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1、期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 1/73 材料科学与工程基础 Fundamentals of Materials Science and Engineering 主讲教师主讲教师：冉起超：冉起超 四川大学高分子科学与工程学院四川大学高分子科学与工程学院 期中总结 2016.5.6 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 2/73 第一、二章总结 （共五讲，15学时） 材料？用来制造各种产品的物质 具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物 质。 材料分类？-组成 金属材料 无机非金属材料
2、 有机高分子材料 复合材料 材料科学与工程？1960 关于材料组成、结构、制备工 艺与其性能及使用过程间相互 关系的知识开发及应用的科学 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 3/73 Performance Properties Synthesis and Processing Compositions and Structures 四要素 第二章 共性 第三章 个性 第四章 第五章 各章 材料科学与工程学科？ 1960 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 4/73 材料结构？：是影响材料性能的
3、基本因素， 随化学组成及外界条件改变 第二章 材料结构基础 第三章 组成与结构 四个层次： 宏观组织结构： 10-4 m 肉眼可见 复合材料 显微组织结构： 10-4 10-8 m 显微镜观察 相、形态 原子或分子排列结构：10-10 m 排列方式 原子中的电子结构： 10-13 m 状态、相互作用 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 5/73 材料-原子-原子核 + 电子 原子的性质-电子-数量 + 状态 量子化、几率分布(电子云)、 四个量子数、能级、价电子 原子间相互作用-电子交换的方式和程度 （键合方式） 距离、结合强度、 空间排布方式
4、，配位数 （一）原子中的电子结构 多原子体系中电子的相互作用-有机分子、金属、固体 原子杂化轨道，分子轨道 费米能级，能带 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 6/73 probability distribution or electron cloud. Figure 2.3 both wavelike and particle-like characteristics. 波-粒 轨道非固定， 几率最大的分布构成电子云 层。 Wave-mechanical model 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期
5、中 总 结 7/73 电子的填充及能级 泡利不相容原理 能量最低原则 洪特规则 四个量子数，电子云 ， 价电子，稳定性 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 8/73 结合方式： 基本结合：离子键、金属键、共价键 派生结合：分子间作用力、氢键 原子之间的相互作用和结合 要点 电子交换的方式和程度 相互作用的饱和性和方向性 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 9/73 孤立原子（非键合）的半径范氏半径 结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a，不同，半径不同 (a)金属半径：金属键结合的原子距离的
6、一半：a，/ 2 (b)离子半径：a，= r+ + R- 原子半径和离子半径 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 10/73 元 素 金 属 原 子离 子共 价 键 CN 半径 (nm) 价 CN 半径 (nm） ) 键 长 / 2 （nm） 碳 单 键 双 键 三 键 0077 0065 006 硅 4+ 6 4+ 4 0042 0038 单 键 0117 氧 2- 8 2- 6 2- 4 0.042 0.038 0.444 单 键 双 键 0.075 0.065 氯 2- 2 1- 8 1- 6 0.140 0.127 0.181 单 键
7、0099 钠 80.01875 1+ 60.097 镁 120.161 2+ 60.066 铝 120.1431 3+ 6 3+ 4 0.054 0.046 铁 8 12 0.1241 0.127 2+ 6 3+ 6 0.074 0.064 铜 120.1278 1+ 60.096 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 11/73 配位数： 共价，一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目 原子的有效堆积，体积大小，离子电荷量 键长： 金属键和离子键：无方向性，无键长，三维空间（集体效 应），体积和电荷 共价键：有方向性(和饱和性)，键长为相连原子
8、间的距离 ， 共价半径之和。 键能： 化学键 物理键（分子键） 化学键中: 共价键 离子键 金属键 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 12/73 有序结构 晶体：原子(团)沿三维空间呈周期性长程有序 (long range order)排列的固体物质（金属，大多陶瓷 及一些聚合物）。 （二）原子或分子排列结构 无序结构 晶体：缺陷（点、线、面、体）和固溶体（合金） 非晶体：原子(团)无周期性长程有序排列的物质（多数聚合 物、 玻璃等）。 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 13/73 晶体结构
9、特征：有序性和对称性 对称元素： a对称中心（点） 反演（倒反）操作 b旋转轴旋转操作、可旋 360 / n， n（轴次）: 仅1，2，3，4，6 c镜面反映操作 d反轴旋转反演操作（旋转与反演的复合） 轴次同旋转轴 e平移对称点阵(Lattice）平移操作（平移轴） f. 螺旋轴 旋转平移操作（旋转与平移的复合） g滑移面 平（滑）移反映操作（反映与平移的复合） 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 14/73 晶胞、晶系和空间点阵型式 晶胞(Unit Cell)：代表晶体内部结构的基本重复单位 （平行六面体） 晶胞的基本要素：A大小和形状；B
10、各原子坐标位置 晶格常数 (Lattice parameters): 晶轴上晶胞三个边的长度 a ,b ,c 和其夹角 , , 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 15/73 7个晶系 (点阵常数+对称性） ， 14种空间点阵型式 （晶系+点阵） 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 16/73 晶胞定位：原点（0, 0, 0），点的位置（x, y, z） 分数坐标: x，y，z 1点在晶胞内,无符号 晶向：是原点出发通过某点的射线 （或过若干结点的直线方向） 晶向指数：用晶胞各轴上投影的最低整
11、数标明 ， u v w 、u v w族 晶面：晶体内的阵点（组成的）平面 晶面组：晶体所有阵点被划成平行等距的一组晶面 晶面指数：晶面在三个晶轴上的截距倒数，最小整数。 （h k l）、 h k l 族 晶面间距(dhkl ) ：晶面组中最近两晶面间的距离 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 17/73 金属晶体 金属键； 无方向性； 原子呈圆球状密堆积 最 紧 密 堆 积 体心立方 面心立方 密排六方 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 18/73 结 构 特 征 结 构 类 型 体 心 立
12、方 （bcc） 面 心 立 方 （fcc） 密 排 六 方 （hcp） 点 阵 类 型体心立方面心立方简单六方 点 阵 常 数a （4R /3 ）a （4R /2 ） a，c，c/a =1 633 (2R) 最近的原子间距 （原子直径） 晶胞中原子数6 配 位 数81212 致 密 度0.74 典型金属结构晶体学特点 2 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 19/73 间隙 四面体间隙 (Tetrahedral position) 八面体间隙（ Octahedral position） 期 中 总 结 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 期 中 总 结 20/73 晶 胞 类 型 四 面 体 间 隙八 面 体 间 隙 配位 数 数 量间隙 大小 配位 数 数量大 小 面心立方 (密排六 方) 48 (12)0.225 R64 (6)0.414 R 体心立方4120.291 R66 001方向 0.154 R 110方向 0.633 R 表2-13 面心立方、密排六方与体心立方晶胞中的间隙 期 中
