材料科学/物质结构

物质结构

原子结构和键合

从根本上说，存在两种类型的键合——原子之间的键合和离子之间的键合。非金属原子之间的键合是共价键，这意味着它们在它们之间的空间中共享一对电子。这两个原子结合在一起，不能通过简单的物理方法分离。如果这两个原子具有相似的电负性，则没有一个原子比另一个原子对电子对具有更大的吸引力。这种类型的共价键被称为非极性。非极性共价化合物的例子有甲烷、二氧化碳和石墨。在石墨中，所有原子都相同，因此没有一个原子比其他原子具有更强的吸引力。在甲烷中，碳氢键极性非常小，并且极性被抵消，因为所有键都指向相同的轨迹。此外，还存在一种称为氢键的较弱类型的键，这在蛋白质等复杂分子中很重要。它们形成弱键，使叶绿素等复杂分子具有特定的形状和性质。键的类型和分子的结构影响物质的微观性质。

键合力与键能

电荷之间的库仑吸引力。
$Z_{1}$ 和 $Z_{2}$ 是离子的化合价

	吸引力	排斥力	能量
公式	$F_{A}$ = ${\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}$ = $k_{0}{\frac {e^{2}Z_{1}Z_{2}}{r^{2}}}$	$F_{R}{=}{\frac {-b^{n}}{r^{n+1}}}$	$E_{net}$ = $\int F_{A}dr+\int F_{R}dr$ = ${\frac {-A}{r}}+{\frac {B}{r^{n}}}$
F/E 相对于 r 的图	F 相对于 r -> 模量（刚度）	参见左侧	热膨胀系数熔点结合能最小值是平衡距离

其中 A= $k_{0}e^{2}Z_{1}Z_{2}$ ，而 B 是通过经验图找到的

键合

- 离子键特征百分比 - 表示元素A 和B 之间键合中离子键和共价键所占的比例，基于电负性X

$\%IC{=}$ $(1-e^{-(.25)(X_{A}-X_{B})^{2}})*100\%$

方向键	次要的共价键
非方向键	金属键离子键

按分子间作用力强度的递增顺序

瞬时诱导偶极 < 极性分子诱导偶极 < 氢键（永久偶极矩）

金属和陶瓷的结构

**常见符号**
符号	定义	单位（SI）
$\rho$	密度	$kg/m^{3}$
n	每个晶胞中的原子数	1
n'	每个晶胞中的化学式单位数	1
M	原子量	g/mol
$A_{C}$	化学式单位中阳离子的原子量	g/mol
$A_{A}$	化学式单位中阴离子的原子量	g/mol
$V_{C}$	晶胞体积	m^3
$N_{A}$	阿伏伽德罗常数	atom/mol

金属和陶瓷的密度

	金属	陶瓷
密度	$\rho {=}{\frac {nM}{V_{C}N_{A}}}$	$\rho {=}{\frac {n'(\sum A_{C}+\sum A_{A})}{V_{C}N_{A}}}$
密度如何	密度更大	密度更小
为什么密度更大	金属键 -> 密堆积原子质量大	共价键质量轻

陶瓷晶体结构

在具有离子特性的陶瓷中，每个离子的电荷量和离子的相对大小部分决定了结构
离子的电荷表示比率 - 晶体必须是中性的
最大化相反电荷的离子邻居数
能够围绕小阳离子的大量阴离子的数量由阳离子/阴离子半径比确定
配位数随着 ${\frac {r_{cation}}{r_{anion}}}$ 增加

主要类型离子陶瓷晶体结构表

陶瓷结构	几何	阴离子堆积	配位数，阴离子	配位数，阳离子	结构化学计量
氯化钠	线性	面心立方	6	6	AX
闪锌矿	四面体	面心立方	4	4	AX
氯化铯	三平面	简单立方	8	8	AX
萤石	八面体	简单立方	4	8	$AX_{2}$

原子堆积因子

APF= ${\frac {Volumeofatomsinaunitcell}{TotalUnitCellvolume}}=$ $N{\dot {\frac {{\frac {4}{3}}\pi R^{2}}{a^{3}}}}{=}{\frac {V_{s}}{V_{C}}}$

金属晶体结构表

	体心立方	面心立方	六方密堆积	简单立方
配位数	8	12	12	6
晶胞-半径关系	$4r=a_{0}{\sqrt {3}}$	$4r{=}a_{0}{\sqrt {2}}$	$2r=a_{0}$ $c/a_{0}=1.63$	$a_{0}=2r$
体积	$a^{3}$	$a^{3}$	$a^{2}c\cos {(30)}$	$a^{3}$
堆垛顺序	N/A	A-B-C	A-B
原子/晶胞	2	4	6	1
原子堆积因子	.68	.74	.74
密堆积平面	[0001]	[111]	无
密堆积方向	$<{\bar {1}}120>$	<110>	<111>
陶瓷结构		NaCl、闪锌矿		(简单立方)CsCl、萤石

点、向量和平面的米勒指数

对于点和向量

简化形式

找到 $\Delta x,\Delta y,\Delta z$ 将它们缩放到最接近的整数

对于平面

如果所讨论的平面穿过原点，则创建新的原点
注意平面在x,y,z中的截距

(a) 如果交点是整个轴，则值为 $\infty$

(b) 如果平面平行于一个轴，则值为 $\infty$

取找到的截距的倒数
简化为最小的整数
用括号括起来，不要用逗号隔开

[信息] [方向列表] [比较表]

线性密度和面密度

聚合物结构

聚合度

DP=每条链的重复单元平均数

$DP={MolarWeightofpolymer({\bar {M_{n}}}) \over Molarweightofsubstituent({\bar {m}})}$

${\bar {M_{n}}}{=}\sum x_{i}M_{i}<br/>{\bar {M_{w}}}{=}\sum w_{i}M_{i}<br/>{\bar {m}}$ = 重复单元的平均分子量

分子结构和立体规整性

聚合物性质	含义
线性	重复单元在一条链中首尾相连
支化	具有连接到主链的侧支链
交联	相邻线性链通过共价键在各个位置连接
网络	多官能团单体的 3D 网络
等规	所有取代基在单分子骨架的同一侧
间规	沿着链的交替位置（下/上）
无规	取代基随机放置在链上

热行为

	热塑性塑料	热固性塑料	弹性体
示例	聚乙烯	聚氨酯	天然橡胶
对加热的反应	热诱导的延展性	加热时分解
重塑	易于重塑	脆性
交联	最小；长链	广泛；共价键
结构	线性 + 支化	具有交联的网络	热塑性塑料或轻度交联的热固性塑料；由弹簧状分子组成
冷却响应	弱力重新形成新形状	快速冷却 -> 较大体积缓慢冷却 -> 较小体积；更坚硬 + 更致密

共聚物

均聚物是指纯聚合物
共聚物具有不同的重复单元

例如：PVC-C-PE 是一种共聚物（C 代表共聚物）

共聚物类型
名称	定义	示例
无规	没有模式	AABABBABBBABAA
交替	直接交替单元	ABABABABA
嵌段	一个嵌段相同，另一个嵌段不同	AAAABBBBAAAA
接枝	具有接枝的均聚物侧支链的主均聚物链

结晶度

聚合物的结晶区域以链折叠结构为特征
折射率高于非晶态
电绝缘体
机械强度低
化学惰性
在 STP 条件下为固体
低密度聚合物 -> 高光学透明度
高密度聚合物 -> 不透明
分子量越高 -> 结晶化越少，长链更难以排列成阵列
热处理会增加结晶度
n= 每个晶胞的重复单元数

$n{=}{\rho V_{C}N_{A} \over A}$

结晶度 = ${\rho _{c}(\rho _{s}-\rho _{a}) \over \rho _{s}(\rho _{c}-\rho _{a})}\times 100\%$

$\rho _{c}=densityperfectlycrystallinepolymer<br/>\rho _{a}=densitytotallyamorphouspolymer<br/>\rho _{s}=densityofsamplepolymer$

晶体结构

晶体固体的某些性质取决于材料的晶体结构，即原子、离子或分子在空间上的排列方式。

缺陷

缺陷是晶体层之间形成的小间隙，其中晶体层的延续被不同晶体层的边界打断。由于晶体没有完美排列，因此在晶体相遇处形成了小的间隙。这些间隙被称为缺陷。材料的缺陷是研究的重点。然而，有一些方法可以确定缺陷的来源以及如果发生缺陷，缺陷在材料中的尺寸、形状和位置。这些方法有：**破坏性测试方法**和**无损检测方法（NDT）**。

材料永久变形
可以混合，很多都是
金属有许多滑移面

符号	术语	含义	注释	主题
$c_{1}$	重量基杂质
$c_{1}^{'}$	原子杂质
	刃型位错	添加半平面 b 垂直于位错线
	螺型位错	完美切口和扭转应力，位错	畸变平面一个原子间距	位错线
b	伯氏矢量	畸变量，大小和方向 -> 闭合回路
	位错线
	滑移面	位错移动的平面	具有最高平面原子密度的平面，
滑移方向	金属最紧密堆积
	缺陷
晶界	4 度分界线
晶粒	(晶粒)
	大角度晶界
N	每平方英寸晶粒数	$2^{n-1}$
n	ASTM 晶粒尺寸编号
腐蚀	优先攻击晶粒区域
晶粒尺寸	影响屈服强度	反平方根关系	通过腐蚀明显
小角度晶界	由位错阵列产生	不太重要

共价、离子陶瓷运动困难
断裂键需要高力
离子陶瓷在移动时会产生排斥力

金属

在密堆积平面移动
FCC 许多密堆积平面，方向
HCP 只有一个平面，三个方向
许多平面 -> 更塑性
一个平面，更脆
通过断裂和重组原子键移动
塑性变形产生位错运动

扩散

当一种物质移动到另一种物质中时

术语和单位

词汇表

术语	定义	注释
晶体材料	在大的原子距离上原子周期性排列
晶胞	晶体材料的小重复单元	示例
mer	聚合物的晶胞
多晶型	当金属或非金属可能具有不止一种晶体结构时	参见：同素异形体
同素异形体	专门指元素固体的多晶型	参见：多晶型