材料科学基础chp.1-原子结构与键合

返回2020/3/25第一章原子结构与键合内部结构→材料的性能结构篇返回2020/3/25章目录1.1原子结构及其周期性1.2原子间的键合1.3高分子链返回2020/3/25结构的四个层次•成分、加工工艺共同决定着材料的结构，材料的内部结构决定了材料的性能。•材料结构分为四个层次:原子结构原子结合键成分原子排列相结构加工工艺返回2020/3/251.1原子结构及其周期性原子核+电子1922年获得诺贝尔奖（物理学）返回2020/3/25一、核外电子分布核外电子的运动状态，由四个量子数决定。•主量子数n=1、2、3…距核远近、能量高低。•角量子数l=0、1、2…电子云形状、能量高低。•磁量子数m=0、、…电子轨道空间取向•自旋量子数ms=电子自旋方向1221返回2020/3/25电子轨道将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解，得到四种电子分布的波函数—电子轨道•s—一种组态（球对称）2•p—三种组态（轴对称）6•d—五种组态10•f—七种组态14返回2020/3/25d-轨道空间分布示意图yxzxxzp-轨道空间分布示意图返回2020/3/25电子分布须遵循的两个原则：•泡利不相容原则一个原子中，不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。•能量最低原则电子总是优先占据能量较低的轨道，使系统的能量处于稳定的状态。返回2020/3/25二、原子结构的周期规律周期表中，周期数代表了电子主层数n。1、元素的周期性•1、2、3为短周期，外层电子只有s、p次层。•4、5、6、7为长周期，除s、p次层外，还有d层电子。•6、7周期中，除s、p、d外，还填入了f层电子。spdf返回2020/3/25返回2020/3/252、主族元素ⅠA〜ⅧA•分别填入外层s、p电子（2+6=8），原子的电负性和化学性质由此呈周期变化。•活泼金属→非金属→惰性元素。•以半金属元素ⅣA为中心，可作为材料使用；性质活泼的元素不宜用作材料。返回2020/3/253、副族元素ⅢB〜ⅡB•分别填入d内层电子（共10个）。•由于外层s电子为1、2个，几乎相同，化学性质变化不大，统称“过渡族元素”。•因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大，稳定性上升。•材料元素的重点选择区域。返回2020/3/254、镧系、锕系•分别填入f内层电子（共14个）。•因外层s电子都是2，化学性质非常接近，统称“稀土元素”。•由于f层内有许多空轨道，相互间能级差很小，易于激发，因而具有重要的功能效应。例如：长余辉稀土铝酸盐材料。返回2020/3/255、电负性•周期表中由左至右、由下到上，电负性↑。•同族、同周期元素有相似的性质特点。例如：Nb具有低温超导性，在它周围的Zr、Mo、V、Ta也有这一特性。S化物、Se化物、Te化物同族，都有光电特性。spdf返回2020/3/251.2原子间的键合1、金属键（Metallicbonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键性质：良好导电、导热性能，延展性好返回2020/3/25•2、离子键（Ionicbonding)•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3、共价键（covalentbonding）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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）返回2020/3/254、范德华力次价键，偶极作用，没有方向性和饱和性。键能弱（几～数十KJ/mol）。5、氢键：次价键。H与电负性很大、原子半径较小的O、F、N等结合而产生的较强的键力，几十KJ/mol，有方向性和饱和性。返回2020/3/251.3高分子链（HighpolymerChain）返回2020/3/25近程结构（short-rangeStructure)一、结构单元的化学组成（theChemistryofmerunito)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2.杂链高分子涤纶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返回2020/3/25•3.元素有机高分子硅橡胶••主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶4.无机高分子二硫化硅主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解聚二氯—氮化磷返回2020/3/25二、高分子链结构单元的键合方式（bondingtape）•1.均聚物结构单元键接顺序•单烯类单体中除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：头—头尾—尾头—尾双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同返回2020/3/25•2.共聚物的序列结构（Copolymers）•按结构单元在分子链内排列方式的不同分为返回2020/3/25三、高分子链的结构（structure）不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状—热固性（thermosetting）返回2020/3/25四、高分子链的构型（Molecularconfigurations）•链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行返回2020/3/25旋光异构体（stereoisomerism）由烯烴单体合成的高聚物在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元，有三种排列方式返回2020/3/25几何异构（Geometricalisomerism）双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有顺式反式对于大分子链而言就有二甲基丁二烯二甲基丁二烯两种异构体之分，称为几何异构返回2020/3/25远程结构（Long-rangeStructure)•一、高分子的大小（MolecularSize）•高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性•平均相对分子质量返回2020/3/25高分子链中重复单元数目称为聚合度不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质，对加工和使用也有很大影响。数均相对分子量每链节的质量对力学性能起决定作用，返回2020/3/25•二、高分子的形状（Molecularshape）•主链以共价键联结，有一定键长d和键角θ，每个单键都能内旋转（Chaintwisting）故高分子在空间形态有mn-1(m为每个单键内旋转可取的位置数，n为单键数目)•统计学角度高分子链取伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大•高分子链的总链长•均方根三、影响高分子链柔性的主要因素（themaininfluencingfactorsonthemolecularflexibility）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）