材料科學基礎第1章

1、 材料(Materials)是國民經(jīng)濟的物質基礎。 材料無處不在，無處不有 什么是材料？什么樣的材料值得關注？ 先來看看材料的發(fā)展歷史工工 農(nóng)農(nóng) 業(yè)業(yè) 生生 產(chǎn)產(chǎn)國國 防防科科 學學 技技 術術人人 民民 生生 活活1什么是材料？一、材料科學基礎的基本概念材料發(fā)展史材料發(fā)展史結論結論 一方面，材料是人類生存和生活必不可缺一方面，材料是人類生存和生活必不可缺少的部分，是人類文明的物質基礎和先導，少的部分，是人類文明的物質基礎和先導，是直接推動社會發(fā)展的動力。是直接推動社會發(fā)展的動力。 另一方面，隨著社會的發(fā)展，科學技術的另一方面，隨著社會的發(fā)展，科學技術的進步以及自然資源和能源的逐漸減少，人進步

2、以及自然資源和能源的逐漸減少，人們所關注的、所使用的材料種類也在發(fā)生們所關注的、所使用的材料種類也在發(fā)生著變化著變化人類社會所能夠接受的人類社會所能夠接受的經(jīng)濟地制造有用器件的物質。經(jīng)濟地制造有用器件的物質。因此材料的定義可以發(fā)展為： 鋁合金的比強度為2.64106cm，這對于結構材料來說是幾千年來的一個飛躍。 鋁曾經(jīng)比金銀還要珍貴 技術的進步讓鋁走出了首飾店 鋁業(yè)公司的生意是從一把鋁壺開始的 鋁合金的出現(xiàn)，打開了鋁的應用市場，大大拓寬了鋁的用途高比強鋁合金給高比強鋁合金給2020世紀的世紀的“新新”材料帶來了第一個突破材料帶來了第一個突破一個例子友情提示 長期以來人們一直認為鋁是無毒的，因此

3、用起來很放心。但是醫(yī)學家經(jīng)過長期研究后發(fā)現(xiàn)，人體攝入過量的鋁也會帶來危害。 由于鋁制品的大量使用，特別是鋁制品盛放咸的、酸性的或堿性的食物時，其表面的保護膜就會遭到破壞，氧化鋁就會被溶解，使人體攝入鋁的量增加，日積月累，對健康會產(chǎn)生影響。u資源（充分利用、可持續(xù)發(fā)展等）u能源（節(jié)能、循環(huán)利用） u環(huán)保u經(jīng)濟u質量 一般來說，一種材料能否在一個時代引起人們關注、得到廣泛使用應該從以下幾方面加以分析： 新陳代謝這一生命規(guī)律在材料中也是同樣存在的。事實上，新陳代謝這一生命規(guī)律在材料中也是同樣存在的。事實上，每種材料都有其生命曲線。每種材料都有其生命曲線。 一個新材料的誕生，從實驗室研制出樣品到工業(yè)上

4、的大規(guī)一個新材料的誕生，從實驗室研制出樣品到工業(yè)上的大規(guī)模實際使用，大概需要模實際使用，大概需要1520年時間。年時間。 衰退主要是由于社會發(fā)展和科學技術進步導致的。衰退主要是由于社會發(fā)展和科學技術進步導致的。衰退出現(xiàn)發(fā)展成熟新材料傳統(tǒng)材料 美國國防部1991年提出20項關鍵技術，有5項以材料為主。 2001年日本文部省發(fā)布的第七次技術預測研究報告中列出了影響未來的100項重要課題，一半以上為新材料或依賴于新材料發(fā)展的課題，而其中絕大部分均為功能材料。 歐盟第六框架計劃和韓國的國家計劃等把功能材料技術列為關鍵技術之一，加以重點支持。 我國863高科技發(fā)展計劃，材料是7個重點之一，重大基礎研究攀

5、登計劃的30個重大課題中有7個與材料直接有關。信息技術生物技術新型材料 20世紀80年代出現(xiàn)的新技術革命的重要標志： 材料涉及的領域極為廣泛，舉凡國材料涉及的領域極為廣泛，舉凡國家的工農(nóng)業(yè)建設和國防建設，人民生活家的工農(nóng)業(yè)建設和國防建設，人民生活水平的提高，無不與材料密切相關。所水平的提高，無不與材料密切相關。所以材料的科學研究、新產(chǎn)品的開發(fā)、工以材料的科學研究、新產(chǎn)品的開發(fā)、工業(yè)大生產(chǎn)與合理應用都關系到社會進步、業(yè)大生產(chǎn)與合理應用都關系到社會進步、國家安全，因此人們把材料譽為現(xiàn)代文國家安全，因此人們把材料譽為現(xiàn)代文明的三大支柱之一。明的三大支柱之一。摘自：師昌緒主編材料大辭典前言現(xiàn)代文明（科

6、學技術發(fā)展）的三大支柱：現(xiàn)代文明（科學技術發(fā)展）的三大支柱： 80年代年代 能源、新材料、信息能源、新材料、信息 90年代信息技術、新材料、生物技術年代信息技術、新材料、生物技術 新材料發(fā)展與應用水平直接決定著經(jīng)濟發(fā)展的水平。 材料品種、數(shù)量、質量是國家現(xiàn)代化程度材料品種、數(shù)量、質量是國家現(xiàn)代化程度標志之一。標志之一。 材料科學與綜合國力密切相關。材料科學與綜合國力密切相關。 什么是材料科學呢？什么是材料科學呢？2什么是材料科學？l “材料科學材料科學”主要研究對象是新材料，或者想方設主要研究對象是新材料，或者想方設法使傳統(tǒng)材料獲得新生。法使傳統(tǒng)材料獲得新生。圖1 材料科學與工程四要素 材料科

7、學的發(fā)展與研究手段的發(fā)展密不可分。圖1 材料科學與工程四要素材料科學的核心問題核心問題是材料的組織結構（structure）和性能（property）以及它們之間的關系。 材料結構： 是影響材料性能的基本因素， 隨化學組成及外界條件改變。 宏觀組織結構宏觀組織結構 顯微組織結構顯微組織結構 原子或分子排列結構原子或分子排列結構 原子中的電子結構原子中的電子結構材料結構材料結構 宏觀組織結構是指人們用肉眼或放大鏡所能觀察到的晶粒宏觀組織結構是指人們用肉眼或放大鏡所能觀察到的晶?；蛳嗟募蠣顟B(tài)?；蛳嗟募蠣顟B(tài)。 顯微組織是指借助光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察到的晶粒顯微組織是指借助光學顯微鏡和電子顯微

8、鏡觀察到的晶粒或相的集合狀態(tài)，金相顯微鏡或相的集合狀態(tài)，金相顯微鏡 (光學顯微鏡，有效放大倍光學顯微鏡，有效放大倍率最大為率最大為1600倍，分辨極限率為倍，分辨極限率為210-7m) 能夠觀察到金能夠觀察到金屬晶粒的形狀和大小，較粗大的夾雜物和雜質粒子、晶界屬晶粒的形狀和大小，較粗大的夾雜物和雜質粒子、晶界以及沿境界分布的雜質薄膜等，但不能觀察到許多精細結以及沿境界分布的雜質薄膜等，但不能觀察到許多精細結構，此時需要提高顯微鏡的分辨能力，電子顯微鏡是以電構，此時需要提高顯微鏡的分辨能力，電子顯微鏡是以電子束作為光源，分辨極限率可達子束作為光源，分辨極限率可達310-9m。 比之更細的層次是原

9、子或分子排列結構，比之更細的層次是原子或分子排列結構， 尺度約為尺度約為10-10m。 更小的是電子結構，即指原子中電子的分布規(guī)律，尺度約更小的是電子結構，即指原子中電子的分布規(guī)律，尺度約為為10-13m. 宏觀組織結構：10-4 m 肉眼可見 Macroscopic 顯微組織結構： 10-4 10-9 m 顯微鏡觀察 Microscopic 原子或分子排列結構：10-10 m Organization of atoms or molecules 原子中的電子結構： 10-13 m Subatomic structure3、什么是材料工程？、什么是材料工程？研究材料科學領域的普遍規(guī)律（強調共性

10、，突出個性）研究材料科學領域的普遍規(guī)律（強調共性，突出個性）l研究的途徑：研究的途徑：l一、做實驗；一、做實驗；l二、總結生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗；二、總結生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗；l三、通過材料基礎理論，從理論上預計材三、通過材料基礎理論，從理論上預計材料的結構和性能。料的結構和性能。What do materials scientists study?n 原子結構與鍵合原子結構與鍵合n 固體結構固體結構n 晶體缺陷晶體缺陷n 固態(tài)擴散固態(tài)擴散n 材料的形變與再結晶材料的形變與再結晶n 純晶體凝固純晶體凝固n 二元相圖二元相圖M M. .P Pl la an nk k和和A A. .E Ei in ns st

11、te ei in n量量子子論論原原子子結結構構的的量量子子理理論論R Ru ut th he er rf fo or rd d 原原子子有有核核模模型型- -2 27 7- -2 27 7- -3 31 1（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）質質子子：正正電電荷荷m m1 1. .6 67 72 26 6 1 10 0 k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s) )：位位于于原原子子中中心心、帶帶正正電電中中子子：電電中中性性m m1 1. .6 67 74 48 8 1 10 0 k kg g電電子子（e el

12、le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋轉轉，帶帶負負電電，按按能能量量高高低低排排列列，如如電電子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo ou ud d） m m9 9. .1 10 09 95 5 1 10 0 k kg g，約約為為質質子子的的1 1/ /1 18 83 36 6u原子是由帶正電荷原子是由帶正電荷Z Z的原子核和的原子核和Z Z個核外電子所組成；個核外電子所組成；u電子沿分立的滿足一定量子條件電子沿分立的滿足一定量子條件( (角動量角動量L=nh/2L=nh/2，n n為正整為正整數(shù)，數(shù)，h h為普朗克常數(shù)為普朗克常

13、數(shù)) )的圓形軌道圍繞著原子核運動，電子在這的圓形軌道圍繞著原子核運動，電子在這些軌道上運動時，原子呈穩(wěn)定狀態(tài)而不輻射能量；些軌道上運動時，原子呈穩(wěn)定狀態(tài)而不輻射能量；u當原子從能量為當原子從能量為EnEn的狀態(tài)躍遷到能量為的狀態(tài)躍遷到能量為EmEm的狀態(tài)時，將發(fā)射的狀態(tài)時，將發(fā)射或吸收具有一定頻率或吸收具有一定頻率(v)(v)的光子：的光子：hu=|En-Em|hu=|En-Em|。 在這個模型的基礎上，玻爾不僅正確地導出了巴爾末公式，在這個模型的基礎上，玻爾不僅正確地導出了巴爾末公式，而且還預測到一些新的譜線系，這些線系后來分別在紫外和遠而且還預測到一些新的譜線系，這些線系后來分別在紫外和

14、遠紅外區(qū)中發(fā)現(xiàn)。紅外區(qū)中發(fā)現(xiàn)。 iiinln 1, spdfm i主量子數(shù) ：決定原子中電子能量和核間距離，即量子殼層，取正整數(shù)K、L、M、N、O、P、Q electron shell軌道動量量子數(shù) ：與電子運動的角動量有關，取值為0，1，2， ， ， shape of the electron subshell磁量子數(shù) ：決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向，取值為-li1),1,0,1, spatial orientation of an electron cloudsii，-(ll11自旋角動量量子數(shù) ：表示電子自旋（spin moment）的方向，取值為 或-22l 描述原子中一個電子

15、的空間和能量，可用四個量子數(shù)描述原子中一個電子的空間和能量，可用四個量子數(shù)（quantum numbers）表示表示軌道角動量量子數(shù)li2 2全全充充滿滿半半充充滿滿 全全空空自自旋旋方方向向相相同同能能量量最最低低原原理理（M Mi in ni im mu um m E En ne er rg gy y p pr ri in nc ci ip pl le e) )電電子子總總是是占占據(jù)據(jù)能能量量最最低低的的殼殼層層 1 1s s- -2 2s s- -2 2p p- -3 3s s- -3 3p p- -4 4s s- -3 3d d- -4 4p p- -5 5s s- -4 4d d-

16、-5 5p p- -P Pa au ul li i不不相相容容原原理理（P Pa au ul li i E Ex xc cl lu us si io on n p pr ri in nc ci ip pl le e) ): : 2 2n nH Hu un nd d原原則則（H Hu un nd d R Ru ul le e) )四、元素周期表（自學）元素周期律的具體表現(xiàn)形式。金金屬屬鍵鍵（M Me et ta al ll li ic c b bo on nd di in ng g）化化學學鍵鍵（C Ch he em mi ic ca al l b bo on nd di in ng g）離離子

17、子鍵鍵（I Io on ni ic c b bo on nd di in ng g）主主價價鍵鍵p pr ri im ma ar ry y i in nt te er ra at to om mi ic c b bo on nd ds s共共價價鍵鍵（c co ov va al le en nt t b bo on nd di in ng g）物物理理鍵鍵（p ph hy ys si ic ca al l b bo on nd di in ng g) ), ,次次價價鍵鍵( (S Se ec co on nd da ar ry y b bo on nd di in ng g) )，亦亦稱稱V

18、Va an n d de er r W Wa aa al ls s b bo on nd di in ng g氫氫鍵鍵（H Hy yd dr ro og ge en n- -b bo on nd di in n和g g) ) 介介于于化化學學鍵鍵范范德德華華力力之之間間典型金屬原子的結構特點：典型金屬原子的結構特點：由正離子排列成有序晶格；各原子最 (及次)外層電子釋放，在晶格中隨機、自由、無規(guī)則運動，無方向性；當金屬正離子之間和電子云的間距達到某個值時，引力和斥力達到短暫平衡，組成穩(wěn)定的晶體。這時，金屬正離子在其平衡位置附近振動。價電子極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子即稱為電子云。價電子極

19、易掙脫原子核之束縛而成為自由電子即稱為電子云。通電后電子的運動具有方向性 以離子為結合單元以離子為結合單元鍵電對鍵鍵兩鍵間極極性性( (P Po ol la ar r b bo on nd di in ng g) ): :共共用用子子偏偏于于某某成成原原子子非非極極性性（N No on np po ol la ar r b bo on nd di in ng g) ): : 位位于于成成原原子子中中l(wèi)實質：由二個或多個電負性差不大的原子間通過共用電子實質：由二個或多個電負性差不大的原子間通過共用電子對而成。對而成。 兩個原子共享最外殼電子的鍵合。l特點：有特點：有方向性（方向性（s電子除外）和

20、電子除外）和飽和性，飽和性， 配位數(shù)較小配位數(shù)較小 。l性質：結構穩(wěn)定、熔點高、質硬脆、導電能力差性質：結構穩(wěn)定、熔點高、質硬脆、導電能力差l亞金屬（亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無機非金屬材料），聚合物和無機非金屬材料 電應鄰電華偶偶極極矩矩的的感感作作用用近近原原子子相相互互作作用用荷荷位位移移 偶偶極極子子( (d di ip po ol le es s）范范德德力力l特點：特點： 無方向性和飽和性；無方向性和飽和性； 鍵能最小。鍵能最小。l屬物理鍵，系次價鍵，不如化學鍵強大，但能很大程度改變材料性質。 （原子間和分子間的吸引力）Johannes Diderik van der

21、 Waals（1837-1923）The Nobel Prize in Physics 1910 1910年因研究氣態(tài)和液態(tài)方程獲諾貝爾物理學獎。 A.靜電力(electrostatic) ： 分子永久偶極間相互作用分子永久偶極間相互作用 B.誘導力(induction) : 被誘導的偶極與永久偶極間作用被誘導的偶極與永久偶極間作用 C. 色散力(dispersive force）: 非極性分子間瞬時偶極間的作用非極性分子間瞬時偶極間的作用 包括：、非極性分子產(chǎn)生瞬時偶極氫鍵將相鄰的水分子連氫鍵將相鄰的水分子連接起來，起著橋梁的作接起來，起著橋梁的作用用氫橋。氫橋。DNA的雙螺旋結構的雙螺旋結

22、構1、金屬材料中出現(xiàn)少量的共價鍵；2、金屬間化合物中出現(xiàn)金屬鍵和離子鍵混合的情況；3、陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵和共價鍵混合的情況。 % ionic character = 1-exp-(0.25)(XA - XB)2100 where XA and XB are the electronegativities for the respective elements.試計算SiO2中離子鍵所占的比例是多少？鏈結構鏈結構（Chain Structure)聚集態(tài)結構（三次結構）聚集態(tài)結構（三次結構）（Structure of aggregation state)高分子結構高分子結構近程結構：屬于化學結

23、構，又稱一次結構。遠程結構：又稱二次結構，是指單個高分 子的大小、形態(tài)、柔順性、構象。近程結構包括：構造和構型聚合反應聚合反應加聚反應：添加引發(fā)劑通過共價鍵將單分子聚合加聚反應：添加引發(fā)劑通過共價鍵將單分子聚合(polyaddition)縮聚反應縮聚反應 ：化學反應，釋放出副產(chǎn)品：化學反應，釋放出副產(chǎn)品(polycondersation)聚合度：高分子鏈中重復結構單元的數(shù)目。高分子鏈：由單體通過聚合反應鏈接而成的鏈狀分子。近程結構（short-range Structure)一、結構單元的化學組成（the Chemistry of mer unito)1.碳鏈高分子 聚乙烯HHCCHHl主鏈以

24、C原子間共價鍵相聯(lián)結，加聚反應制得l如：聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯等l2.雜鏈高分子 滌綸l主鏈除C原子外還有其它原子如O、N 、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）、聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等OOHHCCOCCOHH 33CHSiOCH/i/SSSSSiSSSClClPNPNClCll主鏈既不含C原子，也不含有機基團，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解。l4.無機高分子 聚二氯-氮化磷二硫化硅二、高分子鏈的幾何形態(tài)二、高分子鏈的幾何形態(tài)（structure）不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不

25、能改變形狀熱固性（thermosetting） 線性高分子（線性高分子（linear polymers)：加熱后變軟，熔融，甚至流動，可反復加：加熱后變軟，熔融，甚至流動，可反復加工工 熱塑性熱塑性(thermoplastic)，能溶解在，能溶解在 合適的溶劑中，合適的溶劑中，支化高分子（支化高分子（branched polymers)：能溶解在合適的溶劑中，可熔融。：能溶解在合適的溶劑中，可熔融。交聯(lián)高分子（交聯(lián)高分子（crosslinked polymer)：不溶不熔，耐磨性好：不溶不熔，耐磨性好熱固性熱固性體型（立體網(wǎng)狀）高分子（體型（立體網(wǎng)狀）高分子（network on three-

26、dimensional polymer)官能度官能度頭頭22CHCHCHCHCHClClCl222CHCHCHCHCHClCl尾尾222CHCHCHCHCHClCl頭尾雙烯類高聚物中，則更復雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同 如：聚丙烯腈無規(guī)共聚物（Random copolymer）交替共聚物（ alteranting copolymer）嵌段共聚物（ block copolymer）接枝共聚物（graft copolymer） 高分子鏈一旦形成，鏈內由共價鍵固定高分子鏈一旦形成，鏈內由共價鍵固定的各原子和原子團的幾何排列即穩(wěn)定不變。的各原子和原子團的幾何排列即穩(wěn)定不變。若想改變鏈內原子

27、間的幾何排列，只有斷若想改變鏈內原子間的幾何排列，只有斷開共價鍵才行。開共價鍵才行。l由烯烴單體合成的高聚物在其結構單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構單元 ，有三種排列方式：處鏈兩側兩單處鏈邊體間無規(guī)（syndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configurationR取代基交替地在主平面， 即旋光異構元交替R取代基全在主平面一， 即全部由一種旋光異構同立構全同立構立構鏈兩側規(guī)則s):R取代基在主平面不排列高分子鏈的空間立構性影響著高分子材料的性能。n2CHCHR等規(guī)高分子：較高的結晶度和高熔

28、點高強度，且不易溶解。間規(guī)高分子無規(guī)高分子排列規(guī)則緊密聚集易形成結晶強度高彈性差B、幾何異構（Geometrical isomerism） 雙烯類單體定向聚合時，可得到有規(guī)立構聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉，從而每一雙就可能有 順式（cis-structure)順式（cis-structure)反式（trans-structure)反式（trans-structure)順無順順反序反交替全全反3HCHHHCCCCHH3HCHHCCCCHHH順式 反式 兩種異構體之分，對于大分子鏈而言就有稱為幾何異構二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 排列不規(guī)則，不易結晶，彈性較好結構規(guī)整，容易結晶，彈性很差數(shù)對質為數(shù)數(shù)對質為質數(shù)n ni ii ii ii ii ii i均均相相分分子子量量M M = =x x M M , , x x分分子子分分 n nu um mb be er ra av ve er ra ag ge e m mo ol le ec cu ul la ar r w we ei ig gh ht t重重均均相相分分子子量量M Mw ww w M M , , w w量量分分 w we ei ig gh ht t- -a av ve er ra ag ge e m mo ol le ec cu ul la ar r w we ei ig gh ht t例