材料科学与工程基础1详解
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由两个原子轨道有效组合成分子轨道时，必须满足能量相近、 轨道最大重叠、对称性匹配这三个条件
2、费米能级 在绝对零度时，电子对能态的填充是从最低能级
一直填充到称为费米能级EF的最大能级的。由此， 费米能级表示的是金属在绝对零度时的最高填充能 级。在热平衡时，电子气体中电子处在能量为E的 状态的几率可用费米能级进行描述。
对于自由电子来说，在 K空间中，等能面是球面。 而E=EF的等能面，称为费 米面，它是，其半径
kF 2mEF /
粘流温度。并有热塑性和热固性两类； ３.力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态、强度较高； ４.重量轻； ５.良好的绝缘性； ６.优越的化学稳定性； ７.成型方法较多。
复合材料 由二种或二种以上组分组成，并具有与其组成不 同的新的性能的材料称为复合材料。 基本特点：
１.比强度和比模量高； ２.良好的抗疲劳性能； ３.耐烧蚀性和耐高温性好； ４.结构件减振性能好； ５.具有良好的减摩、耐磨和自润滑性能。
电子在其原子或分子中的分布受到外界条件的影 响产生分布不均匀而引起原子或分子的极性结合 a. 分子间力 b .氢键结合 3. 各种键型的比较 4. 原子间距和空间排列
两个相邻原子中心的平衡距离可以认为是两个原子的半径和 影响原子间距(或离子半径)的因素: 温度、离子价、相邻的原 子数目
离子Βιβλιοθήκη Baidu合的配位数。 （a）在每个镁离子（Mg2+）周围最多有6个氧离子（O2）。 （b）位于O2-间的Si4+的配位数只有4，因为其离子大小比
1）各原子的内层电子状态基本上不受其它原子的影响； 2） 形成共价键和金属键时，外层电子的能级分裂成多个
（分子）或大量的（晶体） 相距甚近（即能量差甚小）的 新能级，形成一个近乎连续的能带； 3）外层（键合）电子的能量、角动量等力学量仍然只能取一 些分立值，用分子量子数表示
1、杂化轨道和分子轨道理论
值小于0.414
配位数与最小半径比
配位数 3重 4重 6重
8重 12 重
半径比 r/R 0.155 0.225 0.414
0.732 1.0
2-4 多原子体系中电子的相互作用与稳定性
分析由大量原子组成的晶体的基本出发点是薛定谔方程和泡利 不相容原理，即由薛定谔方程解出表征电子状态的波函数。 在分析多原子系统时须作一些简化（或近似）的处理，得如 下结果：
材料科学与工程 第一章 绪论
1-1 材料的定义、分类及基本性质
▪ 定义: 满足指定工作条件下使用要求的物质
▪ 分类 按结合键分: 金属材料、高分子材料、无机非
▪
金属以及半导体材料
▪ 按材料特性分: 金属材料、无机非金属料材料和
▪
有机高分子材料、复合材料
▪ 按材料作用分: 结构材料、功能材料
▪ 按使用领域分: 建筑材料、电子材料、医用材
▪
料等
价键四面体
金属材料
基本特性： １、结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构； ２、金属在常温下一般为固体、熔点较高； ３、具有金属光泽； 4、纯金属范性大，展性、延性也大； ５、强度较高； ６、自由电子的存在，金属的导热和导电性好； ７、多数金属在空气中易被氧化
无机非金属材料
包括：陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料 生产过程：过原料处理——成型——锻烧三阶段 陶瓷基本特性：
杂化轨道：原子在化合成分子的过程中，原有（能量相近） 的原子轨道线性地组合成新的原子轨道，称为杂化轨道，但 轨道数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改变。 原子轨道经杂化后，可使成键的相对强度加大。
分子轨道：分子中每个电子是在各个原子核和其余电子组成的 势能中运动，它的运动状态可用分子轨道描述（波函数）。 分子轨道可近似地用能量相近的原子轨道组合得到。轨道数 不变，能量改变。
1-2 材料科学与工程概述
１、材料科学的由来
２、材料科学与工程的性质与范围 性质与范围： 是关于材料组成、结构、制备工 艺与其性能及使用过程间相互关系的科学
３、材料科学在工程中的应用
第二章 物质结构基础
2.1、物质的组成、状态及材料结构
1、物质的组成和状态 ２、材料结构的涵义
静止锭型浇铸（a） 某种纯金属铸锭组织（b）
2.2 物质的原子结构
1、量子力学的几个基本概念
a. 微观粒子的波粒两象性 Ε=hυ=(h/2π)ω p = hυ/c = h/λ= (h/2π)k
b 海森堡测不准原理 ΔxΔp≈ h/2π ΔEΔt≈ h/2π
c. 薛定谔方程 在量子力学中微观粒子具有波动性，并且是一
种统计意义下的几率波。它是位置和时间的函数， 写为（x,y,z,t）或（r,t），称为波函数。几率波 的强度应与 [（r,t )]2 成正比.
１.结合键主要是离子键、共价键以及它们的混合键； ２.硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感； ３.熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能； ４.自由电子数目少、导热性和导电性较小； ５.耐化学腐蚀性好； ６.耐磨损； ７.成型方式为粉末制坯、烧结成型。
高分子材料 基本特性： １.结合键主要为共价键，有部分范德瓦尔斯键； ２.分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、
f (E)
1
EEF
e kBT 1
式中f(E)称为费米分布函数，EF即是费米能量或 化学势
分布函数f具有下列性质： 当T=0K, 若E<EF，f（E）=1；
而E>EF，f（E）=0； 当T >0K，若E=EF，f（E）=1/2；
而E>EF，f（E） > 0； 若E<EF，f（E） < 1
可见，当T > 0K时，在EF附近的少量电子（比EF小kBT）因 吸收热能而跃迁到能量较高的状态。在室温下kBT ≈0.025ev, 而EF有几个电子伏特，即kBT ≈10-2 EF，因此只有少量和EF接 近的电子能跃迁。
微观粒子的状态用波函数ψ（r，t）描述， 当时间改变时粒子状态（波函数）将按照薛定谔 （Schrodinger）方程进行变化.
ih
t
(r
,
t
)
2
2m
2
U
r,
t
2. 原子核结构 3. 原子核外电子
2.3 原子之间相互作用和结合
1.基本键合(化学键合) a. 离子键合 b. 共价键合 c. 金属键合 d. 混合键合 2.派生键合(物理键合)
2、费米能级 在绝对零度时，电子对能态的填充是从最低能级
一直填充到称为费米能级EF的最大能级的。由此， 费米能级表示的是金属在绝对零度时的最高填充能 级。在热平衡时，电子气体中电子处在能量为E的 状态的几率可用费米能级进行描述。
对于自由电子来说，在 K空间中，等能面是球面。 而E=EF的等能面，称为费 米面，它是，其半径
kF 2mEF /
粘流温度。并有热塑性和热固性两类； ３.力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态、强度较高； ４.重量轻； ５.良好的绝缘性； ６.优越的化学稳定性； ７.成型方法较多。
复合材料 由二种或二种以上组分组成，并具有与其组成不 同的新的性能的材料称为复合材料。 基本特点：
１.比强度和比模量高； ２.良好的抗疲劳性能； ３.耐烧蚀性和耐高温性好； ４.结构件减振性能好； ５.具有良好的减摩、耐磨和自润滑性能。
电子在其原子或分子中的分布受到外界条件的影 响产生分布不均匀而引起原子或分子的极性结合 a. 分子间力 b .氢键结合 3. 各种键型的比较 4. 原子间距和空间排列
两个相邻原子中心的平衡距离可以认为是两个原子的半径和 影响原子间距(或离子半径)的因素: 温度、离子价、相邻的原 子数目
离子Βιβλιοθήκη Baidu合的配位数。 （a）在每个镁离子（Mg2+）周围最多有6个氧离子（O2）。 （b）位于O2-间的Si4+的配位数只有4，因为其离子大小比
1）各原子的内层电子状态基本上不受其它原子的影响； 2） 形成共价键和金属键时，外层电子的能级分裂成多个
（分子）或大量的（晶体） 相距甚近（即能量差甚小）的 新能级，形成一个近乎连续的能带； 3）外层（键合）电子的能量、角动量等力学量仍然只能取一 些分立值，用分子量子数表示
1、杂化轨道和分子轨道理论
值小于0.414
配位数与最小半径比
配位数 3重 4重 6重
8重 12 重
半径比 r/R 0.155 0.225 0.414
0.732 1.0
2-4 多原子体系中电子的相互作用与稳定性
分析由大量原子组成的晶体的基本出发点是薛定谔方程和泡利 不相容原理，即由薛定谔方程解出表征电子状态的波函数。 在分析多原子系统时须作一些简化（或近似）的处理，得如 下结果：
材料科学与工程 第一章 绪论
1-1 材料的定义、分类及基本性质
▪ 定义: 满足指定工作条件下使用要求的物质
▪ 分类 按结合键分: 金属材料、高分子材料、无机非
▪
金属以及半导体材料
▪ 按材料特性分: 金属材料、无机非金属料材料和
▪
有机高分子材料、复合材料
▪ 按材料作用分: 结构材料、功能材料
▪ 按使用领域分: 建筑材料、电子材料、医用材
▪
料等
价键四面体
金属材料
基本特性： １、结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构； ２、金属在常温下一般为固体、熔点较高； ３、具有金属光泽； 4、纯金属范性大，展性、延性也大； ５、强度较高； ６、自由电子的存在，金属的导热和导电性好； ７、多数金属在空气中易被氧化
无机非金属材料
包括：陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料 生产过程：过原料处理——成型——锻烧三阶段 陶瓷基本特性：
杂化轨道：原子在化合成分子的过程中，原有（能量相近） 的原子轨道线性地组合成新的原子轨道，称为杂化轨道，但 轨道数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改变。 原子轨道经杂化后，可使成键的相对强度加大。
分子轨道：分子中每个电子是在各个原子核和其余电子组成的 势能中运动，它的运动状态可用分子轨道描述（波函数）。 分子轨道可近似地用能量相近的原子轨道组合得到。轨道数 不变，能量改变。
1-2 材料科学与工程概述
１、材料科学的由来
２、材料科学与工程的性质与范围 性质与范围： 是关于材料组成、结构、制备工 艺与其性能及使用过程间相互关系的科学
３、材料科学在工程中的应用
第二章 物质结构基础
2.1、物质的组成、状态及材料结构
1、物质的组成和状态 ２、材料结构的涵义
静止锭型浇铸（a） 某种纯金属铸锭组织（b）
2.2 物质的原子结构
1、量子力学的几个基本概念
a. 微观粒子的波粒两象性 Ε=hυ=(h/2π)ω p = hυ/c = h/λ= (h/2π)k
b 海森堡测不准原理 ΔxΔp≈ h/2π ΔEΔt≈ h/2π
c. 薛定谔方程 在量子力学中微观粒子具有波动性，并且是一
种统计意义下的几率波。它是位置和时间的函数， 写为（x,y,z,t）或（r,t），称为波函数。几率波 的强度应与 [（r,t )]2 成正比.
１.结合键主要是离子键、共价键以及它们的混合键； ２.硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感； ３.熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能； ４.自由电子数目少、导热性和导电性较小； ５.耐化学腐蚀性好； ６.耐磨损； ７.成型方式为粉末制坯、烧结成型。
高分子材料 基本特性： １.结合键主要为共价键，有部分范德瓦尔斯键； ２.分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、
f (E)
1
EEF
e kBT 1
式中f(E)称为费米分布函数，EF即是费米能量或 化学势
分布函数f具有下列性质： 当T=0K, 若E<EF，f（E）=1；
而E>EF，f（E）=0； 当T >0K，若E=EF，f（E）=1/2；
而E>EF，f（E） > 0； 若E<EF，f（E） < 1
可见，当T > 0K时，在EF附近的少量电子（比EF小kBT）因 吸收热能而跃迁到能量较高的状态。在室温下kBT ≈0.025ev, 而EF有几个电子伏特，即kBT ≈10-2 EF，因此只有少量和EF接 近的电子能跃迁。
微观粒子的状态用波函数ψ（r，t）描述， 当时间改变时粒子状态（波函数）将按照薛定谔 （Schrodinger）方程进行变化.
ih
t
(r
,
t
)
2
2m
2
U
r,
t
2. 原子核结构 3. 原子核外电子
2.3 原子之间相互作用和结合
1.基本键合(化学键合) a. 离子键合 b. 共价键合 c. 金属键合 d. 混合键合 2.派生键合(物理键合)