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1、 材料科学基础 TheFundamentals Elements Principles ofMaterialsScienceAnIntroductiontoMaterialsScience 主讲蔡珣戎咏华沈耀实验孟二扣李晓玲http 202 120 6 136 fms 前言Introduction 材料 Materials 是国民经济的物质基础 广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质 substance 材料无处不在 无处不有 我国材料的历史进程 Historicalperspective 漫长而又曲折的历程 石斧 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑 古代科技名著 考工记 先秦 梦溪笔谈 宋代沈
2、括 天工开物 明代宋应星 明代后 封建统治 帝国主义侵略束缚了材料的发展停滞状态解放后 材料科学受到重视和发展 被列为现代技术三大支柱之一 一整套材料体系门类全齐数量质量钢铁突破两亿七千万吨世界第一原子弹 氢弹 人造卫星 火箭 长征三号运载火箭在发射架上的图片 宝钢高炉 材料分类 ClassificationofMaterials 材料科学基础是研究材料的成分 组织结构与性能之间关系 材料的微观结构 MicrostructureofMaterials 决定材料性质最为本质的内在因素 组成材料各元素原子结构 原子间相互作用 相互结合 原子或分子在空间的排列 运动规律 以及原子集合体的形貌特征 第
3、一章原子结构和键合AtomicStructureandInteratomicBonding 物质 Substance 是由原子 atom 组成在材料科学中 最为关心原子的电子结构原子的电子结构 原子间键合本质决定材料分类 金属陶瓷高分子材料性能 物化力学 1原子结构 AtomicStructure 一 物质的组成 SubstanceConstruction 物质由无数微粒 Particles 聚集而成分子 Molecule 单独存在保存物质化学特性dH2O 0 2nmM H2 为2M protein 为百万原子 Atom 化学变化中最小微粒 二 原子的结构 1879年J JThomson发现电
4、子 electron 揭示了原子内部秘密1911年E Rutherford提出原子结构有核模型1913年N Bohr将Bohratomicmodel 描述原子中一个电子的空间和能量 可用四个量子数 quantumnumbers 表示 核外电子的排布 electronconfiguration 规律 三 元素周期表 periodicTableoftheElements 元素 Element 具有相同核电荷的同一类原子总称 共116种 核电荷数是划分元素的依据同位素 Isotope 具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子元素有两种存在状态 游离态和化合态 FreeState Combined
5、Form 7个横行 Horizontalrows 周期 period 按原子序数 AtomicNumber 递增的顺序从左至右排列18个纵行 column 16族 Group 7个主族 7个副族 1个 族 1个零族 InertGases 最外层的电子数相同 按电子壳层数递增的顺序从上而下排列 原子序数 核电荷数周期序数 电子壳层数主族序数 最外层电子数零族元素最外层电子数为8 氦为2 价电子数 Valenceelectron 2原子间的键合 Bondingtypewithotheratom 一 金属键 Metallicbonding 典型金属原子结构 最外层电子数很少 即价电子 valence
6、electron 极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子 Freeelectron 形成电子云 electroncloud 金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键 特点 电子共有化 既无饱和性又无方向性 形成低能量密堆结构 性质 良好导电 导热性能 延展性好 二 离子键 Ionicbonding 多数盐类 碱类和金属氧化物 特点 以离子而不是以原子为结合单元 要求正负离子相间排列 且无方向性 无饱和性 性质 熔点和硬度均较高 良好电绝缘体 三 共价键 covalentbonding 亚金属 C Si Sn Ge 聚合物和无机非金属材料实质 由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而
7、成 特点 饱和性配位数较小 方向性 s电子除外 性质 熔点高 质硬脆 导电能力差 实质 金属原子带正电的正离子 Cation 非金属原子带负电的负离子 anion e 四 范德华力 Vanderwaalsbonding 包括 静电力 electrostatic 诱导力 induction 和色散力 dispersiveforce 属物理键 系次价键 不如化学键强大 但能很大程度改变材料性质 五 氢键 Hydrogenbonding 极性分子键存在于HF H2O NH3中 在高分子中占重要地位 氢原子中唯一的电子被其它原子所共有 共价键结合 裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引 氢桥介于化学键与
8、物理键之间 具有饱和性 3高分子链 HighpolymerChain 近程结构 short rangeStructure 一 结构单元的化学组成 theChemistryofmerunits 1 碳链高分子聚乙烯 主链以C原子间共价键相联结加聚反应制得如聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚甲基丙稀酸甲酯 聚丙烯 2 杂链高分子涤纶 主链除C原子外还有其它原子如O N S等 并以共价键联接 缩聚反应而得 如聚对苯二甲酸乙二脂 涤纶 聚酯聚胺 聚甲醛 聚苯醚 聚酚等 3 元素有机高分子硅橡胶主链中不含C原子 而由Si B P Al Ti As等元素与O组成 其侧链则有机基团 故兼有无机高分子和有机高分子的
9、特性 既有很高耐热和耐寒性 又具有较高弹性和可塑性 如硅橡胶 4 无机高分子二硫化硅聚二氯 氮化磷 主链既不含C原子 也不含有机基团 而完全由其它元素所组成 这类元素的成链能力较弱 故聚合物分子量不高 并易水解 二 高分子链结构单元的键合方式 bondingtape 1 均聚物结构单元键接顺序单烯类单体中除乙烯分子是完全对称的 其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外 其它单体因有不对称取代 故有三种不同的键接方式 以氯乙烯为例 头 头 尾 尾 头 尾 双烯类高聚物中 则更复杂 除有上述三种 还依双键开启位置而不同 2 共聚物的序列结构 Copolymers 按结构单元在分子链内排列方式的不同
10、分为 三 高分子链的结构 structure 不溶于任何溶剂 也不能熔融 一旦受热固化便不能改变形状 热固性 thermosetting 四 高分子链的构型 Molecularconfigurations 链的构型系指分子中原子在空间的几何排列 稳定的 欲改变之须通过化学键断裂才行 旋光异构体 stereoisomerism 由烯烴单体合成的高聚物在其结构单元中有一不对称C原子 故存在两种旋光异构单元 有三种排列方式 几何异构 Geometricalisomerism 双烯类单体定向聚合时 可得到有规立构聚合物 但由于含有双键 且双键不能旋转 从而每一双就可能有 顺式 反式 两种异构体之分 对
11、于大分子链而言就有 称为几何异构 二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 远程结构 Long rangeStructure 一 高分子的大小 MolecularSize 高分子的相对分子质量M不是均一的 具有多分散性平均相对分子质量 高分子链中重复单元数目称为聚合度 不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质 对加工和使用也有很大影响 数均相对分子量 每链节的质量 对力学性能 起决定作用 二 高分子的形状 Molecularshape 主链以共价键联结 有一定键长d和键角 每个单键都能内旋转 Chaintwisting 故高分子在空间形态有mn 1 m为每个单键内旋转可取的位置数 n为单键数目 统计学角度高分子链
12、取伸直 straight 构象几率极小 呈卷曲 zigzag 构象几率极大高分子链的总链长均方根 三 影响高分子链柔性的主要因素 themaininfluencingfactorsonthemolecularflexibility 高分子链能改变其构象的性质称为柔性 Flexibility 习题 第一章1 原子核外电子的空间位置和能量 应从哪几方面来进行描述 核外电子的排布应遵循哪些规律 2 用原子结构的知识 说明元素周期表里的 周期 和 族 是按什么划分的 对于同周期和同主族元素而言 元素的金属性和非金属性是怎么递变的 Ag和Au的电子结构类似 你认为何者较稳定 为什么 3 已知某元素原子序
13、数为32 根据原子的电子结构知识 试指出它属于哪个周期 哪一族 是什么元素 4 原子间的结合键共有几种 其特点如何 5 铬的原子序数为24 它共有四种同位素 4 31 的Cr原子含有26个中子 83 76 含有28个中子 且2 38 含有30个中子 试求铬的原子量 6 铂的原子序数为78 它在5d电子亚层中只有9个电子 并且在5f电子亚层中没有电子 试从原子结构来决定出Pt的价数 7 右下图绘出三类材料 金属 离子晶体和以范德瓦尔键结合的材料之能量 距离曲线 试指出它们代表何种材料 8 简述高分子链结构 包括近程结构和远程结构 热塑性和热周期性树脂的特点 E 第二章固体结构 SolidStru
14、cture 金的AFM照片 1晶体学基础 BasisFundamentalsofcrystallography 晶体结构的基本特征 原子 或分子 离子 在三维空间呈周期性重复排列 periodicrepeatedarray 即存在长程有序 long rangeorder 性能上两大特点 固定的熔点 meltingpoint 各向异性 anisotropy 一 晶体的空间点阵 Spacelattice 1 空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点 阵点latticepoint 即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列 空间点阵 spacelattice 特征 每个阵点在空间分布
15、必须具有完全相同的周围环境 surrounding 2 晶胞 Unitecells 代表性的基本单元 最小平行六面体 smallrepeatentities 选取晶胞的原则 选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性 平行六面体内的棱和角相等的数目应最多 当平行六面体的棱角存在直角时 直角的数目应最多 在满足上条件 晶胞应具有最小的体积 简单晶胞 初级晶胞 只有在平行六面体每个顶角上有一阵点复杂晶胞 除在顶角外 在体心 面心或底心上有阵点 3 晶系与布拉菲点阵 CrystalSystemandBravaisLattice 七个晶系 14个布拉菲点阵 底心单斜 简单三斜 简单单斜 底心正交 简
16、单正交 面心正交 体心正交 简单菱方 简单六方 简单四方 体心四方 简单立方 体心立方 面心立方 4 晶体结构与空间点阵 二 晶向指数和晶面指数 MillerIndicesofCrystallographicDirectionandPlanes 1 阵点坐标 求法 1 确定坐标系2 过坐标原点 作直线与待求晶向平行 3 在该直线上任取一点 并确定该点的坐标 x y z 若某一坐标值为负 则在其上加一负号 4 将此值化成最小整数u v w并加以方括号 uvw 即是 代表一组互相平行 方向一致的晶向 2 晶向指数 Orientationindex 求法 1 在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o 三棱边为三坐标轴x y z2 以棱边长a为单位 量出待定晶面在三个坐标轴上的截距 若某一截距为负 则在其上加一负号 3 取截距之倒数 并化为最小整数h k l并加以圆括号 hkl 即是 代表一组互相平行的晶面 指数相同符号相反晶面互相平行 晶面族 hkl 晶体学等价的晶面总合 3 晶面指数 IndicesofCrystallographicPlane 4 六方晶系指数 Indicesofhexago
