材料科学基础(讲稿1-4章)

K：…3p64s1
20
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
21
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
22
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． 二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合 键．包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱． 一、一次键 1、离子键 通过正负离子间相互吸引力 使原子结合的结合键．
18
二、元素周期表及性能的周期性变化
19
1、周期对应于电子主壳层 2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相 似的化学性质 3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金 属性 4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和 ⅡA族的内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如 ⅠA族和ⅡA族活泼 例如： Cu ： …3p63d104s1
离子键、共价键最强，金属键次之，氢键再次之， 范德瓦尔斯键最弱。
36
2、原子间的互作用力及结合能
（1）双原子模型
固体原子间总存在着 两种力： 吸引力、排斥力 引力与斥力相等时， r0称原子间距。

E Fdx
0



平衡距离下的作用能定义为 原子的结合能Ｅ0 结合能越大，原子结合越稳 定。
55
第一节
一、空间点阵和晶胞
晶体学基础
晶体 → 点阵 → 晶格 →晶胞
1、空间点阵 人为地将晶体结构抽象为空间点阵。指由几 何点在三维空间作周期性的规则排列所形 成的三维阵列。 2、阵点（结点） 构成空间点阵的每一个点。
材料科学基础
刘宏玉 2015年3月
导论





材料科学的重要地位 工程材料的分类及性能特点 材料性能与内部结构的关系 材料制备和加工工艺对性能的影响 本课程的任务 课程的主要内容 教学和考核方式
2
一、材料科学的重要地位
人类使用材料的7个时代的开始时间： 公元前10万年→石器时代 公元前3000年→青铜器时代 公元前1000年→铁器时代 公元0年→水泥时代 1800年→钢时代 1950年→硅时代 1990年→新材料时代：以人造为特征；为特定的需

AB化合物中离子键的比例取决于组成元素的电负性 差，差越大，离子键比例越高：
离子键结合（％）＝[ 1-e
1 - ( X A X B )2 4
] 100%
XA, XB –A,B 的电负性数值。（表1-2，P17）
32
例题: 计算化合物 (1)MgO、(2)GaAs中离子键 结合的比例． 解：(1) MgO 查电负性表得 X Mg = 1.31, X O = 3.44 代入公式得, 离子键结合比例＝68% (2) GaAs 查电负性表得, X Ga = 1.81, X As = 2.18 代入公式得, 离子键结合比例＝4%

47
4、单相与多相组织 （1）单相组织 所有晶粒的化学组成相 同，晶体结构也相同。 描述单相组织特征的主要用晶粒尺寸及形状。 （2）多相组织


两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成 分和晶体结构。 两相例子：
48
第五节 材料的稳态与亚稳态结构
稳态结构（平衡态结构） 能量最低的结构。 亚稳态结构 能量相对较高的结构。
10
五、本课程的任务 （什么是材料科学？） 是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性 能之间关系的科学。 材料科学与工程四要素
11
六、课程的主要内容
材料结构的基本知识 材料中的晶体结构 晶体缺陷 材料的相结构及相图 材料的凝固 高分子材料的结构 固态扩散 材料的变形与断裂 固体材料的电子结构与物理性能


金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热， 固态溶解
28
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 极矩相互吸引而结合的结合键。 如石蜡、塑料…

29
2、氢键
含氢的分子具有极性，与另一个具有较强 电负性的原子通过氢离子而结合的结合键。 如冰… X-H-Y X-H: 离子键 H-Y：氢键
37
（2）原子结合能的实验测定及理论计算 实验测定原理 测定固体的蒸发热 理论计算(自学P24例题)
五、结合键与性能
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料 的最低． 2) 密度：金属键的最高，共价键、离子键的较 低，高分子材料的最低． 3) 导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。

2d sin n
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）
44
第四节 晶体材料的组织
1、结晶过程及多晶组织
45
2、材料的组织 各种晶粒的组合特征。即各种晶粒的相对 量、尺寸大小、形状及分布等特征。

组织是影响材料性能的极为敏感而重要的 结构因素。
46
3、组织的显示与观察 宏观组织：肉眼能观察 显微组织：用金相显微镜或电子显微镜才 能看到。 磨光→抛光→浸蚀→显微镜下观察：
(1) 具有方向性和结构稳定性．金刚石109.5°
(2) 8-N 定律 — 一个原子周围的共用电子对 的数目，其中，Ｎ为原子的价电子数


Ⅳ A族，4个共用电子对，空间网络状结构 Ⅴ A族，3个共用电子对，空间层状结构 Ⅵ A族，2个共用电子对，空间链状结构
27
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．
②最低能量原理：电子总是优先占据能量 低的轨道，使系统处于最低的能量状态。 （3）能级的重叠 相邻主壳层的能量范围 有重叠
17
例题 ：写出原子序数为11的钠原子及原子序数 为20的钙原子的电子分布 解： Na: 1s22s22p63s1 Ca: 1s22s22p63s23p64s2 3、原子的活泼程度 主要取决于外壳层（S层和P层）填满与否 例如： He：1s2 Ne：…2s22p6 Ar：…3s23p6 Kr：…4s23d104p6 Xe：…5s24d105p6 Rn：…6s24f145d106p6 Na：…3s1

30
三、混合键
大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混 合。 1、一次键混合 （1）共价键与金属键混合 如Ⅳ A族中， C Si Ge Sn Pb 共价键 共价键＋金属键 金属键
再如，过渡族元素，有时会出现少量共价键
31
（2） 金属键与离子键混合 如金属间化合物中 （3）共价键与离子键混合 如陶瓷化合物中
38
2、对力学性能的影响 （1） 强度：结合键强，则强度也高，但还受 组织的影响． （2） 塑韧性：金属键最好，共价键、离子键 最低. （3） 弹性模量：共价键、离子键最高，金属 键次之，二次键最低
39
第三节 原子排列方式
晶体与非晶体 原子排列的研究方法 一、晶体与非晶体 1、晶体 原子(原子团或分子)在空间有规则的周期性 重复排列的固体。 一般情况下，金属、大多数陶瓷、少数 高分子材料为晶体。

40

非晶体： 排列无序，不存在长程的周期规则排列。
二氧化硅结构示意图 a)晶体 b)非晶体
41
2、结晶过程
晶核形成
晶核长大
42
3、晶体与非晶体性能的主要差别
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
43
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：
52
第二章 材料中的晶体结构
晶体可分为： ①金属晶体 ②离子晶体 ③共价晶体 ④分子晶体 晶体结构 晶体中原子（离子或分子）在三维空间的 具体排列方式。

53
主要内容:


晶体学基础 纯金属的晶体结构 离子晶体的结构 共价晶体的结构
54
Hale Waihona Puke 第一节 晶体学基础


空间点阵和晶胞 晶系和布拉菲点阵 晶向指数和晶面指数 晶面间距 晶带及晶带定理
33
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
34
2、一次键与二次键混合 例如： 石墨: 片层中为共价键,片层间 为范德瓦尔斯键 高分子:分子链中为共价键,链 与链之间为二次键
35
四、结合键的本质及原子间距
1、结合键的本质 — 结合键的强弱反映了原 子或分子间结合时互作用能降低的程度．
23
例如：NaCl, MgO 对于 NaCl： Na：1S22S22P63S1 Cl： 1S22S22P63S23P5 Na 原子失去一个外层电子，变成正离子，带 正电 Cl 原子得到一个外层电子，变成负离子，带 负电

24
25
2、共价键

通过共用电子对使原子结合的结合键．例 如，金刚石…
26
5
2、陶瓷材料
传统陶瓷：由粘土、石英、长石等成分组成，用 于建筑材料。 新型结构陶瓷：Al2O3、SiC、Si3N4等成分。 优点: ①重量轻； ②压缩强度高； ③熔点高； ④耐磨性好； ⑤化学稳定； ⑥电、热绝缘。 但脆、不易成形

6
3、高分子材料 又称聚合物。低密度，高弹性，绝缘性，低导热， 低强度，低弹性模量，易老化。 按用途分： 塑料 合成纤维 橡胶 4、复合材料 高比强度，高比模量，抗疲劳。 塑料基 金属基 陶瓷基
要设计和加工而成。
3
二、工程材料的分类及性能特点 按使用性能分： 结构材料：主要用其力学性能。 功能材料：主要用其物理性能。 按属性分： 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 （复合材料）