材料科学基础绪论第一章
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材料科学基础绪论
高分子材料
现代工业的三大材料体系
材料科学与工程 学科划分的依据
（一）金属材料
• 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以 金属为基的合金，最简单的金属材料是纯金属。
由电子壳层完全填满或完全空着的元素 结合键为金属键
元素 周期 表中 的金 属元 素
简单金属
过渡族金属
• 内电子壳层未完全填满的元素属 • 结合键为金属键和共价键的混合键，但 以金属键为主
夏朝以前就开始了青铜的冶炼
18世纪后，由于工业的迅速发展，对材料特别是钢铁的需求急剧增长， 在物理学、化学、材料力学等学科的基础上，金属学应运而生。 近一百多年来，由于显微镜、X射线技术、电子显微镜等新仪器和新技 术的相继出现和发展，金属学得到了长足的进步。
高分子材料的早期发展较为缓慢。人类最初使用的高分子材料是天然 的木材，皮革和纤维。后来发明了造纸、养蚕、制胶技术。19世纪开 始生产橡胶，直到20世纪后才有了快速发展。
材料科学基础
绪论
第一章 材料结构的基本知识 第二章 材料中的晶体结构 第三章 高分子材料的结构 第四章 晶体缺陷
第五章 材料的相结构及相图
第六章 扩散与固态相变 第七章 材料的变形与断裂 第八章 固体材料的电子结构与物理性能
绪论
材料
现代文明的三大支柱
能源
信息
新材料被视为新技术 革命的基础和先导。
材料的重要性正在得到全社会 的承认和重视。
一、人类生活中的材料
• 我们的周围到处都是材料。事实上，材料是我们衣食住行的必备条件， 是人类一切生活和生产活动的物质基础 • 人类文明史中的石器时代、铜器时代、铁器时代就是按当时生产活动 中所使用的代表性材料作为依据划分的 • 材料与食物、居住空间、能源和信息共同组成人类生活的基本资源， 不仅在我们的日常生活中，而且对国家的繁荣和安全也起着举足轻重 的作用 材料是用来制造各种产品的物质，这些物质能用来生产和构成功 能更多、更强大的产品。 ۩从广泛的意义上说，人类使用的材料可以看作是一个流动着的巨大循环 体系，一个全球性的、时空无限的循环系统。
现代工业的三大材料体系
材料科学与工程 学科划分的依据
（一）金属材料
• 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以 金属为基的合金，最简单的金属材料是纯金属。
由电子壳层完全填满或完全空着的元素 结合键为金属键
元素 周期 表中 的金 属元 素
简单金属
过渡族金属
• 内电子壳层未完全填满的元素属 • 结合键为金属键和共价键的混合键，但 以金属键为主
夏朝以前就开始了青铜的冶炼
18世纪后，由于工业的迅速发展，对材料特别是钢铁的需求急剧增长， 在物理学、化学、材料力学等学科的基础上，金属学应运而生。 近一百多年来，由于显微镜、X射线技术、电子显微镜等新仪器和新技 术的相继出现和发展，金属学得到了长足的进步。
高分子材料的早期发展较为缓慢。人类最初使用的高分子材料是天然 的木材，皮革和纤维。后来发明了造纸、养蚕、制胶技术。19世纪开 始生产橡胶，直到20世纪后才有了快速发展。
材料科学基础
绪论
第一章 材料结构的基本知识 第二章 材料中的晶体结构 第三章 高分子材料的结构 第四章 晶体缺陷
第五章 材料的相结构及相图
第六章 扩散与固态相变 第七章 材料的变形与断裂 第八章 固体材料的电子结构与物理性能
绪论
材料
现代文明的三大支柱
能源
信息
新材料被视为新技术 革命的基础和先导。
材料的重要性正在得到全社会 的承认和重视。
一、人类生活中的材料
• 我们的周围到处都是材料。事实上，材料是我们衣食住行的必备条件， 是人类一切生活和生产活动的物质基础 • 人类文明史中的石器时代、铜器时代、铁器时代就是按当时生产活动 中所使用的代表性材料作为依据划分的 • 材料与食物、居住空间、能源和信息共同组成人类生活的基本资源， 不仅在我们的日常生活中，而且对国家的繁荣和安全也起着举足轻重 的作用 材料是用来制造各种产品的物质，这些物质能用来生产和构成功 能更多、更强大的产品。 ۩从广泛的意义上说，人类使用的材料可以看作是一个流动着的巨大循环 体系，一个全球性的、时空无限的循环系统。
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案第一章绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z 轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
材料科学基础 顾宜版 第一章绪论
主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机 涂层、无机纤维等。
4. 复合材料
复合材料是由两种或两种以上化学成分或组织结构不同的材 料组合而成。
复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。基体相是 一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体， 并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料） 和显示功能（功能复合材料）的作用。（教材表1-1）
第三次工业革命…
材料是当代文明的三大支柱之一
材料、能源、信息是当代社会文明和国民经
济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展
的物质基础和技术先导。
材料是全球新技术革命的四大标志之一（新 材料技术、新能源技术、信息技术、生物技 术）。
未来最具潜力的新材料 1、石墨烯
突破性：非同寻常的导电性能、极低的电阻率极低和极快的电子迁移 的速度、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。 发展趋势：2010年诺贝尔物理学奖造就近年技术和资本市场石墨烯炙 手可热，未来5年将在光电显示、半导体、触摸屏、电子器件、储能 电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、复合材料、生物医药 等领域将爆发式增长。
复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应 使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性
能。
复合材料的分类
按基体材料分类：金属基复合材料，陶瓷基复合材
料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，
橡胶基复合材料等；
按增强体的维度可分为粒子、纤维及层状复合材料；
0.2.2 按材料的性能分类
主导材料作为标志，称当时所处的时代分别为石器 时代、青铜器时代和铁器时代。 在近代，材料的种类及其繁多，各种新材料不断 涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。
材料科学基础 绪论和第一章
11924B
一、材料科学的重要地位
表0-1 人类使用材料的
11924B
二、各种材料概况
1.金属材料 2.陶瓷材料 3.电子材料、光电子材料和超导材料
11924B
1.金属材料
图0-1 汽车中各种材料的大致比例
11924B
1.金属材料
图0-2 波音767飞机所用的各种材料比例
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2.陶瓷材料
第二节 原子结合键
三、混合键 解：(1) MgO 据表1-2得电负性数据XMg=1.31；XO= 3.44，代入式(1-1)得： (2) GaAs 1)得 据表1-2得XGa=1.81；XAs=2.18，代入式(1表1-3 某些陶瓷化合物的混合键特征
11924B
第二节 原子结合键
图1-8 原子间结合力 a)原子间吸引力、排斥力、合力 b)原子间 作用位能与原子间距的关系
115.tif
图1-15 利用显微镜观察材料的 组织
11924B
第四节 晶体材料的组织
图1-16 单相组织的两种晶粒形状 a)等轴晶 b)柱状晶
11924B
第四节 晶体材料的组织
二、单相组织 三、多相组织
图1-17 两相组织的一些基本组织形态
11924B
第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
图1-18 激活能的物理意义
11924B
第三节 原子排列方式
二、原子排列的研究方法
图1-13 X射线在原子面AA′和BB′上的衍射
11924B
第三节 原子排列方式
图1-14 X射线衍射分析示意及衍射分布图 a) X射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图
11924B
第四节 晶体材料的组织
材料科学基础(第1章)
2.原子间的结合力与结合能
原子能够结合为晶体的原因是原子结合起来后
体系的能量可以降低，在原子结合成晶体的过 程中，会有一定的能量E释放出来，这个能量 叫做结合能。
假设 fa 代表引力（attraction），fb代表斥力
(repulsion)， d代表原子间距离(distance)，则有：
原子间净作用力
1.2共价键
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。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。
共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构 稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材 料一般是绝缘体，其导电性能差。
式中 a、b、m、n均为常数，且m<n，m、n均为大 于2的常数。
当d较大时，fr很小，｜fa｜较大，故f < 0，即 相互吸引。当d小到一定程度后，fr很大，而
｜fa｜很小，故f > 0, 即相互排斥。
在d=d0处， ｜fa｜= fr，f = 0，即晶体内原子间 距保持恒定。
上述双原子结合模型虽然很粗糙，但用于 描述大量原子组成的聚集状态，还是较为简明 的。
二、金属原子间的结合
1、原子间的结合键 1.1离子键 大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键
的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子 而不是以原子为结合单元。
↓（外层电子重新分布） 金属+非金属 → 离子键
↑（离子间静电作用）
一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合 牢固。因此。其熔点和硬度均较高。这类化合 物通常变形能力差，具有硬而脆的性质。另外， 在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此， 它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融 状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运 动，即呈现离子导电性。
第一讲绪论晶体结合能
最紧密堆积原理：
晶体中各离子间的互相结合，可以看作是球 体的堆积，球体堆积的密度越大，系统的势 能就越低，晶体越稳定，此即球体最紧密堆 积原理 适用范围：典型的离子晶体和金属晶体。
质点堆积方式
根据质点的大小不同，球体最紧密堆积方
式可分为等径球和不等径球两种情况。 等径球最紧密堆积时，在平面上每个球与6 个球相接触，形成第一层，此时每3个彼此 相接触的球体之间形成1个弧线三角形空隙， 每个球周围有6个弧线三角形空隙，其中3 个空隙的尖角指向图的下方，其中心位置 标记为B，另外3个空隙的尖角指向图的上 方，标记为C这两种空隙相间分布。
单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒
大小、晶界的性质有密切的关系。
非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体
材料，如玻璃、高分子材料。
按材料的尺寸分类
材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维 材料、二维材料、三维材料。
按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁
例题：计算MgO和GaAs晶体中离子 键成分是多少？
解：查元素电负性数据得到XMg＝1.31，
XO＝3.44，XGa＝1.81，XAs＝2.18
则 MgO中离子键％＝ 1－exp[-1/4(1.31-3.44)2]=0.68 GaAs中离子键％＝ 1－exp[-1/4(1.81-2.18)2]=0.04 由此可见,MgO晶体的化学键以离子键为主，GaAs 晶体则是典型的共价键晶体。
材料科学与工程的四个基本要素： 合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。探索这四 个要素之间的关系 ( 如图 ) ，覆盖从基础学科到工程的全部 内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这 一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。
晶体中各离子间的互相结合，可以看作是球 体的堆积，球体堆积的密度越大，系统的势 能就越低，晶体越稳定，此即球体最紧密堆 积原理 适用范围：典型的离子晶体和金属晶体。
质点堆积方式
根据质点的大小不同，球体最紧密堆积方
式可分为等径球和不等径球两种情况。 等径球最紧密堆积时，在平面上每个球与6 个球相接触，形成第一层，此时每3个彼此 相接触的球体之间形成1个弧线三角形空隙， 每个球周围有6个弧线三角形空隙，其中3 个空隙的尖角指向图的下方，其中心位置 标记为B，另外3个空隙的尖角指向图的上 方，标记为C这两种空隙相间分布。
单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒
大小、晶界的性质有密切的关系。
非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体
材料，如玻璃、高分子材料。
按材料的尺寸分类
材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维 材料、二维材料、三维材料。
按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁
例题：计算MgO和GaAs晶体中离子 键成分是多少？
解：查元素电负性数据得到XMg＝1.31，
XO＝3.44，XGa＝1.81，XAs＝2.18
则 MgO中离子键％＝ 1－exp[-1/4(1.31-3.44)2]=0.68 GaAs中离子键％＝ 1－exp[-1/4(1.81-2.18)2]=0.04 由此可见,MgO晶体的化学键以离子键为主，GaAs 晶体则是典型的共价键晶体。
材料科学与工程的四个基本要素： 合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。探索这四 个要素之间的关系 ( 如图 ) ，覆盖从基础学科到工程的全部 内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这 一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。
第一章 材料科学基础 绪论PPT课件
❖ 功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、 热学、声学、力学、化学和生物学功能及 其相互转化的功能，被用于非结构目的的 高技术材料。
1.4.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为建筑 材料、信息材料、航空航天材料、能源材 料、生物医用材料等。
❖ 火箭发动机的燃烧室与喷嘴， 需要承受2000℃的高温而不 氧化，它是用石墨表面喷涂 一层二硅化钼材料制成。石 墨已被大量用作核能工业的 “减速剂”。雷达中大型电 子管外壳，既要耐高温，又 要有优良的超高频和绝缘性 能，它是用氧化铝高频陶瓷 制成。核反应堆外部的防护 层是用一种含钡的特种水泥 筑成的。
是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同， 但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热 工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材 料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁 矿、白云母等）为原料制造的。
按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、 橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊 耐火材料；
等系统的材 料科学知识
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
1.4.4 材料按结晶状态分类
单晶材料 多晶材料 非晶态材料 准晶材料
单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的 材料，如单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性 能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。
材料科学基础__第一章_晶体学基础_陶杰_主编_化学工业出版社
42
晶带定理的应用
已知晶带中任意两个晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)，可求 该晶带的晶带轴方向【uvw】 已知某晶面同属于两个晶带【u1v1w1】和
【u2v2w2】，可求的晶面指数(hkl)
43
1.5 晶体的对称性（了解）
晶体的对称性—晶体中存在着或可分割成若干相同部 分，这些部分借助于假想的点、线、面而重复排列。 假想的点、线、面称为对称元（要）素。
11
晶胞的分类 简单晶胞：只在平行六面体的8个顶点上有结点。 复合晶胞:除结点外，在体心，面心，底心等位置有 结点。
简单晶胞
复合晶胞
12
晶胞的大小和形状的表示方法
1.以某一顶点为坐标原点 2.三个棱边为a 、 b 、 c 3.三轴间夹角α、β、γ
Z
c
点阵常数 （晶体参数）
a
b
Y
X
13
布拉菲点阵
（h k l）
（h k i l） i＝（h＋k）
[U V W] [u v t w] U = u - t, V = v - t, W = w 1 1 u = [2U - V], v = [2V - U], t = -(u + v), w = W 3 3
40
1.4 晶面间距、晶面夹角和晶带定理
1.4.1 晶面间距 两相邻近平行晶面间的垂直距离—晶面间距，用d 表 示从原点作（h k l）晶面的法线，则法线被最近的（h k l）面所交截的距离即是。
47
晶向指数和晶面指数是分别表示晶向和晶面的 符号，国际上用Ｍiller指数（Ｍiller indices ）来统一标定。
29
1.3.1.晶向指数
求法： 1） 确定坐标系 2） 过坐标原点，作直线（OP）与 待求晶向平行； 3） 在该直线上取点（距原点最 近），并确定该点P的坐标（x，y， z） 4）该值乘最小公倍数化成最小整 数u，v，w并加以方括号[u v w]即 是。
晶带定理的应用
已知晶带中任意两个晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)，可求 该晶带的晶带轴方向【uvw】 已知某晶面同属于两个晶带【u1v1w1】和
【u2v2w2】，可求的晶面指数(hkl)
43
1.5 晶体的对称性（了解）
晶体的对称性—晶体中存在着或可分割成若干相同部 分，这些部分借助于假想的点、线、面而重复排列。 假想的点、线、面称为对称元（要）素。
11
晶胞的分类 简单晶胞：只在平行六面体的8个顶点上有结点。 复合晶胞:除结点外，在体心，面心，底心等位置有 结点。
简单晶胞
复合晶胞
12
晶胞的大小和形状的表示方法
1.以某一顶点为坐标原点 2.三个棱边为a 、 b 、 c 3.三轴间夹角α、β、γ
Z
c
点阵常数 （晶体参数）
a
b
Y
X
13
布拉菲点阵
（h k l）
（h k i l） i＝（h＋k）
[U V W] [u v t w] U = u - t, V = v - t, W = w 1 1 u = [2U - V], v = [2V - U], t = -(u + v), w = W 3 3
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1.4 晶面间距、晶面夹角和晶带定理
1.4.1 晶面间距 两相邻近平行晶面间的垂直距离—晶面间距，用d 表 示从原点作（h k l）晶面的法线，则法线被最近的（h k l）面所交截的距离即是。
47
晶向指数和晶面指数是分别表示晶向和晶面的 符号，国际上用Ｍiller指数（Ｍiller indices ）来统一标定。
29
1.3.1.晶向指数
求法： 1） 确定坐标系 2） 过坐标原点，作直线（OP）与 待求晶向平行； 3） 在该直线上取点（距原点最 近），并确定该点P的坐标（x，y， z） 4）该值乘最小公倍数化成最小整 数u，v，w并加以方括号[u v w]即 是。
材料科学基础第一章原子结构与键合ppt课件
原那么上，只需给定了势函数V，就可 以解出波函数，进而求出能量 E、角动量 L 等物理量。关于在各种情况下薛定谔方程 的解法可参看量子力学教程。
对于孤立原子，每个电子都是在核和 其他电子的势场中运动。假设将势场看成 是有心力场，求解薛定谔方程，就可得到 波函数和相关的物理量〔如 E，L 等〕。所 得公式中包含 4 个只能取定值的参数：n， li，mi 和 si。
第一章 原子构造与键合 (Atomic structure
and interatomic bonding)
本章要讨论的主要问题是： 为什么原子能结合成固体？ (2) 资料中存在哪几种键合方式？ (3) 决议键合方式的主要要素有哪些？ (4) 资料的哪些性能和其键合方式有亲密的关系？
第一节 原子结构
(3)轨道磁量子数 mi mi 决议了轨道角 动量在外磁场方向的投影值，mi = 0，±1， ±2，…，±li，根据 mi 的取值，限制了s， p，d，f 次壳层的轨道数分别为 1，决议了自旋角 动量在外磁场方向的投影值，si = ±1/2， 只能取两个值。
可以以为 n 和 k 分别决议了椭圆的长 轴和短轴，而 k/n 那么决议了椭圆的偏心率。
二、动摇力学〔Wave-Mechanics〕实际和近代原 子构造模型
玻尔实际虽然能定性地解释原子的稳定性 〔定态的存在〕和线状原子光谱，但在细节和定 量方面仍与实验现实有差别。特别是，它不能解 释电子衍射景象，由于它依然是将电子看作为服 从牛顿力学的粒子，不过附加了两个限制条件， 即能量的分立性和角动量的量子化条件，从实际 上讲这是不严密的。
如图1-301是离子化合物 NaCl 离子键表示图。红色球代 表 Cl-离子，灰色球代表Na＋离 子。离子键主要依托它们之间的 静电引力结合在一同，因此离子 键的特点是：键力较强、结合结 实。因此其熔点和硬度均较高。 另外，在离子晶体中很难产生自 在运动的电子，因此，它们都是 良好的绝缘体。
绪论、第一章(材料的电子结构与物理性能)
N=1019左右，当分裂成的1019个能级只分布在几十个eV的范围内时，
每一能级的间隔就非常的小。 电子的能量或能级几乎就是连续变化的，于是形成了能带。 能带之间也存在着一些无电子能级的能量区域，称为禁带或能隙。 禁带也是电子能量的“真空”地带。
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
导带电子和价带空穴的浓度相等。
导带 h 价带 Eg
价带电子受光辐射跃迁到导带，在价带上留下空穴
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.3 半导体
本征半导体的电荷迁移率
nq( μe μh )
半导体材料的能隙与电子运动性
材料 C(金刚石) Si Ge Sn 能隙 /eV 5.4 1.107 0.67 0.08 电子运动速率 / cm2· (V· s)-1 1800 1900 3800 2500 孔运动速率 / cm2· (V· s)-1 1400 500 1850 2400
Ef ：费米能
费米能的意义
（1）Ef 以下基本上是被电子填满的，Ef 以上的能级基本上是空的。 （2）由于热运动，电子可具有大于Ef 的能量而跃迁到导带中，但只集 中在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。 （3）对于一般金属，Ef 处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef 位 于禁带中央。
电学功能材料 磁学功能材料 光学功能材料 热学功能材料
功能材料
声学和振动相关功能材料
力学功能材料
化学及能量功能材料 放射性相关功能材料
生物技术和生物医学工程材料
第一章 材料的电子结构与物理性能
Chapter 1 Electronic Structure and Physical Properties of Materials 主要内容：
材料科学基础第一章
38
5）晶体中原子的堆垛方式
39
40
6）晶体结构的多晶型性
多晶型性:有些金属（如Fe， Mn，Ti，Co，Sn，Zr等） 固 态下在 不同温 度或不 同 范 围内具 有不同 的晶体 结 构的性质。 同素异构转变：多晶型的金属在温度或压力变 化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称 为多晶型性转变，也称为同素异构转变。
晶胞－空间点阵中反映晶格特征的最小的几何 单元。
10
通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为 晶胞。 晶胞参数： 点阵常数晶胞大小 晶轴夹角晶胞形状
11
晶胞选取原则：
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 体积最小。
12
结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分 的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。
44
SiC型：类似于金刚石型 SiO2型：面心立方 点阵，1个硅原子 被4个氧原子所包 围，每个氧原子则 介于两个硅原子之 间，起着连接两个 四面体的作用。单 胞共有24个原子。
45
第三节 原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷（在晶体中所 占比例低）。 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现 不完整性的区域。 晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律 产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能 和物理化学变化有重要的影响。
53
2）螺型位错 screw dislocation
模型：滑移面//位错线。（位错线//晶体滑移方 向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位 错运动方向。） 分类：左螺型位错,右螺型位错。 左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。 无论位置如何摆放也不会改变其类型。 螺型位错特征：滑移方向//位错线
5）晶体中原子的堆垛方式
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6）晶体结构的多晶型性
多晶型性:有些金属（如Fe， Mn，Ti，Co，Sn，Zr等） 固 态下在 不同温 度或不 同 范 围内具 有不同 的晶体 结 构的性质。 同素异构转变：多晶型的金属在温度或压力变 化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称 为多晶型性转变，也称为同素异构转变。
晶胞－空间点阵中反映晶格特征的最小的几何 单元。
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通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为 晶胞。 晶胞参数： 点阵常数晶胞大小 晶轴夹角晶胞形状
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晶胞选取原则：
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 体积最小。
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结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分 的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。
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SiC型：类似于金刚石型 SiO2型：面心立方 点阵，1个硅原子 被4个氧原子所包 围，每个氧原子则 介于两个硅原子之 间，起着连接两个 四面体的作用。单 胞共有24个原子。
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第三节 原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷（在晶体中所 占比例低）。 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现 不完整性的区域。 晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律 产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能 和物理化学变化有重要的影响。
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2）螺型位错 screw dislocation
模型：滑移面//位错线。（位错线//晶体滑移方 向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位 错运动方向。） 分类：左螺型位错,右螺型位错。 左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。 无论位置如何摆放也不会改变其类型。 螺型位错特征：滑移方向//位错线
材料科学基础 全套课件
此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类 原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实 验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因 此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体 是真正均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。 不同类型固溶体中原子排列情况示于图0.1。
（a） 随机置换固溶
0.1 材料分类
0.1.1 材料按化学组成（或基本组成）分类 0.1.2 根据材料的性能分类 0.1.3 材料按服役的领域来分类 0.1.4 材料按结晶状态分类 0.1.5 材料按材料的尺寸分类
按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、 磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材 料等。
材料科学基础
材料的结构部分
2020/8/26
.
主要内容
第一章 绪论 第二章 晶体结构 第三章 晶体的结构缺陷 第四章 非晶态结构与性质 第五章 表面结构与性质
第一章 绪论—明
什么是材料科学？
0.1 材料分类
0.2 组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
什么是材料?
1.金属材料
金属材料是由化学元素周期 表中的金属元素组成的材料。可 分为由一种金属元素构成的单质 （纯金属）；由两种或两种以上 的金属元素或金属与非金属元素 构成的合金。合金又可分为固溶 体和金属间化合物。
在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16 种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在 常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好 的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、 延展性及耐冲击性。
合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属 元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组 成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、 形状及分布有关。
材料科学基础 绪论 第一章
47
4、单相与多相组织 （1）单相组织 所有晶粒的化学组成相 同，晶体结构也相同。 描述单相组织特征的主要用晶粒尺寸及形状。 （2）多相组织 两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和 晶体结构。 两相例子：
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第五节 材料的稳态与亚稳态结构
稳态结构（平衡态结构） 能量最低的结构。 亚稳态结构 能量相对较高的结构。
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（2）原子结合能的实验测定及理论计算 实验测定原理 测定固体的蒸发热 理论计算(自学P24例题)
五、结合键与性能
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料 的最低． 2) 密度：金属键的最高，共价键、离子键的较 低，高分子材料的最低． 3) 导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。
K：…3p64s1
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5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增 强，同族自上而下逐渐减弱
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第二节 原子的结合键
一次键 二次键 混合键 结合键的本质及原子间距 结合键与性能
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按结合力强弱分： 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结 合 键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较强． 二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合键．包括 氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱． 一、一次键 1、离子键 通过正负离子间相互吸引力 使原子结合的结合键．
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二、元素周期表及性能的周期性变化
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1、周期对应于电子主壳层 2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的 化学性质 3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性 4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族 的内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和 ⅡA族活泼 例如：
材料科学基础第一章
材料科学基础第一章绪论第二章怎么做：从原料到产品第三章怎么样：从结构到功能第四章是什么：从宏观到微观第五章纳米材料第1章绪论1、什么是材料2、材料的地位3、材料的分类4、常见材料的用途5、材料研究的内涵-----四要素6、材料研究的外延------相关学科7、材料的学科定位材料性能提高材料的使用范围扩大材料性能提高材料的使用范围扩大材料是用来制造器件的物质。
人类文明的发展依赖于材料的进步。
旧石器时代：约170万年前~约公元前8000年新石器时代：约公元前8000年~约公元前3000年青铜器时代：约公元前3000年~约公元前1000年铁器时代：约公元前1000以后钢铁时代： 1850年以后材料性能提高材料的使用范围扩大钢铁时代 1854和1864年发明了转炉和平炉炼钢。
新材料时代半导体材料的发展制作越来越小的硅芯片新材料时代，这一时代的特征是:不像以前的各个材料时代，它是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代;新材料以人造为特征，而不是在自然界中有现成的。
尼龙的商业发展是高分子材料发展的关键时期高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展高温超导体，高温超导的革命时代。
人类文明社会的先导--新材料1、材料的发展史，就是人类社会的发展史2、材料的发展史，就是科学技术的发展史材料的分类从化学组成和原子结构角度分类金属材料 (Metals) 无机非金属材料 (Ceramics)高分子材料 (Polymers)复合材料 (Composites) 从特性和性质角度分类结构材料 (力学性能)功能材料 (化学性能和物理性能)从应用角度分类航空材料建筑材料电子材料半导体材料生物材料智能材料纳米材料…主要材料的特性和用途金属材料化学组成和原子结构金属材料是由一种或几种金属元素以及少量的非金属元素的无机物。
合金是由两种或两种以上的金属元素和非金属元素构成的，其中至少一种是金属元素。
金属元素: iron(Fe), copper (Cu), aluminum (Al),magnesium(Mg), nickel(Ni), titanium(Ti)非金属元素: Carbon(C), nitrogen (N), oxygen (O),晶体结构是原子定向排列。
第一章材料科学与工程基础绪论
• 1-1 材料的定义和分类 材料的定义和分类(Definition and Classfication) • 1-1-1定义 定义 • 1. 材料 Materials • Material：材料科学 （工科） • 物质科学 （理科） • Webster编者“New International Dictionary（1971年）” 中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造 某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整 体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维 等） • 迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料 迈尔《新百科全书》 中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始 物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然 纤维和化学纤维等等。 • 材料是指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。 物理性状的物质。
3. 高分子材料 polymers, Marcomolecules
(1) 分类 • 碳链 –C–C–C 按主链结构 杂链 –C–N–C=O –C–O–C– backebone 元素 Si 、P、B 通用塑料、工程塑料； 热塑性、热固性 橡胶 Ruber 天然、合成 人造、合成 按使用性质 纤维 Fiber 粘合剂 Adhesive 涂料 Coating 塑料 Plastics
•
•
function
应用领域分类
•
application
1. 金属材料 metals (1) 黑色金属材料 • 化学成分——碳素钢、合金钢
• • Stell • 品质——普通、优质、高级优质钢 用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢 冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢 灰铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁 特殊性能铸铁
第0章材料科学基础绪论
05:17
金属材料的一般特性
2024/5/4
• 金属材料：由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具有 一般金属特性。
1 良好的导电、导热性 2 正的电阻温度系数 3 不透明、金属光泽 4 良好的延展性
05:17
金属材料的优点
2024/5/4
1) 多样性、多变性、特殊性 综合性能好 2) 性能有提高的巨大潜力。
材料的性能：
1) 工艺性能 适应实际生产工艺的能力 2) 使用性能 适应或抵抗作用到它上面的各种外界作用的能力 工艺性能和使用性能是既有联系又不相同的两类性能，尽管它
们都是金属材料本身蕴藏着的，但由于目的的不同，这两类 性能上的好与坏或高与低，有时是一致的，有时却是互相矛 盾的。
05:17
2024/5/4
05:17
材料化学专业定位 2024/5/4
• 材料学与化学的交叉学科，研究材料的组成、加工、结构性 能与应用的学科，要求掌握材料和化学相关专业的基础，掌 握数学、物理等基础知识，掌握材料科学发展方向的前沿知 识，可以服务于教学、科研、产业开发、管理等行业。
• 我院材料化学的特色 ----主要以金属材料和粉末冶金材料为对象
• 内在因素： • 原子结构的特点以及原子间的相互作用 • 内部原子总体的组合状态-即内部原子总体的运动状态。
• 化学成分、原子集合体的结构以及内部组织是决定金属材料 性能的内在基本因素，金属材料性能方面的多变性，也正是 通过这3个因素的多变性而表现出来的。
• 对结构敏感性性能和对结构不敏感性性能。
一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织 不同，见下图）
• 举例4 若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热→变
硬（脆）→断（因塑性变形）。
金属材料的一般特性
2024/5/4
• 金属材料：由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具有 一般金属特性。
1 良好的导电、导热性 2 正的电阻温度系数 3 不透明、金属光泽 4 良好的延展性
05:17
金属材料的优点
2024/5/4
1) 多样性、多变性、特殊性 综合性能好 2) 性能有提高的巨大潜力。
材料的性能：
1) 工艺性能 适应实际生产工艺的能力 2) 使用性能 适应或抵抗作用到它上面的各种外界作用的能力 工艺性能和使用性能是既有联系又不相同的两类性能，尽管它
们都是金属材料本身蕴藏着的，但由于目的的不同，这两类 性能上的好与坏或高与低，有时是一致的，有时却是互相矛 盾的。
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2024/5/4
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材料化学专业定位 2024/5/4
• 材料学与化学的交叉学科，研究材料的组成、加工、结构性 能与应用的学科，要求掌握材料和化学相关专业的基础，掌 握数学、物理等基础知识，掌握材料科学发展方向的前沿知 识，可以服务于教学、科研、产业开发、管理等行业。
• 我院材料化学的特色 ----主要以金属材料和粉末冶金材料为对象
• 内在因素： • 原子结构的特点以及原子间的相互作用 • 内部原子总体的组合状态-即内部原子总体的运动状态。
• 化学成分、原子集合体的结构以及内部组织是决定金属材料 性能的内在基本因素，金属材料性能方面的多变性，也正是 通过这3个因素的多变性而表现出来的。
• 对结构敏感性性能和对结构不敏感性性能。
一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织 不同，见下图）
• 举例4 若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热→变
硬（脆）→断（因塑性变形）。