材料科学基础—原子的结构和键合性质
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。
材料科学基础—原子的结构和键合性质
高分子链 原子间的键合
许多高分子依靠分子力结合成为高分子材料： 聚合物、高聚物、高分子化合物、高分子材料
聚乙烯高分子粒子
碳链高分子
高分子链 原子间的键合 主链
侧基
杂链分子 主链不仅含碳，还含氧、氮、硫等原子
均聚物——由同一种单体聚合而成 共聚物——由两种以上的单体聚合而成
§1 原子结构与键合
原子及分子产生偶极子的方式及其范德瓦耳力： 静电力 诱导力 色散力
静电力 极性分子之间的引力
范德瓦耳力 原子间的键合
诱导力
范德瓦耳力 原子间的键合
色散力（伦敦力）
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力特点
物理键：无电子转移
次价键：结合力很小,大约为主价键力的1%—10% 主价键：金属键、离子键、共价键
1.3.1 高分子的近程结构
1 链结构单元的化学组成
单体单元 (结构单元、重复单元、链节)
高分子近程结构
2 分子链几何形态
（1）线型（2）支化 （3）交联（4）体型（三维网状分子结构）
3 结构单元的键接方式
高分子近程结构
a 均聚物结构单元的链接
顺序异构
单体具有不对称取代基产生的三种结构变化：
单体单元 取代基R
金属铬的价电子数： +1 +2 +3 +4 +5 +6
•各元素原子半径各异
原子结构与键合 原子结构
原子间的键合
原子结合的方式： 金属键 离子键 共价键 范德瓦耳力 氢键
原子结构与键合 原子结构金来自键原子间的键合自由电子 电子气（电子海）
结合力：
正离子与电子气之间的静电力（库仑力）
材料科学基础教案第一章
－
＋
－
＋
－
＋
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
胡赓祥《材料科学基础》(第3版)(复习笔记 原子结构与键合)【圣才出品】
1.1复习笔记一、原子结构1．物质的组成一切物质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。
（1）分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒；（2）原子具有复杂的结构，其结构直接影响原子间的结合方式。
2．原子的结构（1）原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的；（2）原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷；（3）一个质子的正电荷量正好与一个电子的负电荷量相等，它等于－e（e＝1.6022×10－19C）。
3．原子的电子结构电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。
从薛定谔（SchrodingerE．）方程得到的波函数描述了电子的运动状态和在核外空间某处的出现几率，即原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：（1）主量子数n——决定原子中电子能量以及与核的平均距离；图1-1钠（原子序数为11）原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况（2）轨道角动量量子数l i——给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，…，n－1。
在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的；（3）磁量子数m i——给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。
每个l i下的磁量子数的总数为2l i＋1。
磁量子数决定了电子云的空间取向。
（4）自旋角动量量子数s i——反映电子不同的自旋方向。
s i规定为＋1/2和－1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。
在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：①能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；②泡利（Pauli）不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；③洪德（Hund）定则：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。
材料科学基础 1.1节键合
1. 类似分子键，但氢 原子起关键作用。
XH-Y 2. 键合弱，有方向性。 3. 熔点、硬度低，不
导电，导热性好。 4. 水、冰、DNA
西北工业大学 材料学院 王永欣主编
4
二、键合多重性
1. 实际材料以一种键合为主，辅以其它键合
IVA族的Si、Ge、Sn 共价键为主，金属键为辅
——显部分金属性
1. 金属正离子于自由 电子相互吸引。
2. 键合较强，无方向 性。
3. 熔点、硬度有高有 低，导热导电性好。
4. Fe、Al、W、Hg
3
二次键
不依靠电子的转移或共享， 靠原子间的偶极吸引力结合
包括
分子键
氢键
1. 分子或分子团显弱 电性，相互吸引。
2. 键合很弱，无方向 性。
3. 熔点、硬度低，不 导电，导热性差。
第一章
工程材料中的原子排列
第一节 原子键合
一、键合种类
原子键合
分为
一次键
即
通过价电子的转移 或共用两原子的电 子云达到稳定结构
二次键
即
不依靠电子的转移 或共享，靠原子间 的偶极吸引力结合
西北工业大学 材料学院 王永欣主编
2
一次键
通过价电子的转移或共用两 原子的电子云达到稳定结构
包括
离子键
共价键
金属键
1. 正负离子相互吸引。 2. 键合很强，无方向
性。 3. 熔点、硬度高，固
态不导电，导热性 差。 4. NaCl、CrO2、Al2O3
1. 相邻原子通过共用 电子对结合。
2. 键合强，有方向性。 3. 熔点、硬度高，不
导电，导热性有好 有差。 4. 金刚石、SiO2
825材料科学基础考试大纲
《材料科学基础》一、考试性质：材料科学基础是北京工商大学材料工程专业硕士生入学考试的专业基础课之一。
二、考试内容：（一）原子结构与键合1．原子的结构、原子的电子结构2. 金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键（二）固体结构1．晶体学基础与常见晶体结构。
2．固溶体与中间相结构。
3．典型离子晶体结构。
4．典型共价晶体结构。
（三）晶体缺陷1．点缺陷的形成、平衡浓度和运动。
2．位错的基本类型和特征、伯氏矢量与位错的运动、位错的生成和增殖、实际晶体中的位错。
3．表面、晶界与相界的结构。
（四）固体中原子及分子的运动1. 菲克第一、第二定律、扩散方程、置换型固溶体中的扩散、扩散系数与浓度相关时求解2. 扩散的热力学分析、扩散的原子理论3. 扩散激活能、无规则行走与扩散距离、影响扩散的因素4．反应扩散、离子晶体中的扩散（六）材料的变形与再结晶1. 材料的弹性变形。
2. 单晶体、多晶体、合金的塑性变形。
3. 冷变形金属的组织与性能、回复、再结晶、晶粒长大。
（七）相平衡与相图1．组元、相与相平衡、自由度与相律的概念。
2．纯晶体凝固的热力学条件、形核、晶体长大。
3. 二元相图综合分析、杠杆定律。
3．匀晶相图、共晶相图、包晶相图、条幅分解。
4．二元相图实例分析、铁碳二元相图分析。
（八）材料的亚稳性1．纳米晶的结构、性能及形成。
2. 非晶态材料形成、结构及性能。
3. 固态相变的概念及分类、主要类型及特点。
三、考试形式及试卷结构：（一）答卷方式：闭卷，笔试，满分150分（二）答题时间：180分钟（三）考试题型及各部分比例名词解释题第1-6 小题，每小题 5 分，共30 分。
计算题第7 小题，每小题20 分，共20 分。
简答题第8-12 小题，每小题20 分，共100 分。
四、参考书目：[1] 胡赓祥，蔡珣，戎咏华著，上海市教育委员会编，《材料科学基础》（第3版），上海交通大学出版社，2010。
面向21世纪新教材/2003年度国家精品课程教材.。
【材料科学基础】重点论述题总结(一)
【材料科学基础】重点论述题总结（一）一、原子键合1. 简述金属材料的性质与键合的关系金属键结合力主要是正离子和电子云之间的静电库仑力，对晶体结构没有特殊的要求，只要求排列最紧密，这样势能最低，结合最稳定。
金属晶体性质与键合关系：（1）金属内原子面之间相对位移，金属键仍旧保持，故具有良好的延展性；（2）在一定电位差下，自由电子可在金属中定向运动，形成电流，显示出良好的导电性；（3）随温度升高，正离子（或原子）本身振幅增大，阻碍电子通过．使电阻升高，则具有正的电阻温度系数；d）固态金属中，不仅正离子的振动可传递热能，且电子运动也能传递热能，故比非金属具有更好的导热性；（4）金属中的自由电子可吸收可见光的能量，被激发、跃迁到较高能级，因此金属通常不透明；（5）当激发出的电子跳回到原来能级时，将所吸收的能量重新辐射出来，使金属具有金属光泽；（6）金属的结合能比离子晶体和原子晶体要低一些，但过渡金属的结合能则比较大。
2. 依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？特点是什么？晶体中的键合作用可分为离子键、共价键、金属键、范德华键和氢键。
离子键的特点是没有方向性和饱和性，结合力很大。
共价键的特点是具有方向性和饱和性，结合力也很大。
金属键是没有方向性和饱和性的的共价键，结合力是离子间的静电库仑力。
范德华键是通过分子力而产生的键合，分子力很弱。
氢键是两个电负性较大的原子相结合形成的键，具有饱和性。
3. 结合键对材料物理及力学性能的影响对物理性能的影响（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。
对力学性能的影响（1）强度：结合键强，则强度也高，但还受组织的影响；（2）塑韧性：金属键最好，共价键、离子键最低；（3）弹性模量：共价键、离子键最高，金属键次之，二次键最低。
二、固体结构1. 置换固溶体溶解度的影响因素（1）晶体结构类型的影响溶质与溶剂晶体结构相同，是形成连续固溶体的必要条件。
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)。
考研必备之《材料科学基础》学霸笔记
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。
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。
材料科学基础复习(总结) 2
固体结构(一) 原子结构与键合原子结构(元素的核外电子分布)原子间的键合☆金属键：掌握金属的电子结构特征，金属键的特征，懂得用上述内容解释金属的特有的性能⊙金属键（Metallic bonding）(一次键)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特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好☆离子键：键合特点和离子晶体的特点⊙离子键（Ionic bonding)(一次键)特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体(熔融状态可导电)☆共价键：键合特点和共价晶体的特点⊙共价键（covalent bonding）(一次键)亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差(二) 固体结构☆晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序懂得下列名词的含义：☆空间点阵：这些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。
☆阵点：为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。
☆晶胞：具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。
☆简单晶胞：晶胞中的阵点数为一。
☆复合晶胞：晶胞中的阵点数大于一。
晶体结构与空间点阵的关系：1.同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞；2.○1空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14中类型；○2晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。
《材料科学基础》第一章 原子结构与结合健
《材料科学基础》教学大纲四年制本科材料科学与工程专业用80 学时 4 学分一、课程性质和任务《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。
本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。
二、课程学习的目标和基本要求：1．对能力培养的要求通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。
初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。
2 ．课程的重点和难点本课程重点是料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。
难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，3 ．先修课程及基本要求无机化学、物理化学、材料力学三、课程内容及学时分配•教学基本内容第一章材料的结构（ 22 学时）1.1 晶体学基础1.2 常见的晶体结构1.3 固溶体的晶体结构1.4 金属间化合物的晶体结构1.5 硅酸盐结构1.6 非晶态固体结构1.7固体的电子能带结构理论1.8 团簇与纳米材料结构1.9 准晶结构本章重点：•结晶学基础知识 (晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、•单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则 )。
•常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。
第1章原子结构与键合
1.1 原 子 结 构
1.1.3 原子的电子结构 3. 原子电子结构示意图 原子的重要参数：
原子序数
原子量
阿佛伽德罗常数
原子量单位
电负性
1.1 原 子 结 构
1.1.4 元素周期表 ① 具有相同核电荷数的一类原子为一种元素。 ② 元素周期表是元素周期律的具体表现形式：
元素在周期表中的位置反映了那个元素的原
由于分子上非键合原子之间的相互作用，内
旋转一般是受阻的，使高分子材料既表现出
一定的柔性，又表现出一定的刚性。
1.3 高 分 子 链
1.3.2 高分子链的远程结构 3. 高分子链柔性：高分子链改变其构象的性质。 ① 主链结构的影响：主链结构影响最大。 ② 取代基的影响：取代基团的极性和体积、沿
分子链排布的距离、在主链上的对称性等。
③ 交联的影响：交联使交联点附近的单键内旋
转受到很大的阻碍。
第 一 章 原 子
第1章 习题
1. 何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不 总为正整数？ 2. 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 3. 高分子链结构分为近程结构和远程结构。他 们各自包括内容是什么？ 4. 铬的原子序数为24，共有四种同位数： 4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76% 含有28个中子，9.55%含有29个中子，且 2.38%含有30个中子。试求铬的原子量。 5. 铜的原子序数为29，原子量为63.54，它共 有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的 同位素之含量百分比。
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1.2 原 子 间 的
1.2.4 范德华力
① 范德华力属物理键，是由于原子核外电子云
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
2019/4/14
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。
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高分子近程结构
原子间的键合
高分子链 原子间的键合
高分子链 原子间的键合 聚乙烯高分子链
单体单元
单体：乙烯
(结构单元、重复单元、链节)
书写法：
链节数n又称聚合度
高分子链 原子间的键合
许多高分子依靠分子力结合成为高分子材料： 聚合物、高聚物、高分子化合物、高分子材料
聚乙烯高分子粒子
碳链高分子
高分子链 原子间的键合 主链
材料科学基础 —原子的结构和键合性质
原子结构与键合 原子结构
•稳定的电子结构：
最外壳层中同一亚层各轨道上，全充满最稳定、 半充满、全空的状态较稳定
全充满
半充满
全空
元素周期表 原子结构与键合 原子结构
•电离能 电负性
原子得到电子的能力(夺取其电子需要较大能量）
非金属元素电离能和电负性比金属元素大
•价电子
两种不同原子接近时，其一原子外层电子转移到 另一原子外层轨道内，产生一个异号离子对，正 负离子因库仑力相互吸引，结合在一起。
有电子转移的键合:化学键
离子键特点：
原子间的键合
电负性相差较大的原子结合，一般为金属与非金属
（材料必然由两种以上元素组成）
正负离子相间排列 离子尺寸差异是具体排列方式重要因素（几何因素） 离子键无方向性和饱和性（只考虑库仑力因素）
自电荷中心不重合，称为偶极子。
范德瓦耳力
原子及分子产生偶极子的方式及其范德瓦耳力： 静电力 诱导力 色散力
静电力 极性分子之间的引力
范德瓦耳力 原子间的键合
诱导力
范德瓦耳力 原子间的键合
色散力（伦敦力）
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力特点
物理键：无电子转移
氢原子尺寸小，而其它原子比较大，一旦氢与一原子 形成的氢键，由于负离子之间的相互排斥，另一个 电负性大的原子就难于再接近氢原子。 这就是氢键的饱和性。
氢键 原子间的键合
氢键性质
方向性：
先形成的共价键电偶极X—H与原子Y发生氢键结合时 只有当X—H---Y在同一条直线上时结合力最强。
氢键 原子间的键合
次价键：结合力很小,大约为主价键力的1%—10% 主价键：金属键、离子键、共价键
范德瓦耳力无方向性、无饱和性
分子之间结合成的物质中普遍存在，也称为分子力
1.2.5氢键
表达式： X－H Y
式中X和Y代表F，O，N等电负性大非金属原子 －为共价键， 氢键。
原子间的键合
氢键性质
氢键 原子间的键合
饱和性：
氢键性质
属于物理键 氢键结合力比范德瓦耳力大，但小于化学键，
属于次价键 具有无饱和性和方向性
氢键在高分子材料中较为重要
原子间的键合
氢键 —— 氢桥
1.3 高分子链
1.3.1 高分子的近程结构
1 链结构单元的化学组成
乙烯（小分子） 分子式： C2H4 结构式: CH2=CH2
聚乙烯（PE）分子 （高分子）
金属铬的价电子数： +1 +2 +3 +4 +5 +6
•各元素原子半径各异
原子结构与键合 原子结构
1.2原子间的键合
原子结合的方式： 金属键 离子键 共价键 范德瓦耳力 氢键
原子结构与键合 原子结构
1.2.1金属键
原子间的键合
自由电子 电子气（电子海）
结合力：
正离子与电子气之间的静电力（库仑力）
2 分子链几何形态
（1）线型（2）支化 （3）交联（4）体型（三维网状分子结构）
3 结构单元的键接方式
高分子近程结构
a 均聚物结构单元的链接
顺序异构
单体具有不对称取代基产生的三种结构变化：
单体单元 取代基R
键接异构
单体具有多处双键，产生键接异构
高分子近程结构
异戊二烯的聚合
b 共聚物的序列结构
高分子近程结构
原子间的键合
1.2.3共价键
原子间的键合
电负性相差不大的原子通过共用电子对的 方式产生结合力
共价键—— 一对电子的电子云局部重合
高分子材料以共价键为主 无机非金属材料中有相当大比例
共价键特点
方向性
与电子云的方向性特点对应
饱和性 H
C
O 极性
原子间的键合
CH4 甲烷 H—C—H 键角109°28
— 表示共价键的键线 H20 水
H—O—H 键角104.5°
共价键材料性质
结构稳定（不溶解） 熔点高 硬度高 脆性大 不导电
原子间的键合
C 金刚石（ 钻石） 熔点3550℃ 硬度是金属的数千倍
原子间的键合
1.2.4范德瓦耳力
具有偶极子的原子和分子间的库仑力 偶极子：电荷相等的一对带电体，如果各
侧基
杂链分子 主链不仅含碳，还含氧、氮、硫等原子
均聚物——由同一种单体聚合而成 共聚物——由两种以上的单体聚合而成分子结构高分子链的结构
高分子聚集态结构
近程结构
远程结构
§1 原子结构与键合
1.3.1 高分子的近程结构
1 链结构单元的化学组成
单体单元 (结构单元、重复单元、链节)
高分子近程结构
金属键特点：
原子间的键合
电子共有化
无饱和性：
一个离子对周围电子海内所有电子都有引力
无方向性：
离子与电子之间作用力方向不限定
密堆结构
单种离子尽量彼此紧密靠近
金属键材料性质：
良好导电 良好导热性 延展性好
容易与其它元素起 反应
金属光泽
原子间的键合
延展性好
原子间的键合
1.2.2 离子键
4高分子链的构型
a 旋光异构（立体异构）
旋光异构体
单体单元上侧基和取代基位置造成异构体互为镜影对称， 称为旋光异构体。
两种镜向乳酸分子不能叠加重合—旋光异构体
高分子近程结构
高分子链的全同立构——一种旋光异构体单元键接而成 高分子链的间同立构——两种旋光异构体单元交替键接而成 高分子链的无规立构——两种旋光异构体单元无规键接
+－+－+－+－ －+－+－+－+ +－+－+－+－ －+－+－+－+
离子键材料性质：
熔点高 正负离子静电力强，结合牢固
硬度高 同上原因
固态绝缘性好 （熔融及在溶液中离子可参与导电）
脆性大
原子间的键合
离子键物体的脆性
F
+－+－+－+－
－+－+－+－+
+－+－+－+－ －+－+－+－+