材料科学基础笔记.docx

第一章 原子结构与键合概述：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第一节 原子结构1.物质的组成物质是由无数微粒按一定方式聚集而成的， 这些微粒可能是原子、分子或离子； 分子是能单独存在且保持物质化学特性的一种微粒； 原子是化学变化中的最小微粒2.原子的结构 质子 m=1.67×10-24 g原子核（ 10-15m）原子（ 10-10m） 中子核外电子 m=9.11×10-28ge=1.6022×10-19 C3.原子的电子结构电子的状态和在某处出现的机率可用薛定谔方程的解 /波函数来描述，即原子中每个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：a 主量子数（ n）：决定原子中电子的能量及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层如 K、L、M ；b 轨道角动量量子数（ l ）：表示电子在同一壳层内所处的能级，与电子运动的角动量有关如 s、p、d、f ；c 磁量子数（ m）：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数，为 2l+1,决定电子云的空间取向；d 自旋角动量量子数（ s）：反映电子不同的自旋方向， 其值可取 ±1 2核外电子的排布规则 ：a 能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；b Pauling 不相容原理：在一个原子中， 不可能有上述运动状态完全相同的两个电子；c Hund 规则：在同一个亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同；4.元素周期表元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称； 元素的外层电子结构随着原子序数的递增而呈周期性的变化规律称为 元素周期律 ；元素周期表是元素周期律的表现形式； 元素的性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间有着密切的关系。

金属键第二节 原子间的键合离子键化学键（主价键）共价键结合键 氢键1.金属键物理键（次价键）范德瓦尔斯力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金属键特定：电子共有化、既无饱和性又无方向性由于金属键既无饱和性又无方向性， 因而每个原子有可能同更多的原子相结合， 并趋于形成低能量的密堆结构当金属受力变形而改变原子间的相互位置时，不至于破坏金属键，这就使金属具有良好的延展性，并且由于自由电子的存在，金属一般具有良好的导电和导热性能2.离子键离子键即，正负离子间的相互作用特定：以离子为结合单元、无饱和性和方向性一般离子晶体中正负离子静电引力较强， 结合牢固， 因此，其熔点和硬度均较高 另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体但在熔融状态下，正负离子在外电场作用下可以自由运动，此时呈现离子导电性3.共价键原子间通过共用电子对而形成的化学键即为共价键 可分为极性键和非极性键特点：有方向性和饱和性共价晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数较小，共价键的结合力极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点由于束缚在相邻原子间的 “共用电子对 ”不能自由运动，共价结合的材料一般是绝缘体，导电能力较差。

4. 范德瓦尔斯力静电力：固有偶极间的相互作用， F ∝17T * r分子间力诱导力：固有偶极与诱导偶极间的作用F∝ 17r色散力：诱导偶极间的相互作用 F∝ 17r特点：次价键、无方向性、无饱和性5.氢键属于极性分子键，存在于 HF、H2O、NH 3 等分子间，有饱和性和方向性化合物 AB 中离子键所占的比例 IC 近似计算公式 IC [1 e 0.25( x A xB)2] 100%式中 xA 、xB 分别为 A、B 元素的电负性第三节 高分子链 ☆构造近程结构（一次结构 /化学结构）构型链结构远程结构（二次结构）高分子结构聚集态结构（三次结构）“构造 ”：研究分子链中原子的类型和排列，高分子链的化学结构分类，结构单元的键接顺序，链结构的成分，高分子的支化、交联与端基等内容；“构型 ”：取代基围绕特定原子在空间的排列规律；“远程结构 ”：单个高分子的大小与形态， 链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象；“聚集态结构 ”：高分子材料整体的内部结构包括晶态、非晶态、取向态、液晶态及织态，前四种描述高分子聚集体中分子间是如何堆砌的称三次结构，织态指不同分子间或高分子与添加剂分子间的排列或堆砌结构， 又称高次结构。

1.近程结构构造：结构单元的化学组成：碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、无机高分子分子链的几何形态：线型、支化型、交联型、三维网状结构结构单元的键接方式：均聚物：头 -头键接、头 -尾键接、尾 -尾键接共聚物：无规共聚、交替共聚、嵌段共聚、接枝共聚构型：旋光异构：全同立构、间同立构、无规立构几何异构：全顺式、全反式、顺反兼有式2.远程结构高分子的大小：多分散性单个高分子的构象：伸直链、折叠链、螺旋链、无规线团链的柔顺性： l pl exp( RT)：各种构象间的势垒均方末端距的计算（表示高分子链的蜷曲程度）自由结合链：无键角限制，无内旋转势垒hf , j n l n:键数 l:键长自由旋转链：受键角 θ的限制hf , rn1coslln cot1cos2等效自由结合链：（高斯链）h0 ne l ene:链段数l e:链段长度第二章 固体结构概述：物质聚集状态通常分为气态、液态、固态固态物质按其原子排列特征又分为晶态和非晶态，前者中原子在空间呈有规律的周期性重复排列，而后者中原子呈无规则排列；材料的性能与材料中各元素的原子结构和键合、原子的排列和运动规律及原子集合体的形貌特征等密切相关，因此，研究固态物质内部结构，即原子排列和分布规律是了解和掌握材料性能的基础，只有这样我们才能从物质内部找到改善和发展新材料的途径。

第一节 晶体学基础1.空间点阵与晶胞空间点阵 ：将理想晶体中的质点抽象为几何点， 这些几何点在空间周期性排列所组成的阵列；晶胞：由空间点阵中选取的基本单元即为晶胞， 但必须服从一定的选取规则；晶胞选取规则 ：1.选取的平行六面体应能反映出点阵的最高对称性；2.平行六面体中棱和角相等的数目应最多； 3.当棱边夹角存在直角时，直角数目应最多； 4.在满足上述条件下， 平行六面体应具有最小体积晶系与布拉维点阵 :晶系晶胞参数布拉维点阵举例三斜a ≠ b ≠ c,α≠β≠γ≠90简单°三斜K 2CrO7单斜a≠b≠c,α=γ=90°≠β简单单斜，底心单斜4·2H2Oβ-S,CaSO简单正交，底心正交，正交≠ β γα °α-S,Fe3a ≠ b =c,= =90C体心正交，面心正交六方1=a2=a3≠c, α=β=9°,γ=120°简单六方Zn,Cda菱方a=b=c, α =β =γ≠ 90 ° 简单菱方As,Sb,Bi四方a=b ≠ c, α =β =γ =90 ° 简单四方，体心四方TiO2简单立方，体心立方，立方a=b=c, α =β =γ =90 °Cu,Ag,Au面心立方晶体结构与空间点阵的关系 ：☆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，由于各点阵的周围环境相同，故它只能由14 中类型；而晶体结构指晶体中实际质点（原子、分子或离子）的具体排列情况， 它们能组成各种类型的排列， 因此实际存在的晶体结构是无限的。

2.晶向指数与晶面指数 ☆晶向指数 [uvw] 晶向族 类似于向量的方向向量晶面指数 （hkl ） 晶面族｛ hkl ｝ 类似与平面的法向向量三轴定向与四轴定向之间的转换 ：[UVW] [uvtw]U=u-t V=v-t W=wu=(2U-V)/3 v=(2V-U)/3 t=-u+v w=W晶带：所有平行或相交于某一晶向的晶面构成一个晶带晶带定律 ：hu+kv+lw=0晶面间距计算公式 ：对于简单晶胞如下：正交晶系： dhkl1222( h)( k )( l )abc立方晶系： dhkla2k22hl六方晶系： dhkl122k24(h( lhk)3ac2)对于复杂晶胞：需考虑附加原子面体心立方： h+k+l= 奇数；面心立方： h、k、l 不全为奇数或不全为偶数；密排六方： h+2k 为三的整数倍， l 为奇数等情况下均有附加原子面3.晶体的对称性对称元素有 宏观和微观 之分宏观对称元素有：回转对称轴（ L n）、对称面（ m）、对称中心（ i）、回转反演轴（ Li n）微观对称元素有：滑动面（反映 +平移）、螺旋轴（旋转 +平移）点群：一个晶体中所有点对称元素的集合，共 32 个。