材料科學/物質結構

物質結構

原子結構和鍵合

從根本上說，存在兩種型別的鍵合——原子之間的鍵合和離子之間的鍵合。非金屬原子之間的鍵合是共價鍵，這意味著它們在它們之間的空間中共享一對電子。這兩個原子結合在一起，不能透過簡單的物理方法分離。如果這兩個原子具有相似的電負性，則沒有一個原子比另一個原子對電子對具有更大的吸引力。這種型別的共價鍵被稱為非極性。非極性共價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，因此沒有一個原子比其他原子具有更強的吸引力。在甲烷中，碳氫鍵極性非常小，並且極性被抵消，因為所有鍵都指向相同的軌跡。此外，還存在一種稱為氫鍵的較弱型別的鍵，這在蛋白質等複雜分子中很重要。它們形成弱鍵，使葉綠素等複雜分子具有特定的形狀和性質。鍵的型別和分子的結構影響物質的微觀性質。

鍵合力與鍵能

電荷之間的庫侖吸引力。
$Z_{1}$ 和 $Z_{2}$ 是離子的化合價

	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 相對於 r 的圖	F 相對於 r -> 模量（剛度）	參見左側	熱膨脹係數熔點結合能最小值是平衡距離

其中 A= $k_{0}e^{2}Z_{1}Z_{2}$ ，而 B 是透過經驗圖找到的

鍵合

- 離子鍵特徵百分比 - 表示元素A 和B 之間鍵閤中離子鍵和共價鍵所佔的比例，基於電負性X

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

方向鍵	次要的共價鍵
非方向鍵	金屬鍵離子鍵

按分子間作用力強度的遞增順序

瞬時誘導偶極 < 極性分子誘導偶極 < 氫鍵（永久偶極矩）

金屬和陶瓷的結構

**常見符號**
符號	定義	單位（SI）
$\rho$	密度	$kg/m^{3}$
n	每個晶胞中的原子數	1
n'	每個晶胞中的化學式單位數	1
M	原子量	g/mol
$A_{C}$	化學式單位中陽離子的原子量	g/mol
$A_{A}$	化學式單位中陰離子的原子量	g/mol
$V_{C}$	晶胞體積	m^3
$N_{A}$	阿伏伽德羅常數	atom/mol

金屬和陶瓷的密度

	金屬	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
為什麼密度更大	金屬鍵 -> 密堆積原子質量大	共價鍵質量輕

陶瓷晶體結構

在具有離子特性的陶瓷中，每個離子的電荷量和離子的相對大小部分決定了結構
離子的電荷表示比率 - 晶體必須是中性的
最大化相反電荷的離子鄰居數
能夠圍繞小陽離子的大量陰離子的數量由陽離子/陰離子半徑比確定
配位數隨著 ${\frac {r_{cation}}{r_{anion}}}$ 增加

主要型別離子陶瓷晶體結構表

陶瓷結構	幾何	陰離子堆積	配位數，陰離子	配位數，陽離子	結構化學計量
氯化鈉	線性	面心立方	6	6	AX
閃鋅礦	四面體	面心立方	4	4	AX
氯化銫	三平面	簡單立方	8	8	AX
螢石	八面體	簡單立方	4	8	$AX_{2}$

原子堆積因子

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

金屬晶體結構表

	體心立方	面心立方	六方密堆積	簡單立方
配位數	8	12	12	6
晶胞-半徑關係	$4r=a_{0}{\sqrt {3}}$	$4r{=}a_{0}{\sqrt {2}}$	$2r=a_{0}$ $c/a_{0}=1.63$	$a_{0}=2r$
體積	$a^{3}$	$a^{3}$	$a^{2}c\cos {(30)}$	$a^{3}$
堆垛順序	N/A	A-B-C	A-B
原子/晶胞	2	4	6	1
原子堆積因子	.68	.74	.74
密堆積平面	[0001]	[111]	無
密堆積方向	$<{\bar {1}}120>$	<110>	<111>
陶瓷結構		NaCl、閃鋅礦		(簡單立方)CsCl、螢石

點、向量和平面的米勒指數

對於點和向量

簡化形式

找到 $\Delta x,\Delta y,\Delta z$ 將它們縮放到最接近的整數

對於平面

如果所討論的平面穿過原點，則建立新的原點
注意平面在x,y,z中的截距

(a) 如果交點是整個軸，則值為 $\infty$

(b) 如果平面平行於一個軸，則值為 $\infty$

取找到的截距的倒數
簡化為最小的整數
用括號括起來，不要用逗號隔開

[資訊] [方向列表] [比較表]

線性密度和麵密度

聚合物結構

聚合度

DP=每條鏈的重複單元平均數

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

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

分子結構和立體規整性

聚合物性質	含義
線性	重複單元在一條鏈中首尾相連
支化	具有連線到主鏈的側支鏈
交聯	相鄰線性鏈透過共價鍵在各個位置連線
網路	多官能團單體的 3D 網路
等規	所有取代基在單分子骨架的同一側
間規	沿著鏈的交替位置（下/上）
無規	取代基隨機放置在鏈上

熱行為

	熱塑性塑膠	熱固性塑膠	彈性體
示例	聚乙烯	聚氨酯	天然橡膠
對加熱的反應	熱誘導的延展性	加熱時分解
重塑	易於重塑	脆性
交聯	最小；長鏈	廣泛；共價鍵
結構	線性 + 支化	具有交聯的網路	熱塑性塑膠或輕度交聯的熱固性塑膠；由彈簧狀分子組成
冷卻響應	弱力重新形成新形狀	快速冷卻 -> 較大體積緩慢冷卻 -> 較小體積；更堅硬 + 更緻密

共聚物

均聚物是指純聚合物
共聚物具有不同的重複單元

例如：PVC-C-PE 是一種共聚物（C 代表共聚物）

共聚物型別
名稱	定義	示例
無規	沒有模式	AABABBABBBABAA
交替	直接交替單元	ABABABABA
嵌段	一個嵌段相同，另一個嵌段不同	AAAABBBBAAAA
接枝	具有接枝的均聚物側支鏈的主均聚物鏈

結晶度

聚合物的結晶區域以鏈摺疊結構為特徵
折射率高於非晶態
電絕緣體
機械強度低
化學惰性
在 STP 條件下為固體
低密度聚合物 -> 高光學透明度
高密度聚合物 -> 不透明
分子量越高 -> 結晶化越少，長鏈更難以排列成陣列
熱處理會增加結晶度
n= 每個晶胞的重複單元數

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

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

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

晶體結構

晶體固體的某些性質取決於材料的晶體結構，即原子、離子或分子在空間上的排列方式。

缺陷

缺陷是晶體層之間形成的小間隙，其中晶體層的延續被不同晶體層的邊界打斷。由於晶體沒有完美排列，因此在晶體相遇處形成了小的間隙。這些間隙被稱為缺陷。材料的缺陷是研究的重點。然而，有一些方法可以確定缺陷的來源以及如果發生缺陷，缺陷在材料中的尺寸、形狀和位置。這些方法有：**破壞性測試方法**和**無損檢測方法（NDT）**。

材料永久變形
可以混合，很多都是
金屬有許多滑移面

符號	術語	含義	註釋	主題
$c_{1}$	重量基雜質
$c_{1}^{'}$	原子雜質
	刃型位錯	新增半平面 b 垂直於位錯線
	螺型位錯	完美切口和扭轉應力，位錯	畸變平面一個原子間距	位錯線
b	伯氏向量	畸變數，大小和方向 -> 閉合迴路
	位錯線
	滑移面	位錯移動的平面	具有最高平面原子密度的平面，
滑移方向	金屬最緊密堆積
	缺陷
晶界	4 度分界線
晶粒	(晶粒)
	大角度晶界
N	每平方英寸晶粒數	$2^{n-1}$
n	ASTM 晶粒尺寸編號
腐蝕	優先攻擊晶粒區域
晶粒尺寸	影響屈服強度	反平方根關係	透過腐蝕明顯
小角度晶界	由位錯陣列產生	不太重要

共價、離子陶瓷運動困難
斷裂鍵需要高力
離子陶瓷在移動時會產生排斥力

金屬

在密堆積平面移動
FCC 許多密堆積平面，方向
HCP 只有一個平面，三個方向
許多平面 -> 更塑性
一個平面，更脆
透過斷裂和重組原子鍵移動
塑性變形產生位錯運動

擴散

當一種物質移動到另一種物質中時

術語和單位

詞彙表

術語	定義	註釋
晶體材料	在大的原子距離上原子週期性排列
晶胞	晶體材料的小重複單元	示例
mer	聚合物的晶胞
多晶型	當金屬或非金屬可能具有不止一種晶體結構時	參見：同素異形體
同素異形體	專門指元素固體的多晶型	參見：多晶型