材料科学基础材料科学基础 Foundations of Materials Science材料科学的发展概况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材料 能源能源 信息信息材料的发展史新材料，信息技术和生物技术新材料，信息技术和生物技术三大支柱与重要标志三大支柱与重要标志分析方法与手段分析方法与手段v光学显微镜（光学显微镜（1863），），2000倍，金相学倍，金相学观察，移动和重新排列原子观察，移动和重新排列原子 费曼语录：如何将信息储存到一个微小的尺度？另人惊讶的是费曼语录：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，仅自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅3030个原子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自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹 n 电子显微镜（电子显微镜（1932），几十万倍），几十万倍n 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（1981）材料工作者面临的任务材料工作者面临的任务开发新材料开发新材料挖掘现有材料的潜力第一章第一章 材料的晶体结构材料的晶体结构 (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 (Bonding 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一次键(primary bonding) 1 1）离子键离子键( (ionic bondingionic bonding) )： NaCl 金属和非金属原子分别形成正负离子， 结合力强 熔点高、强度高、塑性低2 2）共价键）共价键( (covalent bondingcovalent 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 3）金属键）金属键( (metallic bondingmetallic 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 二次键(secondary bonding) 范德瓦耳斯键（范德瓦耳斯键（van der Waals bondingvan 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（氢键（hydrogen bondinghydrogen bonding） 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 solidsChapter 1 The structure of crystalline solidsBonding energies and melting temperaturesPROPERTIES FROM BONDING: TM Melting Temperature, TmTm is larger if Eo is larger.16 Elastic modulus, E E curvature at roE is larger if Eo is larger.17 Coefficient of thermal expansion, a a asymmetry at roa is larger if Eo is smaller.Ceramics(Ionic & covalent bonding):Metals(Metallic bonding):Polymers(Covalent & Secondary):Large bond energylarge Tmlarge Esmall aVariable bond energymoderate Tmmoderate Emoderate aDirectional PropertiesSecondary bonding dominatessmall Tmsmall Elarge a2原子的排列(arrangement of atoms)2.1 晶体和非晶体（crystalline and noncrystalline materials）晶体（晶体（crystalline solidscrystalline 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（非晶体（noncrystalline solids, noncrystalline solids, amorphous materials 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（单晶体（single crystalsingle 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 solids2.3 多晶体材料（多晶体材料（polycrystalline materialspolycrystalline 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单相单相( (single phasesingle phase) )：所有晶粒的化学成分相同，晶体结构相同多相材料多相材料( (polyphase materials,polyphase materials, heterogeneous heterogeneous) )：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晶体结构（crystal structures）1 晶体学基础(Fundamental concepts)空间点阵（空间点阵（space latticespace 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（晶胞（unit cellsunit cells）：）：构成晶格的最基本单元 阵点或结点(lattice points)：构成空间点阵的每一个点晶格（晶格（crystal crystal latticelattice）：）：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。
晶胞的描述晶胞的描述Chapter 1 The structure of crystalline solidsLattice 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 cellChapter 1 The structure of crystalline solids选取晶胞条件：选取晶胞条件： 1 1 能充分反映整个空间点阵的对称性；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（初级晶胞简单晶胞（初级晶胞, , simple unit cellsimple 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一个阵点 复合晶胞复合晶胞( (composite unit cellcomposite 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一个以上的阵点 Chapter 1 The structure of crystalline solids晶系（晶系（crystal systemcrystal system）和布拉菲点阵（布拉菲点阵（Bravais LatticeBravais 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晶向指数和晶面指数( (Miller indicesMiller 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 solidsoA111PCB 建立坐标系； 确定坐标值； 化整并加方括号 uvwuvwOA1, 1, 1111OB=PA=110OA=111晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数( (Miller indicesMiller 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晶向族 （a family of directionsa family of directions） UVWExample problem 1-1Draw a direction within a cubic unit cell 2. Determine the projections of along x, y, z axesSolution:1. Construct a cubic unit cell and coordinate axes system(a, -a, 0a), point P3. Draw a vector passing from the origin to point PPozxyaaaOP =-a2) 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 the plane) ：Chapter 1 The structure of crystalline solids , -1, 1/20, -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。