為什么硅的硬度大但又這么脆

硅原子之間的共價(jià)鍵使硅晶體表現(xiàn)出較高的硬度，同時(shí)具有脆性的特點(diǎn)。

硅屬于原子晶體，其原子之間通過共價(jià)鍵相互連接，形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，原子間的共價(jià)鍵方向性很強(qiáng)且鍵能較高，使得硅在抵抗外力對(duì)其形狀改變時(shí)表現(xiàn)出較高的硬度，像要破壞原子間牢固的共價(jià)鍵連接需要較大的外力作用。

然而，正是由于其原子晶體這種規(guī)則且相對(duì)剛性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)受到較大的沖擊力或者不均勻外力作用時(shí)，硅內(nèi)部的晶格難以通過局部變形來緩沖、分散外力，而是會(huì)使得共價(jià)鍵沿著某些薄弱的晶面或者晶向發(fā)生斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)破碎，呈現(xiàn)出脆性的特點(diǎn)。不像金屬晶體等結(jié)構(gòu)，金屬原子間存在可以相對(duì)滑動(dòng)的離子鍵等，能依靠原子層之間的滑動(dòng)來適應(yīng)外力，展現(xiàn)出較好的延展性而不易脆斷。 硅原子之間依靠共價(jià)鍵相連，共價(jià)鍵的本質(zhì)是原子間共用電子對(duì)形成的強(qiáng)烈相互作用。雖然這種鍵能保證了硅晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和硬度，但共價(jià)鍵一旦斷裂后很難自行恢復(fù)。當(dāng)外界施加的力超過了共價(jià)鍵能承受的極限時(shí)，鍵就會(huì)斷裂，并且由于沒有像金屬中那種可以自由移動(dòng)的電子等因素來幫助修復(fù)斷裂處、重新建立連接或者依靠電子的離域作用來分散應(yīng)力，所以就容易發(fā)生脆裂，無法通過自身內(nèi)部的調(diào)整去維持整體的完整性，致使硅表現(xiàn)得很脆。

實(shí)際應(yīng)用中的硅材料往往很難做到絕對(duì)純凈，會(huì)含有一定的雜質(zhì)以及存在晶格缺陷等情況。雜質(zhì)原子的摻入可能會(huì)擾亂原本規(guī)則的硅晶格結(jié)構(gòu)，使得局部的化學(xué)鍵強(qiáng)度、原子間的結(jié)合方式發(fā)生改變，造成結(jié)構(gòu)上的薄弱區(qū)域。而晶格缺陷（比如空位、位錯(cuò)等）同樣會(huì)成為應(yīng)力集中的地方，當(dāng)外力作用時(shí)，這些薄弱部位、應(yīng)力集中處就更容易引發(fā)共價(jià)鍵的斷裂，使得硅材料從這些地方開始破碎，加劇了其脆性表現(xiàn)，即便它原本依靠原子間共價(jià)鍵構(gòu)建起了硬度較高的結(jié)構(gòu)，也難以避免在外力沖擊下發(fā)生脆斷的情況。