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第1章原子结构和键合1.1原子结构1.1.1物质的组成（Substance Construction ）物质由无数微粒（Particles ）聚集而成分子（Molecule ）：单独存在 保存物质化学特性dH2O=0.2nm M(H2)为2 M （protein ）为百万原子（Atom ）： 化学变化中最小微粒1.1.2原子的结构1.1.3原子的电子结构核外电子排布遵循以下3个原则：1.1.4元素周期表⎧⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎨⎪⨯⎪⎪⎩-27-27-31（proton）（neutron）质子：正电荷m＝1.6726×10kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电中子：电中性m＝1.6748×10kg 电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（ele ctron cloud ） m ＝9.109510kg，约为质子的1/1836i i n K L M N l (the orbital quantum number)主量子数（the principal quantum number)： 决定原子中电子能量和核间距离(the energy of the electron)， 即量子壳层，取正整数1、2、3、4、5?…， 用、、、……表示轨道动量量子数： 给出电子在同一量子壳层内所处的能级, 与电子运动的角动量有i n 1, s p d f m the inner quantum number)(spatial orientation of an electron cloud)1),1,0,⋅⋅⋅⋅⋅⋅--⋅⋅⋅⋅⋅⋅-i i 关(shape of the electron subshell)， 取值为0，1，2，用，，，……表示磁量子数( ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向， 取值为-l ，-(l i 1,s the spin quantum number)⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩i l 自旋角动量量子数( ： 表示电子自旋（spin moment ）的方向，11取值为＋或-22不可能有运动状态完全相同的电子， 同一亚层中电子尽量分占不同能级，2能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s -2s -2p -3s -3p -4s -3d -4p -5s -4d -5p -Pauli 不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n Hund 原则（Hund' Rule)自⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎩全充满半充满 全空旋方向相同 −−−−−−−−−−−→−−−−−−−−−−−−→电离核电荷↑，原子半径↓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↑电离能↓，失电子能力↑，得电子能力↓同周期元素：左右，金属性↓，非金属性↑同主族元素：上下，金属性↑，非金属性↓1.2原子间的键合1.2.1金属键（Metallic bonding ）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron ）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron ），形成电子云（electron cloud ）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1.2.2离子键（Ionic bonding)实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation ）非金属原子 带负电的负离子（anion ）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1.2.3共价键（covalent bonding ）亚金属（C 、Si 、Sn 、 Ge ），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成特点：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1.2.4范德华力（Van der waals bonding)包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force) 属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质1.2.5氢键（Hydrogen bonding ）极性分子键 存在于HF 、H2O 、NH3中 ，在高分子中占重要地位，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子的负端相互吸引——氢桥介于化学键与物理键之间，具有饱和性1.3高分子链（High polymer Chain)⎧⎨⎩键电对键键两键间极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中⎧⎨⎩链结构（Chain Structure)高分子结构聚集态结构（Structure of aggregation state)1.3.1高分子链的近程结构1.结构单元的化学组成（the Chemistry of mer units)2.高分子链的几何形态（structure ）热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再成型热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化后不能再改变形状，无法再生3.高分子链的键接方式4.高分子链的构型（Molecular configurations ）o 线热变软动热链联线胶联变强韧状性高分子（linear polymers）: 加后，甚至流，可反复加工－ 塑性（therm plastic）支高分子（branched polymers）：交高分子（crosslinked polymer）：性天然橡用S交后耐磨体型（立体网）高分子（network on three -dimensional poly ⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩mer)1.3.2高分子链的远程结构1.高分子的大小2.高分子链的内旋转构象主链以共价键联结，有一定键长 d 和键角θ，每个单键都能内旋转（Chain twisting ）故高分子在空间形态有mn-1( m 为每个单键内旋转可取的位置数，n 为单键数目)※ 键的内旋转使得高分子存在多种构象统计学角度高分子链取 伸直（straight ）构象几率极小，呈卷曲（zigzag ）构象几率极大3.影响高分子链柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility ）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility ）处链两侧两单处链边体间无规（syndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configuration R取代基交替地在主平面， 即旋光异构元交替R取代基全在主平面一， 即全部由一种旋光异构同立构全同立构立构⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩链两侧规则s):R取代基在主平面不排列⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩链结响决内势垒从酰响链链对称积响联响联单键内转碍联时主构的影：起定性作用,C -O,C -N,Si-O 旋的比C -C低，而使聚酯， 聚胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好取代基的影：取代基的极性，沿分子排布距离，在主上性，体均有影交的影：因交附近的旋受阻，交度大，柔性↓↓第2章固体结构2.1晶体学基础（Basis Fundamentals of crystallography）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（periodic repeated array），即存在长程有序（long-range order）性能上两大特点：1.固定的熔点（melting point）,2.各向异性（anisotropy）2.1.1空间点阵和晶胞※空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），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（space lattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)※晶胞（Unite cells）代表性的基本单元（最小平行六面体）small repeat entities选取晶胞的原则：Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
材料科学基础（第三版）第1章原子结构与键合1.1 原子结构1.1.1 物质的组成1.1.2 原子的结构1.1.3 原子的电子结构1.1.4 元素周期表1.2 原子间的键合1.2.1 金属键1.2.2 离子键1.2.3 共价键1.2.4 范德瓦耳斯力1.2.5 氢键1.3 高分子链1.3.1 高分子链的近程结构1.3.2 高分子链的远程结构第2章固体结构2.1 晶体学基础2.1.1 空间点阵和晶胞2.1.2 晶向指数和晶面指数2.1.3 晶体的对称性2.1.4 极射投影2.1.5 倒易点阵2.2 金属的晶体结构2.2.1 三种典型的金属晶体结构2.2.2 晶体的原子堆垛方式和间隙2.2.3 多晶型性2.3 合金相结构2.3.1 固溶体2.3.2 中间相2.4 离子晶体结构2.4.1 离子晶体的结构规则2.4.2 典型的离子晶体结构2.4.3 硅酸盐的晶体结构2.5 共价晶体结构2.6 聚合物的晶态结构2.6.1 聚合物的晶体形态2.6.2 聚合物晶态结构的模型2.6.3 聚合物晶体的晶胞结构2.7 准晶态结构2.8 液晶态结构2.8.1 液晶的分子结构特征与分类2.8.2 液晶的结构2.9 非晶态结构第3章晶体缺陷3.1 点缺陷3.1.1 点缺陷的形成3.1.2 点缺陷的平衡浓度3.1.3 点缺陷的运动3.2 位错3.2.1 位错的基本类型和特征3.2.2 伯氏矢量3.2.3 位错的运动3.2.4 位错的弹性性质3.2.5 位错的生成和增殖3.2.6 实际晶体结构中的位错3.3 表面及界面3.3.1 外表面3.3.2 晶界和亚晶界3.3.3 孪晶界3.3.4 相界第4章固体中原子及分子的运动4.1 表象理论4.1.1 菲克第一定律4.1.2 菲克第二定律4.1.3 扩散方程的解4.1.4 置换型固溶体中的扩散4.1.5 扩散系数D与浓度相关时的求解4.2 扩散的热力学分析4.3 扩散的原子理论4.3.1 扩散机制4.3.2 原子跳跃和扩散系数4.4 扩散激活能4.5 无规则行走与扩散距离4.6 影响扩散的因素4.7 反应扩散4.8 离子晶体中的扩散4.9 高分子的分子运动4.9.1 分子链运动的起因及其柔顺性4.9.2 分子的运动方式及其结构影响因素4.9.3 高分子不同力学状态的分子运动解说第5章材料的形变和再结晶5.1 弹性和黏弹性5.1.1 弹性变形的本质5.1.2 弹性变形的特征和弹性模量5.1.3 弹性的不完整性5.1.4 黏弹性5.2 晶体的塑性变形5.2.1 单晶体的塑性变形5.2.2 多晶体的塑性变形5.2.3 合金的塑性变形5.2.4 塑性变形对材料组织与性能的影响5.3 回复和再结晶5.3.1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化5.3.2 回复5.3.3 再结晶5.3.4 晶粒长大5.3.5 再结晶退火后的组织.5.4 热变形与动态回复、再结晶5.4.1 动态回复与动态再结晶5.4.2 热加工对组织性能的影响5.4.3 蠕变5.4.4 超塑性5.5 陶瓷材料变形的特点5.6 高聚物的变形特点第6章单组元相图及纯晶体的凝固6.1 单元系相变的热力学及相平衡6.1.1 相平衡条件和相律6.1.2 单元系相图6.2 纯晶体的凝固6.2.1 液态结构6.2.2 晶体凝固的热力学条件6.2.3 形核6.2.4 晶体长大6.2.5 结晶动力学及凝固组织6.2.6 凝固理论的应用举例6.3 气-固相变与薄膜生长6.3.1 蒸气压6.3.2 蒸发和凝聚的热力学条件6.3.3 气体分子的平均自由程6.3.4 形核6.3.5 薄膜的生长方式6.3.6 应用举例(巨磁电阻多层膜和颗粒膜) 6.4 高分子的结晶特征第7章二元系相图和合金的凝固与制备原理7.1 相图的表示和测定方法7.2 相图热力学的基本要点7.2.1 固溶体的自由能-成分曲线7.2.2 多相平衡的公切线原理7.2.3 混合物的自由能和杠杆法则7.2.4 从自由能-成分曲线推测相图7.2.5 二元相图的几何规律7.3 二元相图分析7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固7.3.2 共晶相图及其合金凝固7.3.3 包晶相图及其合金凝固7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解7.3.5 其他类型的二元相图7.3.6 复杂二元相图的分析方法7.3.7 根据相图推测合金的性能7.3.8 二元相图实例分析7.4 二元合金的凝固理论7.4.1 固溶体的凝固理论7.4.2 共晶凝固理论7.4.3 合金铸锭(件)的组织与缺陷7.4.4 合金的铸造和二次加工7.5 高分子合金概述7.5.1 高分子合金的相容性7.5.2 高分子体系的相图及测定方法7.5.3 高分子合金的制备方法7.5.4 高分子合金的形态结构7.5.5 高分子合金性能与组元的一般关系7.5.6 高分子及其合金的主要类型7.6 陶瓷合金概述7.6.1 陶瓷粉体的合成7.6.2 陶瓷粉体的成型和烧结7.6.3 玻璃的制备7.6.4 陶瓷材料的性能第8章三元相图8.1 三元相图的基础8.1.1 三元相图成分表示方法8.1.2 三元相图的空间模型8.1.3 三元相图的截面图和投影图8.1.4 三元相图中的杠杆定律及重心定律8.2 固态互不溶解的三元共晶相图8.3 固态有限互溶的三元共晶相图8.4 两个共晶型二元系和一个匀晶型二元系构成的三元相图8.5 包共晶型三元系相图8.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图8.7 形成稳定化合物的三元系相图8.8 三元相图举例8.9 三元相图小结第9章材料的亚稳态9.1 纳米晶材料9.1.1 纳米晶材料的结构9.1.2 纳米晶材料的性能9.1.3 纳米晶材料的形成9.1.4 纳米碳管简介9.2 准晶态9.2.1 准晶的结构9.2.2 准晶的形成9.2.3 准晶的性能……第10章材料的功能特性中英对照的关键词参考文献。
材料科学基础课件上海交大材料科学基础课件上海交大篇一：上海交大材料科学基础课件教学大纲课程名称：材料科学基础/Fundamentals of Materials Science课堂学时：90实验学时：36适用专业：材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业一、课程的性质、地位、任务《材料科学基础》是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。
通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。
二、课程的教学内容和基本要求绪论（1学时）了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意义和要求。
第一章原子结构和键合（4学时）了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。
1 原子结构(一)、原子结构； (二)、原子间的键合； (三)、高分子链。
2 原子间的键合(一)、金属键 (二)、离子键(三)、共价键(四)、范德华力(五)、氢键3 高分子链(一)、结构单元的化学组成1．碳链高分子 2．杂链分子 3．元素有机高分子 4．无机高分子(二)、高分子链结构单元的键合方式1．均聚物结构单元顺序2．共聚物的序列结构(三)、高分子链的几何形状(四)、高分子链的构型第二章固体结构(8学时)固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。
晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。
材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。
1 晶体学基础(一)、晶体的空间点阵1．空间点阵概念2．晶胞3．晶系与布拉菲点阵4．晶体结构与空间点阵的关系(二)、晶向指数和晶面指数1．阵点坐标2．晶向指数3．晶面指数4．六方晶系指数5．晶带 6．晶面间距2 金属的晶体结构(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征3 金属的相结构(一)、固溶体1．置换固溶体 2．间隙固溶体 3．有序固溶体 4．固溶体的性质(二)、中间相1．正常价化合物 2．电子化合物3．原子尺寸因素化合物(ⅰ)间隙相和间隙化合物(ⅱ)拓扑密堆相 4 离子晶体结构(一)、NaCl型结构 (二)、萤石型结构 (三)、CsCl型结构 (四)、a-Al2O3型结构5 共价晶体结构(一)、金刚石结构 (二)、SiO2结构(三)、VA、VIA族亚金属结构6 聚合物晶态结构(一)、晶胞结构(二)、晶态结构模型 (三)、聚合物结晶形态7 非晶态结构第三章晶体缺陷(12学时)实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。
1.固相烧结：固态粉末在适当的温度，压力，气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。
液相烧结：有液相参加的烧结过程。
2.金属键:自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。
3.离子键：金属原子自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样正负离子靠它们之间的静电引力结合在一起。
共价键：由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。
氢键：由氢原子同时与两个电负性相差很大而原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力。
弗兰克缺陷：间隙空位对缺陷肖脱基缺陷：正负离子空位对的奥氏体：γ铁内固溶有碳和(或)其他元素的、晶体结构为面心立方的固溶体。
布拉菲点阵:除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。
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。
玻璃化转变温度：过冷液体随着温度的继续下降，过冷液体的黏度迅速增大，原子间的相互运动变得更加困难，所以当温度降至某一临界温度以下时，即固化成玻璃。
这个临界温度称为玻璃化温度Tg。
表面能:表面原子处于不均匀的力场之中，所以其能量大大升高，高出的能量称为表面自由能（或表面能）。
半共格相界：若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。
柏氏矢量:描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方向，也使位错扫过后晶体相对滑动的量。
柏氏矢量物理意义：①从位错的存在使得晶体中局部区域产生点阵畸变来说：一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量。
②从位错运动引起晶体宏观变形来说：表示该位错运动后能够在晶体中引起的相对位移。
部分位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错包晶转变：在二元相图中，包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。
