第二章 材料学纲要
武汉理工材料科学基础复习大纲
材料科学基础复习大纲第二章晶体结构2.1 结晶学基础1、概念：晶体晶胞晶胞参数七大晶系晶面指数晶面族晶向指数晶向族2、晶面指数和晶向指数的计算2.2 结合力与结合能按照结合力性质不同分为物理键和化学键化学键包括离子键共价键金属键物理键包括范德华键氢键晶体中离子键共价键比例估算（公式2.16）离子晶体晶格能2.3 堆积（记忆常识）1、最紧密堆积原理及其使用范围：原理略适用范围：典型的离子晶体和金属晶体原因：该原理是建立在质点在电子云分布呈球形对称以及无方向性的基础上的2、两种最紧密堆积方式：面心立方最紧密堆积ABCABC 密排六方最紧密堆积ABABAB系统中：每个球周围有6个八面体空隙 8个四面体空隙N个等径球体做最紧密堆积时系统有2N个四面体空隙N个八面体空隙八面体空隙体积大于四面体空隙3、空间利用率：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值（要学会计算）两种最紧密堆积方式的空间利用率为74.05﹪（等径球堆积时）4、影响晶体结构的因素内因：质点相对大小（决定性因素）配位数（概念及计算）极化（概念，极化对晶体结构产生的影响）外因（了解）：同质多晶类质多晶同质多晶转变2.4 单质晶体结构（了解）2.5 无机化合物结构（重点每年必考）分析结构从以下几个方面入手：晶胞分子数，何种离子做何种堆积，何种离子添隙，添隙百分比，正负离子配位数，正负离子电价是否饱和，配位多面体，添隙半径的计算（刚好相切时），隙结构与性质的关系。
1、NaCl型：4个NaCl分子 Cl离子做面心立方密堆积，Na离子填充八面体空隙，填充率100﹪，正负离子配位数均为6，电价饱和。
【NaCl6】或【ClNa6】八面体结构与性能：此结构在三维方向上键力均匀，因此无明显解理，破碎后呈颗粒状，粒为多面体形状。
离子键结合，因此有较高的熔点和硬度2、立方ZnS结构：4个ZnS分子S离子做面心立方密堆积，Zn离子填充四面体空隙填充率50﹪，离子配位数均为4，电价饱和，【ZnS4】四面体会画投影图（图2.26）注意：一定要画虚线，一定要标高，一定要有图例（白球黑球代表什么离子）3、萤石（CaF2）结构：（唯一正离子做堆积的结构）4个CaF2分子 Ca离子做面心立方密堆积，F离子填充四面体空隙，填充率100﹪。
材料化学(第2版)作者曾兆华、杨建文编著第二章课件
吸引能（attractive energy，EA）：源于原子核与电子云间的静电引力
离子：m=1分子：m=6
排斥能（repulsive energy，ER）：源于两原子核之间以及两原子的电子云之间相互排斥
惰性气体离子核
外层电子构型
n
惰性气体离子核
8/23/2016 1:52:21 PM
46
形成正负离子所需能量
离子键形成过程中的总势能：
在平衡位置的势能E0
Chapter2 Structure of Materials
46
（2）键能计算
例：NaCl的键能计算
Chapter2 Structure of Materials
47
离子形成能
吸引能EA,0
最强
无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电
共价键
相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力
强
有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、在熔态也不导电
金属键
自由电子气与正离子实之间的库仑引力
较强
无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性
0.005
氯(Cl)
314
氦(He)
0.003
10
Chapter2 Structure of Materials
10
周期表中各元素在室温下的状态
Chapter2 Structure of Materials
11
第一电离能（First Ionization Energy, I1）
第二章 材料学纲要
菱方 Rhombohedral a=b=c, α=β=γ≠90º
四方（正方）Tetragonal a=b≠c, α=β=γ＝90º
立方 Cubic a=b=c， α=β=γ＝90º
简单菱方
简单四方 体心四方
简单立方 体心立方 面心立方
24
简单三斜
简单单斜
底心单斜
25
简单正交
体心正交
底心正交
面心正交
Rutherford 原子有核模型 ➢ Bohr 原子模型
原子核：位于原子中心，带正电 电子: 核外高速旋转，带负电，按能 量高低排列
核外电子的排布规律： 能量最低原理 保里不相容原理 洪特规则
17
4、结合键
化学键
金属键 离子键 共价键
键能
100-800 KJ/mol （强相互作用）
物理键：亦称范德华键
（3）三条实线的交点称为三相 点，该点三相共存，温度和压力 都由体系自定，其温度为273.16 K，压力为610.62 Pa。
16
3、原子结构
➢ 1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 ➢ 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 ➢ 1913年 N.Bohr结合 M. Plank和A. Einstein量子论 原子结构的量子理论
5
用于材料成分结构检测的仪器
核磁共振仪：将被检测物置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发氢原 子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按 特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被接受器收录，经电 子计算机处理获得图像。
6
材料结构关系
材料的结构包括：原子结构、原子排列的方式（晶体 和非晶体）、结构缺陷、相结构、显微组织（显微镜下的 微观结构）等。哪些主要因素能够影响和改变结构？只有 了解了这些才能实现控制结构的目的。
《材料科学基础2料》课程简介和教学大纲
《材料科学基础2 ［料］》课程简介课程编号：02034019课程名称：材料科学基础B2∕Fundamental of Material Science B2学分：3学时：48适用专业：材料科学与工程建议修读学期：5先修课程：物理化学，材料科学基础1考核方式与成绩评定标准：课程考核成绩采用平时成绩+期终考试成绩相结合的方式，平时成绩占课程考核成绩的20%,平时成绩考核采用考勤、作业和课堂提问相结合的方式；期终考试成绩占课程考核成绩的80%教材与主要参考书目：【教材】材料科学基础（第三版），胡廉祥、蔡南、戎咏华，上海交通大学出版社，2010 【参考书目】1.材料科学基础，余永宁，高等教育出版社，20062.材料科学基础，潘金生，清华大学出版社，20113. Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, William D. Callister, David G. Rethwisch, 2012 内容概述：材料科学基础2的课程教学内容主要为材料的形变和再结晶，单组元相图及纯金属的凝固，二元相图，三元相图以及材料的亚稳态和功能特性等。
通过本课程的学习，可使学生掌握固体材料变形的基本方式、金属及合金强化机理；掌握结晶的基本过程、热力学条件、形核及长大规律、凝固理论的应用；掌握相图的基本知识，二元相图的基本类型，分析与使用方法，熟练应用铁碳相图；掌握三元相图类型、分析方法、等温截面、变温截面等。
为后续专业课的学习打下牢固的基础。
The contents of Fundamental of Material Science 2are the deformation and recrystallization of materials, single phase diagram and pure metals solidification, two phases diagram, three phases diagram, the metastable phase and functional characteristics of materials, etc. By studying of this course, the students can master the basic deformation methods of materials, the strengthening mechanism of metals and alloys, the basic processing of crystallization, thermodynamic of crystallization, nucleation and growth of crystal, the application of solidification theory, the basicknowledge of phase diagram, the basic types of two phases diagram, the application of Fe-C phase diagram, the analysis of three phases diagram, isothermal section and variable section. This course lays a solid foundation for the following courses.《材料科学基础2［料］》教学大纲课程编号：02034019课程名称：材料科学基础B2∕Fundamental of Material Science B2学分：3学时：48适用专业：材料科学与工程建议修读学期：5先修课程：物理化学，材料科学基础1一、课程性质、目的与任务【课程性质】本课程是材料科学与工程专业的主要专业基础课之一。
材料概论-一材料学纲要
材料学纲要
polystyrene microspheres
Field of view 2 mm x 2 mm
1
材料科学与工程四要素 材料工程
性能
通过结构设计和加工 以达到利用材料的某 一特殊性质的目的
结构/成份
合成/制备
合成/制备 结构/成份
性质
材料科学
研究材料的结构和性 质之间的关系
性质 性能
15
晶体的几个定义
β a
c α γ
b
1）阵点：将构成晶体的原子（离子、分子）抽象成纯粹的几何 点，称为阵点。 2）空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周 围环境的模型。 3）晶格：作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的 几何格架称为晶格。 4）晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶 胞。通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。 5）晶胞参数：晶胞三条棱边（晶轴）的边长a、b、c及晶轴之间 的夹角α、β、γ称为晶胞参数。 16
4.复合材料的结构
复合材料可以是一个连续相与一个分散 相的复合，也可以是两个或多个连续相 与一个或多个分散相的组合。 以金属材料、无机非金属材料、高分子 材料为基体的复合材料中，分散相（增 强介质）可以是零维、一维、二维或三 维的各类材料。
44
四、材料成分和结构的检测
高分辨率透射电子显微镜（HRTEM） 扫描电子显微镜（SEM） 扫描探针显微镜/扫描隧道显微镜（SPM/STM） 原子力显微镜（AFM） X射线衍射（XRD） 热重/差热分析/差示扫描量热法（TG/DTA/DSC） 超导量子相干磁力测定仪（SQUID） BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法）
4 a 4 ( )3 nv 3 2 0.74 K V 3 2a 3
材料化学专业课程教学大纲-2024鲜版
溶胶-凝胶法
通过溶胶的形成、凝胶化及热处理等步骤合成 材料，如氧化物薄膜的制备。
2024/3/28
水热/溶剂热法
在高温高压的水溶液或有机溶剂中进行化学反应合成材料，如纳米材料的制备。
12
先进合成技术
化学气相沉积（CVD）
利用气态物质在固态基体表面进行化学反应生 成固态沉积物的技术，用于制备薄膜、涂层等。
燃料电池材料
催化剂、电解质、电极等关键材料的制备、性能及应用。
太阳能电池材料
硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池等关键 材料的组成、结构、性能及制备技术。
20
光电功能材料
2024/3/28
发光材料
荧光粉、量子点、有机发光材料等发光原理、制备 及应用。
显示材料
液晶显示材料、有机电致发光显示材料等显示原理、 制备及应用。
实验室安全规章制度
学习实验室基本安全制度，了 解实验室常见安全隐患及应对 措施。
化学危险品管理与使用
掌握化学危险品的分类、标识、 储存和使用规范，确保实验过 程安全。
实验事故应急处理
学习实验事故应急处理方法和 程序，提高应对突发情况的能 力。
2024/3/28
25
基本实验操作训练
1 2
常用实验仪器与设备使用 熟悉并掌握常用实验仪器和设备的使用方法，如 分光光度计、电导率仪、pH计等。
2024/3/28
物理气相沉积（PVD）
通过物理过程（如蒸发、升华、溅射等）使材料从靶 材转移至基体上形成薄膜的技术。
原子层沉积（ALD）
基于表面化学反应的薄膜沉积技术，具有原子 层级的控制精度，用于制备超薄膜、纳米结构 等。
13
材料制备实例分析
材科科学基础大纲
2 原子结合键结合键：是指原子结合形成分子或固体时，原子间产生的相互作用力，称为结合力，也叫结合键。
结合键分类9一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
9二次键（物理键）：分子键和氢键。
（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。
（4）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 （5）混合键。
如复合材料。
3. 工程材料的分类各种结合键对比见课件表格第二节原子的规则排列一晶体学基础固体物质：晶体：规则排列，长程有序，有确定的熔点，各向异性非晶体：不规则排列，长程无序，无确定的熔点，各向同性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）晶胞：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 体积尽量小（不一定最小）。
材料科学基础第2章
4.离子的堆积：离子晶体通常由负离子堆积成骨架， 正离子按其自身大小位于相应负离子空隙（负离子 配位多面体）中。
堆积方式有:立方最密堆积、六方最密堆积、立方体 心堆积、四面体堆积
材料科学基础第2章
2.4.3 离子晶体的结构规则—鲍林规则 1.负离子配位多面体规则——鲍林第一规则
在正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子之 间的距离取决于离子半径之和，而配位数则取决于正负离 子的半径之比。
这一规则符合最小内能原理。根据这一规则，描述和理 解离子晶体结构时，将其视为由负离子配位多面体按一定 方式连接而成，正离子处于配位多面体的中央。
➢首先，由于负离子的半径一般都大于正离子半径，故在离 子晶体中，正离子往往处于负离子所形成的多面体的间隙 中。
属于A2B3型化合物结构的离子晶体： Cr2O3、 -Fe2O3、Ti2O3、V2O3等
➢α -Al2O3是一种重要的陶瓷材料。 ➢高纯度氧化铝陶瓷可以用做高压钠灯内管和微波窗 口等。 ➢掺Cr的氧化铝单晶（红宝石）用做仪表轴承等精 密部件和固体激光材料
材料科学基础第2章
4 ABO3型化合物的结构
Z+/CN+=Z-/CNCN-=Z-/Z+*CN+ 用于确定负离子的配位数（ CN- ） Z+和Z-分别是正负离子电价； CN+和CN- 分别是正负离子的配位数。
材料科学基础第2章
2、 电价规则(pauling第二规则)
在稳定的离子晶体结构中，位于负离子配 位多面体内的正离子价电荷，平均地分给它 周围的配位负离子。
3 负离子多面体共顶、棱、面规则(pauling第三规则)
上海交大材料科学基础课件教学大纲
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(fcc)(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征(bcc)(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征(hcp)§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§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。
根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
材料科学与工程纲要_图文
(3)腐蚀磨损 腐蚀磨损是指在摩擦力和环境介质的联合作用下， 材料表面的腐蚀产物剥落与摩擦面间的机械磨损相结合的一种磨 损，一般有氧化磨损、微动磨损、冲蚀磨损和特殊介质腐蚀磨损 。 (4)疲劳磨损 接触疲劳是零件(如齿轮、滚动轴承、钢轨和轮箍 等)的两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的 长期作用下引起的一种表面疲劳剥落破坏而使物质耗损的现象， 表现为接触表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也称 为麻点磨损或疲劳磨损。
2.5.2 材料的化学性质及其表征
物质在化学变化中才能表现出来的性质叫做化学性质。 材料的化学性质或化学性能是指材料抵抗各种介质作用的能力， 包括溶蚀性、耐蚀性、抗渗入性及抗氧化性等，归结为材料的化 学稳定性。此外，同材料的化学性质有关的问题还有催化性及离 子交换性等。
2.5.3 材料的力学性质及其表征
1.强度 2.弹性与塑性 3.韧性与脆性 4.硬度
表2-8 材料力学性质指标及含义
表2-8 材料力学性质指标及含义
2.6 材料设计
图2-9 新材料开发设计的过程模型图
2.7 结构材料的失效
2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4
过量变形失效 断裂失效 表面损伤失效 失效分析的主要方法
表2-9 结构材料常见失效形式
3.固相法
(1)高温烧结法 陶瓷、耐火材料、粉末冶金以及水泥熟料等通常 都是要把成型后的坯体(粗制品)或固体粉料在高温条件下进行烧 结后，才能得到相应的产品。 (2)粉末冶金法 粉末冶金法是用金属粉末或金属粉末与非金属粉 末的混合物作为原料，经过成形和烧结，制成金属材料、复合材 料以及各种类型制品的工艺技术。 (3)固相缩聚法 固相缩聚法可以在比较缓和的条件下(如温度较 低)合成高分子化合物，以避免许多在高温熔融缩聚反应下发生的 副反应。 (4)自蔓延高温合成法 自蔓延高温合成法(是利用反应本身放出 的热量维持反应的继续，反应一旦被引发就不再需要外加热源， 并以燃烧波的形式通过反应混合物。
材料学基础复习大纲
注：P42等为页码，*P184等为不确定页码，页码标注可能有错，请自己改正。
一、名词解释1．固溶体P422．伪共晶P2713．加工硬化P1924．反应扩散P1565．晶胞P206．间隙固溶体P427．临界晶核P2318．技晶偏析P2679．离异共晶P27210．反应扩散P15611．临界分切应力P17412．回复P196二．简答题1．说明柏氏矢量的确定方法，如何利用柏氏矢量和位错线判断位错类型？P912．为什么晶粒细化能提高强度，也能改善塑性和韧性？*P184,*P1283．在点阵中选取晶胞的原则有哪些？P204．简述柏氏矢量的物理意义和应用.*P925．二元相图有哪些几何规律P2636．如何根据三元相图中的垂直截面图和液相变量线判断四相反应类型P353--3557．材料结晶的必要条件有哪些8．细化材料铸态晶粒的措施有哪些9．简述共晶系合金的不平衡冷却组织及形成条件*P27110．晶体中的滑移系与其塑性有何关系*P17411．简述置换原子和间隙原子的扩散机制.*P14612．何谓柯肯达尔效应。
简述柯肯达尔效应的意义。
P14013．简述晶体结构对扩散的影响P15414．指出晶面的种类。
指出小角度晶界和大角度晶界的区别。
P12315．何谓全位错不全位错P11016．何谓肖特基空位、弗仑克尔空位、点缺陷的平衡浓度P83--P8517．简述韧型位错和螺型位错的特点P8818．请解释γ-Fe 与α-Fe溶解碳原子能力差异的原因19．铁碳合金中可能出现的渗碳体有哪几种？它们的成分有何不同？平衡结晶后是什么样的形态?*P28820．请简述在固态条件下，晶体缺陷、固溶体类型对溶质原子扩散的影响。
P15421．什么是置换固溶体？影响置换固溶体的溶解度的因素有哪些?形成无限固溶体的条件是什么？P4222．置换扩散与间隙扩散的扩散系数有何不同？在扩散偶中，如果是间隙扩散是否会发生肯达尔效应？为什么？*P15023．请比较二元共晶转变与包晶转变的异同。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.1 材料的组成
• 材料由原子和分子组合而成。 • 材料的化学组成：组成材料最基本、独立的物 质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和 数量。 • 材料的相组成：材料中具有同一化学成分并且结 构相同的均匀部分称为相。组成材料的相的种类 和数量称为相组成。可分为单相材料、多相材 料。
材料的化学组成
• 大部分材料中，原子之间的化学键并 不是单一的一种化学键，而是两种或 两种以上化学键的混合键，其键性取 决于元素的电负性。 • 由金属元素和非金属元素组成的陶瓷 材料和半导体材料往往是离子键和共 价键的混合键，其电负性差值越大， 离子键成分越强。 • SiO2, XSi= 1.8, XO=3.5,共价键成分 =48.6%；Al2O3,共价键成分=37%， CuO，共价键成分=53% 。 • 共价键成分越多，化学键的方向性越 强，离子的堆积密度越低。
1. 邻近两个原子共享一对电子 2. 有方向性和饱和性、配位数低、堆积密度低 3. 强度高 (略低于离子键，125-300 kcal/mol) 4. 在两个电负性大的离子之间形成
范德华键 －分子之间的作用力
由于极化所产生的分子之间的静电作用力，较弱，作 用能在几十kJ/mol以下。
氢键——范德华键的一种
Silicon Single Crystal
多晶材料
• 多晶材料由许多在空间不同取向的小晶体构成，小 晶体之间的边界区域原子/离子排列不规则，称之为 晶界。 • 工程上实际应用的大量晶体材料均为多晶材料，如 钢材、铝合金等。
多晶材料的微观结构
Au
ZnO
液晶
• 液晶是一种内部质点具有特殊有序排列的高分子材 料。 • 液晶高分子材料通常具有无定形结构，然而，在电 场或温度变化等外部刺激下其分子在局部范围内排 列有序，成为晶体，故称之为液晶。
− z1z 2e2 Force = 4πε 0r2
Na
离子键特征
1. 电子在原子间转移，生成离子 2. 无方向性，有饱和性、配位数高、紧密堆积 3. 强度高 (150-370 kcal/mol) 4. 在不同电负性的原子之间形成离子键
共价键－两个或多个原子相互吸引、共用若干电子 所形成的键力。
共价键特征
第二章
材料学
要
性质/使用性能
组成
（工程）
结构
（化学） （物理学）
合成与加工
总论
¾ 材料的使用依赖于材料的性能，而其性能都是 由其化学组成和结构决定的。 ¾ 只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的 关系，才能有效地选择制备和使用材料。
本章主要内容
一． 材料的组成 二． 材料的结构 三． 材料的合成与加工 四． 材料的性质与使用性能
内容:
材料的加工
传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：
材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻 材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻 材料的改性：合金化、热处理 材料的联接：焊接、粘接
材料的成型
三大类材料的成型技术在材料工程中是内容 最为丰富的一部分。如果按材料的流变特性 来分析，则材料的成型方法可分为三种： 1.液态成型 2.塑变成型 3.流变成型 金属的铸造、溶液纺丝 金属的压力加工 金属、陶瓷、高分子成型
2.2.2 材料中的化学键
• 金属键－金属离子与自由电子相互吸引所形成的 结合力
金属键特征
1. 电子属于所有原子，可在晶格之间自由活动 2. 无方向性和饱和性 3. 强度高(稍低于共价键或离子键，25-200 kcal/mol) 4. 在低电负性的原子之间形成
离子键－正负离子之间的引力所形成的键力
材料的相组成
• 金属：单相材料 • 普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔 • 水泥：C2S、C3S、C3A、C4AF • 玻璃：单相材料 • 高分子：单相材料 • 复合材料：多相材料 多相材料。 多相材料。
2.2 材料的结构
• 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。 包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等 内涵。 • 材料的结构决定材料的性能。 材料结构的描述： 1. 宏观组织结构: >1000,000 nm 2. 微观显微结构: 10 ～1000 nm 3. 纳米结构: <100nm 4. 键合结构: 原子/离子间的化学键 5. 原子结构: 原子的电子结构
氢原子在分子中与一个原子A结合时，还与另一个原子B结合的 附加键。如H2O，键角109.5 ，接近于六边形结构。
范德华键特征
1. 由于极化，分子之间产生微量静电荷 2. 无方向性，但受分子大小的影响 3. 弱键 (是强键的1/100; <10 kcal/mol) 4. 氢键是范德华键的一种
混合键粉末烧结Fra bibliotek目的:1.粉末成型 2.粉末颗粒的结合
内容:
1.粉末冶金技术 2.现代陶瓷材料的制备
高分子聚合
目的: 实现小分子发生化学反应，相互结合形 成高分子。高分子聚合是人工合成三大 类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维 的基本过程。 1 . 本体聚合 2 . 乳液聚合 3 . 悬浮聚合 4 . 溶液聚合
• 大部分的固体材料，其原子/离子排列是按照规则的 在三维空间呈周期性的重复排列的。 • 大部分的金属、合金、半导 体、无机非金属材料以及部 分高分子材料其内部质点的 排列是长程有序的，即具有 晶体结构。
单晶材料
• 由一个晶体组成，大量应用于电子和光学领域。例 如，计算机集成电路板中应用单晶硅。
z
2.2.5 晶体结构缺陷
• 实际晶体中总是存在着缺陷 • 根据缺陷存在的范围可分为： • 空位 • 填隙原子/离子 • 取代原子/离子 • 位错 • 晶界
对性能的影响：
¾ 比容、比热容、电 阻率
点缺陷 线缺陷 面缺陷
¾ 扩散系数、内耗、 介电常数 ¾ 光吸收 ¾ 力学性能(固溶强化)
杂质缺陷
填隙杂质原子 空位
材料的合成与加工
• 在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得 越来越模糊 • 合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素 • 现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径
材料的制备
不同的材料制备方法，分别具有不同的材料科学 基础内容，即： 冶金过程 熔炼与凝固 粉末烧结 高分子聚合 冶金物理化学 凝固学理论 烧结原理 聚合反应
冶金过程（化学冶金）
目的： 从原料中提取出金属 内容: 火法冶金 熔盐电冶金 湿法冶金 ．．．．．． 炼铁、炼铜 电解铝、镁 水溶液电解锌
熔炼与凝固（物理冶金）
目的: １．金属的精练提纯 ２．材料的“合金化” ３．晶体的生长 内容: 1. 平衡凝固 2. 快速凝固 3. 定向凝固 4. 区域熔炼 5. 玻璃的熔炼 6. 熔融法提拉单晶
金属 单质、合金。如 Fe、Al、Cu、Ti、Zn、Mg、Ni 无机非金属 金属元素和非金属元素组成的化合物， 通常为 氧化物、氮化物、碳化物等。 陶瓷 Al2O3、TiO2、ZnO、SiO2、SiC、 Si3N4 BN 水泥 SiO2－CaO－Al2O3－Fe2O3 玻璃 SiO2－CaO－Na2O 有机高分子 C（为主）结合H、O 还结合N、S、P、Cl、F、Si等 聚合度300－2500，分子量2－16万
与其它要素的关系
从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，四大要 素存在着逻辑上的因果顺序，即：
产 生 具 备 提 供
合成与加工
结构与成分
材料性质
使用性能
总结
无论是为制造某种产品选择合适材料，选择最佳 的加工工艺，正确地使用材料，还是改善现有材 料或者研制新材料，都需要我们具有材料内部结 构与性能的知识，都需要材料科学的理论指 导．特别是新型材料，其主要特点是以科学为基 础，与新技术、新工艺的发展有相互依存、相互 促进的关系．
置换杂质原子
线缺陷——“位错”
晶体生长情况判断出位错的存在 透射电子显微镜观察到晶体中位错 对性能的影响：实际强度<<理论强度
自然界的缺陷现象
2.3 合成与加工
合成与加工是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列， 在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以 及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程。 • 合成 ( Synthesis) • 常常是指原子和分子组合在一起制造新材料所采用的物理 和化学方法。合成是在固体中发现新的化学现象和物理现 象的主要源泉。 • 加工(Processing) • 这里所指的是成型加工，除了上述为生产出有用材料对原 子和分子控制外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包 括材料制造等工程方面的问题。
金属键 所有原子共 享电子
离子键
共价键
范德华键 极化产生微量静 电荷，使分子之 间产生作用力 无方向性，但受 分子大小的影响
电子迁移，形 两个相邻原子 成离子 共享一对电子
无方向性 强度高 (25-200 kcal/mol) 电负性小的 原子之间形 成
无方向性
有方向性
强度高 (150- 强度高 (125- 弱键 (强键的 370 kcal/mol) 300 kcal/mol) 1/100; <10 kcal/mol) 电负性差大的 电负性大的原 原子之间形成 子之间形成 氢键是范德华键 的一种
2.4 材料的性能与功能
• 材料的性能 (Performance) 指材料对外部刺激 （外力、热、电磁、化学刺激、药品）的反应或 抵抗（被动地响应），又称“行为”，“表现”。如 强度，电导率等。 • 材料的功能 (Function) 指物质（材料）对应于 某种输入信号时，所产生的质或量的变化，或其 中某些变化会产生一定的输出，即能产生另一种 效应。如压电效应，热电效应等。
2.2.4 晶体结构
• 晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固 体。 单位晶胞 • 单位晶胞：能够充分反映整 个晶体结构特征的最小构造 单位。
同质多晶
材料的晶体结构