《材料科学基础》讲稿

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1、《材料科学基础》讲稿“材料科学基础”研究材料的结构以及组织结构和材料性能之间关系，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，材料的相变，材料的扩散，材料的塑性变形与强化以及材料科学研究方法等。“材料科学基础”课程将金属材料、无机非金属材料以及聚合物材料结合在一起，使学生更好地把握材料的共性，熟悉材料的个性，使学生获得材料科学的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为以后深入学习后续课程、为无机材料的生产、使用和研究开发打好基础，培养适应21世纪科学技术发展的高素质人才。第一章原子结

2、构与键合1.1原子结构1.1.1物质的组成一切物质都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。原子结构直接影响原子间的结合方式。1.1.2原子的结构近代科学实验证明：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。原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g，而电子的质量约为9.11X10-28g，仅为质子的1/1836。1.1.3原子的电子结构

3、描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund规则。从内到外，依次为K壳层(n=1),L壳层(n=2),M壳层(n=3). 1).主量子数n决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。 2).轨道角量子数li给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）。 3).磁量子数mi给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。 4).自旋角量子数si反映电子不同的自旋方向。1.1.4元素周期表具有相同核电荷数的同一类原子为一

4、种元素。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质1.2原子间的键合1.2.1金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。1.2.2离子键大多数盐类

5、、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。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。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。1.2.3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。共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非

6、金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。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。1.2.4范德华力属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德华力不同是一个重要因素。1.2.5氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分

7、子材料中特别重要。1.3高分子链高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构两方面。链结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于化学结构，又称一级结构。远程结构又称二级结构，是指单个高分子的大小和形态、链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。如图：单个高分子的几种构象图1.3.1高分子链的近程结构1.链结构单元的化学组成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。2.分子结构一般高分子都是线性的，分子链长可以蜷曲成团，也可以伸展成直线。3.共聚物的结构由两种或两种以上单体单元所组

8、成的高分子称为共聚物。不同的共聚物结构，对材料性能的影响也各不相同。4.高分子链的构型链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列，这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的