材料物理性能與測(cè)試PPT

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1、1.2.1晶體結(jié)合的類型1.2.2結(jié)合力1.2晶體的結(jié)合結(jié)合力的不同可以將其分成五個(gè)典型的結(jié)合類型:離子晶體原子晶體金屬晶體分子晶體氫鍵晶體1.2.1晶體的結(jié)合類型I-VII族組成的晶體是典型的離子晶體，如：NaCI、CsCI；II-VI族化合物可以看作離子晶體，如：CdS、ZnS。一、離子晶體1.類型剛球模型：組成離子晶體的原子在得失電子后，電子組態(tài)與惰性原子的電子組態(tài)一樣，這種電子殼層結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，具有球形對(duì)稱性，由此可以把正負(fù)離子作為鋼球來(lái)處理。2.基本概念結(jié)合力：正負(fù)離子間的靜電庫(kù)侖力。配位體：離子的最鄰近的異種離子。配位數(shù)：異種離子的總數(shù)。晶體的結(jié)合能Eb：晶體由N個(gè)原子組成

2、，這些原子的在自由時(shí)的總能量EN與晶體處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的能量（動(dòng)能和勢(shì)能）E0之差。晶體結(jié)合能的意義：結(jié)合能對(duì)了解組成晶體的粒子間相互作用的本質(zhì)，為探索新材料的合成提供了理論指導(dǎo)。(1）氯化鈉型是由兩種面心立方結(jié)構(gòu)的離子沿晶軸平移1/2間距而成，配位數(shù)為6。NaCI、KCI、AgBr、PbS、MgO等皆屬此類；(2）氯花銫型是由兩種簡(jiǎn)立方結(jié)構(gòu)的離子沿空間對(duì)角線位移1/2長(zhǎng)度套購(gòu)而成，配位數(shù)為8。TiBr、TiI等皆屬此類。3.晶格復(fù)式格子。4.典型的離子晶體結(jié)構(gòu)（3）離子結(jié)合成分較大的半導(dǎo)體材料ZnS等，是由兩種各為面心立方結(jié)構(gòu)的離子沿空間對(duì)角線位移1/4程度套購(gòu)而成的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，配位數(shù)

3、為4。結(jié)合能的數(shù)量級(jí)約在800kJ/mol，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定導(dǎo)致4.特性導(dǎo)電性能差、熔點(diǎn)高、硬度高、熱膨脹系數(shù)小。在紅外區(qū)有一特征峰，但對(duì)可見光是透明的。晶格：復(fù)式格子類型：IV族元素C（晶剛石）、Si、Ge、Sn(灰錫）的晶體。結(jié)合力：共價(jià)鍵力。特點(diǎn)：飽和性------形成鍵的數(shù)目（配位數(shù)）有一最大值；方向性------各個(gè)共價(jià)鍵之間有確定的取向。例如：金剛石結(jié)構(gòu)的4個(gè)鍵的方向是沿著正四面體的4個(gè)頂角方向，鍵間的夾角恒為109028‘。二、原子晶體（共價(jià)晶體）特性：特性差別較大。典型的原子晶體，具有熔點(diǎn)高、導(dǎo)電性能差、硬度高等特點(diǎn)。例如：從熔點(diǎn)來(lái)看，金剛石約為3280k、而Si為1693k，

4、Ge為1209k。從導(dǎo)電性來(lái)看，金剛石是一種良好的絕緣體，而Si和Ge在極低溫度下才是絕緣體，同時(shí)它們的電阻率隨溫度升高而急速的下降，是典型的半導(dǎo)體材料。類型：I、II族元素及過渡元素都是典型的金屬晶體。結(jié)合力：主要是由原子實(shí)和電子云之間的靜電庫(kù)侖力，所以要求排列最緊密。晶格：不喇菲格子。原胞：大多數(shù)金屬為立方密積和六角密積，配位數(shù)均為12。前者如Cu、Ag、Au、AI，后者如Be、Mg、Zn、Cd。少數(shù)金屬具有體心立方結(jié)構(gòu)，如Li、Na、K、Rb、Cs、Mo、W等。特性：具有良好的導(dǎo)電性，結(jié)合力小，但過渡金屬的結(jié)合能則比較大。三、金屬晶體晶體中粒子的互作用可分為兩大類：1.吸引作用：

5、是由于異性電荷之間的庫(kù)侖力，引起的作用在遠(yuǎn)距離是主要的。2.排斥作用：一是同性電荷之間的庫(kù)侖力，二是泡利原理所引起，在近距離是主要的。在一適當(dāng)?shù)木嚯x吸引作用=排斥作用晶格處于穩(wěn)定狀態(tài)1.2.2結(jié)合力一、結(jié)合力原子間的相互作用由勢(shì)能u(r)可以按下式計(jì)算互作用力：f(r)=-du(r)/dr當(dāng)兩原子很靠近時(shí)，斥力大于引力，總的作用力f(r)?0。當(dāng)兩原子相離比較遠(yuǎn)時(shí)，總的作用力為引力，f(r)?0二互作用力、互作用勢(shì)能和原子間距的關(guān)系u(r)rrf(r)rorm斥力吸引力1.計(jì)算ro、rm在某一適當(dāng)距離ro，引力和斥力相抵消，f(r)=0即：du(r)/dr

6、ro=0得ro由：df(r)

7、/dr

8、rm=-d2u(r)/dr2

9、rm=0得rm兩原子間的互作用勢(shì)能可用密函數(shù)來(lái)表達(dá)：u(r)=?A/rm+B/rnA、B、m、n為大于零的常數(shù)，第一項(xiàng)表示吸引能，第二項(xiàng)表示斥力能。晶體中總互作用勢(shì)能為原子或離子對(duì)間的互作用勢(shì)能之和用經(jīng)典的處理方法：先計(jì)算兩個(gè)原子之間的互作用勢(shì)能，再把晶體的結(jié)構(gòu)因素考慮進(jìn)去，綜合起來(lái)就可以求得晶體的總勢(shì)能。設(shè)晶體中兩原子的互作用勢(shì)能為u(rij),則由N個(gè)原子組成的晶體其總的互作用勢(shì)能為：u(r)=1/2??u(rij)2.求結(jié)合能已知原子間的結(jié)合力、結(jié)合能的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以計(jì)算晶格常數(shù)、體積彈性模量、抗張強(qiáng)度等許多物理量。例如：晶胞常數(shù)的計(jì)算：原

10、子處于平衡位置時(shí)，結(jié)合能最小，由du(r)/dr

11、ro=0求晶格常數(shù)。三、結(jié)合力、勢(shì)能的意義小結(jié)1.固體的結(jié)合全部歸因于電子的負(fù)電荷和原子核的正電荷之間的靜電吸引作用。但不同類型，表現(xiàn)形式不同?！镫x子鍵是由異性離子的靜電吸引而形成；★共價(jià)鍵是反平行自旋的交疊電子，通過靜電吸引束縛與它們關(guān)聯(lián)的離子而形成；★金屬鍵是靠負(fù)電子云同正離子實(shí)間的庫(kù)侖力形成；★分子鍵靠感生偶極矩間的互作用形成★氫鍵是氫原子核通過庫(kù)侖作用與負(fù)電性較大的離子結(jié)合形成。2.原子