《材料科学基础讲义》PPT课件
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• Melting Temperature, Tm
Tm is larger if Eo is larger.
.
10
• Elastic modulus, E
Elastic modulus
F A
=
o
E
Baidu NhomakorabeaL Lo
• E ~ curvature at ro Energy
unstretched length
ro r
2）共价键(covalent bonding)： 相邻原子共享电子对 来达到稳定结构-----SiO2 熔点高、强度高、塑性低
3）金属键(metallic bonding)： 金属原子容易失去外层价电子形成 阳离子在空间整齐排列，远离核的 电子在正离子之间形成“电子气” 导电、导热、塑性好、固溶能力强
作用力为零的平衡距离下位能达到最低值，系统最稳定
结合能(Bonding energy): Eo,平衡距. 离下的作用能
6
Chapter 1 The structure of crystalline solids
1.2一次键(primary bonding) 1）离子键(ionic bonding)： NaCl 金属和非金属原子分别形成正负离子， 结合力强 熔点高、强度高、塑性低
(Bonding forces and energies) 吸引力(attractive force, Fa)
排斥力(repulsive force, Fr) 合力(net force, Fn):
Fn=Fa+ Fr
位能(potential energy):
r
r
r
E F n d r F a d r F rd r E a E r
材料﹑能源﹑信息
新材料，信息技术和生物技术
材料的发展史
原始社会
奴隶社会
封建社会
资本主义社会
石器时代
(陶器时代)
青铜器时代
铁器时代
新材料时代
{
中华民族处于世界领先地位
.
3
分析方法与手段
❖ 光学显微镜（1863），2000倍，金相学
电子显微镜（1932），几十万倍
扫描隧道显微镜（1981）
观察，移动和重新排列原子
2.2 单晶体（single crystal） 如果晶体周期性的规则排列贯穿整个试样而没有中断，则形成单晶 2.3 多晶体材料（polycrystalline materials） 如果材料是由小晶体或晶粒组成，则称其为多晶体材料。
E is larger if Eo is larger.
smaller Elastic Modulus
larger Elastic Modulus
.
1161
• Coefficient of thermal expansion, a
coeff. thermal expansion
L Lo
= a (T2-T 1)
氢键（hydrogen bonding） 类似于范德瓦耳斯键，结合力较范德瓦耳斯键强。 氢原子起关键作用
.
8
Chapter 1 The structure of crystalline solids
Bonding energies and melting temperatures
.
9
PROPERTIES FROM BONDING: TM
.
13
Chapter 1 The structure of crystalline solids
2．原子的排列(arrangement of atoms) 2.1 晶体和非晶体（crystalline and
noncrystalline materials） 晶体（crystalline solids）
材料科学基础
Foundations of Materials Science
.
1
材料科学的发展概况
金属材料
{ 按照物理化学属性
无机非金属材料 高分子材料
复合材料
{ 按用途
电子材料，航空航天材料，核材料
建筑材料，能源，生物材料等等
{ 其它分类
结构材料和功能材料
传统材料和新型材料
.
2
材料的重要性
三大支柱与重要标志
.
7
Chapter 1 The structure of crystalline solids
1.3二次键(secondary bonding) 范德瓦耳斯键（van der Waals bonding） 如果原子的正电荷中心和负电荷中心不重叠，则产生一个偶极矩。 这种偶极矩所产生的原子间结合力-----范德瓦耳斯键 结合力较弱，塑料、石蜡等
费曼语录：如何将信息储存到一个微小的尺度？另人惊讶的是 自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅30个原子 就隐藏了不可思议的遗传信息。。。如果有一天人们能够按照 自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。
.
4
材料工作者面临的任务
开发新材料
挖掘现有材料的潜力
成分 合 成 /加 工
性能
受环境影响 （气氛﹑温度﹑受力状态）
原子按一定方式在三维空间内 周期性地规则重复排列
固定的熔点，各向异性等
非晶体（noncrystalline solids, amorphous materials）
原子没有长程的周期排列 无固定的熔点，各向同性等
.
14
Chapter 1 The structure of crystalline solids
• a ~ asymmetry at ro
a is larger if Eo is smaller.
.
1172
Ceramics
(Ionic & covalent bonding):
Metals
(Metallic bonding):
Large bond energy
large Tm large E small a
组织结构
理论﹑材料 或工艺设计
使用效能
.
5
第一章 材料的晶体结构
(Chapter 1 The structure of crystalline solids)
§1.1 材料结构的基本知识 (Fundamental concepts)
1 原子结合键(atomic bonding) 1.1 结合键和能量
Variable bond energy
moderate Tm moderate E moderate a
Polymers
(Covalent & Secondary):
Directional Properties
Secondary bonding dominates small Tm small E large a
Tm is larger if Eo is larger.
.
10
• Elastic modulus, E
Elastic modulus
F A
=
o
E
Baidu NhomakorabeaL Lo
• E ~ curvature at ro Energy
unstretched length
ro r
2）共价键(covalent bonding)： 相邻原子共享电子对 来达到稳定结构-----SiO2 熔点高、强度高、塑性低
3）金属键(metallic bonding)： 金属原子容易失去外层价电子形成 阳离子在空间整齐排列，远离核的 电子在正离子之间形成“电子气” 导电、导热、塑性好、固溶能力强
作用力为零的平衡距离下位能达到最低值，系统最稳定
结合能(Bonding energy): Eo,平衡距. 离下的作用能
6
Chapter 1 The structure of crystalline solids
1.2一次键(primary bonding) 1）离子键(ionic bonding)： NaCl 金属和非金属原子分别形成正负离子， 结合力强 熔点高、强度高、塑性低
(Bonding forces and energies) 吸引力(attractive force, Fa)
排斥力(repulsive force, Fr) 合力(net force, Fn):
Fn=Fa+ Fr
位能(potential energy):
r
r
r
E F n d r F a d r F rd r E a E r
材料﹑能源﹑信息
新材料，信息技术和生物技术
材料的发展史
原始社会
奴隶社会
封建社会
资本主义社会
石器时代
(陶器时代)
青铜器时代
铁器时代
新材料时代
{
中华民族处于世界领先地位
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分析方法与手段
❖ 光学显微镜（1863），2000倍，金相学
电子显微镜（1932），几十万倍
扫描隧道显微镜（1981）
观察，移动和重新排列原子
2.2 单晶体（single crystal） 如果晶体周期性的规则排列贯穿整个试样而没有中断，则形成单晶 2.3 多晶体材料（polycrystalline materials） 如果材料是由小晶体或晶粒组成，则称其为多晶体材料。
E is larger if Eo is larger.
smaller Elastic Modulus
larger Elastic Modulus
.
1161
• Coefficient of thermal expansion, a
coeff. thermal expansion
L Lo
= a (T2-T 1)
氢键（hydrogen bonding） 类似于范德瓦耳斯键，结合力较范德瓦耳斯键强。 氢原子起关键作用
.
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Chapter 1 The structure of crystalline solids
Bonding energies and melting temperatures
.
9
PROPERTIES FROM BONDING: TM
.
13
Chapter 1 The structure of crystalline solids
2．原子的排列(arrangement of atoms) 2.1 晶体和非晶体（crystalline and
noncrystalline materials） 晶体（crystalline solids）
材料科学基础
Foundations of Materials Science
.
1
材料科学的发展概况
金属材料
{ 按照物理化学属性
无机非金属材料 高分子材料
复合材料
{ 按用途
电子材料，航空航天材料，核材料
建筑材料，能源，生物材料等等
{ 其它分类
结构材料和功能材料
传统材料和新型材料
.
2
材料的重要性
三大支柱与重要标志
.
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Chapter 1 The structure of crystalline solids
1.3二次键(secondary bonding) 范德瓦耳斯键（van der Waals bonding） 如果原子的正电荷中心和负电荷中心不重叠，则产生一个偶极矩。 这种偶极矩所产生的原子间结合力-----范德瓦耳斯键 结合力较弱，塑料、石蜡等
费曼语录：如何将信息储存到一个微小的尺度？另人惊讶的是 自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅30个原子 就隐藏了不可思议的遗传信息。。。如果有一天人们能够按照 自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。
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材料工作者面临的任务
开发新材料
挖掘现有材料的潜力
成分 合 成 /加 工
性能
受环境影响 （气氛﹑温度﹑受力状态）
原子按一定方式在三维空间内 周期性地规则重复排列
固定的熔点，各向异性等
非晶体（noncrystalline solids, amorphous materials）
原子没有长程的周期排列 无固定的熔点，各向同性等
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14
Chapter 1 The structure of crystalline solids
• a ~ asymmetry at ro
a is larger if Eo is smaller.
.
1172
Ceramics
(Ionic & covalent bonding):
Metals
(Metallic bonding):
Large bond energy
large Tm large E small a
组织结构
理论﹑材料 或工艺设计
使用效能
.
5
第一章 材料的晶体结构
(Chapter 1 The structure of crystalline solids)
§1.1 材料结构的基本知识 (Fundamental concepts)
1 原子结合键(atomic bonding) 1.1 结合键和能量
Variable bond energy
moderate Tm moderate E moderate a
Polymers
(Covalent & Secondary):
Directional Properties
Secondary bonding dominates small Tm small E large a