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1、材料科学基础,Foundations of Materials Science,材料科学的发展概况,按照物理化学属性,金属材料,按用途,电子材料，航空航天材料，核材料 建筑材料，能源，生物材料等等,其它分类,结构材料和功能材料,无机非金属材料,高分子材料,复合材料,传统材料和新型材料,材料的重要性,原始社会,奴隶社会,封建社会,资本主义社会,石器时代,(陶器时代),青铜器时代,铁器时代,新材料时代,中华民族处于世界领先地位,材料能源信息,材料的发展史,新材料，信息技术和生物技术,三大支柱与重要标志,分析方法与手段,光学显微镜（1863），2000倍，金相学,观察，移动和重新排列原子,费曼语录：
2、如何将信息储存到一个微小的尺度？另人惊讶的是 自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅30个原子 就隐藏了不可思议的遗传信息。如果有一天人们能够按照 自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。,电子显微镜（1932），几十万倍,扫描隧道显微镜（1981）,材料工作者面临的任务,开发新材料,挖掘现有材料的潜力,第一章 材料的晶体结构,(Chapter 1 The structure of crystalline solids),1.1 材料结构的基本知识 (Fundamental concepts) 1 原子结合键(atomic bonding) 1.1 结合键和能量 (Bondin
3、g forces and energies),位能(potential energy):,吸引力(attractive force, Fa),排斥力(repulsive force, Fr),合力(net force, Fn): Fn=Fa+ Fr,结合能(Bonding energy): Eo,平衡距离下的作用能,作用力为零的平衡距离下位能达到最低值，系统最稳定,Chapter 1 The structure of crystalline solids,1.2一次键(primary bonding) 1）离子键(ionic bonding)： NaCl 金属和非金属原子分别形成正负离子， 结
4、合力强 熔点高、强度高、塑性低,2）共价键(covalent bonding)： 相邻原子共享电子对 来达到稳定结构-SiO2 熔点高、强度高、塑性低,3）金属键(metallic bonding)： 金属原子容易失去外层价电子形成 阳离子在空间整齐排列，远离核的 电子在正离子之间形成“电子气” 导电、导热、塑性好、固溶能力强,1.3二次键(secondary bonding) 范德瓦耳斯键（van der Waals bonding） 如果原子的正电荷中心和负电荷中心不重叠，则产生一个偶极矩。 这种偶极矩所产生的原子间结合力-范德瓦耳斯键 结合力较弱，塑料、石蜡等,氢键（hydrogen b
5、onding） 类似于范德瓦耳斯键，结合力较范德瓦耳斯键强。 氢原子起关键作用,Chapter 1 The structure of crystalline solids,Chapter 1 The structure of crystalline solids,Bonding energies and melting temperatures,PROPERTIES FROM BONDING: TM, Melting Temperature, Tm,Tm is larger if Eo is larger.,16, Elastic modulus, E, E curvature at ro,E
6、 is larger if Eo is larger.,17, Coefficient of thermal expansion, a, a asymmetry at ro,a is larger if Eo is smaller.,Ceramics,(Ionic & covalent bonding):,Metals,(Metallic bonding):,Polymers,(Covalent & Secondary):,Large bond energy large Tm large E small a,Variable bond energy moderate Tm moderate E
7、 moderate a,Directional Properties Secondary bonding dominates small Tm small E large a,2原子的排列(arrangement of atoms) 2.1 晶体和非晶体（crystalline and noncrystalline materials） 晶体（crystalline solids） 原子按一定方式在三维空间内 周期性地规则重复排列 固定的熔点，各向异性等,Chapter 1 The structure of crystalline solids,非晶体（noncrystalline solid
8、s, amorphous materials） 原子没有长程的周期排列 无固定的熔点，各向同性等,2.2 单晶体（single crystal） 如果晶体周期性的规则排列贯穿整个试样而没有中断，则形成单晶,Chapter 1 The structure of crystalline solids,2.3 多晶体材料（polycrystalline materials） 如果材料是由小晶体或晶粒组成，则称其为多晶体材料。,Turbine blade,单相(single phase)： 所有晶粒的化学成分相同， 晶体结构相同,多相材料(polyphase materials, heterogene
9、ous)： 材料由多相组成，各相的 化学成分和晶体结构不同,Chapter 1 The structure of crystalline solids,1.2晶体结构（crystal structures） 1 晶体学基础(Fundamental concepts) 空间点阵（space lattice）： 指几何点在三维空间作周期性的 规则排列所形成的三维阵列， 是人为的对晶体结构的抽象。,Chapter 1 The structure of crystalline solids,晶胞（unit cells）： 构成晶格的最基本单元,阵点或结点(lattice points)： 构成空间点阵
10、的每一个点,晶格（crystal lattice）： 人为地将阵点用一系列相互平行的 直线连接起来所形成的空间格架， 常用于表示空间点阵的几何规律。,晶胞的描述,Chapter 1 The structure of crystalline solids,Lattice parameters,晶轴(cystal axes)：晶胞上过原点的三个棱边 x，y，z,点阵常数(lattice constant, axial lengths)：三个棱边的长度 a，b，c,夹角(interaxial angles)：，,原点(origin)：晶胞角上的某一阵点,Demo of unit cell,Chapt
11、er 1 The structure of crystalline solids,选取晶胞条件： 1 能充分反映整个空间点阵的对称性； 2 尽可能多的直角； 3 所选取的晶胞体积最小,简单晶胞（初级晶胞, simple unit cell）： 只在平行六面体的八个角顶上有阵点， 每个角顶上的阵点分属于8个简单晶胞， 所以每个晶胞中只有一个阵点,复合晶胞(composite unit cell)： 除了在平行六面体的八个角顶上有阵点外， 在其体心、面心或底心也有阵点， 每个复合晶胞中有一个以上的阵点,Chapter 1 The structure of crystalline solids,晶系
12、（crystal system）和布拉菲点阵（Bravais Lattice）,考虑每个阵点的周围环境，晶体的空间点阵共有14种,根据晶胞棱边长度之间的关系和晶轴之间夹角对晶体的分类, 所有晶体可归为7个晶系,晶向指数和晶面指数(Miller indices): 是用于表示不同晶面和晶向的一种符号 1) 晶向(Crystal directions): 空间点阵中的某些代表晶体中原子列的方向,确定晶向指数(Miller indices for the direction)：,Chapter 1 The structure of crystalline solids,o,A,P,C,B,建立坐标系
13、； 确定坐标值； 化整并加方括号 uvw,OA,1, 1, 1,111,OB=PA=110,OA=111,晶向指数和晶面指数(Miller indices):, 一个晶向指数代表相互平行、方向 一致的所有晶向；,Chapter 1 The structure of crystalline solids,如立方晶系中：, 若晶体中两晶向相互平行但方向相反， 则晶向指数中的数字相同，方向相反；, 晶体中原子排列情况相同但空间位向 不同的一组晶向称为晶向族 （a family of directions） ,Example problem 1-1,Draw a direction within a
14、cubic unit cell,2. Determine the projections of along x, y, z axes,Solution:,1. Construct a cubic unit cell and coordinate axes system,(a, -a, 0a), point P,3. Draw a vector passing from the origin to point P,P,o,z,x,y,a,a,a,OP =,-a,2) 晶面(Crystal planes): 通过空间点阵中的任意一组阵点的原子平面,确定晶面指数(Miller indices for
15、 the plane) ：,Chapter 1 The structure of crystalline solids, , -1, 1/2,0, -1, 2,建立坐标系； 求截距； 取三个截距值的倒数； 化整并加园括号 （hkl）,2) 晶面(Crystal planes): 通过空间点阵中的任意一组阵点的原子平面, 一个晶面指数代表一组相互平行的晶面；,Chapter 1 The structure of crystalline solids, 在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。,如立方晶系中：, 平行晶面的晶面指数相同，或数字相同， 正负号相反；, 晶体中具有等同条件而
16、只是空间位向不 同的各组晶面称为晶面族 （a family of planes） hkl,Example problem 1-2,Determine the Miller index for the plane shown in the accompany figure,Solution:,1. The intercepts are: x-axia = 4 y-axia = 3 z-axia = 2,2. The reciprocals are: x-axia = 1/4 y-axia = 1/3 z-axia = 1/2,3. Reduction: change the numbers to a set of smallest integers,x-axia = 12/4 = 3 y-axia = 12/3 = 4 z-axia = 12/2 = 6,4. The Miller index is (346),3）
