第二章-材料结构与性能

第二章 材料的结构和性能

在外界条件固定时，材料的性能取决 于材料内部的构造。这种构造便是组成材 料的原子种类和分量，以及它们的排列方 式和空间分布。习惯上将前者叫做成分， 后者叫做组织结构，而我们把这两者统称 为结构。物质通常具有三种存在形态：气 态、液态、固态，而在使用状态下的材料 通常都是固态。(材料在固态下结合方式及 结构特点 )

第一节 材料的结合方式在所有的固体中，原子靠键结合在一起。 键使固体具有强度和相应的电学和热学性 能。例如，强的键导致高熔点、高弹性模 量、较短的原子间距和较低的热膨胀系数。

一、结合键1. 离子键

2. 共价键共价键是一种强吸引力的结合键。 当两个相同原子或性质相近的原子接 近时，价电子不会转移，原子间借共 用电子对所产生的力而结合，形成共 价键。

共价键使原子间有很强的吸引力，这一 点在金刚石中很明显，金刚石是自然 界中最硬的材料，而且它完全是由碳 原子组成。每个碳原子有四个价电子， 这些价电子与邻近原子共用，形成完 全由价电子对结合而成的三维点阵。 这些三维点阵使金刚石具有很高的硬 度和熔点。

3. 金属键

金属是由金属键结合而成的，它具有同 非金属完全不同的特性。金属原子的 外层电子少，容易失去。当金属原子 相互靠近时，这些外层原子就脱离原 子，成为自由电子，为整个金属所共 有，自由电子在金属内部运动，形成 电子气。这种由自由电子与金属正离 子之间的结合方式称为金属键

4. 分子键 分子键又叫范德华键，是最弱的一种结 合键。它是靠原子各自内部电子分布不均 匀产生较弱的静电引力，称为范德华力， 由这种分子力结合起来的键叫做分子键。

5. 氢键 另一种范德华力实际上是极性分子的一 种特殊情况。C-H、O-H或N-H键端部暴 露的质子是没有电子屏蔽的，所以，这个 正电荷可以吸引相邻分子的价电子，于是 形成了一种库仑型的键，称为氢键，氢键 是所有范德瓦尔斯键中最强的。

氢键最典型的例子是水，一个水分子中 氢质子吸引相邻分子中氧的孤对电子， 氢键使水成为所有低分子量物质中沸 点最高的物质。

二、结合键对材料性能的影响

1. 金属材料 金属材料的结合键主要是金属键。 1)金属具有良好的导电性； 2)金属的导热性好； 3)正的电阻温度系数； 4)具有良好的变形能力；

另外，自由电子可以吸收光的能量，因而金 属不透明；而所吸收的能量在电子回复到 原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。

2. 陶瓷材料 陶瓷材料通常具有极高的熔点和 硬度，但同时陶瓷

材料的脆性也很 大。

简单说来，陶瓷材料是包含金属和非 金属元素的化合物，其结合键主要是 离子键和共价键，大多数是离子键。 离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性， 所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和 硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。

3. 高分子材料具有很好的力学性能。