第一章原子结构与键合
材料科学基础考研知识点总结
材料科学基础考研知识点总结第一章原子结构和键合1.原子键合●金属键●离子键●共价键●氢键●范德华力：静电力诱导力色散力第二章固体结构1.晶体学基础●空间点阵和晶胞●七个晶系14种点阵2.金属的晶体结构●晶体结构和空间点阵的区别3.合金的相结构●晶相指数和晶面指数●晶向指数●晶面指数●六方晶系指数●晶带●晶面间距●晶体的对称性●宏观对称元素●极射投影●金属的晶体结构●三种典型的金属的晶体结构●多晶型性●置换固溶体●间隙固溶体●固溶体的围观不均匀性●影响固溶度的主要因素●固溶体的性质●中间相●正常价化合物●电子化合物●与原子尺寸因素相关的化合物●超结构（有序固溶体）4.常见离子晶体结构●离子晶体配位规则（鲍林规则）●负离子配位多面体规则（引入临界离子半径比值）●电价规则（整体不显电性）●负离子多面体共顶，棱和面规则（由于共用顶，棱和面间距下降，导致库仑力上升，稳定性下降）●不同种类正离子配位多面体规则（能量越高区域越分散）●节约规则（【俄罗斯方块原理】）●典型离子晶体结构●AB型化合物【CsCl结构 NaCl结构 ZnS型结构】●AB2型化合物结构【CaF2 萤石 TiO2金红石型结构】●硅酸盐的晶体结构●孤岛状硅酸盐●组群状硅酸盐●链状硅酸盐●层状硅酸盐●架状硅酸盐5.共价晶体结构第三章晶体中的缺陷1.点缺陷●点缺陷形成●点缺陷的平衡浓度2.位错●刃型位错●螺型位错●混合位错●伯氏矢量●位错运动●位错弹性性质（认识）●位错生成与增值●实际位错中伯氏矢量3.面缺陷●外表面与内表面（了解）●晶界和亚晶界●晶界的特性●孪晶界●相界第四章固体中的扩散1.扩散的表象理论●菲克第一定律●菲克第二定律●扩散方程●置换固溶体扩散（柯肯达尔效应）2.扩散热力学●扩散的热力学分析（上坡扩散）3.扩散的微观理论与机制●扩散机制●晶界扩散及表面扩散●扩散系数4.扩散激活能5.影响扩散的因素●温度●晶体结构●晶体缺陷●化学成分●应力作用6.反应扩散7.离子晶体中的扩散第五章材料的变形1.弹性变形●弹性的不完整性●包申格效应●弹性后效●弹性滞后2.黏弹性变形3.塑性变形●单晶体塑性变形●滑移●孪生●扭折●多晶体的塑性变形●晶粒取向的影响●晶界的影响●合金的塑性变形●单相固溶体塑性变形●影响因素●曲服现象●应变实效●多相合金的塑性变形●弥散分布型合金的塑性变形●塑性变形对组织性能影响●显微组织变化●亚结构变化●性能变化●形变织构●残余应力4.回复与再结晶●冷变形金属在加热时组织与性能的变化●回复●再结晶●晶粒的长大5.热加工●动态回复●动态再结晶●蠕变●超塑性第六章凝固1.相平衡和相率●吉布斯相律2.纯晶体的凝固●液态结构●晶体凝固的热力学条件●形核●晶粒长大●结晶动力学及凝固组织●凝固理论应用3.合金的凝固●正常凝固●区域熔炼●合金成分过冷4.铸锭组织与凝固技术●铸锭的宏观组织●铸锭的缺陷第七章相图1.二元相图基础●2.二元相图●匀晶相图●共晶相图●包晶相图●铁碳相图3.三元相图基●基本特点●表示方法●杠杠定律及重心定律第八章材料的亚稳态1.纳米材料2.准晶3.非晶态4.固态相变形成亚稳相●固体相变形成的亚稳相●固溶体脱溶分解产物●脱熔转变●连续脱溶●不连续脱溶●脱溶过程亚稳相●脱溶分解对性能影响●马氏体转变●特征●形态●贝氏体转变●钢中贝氏体转变特征●贝氏体转变的基本特征。
固体材料的结构基础知识
结构材料的失效
材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。 磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。
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结构材料的失效
材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。
（4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高、 硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。
（5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良 导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中 的运动而导电。
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（2）共价健
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共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价
间则为范德华键或氢键。
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1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
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原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。
15
（4）范德华键 意义及其特点：
范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生的 键合现象； 除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无饱 和性和方向性。
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（5）氢键 意义及其特点：
依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原子 起到了关键作用； 具有明显的饱和性和方向性，结合力大于范德华键， 主要存在于分子内或分子间，如高分子材料中存在 着大量的氢键。
材料科学基础教案第一章
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静电力(electrost高分子链
Atomic Structure and Interatomic Bonding
第一章原子结构和键合
第二节 原子间的键合
材料的微观结构（Microstructure of Materials）
决定材料性质最为本质的内在因素： 组成材料各元素原子结构； 原子间相互作用、相互结合； 原子或分子在空间的排列和运动规律； 以及原子集合体的形貌特征。
取代基围绕特定原子在空间的排布规律。
构型
构造
近程结构
单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链。 高分子中的重复结构单元的数目称为聚合度。 高分子链的化学组成不同，化学和物理性能也不同。
链结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito) 碳链高分子 聚乙烯（见书9）
一、金属键（Metallic bonding）
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），并在整个晶体内运动，弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云（electron cloud）。 金属中自由电子与金属正离子之间相互作用构成的键合称为金属键。 绝大多数金属均以金属键方式结合，基本特点——电子的共有化
诱导力(induction)
色散力(dispersive force)
贰
壹
第一章原子的结构与键合ppt课件
（1）共价键的定义 ➢ 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数元
素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生 电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。
（2）共价键的特点 ➢ 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形
成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
由于金属键即无饱和性又无方向 性，因而每个原子有可能同更多 的原子结合，并趋于形成低能量 的密堆结构，当金属受力变形而 改变原子之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。
金属变形时，由金属键结 合的原子可变换相对位置
（3）金属键型晶体的特征 良好的导电、导热性：
自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作 用下）导热。
金属键模型
电子气 金属离子
图 金属键与金属晶体
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
图 金属键与金属晶体
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
问题1：金属具有良好导电、导热性能的原因？ （自由电子的存在）
问题2：金属具有良好延展性的原因？
Pauli不相容原理(Pauli principle) 在一个原子中，不可能存在四个量子数 完全相同的两个电子。
Hund规则(Hund ’s rule) 在同一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
IA
1 H IIA 2 Li Be
碱金属
碱土金属 过渡元素
主族金属
第一节 原子结构
1.1.1 物质的组成
一切物质都是由无数微粒按一定 的方式聚集而成的。这些微粒可能 是分子、原子或离子。
第1章 原子与结构键合教案2
1.1 原子的结构(量子数，电子排布，周期表1.3 原子的性质（半径，电负性） 1.4 化学键的力学模型（原子结构与性质对材 料宏观性质的影响）
弹性模量，熔点，热膨胀系数——原子间作用力 密度——原子量，原子半径，配位数 电导率——化学键
横行→周期，共七个周期。周期的开始对应着电子进入新的壳层， 周期的结束意味着该主量子数的S态和P态已充满。 纵行→族， 18个纵行，7个主族、7个副族、 1个Ⅷ族、1个零族（Inert Gases）。 最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。
原子序数＝核电荷数 周期序数＝电子壳层数 主族序数＝最 外 层 电 子 数 零族元素最外层电子数为8（氦为2） 价电子数（Valence electron）
实际上只要ΔX≠0，都包含一定的离子键成分。计算离子键的所占比例的经验公式：
离子键%=1－exp[-1/4*（XA－XB）2] 式中XA、XB分别为A、B元素的电负性值。
实际材料以一种键合为主，辅以其它键合
四、元素周期表
元素（Element）：具有相同质子数的同一类原子总称，质子数 是划分元素的依据 同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元 素的原子如： C612 ，C613 元素有两种存在状态：游离态和化合态
1869年，俄国化学家门捷列夫发现元素性质是按原子相对质量的增加而呈周期 性变化的，这一重要规律称为原子周期律。 →内部原因是由于原子核外电子的排列随原子序数的增加呈现周期性的变化。 →元素周期表：把所有元素按照相对原子质量及电子分布方式排列成的表； 从根本上揭示了自然界物质的内在联系。
（原子半径和离子半径还与配位数和电负性等其他有关，需要校正。一般 说，配位数高,半径显得大。为便于比较，金属晶体统一折算成配位数为 12的半径，离子晶体统一折算成配位数为6的半径）
材料科学基础复习题及答案
单项选择题：（每一道题1分）第1章原子结构与键合1.高分子材料中的C-H化学键属于。
（A）氢键（B）离子键（C）共价键2.属于物理键的是。
（A）共价键（B）范德华力（C）氢键3.化学键中通过共用电子对形成的是。
（A）共价键（B）离子键（C）金属键第2章固体结构4.面心立方晶体的致密度为 C 。
（A）100% （B）68% （C）74%5.体心立方晶体的致密度为 B 。
（A）100% （B）68% （C）74%6.密排六方晶体的致密度为 C 。
（A）100% （B）68% （C）74%7.以下不具有多晶型性的金属是。
（A）铜（B）锰（C）铁8.面心立方晶体的孪晶面是。
（A）{112} （B）{110} （C）{111}9.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是。
（A）fcc （B）bcc （C）hcp10.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式？（A）复合强化（B）弥散强化（C）固溶强化11.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。
（A）氮（B）碳（C）硼12.以下属于正常价化合物的是。
（A）Mg2Pb （B）Cu5Sn （C）Fe3C第3章晶体缺陷13.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系？（A）垂直（B）平行（C）交叉14.能进行攀移的位错必然是。
（A）刃型位错（B）螺型位错（C）混合位错15.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为。
（A）肖特基缺陷（B）弗仑克尔缺陷（C）线缺陷16.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为（A）肖脱基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛层错17.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是（A）孪晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金18.大角度晶界具有____________个自由度。
（A）3 （B）4 （C）5第4章固体中原子及分子的运动19.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。
（A）距离（B）时间（C）温度20.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为。
材料科学基础课后习题答案1-4章
第一章原子结构与键合1. 主量子数n、轨道角动量量子数l i、磁量子数m i和自旋角动量量子数S i。
2. 能量最低原理、Pauli不相容原理，Hund规则。
3. 同一周期元素具有相同原子核外电子层数，但从左→右，核电荷依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素核外电子数相同，但从上→下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增加，非金属性降低；4. 在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。
5. 52.0576. 73% (Cu63); 27% (Cu65)8. a:高分子材料；b:金属材料；c:离子晶体10．a) Al2O3的相对分子质量为M=26.98×2+16×3=101.961mm3中所含原子数为1.12*1020（个）b) 1g中所含原子数为2.95*1022（个）11. 由于HF分子间结合力是氢键，而HCl分子间结合力是范德化力，氢键的键能高于范德化力的键能，故此HF的沸点要比HCl的高。
第2章固体结构1．每单位晶胞内20个原子2．CsCl型结构系离子晶体结构中最简单一种，属立方晶系，简单立方点阵，Pm3m空间群，离子半径之比为0.167/0.181=0.92265，其晶体结构如图2-13所示。
从图中可知，在<111> 方向离子相接处，<100>方向不接触。
每个晶胞有一个Cs+和一个Cl-，的配位数均为8。
3．金刚石的晶体结构为复杂的面心立方结构，每个晶胞共含有8个碳原子。
金刚石的密度(g/cm3)对于1g碳，当它为金刚石结构时的体积(cm3)当它为石墨结构时的体积(cm3)故由金刚石转变为石墨结构时其体积膨胀4.]101[方向上的线密度为1.6. 晶面族{123}=(123)+(132)+(213)+(231)+(321)+(312)+)231(+)321(+)132(+)312(+)213(+)123(+)321(+)231(+)312(+)132(+)123(+)213(+)312(+)213(+)321(+)123(+)132(+)231(晶向族﹤221﹥=[221]+[212]+[122]+]212[+]122[+]221[+]122[+]212[+]221[+]122[+]221[+]212[7. 晶带轴[uvw]与该晶带的晶面(hkl)之间存在以下关系：hu+kv+lw=0；将晶带轴[001]代入，则h×0+k×0+l×1=0；当l=0时对任何h,k取值均能满足上式，故晶带轴[001]的所有晶带面的晶面指数一般形式为(hk0)。
材料科学基础第1章原子结构和键合
原子能量与原子间距的关系
1.2.5 结合键与性能 1.物理性能 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共、离子键化合物的Tm较高。 密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列 导热、导电性 2.力学性能 弹性模量与结合能有较好的对应关系。 强度 塑性
原子结构
原子结构(atomic structure) 原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。 原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。
核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauli principle)、Hund规则(Hund ’s rule)。
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金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键
陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合
一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力
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聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键
1.2.3 混合键 （补充）
1.2.4 结合键的本质及原子间距（补充） 原子间距：两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离r0相当于原子间的平衡距。 把两个原子平衡距离下的作用能称为原子的结合能（E）。结合能的大小相当于把两原子分开所需做的功，E越大，原子结合越稳定。离子键、共价键的E最大；金属键的次之；范德华力的最小。
1.2.1 化学键（主价键、一次键） 1. 金属键(metallic bond) 1）自由电子—弥漫于金属正离子间 金属原子的外层电子数比较少，且各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 2）定义：由金属正离子和自由电子之间互相作用所构成的键合称为金属键。 3）特点： 电子共有化，无饱和性，无方向性。 4）可以解释金属的一些特征：
814材料科学基础-第一章 原子结构与键合例题讲解
北京科技大学材料科学与工程专业814 材料科学基础主讲人：薛老师第一章 原子结构与键合典型例题讲解1.金属键（01,04年）答：解题思路：是什么？为什么？怎么样？（1）由金属中自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为为金属键。
其强弱和自由电子的多少、离子半径以及电子层结构等许多因素有关；（2）既无饱和性又无方向性，因而原子趋于与更多原子结合，形成低能量的密堆结构；（3）金属键在金属受外力时不易被破坏，因而使得金属具有良好的延展性；（4）公有化电子，且由于存在自由电子，因此金属导电、导热性良好；（5）密堆结构且相对原子质量大，因此金属密度较大。
2 离子键答：（1）金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起，这种结合力就是离子键。
（2）无饱和性、无方向性；（3）正负离子相间排列（4）大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键方式结合。
（5）离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固，因而导致离子晶体熔点和硬度较高；（6）离子晶体中很难产生自由电子，因此导热、导电性差3 结合键有哪几种？分别有什么特点？答：是由原子结合成分子或固体的方式以及结合力的大小。
结合键主要分为化学键和物理键两类。
（1）金属键。
特点：金属自由电子与正离子相互吸引；键能较强；无饱和性与方向性；导电导热性能好，熔点较高。
（2）离子键。
特点：正负离子相互吸引而成；键能很强；无饱和性与方向性；导电导热性能差，熔点、硬度很高。
（3）共价键。
特点：相邻原子的共用电子对结合而成；键能强，有饱和性和方向性；导电导热性差，熔点、硬度较高。
（4）范德瓦尔斯力。
特点：近邻原子间瞬时的电偶极矩作用；键能较弱，大小与相对分子质量有关；无饱和性和方向性；（5）氢键。
特点：氢原子核与相邻分子的引力作用；键能弱；有方向性和饱和性、是一种介于化学键和范德瓦尔斯力之间的键。
第1章 原子结构与键合(1)-原子结构与键合
2.3 混合键
实际的材料内部原子结合键往往是各种键的 混合，结合键也表现出一定的过渡性。 混合，结合键也表现出一定的过渡性。
表 某些陶瓷化合物中混合键特征
化合物中离子键的比例取决于组成元素的电 负件差，电负性相差越大则离子键比例越高。 负件差，电负性相差越大则离子键比例越高。 鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 ：（确定化合物AB 结合的相对值）： 结合的相对值）：
1 (x A x B ) 2 4
离子结合(%) = [1 e]
×100%
(1 - 1)
式中， 分别为化合物组成元素A、 式中，XA、XB分别为化合物组成元素 、B 的电负性数值。 的电负性数值。
混合型晶体——石墨的结构 石墨的结构 混合型晶体
同时含有 共价键和 共价键和 范德瓦耳斯键
石墨晶体结构
金属键
化学键
主价键
一次键
离子键 共价键 范德瓦耳斯力 氢键
物理键
次价键
二次键
2.1 主价键 一、金属键
正离子与充满整个结构中的自由电子气之间的强相互作用。 正离子与充满整个结构中的自由电子气之间的强相互作用。 金属键没有方向性、饱和性。 金属键没有方向性、饱和性。 + + + + + + + + + + 结合能： 结合能： ~50 kcal/mol + + 特点： 特点：电子共有化 金属的导电性、导热性、 金属的导电性、导热性、 延展性都直接起因于金属 键结合（电子气）。 键结合（电子气）。
（二）角量子数
决定原子轨道的形状， 角量子数 l 决定原子轨道的形状 ， 取值为 0、1、 、 、 2….n－1。在多电子原子中，当 n 相同而 l 不同时，电子 不同时， － 。在多电子原子中， 的能量还有差别，又常将一个电子层分为几个亚层。 的能量还有差别，又常将一个电子层分为几个亚层。 n＝1 时，l ＝0，K 层只有 s 亚层； ＝ ， 亚层； n＝2 时，l ＝0、1，L 层有 s、p 亚层； ＝ 、 ， 、 亚层； n＝3 时，l ＝0、1、2，M 层有 s、p、d 亚层 ＝ 、 、 ， 、 、 亚层; n＝4 时，l ＝0、1、2、3，N 层有 s、p、d、f 亚层。 ＝ 、 、 、 ， 、 、 、 亚层。 在多电子原子中， 也决定着原子轨道的能量。 在多电子原子中， l 也决定着原子轨道的能量。当 n 相同时，随 l 的增大，原子轨道的能量升高。 相同时， 的增大，原子轨道的能量升高。
原子结构与键合
原子结构与键合原子结构与键合是化学领域中非常重要的概念。
了解原子结构和键合的基本原理，对于我们理解物质的性质和化学反应过程至关重要。
本文将介绍原子的基本结构、元素周期表以及不同类型的化学键。
一、原子结构原子是构成一切物质的基本单位，由质子、中子和电子组成。
质子和中子位于原子的核心，被称为原子核，而电子则以轨道的形式环绕在核外。
质子带正电荷，中子不带电荷，而电子带负电荷。
原子的质量主要由质子和中子贡献，而电子的质量相对较小可以忽略不计。
质子和电子数量相等时，原子是电中性的。
原子的质量数等于质子和中子的总数，原子的原子序数等于质子的数目。
例如，碳的原子序数为6，表示碳原子有6个质子。
二、元素周期表元素周期表是化学元素按照一定规律排列的表格，用于组织和展示元素的特性。
元素周期表按照原子序数的递增顺序排列，相邻的元素具有相似的化学性质。
元素周期表的每一个水平行称为周期，代表了不同能级的电子壳；每一个垂直列称为族，具有相同的电子外层结构。
元素周期表中的元素按照周期和族的顺序排列，从左至右上升，从上至下递增。
元素周期表上的一些重要区域包括主族元素、过渡金属、稀有气体等。
主族元素位于周期表的左侧和右侧，拥有稳定的外层电子结构。
过渡金属位于周期表中间，具有良好的导电性和催化性能。
稀有气体位于周期表最后一列，具有高度稳定的原子结构。
三、化学键化学键是原子之间的相互作用力，用于将原子联系在一起形成化合物。
常见的化学键包括离子键、共价键和金属键。
离子键是由正负离子之间的静电引力形成的。
当金属原子失去电子并形成阳离子时，非金属原子接受这些电子并形成阴离子，两者之间的电荷吸引力形成离子键。
离子键通常存在于金属与非金属原子之间。
共价键是由共用电子对形成的。
当两个非金属原子之间的电负性差异不大时，它们会共享电子对，形成共价键。
共价键可以形成单、双或三重键，取决于原子间共享的电子数目。
金属键是由金属原子之间的电子云共享形成的。
考研必备之《材料科学基础》学霸笔记
材料科学基础笔记第一章原子结构与键合概述：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。
为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。
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（原子结构直接影响原子间的结合方式）3 原子的电子结构3.1电子既有粒子性又具有波动性，具有波粒二象性。
3.2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（一般能量低的趋向近轨道,r较小，反之则反），即表示电子所处的量子壳层。
如K、L、M…，n=1,2,3；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…（0，1，2，…n-1）；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*只有n,l决定能量和能级3.3能级和能级图把电子不同状态对应着相同能量的现象称为简并。
将所有元素的各种电子态（n，l）按能量水平排列成能级图。
3.4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，即不能有上述四个量子数都相同的两个电子；c 洪德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（尽可能保持自旋不成对）；3.5 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。
材料科学基础复习.
积
第三章 典型金属晶体结构
基本参数
点阵常数
fcc
2 R a 4
bcc
3 R a 4
1/ 8 8 1 2
hcp
R 1 a 2
晶胞内原子数 1 / 8 8 1 / 2 6 4 配位数 致密度 最近原子间距
12 0.74 8
1 / 6 12 1 / 2 2 3 6
材料科学基础复习
2019/4/14
第一章 原子结构与键合
◆ 原子的电子结构 核外电子排布规律：能量最低原理、泡利（ Pauli ）不 相容原理、洪德（ Hund ）法则。 要求： 熟悉且能写出一般 元素的核外电子排布式。如C、O、N、Na、Mg、Al等。 ◆ 原子间的键合
物理键：范德华力、氢键
主要依靠原子间的偶极吸引力结合 化学键：金属键、离子键、共价键（极性和非极性）
2
2
2
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第四章 晶体缺陷
例：
b1 a[100]
a b 2 [101] 2
b1 a
a b2 2
1 0 0 a
1
2
2
2
2
0
2
1
2
2 a 2
a b 2 [101] 2
b1 a[100]
第四章 晶体缺陷
根据位错理论的提出背景，当位错受到力的作用时，会 发生运动。
扩散的热力学理论
第五章 固体材料中的扩散
诱发原因：
1）弹性应力场的作用：应力梯度抵消了浓度梯度。 2）电场、磁场的作用：电场、磁场对带电粒子的运动产生影响。
3）晶界内吸附作用：溶质原子向晶界偏聚。
4）调 幅 分 解：典型的化学位梯度与浓度梯度方向相反。
原子结构与键合
束缚）,并在整个晶体内运动，形成电子云。这种由
金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属
键。
特点：既无饱和性又无方向性。 性质：良好导电、导热性能，延展性好
6
二、离子键
多数盐类、碱类和金属氧化物
实质: 金属原子 非金属原子 带正电的正离子（Cation） 带负电的负离子（Anion） 静电引力离 子键
第一章
原子结构与键合
四大量子数
主量子数n
-----决定电子能量，与核平均距离。 轨道角动量量子数li -----给出电子在同一壳层内所处的能级。 磁量子数mi -----给出每个轨道角动量子数的能级数或轨道数。 自旋角动量量子数si -----给出电子不同的自旋方向。
2
电子排布规则
不溶于任何溶剂，也不 能熔融,一旦受热固化便不 能改变形状—热固性 （Thermosetting）
21
四、高分子链的构型
链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之
须通过化学键断裂才行
22
旋光异构体（Optical
isomerism） CH2 ─ CHR 由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种 旋光异构单元 ，有三种排列方式:
17
3.元素有机高分子
主链中不含C原子，而由Si、
B 、P 、Al、 Ti 、As等元 素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有 机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高 弹性和可塑性，如硅橡胶等。
4.无机高分子
主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元 素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量 不高，并易水解。
1-7章材基材料科学基础名词解释
第一章原子结构结合键结合键分为化学键和物理键两大类，化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。
化学键是指晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用。
金属键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。
离子键阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键共价键由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。
范德华力是借助临近原子的相互作用而形成的稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
氢键氢与电负性大的原子（氟、氧、氮等）共价结合形成的键叫氢键。
近程结构高分子重复单元的化学结构和立体结构合称为高分子的近程结构。
它是构成高分子聚合物最底层、最基本的结构。
又称为高分子的一级结构远程结构由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状称为高分子的远程结构第二章固体结构1、晶体：原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质。
晶体熔化时具固定的熔点，具有各向异性。
2、非晶体：原子是无规则排列的固体物质。
熔化时没有固定熔点，存在一个软化温度范围，为各向同性。
3、晶体结构：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。
4、空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。
5、阵点：把实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体，并将其中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。
6、晶胞：为了说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具有代表性的单基本元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
7、晶系：根据六个点阵参数间的相互关系，将全部空间点阵归属于7中类型，即7个晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。
13、晶带轴：所有平行或相交于某一晶向直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。
属于此晶带的晶面称为共带面。
14、晶面间距：晶面间的距离。
18、点群：点群是指一个晶体中所有点对称元素的集合。
《材料科学基础》复习试题及部分答案
单项选择题：第1章原子结构与键合1.高分子材料中的C-H化学键属于。
（A）氢键（B）离子键（C）共价键2.属于物理键的是。
（A）共价键（B）范德华力（C）离子键3.化学键中通过共用电子对形成的是。
（A）共价键（B）离子键（C）金属键第2章固体结构4.以下不具有多晶型性的金属是。
（A）铜（B）锰（C）铁5.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是。
（A）fcc （B）bcc （C）hcp6.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。
（A）氮（B）碳（C）硼7.面心立方晶体的孪晶面是。
（A）{112} （B）{110} （C）{111}8.以下属于正常价化合物的是。
（A）Mg2Pb （B）Cu5Sn （C）Fe3C第3章晶体缺陷9.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为。
（A）肖特基缺陷（B）弗仑克尔缺陷（C）线缺陷10.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为。
（A）肖脱基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛层错11.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系是？（A）垂直（B）平行（C）交叉12.能进行攀移的位错必然是。
（A）刃型位错（B）螺型位错（C）混合位错13.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是（A）孪晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金14.大角度晶界具有____________个自由度。
（A）3 （B）4 （C）5第4章固体中原子及分子的运动15.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。
（A）距离（B）时间（C）温度16.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为。
（A）原子互换机制（B）间隙机制（C）空位机制17.固体中原子和分子迁移运动的各种机制中，得到实验充分验证的是（A）间隙机制（B）空位机制（C）交换机制18.原子扩散的驱动力是。
（4.2非授课内容）（A）组元的浓度梯度（B）组元的化学势梯度（C）温度梯度19.A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A试样方向移动，则。
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Pauli不相容原理（PauliExclusion principle): 2n2
全充满
Hund原则（Hund' Rule)半 全充 空满
自旋方向相同
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三、元素周期表（periodic Table of the Elements)
• 元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元 素的依据
同 周 期 元 素 ： 左 电 离 能 ↑ ， 核 失 电 电 荷 子 ↑ ， 能 原 力 子 ↓ ， 半 得 径 电 ↓ 子 能 力 ↑ 右 ， 金 属 性 ↓ ， 非 金 属 性 ↑ 同 主 族 元 素 ： 上 最 外 电 层 离 电 能 子 ↓ ， 数 失 相 电 同 子 ， 能 电 力 子 ↑ ， 层 得 数 ↑ 电 ， 子 原 能 子 力 半 ↓ 径 ↑ 下 ， 金 属 性 ↑ ， 非 金 属 性 ↓
自旋角动量量子数si：表示电子自旋（spin
moment）的方向，取值为＋1或-1 22
• 核外电子的排布（electron configuration)规律
能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层
1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-
物质(Substance)是由原子（atom）组成 在材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构—原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子
材料性能：物 化 力学
※1原子结构 （Atomic Structure ）
一、物质的组成（Substance Construction） 物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性
材料的微观结构（Microstructure of Materials）
决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构， 原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规 律，以及原子集合体的形貌特征
第一章原子结构和键合
Atomic Structure and Interatomic Bonding
dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒
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二、原子的结构
• 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
• 18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族（ Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。
原子序数＝核电荷数
周期序数＝电子壳层数
主族序数＝最 外 层 电 子 数
零族元素最外层电子数为8（氦为2）
价电子数（Valence electron）
Байду номын сангаас
物 理 键 （ physicalbonding), 次 共 价 价 键 键 (（ Seccoovnadlaernytb bo on nd di in ng g) ） ， 亦 称 VanderWaalsbonding
氢 键 （ Hydrogen-bonding) 介 于 化 学 键 和 范 德 华 力 之 间
N.Bohr将 R M u . t P h l e a r n f k o 和 r d A . E 原 i n 子 s t 有 e i 核 n 量 模 子 型 论 原 子 结 构 的 量 子 理 论
• Bohr atomic model
原 子 （ atom) rH = 3 . 7 1 0 -2 n m rAl = 1 . 4 3 1 0 -1 n m
原 子 核 （ nucleus)： 位 于 原 子 中 心 、 带 正 电 中 质 子 子 （ （ n pe ru ot tr oo nn ） ） ： ： 正 电 电 中 荷 性 mm＝ ＝ 11..66772468× × 1100-- 22 77kkgg
电 子 （ electron） ： 核 外 高 速 旋 转 ， 带 负 电 ， 按 能 量 高 低 排 列 ， 如 电 子 云 （ electron cloud）
轨道动量量子数li：与 sh电 ap子 e运 of动 t的 he角 e动 le量 ct有 ro关 n， su取 bs值 he为 ll0，1，2， n1, s，p，d，f
磁量子数mi：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-li，-(li1),1,0,1,li
spatial orientationof anelectroncloud
m＝ 9.109510-31kg， 约 为 质 子 的 1/1836
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描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示
主量子数ni：决 el定 ec原 tr子 on中s电 he子 ll能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q
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• ※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom)
金 属 键 （ Metallic bonding）
化 学 键 （ Chemicalbonding） 离 子 键 （ Ionicbonding）主 价 键 primaryinteratomicbonds
• 同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子
• •
元素有两种存在状态：游C离162， 态和C16化3，合C态164（Free State& Combined Form)
• 7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)递增的 顺序从左至右排列
一、金属键（Metallic bonding）
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云 （electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键