1、,材料科学与工程基础,Sichuan University,Fundamentals of Materials Science and Engineering,主讲教师：冉起超 四川大学高分子科学与工程学院,期中总结 2016.5.6,第一、二章总结,（共五讲，15学时）,材料？用来制造各种产品的物质具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。,材料分类？-组成金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料,材料科学与工程？1960 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知识开发及应用的科学,Performance,Properties,Synthesis and
2、Processing,Compositions and Structures,四要素,第二章共性,第三章个性,第四章,第五章,各章,材料科学与工程学科？ 1960,材料结构？：是影响材料性能的基本因素，随化学组成及外界条件改变,第二章 材料结构基础,第三章 组成与结构,四个层次：宏观组织结构： 10-4 m 肉眼可见 复合材料显微组织结构： 10-4 10-8 m 显微镜观察 相、形态原子或分子排列结构：10-10 m 排列方式原子中的电子结构： 10-13 m 状态、相互作用,材料-原子-原子核 + 电子原子的性质-电子-数量 + 状态量子化、几率分布(电子云)、四个量子数、能级、价电子原子
3、间相互作用-电子交换的方式和程度（键合方式） 距离、结合强度、空间排布方式，配位数,（一）原子中的电子结构,多原子体系中电子的相互作用-有机分子、金属、固体原子杂化轨道，分子轨道费米能级，能带,probability distribution or electron cloud.,Figure 2.3,both wavelike and particle-like characteristics.,波-粒 轨道非固定， 几率最大的分布构成电子云层。,Wave-mechanical model,电子的填充及能级,泡利不相容原理 能量最低原则 洪特规则,四个量子数，电子云， 价电子，稳定性,结合方
4、式： 基本结合：离子键、金属键、共价键派生结合：分子间作用力、氢键,原子之间的相互作用和结合,要点电子交换的方式和程度相互作用的饱和性和方向性,孤立原子（非键合）的半径范氏半径结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a，不同，半径不同,(a)金属半径：金属键结合的原子距离的一半：a，/ 2(b)离子半径：a，= r+ + R-,原子半径和离子半径,键长：金属键和离子键：无方向性，无键长，三维空间（集体效 应），体积和电荷 共价键：有方向性(和饱和性)，键长为相连原子间的距离，共价半径之和。,键能：化学键 物理键（分子键）化学键中: 共价键 离子键 金属键,有序结构晶体：原子(团)沿三维空间呈周
5、期性长程有序 (long range order)排列的固体物质（金属，大多陶瓷 及一些聚合物）。,（二）原子或分子排列结构,无序结构晶体：缺陷（点、线、面、体）和固溶体（合金）非晶体：原子(团)无周期性长程有序排列的物质（多数聚合物、 玻璃等）。,晶体结构特征：有序性和对称性,对称元素：,a对称中心（点） 反演（倒反）操作,b旋转轴旋转操作、可旋 360 / n，n（轴次）: 仅1，2，3，4，6,c镜面反映操作,d反轴旋转反演操作（旋转与反演的复合）轴次同旋转轴,e平移对称点阵(Lattice）平移操作（平移轴）,f. 螺旋轴 旋转平移操作（旋转与平移的复合）,g滑移面 平（滑）移反映操作
6、（反映与平移的复合）,晶胞、晶系和空间点阵型式晶胞(Unit Cell)：代表晶体内部结构的基本重复单位 （平行六面体）晶胞的基本要素：A大小和形状；B各原子坐标位置,晶格常数 (Lattice parameters): 晶轴上晶胞三个边的长度 a ,b ,c 和其夹角 , , ,7个晶系 (点阵常数+对称性），,14种空间点阵型式 （晶系+点阵）,晶胞定位：原点（0, 0, 0），点的位置（x, y, z）分数坐标: x，y，z 1点在晶胞内,无符号,晶向：是原点出发通过某点的射线（或过若干结点的直线方向）晶向指数：用晶胞各轴上投影的最低整 数标明 ， u v w 、u v w族,晶面：晶体
7、内的阵点（组成的）平面晶面组：晶体所有阵点被划成平行等距的一组晶面,晶面指数：晶面在三个晶轴上的截距倒数，最小整数。 （h k l）、 h k l 族,晶面间距(dhkl ) ：晶面组中最近两晶面间的距离,金属晶体金属键； 无方向性； 原子呈圆球状密堆积,最紧密堆积,体心立方,面心立方,密排六方,典型金属结构晶体学特点,2,间隙,四面体间隙(Tetrahedral position),八面体间隙（Octahedral position）,表2-13 面心立方、密排六方与体心立方晶胞中的间隙,离子晶体： 离子键，无方向性。正离子周围配位多个负离子，离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制，堆积
8、形式决定于正负离子的电荷数和相对大小。,Section 3.6,（等电荷时，负离子密堆） 正、负离子半径比越大，配位（负离子）数越高,多由非金属元素组成(A族) 共价晶体的配位数为（8N）,共价晶体,分子晶体 :组元为分子；范氏力和氢键.若仅有范氏力：无方向性、饱和性、趋于密堆，常还受分子非球性及永久偶极相互作用影响，有氢键时：有方向性、饱和性，堆积密度低。,从分子排列的有序性分：,A. 丝状相（向列相 nematic）分子具长程取向有序，质心无长程有序,B. 螺旋状相（胆甾相 cholesteric）螺旋式改变取向方向的丝状相,液晶,C. 层状相（近晶相 smectic）二维有序更接近晶体（
9、质心仍 无远程有序），排列呈层状结构。,晶体中的无序,缺陷： 点：金属-空位、间隙原子离子-肖基特、弗兰克尔 线：棱位错 压力螺旋位错 剪切力 面： 体；,固溶体：合金-两种组份及以上 置换型 间隙型 非化学计量化合物（离子）,EF BB,AD BB,非晶体：结构在体积范围内缺乏重复性的材料 （非晶型、无定形amorphous）无平移对称，无长程有序（短程有序），原子位置排布完全无周期性，具有统计规律。硬球密乱堆垛， 共价 无规网络,分布函数：径向分布函数：J(r) = 4r2 (r),可求两个参数：配位数：第一峰面积原子间距：峰位置,统计学， 描述非晶体和晶体,双体分布函数：以某原子为原点，
10、 距离r 处找到另一原子的几率 g(r) = (r) / 0 (r) 为r 处原子的数目密度；0为整个样品的平均原子数密度,Nv=N exp( - ),Qv,kT,空位数Nv与温度和空位形成能有关。,扩散系数与温度和扩散激活能相关：,D = D o e Q/RT,Fick第一定律（稳态扩散）：Jx = - D c /x Jx ：扩散通量,金属晶体,体积扩散,与 t 无关,1. 同素异构转变晶体结构变化,所有晶体材料 外界条件变化,固体中的结构转变,热力学和动力学因素,2. 非晶态的晶化有序程度变化,所有结晶性的材料,3. 结构弛豫 有序程度变化弛豫：偏离了原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过
11、程。,高分子 与时间相关,4. 相分离多组元体系分离成不同组份和结构的几相,化学成分变化,所有多组分材料 晶体、非晶体,拐点分解 Spinodal,GN Gn 0,GM Gm 0,机制：自发形核和生长,（三）显微组织结构 （相形态结构）,晶体结构类型 有序与无序程度 化学组成差异,相：物理化学性质相同、完全均匀、可含多种物质,相图：多相系统平衡状态与其影响变数的关系图。,二元相图：匀晶 共晶 共析 包晶,杠杆法则（Lever Rule）：QL / QS = l (cb) / l (ac),S,Figure 10.2,QL = l (cb) / l (ab) Qs = l (ac) / l (a
12、b),表面力和表面力场固体内部：质点受到周围质点的控制，静力平衡，存在力场，力场对称。固体表面： 周期性重复中断，力场对称性破坏，产生指向空间的剩余力场。,表面张力 ：扩张表面时单位长度上所需要的力；单位 N/m,表面能：增加单位面积的表面所需要做的功；单位 J/m2,大小与物质原有的键合方式相关,固体表面结构： 微观质点排列状态原子、分子 表面几何形态显微结构排列状态： 原子密堆，离子极化和位移，杂质迁移,降低表面能,吸附气体- 润湿液体-固体,固体表面特性,接触角 ： 三相交界处，自固液界面经液体内部至液气界面的夹角润湿方程： SG - SL = LG cos,粘附固体-固体,粘附功：分开
13、单位面积粘附表面所需要的功或能 WAB = A + B - AB,3-1 金属材料 金属原子的电子结构与其晶体结构特点的关系(应用2-5-1中的公式计算不同金属晶体的有关参量) 金属合金的三种结构类型的特点 铁碳合金相图中点、线、区域的物理意义、微相结构特点及随温度和C含量的变化规律 铜的组成和结构特点 非晶态合金的三T图 金属再结晶的物理意义及T、t、l的影响,金属原子的电子结构与晶体结构有何关系？,金属晶体结构（Crystal Structures of Metals）,（a）随温度变化 （b）室温下有三种：体心立方结构 面心立方 密堆六方较高强度、硬度和熔 具有良好塑性 强度低，塑点但塑
14、性和韧性差 和韧性 性和韧性差Li, Na, K(S1) Au, Ag, Cu(d10s1) Mg, Ti, Zr(d2s2)Cr, Mo, W (d5s1) Ni,Pd, Pt (d8s2),合金材料的组成与结构 （1）固溶体 取代型， 间隙型 （2）金属间化合物 正常价化合物、电子化合物、间隙化合物 （3）机械混合物,奥氏体 austenite 碳溶解在铁中的固溶体，C%2.11%（1148）,铁素体 ferrite 碳溶解在铁中的固溶体，C%0.02% （727）,渗碳体 cementite 铁和碳以化合物形态出现的碳化铁C%=6.67%,珠光体 pearlitic 铁素体和渗碳体二者组
15、成的共析混合物, 727,莱氏体 奥氏体和渗碳体的共晶混合物, 1148,马氏体 Martensite 钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到碳在铁中的过饱和固溶体,铁碳合金的基本组织 （texture）：,5个单相区 7个两相区 三条水平线 三条特征线,(1) 铁-渗碳体相图,L,5个单相区 7个两相区 三条水平线 三条特征线,L,5个单相区 7个两相区 三条水平线 三条特征线,L,5个单相区 7个两相区 三条水平线 三条特征线,(2)典型铁碳合金结晶过程分析,（1）共析钢 eutectoid steel,0.77%C,（2）亚共析钢 hypoeutectoid steel,0.02180
16、.77%C,（3）过共析钢 hypereutectoid steel,0.772.11%C,（4）共晶白口铸铁 eutectic cast iron,4.3%C,（5）亚共晶白口铸铁 hypoeutectic cast iron,2.114.3%C,（6）过共晶白口铸铁 hypereutectic cast iron,4.36.67%C,快速淬火技术（过冷）。 TTT曲线（Time Temperature Transition）越过C曲线的顶部 即可得到非晶体。Tm - Tn临界冷却速率 R c= -n熔化温度 Tg = Tm - TgTg 形成非晶的趋向愈大 过渡金属、贵金属、类金属的合金
17、低的冷却速率是易于制备非晶的有利条件 主要特点：高硬度和强度，延伸率低但不脆，很好的软磁性和优越耐腐蚀性。,Tn,3-2-5 非晶态合金（Noncrystalline metallic alloy ）,3-2 无机非金属 组成和结合键性质 简单晶体的结构类型：AX, AmXp, AmBnXp 密度计算 典型晶体：单晶硅、NaCl, CsCl, ZnS, 钙钛矿、尖晶石 硅酸盐的五种晶体结构、桥氧原子和非桥氧原子 玻璃的组成、特性及结构参数 凝胶与陶瓷的组成与结构特点 碳黑、石墨、金刚石、C60碳纳米管的结构与性能特点,单晶硅siliconsp3杂化，8个原子,几种典型晶体结构, 面心立方四面体
18、间隙,立方晶系，共价晶体,2. 氯化钠与氯化铯 AX Sodium chloride (Rock salt) and Cesium chloride正负离子半径比 配位数Na+/Cl- 0.524 6 正八面体配位 Cs+/Cl- 0.933 8 立方体配位,立方晶系，离子晶体,3. 氟化钙 Calcium Fluorite (CaF2) AmXp,F原子数: 81/8 +61/2 +121/4 +1 =8,立方晶系，离子晶体,Si原子数: 4,Figure 3.7,极性共价键Zn-S （1.6-2.5） ZnS44-,AX-TYPE,4. 面心立方ZnS和六方ZnS,共价晶体,S 配位数4、
19、位于面心、立方点上 Zn 配位数4、位于四面体间隙,面心立方ZnS,六方ZnS,S和Zn两套密排六方，a,b轴重合，c轴错位3/8,5. 钙钛矿晶体 CaTiO3 AmBnXp-TYPE,位于八面体间隙TiO68-八面体Ti4+八面体中心,立方晶系 Ca2+ 立方体顶角 配位数 12 O2- 面心 配位数 6Ti4+ 体心 配位数 6,O2- 面心立方密堆 立方晶系 A2+ 填充在四面体间隙B3+ 填充在八面体间隙 单位晶胞包含8个分子，A8B16O32形成 64个四面体空隙、填充率1/832个八面体空隙、填充率1/2A块中 A2+填充1/4的四面体间隙共2个、 4*2=8B块中 B3+填充八
20、面体间隙共4个、 4*4=16 (棱、心）共棱小块的结构相同，共面小块的结构不同,6尖晶石型晶体 (MgAl2O4AB2O4 ),立方晶系，离子晶体,n the number of formula units 1 within the unit cell AC the sum of the atomic weights of all cations in the formula unit AA the sum of the atomic weights of all anions in the formula unit VC the unit cell volume NA Avogadros
21、number, 6.023 10 23 formula units/mol,Calculation of Density,3-3-3 硅酸盐晶体结构 Silicate Crystalline Structures,基本结构单元：SiO4四面体。 Si4+中心，O2-顶点； SiO4每个顶点，即O2-最多为两个SiO4 所共用； 两相邻SiO4之间共顶、共棱不能共面连接； SiO4中心Si4+可部分被Al3+ 所取代.,结构特点,Silicon-Oxygen Tetrahedron,高砱土 kaolinite clay,网络外体氧化物和中间体氧化物对玻璃结构的影响,网体氧化物：SiO2, B2O
22、3 , P2O5 , GeO 网体外氧化物：Na2O, K2O, CaO, BaO 中间体氧化物：MgO, ZnO, Al2O3,3-3-4 无机非金属材料的非晶体结构（Noncrystalline Structure-Amorphous）,X+Y=Z X+Y/2=R X=2R-Z Y=2Z-2R,X 非桥氧 Y 桥氧 Z 氧 R 氧硅比,石英玻璃 Y= 4 （Y结构参数桥氧原子的平均数） 硅酸盐玻璃 Y 2,SiO2%升高，共价键成分增多，膨胀系数降低耐热玻璃,3-3 高分子 （侧重与金属和无机非金属材料对照） 高分子材料结构的多层次性概貌 大分子链的组成和结构特点 大分子链的内旋转、柔性和
23、构象 大分子链间的相互作用与聚集态结构模型 结晶构象与晶体结构特点 取向态结构 合成聚合物和天然高分子的主要类型 聚合物共混材料的微结构特点、界面,Chapter 4,3-4-1 高分子材料组成和结构的基本特征Typical Feature,1921年Staudinger 提出高分子的概念 分子量大，分子量分布 104-107， Mn, Mw, 高分子链多种形态 分子链间力：范氏力为主，部分化学键分子内共价键 结构的多层次性,(3) 空间的构型Spacial Configuration Stereoisomers,全同立构 isotactic configuration,无规立构 atacti
24、c,间同立构 syndiotactic,存在不对称碳原子-(-CH2-C*HR-)-,构型分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。,键角 键长,(3) 构象与链结构（旋转位垒）,主链结构 （极性，双键，共轭, 杂链）取代基 (极性、排布距离、体积）交联,结晶链的构象 Conformation .平面锯齿形构象 Zigzag arrangementPE、PVC、 PET、PA（氢键）,.螺旋形构象 ScrewyPP（3） PS（3） PTFE（13）, .滑移面对称型构象 Slip plane 平移镜面操作.伸直链构象 Straight chain,68
25、,晶胞Unit Cell ：由一个或若干个高分子链的链段构成非立方晶系 non-cubic 聚合物晶体中高分子链的堆砌 Arrangement, Packing一个晶胞中可能通过几条高分子链一个高分子链在晶体中堆砌时占有多个格子点贯穿若干晶胞,69,结晶形态 Crystalline morphology 单晶：折叠链片晶 伸直链晶体 多晶： III 球晶：Spherulites 串晶：,70,聚集态归纳：,非晶态结构 晶态结构(半晶) 取向结构,伸直链,折叠链,无规线团,71,3-4 复合材料 复合材料的定义、分类、组成与结构特点 复合材料的典型结构及“连通性”概念 界面的形成过程、结构与功用特点 界面理论中的浸润和化学键理论,
