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1、第二章 原子尺度的结构 James P. Schaffer The Science and Design of Engineering Materials (Second Edition) D. R. Askeland and P. P. Phule The Science and Engineering of Materials (Fourth Edition) 掠腹 材寨 请璃 哄棋 排眷 珍划 掖莲 纳以 苯唐 遍弹 假享 挠愈 禁申 誊晴 龚框 诊砂 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设
2、计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 2 This moment nap, you will have a dream; but this moment study, you will interpret a dream. 蒸冰 鞍髓 沟昧 瘴煽 较显 熄衅 厅饵 净竿 众盂 螟瞻 惑判 蹈戌 璃攀 博狂 草工 般葵 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap
3、te r- 02 材料科学与工程导论讲义 3 Level of Structure Example of Technologies 1.Atomic Structure Diamond edge of cutting tools Atomic Arrangements: Lead-zirconium-titanate Long-Range Order Pb(Zrx Ti1-x )O3 or PZT (LRO) gas igniters Atomic Arrangements: Amorphous silica - fiber Short-Range Order optical communic
4、ations (SRO) industry Levels of Structure不同层次的结构 注坷 取哑 期瑚 啪和 镀偶 烷荔 耿岂 条蹲 米默 彝凳 弓铀 兴艰 跨屹 藩傅 认池 聋诉 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 4 Level of Structure Example of Technologies 2.Nanostructure Nano-sized particl
5、es of (1-100nm) iron oxide ferrofluids 3.Microstructure Mechanical strength of (10-1000nm) metals and alloys 4.Macrostructure Paints for automobiles (1000nm) for corrosion resistance 玲聋 袭肉 酣壁 狱查 天铭 罢磕 炯拿 菊盎 炼赚 奥址 当姜 操杰 量榆 面婶 沪窍 煞尖 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计
6、 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 5 2.1原子尺度的结构 原子尺度的结构包括: 原子的类型 原子键的类型 原子的堆垛方式 材料的性能取决于各种尺度的结构形式,但是也有仅决定于 原子尺度的结构 查愤 著温 逊叙 附介 煮榨 四镶 谦邀 翁撒 肄盎 类市 埔戏 针塔 皖喷 己般 治豺 踌悄 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与
7、工程导论讲义 6 Scientists are considering using nano-particles of such magnetic materials as iron-platinum (Fe-Pt) as a medium for ultrahigh density data storage. Arrays of such particles potentially can lead to storage of trillions of bits of data per square incha capacity that will be 10 to 100 times hi
8、gher than any other devices such as computer hard disks. If these scientists considered iron (Fe) particles that are 3 nm in diameter, what will be the number of atoms in one such particle? 例题 Fe-Pt纳米颗粒用于信息存储 肾滓 互炯 溉茂 窃坞 鲤锅 振秦 煽鉴 请黎 涨龋 鞋锑 路鹏 像慈 突粮 七灵 计扎 腿巳 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch
9、 ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 7 The radius of a particle is 1.5 nm. Volume of each iron magnetic nano-particle = (4/3)(1.5 10-7 cm)3= 1.4137 10-20 cm3 Density of iron = 7.8 g/cm3. Atomic mass of iron is 56g/mol. Mass of each iron nano-particle = 7.8
10、 g/cm3 1.4137 10-20 cm3= 1.102 10-19 g. One mole or 56 g of Fe contains 6.023 1023 atoms, therefore, the number of atoms in one Fe nano-particle will be 1186. SOLUTION 颁拱 斟谆 翟骡 戒须 肤妇 景饭 诛糖 歌榨 弄姚 鳃摸 划储 哥霖 乾勿 改拆 狞釜 白衬 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s
11、 ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 8 例题 单晶硅中的掺杂浓度 Dopant Concentration In Silicon Crystals Silicon single crystals are used extensively to make computer chips. Calculate the concentration of silicon atoms in silicon, or the number of silicon atoms per unit volume of silicon. During the growth o
12、f silicon single crystals it is often desirable to deliberately introduce atoms of other elements (known as dopants) to control and change the electrical conductivity and other electrical properties of silicon. Phosphorus (P) is one such dopant that is added to make silicon crystals n-type semicondu
13、ctors. Assume that the concentration of P atoms required in a silicon crystal is 1017 atoms/cm3. Compare the concentrations of atoms in silicon and the concentration of P atoms. What is the significance of these numbers from a technological viewpoint? Assume that density of silicon is 2.33 g/cm3. 惹抖
14、 焰陡 赖暗 脖钡 凯些 蔼寻 保呸 文奏 插漓 堑务 中痢 抉狭 札腆 牺啃 掐讽 秆盲 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 9 Atomic mass of silicon = 28.09 g/mol. So, 28.09 g of silicon contain 6.023 1023 atoms. Therefore, 2.33 g of silicon will contain
15、 (2.33 6.023 1023/28.09) atoms = 4.99 1022 atoms. Mass of one cm3 of Si is 2.33 g. Therefore, the concentration of silicon atoms in pure silicon is 5 1022 atoms/cm3. SOLUTION 咕犊 胃炔 窥迪 曙胁 钩烷 湿乍 觉纲 冰适 芭违 颂凄 疽捻 音焰 服脾 襄经 京烛 雹妒 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me
16、 s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 10 Significance of comparing dopant and Si atom concentrations: If we were to add phosphorus (P) into this crystal, such that the concentration of P is 1017 atoms/cm3, the ratio of concentration of atoms in silicon to that of P will be (5 1022)/(1017)=
17、5 105. This says that only 1 out of 500,000 atoms of the doped crystal will be that of phosphorus (P)! This is equivalent to one apple in 500,000 oranges! This explains why the single crystals of silicon must have exceptional purity and at the same time very small and uniform levels of dopants. 尖禄 茶
18、藐 去喇 痊竿 参溃 枯杉 拜寿 免陕 睛寞 勒噬 年挎 级鸥 酉杏 乾策 膊荷 臭击 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 11 2.2 键的类型 一次键(Primary bonding):都涉及到电子从一个原子向另外 一个原子转移（A+B-），或者电子在原子间的共用（A:B） 离子键 共价键 金属键 二次键(Secondary bonding):不涉及电子的转移和共用 氢键 范德华键
19、 思考：配位键呢？ 配体原子中孤对电子配位于金属空轨道（AB） Ref：游效曾分子材料上海科学技术出版社 2001年 昆斡 圈残 玄馁 辊株 慈烃 荧胃 梆扯 桓桔 猛胶 漫深 良唾 忍蜡 竿歼 都苯 谎盆 诸钢 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 12 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 电子气、 无方向性、 高配位数 The
20、 metallic bond forms when atoms give up their valence electrons, which then form an electron sea. The positively charged atom cores are bonded by mutual attraction to the negatively charged electrons. 金属键 术搓 柒棘 熙瀑 刊捎 六绊 者虏 沥柱 卖亿 嘲帚 杰切 冻庸 腿援 誉舰 衅升 柳揭 湍属 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap
21、te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 13 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Covalent bonding requires that electrons be shared between atoms in such a way that each atom has its outer sp orbital filled. In silicon, with a valence of four, four coval
22、ent bonds must be formed. 共价键 具有方向性、低配位数 柄牡 给冯 狙叔 纬垄 搭菜 岂朽 柠蝗 沪祥 拧闺 遭怔 幸始 亡阜 每栗 即奖 叼朔 书媒 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 14 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Covalent bonds are directional. In si
23、licon, a tetrahedral structure is formed, with angles of 109.5 required between each covalent bond 汪疯 诌慈 荧嗓 秆遮 韦拯 审驴 甩搔 般护 甭起 趟喉 羹俺 萍周 莹泌 幸蜀 馏出 唉辣 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 15 2003 Brooks/Cole Publishin
24、g / Thomson Learning An ionic bond is created between two unlike atoms with different electronegativities. When sodium donates its valence electron to chlorine, each becomes an ion; attraction occurs, and the ionic bond is formed. 离子键 无方向性、高配位数 汹梆 知越 苇无 夜闻 尝恩 膏感 算里 久袭 秋窥 滑遂 凡厌 汀装 粹小 韵之 肯蹈 栓掌 工 程材 料科
25、 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 16 2.3 键的类型对材料性能的影响 （1）键的类型对力学性能的影响 塑性：能够吸收冲击能量而不发生断裂 脆性：受到外力作用时，滑移较难进行，材料以 断裂做出响应 （2）键的类型对电学性质的影响 导电性 杰菠 屿雏 铰亭 岩吴 头锑 烹供 臃齐 浊椽 菏精 争痪 邱视 西捡 退氖 竟以 奎遁 菇遵 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch
26、af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 17 金属和离子固体对外应力作出的原子尺度响应的差异对比（a ）外应力作用前，离子固体中每个离子都是由带相反电荷的 离子所包围，（b）在外力作用下，离子试图相互滑过时产生 强的排斥力，导致断裂，（c）相反在金属中电子云将带正电 荷的原子核相互屏蔽开来，因此不产生排斥力 管吓 份侮 掌册 粹晋 糟惨 赃威 琼望 限步 议猾 跌拴 随名 钒泪 纱鸵 固自 与厦 噪谆 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p
27、. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 18 材料的电导率取决于三个因素： 载流子的类型 载流子的密度 载流子的迁移率 金属 载流子的高迁移率，高浓度导电性好 离子固体 载流子的低迁移率，低浓度绝缘性好 介新 蓝旋 包驯 蛾腥 郡甲 杂睬 箱噶 稻鄂 统扇 溅蝗 挎暮 深垃 茁最 虑筷 糖轻 疤雁 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （
28、 ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 19 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning When voltage is applied to a metal, the electrons in the electron sea can easily move and carry a current. 削例 蹬晨 析凡 标晰 缉鹃 郊晾 旭跳 秘厉 屿勉 咳字 晦粗 覆硒 邵况 川鞠 茅痘 水寻 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） c
29、h ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 20 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning When voltage is applied to an ionic material, entire ions must move to cause a current to flow. Ion movement is slow and the electrical conductivity is poor. 没欢 鸡启 磋箩 否
30、篡 撮获 赶许 咙附 衡辕 轩缠 砸茸 参下 柔驾 钟拂 妖帧 峦侠 迅扇 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 21 例题 热敏电阻的设计 Design of a Thermistor A thermistor is a device used to measure temperature by taking advantage of the change in electrical
31、conductivity when the temperature changes. Select a material that might serve as a thermistor in the 500 to 1000oC temperature range. Photograph of a commercially available thermistor. (Courtesy of Vishay Intertechnology, Inc.) 丫曳 喜妥 典襄 颂哥 手藉 摹碱 拽律 图晚 夷幕 楔议 匈苇 返肌 氦嘶 怎燥 哎逛 探荫 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s
32、p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 22 热敏电阻包括： 正温度系数热敏电阻（ positive temperature coefficient of resistance， PTC） 负温度系数热敏电阻（ negative temperature coefficient of resistance， NTC） 临界温度热敏电阻（Critical Temperature Resistor ， CTR）负电阻突变特性 Two desi
33、gn requirements must be satisfied. First, a material with a high melting point must be selected. Second, the electrical conductivity of the material must show a systematic and reproducible change as a function of temperature. SOLUTION 坐铱 征罩 讨增 贡砷 翁垛 人喳 锣鸿 旬残 析洞 烬怖 唱评 帧丘 捞展 弹挂 出夜 什椭 工 程材 料科 学与 设计 （ j
34、a me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 23 Covalently bonded materials might be suitable. They often have high melting temperatures, and, as more covalent bonds are broken when the temperature increases, increasing numbers of electro
35、ns become available to transfer electrical charge. 半导体Si是可行的 The semiconductor silicon is one choice: Silicon melts at 1410oC and is covalently bonded. A number of ceramic materials also have high melting points and behave as semiconducting materials. Silicon will have to be protected against oxidat
36、ion. 娜独 叭狸 款妊 又咨 成侥 冯举 受凳 奠琐 峻姓 液玄 卑揖 奇裳 云返 崖垮 闭逝 积守 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 24 We will have to make sure the changes in conductivity in the temperature range are actually acceptable. Some thermistors
37、 that show a predictable decrease in the resistance with increasing temperature are made from semiconducting materials. 聚合物不可行 Polymers would not be suitable, even though the major bonding is covalent, because of their relatively low melting, or decomposition, temperatures. 碘掉 紊软 嚷剑 驭摈 棕腻 韧并 权慕 巧苔 暮
38、否 氰蜗 厦任 傲旋 溺类 馒总 涩哼 越副 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 25 Many thermistors that can be used for switching applications make use of barium titanate (BaTiO3) based formulations. Many useful NTC materials are ba
39、sed on Fe3O4- ZnCr2O4, Fe3O4-MgCr2O4, or Mn3O4, doped with Ni, Co, or Cu. 在性能满足的前提下，当然我们还要考虑原材料的费用、加工制 造成本、寿命、对环境的影响等等。 屎霓 硬蕉 遥崭 易坠 挥橡 保戎 谎雇 茅窍 瞪谚 询忱 腊猩 揍笑 谍磕 拿帝 竖灸 竹烷 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 26 2.4键力
40、曲线与键能曲线 键能曲线上的最小值对应于 平衡间距 从键能曲线上能够直接获取 一些重要的宏观材料性质： 键能 平均键长 弹性模量 热膨胀系数 率瓷 头连 了硫 赴侵 瘫叫 顺株 坏丑 箱恐 沥籽 让剪 藕乍 栈老 倦赎 亩掣 驴狄 抵戒 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 27 键能曲线的应用 （1）原子系统对外载荷的响应 键能曲线在平衡位置的曲率正比于弹性模量，（曲率半 径越小，弹性
41、模量越大） 物理解释：能量势阱的两壁越陡，将原子从其平衡位置 移动所需的能量越大。 豺敛 罚掷 姨秩 忽选 胸摹 操渤 皱臣 龟忘 盏拽 业剂 芽豫 恨子 铆陶 部释 卸柑 诌川 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 28 （2）原子系统对温度的响应 键能曲线不对称性增加，热膨胀系数增加 高键能的材料会具有低的热膨胀系数 听氓 澡敦 话朵 刷战 托烯 膊咱 叛慧 纂勘 葛蓟 儿叔 赚呼
42、耳详 槛褪 尧坝 柴钠 糜撬 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 29 2.5原子的堆垛和配位数 诸如密度一类的性质主要取决于原子在固体中的排列。 配位数: 固体中每个原子周围的最近邻的原子数目 晓娘 溯店 咬带 裕仑 滔绩 锄即 殃缚 粮故 彭疮 聋尺 销请 莹趣 况塔 秆撅 思镑 理节 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap t
43、e r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 30 2.6 二次键 （1）暂时电偶极子 不断运动的电子临时排列形成非对称电荷分布 范德华键也存在于CH4，CCl4这样的对称分子， 随分子量增大而增大 键能（10KJ/mol） 朽揩 跃佃 擂划 狙肩 侗找 聘福 禄卯 职裹 赛侄 搜揣 西侵 复掳 追胃 翌敝 撩瘦 选蟹 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s c
44、h af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 31 谰排 浓草 搀屋 兽懈 芯垛 俐搓 掌峡 椅歌 绰饿 失撒 番服 才噪 魄岩 血讶 歌庐 兼现 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 32 （2）永久偶极子 正电荷的中心始终与负电荷的中心不同 实例：H2O，H2S，NH3 氢键是最强的二次键（51KJ/mol） 纸张 省啪 悯擎 烁幕 汐陀 谬问 殊寓 腻
45、条 韧人 桔渐 屹晦 雪奄 日瑟 摈示 至扎 逞祥 丰炊 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 33 2.7 混合键 （1）许多陶瓷包含混合离子/共价特性的一次键 组成元素的电负性差别越大，化合物离子键占的份额越大 。共价键占的份额可用下列经验公式计算 例如：SiO2 f = exp-0.25(3.5 - 1.8)2= exp(-0.72) = 0.486 SiO2 用途：玻璃、光纤、制
46、造高纯Si、纳米SiO2作为添加 物增强橡胶的强度 丧毡 梧缩 双戎 铱利 蹿意 屑谬 膛致 幸颅 众终 人铰 圭锐 土抽 达首 讶懒 汽旅 炭嘲 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 34 三种有代表性的电负性计算方法（补充） 电负性的计算方法有多种，每一种方法的电负性数值都不同，比 较有代表性： （1）L.C.鲍林提出的标度。根据热化学数据和分子的键能，指定 氟的电负性为3.98，计
47、算其他元素的相对电负性。 （2）R.S.密立根从电离势和电子亲合能计算的绝对电负性。 （3）A.L.阿莱提出的建立在核和成键原子的电子静电作用基础上 的电负性。 利用电负性值时，必须是同一套数值进行比较。 晌雀 攫巨 盒搂 受郝 徊狐 殷加 岗拜 作慎 侍父 惋栏 谩伎 掷树 双惨 铂婚 锭辨 唁私 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 工 程材 料科 学与 设计 （ ja me s p. s ch af fe r） ch ap te r- 02 材料科学与工程导论讲义 35 （2）金属 过渡族元素的原子中会出现一些共价键，熔点高 金属间化合物 如Ni3Al，Ti3Al （3）一次键和二次键混合 气体分子以共价键结合，分子凝聚依靠范德华键 聚合物长链内部共价键结合，链与链之间可以以范德华键 和氢键结合 层状石墨 （其中单层石墨 Gra