1、 材料科学基础材料科学基础材料学院材料学院 陈锟陈锟学习料料科学基础的意义学习料料科学基础的意义材料科学的内涵材料科学的内涵材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是材料的结构（StructureStructure）和性能（PropertyProperty）以及它们之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解 材料的结构是什么？材料的结构是什么？材料结构关系材料结构关系 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体材料的结构包括不同晶体结构和非晶体(原子原子结构结构），以及显微镜下的微观结构），以及显微镜下的微观结构(微结构微结构），哪些主要因素能够影响和改变结构？只有，哪些主要
2、因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。了解了这些才能实现控制结构的目的。材料的性能包括物理性能、化学性能、力学材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能，加工性能。性能，加工性能。结构：物质组合（结合）在一起的方式和结构：物质组合（结合）在一起的方式和方法。方法。E.g.,E.g.,计算工具的结构，算盘和计算机同计算工具的结构，算盘和计算机同是计算工具，它们的结构不同，它们的性是计算工具，它们的结构不同，它们的性能差别很大。能差别很大。人体结构与猴体结构外观上相差不大，但人体结构与猴体结构外观上相差不大，但（思维）性能相差很大。（思维）性能相差很大。性能：物质对外界载荷
3、的反应。性能：物质对外界载荷的反应。高温、低温下的工作，及高加速度下。高温、低温下的工作，及高加速度下。第第 1 1 章章 原子结构和键合原子结构和键合物质是由原子组成在材料科学中,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：物理 化学 力学本章主要内容要求本章主要内容要求 基本概念和术语 原子间的结合键对材料性能的影响 用结合键的特征解释材料的性能E.g.用金属键的特征解释金属材料的性能：1.正的电阻温度系数；2.良好的延展性；3.良好的导电、导热性等。1.1 1.1 原子结构原子结构1.1.1 1.1.1 物质的组成物质的组成 物质是由无数
4、微粒（分子、原子、离子）按物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。一定方式聚集而成的集合体。分子分子：单独存在：单独存在 保存物质化学特性保存物质化学特性dHdH2 2O=0.2nm M(HO=0.2nm M(H2 2)为为2 2；M M（蛋白质）为百万（蛋白质）为百万原子原子：化学变化中最小微粒：化学变化中最小微粒原子结构原子结构1.1.2 1.1.2 原子结构原子结构(atomic structure)(atomic structure)原子是由原子是由原子核原子核(由带由带正电荷的质子和呈电正电荷的质子和呈电中性的中子组成中性的中子组成)和和核核外电子外电子(带负
5、电荷带负电荷)构构成。成。原子结构的特点：体原子结构的特点：体积很小，质量大部分积很小，质量大部分集中于原子核内，原集中于原子核内，原子核的密度很大。子核的密度很大。1.1 1.1 原子结构原子结构1.1.3 1.1.3 原子的电子结构原子的电子结构 电子云电子云(electron(electron atmosphere)atmosphere)1.1.描述原子中一个电子描述原子中一个电子的位置和能量用四个量的位置和能量用四个量子数子数(quantum number)(quantum number)：主量子数主量子数n n（电子层）、（电子层）、轨道量子数轨道量子数l l（电子亚层（电子亚层）、
6、）、磁量子数磁量子数m m（轨道（轨道数）、数）、自旋角动量量子数自旋角动量量子数s s（自旋方向）。（自旋方向）。1.1 1.1 原子结构原子结构1.1.3 1.1.3 原子的电子结构原子的电子结构 2.2.核外电子排布遵循的规律：核外电子排布遵循的规律：能量最低原理能量最低原理:电子占据壳层时，能量最低。电子占据壳层时，能量最低。PauliPauli不相容原理不相容原理(Pauli principle):(Pauli principle):原子原子中各电子态的中各电子态的4 4个量子数不同。个量子数不同。HundHund规则规则(Hund s rule):(Hund s rule):电子分
7、散占据不电子分散占据不同同的能级。的能级。1.1.4 1.1.4 元素周期表元素周期表元素：元素：具有相同核电荷数的同一类原子总称，具有相同核电荷数的同一类原子总称，共共116116种，核电荷数是划分元素的依据。种，核电荷数是划分元素的依据。同位素：同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子。一元素的原子。原子序数核电荷数原子序数核电荷数 周期序数电子壳层周期序数电子壳层数数 主族序数最外层电子数主族序数最外层电子数 零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8 8（氦为（氦为2 2）价电子）价电子数数 1.1 1.1 原子结构原子结构1.2 1.2
8、 原子原子间的键合间的键合结合键结合键(binding bond)(binding bond)：bond=jointbond=joint结合键分为：结合键分为：化学键金属键、离子键、共价键化学键金属键、离子键、共价键 物理键范德华力、氢键物理键范德华力、氢键1.2.1 1.2.1 化学键（主价键、一次键）化学键（主价键、一次键）1.1.金属键金属键(metallic bond)(metallic bond)2.2.金属中的金属中的自由电子自由电子和和金属正离子金属正离子相互作用所相互作用所构构3.3.成键合称为金属键。成键合称为金属键。特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。特点：电子共有化，无
9、饱和性，无方向性。性质：良好导电、导热性能，延展性好。性质：良好导电、导热性能，延展性好。金属键金属键1.2 1.2 原子原子间的键合间的键合2.2.离子键离子键(ionic bond)(ionic bond)金属正离子金属正离子非金属负离子非金属负离子之间之间大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。方式结合。特点：以离子而不是以原子为结合单元，特点：以离子而不是以原子为结合单元，结合力结合力较强。较强。要求正负离子相间排列，且无方向性。要求正负离子相间排列，且无方向性。性质：熔点高、质硬脆、性质：熔点高、质硬脆、固态时为良好的绝缘体固态时
10、为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。而熔融态时具有良好的导电性。由由NaClNaCl离子键的形成可离子键的形成可以归纳出离子键以归纳出离子键特点特点如如下：下：1.1.金属原子放弃一个外金属原子放弃一个外层电子，非金属原子得层电子，非金属原子得到此电子使外层填满，到此电子使外层填满，结果双双变得结果双双变得稳定稳定。2.2.金属原子失去电子带金属原子失去电子带正电荷，非金属原子得正电荷，非金属原子得到电子带负电荷，双双到电子带负电荷，双双均成为均成为离子离子。3.3.离子键键的大小在离离子键键的大小在离子周围各个方向上都是子周围各个方向上都是相同的，所以，它没有相同的，所以，它没有方向性
11、。方向性。图图1.4-1 Cl1.4-1 Cl与与NaNa形成离子键形成离子键图图1.4-3 NaCl 晶体3.3.共价键共价键(covalent bond)(covalent bond)4.4.实质：由两个或多个实质：由两个或多个电负性差不大的电负性差不大的原子原子间间5.5.通过通过共用电子对共用电子对而形成。而形成。6.6.特点：具有饱和性和方向性，配位数较小特点：具有饱和性和方向性，配位数较小、7.7.各键间都有确定方位。各键间都有确定方位。性质：熔点高，质硬而脆，导电性差。性质：熔点高，质硬而脆，导电性差。1.2 1.2 原子间的键合原子间的键合图图1.4-51.4-5 由共价键方向
12、性特点决定了的SiO2四面体晶体结构图图1.4-4 1.4-4 形成共价键的SiO2,蓝色圆圈代表Si的价电子，红色圆圈代表O的价电子1.2.2 1.2.2 物理键（次价键、二次键）物理键（次价键、二次键）1.1.范德华力范德华力(Van Der Waals bonding)(Van Der Waals bonding)电偶极矩的感应作用电偶极矩的感应作用特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，无方向性。固，无饱和性，无方向性。1.2 1.2 原子间的键合原子间的键合Van der Waals bonding2.2.氢键氢键(hydrogen
13、bonding)(hydrogen bonding)分子间特殊作用力分子间特殊作用力极性分子键，存在于极性分子键，存在于HFHF、H H2 2O O、NHNH3 3中中 ，在高，在高分子中占重要地位。分子中占重要地位。表达为：表达为：XHYXHY实质：氢原子中唯一的电子被其它原子所共实质：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有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引子的负端相互吸引氢桥。氢桥。特点：特点：介于化学键与物理键之间，介于化学键与物理键之间，具有饱和具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。性和方向性，可存在于分子内或分子间。1.2 1
14、.2 原子间的键合原子间的键合1.2.3 1.2.3 混合键混合键实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键 金属中主要是金属键，还有其他键如：共价金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键键、离子键 陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力依靠范德华力 聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键链之间则为范德华力或氢键1.2 1.2 原子间的键合原子间的键合1.2 1.2
15、 原子间的键合原子间的键合1.2.4 1.2.4 结合键与性能结合键与性能1.1.物理性能物理性能熔点熔点的高低代表了材料稳定性程度。共价键、的高低代表了材料稳定性程度。共价键、离子键化合物的离子键化合物的TmTm较高。较高。密度密度与结合键有关。与结合键有关。-多数金属有高的密度，多数金属有高的密度，原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列。合没有方向性，原子趋于密集排列。导热、导电性导热、导电性2.2.力学性能力学性能 强度强度 塑性塑性1.3 1.3 高分子链高分子链高分子结构高分子结构 链结构（链结构（chain s
16、tructurechain structure）聚集态结构（聚集态结构（structure ofstructure of aggregation state aggregation state）链结构链结构 近程结构：一级结构近程结构：一级结构 远程结构：二级结构远程结构：二级结构1.3 1.3 高分子链高分子链1.3.1 1.3.1 近程结构（一级结构）近程结构（一级结构）近程结构是指结构单元的化学组成、空间构型近程结构是指结构单元的化学组成、空间构型、键接方式与序列等。、键接方式与序列等。1.1.链结构单元的化学组成链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、碳链高分子、杂
17、链高分子、元素有机高分子、无机高分子无机高分子2.2.高分子链的构型高分子链的构型 全同立构全同立构 间同立构间同立构 无规立构无规立构 高分子链的构型高分子链的构型无规立构无规立构全同立构全同立构间同立构间同立构1.3 1.3 高分子链高分子链1.3.2 1.3.2 远程结构（二级结构）远程结构（二级结构）主链以共价键联结，有一定键长主链以共价键联结，有一定键长d d和键角和键角 ，每个单键都能内旋转（每个单键都能内旋转（chain twistingchain twisting）。）。这种由单键内旋转引起的原子在空间占据不这种由单键内旋转引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象称为高分同位置所构成的分子链的各种形象称为高分子链的子链的构象构象。高分子这种能由构象变化不同获得不同卷曲高分子这种能由构象变化不同获得不同卷曲程度的特性称为高分子链的程度的特性称为高分子链的柔顺性柔顺性。
