材料科学基础知识点汇总

材料科学基础

第零章材料概论

该课程以金属材料、瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。核心是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系。

主要容包括：材料的原子排列、晶体结构与缺陷、相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面，并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新成果。

材料是指：能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定形态和物理化学性状的物质。

按基本组成分为：金属、瓷、高分子、复合材料

金属材料是由金属元素或以金属元素为主，通过冶炼方法制成的一类晶体材料，如Fe、Cu、Ni等。原子之间的键合方式是金属键。

瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。它可以是晶体、非晶体或混合晶体。原子之间的键合方式是离子键，共价键。

聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长分子链组成的髙分子材料。它主要是非晶体或晶体与非晶体的混合物。原子的键合方式通常是共价键。

复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。其原子间的键合方式是混合键。

材料选择：

密度

弹性模量:材料抵抗变形的能力

强度:是指零件承受载荷后抵抗发生破坏的

能力。

韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力功能

成本

结构(Structure)

性质(Properties)

加工(Processing)

使用性能(Performance)

在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。

宏观结构←显微镜下的结构←晶体结构←原子、电子结构

重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结构（显微组织）的关系。以及有哪些主要因素能够影响和改变结构，实现控制结构和性能的目的。

第一章材料结构的基本知识

1.引言

材料的组成不同，性质就不同。

同种材料因制备方法不同，其性能也不同。

这是与材料的部结构有关：原子结构、原子键合、原子排列、显微组织。

原子结构

主量子数n

角量子数l

磁量子数m

自旋量子数m s

泡利不相容原理

能量最低原则

洪特规则

半充满全充满全空

电子排布式：29Cu:1s22s22p63s23p64s13d10

电子层结构式：

29Cu:1s22s22p63s23p63d104s1

电负性(electronegativity)是衡量原子吸引电子的化学能力。原子半径减少→电离能增加→电负性增加→

原子结构是材料的一级结构

决定原子间结合键的形式

影响元素的物理性质：如熔点、热膨胀系数、原子半径等。

2.原子键合

1结合力强的结合键叫化学键（一次键）。

如离子键、共价键和金属键

2结合力弱的结合键叫物理键（二次键）。

如德华键和氢键，或称为分子键

离子键：由正负离子之间的库伦吸引作用产生的结合力。

没有方向性和饱和性

离子键的键能强，结合力大

材料性能上表现出硬度大、熔点高及热膨胀

系数小，变形较困难，故呈脆性。

共价键:相邻原子之间共用其外层电子，形成稳定的电子满壳层结构所产生的结合力。

具有方向性和饱和性

不允许原子间相对位置的改变，故结合力大

材料性能上表现出硬度高、熔点高、强度大、沸点高、挥发性低、但导电性差、塑性变形差（脆性）。

杂化理论

卡宾坚硬强度是金刚石的40倍！

金属键：依靠阳离子和自由电子间相互吸引而结合在一起。

不具有方向性和饱和性

由于自由电子的存在，具有良好的导热、导电性

正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子之间的结合力，塑性变形好，强度高。

自由电子很容易被激发，所以它们可以吸收在光电效应截止频率以上的光，并发射各种可见光，因此大多数金属呈银白色，不透光。

金属正离子被另一种金属的正离子取代时，也不会破坏结合键，这种金属间的溶解（称固溶）能力也是金属的重要特性。

二次键

德华力：分子偶极距所产生的静电吸力将两个分子结合在一起的力。

由取向力、诱导力、色散力组成

取向力：极性分子间固有的偶极矩作用力与极性和温度有关最大

诱导力：分子间固有偶极与诱导偶极间的作用力，与极性和变形有关

色散力：分子间瞬时偶极所产生的作用力，大小与分子变形（电子云形状）

及分子量有关（成正比）。最小

德华力是由偶极吸引力所形成的物理键，其

键力远小于化学键，故键合力弱，熔点低，硬度低，材料稳定性差，易变性（分子凝聚）

氢键：本质与德华力一样，均依靠分子间的偶极吸引力结合在一起，性质相似，结合力比德华力大。

由氢原子同时两个电负性很大、原子半径很小的原子（O、F、N）之间的结合所形成的物理键。

具有饱和性和方向性

氢键在高分子材料中特别重要（凝聚）

混合键：瓷中离子键和共价键混合十分正常。根据化合物AB电负性的大小给出离子键在化合物中的比例。

结合键本质：

吸引力：异类电荷之间的静电吸引

排斥力：同类电荷之间的相互吸引

原子间距r0 是原子之间的平衡距离，斥力和引力相等时的平衡结果。