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材料科学基础第一章PPT课件

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第一章 材料科学基础 绪论PPT课件

第一章 材料科学基础 绪论PPT课件

❖ 功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、 热学、声学、力学、化学和生物学功能及 其相互转化的功能，被用于非结构目的的 高技术材料。
1.4.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为建筑 材料、信息材料、航空航天材料、能源材 料、生物医用材料等。
❖ 火箭发动机的燃烧室与喷嘴， 需要承受2000℃的高温而不 氧化，它是用石墨表面喷涂 一层二硅化钼材料制成。石 墨已被大量用作核能工业的 “减速剂”。雷达中大型电 子管外壳，既要耐高温，又 要有优良的超高频和绝缘性 能，它是用氧化铝高频陶瓷 制成。核反应堆外部的防护 层是用一种含钡的特种水泥 筑成的。
是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同， 但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热 工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材 料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁 矿、白云母等）为原料制造的。
按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、 橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊 耐火材料；
等系统的材 料科学知识
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
1.4.4 材料按结晶状态分类
单晶材料 多晶材料 非晶态材料 准晶材料
单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的 材料，如单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性 能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。

材料科学基础第一章材料结构的基本知识ppt课件

材料科学基础第一章材料结构的基本知识ppt课件

整理版课件
14
3、金属键 • 通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结
合的结合键。 • 价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地
排列在 “电子气”的海洋中． • 金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，
固态溶解
整理版课件
15
二、二次键 1、范德瓦耳斯键 • 具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相
Cu ： …3p63d104s1
K：…3p64s1
整理版课件
7
5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强， 同族自上而下逐渐减弱
整理版课件
8
第二节 原子的结合键
• 一次键 • 二次键 • 混合键 • 结合键的本质及原子间距 • 结合键与性能
整理版课件
9
按结合力强弱分：
• 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结 合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较 强．
晶体： 有确定熔点 单晶体各向异性 多晶体各向同性
非晶体： 无确定熔点 各向同性
整理版课件
30
二、 原子排列的研究方法
• X射线或电子束 • 衍射原理 布拉格定律：
2dsinn
根据衍射分布图，可 分析晶体中原子排列 的特征（排列方式、 原子面间距等）
整理版课件
31
第四节 晶体材料的组织
1、结晶过程及多晶组织
整理版课件
39
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
整理版课件
20
由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所 形成的 AB 化合物中离子键结合的比例越高
整理版课件
21
2、一次键与二次键混合 例如： • 石墨: 片层中为共价键,片层间

材料科学基础 第一章 固体材料结构的基本知识ppt课件

材料科学基础 第一章 固体材料结构的基本知识ppt课件

Cooling Rate (oC/s)
1
10
100 1000
Properties depend on structure (hardness vs structure
of steel)
Processing can change structure (structure vs cooling rate of steel)
主族序数＝最外层电子数
零族元素最外层电子数为8（氦为2）
同周期元素： 左 电离能↑ 失电子能力↓ 得电子能力↑
最外层电子数相同,电子层数↑ 原子半径↑ 同主族元素： 上 电离能↓ 失电子能力↑得电子能力↓
核电荷↑ 原子半径↓
右, 金属性↓,非金属性↑ 下,金属性↑,非金属性↓
Periodic Table of Elements
Single crystal
Polycrystal: low porosity
Polycrystal: high porosity
1.2 工程材料中的原子结合方式
1.2.1 原子结构
质子 原子核 原子
（10-10m） （10-15m）
中子
核外电子
Schematic representation of the Bohr atom.
高分辨率电镜（High Resolution Electron Microscopy, HREM）直接观察晶体中原子的规则排列。
硅表面原子排列
碳表面原子排列
用AFM机械刻蚀原理刻 写的亚微米尺寸的唐诗
0 2 4 6 8 10mm
在Si(111)面上形成的“中国” 字样。 (111)，最邻近硅原子间的 距离为0.4nm。
l=2 (d)

材料科学基础教学课件-第一章-相图1

材料科学基础教学课件-第一章-相图1
❖表示系统中三相平衡状态的三相 点有二个： ➢B代表晶型I、晶型II和气相的三 相平衡 ➢C代表晶型II、熔体和气相的三相 平衡
❖虚线表示系统中可能出现各种介稳平衡状态 ❖FBGH是过热晶型I的介稳单相区，HGCE是过冷熔体的介 稳单相区，BGC和ABK是过冷蒸气的介稳单相区，KBF是过 冷晶型II的介稳单相区 ❖虚线表示的曲线代表相应的介稳二相平衡状态：BG和GH 分别为过热晶型I的升华曲线和熔融曲线；GC是过冷熔体的 蒸气压曲线；KB是过冷晶型II的蒸气压曲线 ❖三个介稳单相区会聚的G点代表过热晶型I、过冷熔体和气
❖通常是在常压下研究相图，故相律在凝聚系统中具有如下 形式：
F=C–P+1
❖ 在讨论二元以上凝聚系统时均采用上述相律表达式。如果 无特别标明，则为外压为一个大气压下的等压相图
第二节 单 元 系 统
单元系统中只有一种组分，不存在浓 Байду номын сангаас问题，影响系统平衡的因素为温度 和压力
单元系统相图--温度和压力二个坐标
二、具有同质多晶转变的单元系统相图
❖实线将相图分为四个单相 区： ✓ABF为低温稳定的晶型I 的单相区 ✓FBCE为高温稳定的晶型 II的单相区 ✓ECD是液相（熔体）区
✓ABCD是气相区
❖将二个单相区划分开来的曲线代 表系统中的二相平衡状态： ➢AB、BC分别是晶型I和晶型II的 升华曲线 ➢CD是熔体的蒸气压曲线 ➢BF是晶型I和晶型II之间的晶型 转变线 ➢CE是晶型II的熔融曲线
❖LM----石英和SiO2蒸气之间的二相平衡，为-石英饱和 蒸气压曲线
❖OC---SiO2高温熔体和SiO2蒸气之间的二相平衡，为SiO2 高温熔体的饱和蒸气压曲线
❖过M、N、D点直线是晶型转变线，反映相应的两种变体之 间的平衡共存，如过M点直线表示-石英与-石英之间相互 转变的温度随压力的变化。

材料科学基础第一章原子结构与键合ppt课件

材料科学基础第一章原子结构与键合ppt课件

原那么上，只需给定了势函数V，就可 以解出波函数，进而求出能量 E、角动量 L 等物理量。关于在各种情况下薛定谔方程 的解法可参看量子力学教程。
对于孤立原子，每个电子都是在核和 其他电子的势场中运动。假设将势场看成 是有心力场，求解薛定谔方程，就可得到 波函数和相关的物理量〔如 E，L 等〕。所 得公式中包含 4 个只能取定值的参数：n， li，mi 和 si。
第一章 原子构造与键合 (Atomic structure
and interatomic bonding)
本章要讨论的主要问题是： 为什么原子能结合成固体？ (2) 资料中存在哪几种键合方式？ (3) 决议键合方式的主要要素有哪些？ (4) 资料的哪些性能和其键合方式有亲密的关系？
第一节 原子结构
(3)轨道磁量子数 mi mi 决议了轨道角 动量在外磁场方向的投影值，mi = 0，±1， ±2，…，±li，根据 mi 的取值，限制了s， p，d，f 次壳层的轨道数分别为 1，决议了自旋角 动量在外磁场方向的投影值，si = ±1/2， 只能取两个值。
可以以为 n 和 k 分别决议了椭圆的长 轴和短轴，而 k/n 那么决议了椭圆的偏心率。
二、动摇力学〔Wave-Mechanics〕实际和近代原 子构造模型
玻尔实际虽然能定性地解释原子的稳定性 〔定态的存在〕和线状原子光谱，但在细节和定 量方面仍与实验现实有差别。特别是，它不能解 释电子衍射景象，由于它依然是将电子看作为服 从牛顿力学的粒子，不过附加了两个限制条件， 即能量的分立性和角动量的量子化条件，从实际 上讲这是不严密的。
如图1-301是离子化合物 NaCl 离子键表示图。红色球代 表 Cl-离子，灰色球代表Na＋离 子。离子键主要依托它们之间的 静电引力结合在一同，因此离子 键的特点是：键力较强、结合结 实。因此其熔点和硬度均较高。 另外，在离子晶体中很难产生自 在运动的电子，因此，它们都是 良好的绝缘体。

材料科学第一章-111-12ppt课件

材料科学第一章-111-12ppt课件
材料科学基础
2010.9
第一章 工程材料中的原子排列
决定材料性质最为本质的内在因素是组成材料 各元素原子结构，原子间相互作用，相互结合，原 子或分子在空间的排列，运动规律，以及原子集合 体的形貌特征。
硅表面硅原子的排列 Ti系超导氧化物的二维结构像
2019/12/22
材料科学基础 第一章
2
第一章 工程材料中的原子排列
材料科学基础 第一章
31
§1.2 原子的规则排列—晶体学基础
注意点： 晶体结构与空间点阵的区别； 空间点阵只有14种，晶体结构是无限多的； 晶体结构=结构基元+空间点阵
2019/12/22
材料科学基础 第一章
32
§1.2 原子的规则排列—晶体学基础
2019/12/22
具有相同点阵的晶体结构
本章主要内容：
固体中原子的相互作用、结合及排列方式； 晶体的特征及其描述方法； 晶体结构的特点； 各种晶体之间的差异； 晶体结构中缺陷的类型及性质等。
2019/12/22
材料科学基础 第一章
3
§1.1 原子键合
材料处于液态和固态 时凝聚态，此时， 原子(分子、离子)间 距很近，产生较强的 相互作用力结合力 或结合键；
金属中的自由电子和金属正离子 金属键 相互作用构成键合即为金属键；
特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。
2019/12/22
材料科学基础 第一章
6
§1.1 原子键合
硅的共价键
金刚石的共价结合及其方向性
2019/12/22
材料科学基础 第一章
9
§1.1 原子键合
离子键与离子晶体
离子键是多数盐类、碱类和金属氧化物的结合方式。

《材料科学基础》课件第1章 材料的结构

◆ 晶体与非晶体区别：
(a)是否具有周期性、对称性； (b)是否有确定的熔点； (c)是否各向异性； 单晶体的各向异性
25
1.2 晶体学基础 1.2.2 空间点阵和晶胞
为了便于分析研究晶体中原子或分子的排 列情况，可把它们抽象为规则排列于空间的无 数个几何点，这些点子可以是原子或分子的中 心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中 心，但各个点子的周围环境必须相同，这种点 的空间排列称为空间点阵。
3. 晶胞
空间点阵
27
晶胞
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
28
1.2 晶体学基础
◆选取晶胞的原则：
1.2.2 空间点阵和晶胞
① 应反映出点阵的高度对称性； ② 棱和角相等的数目最多； ③ 棱边夹角为直角时，直角数目最多； ④ 晶胞体积最小。
29
1.2 晶体学基础 4. 晶格（点阵）参数
1.2.2 空间点阵和晶胞
⑷ 简单正交
⑸ 底心正交
⑹ 体心正交
34
⑺ 面心正交
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
（四）四方 a=b≠c =β=γ=90°
⑻ 简单四方
⑼ 体心四方
（五）菱方 a=b=c =β=γ≠90°
⑽ 简单菱方
35
1.2 晶体学基础 （六 ）六方 a=b≠c =β=90°，γ=120°
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力 离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力 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
18
强
较强
最弱
1.1 材料的结合方式 1.1.2工程材料的键性 实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多

1材料科学基础第一章晶体学基础课件

立方面心格子
总结
晶体结构
找 代 表
找等同点
空间格子(14种)
找 代 表
晶胞
形状、大小一致
单胞(14种)
晶据 体点 划阵 分参 为数
晶系(7个)
本节重点掌握：
1、概念：空间点阵；晶胞；点阵常数 2、空间点阵及其要素 3、Bravais晶系的格子常数特点
§1.3 晶向指数和晶面指数（参考P13-16）
晶体结构是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具 体排列方式。它们能组成各种类型的排列，因此，实际 存在的晶体结构类型是无限的。 空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和 分析晶体结构的周期性和对称性。由于各阵点的周围环 境相同，它只能有14种类型。
联系：晶体结构的结构基元与相应空间点阵的结点在空 间排列的周期一致
一、晶向指数 二、晶面指数 三、六方晶系的晶向指数和晶面指数 四、晶带 五、晶面间距
晶向、晶
钯的PDF卡片-----Pd 89－4897
crystal system,space
图 2 CdS纳米棒的TEM照片（左）和 HRTEM照片（右）
图2 选区电子衍射图
图1. La(Sr)3SrMnO7的低 温电子衍射图
列几何点。
CsCl
以氯化铯（CsCl）的晶体结构为例
定义
➢从晶体结构中抽象出来的一系列在三维空间周期性排列 的几何点称为空间点阵。 ➢空间格子是表示晶体内部中质点重复规律的几何图形。
➢空间点阵为无限图形。 ➢空间点阵的要素：
•结点 •行列 •面网 •平行六面体
说 明
和外形的 关系
区 别
注意：晶体结构和空间点阵的区别（了解）
立方晶系中一些晶面的晶面指数

材料科学基础第一章ppt课件


我国材料的历史进程 (Historical perspective)
• 漫长而又曲折的历程：
简 单 → 复 杂 单 一 性 能 → 综 合 性 能
结 构 材 料 → 功 能 材 料 单 一 材 料 → 复 合 材 料
石 器 时 代 （ S t o n eA g e ） ： 石 斧 、 凿 、 刀 、 铲 、 箭 头 、 纺 轮 、 钵 等 （ 西 安 半 坡 遗 址 ）
薛定谔方程

描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示
主 量 子 数 n ： 决 定 原 子 中 电 子 能 量 和 核 间 距 离 ， 即 量 子 壳 层 ， 取 正 整 数 K 、 L 、 M 、 N 、 O 、 P 、 Q i e l e c t r o ns h e l l 轨 道 动 量 量 子 数 l ： 与 电 子 运 动 的 角 动 量 有 关 ， 取 值 为 0 ， 1 ， 2 ， n 1 , s ， p ， d ， f i s h a p eo ft h ee l e c t r o ns u b s h e l l 磁 量 子 数： m 定 原 子 轨 道 或 电 子 云 在 空 间 的 伸 展 方 向 ， 取 值 为 l ， ( l 1 ) , 1 ,0 , 1 , l i 决 i i i s p a t i a lo r i e n t a t i o n o fa n e l e c t r o n c l o u d 1 1 自 旋 角 动 量 量 子 数 s ： 表 示 电 子 自 旋 （ s p i n m o m e n t ） 的 方 向 ， 取 值 为 ＋ 或 i 2 2
金 属 材 料 （ M e t a l l i cM a t e r i a l s ) : 钢 铁 、 铝 、 铜 、 钛 合 金 陶 瓷 材 料 （ C e r a m i c s ） ： A lO、 i C 、 S iN、 i O、 i N 2 3 S 3 4 S 2 T 或 无 机 非 金 属 材 料 （ I n o r g a n i cM a t e r i a l s ) 高 分 子 材 料 （ H i g hP o l y m e r s ) ： 纤 维 、 蛋 白 质 、 聚 乙 烯 、 聚 氯 乙 烯 M a t e l-M a t r i x 复 合 材 料 （ C o m p o s i t e s ) ： C o m p o s i t e s P o l y m e r-M a t r i x
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金属材料：钢铁、有色金属、合金
有机高分子材料：合成纤维、合成塑料、
材 无机非金属材料：（见下页）
料
复合材料：树脂基复合材料、金属基复合 材料、 陶瓷基复合材料、碳-碳
复合材料
▪无机非金属材料是各种非金属无机物固体材料的统称。
包括传统的硅酸盐材料（玻璃、陶瓷、耐火材料和水泥 等），也包括一系列不含硅的氧化物、氮化物、非晶态 薄膜、碳硼纤维等无机新型结构和功能材料。
教学内容及学时安排
第一章 结晶几何基础 第二章 晶体化学基础 第三章 晶体结构 第四章 晶体结构缺陷 第五章 固溶体 第六章 熔体和非晶态固体 第七章 固体表面与界面
第八章 浆体的胶体化学原理 第九章 热力学应用 第十章 相平衡 第十一章 扩散 第十二章 相变 第十三章 固相反应 第十四章 烧结
讲授40学时
旋转反伸轴的符号 Lin ，i代表反伸，n代表轴 次。n可以为1、2、3、4、6，相应的基转角 为360°、180 °、120 °、90 °、60 °。
1 次倒转轴
相当于旋转360后再对中心反 演而图形不变。
由于旋转360将使图形回复到 原始位置，因此，1 次倒转轴 的效果与单纯的反演操作完全 相同
Fundamentals of Inorganic materials Science
教材与参考书
▪ 胡志强. 无机材料科学基础教程. 化学工业出版社.2004 ▪ 陆佩文. 无机材料科学基础 . 武汉理工大学出版社.
2005 ▪ 浙江大学等编写.硅酸盐物理化学.中国建筑工业出版
社.1980 ▪ 叶瑞伦等.无机材料物理化学.中国建筑工业出版社.1986 ▪ 黄勇等编.相图与相变.清华大学出版社.1987 ▪ 刘智恩. 材料科学基础. 西北工业大学出版社. 2003
旋转轴根据其轴次和平移距离的大小的不 同可分为21；31；32；41；42；43；61；62； 63；64；65共11种螺旋轴。
（6）象移面
相应的对称变换为：对于此平面的反映和 沿此直线方向平移的联合，其平移的距离 等于该方向行列结点间距的一半。
根据平移成分τ的方向和大小，象移面有下 列五种
空间点阵 表示晶体结构中等同点排列规律的几何
图形。
空间格子
晶体内部质点周期性重复排列的表示。
空间点阵中的几何要素 ①结点：空间点阵中的等同点
②行列：分布在同一直线上的结点构成一 个行列。
③面网：分布在同一平面上的结点构成一 个面网。
④初基格子：空间点阵中由八个结点连成 的中空的平行六面体。
因此 6 次倒转轴相当于 1 条 3 次旋转轴加上一个对称面
63m
晶体中只存在有 8 种独立的对称要素， 分别为。
i, m , 1 , 2 , 3 , 4 , 6 , 4
任何宏观晶体所具有的对称性都是这 8 种基本对 称要素的组合。
（5）螺旋轴 要素。
螺旋轴是一种复合的对称
相应的对称变换为，围绕此直线旋转一定 的角度和此直线方向平移的联合。螺旋轴 的周次n只能等于1、2、3、4、6。
1 次倒转轴也就是对称中心。
1i
2 次倒转轴
相当于旋转180后再对中心 反演而图形不变。
2 次倒转轴就是对称面
2m
3 次倒转轴
相当于旋转120后再对中心反 演而图形不变。
先旋转120图形能够复原，因 此该图形具有 1 条 3 次旋转轴
该图形显然具有一个对称中心
因此 3 次倒转轴相当于 1 条 3 次旋转轴加上一个对称中心
（2）对称面（用P表示） 对称面是通 过晶体中心的一个假想平面，它将晶体平 分为互为镜像的两个相等部分。对称面的 操作是对此平面的反映。
（3）对称轴(Ln) 对称轴是通过晶体中 心的一根假想直线，晶体围绕此直线旋转 一定角度后，可使相等部分重复或者说使 晶体复原。
旋转一周重复的次数称为轴次（n），重复 时所旋转的最小角度称为基转角（α），周 次与基转角之间的关系为n=360°/ α
石英玻璃
生活陶瓷
无机材料科学基础与其它课程之间的关系示意图
无机化学 物理化学金属 材料工艺学
基础知识
专业基础知识
专业知识
第一章 晶体几何基础
第一节 晶体概述
晶体是内部质点在三维空间作周期性重复 排列的固体。
等同点
晶体结构中在同一取向上几何环境和物质 环境皆相同的点称为等同点。在同一晶体 中可以找出无穷多类等同点，但每一类等 同点集合而成的图形都呈现如图所示的相 同图形。
1.2.3、对称要素的组合
（1）对称要素的组合规律：
对称轴的种类
晶体对称定律： 在晶体中，只可能出现 轴次为一次、二次、三次、四次和六次的 对称轴，而不可能存在五次和高于六次的 对称轴。
（4）旋转反伸轴(Lin) 旋转反伸轴是通过晶 体中心的一根假想的直线，晶体围绕此直线旋 转一定角度后，再对此直线上的一点反伸，可 使相等部分重复即晶体复原。
在进行对称操作时，所借助的几何要素称 为对称要素，包括点、线、面。
在晶体内部结构中 可能存在的对称要素以及操作主 要有以下几类：
宏观对称操作包括： 对称中心 对称面 旋转轴 倒转轴 (有时也称为象转轴) 微观对称操作包括： 螺旋轴 滑移面
1）对称中心(C) 对称中心是晶体中心的 一个假想点，任意通过此点的直线的等距 离两端，必定找到对应的点。对称中心的 对称操作是对此点的反伸。
33i
4 次倒转轴
相当于旋转90后再对中心反 演而图形不变。
这是一个独立的对称操作。 它既没有 4 次旋转轴也没有 对称中心，不能分解成其他 基本对称要素的组合。
6 次倒转轴
相当于旋转60后再对中心反 演而图形不变。
先旋转120图形能够复原， 因此该图形具有 1 条 3 次旋 转轴
该图形显然具有一个对称面
晶体与非晶体在宏观性质上的区别
自限性 均一性和异向性 对称性 最小内能和最大稳定性
第二节 晶体的对称与分类
1.2.1 对称的概念 对称是指物体相同部分作有规律的重复
1.2.2、晶体的对称要素和对称操作
使物体的相等部分重复所进行的操作称为 对称操作。
对称操作包括反映、旋转、反伸等。