材料科学与工程基础1详解
材料科学与工程基础
聚合物
具有良好的绝缘性、可塑性和可加工性，广泛 应用于塑料、橡胶等领域。
陶瓷材料
具有高硬度和抗腐蚀性能，适用于高温、化学 腐蚀环境下的应用。
复合料
通过不同材料的组合获得更优异的性能，被广 泛应用于航空、汽车等高科技领域。
材料制备的基本原理
1
结构的改变
材料科学的挑战与发展
1 新材料的研发
开发新的功能材料，如高强度、高导电性、 低成本等。
2 环境友好材料
研究环境友好型材料，减少环境污染和资源 浪费。
3 材料制备技术
改进材料制备技术，提高材料性能和加工效 率。
4 先进材料应用
推动材料在新兴领域的应用，如能源、生物 医学、可穿戴设备等。
结论和总结
材料科学与工程基础是现代工程科学的基石，对于各个领域的创新和发展至关重要。通过了解材料的分类、性 质、制备原理以及性能与结构之间的关系，我们能够更好地应用材料，满足不同领域对材料性能的要求。
材料科学与工程基础
材料科学与工程基础介绍了材料科学的基本概念、分类、制备原理、性能与 结构之间的关系，以及在工程中的应用和发展前景。
什么是材料科学与工程基础
材料科学与工程基础研究材料的结构、性能、制备和应用。它是研究材料与 其他学科交叉的核心学科，为各行各业的技术发展提供支撑。
材料的分类和性质
金属材料
组分与含量
材料的元素组成和含量直接影响 其性能和用途。
微观结构
材料的微观结构与其宏观性能密 切相关，如断裂行为、导电性能 和热膨胀系数。
材料在工程中的应用
• 金属材料用于建筑、汽车、飞机等制造。 • 陶瓷材料用于电子器件、医疗器械等领域。 • 聚合物材料用于塑料制品、纤维材料等应用。 • 复合材料用于航空航天、体育器材等高性能领域。
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材料科学与工程基础第一章1、金属键的定义金属键：由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。
2、离子晶体中组成粒子的结合它们的结合是依靠离子键的作用，即依靠正、负离子间的库伦作用。
3、实际材料中的键型组合金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键4、共价键晶体中价键的形成(以硅晶体为例，计算键数比例) 共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对形成的化学键（请教老师下）第二章1、置换固溶体当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就是置换固溶体。
2、合金相的分类固溶体（置换固溶体、间隙固溶体）、中间相（正常价化合物、电子价化合物、与原子尺寸因素有关的化合物、超结构）3、体心立方和面心立方晶体中的间隙4、晶面指数与面间距的关系晶面指数低的晶面其面间距较大，晶面指数高的晶面其面间距小。
5、硅酸盐的基本结构单元硅和氧按不同比例组成的各种负离子团6、常见的硅酸盐结构孤岛状、组群状、链状、层状、架状。
第三章1、位错运动的基本方式滑移、攀移。
2、混合位错的分解混合位错可以分为刃型位错、螺型位错。
（怎么分）3、层错能与层错出现几率的关系层错能越高，出现层错的几率越小。
4、晶体生长过程中产生位错的主要来源①由于溶体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布，使晶体先后凝固部分的成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过度②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击。
（要写的如①那样吗）5、如何判断位错反应能否进行第四章1、FICK第一定律的描述对象描述了一种稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。
P1402、影响扩散系数的因素温度、压力、化学成分（组元特征、组元浓度、第三组元的影响）、材料结构（固溶体类型、晶体结构）、晶体缺陷、应力的作用、其他（电场、磁场、热场、表面张力）第五章1、弹性不完整性多晶态、或非晶态或是两者皆有的物质，其内部存在各种类型的缺陷，在弹性变形时，可能出现加载线和卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形的现象。
第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜
第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜材料的性能materials property性能决定用途。
本章对材料的力学性能、热性能、电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀性，复合材料及纳米材料的性能进行阐述。
4-1 固体材料的力学性能Mechanical Properties of Solid Materials结构件：力学性能为主非结构件：力学性能为辅，但必不可少mechanical property of materials stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity permanent deformation Strength Fracture4-1-1 材料的力学状态mechanical states of matrials 1.金属的力学状态A 晶态结构，B 较高的弹性模量和强度，C 受力开始为弹性形变，接着一段塑性形变，然后断裂，总变形能很大， D 具有较高的熔点。
某些金属合金 A 呈非晶态合金， B 具有很高的硬度和强度，C 延伸率很低而并不脆。
D 温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低，发生晶化而失去非晶态结构。
2. 无机非金属的力学状态A 玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。
B 气相(气孔)的存在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低。
C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。
D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断裂，总弹性应变能很小。
陶瓷材料的力学特征高模量高强度高硬度低延伸率3. 聚合物的力学状态(1) 非晶态聚合物的三种力学状态①玻璃态②高弹态③粘流态(2) 结晶聚合物的力学状态A 结晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。
B 在T g 以上模量下降不大Tm、TfC 在T m 以上模量迅速下降D 聚合物分子量很大，T mT f ,则在T m 与T f 之间将出现高弹态。
E 分子量较低，T m T f , 则熔融之后即转变成粘流态，玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度是橡胶使用的下限温度熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度4-1-2 应力和应变stress-strain If a load is static or changes relatively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress-strain test. These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.4-1-2 应力和应变(stress and strain)应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等。
第一章材料科学与工程基础绪论
1. 金属材料 metals
(1) 黑色金属材料
•
化学成分——碳素钢、合金钢
•
品质——普通、优质、高级优质钢
• 钢 --- 金相组织或组织结构——珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体
• Stell 用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢
•
冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢
•
•
灰铸铁
•
可锻铸铁
化学变化。 • 材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的
转变过程不发生化学变化。
• 3. 材料与物质(Materials and Matter) • 材料可由一种或多种物质组成。 • 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途
各异、类型不同的材料。
• 1-1-2类别 classfication
(3) 基本特性 Principal Properties
a. 金属键，常规法生产的为晶体结构； b. 常温下固体熔点较高； c. 金属光泽； d. 纯金属范性大、展性、延性大； e. 强度较高； f. 导热、导电性好； g. 空气中移氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性
抗氧化性。
(4) 用途 Application
(3) 用途
• 建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。
• 工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）
绝缘瓷瓶。
•
功能陶瓷：磁性、导电。
3. 高分子材料 polymers, Marcomolecules
(1) 分类 碳链 –C–C–C
• 按主链结构 杂链 –C–N–C=O –C–O–C– backebone 元素 Si 、P、B
•
塑料 Plastics 通用塑料、工程塑料；
材料科学与工程知识点大一
材料科学与工程知识点大一材料科学与工程是一门综合性的学科，涉及到材料的结构、性能、制备和应用等方面的知识。
作为大一学生，了解材料科学与工程的一些基础知识是非常重要的。
本文将介绍一些大一学习材料科学与工程时需要了解的知识点。
1. 材料的分类材料可以根据其成分和性质的不同进行分类。
常见的材料有金属、陶瓷、聚合物和复合材料等。
金属具有良好的导电性和导热性，常见的金属有铁、铜和铝等。
陶瓷具有优异的耐热性和耐腐蚀性，如瓷器和玻璃等。
聚合物是由大量重复单元组成的高分子材料，如塑料和橡胶等。
复合材料则是由两种或两种以上的不同材料组合而成，形成新的材料性能。
2. 材料的结构与性能材料的性能与其内部结构密切相关。
晶体结构是材料内部原子或离子的排列方式，晶体结构的不同会影响材料的力学性能和导电性能等。
晶体结构可以通过X射线衍射等方法进行表征。
此外，非晶态结构和多晶结构也是常见的材料结构形式。
3. 材料的制备方法材料的制备方法多种多样，不同的制备方法可以得到不同性质的材料。
常见的制备方法有熔融法、溶液法、气相法和固相法等。
熔融法是将材料加热至其熔点，然后使其冷却凝固得到固体材料。
溶液法是将材料溶解在溶剂中，然后通过溶剂的挥发或沉淀得到所需的材料。
气相法是通过化学反应将气体或蒸汽转变成固体材料。
固相法是在固体材料之间进行反应，生成新的固体材料。
4. 材料性能的测试与评价材料的性能测试对于研究材料的力学性能、导电性能、导热性能等具有重要意义。
常见的测试方法包括拉伸试验、硬度测试、电阻测试和热传导测试等。
材料性能的评价是根据实验结果对材料的性能进行综合评估，判断其是否符合使用要求。
5. 材料的应用领域材料科学与工程在各个领域都有着广泛的应用。
在航空航天领域，需要研究和使用高温合金、复合材料等材料以满足极端环境下的工作条件。
在能源领域，需要研究和开发高效电池材料、光伏材料等以满足能源需求。
在医疗领域，需要研究和应用生物材料以制造人工关节、人工血管等。
本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲 (1)
四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。
本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。
使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。
为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。
本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。
使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。
三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。
使学生了解本课程的学习内容和学习方法。
讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。
材料科学与工程基础_第一章 材料结构.
金 属 键 范 德 华 键 氢 键
Fe W Ar Cl2
406 849 7.7 3.1
68 324
-39 660
NH3 H2 O
35 51
-78 0
① 这些固体不是直接分解成其组成的单原子气体，所以数据不是准确的蒸发热。
第一章 材料结构
二、原子间主键
• 在凝聚态下，原子间距离十分接近便产生了原子间的作用力，使原子 结合在一起，或者说形成了键。材料的许多性能在很大程度上取决于 原子结合键。根据结合力的强弱可把结合键分成两大类： 原子间主 键（或一 次键） 次键（或 二次键）
表1-2给出了电负性数据的周期变化，电负性是用来衡量原子吸引电 子能力的参数。电负性越强，吸引电子能力越强，数值越大。在同一 周期内，自左至右电负性逐渐增大，在同一族内自上至下电负性数据 逐渐减小。这一规律将有助于理解材料的原子结合及晶体结构类型的 变化。
第一章 材料结构 表1-2 元素的电负性（鲍林） H 2.10 Li Be 0.98 1.57 Na Mg 0.93 1.31 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn B C N O F 2.04 2.55 3.04 3.44 3.98 Al Si P S Cl 1.61 1.90 2.19 2.58 3.16 Ga Ge As Se Br
电子 -
E1
原子核
E2 E3
能级
第一章 材料结构
这一轨道是由四个量子数所确定，它们分别为主量子 数、次量子数、磁量子数以及自旋量子数。 主量子数是四个量子数中最重要的，n(＝1、2、3、 4...)，它是确定电子离核远近和能级高低的主要参数。在紧 邻原子核的第一壳层上，电子的主量子数n＝1，而n ＝ 2、 3、4分别代表电子处于第二、三、四壳层。随n的增加，电 子的能量依次增加。在同一壳层上的电子，又可依据次量子 数l分成若干个能量水平不同的亚壳层。
材料科学与工程基础
材料科学与工程基础第1章、导言学习重点：仔细学过这一章后，你应当掌握以下内容：1．列出材料应用所涉及到的6种不同性质。
2．描述材料在设计、生产和应用中涉及的四要素，叙述它们之间的关系。
3．描述材料选择过程的三条重要标准。
4．（a）列出固体材料的三种主要分类，描述这三种材料各自的化学特征。
（b）记住另外三种形式的材料，以及每种的特征。
1.1 历史的回顾与展望超乎一般人的认识，材料可能是对人类文明影响最根深蒂固的一类物质。
交通运输，住房，穿衣，通讯，娱乐和食品生产，实质上、我们日常生活中的每一部分都在一定程度会受到这种或那种材料的影响。
历史上，社会的进步和发展都与人类生产和掌握某种材料满足自己的需要密切相关。
事实上，早先的文明曾按照人类开发某种材料的能力来划分时代（例如石器时代，青铜器时代等等）。
最早的人类所遇到的材料极为有限，通常是天然的土生土长的一些东西，如石头，木材，粘土，兽皮等等。
随着时代的发展，人类发现了生产材料的技术，这些人造的材料性能上优于天然材料，这类新材料包括陶瓷和各种金属。
后来人们发现通过热处理和加入其它物质可以改变这些材料的性能。
从某种意义上说，材料的应用总是伴随着一种筛选过程，也就是说，从有限的材料中筛选出其特性最适用于特定场合使用的材料。
直到近代，科学家们开始知道材料的结构组成与其性质之间的关系。
在过去60年里，人们所获得的各种知识从很大程度上已经改变了对许多材料的认识。
迄今为止，已有成千上万种具有不同特性的材料被开发出来以满足我们这个现代和复杂社会的需要，这些材料包括金属、塑料、玻璃和纤维。
技术的进步使人类的生活变得越来越舒适，而这一切又与我们所使用的材料密切相关。
人类对某一类材料认识程度的进步往往是这个时代技术革命的前奏。
例如，如果没有廉价的钢铁和其他相应材料，就不会有当今的汽车工业。
复杂电子设备的基本单元是由半导体材料构成的。
因此，我们目前的电子信息时代，它的材料基础是半导体材料。
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2. 原子核结构 3. 原子核外电子
2.3 原子之间相互作用和结合
1.基本键合(化学键合) a. 离子键合 b. 共价键合 c. 金属键合 d. 混合键合 2.派生键合(物理键合)
１.结合键主要是离子键、共价键以及它们的混合键； ２.硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感； ３.熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能； ４.自由电子数目少、导热性和导电性较小； ５.耐化学腐蚀性好； ６.耐磨损； ７.成型方式为粉末制坯、烧结成型。
高分子材料 基本特性： １.结合键主要为共价键，有部分范德瓦尔斯键； ２.分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、
f (E)
1
EEF
e kBT 1
式中f(E)称为费米分布函数，EF即是费米能量或 化学势
分布函数f具有下列性质： 当T=0K, 若E<EF，f（E）=1；
而E>EF，f（E）=0； 当T >0K，若E=EF，f（E）=1/2；
而E>EF，f（E） > 0； 若E<EF，f（E） < 1
可见，当T > 0K时，在EF附近的少量电子（比EF小kBT）因 吸收热能而跃迁到能量较高的状态。在室温下kBT ≈0.025ev, 而EF有几个电子伏特，即kBT ≈10-2 EF，因此只有少量和EF接 近的电子能跃迁。
粘流温度。并有热塑性和热固性两类； ３.力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态、强度较高； ４.重量轻； ５.良好的绝缘性； ６.优越的化学稳定性； ７.成型方法较多。
复合材料 由二种或二种以上组分组成，并具有与其组成不 同的新的性能的材料称为复合材料。 基本特点：
１.比强度和比模量高； ２.良好的抗疲劳性能； ３.耐烧蚀性和耐高温性好； ４.结构件减振性能好； ５.具有良好的减摩、耐磨和自润滑性能。
1）各原子的内层电子状态基本上不受其它原子的影响； 2） 形成共价键和金属键时，外层电子的能级分裂成多个
（分子）或大量的（晶体） 相距甚近（即能量差甚小）的 新能级，形成一个近乎连续的能带； 3）外层（键合）电子的能量、角动量等力学量仍然只能取一 些分立值，用分子量子数表示
1、杂化轨道和分子轨道理论
对于自由电子来说，在 K空间中，等能面是球面。 而E=EF的等能面，称为费 米面，它是，其半径
kF 2mEF /
由两个原子轨道有效组合成分子轨道时，必须满足能量相近、 轨道最大重叠、对称性匹配这三个条件
2、费米能级 在绝对零度时，电子对能态的填充是从最低能级
一直填充到称为费米能级EF的最大能级的。由此， 费米能级表示的是金属在绝对零度时的最高填充能 级。在热平衡时，电子气体中电子处在能量为E的 状态的几率可用费米能级进行描述。
值小于0.414
配位数与最小半径比
配位数 3重 4重 6重
8重 12 重
半径比 r/R 0.155 0.225 0.414
0.732 1.0
2-4 多原子体系中电子的相互作用与稳定性
分析由大量原子组成的晶体的基本出发点是薛定谔方程和泡利 不相容原理，即由薛定谔方程解出表征电子状态的波函数。 在分析多原子系统时须作一些简化（或近似）的处理，得如 下结果：
▪
料等
价键四面体
金属材料
基本特性： １、结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构； ２、金属在常温下一般为固体、熔点较高； ３、具有金属光泽； 4、纯金属范性大，展性、延性也大； ５、强度较高； ６、自由电子的存在，金属的导热和导电性好； ７、多数金属在空气中易被氧化
无机非金属材料
包括：陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料 生产过程：过原料处理——成型——锻烧三阶段 陶瓷基本特性：
材料科学与工程 第一章 绪论
1-1 材料的定义、分类及基本性质
▪ 定义: 满足指定工作条件下使用要求的物质
▪ 分类 按结合键分: 金属材料、高分子材料、无机非
▪
金属以及半导体材料
▪ 按材料特性分: 金属材料、无机非金属料材料和
▪
有机高分子材料、复合材料
▪ 按材料作用分: 结构材料、功能材料
▪ 按使用领域分: 建筑材料、电子材料、医用材
杂化轨道：原子在化合成分子的过程中，原有（能量相近） 的原子轨道线性地组合成新的原子轨道，称为杂化轨道，但 轨道数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改变。 原子轨道经杂化后，可使成键的相对强度加大。
分子轨道：分子中每个电子是在各个原子核和其余电子组成的 势能中运动，它的运动状态可用分子轨道描述（波函数）。 分子轨道可近似地用能量相近的原子轨道组合得到。轨道数 不变，能量Biblioteka 变。1-2 材料科学与工程概述
１、材料科学的由来
２、材料科学与工程的性质与范围 性质与范围： 是关于材料组成、结构、制备工 艺与其性能及使用过程间相互关系的科学
３、材料科学在工程中的应用
第二章 物质结构基础
2.1、物质的组成、状态及材料结构
1、物质的组成和状态 ２、材料结构的涵义
静止锭型浇铸（a） 某种纯金属铸锭组织（b）
电子在其原子或分子中的分布受到外界条件的影 响产生分布不均匀而引起原子或分子的极性结合 a. 分子间力 b .氢键结合 3. 各种键型的比较 4. 原子间距和空间排列
两个相邻原子中心的平衡距离可以认为是两个原子的半径和 影响原子间距(或离子半径)的因素: 温度、离子价、相邻的原 子数目
离子键合的配位数。 （a）在每个镁离子（Mg2+）周围最多有6个氧离子（O2）。 （b）位于O2-间的Si4+的配位数只有4，因为其离子大小比
2.2 物质的原子结构
1、量子力学的几个基本概念
a. 微观粒子的波粒两象性 Ε=hυ=(h/2π)ω p = hυ/c = h/λ= (h/2π)k
b 海森堡测不准原理 ΔxΔp≈ h/2π ΔEΔt≈ h/2π
c. 薛定谔方程 在量子力学中微观粒子具有波动性，并且是一
种统计意义下的几率波。它是位置和时间的函数， 写为（x,y,z,t）或（r,t），称为波函数。几率波 的强度应与 [（r,t )]2 成正比.