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1、2018/9/26,1,材料科学基础,Fundamentals of Materials Science,任课教师：付华,联系电话：15511336502QQ: 1115279899 办公地点：春晖楼808 87936084,2018/9/26,2,绪论 第一章 原子结构与结合键 Atomic Structure and binding bond,第二章 材料的结构 Material structure 第三章 晶体结构缺陷 Crystal defects 第四章 固体中的扩散 Solid diffusion 第五章 相平衡与相图 Phase equilibria and phase dia
2、gram 第六章 材料的凝固 Solidification 第七章 固体材料中的界面 Interface of solid material,2018/9/26,3,第二章 材料的结构 Material structure,第一节 晶体学基础 basis of crystallographic,第二节 常见的晶体结构 Common crystal structure,第三节 固溶体的晶体结构crystal structure of solid solution,第四节 金属间化合物的晶体结构,第五节 硅酸盐结构 Silicate structure,第六节 非晶态固体结构 Amorphous
3、solid structure,第七节 高分子材料结构 structure of polymers,crystal structure of the intermetallic compound,2018/9/26,4,第二章 材料的结构Material structure,第二节 常见晶体结构,二、 典型金属晶体结构,三、常见无机化合物晶体结构,1、原子半径与离子半径,2、球体紧密堆积原理,4、原子（离子）的配位数,3.间隙,一、晶体化学基本原理,2018/9/26,5,根据波动力学的观点， 电子绕核运动， 形成球形电磁场， 球形的半径 就是原子半径或离子半径。,第二节 常见的晶体结构,一、
4、晶体化学基本原理,1、原子半径与离子半径,(1)单个原子（离子）的半径 ：,Atomic radius and ionic radius,2018/9/26,6,(2) 晶体结构中的原子（离子）半径,原子半径的测量：利用X射线衍射确定晶体结构和一些晶面间距，根据原子排列的关系（？）计算。,原子（离子）有效半径： 最近邻原子间距的一半。,原子半径 r随外界环境和结合键而变化。,2018/9/26,7,2、球体紧密堆积原理,ball close-packaged,2018/9/26,8,2、球体紧密堆积原理,原子密排面逐层堆垛，构成二种晶体结构。,9,3、间隙,原子假定为刚性球，在堆垛排列时必然存
5、在间隙。,Interstice,2018/9/26,10,4、原子（离子）的配位数 与配位多面体,配位数Coordination number ：原子（离子）与它 直接相邻的原子（异号离子）个数。,最大12， 8； 离子晶体6，4； 共价键：4。,2018/9/26,11,原子与它相邻原子中心连线构成的多面体。,配位多面体 (Coordination polyhedron) :,2018/9/26,12,结构特点: 金属键，无方向性， 对称性较高的密堆结构。,体心立方 bcc Body-centered cubic 面心立方 fcc Face-centered cubic 密排六方 hcp C
6、lose-packed hexagonal,二、纯金属的晶体结构 Crystal Structure of Pure Metals,2018/9/26,13,晶体结构符号：,1.结构符号（Structure Symbol）：,A1:fcc,A2:bcc,A3:hcp,B2：CsCl型,C3:FeS2,结构的类型,顺序号，表示不同的结构。,2018/9/26,14,晶体结构符号,2. Pearson符号：cF4 晶系(小写字母)Bravais点阵(大写字母)单胞原子数,2018/9/26,15,(一)面心立方fcc,原子位置：立方体的八个顶角和每个侧面中心。,结构符号是A1，Pearson符号是
7、cF4。,2018/9/26,16,fcc晶格晶胞原子数 Number of atoms per unit cell,角上：1/8个属于该晶胞；（8个） 面中心：1/2属于该晶胞；（6个）,晶胞中原子数: n=81/861/2=4 个,2018/9/26,17,配位数 CN=12,配位数是指晶体结构中 与任一个原子最近的原子的数目。(面中心原子),每个原子有12个最近邻原子，配位数（CN）是12。,fcc原子配位数 coordination number,2018/9/26,18,fcc的 密排面和密排方向： Close-packaged directions and planes),fcc晶
8、格: 密排面111；密排方向,2018/9/26,19,原子半径 R: -两个相互接触的原子中心距离一半。,fcc的原子半径 Atomic radius ：,最密排方向是。 原子直径是a/2的长度。,2018/9/26,20,fcc的晶胞体积为a3，晶胞内含4个原子。,fcc致密度（堆积系数K）,致密度和配位数：表征晶胞中原子排列紧密程度。,Packing factor,2018/9/26,21,fcc中原子排列密度,2018/9/26,22,面心立方fcc的间隙 (Interstice),八面体间隙,四面体 间隙,(tetrahedral interstice),octahedral int
9、erstice,2018/9/26,23,fcc的八面体间隙,位置 体心和棱中点 数量 12/4 + 1 = 4 大小,2018/9/26,24,fcc的 四面体间隙,位置：体对角线的1/4和3/4处 。 数量： 8 大小 :,2018/9/26,25,具有fcc结构的元素,2018/9/26,26,Summary 小结,原子半径,面心立方的致密度：0.74,配位数： 12,单胞原子数：4,面心立方fcc的结构特点：,八面体间隙：4 (0.414r) 四面体间隙：8 (0.225r),fcc晶格: 密排面111,密排方向,2018/9/26,27,(二) 体心立方bcc,原子位置：立方体的八个
10、顶角和体心 。,结构符号是A2，Pearson符号是cI2,点阵参数:a=b=c，=90,晶胞中原子数: n=81/81=2个,Number of atoms per unit cell,2018/9/26,28,配位数：,立方体中心原子：立方体八个顶角上的原子。,配位数： CN=8,次近邻原子：6； 配位数记为 ：8+6。,coordination number,2018/9/26,29,体心立方密排面,bcc密排面和密排方向：,bcc密排面为110，密排方向,2018/9/26,30,原子半径 Atomic radius :,2018/9/26,31,致密度 Packing factor
11、:,fcc的晶胞体积为a3，晶胞内含2个原子。,致密度：0.68,2018/9/26,32,bcc间隙：,八面体间隙：,位置：面心和棱中点。,四面体间隙：,位置：侧面中心线1/4和 3/4处。,0.155r 6个,0.291r 12个,2018/9/26,33,具有bcc结构的金属,2018/9/26,34,小结Summary,原子半径,面心立方的致密度：0.68,配位数： 8,单胞原子数：2,bcc的结构特点：,bcc密排面为110，密排方向,2018/9/26,35,(三)密排六方 hcp,原子位置：12个顶角、上下底心和体内3处。,结构符号是A3，Pearson符号是hP2。,晶胞中原子
12、数：n=121/621/23= 6 个,原子半径: 2R=a R=a/2,2018/9/26,36,配位数： CN=12,hcp原子配位数,coordination number,2018/9/26,37,d=a时最密排：,理想轴比：,点阵参数a与c间的关系：,2018/9/26,38,致密度：0.74,致密度 Packing factor ：,2018/9/26,39,大多金属的轴比在1.57（铍)-1.89（镉）之间。,理想轴比：,轴比：1.567（铍Be)1.623 （Mg） 1.856（锌Zn）1.885（镉Cd）,c/a1.633，d a,CN变为6+6（次近邻原子），致密度 0.7
13、4。,2018/9/26,40,密排六方中的间隙,八面体间隙： 6,四面体间隙： 12,2018/9/26,41,具有hcp结构的元素,2018/9/26,42,小结 Summary,原子半径,面心立方的致密度：0.74,配位数：12,单胞原子数：6,密排六方hcp的结构特点：,R=a/2,2018/9/26,43,2018/9/26,44,Summary,2018/9/26,45,(四) fcc和hcp密排面的堆垛方式,hcp:ABABAB fcc:ABCABC,2018/9/26,46,fcc最密排面111:ABCABC。,2018/9/26,47,hcp(0001)面与fcc111面具有
14、相同的最密排方式。,若每层的原子球都相切，堆垛密度和配位数一样， 致密度为0.74，配位数为12。,2018/9/26,48,Structure Rules of Ionic Crystals - Paulings rules,0、鲍林规则（离子晶体的结构规则）,三、常见无机化合物晶体结构,P48,Crystal structure of inorganic compounds,2018/9/26,49,莱纳斯卡尔鲍林 Linus Carl Pauling, 1901-1994,是与20世纪同行的美国生物化学家，美国现代化学的奠基人之一，被喻为“科学怪杰”，,荣获1954年度诺贝尔化学奖和19
15、62年度诺贝尔和平奖，是迄今为止世界上唯一一位两次单独问鼎诺贝尔奖的科学家。,将物理学与化学结合起来, 量子力学方法研究化学,2018/9/26,50,首次全面描述化学键的本质； 建立原子间距与键能之间的关系，-结构化学学派。 首先用波动力学原理解释了碳的四面体配位和过渡金属的正方和八面体配位； 首先提出化学键可能有一种混合特性，即含有共价性+离子性； 第一个提出“电负性”概念，并确定了元素的电负性值； 把“共振” 术语用于化学键理论；,2018/9/26,51,发现蛋白质的结构；第一个提出蛋白质分子具有螺旋状结构等。 揭示镰刀状细胞贫血症的病因；,推进X射线结晶学、电子衍射学、量子力学、生物
16、化学、分子精神病学、核物理学、麻醉学、免疫学、营养学等学科的发展。,1935年出版化学史上经典著作量子力学导论，把化学从一个主要是现象学的学科转变成一个以扎实的结构和量子力学原理为基础的学科。,2018/9/26,52,矿物结构规则,1928年，鲍林以离子的电荷和半径为基础，假设电荷的局部中和，提出了解释硅酸盐和其它许多矿物结构的简单配位规则-鲍林规则(Paulings rule)，使整个化学领域有了一个理性的基础。,2018/9/26,53,反对核武器/核战争, 维护世界和平,1955年，英国哲学家罗素起草了一份反对核武器的宣言，爱因斯坦鲍林和其他几位著名的科学家签名，促成了第一次帕格沃什会议的召开，讨论了降低核战争危险的措施。 1958年，出版不再有战争，并将一份有9235位科学家签名的请愿书交给了联合国秘书长，强烈要求签订停止核武器试验的国际协议。 1961年，组织40位科学家，呼吁核裁军的会议，带领数百人举行了反对核战争的火炬游行。 1963年最终实现禁止大气核试验。他因此获得了诺贝尔和平奖。,
