《工程材料科学与设计》(james p. schaffer)chapter-02.ppt
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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
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