材料科学基础

• 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观 结构，哪些主要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。
• 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。
• 其内部结构包括 四个层次：①原 子结构；②结合 键；③原子的排 列方式；④显微 组织
2021/3/10
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（二）材料科学与材料工程的关系
• 材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于20世 纪60年代，1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相 继建立十余个材料科学研究中心，自此开始，“材料科学”一 词广泛应用。
• 一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎 么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，
为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料 提供理论基础。
• 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说
各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，
后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料科学
2021/3/1与0 工程（MSE，Material Science and Engineering）
功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料
2021/3/10
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（四）材料的应用
• 让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发 展中起了举足轻重的作用。
• 计算机与材料
1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代
2、个人电脑移动存储器的比较
材料科学的发展是计算机飞速发展的基础
种类
《材料科学基础》
《Foundations of Materials Science》
2021/3/10

材料科学基础知识一、概述材料科学是一门涉及材料的结构、性能、制备和应用的学科。

在现代科学技术发展中，材料科学起着重要的作用。

材料科学的发展涉及多个学科领域，如物理学、化学、工程学等。

本文将介绍材料科学的基础知识，包括材料分类、结构与性能关系、制备方法等。

二、材料分类根据材料的组成和性质，可以将材料分为金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和复合材料四大类。

1. 金属材料：金属材料具有良好的导电性和导热性，常见的金属材料有铁、铝、铜等。

金属材料的特点是强度高、可塑性好。

2. 陶瓷材料：陶瓷材料具有较高的熔点和硬度，常见的陶瓷材料有瓷器、玻璃等。

陶瓷材料的特点是脆性大、电绝缘性好。

3. 聚合物材料：聚合物材料是由高分子化合物组成的，常见的聚合物材料有塑料、橡胶等。

聚合物材料的特点是具有良好的可塑性和耐腐蚀性。

4. 复合材料：复合材料是由两种或多种不同种类材料组合而成的材料，常见的复合材料有纤维增强复合材料、金属基复合材料等。

复合材料的特点是综合性能优良。

三、结构与性能关系材料的结构对其性能有着重要的影响。

以下是常见的结构与性能关系。

1. 晶体结构：晶体是由离子、原子或分子按照一定规律排列而成的有序结构。

晶体的结构确定了材料的硬度、导电性等性能。

2. 硬度与强度：材料的硬度和强度与其原子、分子的排列有关。

晶体结构和材料的晶粒大小会影响材料的硬度和强度。

3. 导电性与绝缘性：材料的导电性与其电子的运动有关。

金属材料具有良好的导电性，而陶瓷材料则具有较好的绝缘性。

4. 磁性与非磁性：材料的磁性与其原子或分子的磁矩有关。

铁、镍等金属具有磁性，而大部分非金属材料则是非磁性的。

四、材料制备方法材料的制备方法经过了长期的发展和探索，现在已经有许多成熟的制备方法。

以下是常见的材料制备方法。

1. 熔融法：熔融法是通过加热材料使其熔化，然后再进行浇铸、凝固等操作来制备材料。

熔融法广泛应用于金属和玻璃等材料的制备过程。

2. 沉积法：沉积法利用化学反应、物理吸附等方法，将原料分子沉积到基材上，形成所需的材料。

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稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。

晶面指数及晶面间距
现在广泛使用的用来表示晶面指数的密勒指数是由 英国晶体学家ler于1939年提出的。
z
确定晶面指数的具体步骤如下： 1.以各晶轴点阵常数为度量单位,求 出晶面与三晶轴的截距m,n,p； 2.取上述截距的倒数1/m,1/n,1/p； 3. 将以上三数值简为比值相同的三 个最小简单整数,即 1 1 1 h k l (553) : : : : h:k :l x m n p e e e 其中e为m,n,p三数的最小公倍数,h,k,l为简单整数； 4.将所得指数括以圆括号, (hkl)即为密勒指数。
13 体心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
14 面心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
§ 1.5 晶体结构的对称性
一、对称：对称是指物体相同部分作有规律的 重复。对称操作所依据的几何元素，亦即在对 称操作中保持不动的点、线、面等几何元素称 为对称元素。 二、对称性
1．晶体的宏观对称性 2. 晶体的32种点群 3. 晶体的微观对称性 4．230种空间群
晶体结构＝空间点阵+基元
注意：上式并不是一个数学关系式，而只是用来表示这三者之间的 关系。
二、晶体的点阵理论
1 、点阵(Lattice):
将晶体中重复出现的最小单元作为结构基元，用一个数 学上的点来代表 , 称为点阵点，整个晶体就被抽象成一组 点,称为点阵。 1 点阵点必须无穷多； 点阵必须具备的三个条件 2 每个点阵点必须处于相同的环境； 3 点阵在平移方向的周期必须相同。
c
b
a
空间点阵及晶胞的不同取法
选取晶胞的原则： 1.要能充分反映整个空间点阵的周期性和对称性； 2.在满足1的基础上，单胞要具有尽可能多的直角； 3.在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。

1.材料是国民经济的基础；广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质；材料、信息、能源是现代技术的三大支柱。

2.材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的学科。

3.材料分类：金属材料、陶瓷材料或无机非金属材料、高分子材料、复合材料。

4.材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。

它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。

5.金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。

特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好。

6.离子键：正负离子之间由于静电引力相互吸引，是原子结合在一起形成离子键。

特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。

7.共价键：两个或多个电负性相差不大的原子通过共用电子对而形成的化学键。

特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差二；晶体学基础晶体：是指其内部原子（分子或离子）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物体。

晶体原子（分子或离子）在空间的具体排列方式称为晶体结构。

晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列即即存在长程有性能上两大特点：固定的熔点，各向异性空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境晶胞：代表性的基本单元（最小平行六面体）选取晶胞的原则1.选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性2.平行六面体的棱和角相等的数目应最多3.当平行六面体的棱边夹角存在直角，直角数目应最多4.在满足上述条件下晶胞应具有最小体积晶格：为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为结点，人为地将结点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。

材料科学基础
材料科学基础是材料理论、实验、应用的交叉学科。

它集成了多学科的实验手段和理论计
算技术，利用理论计算、数理物理和实验技术，研究材料的性能和制备、表征，分析和优
化材料结构和功能性能，以满足材料领域的需求。

基础的材料科学主要包括材料多尺度结构的研究、材料微观机制的研究、材料表面与界面
性质的研究以及材料抗损性表征及改进等。

材料多尺度结构研究是通过研究材料的原子、
分子、晶体等多种尺度结构，探索材料性能及其关联机制。

材料微观机制研究是通过对材
料微细结构、代表性性质进行研究，从原子、分子、晶体分解的角度探究材料行为及影响
其行为的机制；材料表面与界面性质的研究是指利用实验与分子模拟方法，研究材料的表
面和界面结构、化学组分特性及其性能等；材料抗损性表征与改进研究是针对特定工况作
用环境下材料应力损伤、耐磨性能等进行研究，目的是区分材料质变以及失效机制，提出
与改善结构、材料条件等有关的优化技术。

此外，材料科学的基础还涉及其他学科，如物理化学、机械工程、计算机科学、化学工程、材料物理学、有机合成和金属学等，以便从新的视角，综合研究材料的结构、性质、加工
技术、性能表征等。

总之，材料科学基础是一门宽泛而全面的学科，能够涵盖实验、理论计算技术、物理化学
等诸多分支，来研究材料的性能及功能。

未来，随着材料应用的不断发展，材料科学基础
也将在科学研究中发挥重要作用，为材料发展提供重要保障。

材料科学基础知识材料科学是一门研究材料结构、性能和制备的学科，涉及广泛的领域，包括金属、陶瓷、塑料、纤维、半导体等材料的研究与应用。

本文将介绍一些材料科学的基础知识，包括材料分类、晶体结构和材料性能等内容。

一、材料分类根据组成和结构特征，材料可以分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。

金属材料主要由金属元素构成，具有优秀的导电、导热和强度等性能；无机非金属材料包括陶瓷、玻璃、水泥等，其特点是高硬度、高耐热性和电绝缘性；有机高分子材料由含有大量碳元素的高分子化合物构成，如塑料、橡胶和纤维等，具有良好的可塑性和可拉伸性。

二、晶体结构晶体是材料学中一种有序排列的结构形态，具有规则的周期性。

晶体结构由原子、离子或分子按照一定的几何规则排列而成。

根据晶格的不同，晶体可分为立方晶系、四方晶系、单斜晶系、正交晶系、斜方晶系、菱方晶系和三斜晶系等。

其中，立方晶系是晶体结构中最简单的一种，其晶格具有等边、等角的特点。

三、材料性能材料的性能决定了其在实际应用中的表现。

常见的材料性能包括力学性能、热学性能、电学性能和磁学性能等。

力学性能体现了材料的强度、韧性和硬度等特点，如抗拉强度、屈服强度和冲击韧性；热学性能包括导热性、热膨胀系数和导电性等，这些性能对材料的热稳定性和导热导电能力有重要影响；电学性能和磁学性能则与材料的导电性和导磁性相关。

四、材料制备材料的制备过程对于最终材料的性能和结构有重要影响。

常见的材料制备方法包括熔融法、沉积法、固相反应法和溶液法等。

熔融法是指将材料加热至熔点后进行冷却的过程，常用于金属材料的制备；沉积法则是通过气相或溶液中的化学反应沉积材料薄膜；固相反应法是指两个或多个固体物质在一定条件下发生化学反应生成新的化合物；溶液法是将材料溶解于溶剂中，通过溶液的蒸发或化学反应生成新材料。

总结材料科学是一门涉及广泛的学科，研究的内容包括材料分类、晶体结构、材料性能和材料制备等方面。

了解这些基础知识对于深入学习和应用材料科学具有重要意义。

1，晶体。

原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。

2中间相。

两组元A 和B 组成合金时，除了形成以A 为基或以B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B 两组元均不相同的新相。

由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。

3、亚稳相，亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却成加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。

4、配位数。

晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。

5、再结晶。

冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状态，这个过程称为再结晶。

6、伪共晶。

非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金得到的共晶组织称为伪共晶。

7、交滑移。

当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。

8、过时效；铝合金经固溶处理后，在加热保温过程中将先后析出GP 区，θ ”，θ ’，和θ。

在开始保温阶段，随保温时间延长，硬度强度上升，当保温时间过长，将析出θ ’，这时材料的硬度强度将下降，这种现象称为过时效。

9、形变强化。

金属经冷塑性变形后，其强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。

10、固溶强化。

由于合金元素（杂质）的加入，导致的以金属为基体的合金的强度得到加强的现象。

11、弥散强化。

许多材料由两相或多相构成，如果其中一相为细小的颗粒并弥散分布在材料内，则这种材料的强度往往会增加，称为弥散强化。

12、不全位错。

柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。

13、扩展位错。

通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错形态。

14、螺型位错。

位错线附近的原子按螺旋形排列的位错称为螺型位错。

材料科学基础知识点
1. 结晶学：研究晶体的形成、结构和性质。

包括晶体生长、晶体结构分析、晶体缺陷等。

2. 材料力学：研究材料的力学性质，包括材料的强度、韧性、塑性、蠕变等。

3. 材料热学：研究材料的热传导、热膨胀、热稳定性等热学性质。

4. 材料电学：研究材料的电导率、介电性质、磁性等电学性质。

5. 材料化学：研究材料的化学成分、结构和化学反应。

包括材料的合成方法、表面改性、材料的腐蚀与防护等。

6. 材料物理学：研究材料的物理性质，包括光学性质、磁性、声学性质等。

7. 材料加工：研究材料的加工方法、工艺和性能改善。

包括材料的铸造、焊接、锻造、热处理等。

8. 材料性能测试：研究材料的各种性能指标的检测和测试方法。

9. 材料选择：根据工程要求和材料性能，选择最合适的材料。

10. 材料应用：研究材料在各种实际应用中的性能和适用范围，包括材料的耐久性、可靠性等。

9、奥氏体形核时不仅需要（结构）起伏、（能量）起伏，此外还需要（成分）起伏。
10、晶体固液界面分为光滑界面和粗糙界面，按照长大速度由慢到快其长大方式依次为（二维晶核长大）（晶体缺陷长大）和（垂直长大）
11、马氏体是碳在（a-Fe）中的过饱和固溶体，淬火钢中马氏体的金相形态有两种，它们是（板条马氏体）和（针状马氏体）。
27、（13），主要是发生（多边形化）。
28、（15）动态回复与动态再结晶是指在变形过程中（软化与形变硬化）同时进行
三判断
1、 层错是由于晶体点阵中局部存在多余的半原子面的结果。
2、 位错属于晶体缺陷，又属于线缺陷。√
3、 通常晶体中原子的扩散激活能愈高，其扩散系数愈大，扩散速度愉快。
18、根据相律，三元系最大平衡相数为（4），此时自由度（0），在相图上表现为（水平面）。
19、扩散第一定律只适合于（稳态）条件，第一定律所表达的基本含义是：在（ ）的条件下，制药浓度梯度存在就会有扩散发生，而且扩散通量与浓度梯度成（正比）变化。扩散流动方向是由（高）浓度向（低）浓度。
20、固溶体合金结晶过程中遵循形核和核长大规律，但它不同于纯金属的是形核时还额外需要（成分）起伏，它也是在（变温）过程中进行的，同时在结晶过程中海始终伴随着（异质原子/溶质原子）的扩散。
4、 简述固溶体合金与纯金属在结晶过程中的区别。
解答：纯金属在结晶时其界面是粗糙的，在正温度梯度下进行长大。由于晶体长大时通过固相模壁散热，固液界面是等温的，若取得动态过冷度界面就向前移动。如果界面局部有小的凸起伸向过热的液相中，小凸起将被熔化，界面一直保持平直，晶体以平面状长大。
固溶体结晶时会出现成分过冷，在固液界面前出现成分过冷区，此时界面如有任一小的凸起将它伸入成分过冷区而获得过冷就能继续生长下去。界面不能保持平直稳定，会出现树枝晶。

弹性模量： 原子间结合 力的反映和 度量。
§6.1.1 普弹性
图 弹性变形与塑性变形
普弹性：应力与应变间符合线性关系，即满足虎克定律；
加上或去除应力时应变都能瞬时达到平衡
弹性的实质是原子作用势 的不对称性。
可以用双原子模型来解释。
图 双原子模型
弹性变形的主要特点是： (1)可逆性 去掉外力，变
s k s cos cos
τk称为临界分切应力，与金属 的晶体结构、纯度、加工状 态、试验温度与加载速度有 关，而与外力的大小、方向 及作用方式无关。
图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
k取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ；
k＝scoscos s的取值 ，＝45时，s最小，晶体易滑移；
形就消失。 (2)线性 应力和应变间满
足直线关系。 (3)弹性变形量小 一般说
来，金属材料和陶瓷材料 的弹性变形很小，高聚物 材料的弹性变形可以比较 大。
E G
G E
2(1 )
弹性模量是材料结合强度的标志之一。主要的影响因素有： （1）结构 弹性模量与原子序数呈周期性变化趋势。 （2）温度的影响 T升高，热振动加剧，晶格势能发生变
螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。
9. 滑移的表面痕迹 单滑移：
单一方向的滑移带； 多滑移：
相互交叉的滑移带； 交滑移：
波纹状的滑移带。
滑移的位错机制
① 位错的运动是晶体的滑移 滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动形成的。
② 位错的增殖——弗兰克－瑞德位错源 ③ 位错的交割与塞积
图 工业纯铜中的滑移线
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相 对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面） 和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不 破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。

2.布拉菲点阵：根据晶胞形状及阵点的分布特征所划分的晶体点阵系列,特征相同的归 为一个晶系，共有 14 种。
14种布拉菲点阵与七个晶系
三. 晶向指数和晶面指数
1. 晶向指数及其确定方法 1) 晶向指数 — 晶体点阵中阵点列的方 向指数。 2) 确定已知晶向的指数 (Miller指数)。
(1) 建坐标．一般为右手坐标，坐标原点 位于待定晶向上某一阵点，坐标轴为晶 胞棱边。
正、负离子间相互吸引，时原子结合在一起，这就是离子键。
氯 化 钠 离 子 键
2. 共价键
相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用，利用 共享电子对来达到稳定的电子结构。共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键
具有明显的方向性，这是其它键所不具备的。由于方向性，不允许改变原子的相 对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬，像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。
• 第六章 扩散与固态相变
– 第一节 扩散定律及其应用 – 第二节 扩散机制 – 第三节 影响扩散的因素与扩散驱动力 – 第四节 几个特殊的有关扩散的实际问题 – 第五节 固态相变中的形核 – 第六节 固态相变的晶体生长
• 第七章 陶瓷材料
导论
一·各种材料的概况
工程材料按属性可分为三类：金属材料、陶瓷材料和高分子材料。也可由此三个 相互组合而成的复合材料。按使用性能分类，则可分为主要利用其力学性能的结构材料和 主要利用其物理性能的功能材料。
一、一次键
1.离子键 金属元素特别是IA、IIA族金属在满壳层外面有少数价电子，它们很容易逸出；另方面 VIIA、VIA族的非金属原子的外壳层只缺少1~2个电子便成为稳定的电子结构。当两类电子 结合时，金属原子的外层电子很可能转移至非金属原子外壳层上，使两者都得到稳定的电 子结构，从而降低了体系的能量，此时金属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子，

固溶体：合金的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构。

正常价化合物：由周期表中相距较远，电化学性质相差较大的两种元素形成。

电子化合物：具有一定的电子浓度值，且结构相同或密切相关的相。

传统无机材料：以SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，因此亦称硅酸盐材料，主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料。

玻璃：由熔体过冷所制得的非晶态材料。

水泥：加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。

耐火材料：耐火度不低于1580℃的专门为高温技术服务的无机非金属材料。

晶体：离子原子或分子按一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性，因而晶体具有规则的外形。

晶胞：从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。

晶向指数：用[uvw]表示。

球体最紧密堆积：有等径球和不等径球两种；等径球最紧密堆积有六方最紧密堆积和面心立方最紧密堆积两种。

空间利用率：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。

位移性转变：仅仅是结构畸变，转变前后结构差异小，转变时并不打开任何键或改变最邻近的配位数，只是原子的位置发生少许位移，使次级配位有所改变。

重建性转变：不能简单地通过原子位移来实现，转变前后结构差异大，必须破坏原子间的键，形成一个具有新键的结构。

萤石：Ca+位于立方晶胞的顶点及面心位置，形成面心立方堆积，F—填充在八个小立方体的体心。

尖晶石：如果A离子占据四面体空隙，B离子占据八面体空隙，则称为正尖晶石。

反之，如果半数的B离子占据四面体空隙，A离子和另外半数的B离子占据八面体空隙，则称为反尖晶石。

岛状结构：[SiO4]四面体以孤岛状存在，它们之间通过其他正离子的配位多面体来连接。

高分子：其分子主链上的原子都直接以共价键连接，且链上的成键原子都共享成键电子的化合物。

高分子材料：组成高分子的不同尺度的结构单元在空间的相对排列，包含高分子的链结构和聚集态结构。

材料科学基础材料科学作为一门交叉学科，是研究材料结构、性能及其制备技术的科学。

在现代化建设过程中，材料科学起着至关重要的作用，无论是新型材料的应用研究，还是国家重大工程项目的建设，都需要依靠材料科学的基础支撑。

1. 材料科学的定义材料科学是研究材料结构、性能及其制备技术的科学。

材料科学的研究对象是包括金属、非金属及其复合材料在内的各种材料。

主要涉及材料的化学成分、原子结构、微观结构和宏观物理性质等方面。

2. 材料科学的历史与现状材料科学起源于人类制造工具的历史。

随着科技的发展和工业化的加速，材料科学逐渐发展成为一门独立的学科。

20世纪50年代，材料科学开始进入快速发展时期，以光电子材料、高分子材料、纳米材料等为代表的新材料逐渐涌现。

21世纪以来，随着信息技术、生物技术等领域的快速发展，材料科学进入了一个新的阶段，面临着新的机遇和挑战。

3. 材料科学的基础理论材料科学的基础理论包括材料结构与性能关系、物质的基本结构、材料物理学和化学等。

其中，材料结构与性能关系是材料科学的核心，它是研究材料性能与结构之间相互关系的重要内容。

同时，材料的物理和化学性质也是材料科学的重要基础，物理学主要涉及电学、热学、力学等方面，而化学则主要涉及材料的化学成分、结构等。

4. 材料科学的应用与发展材料科学的应用领域非常广泛，包括冶金、能源、信息、生命科学等诸多领域。

随着科技的发展和工业化进程的加速，材料科学对国家经济建设的支撑作用越来越明显。

当今世界上各个国家都把材料科学作为科技创新的重要方向之一，加大了对材料科学的投入和支持。

未来，材料科学还将面临更加广泛的应用和发展前景，如低碳经济、环保材料等。

5. 材料科学的前沿研究材料科学的前沿研究包括新型材料的制备和应用，纳米科技、超导材料等等。

纳米材料是目前研究的热点之一，是由于材料的微观结构对其性能具有巨大的影响。

超导材料则是研究电学、磁学等方面的特殊性质的重要材料，对于能源领域有着重要的应用价值。

图 金属键、金属的导电性和金属的变形
（3）金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光
的能量 ）
4.范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微 弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也 叫分子键。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 比化学键的键能少1～2个数量级。
1.共价键 （1）共价键的定义 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产 生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。 （2）共价键的特点 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠， 形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。 共价键具有方向性、饱和性。 金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。
最强
金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力
分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
较强
无方向性键、配位数高、 塑性较好、有光泽、好 的导热、导电性
无方向性键、结构密堆、 高熔点、绝缘
最弱
思考题
为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?
图 金属的变形
图 共价键的断裂
§1.1.2 工程材料的键性
密排六方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
第一章 材料的结构
第一节 材料的结合方式
§1.1.1 化学键
结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固 体的方式和结合力的大小。 结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学 键和物理键。 化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后 不再仅仅属于原来的原子 )。 化学键有：离子键、共价键、金属键。

六方晶系晶面指数标定
根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用a1， a2，a3及c四个晶轴，a1，a2，a3之间的夹角均 为120度，这样，其晶面指数就以(h k i l）四个 指数来表示。 根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多 不超过三个。前三个指数中只有两个是独立的， 它们之间存在以下关系：i ＝－ ( h + k ) 。
90o
六方：简单六方
a1 a2 a3 c,
90o , 120o
菱方：简单菱方
a b c,
90o
四方：简单四方
体心四方
a b c,
90
o
立方：简单立方 面心立方
体心立方
a b c,
则
三个晶轴同在一个晶面上
晶带定律的应用（4）
晶面1 (h1 k1 l1) 晶面2 (h2 k2 l2) 晶面3 (h3 k3 l3) 若
h1 h 2 h3
k1 k2 k3
l1 l2 0 l3
则
三个晶面同属一个晶带
小结：
a ：平行(相交）于某一晶向直线所有晶面的组合。
具有密排六方晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、 铍(Be)等。大多具有较大的脆性，塑性差。
晶胞原子数
4；2；6
2、点阵常数和原子半径
点阵常数 /2a=4R； /3a=4R；
a=2R
c/a=1.633
3、配位数 和致密度
配位数（CN）：晶体结构中任一原子周围最近且等距 离的原子数。
致密度（K）：晶体结构中原子体积占总体积的百分数。
cos cos cos 1