材料科学基础知识要点

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1、材料科学基础知识要点1 / 23第一章原子结构与键合第一节原子结构1.物质的组成物质是由无数微粒按一定方式聚集而成的，这些微粒可能是原子、分子或离子；分子 是能单独存在且保持物质化学特性的一种微粒； 原子 是化学变化中的最小微粒。2.原子的结构3.原子的电子结构电子的状态和在某处出现的机率可用薛定谔方程的解/波函数来描述，即原子中每个电子的空间位臵和能量可用四个量子数来确定：a 主量子数（ n） ：决定原子中电子的能量及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层。如K、L、M ；b 轨道角动量量子数 （l） ：表示电子在同一壳层内所处的能级，与电子运动的角动量有关。如s、p、d、f；c 磁量子数

2、（ m） ：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数，为 2l+1,决定电子云的空间取向；d 自旋角动量量子数（s） ：反映电子不同的自旋方向，其值可取 21。核外电子的排布规则：a 能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；b Pauling 不相容原理：在一个原子中，不可能有上述运动状态完全相同的两个电子；c Hund 规则：在同一个亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同；4.元素周期表元素 是具有相同核电荷数的同一类原子的总称；元素的外层电子结构随着原子序数的递增而呈周期性的变化规律称为元素周期律；元素周期表是元素周期律的表现形式；元素的性质、原子

3、结构和该元素在周期表中的位臵三者之间有着密切的关系。第二节原子间的键合1.金属键由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称金属键。特定：电子共有化、既无饱和性又无方向性。由于金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子间的相互位臵时，不至于破坏金属键，这就使金属具有良好的延展性，并且由于自由电子的存在，金属一般具有良好的导电和导热性能。2.离子键离子键即， 正负离子间的相互作用。特定：以离子为结合单元、无饱和性和方向性。一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固， 因此， 其熔点和硬度均较高。另外， 在离子晶

4、体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但在熔融状态下，正负离子在外电场作用下可以自由运动，此时呈现离子导电性。3.共价键原子间通过共用电子对而形成的化学键即为共价键。可分为极性键和非极性键。特点：有方向性和饱和性。共价晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数较小， 共价键的结合力极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。 由于束缚在相邻原子间的“ 共用电子对 ” 不能自由运动，共价结合的材料一般是绝缘体，导电能力较差。4. 范德瓦尔斯力特点：次价键、无方向性、无饱和性5.氢键属于极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等分子间，有饱和性和方向性。化合物 AB 中离

5、子键所占的比例IC 近似计算公式%100)(225.01exBxAIC式中 xA、xB分别为 A、B 元素的电负性。第三节高分子链 金属键离子键共价键范 德 瓦 尔斯力结合键氢键物理键（次价键）化学 键 （ 主 价键）分子间静电力：固有偶极间的相互作用，F rT7*1诱导力：固有偶极与诱导偶极间的作用F r71色散力：诱导偶极间的相互作用F r71材料科学基础知识要点2 / 23“ 构造 ” ：研究分子链中原子的类型和排列，高分子链的化学结构分类，结构单元的键接顺序，链结构的成分，高分子的支化、交联与端基等内容；“ 构型 ” ：取代基围绕特定原子在空间的排列规律；“ 远程结构 ” ：单个高分子

6、的大小与形态，链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象；“ 聚集态结构 ” ：高分子材料整体的内部结构。包括晶态、 非晶态、取向态、 液晶态及织态， 前四种描述高分子聚集体中分子间是如何堆砌的称三次结构，织态指不同分子间或高分子与添加剂分子间的排列或堆砌结构，又称高次结构。1.近程结构构造： 结构单元的化学组成：碳链高分子、 杂链高分子、 元素有机高分子、无机高分子分子链的几何形态：线型、支化型、交联型、三维网状结构结构单元的键接方式：均聚物：头 -头键接、头 -尾键接、尾 -尾键接共聚物：无规共聚、交替共聚、嵌段共聚、接枝共聚构型：旋光异构：全同立构、间同立构、无规立构几何异构：全顺式、全反

7、式、顺反兼有式2.远程结构高分子的大小：多分散性单个高分子的构象：伸直链、折叠链、螺旋链、无规线团链的柔顺性：)exp( RTllp：各种构象间的势垒均方末端距的计算（表示高分子链的蜷曲程度）自由结合链：无键角限制，无内旋转势垒lnhjf ,n:键数l:键长自由旋转链：受键角 的限制lnlnhrf2cotcos1cos1,等效自由结合链： （高斯链）lnhee0ne:链段数le:链段长度第二章固体结构第一节晶体学基础1.空间点阵与晶胞空间点阵 ：将理想晶体中的质点抽象为几何点，这些几何点在空间周期性排列所组成的阵列；晶胞 ：由空间点阵中选取的基本单元即为晶胞，但必须服从一定的选取规则；晶胞选取

8、规则 ：1.选取的平行六面体应能反映出点阵的最高对称性；2.平行六面体中棱和角相等的数目应最多；3.当棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；4.在满足上述条件下，平行六面体应具有最小体积。晶系与布拉维点阵: 晶系晶胞参数布拉维点阵举例三斜abc, 90简单三斜K2CrO7单斜abc, =90简单单斜，底心单斜 -S,CaSO4 2H2O 正交abc, = = =90简单正交，底心正交，体心正交，面心正交 -S,Fe3C 六方a1=a2=a3 c, = =9 , =120简单六方Zn,Cd 菱方a=b=c, = 90简单菱方As,Sb,Bi 四方a=bc, =90简单四方，体心四方TiO2立方a=

9、b=c, =90简单立方，体心立方，面心立方Cu,Ag,Au 晶体结构与空间点阵的关系：高分子结构链结构聚集态结构（三次结构）远程结构（二次结构）近程结构（一次结构/化学结构）构造构型材料科学基础知识要点3 / 23空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各点阵的周围环境相同，故它只能由 14 中类型； 而晶体结构指晶体中实际质点（原子、 分子或离子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此实际存在的晶体结构是无限的。2.晶向指数与晶面指数晶向指数uvw 晶向族 类似于向量的方向向量晶面指数（hkl） 晶面族 hkl类似与平面的法向向量三轴定向与

10、四轴定向之间的转换：UVW uvtw U=u-t V=v-t W=w u=(2U-V)/3 v=(2V-U)/3 t=-u+v w=W 晶带 ：所有平行或相交于某一晶向的晶面构成一个晶带。晶带定律 ：hu+kv+lw=0 晶面间距计算公式：对于简单晶胞如下：正交晶系：)()()(2221clbkahdhkl立方晶系： lkhdahkl222六方晶系：)()(3412222cl akhd hkhkl对于复杂晶胞：需考虑附加原子面体心立方： h+k+l= 奇数；面心立方： h、k、l 不全为奇数或不全为偶数；密排六方：h+2k 为三的整数倍， l 为奇数等情况下均有附加原子面。3.晶体的对称性对称

11、元素有 宏观和微观 之分宏观对称元素有： 回转对称轴 （Ln） 、对称面 （m） 、对称中心 （i） 、回转反演轴（ Lin）微观对称元素有：滑动面（反映+平移） 、螺旋轴（旋转+平移）点群 ：一个晶体中所有点对称元素的集合，共32 个空间群 ：用以描述晶体中原子组合的所有可能方式，是确定晶体结构的依据，它是通过宏观和微观对称元素在三维空间组合得出的，共230 个空间群。4.极射投影原理：参考球；极点，代表晶向、晶面的直线与参考球的交点；极射面 /投影面；投射点；基圆；极射赤面投影、 极射平面投影 （投影面是否为赤道面） 。乌尔夫网的应用：标准投影：以平行于晶体的某一晶面的平面作为投影面立方晶

12、系标准投影图的特点：1.同一经线上的晶面属于同一晶带2.同一纬线上的晶面属于同一晶面族5.倒易点阵的应用有关倒易点阵： 人们在研究晶体对X 射线或电子束的衍射效应时知道，某晶面（ hkl）能否产生衍射的重要条件就是该面相对于入射束的取向，以及晶面间距dhkl.因此，为了从几何上形象地确定衍射条件，人们试图找到一种新的点阵，使该点阵的每一个结点都对应着实际点阵中的一定晶面，即不仅反映该晶面的取向，而且反映晶面间距。具体来说，要求从新点阵原点O 至任一结点P(hkl)的矢量OP正好沿实际点阵中 （hkl）面的法线方向， 而 OP的长度就等于晶面间距的倒数，即|OP|=1/dhkl.这样的新点阵就叫

13、倒易点阵 。1.解释 X-Ray 及电子衍射图像2.研究能带理论3.推导晶体学公式第二节金属的晶体结构1.三种典型金属晶体结构的晶体学特征FCC/A1 BCC /A2HCP /A3 点阵参数a a a,c(c/a=1.633) 原子半径 /R a42a434321,222caa晶胞内原子数 /n 4 2 6 配位数 /CN 12 8 12 致密度 /K 0.74 0.68 0.74 四面体间隙数量8 12 12 大小0.225R 0.291R 0.225R 八数量4 6 6 晶体结构参 数材料科学基础知识要点4 / 23面体间隙大小0.414R 0.154R0.633R0.414R FCC :

14、face-centred cubic BCC :body-centred cubic HCP:hexagonal close-packed 2.多晶型性某种元素从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的固态相变称为同素异构转变 ；而某种化合物经历上述的固态相变称为同分异构转变或多晶型性转变；同素异构转变对于金属是否能够通过热处理操作来改变它的性能具有重要意义。第三节金属的相结构 合金 ：指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。合金化 的目的是改变和提高金属材料的性能。组成合金的基本的、独立的物质称为组元；相 ：指合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和

15、性质并以界面相互隔开的均匀组成部分；合金相 可分为 固溶体 和中间相两大类。1.固溶体固溶体 指以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其它组元原子所形成的均匀混合的固态溶体。它最大的特点是保持溶剂的晶体结构类型 ；根据溶质在固溶体点阵中的位臵可分为臵换固溶体和间隙固溶体；按固溶度则分为有限固溶体和无限固溶体；按溶质在固溶体中的排布，则分为有序固溶体和无序固溶体；若按溶剂类型则分为第一类固溶体和第二类固溶体。影响臵换固溶体溶解度的因素：晶体结构（晶体结构相同是形成臵换/无限固溶体的必要条件）原子尺寸因素化学亲和力（电负性因素）原子价 /电子浓度温度电子浓度计算公式：100)100(BxxAaeA、

16、B:溶剂和溶质的原子价x:溶质的原子数分数 对 于 一 价 金 属 溶 剂 的 极 限 电 子 浓 度 分 别 为 ：FCC ,1.36;BCC,1.48;HCP,1.75 。 （08 年考过）形成间隙固溶体的条件：r41% 溶质为H，C,B 等溶剂为过渡金属形成有序固溶体 /超结构的条件 ：结合能说明：对于某些成分接近一定原子比的无序固溶体。当它从高温缓冷至某一临界温度时，溶质原子会从统计随机分布状态过渡到占有一定位臵的规则排列状态，即发生有序化，形成有序固溶体。影响固溶体有序化的因素：温度合金成分（比列）冷速2.中间相中间相 ：组成合金相的异类原子有固定的比例，所形成的固相晶体结构与所有组元均不相同，且这种相成分多数处在A 在 B 中的溶解限度和B 在 A 中的溶解限度之间，即落在相图的中间部位，根据影响因素可分为：正常价化合物、电子化合物、原子尺寸因素化合物。正常价化合物的特点：化学价符合原子价规律