分為三、高分子鏈的結構（structure）不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不能改變形狀熱固性（thermosetting） 四、高分子鏈的構型（Molecular configurations）鏈的

9、構型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過化學鍵斷裂才行旋光異構體（stereoisomerism）由烯烴單體合成的高聚物 在其結構單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構單元 ，有三種排列方式幾何異構（Geometrical isomerism） 雙烯類單體定向聚合時，可得到有規(guī)立構聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉，從而每一雙就可能有 順式 反式 兩種異構體之分，對于大分子鏈而言就有稱為幾何異構二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 遠程結構（Long-range Structure)一、高分子的大小（Molecular Size）高分子的相對分子質量M不是均一的，具有多分散性平均相對分子質量高分子鏈中重復單元數(shù)目稱為聚合度不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質，對加工和使用也有很大影響 。數(shù)均相對分子量每鏈節(jié)的質量對力學性能起決定作用，二、高分子的形狀（Molecular shape）主鏈以共價鍵聯(lián)結，有一定鍵長 d和鍵角，每個單鍵都能內旋轉（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個單鍵內旋轉可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目)統(tǒng)計學角度高分子鏈取