材料科学与工程基础 (2)ppt课件

本文档相关内容参见视频5-8,.,2,材料科学与工程基础培训课第二单元-1主讲教师：赵长生2011年8月10日,.,3,培训目标,以章为单元,通过选择典型的主题，采取示范课形式，及难重点讲解等形式，帮助学员理解本课程的教学设计思想、教学方法和技巧。,.,4,内容安排,以第二章材料结构基础中两部分内容为例进行示范课，（1）原子中的电子结构及原子间的相互作用与结合；（2）晶体结构，重点是面心立方和体心立方及间隙，离子晶体及配位数。,.,5,课程主要章节,第四章材料的性能(MaterialProperties),第三章材料组成和结构(CompositionsandStructuresofMaterials),第二章物质结构基础(StructureofMatter),第一章绪论(Introduction),第五章材料的制备和成型加工(PreparationandManufacturingofMaterials),.,6,第二章物质结构基础,(StructureofMatter),按照从微观到宏观、从内容到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构及变化规律之间的相互关系。使学生对材料组成（成分）与物质结构的内在联系有较系统、深刻的理解。,.,7,第二章物质结构基础,Whatareatomicstructuresandinteratomicbonds？Whataretheequilibriumseparationandthebondingenergybetweenatoms.Whatisthedifferenceinstructuresbetweencrystallineandnoncrystallinematerials.Whatissolidsolution.Whatistheimportanceofphasediagrams.Whatisthecharacteristicofmaterialssurface.,(StructureofMatter),.,8,第二章物质结构基础,2-1物质的形态及材料结构,2-2原子结构,2-3原子之间的相互作用和结合,2-4多原子体系电子的相互作用和稳定性,2-5固体中的原子有序,2-6固体中的原子无序,2-7固体中的转变,2-8固体物质的表面结构,2-1物质的形态及材料结构,2-2原子结构,2-3原子之间的相互作用和结合,2-4多原子体系电子的相互作用和稳定性,2-5固体中的原子有序,2-6固体中的原子无序,2-7固体中的转变,2-8固体物质的表面结构,.,9,2-3原子之间的相互作用和结合,(AtomicInteractionandBonding),Whataretheinteratomicbonds?Whataretheequilibriumseparation,distanceandthebondingenergybetweenatoms?WhatistheCoordinationNumberofatom?,.,10,学习目的,Chapter2,学习（部分复习）材料的性能和行为首先取决于材料中原子的电子状态；另，原子间的相互作用形式、原子的间距和空间排列都是影响材料性能的重要因素。,.,11,Chapter2,原子间相互作用的内在因素和结合类型与性质原子的间距和半径，空间排列状态及配位数键性与键能,要点,.,12,Chapter2,重点原子间结合类型难点配位数,重点和难点,.,13,自然界：一般由原子或分子组成物质或材料结合方式：基本结合：离子键、金属键、共价键派生结合：分子间作用力、氢键,原子之间的相互作用和结合,(AtomicInteractionandBonding),.,14,2-3-1基本键合（PrimaryInteratomicBonds)1.离子键合(IonicBonding)离子键正离子负离子库仑引力,Figure2.9,.,15,1.离子键合(IonicBonding)特点：电子束缚在离子中；正负离子吸引，达静电平衡；电场引力无方向性;构成三维整体晶体结构；在溶液中离解成离子。,.,16,特点：由正离子排列成有序晶格；各原子最(及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；,Figure2.11,2.金属键合(MetallicBonding),.,17,特点：原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。,Figure2.11,2.金属键合(MetallicBonding),.,18,两个原子共享最外壳电子的键合。特点：两原子共享最外壳层电子对；两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。,3.共价键合(CovalentBonding),.,19,3.共价键合(CovalentBonding),.,20,注意：,各种键合在中学已经学过，这里是复习；这里键合形式是与材料的性能联系；金属键合和离子键合的区别。,.,21,4、混和键合(MixedBonding),1）电负性(electronegativity):表示吸引电子的能力同一周期左右电负性增高同一族上下电负性降低,.,22,4、混和键合(MixedBonding)2）电负性对化学键的影响:同种原子间无影响异种原子相互作用时:两元素电负性相差较大:非金属非金属成极性共价键电负性相差很大:金属非金属成离子键,.,23,%ioniccharacter=1-exp-(0.25)(XA-XB)2100(2.10)whereXAandXBaretheelectronegativitiesfortherespectiveelements.,.,24,作用力也是库仑引力(与离子键相同但弱得多,不存在电子交换)1.分子间引力（IntermolecularAttraction)：分子（或电中性原子）间的结合力又称范氏（vanderWaals）力。特点：无方向性和饱和性键能最小,2-3-2派生键合（SecondaryBonding),.,25,JohannesDiderikvanderWaalsTheNobelPrizeinPhysics1910,.,26,1.分子间引力（IntermolecularAttraction)：,SchematicillustrationofvanderWaalsbondingbetweentwodipoles.,2-3-2派生键合（SecondaryBonding),.,27,C.色散力:非极性分子间瞬时偶极间的作用(Fluctuatinginduceddipolebonds),Figure2.13,.,28,质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F、Cl）结合，再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成一个键的键合方式。,Figure2.15,2.氢键(Hydrogenbond),.,29,特点：有方向性，饱和性；分子内氢键；分子间氢键；键能:一般为几十几kcal/mol,2.氢键(Hydrogenbond),.,30,氢键,.,31,DNA的双螺旋结构,纤维素、壳聚糖的溶解尼龙（聚酰胺）的溶解,.,32,原子间距离很大时,相互作用很小;距离减小时，斥力和引力以不同的函数形式增大。,平衡间距（EquilibriumSpacing）就是斥力和引力相等的距离。,2-3-3原子间距和空间排列(InteratomicSpacingandForces)1.原子间的距离和作用(InteratomicSeparationandInteraction),.,33,1.原子间的距离和作用(InteratomicSeparationandInteraction),.,34,孤立原子（非键合）的半径范氏半径结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a，不同，半径不同,(a)金属半径：金属键结合的原子距离的一半：a，/2(b)离子半径：a，=r+R-,2.原子半径和离子半径(AtomicRadiusandIonicRadius),.,35,离子价影响离子半径,.,36,大部分工程材料具有多个原子组成的配位团配位数是一个原子具有的第一邻近（原子或离子）数（Numberofnearest-neighboratoms）H-1Mg为6Si或C为4,3.配位数(CoordinationNumber)-CN：（影响半径）,.,37,3.配位数,.,38,3.配位数,.,39,影响因素共价，围绕一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目。卤族配位数为1；氧族为2。,原子的有效堆积，离子化合物具有较高配位数，最常见为6。,3.配位数,.,40,3.配位数,.,41,.,42,2键能(bondingenergy):1mol物质结合键分裂放出的能量,表示结合的强弱。化学键物理键（分子键）化学键中:共价键离子键金属键共价键中:叁键双键单键氢键范氏键,键性表,.,43,End,.,44,材料科学与工程基础培训课第二单元-2主讲教师：赵长生2011年8月10日,.,45,PerfectionsinSolids,Chapter3,2-5固体中的原子有序,SpecialityandPropertiesofCrystalsCrystalGeometrysymmetryandSpacialLatticeUnitCellincrystalLatticeparametersCrystalsystemTypesofSpacialLatticesCrystallographicDirectionandPlanesDirectionalIndices,MillerIndices,interplanarspacing,.,46,CrystallineStructuresandTypesFace-CenteredCubicFCCHexagonalClose-PackedHCPBody-CenteredCubicBCCInterstitialposition,MetallicCrystalIonicCrystalCovalentCrystalMolecularCrystal,.,47,目的:,Chapter3,2-5固体中的原子有序,学习描述材料晶体结构的点阵、晶胞、晶系和空间型式等的概念及相互关系；学习描述材料晶体（有序）结构的主要参数，包括晶向、晶面及其指数，面心立方、体心立方、密排六方三种典型晶体结构的主要参数的计算和表示方法；晶体材料的晶面间距测定方法和液晶的结构特点。,.,48,对称图形和对称操作点阵的意义和特点晶胞的表示和定位、晶系和空间点阵型式晶向、晶面的表示及其指数的计算晶面间距及测定晶体结构与键合性质的关系面心立方、体心立方、密排六方晶体的主要参数和计算方法（点阵常数、晶胞中原子数、致密度、密度、原子间距、配位数；间隙类型、数量和大小）,要点,.,49,晶向、晶面的表示及其指数的计算晶面间距及测定面心立方、体心立方、密排六方晶体的主要参数和计算方法（点阵常数、晶胞中原子数、致密度、密度、原子间距、配位数；间隙类型、数量和大小）,重点：,晶体间隙的类型、数量和大小。,难点：,重点和难点,.,50,2-5固体中的原子有序内容,(PerfectionsinSolids),2-5-1结晶的特性与晶体的性质(SpecialityandPropertiesofCrystals)2-5-2晶体几何学基础(FundamentalsofCrystalGeometry)2-5-3晶体的结构(CrystallineStructures),.,51,结晶的特性与晶体的性质(SpecialityandPropertiesofCrystals),2-5-1,1结晶特性晶体：原子(团)沿三维空间呈周期性长程有序(longrangeorder)排列的固体物质（金属，大多陶瓷及一些聚合物）非晶体：原子(团)无周期性长程有序排列的物质（包括气体，液体和部分固体）,.,52,2.晶体的性质熔点确定有自发形成规则多面体外形的能力稳定性（晶体能量最低）各向异性（物理性质不同）均匀性（周期小，宏观连续）,结晶的特性与晶体的性质,.,53,2-5-2,1晶体的对称元素2点阵3晶胞、晶系和空间点阵型式4.晶向指数和晶面指数5晶面间距(dhkl)：,(FundamentalsofCrystalGeometry),晶体几何学基础,.,54,1晶体的对称元素（对称：相同部分有规律重复）生长良好的晶体外形常有某些对称性（symmetry）,.,55,对称,.,56,对称图形：图形经不改变其任两点间距离的操作而能完全复原对称操作：能使图形自身重合复原的操作对称元素：一组操作中不动的点、线、面,b旋转轴旋转操作可旋360/nn（轴次）:仅1，2，3，4，6,a对称中心（点）反演（倒反）操作,.,57,c镜面反映操作,d反轴旋转反演操作（旋转与反演的复合）轴次同旋转轴,.,58,e平移对称点阵(Lattice）平移操作（平移轴）连接图形中任何两点的矢量进行平移，图形能复原。,.,59,f.螺旋轴旋转平移操作（旋转与平移的复合）滑移量受点阵限制，轴次同旋转轴。,.,60,g滑移面平（滑）移反映操作（反映与平移的复合）滑移量受点阵限制,.,61,2点阵：晶体结构的微观特征某种结构单元（基元）在三维空间作周期性规则排列基元：原子、分子、离子或原子团(组成、位形、取向均同)抽象为基元几何点,点阵+基元=晶体结构,.,62,.,63,.,64,点阵反映晶体结构的平移对称点阵是抽象的几何图形点阵中每个阵点的周围环境均相同,.,65,空间点阵(SpacialLattice)可用点阵矢量R的诸点列阵(平移群)表示R=n1a1+n2a2+n3a3，n1，n2，n3=0，1，2，a1，a2，a3为三个坐标轴上的单位矢量所有矢量R都属于（构成）点阵,.,66,3晶胞、晶系和空间点阵型式晶胞(UnitCell)：代表晶体内部结构的基本重复单位（平行六面体）晶胞的基本要素：A大小和形状B各原子坐标位置,Section3.11,晶轴上晶胞三个边的长度a，b，c和其夹角，称为晶格常数(Latticeparameters),.,67,晶胞中原子的坐标可由原点指向原子的向量表示:r=xa+yb+zcx，y，z1，称为分数坐标,晶格常数(Latticeparameters)a，b，c和，,.,68,按晶格常数的不同组合可将晶胞分为7种类型，对应7个晶系(Crystalsystem),.,69,7个晶系中，共有14种空间点阵型式(TypesofSpacialLattices),.,70,4.晶向指数和晶面指数（1）晶胞定位（用分数坐标）,原点（0,0,0）晶胞内离原点最远的顶角点（1,1,1）即位置为（1a,1b,1c）定位系数以晶胞的尺度来表示,点的位置用（x,y,z）表示,（点在晶胞内,无符号,分数）,Section3.12,.,71,（2）晶向指数晶向（CrystallographicDirection）是原点出发通过某点的射线（或过若干结点的直线方向）晶向指数（DirectionalIndices）用晶胞各轴上投影的最低整数标明:uvw表示晶向，其中uvw即晶向指数,4.晶向指数和晶面指数,.,72,晶体中同一晶向的阵点直线系列称为晶列。uvw表示晶向族(family),代表原子密度相同(等价)的所有晶向,一个晶向代表了一系列相互平行的阵点构成的直线,.,73,这部分是重点内容；讲清楚，对晶向内容的重点要求。（1）给出晶向，能找出晶向指数；（2）给出晶向指数，在图中能画出晶向。晶向族(family)，代表原子密度相同(等价)的所有晶向；晶体材料各向异性。,注意：,.,74,Determinetheindicesforthedirectionshownintheaccompanyingfigure.,EXAMPLEPROBLEM3.7,Thisproceduremaybesummarizedasfollows:xyzProjectionsa/21b0cProjections(intermsofa,b,andc)1/210Reduction120Enclosure,SOLUTION,120,例题,.,75,EXAMPLEPROBLEM3.8Drawadirectionwithinacubicunitcell.SOLUTION,a,-a,例题,X轴截距1,Y轴截距-1,Z轴截距0,.,76,晶向,4.晶向指数和晶面指数,.,77,（3）晶面指数晶面（CrystallographicPlanes）：晶体内的阵点（组成的）平面。晶面组：晶体所有阵点被划成平行等距的一组晶面,Section3.13,.,78,.,79,如何表示晶面？晶面指数晶面指数：用（hkl）表示,是晶面在三个晶轴上的截距倒数。截距用晶格常数a，b，c的倍数r，s，t表示即：h:k:l=1/r:1/s:1/t，最小整数晶面指数（hkl）常称密勒指数（MillerIndices）,.,80,1.选取原点,x、y、z轴,避免0截距,晶面指数如何来确定？,注意：1.为避免0截距，原点在晶面外；2.晶面与晶轴平行，截距为，该指数为零；3.截负端时，上加横线；4.截距越大、指数越小。,2.写出截距,3,3,2,3.取截距的倒数,（332）,（1/31/31/2）,4.倒数通分后去分母,（2/62/63/6）,（223）,.,81,EXAMPLEPROBLEM3.9DeterminetheMillerindicesfortheplaneshownintheaccompanyingsketch(a),SOLUTIONThesestepsarebrieflysummarizedbelow:xyz,Interceptsa-bc/2,Reciprocals0-12Reductions(unnecessary),Intercepts(intermsoflatticeparameters)-11/2,例题,.,82,EXAMPLEPROBLEM3.10Constructaplanewithinacubicunitcell.,取倒数,找截距,X轴平行，Y轴为-1，Z轴为1，做图,例题,.,83,（4）晶面族：某晶面的晶面指数乘以-1后所表示的一组晶面仍与其平行，共为一晶面组，也用（hkl）表示。晶面族(family)用hkl表示,代表原子排列相同（晶面方位不同）的所有晶面。对立方晶体：A1003组B1114组C1106组,.,84,晶面,4.晶向指数和晶面指数,.,85,5晶面间距(dhkl)：晶面组中最近两晶面间的距离叫晶面间距（interplanarspacing）晶面指数低，面上具有较高的原子密度，间距大、作用力弱。a立方晶体：dhkl=h2+k2+l2a为点阵常数,.,86,使用X-射线衍射（X-rayDiffraction）结果，通过布拉格定律（BraggsLaw），可测定晶面间距：n=2dsin=MHP（光程差）n=1，2，3，为衍射级数；为波长；为衍射角,.,87,.,88,X-射线衍射仪和图谱,.,89,例题,End,.,90,材料科学与工程基础培训课第二单元-3主讲教师：赵长生2011年8月10日,.,91,2-5-3晶体的结构,Section3.2,3.3,3.4,3.15,1、金属晶体(MetallicCrystal)2、离子晶体(IonicCrystal)3、共价晶体(CovalentCrystal)4、分子晶体(MolecularCrystal)5、多晶型(Polymorphism)6、液晶(Liquidcrystal),(CrystallineStructures),.,92,晶体的结构(CrystallineStructures)1、金属晶体(MetallicCrystal)：金属键；无方向性；原子呈圆球状密堆积大多为右面三种结构：,Section3.2,3.3,3.4,3.15,.,93,(1)面心立方（Face-CenteredCubic-fcc）,.,94,配位数(CoordinationNumber)：12（上、同、下层各为4个）,12,晶胞中的原子数：4=81/8（角）+61/2（面）=,致密度(AtomicPackingFactor)：APF=晶胞内原子总体积/晶胞体积=,4,0.74,.,95,先排成最密排层，层间堆垛方式为ABCABC.，即第四层重叠在第一层位置，余类推,.,96,（2）体心立方（Body-centeredCubic-bcc）,.,97,配位数(CoordinationNumber)：,晶胞中的原子数：,心原子上下各为4个=,81/8(角)+1(心)=,8,2,.,98,(3)密排六方(HexagonalClose-Packed-HCP)配位数(CoordinationNumber)：12（同层6个、上、下两层各为3个）晶胞中的原子数：6=121/6(边角)+21/2(面)+3(内)最近的原子间距：d（=a2/3+c2/4）点阵常数：a，c致密度(AtomicPackingFactor)：0.74,.,99,(3)密排六方(HexagonalClose-Packed-HCP)最密排层间堆垛方式为ABAB,即第三层重叠在第一层位置，余类推,对比面心立方,.,100,a,d,2,2,=,a,d,2,3,=,a,c,a,d,=,+,=,4,3,2,2,0,2,8,8,1,1,=,+,4,8,2,1,8,8,1,=,+,68,.,0,),4,3,)(,3,4,(,2,3,3,=,a,a,p,74,.,0,),4,2,)(,3,4,(,4,3,3,=,a,a,p,典型金属结构晶体学特点,.,101,间隙(Interstitialposition),四面体间隙(Tetrahedralposition,八面体间隙（Octahedralposition）,Section3.15,.,102,间隙(Interstitialposition),.,103,间隙(Interstitialposition),.,104,四面体间隙数：每晶胞：8每原子间隙：8/4=2间隙大小（半径）=3a/4R=0.225R,面心立方,.,105,八面体间隙数：每晶胞：1(体)+1/412(棱)=4每原子：4/4=1,面心立方,间隙大小（半径）=a/2R=0.414R,.,106,八面体间隙数：每晶胞：1/26(面)+1/412(棱)=6每原子间隙：6/2=3间隙大小（半径）=a/2R=0.633R=a/2R=0.154R,体心立方（BCC）,.,107,体心立方（BCC）,.,108,四面体间隙数：,体心立方（BCC）,间隙大小（半径）,每晶胞：41/26(面)=12,每原子：12/2=6,.,109,表2-13面心立方、密排六方与体心立方晶胞中的间隙,.,110,2、离子晶体(IonicCrystal)：离子键，无方向性。正离子周围配位多个负离子，离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制堆积形式决定于正负离子的电荷数和相对大小,Section3.6,.,111,.,112,（等电荷时，负离子密堆）正、负离子半径比越大，配位（负离子）数越高,.,113,.,114,.,115,EXAMPLEPROBLEM3.4Showthattheminimumcation-to-anionradiusratioforthecoordinationnumber3is0.155,SOLUTIONForthiscoordination,thesmallcationissurroundedbythreeanionstoformanequilateraltriangleasshownbelowtriangleABC;thecentersofallfourionsarecoplanar.,例题,.,116,Thisboilsdowntoarelativelysimpleplanetrigonometryproblem.ConsiderationoftherighttriangleAPOmakesitclearthatthesidelengthsarerelatedtotheanionandcationradiirAandrCasand,Furthermore,thesidelengthratioAP/AOisafunctionoftheangleas,.,117,Themagnitudeofis30,sincelineAObisectsthe60angleBAC.Thus,solvingforthecationanionradiusratio,.,118,3、共价晶体(CovalentCrystal)：共价键；有方向性、饱和性，配位数和方向受限制（配位须成键）多由非金属元素组成(A族)N族元素共价晶体的配位数为（8N）。,N=6,N=5,.,119,4、分子晶体(MolecularCrystal):组元为分子；范氏力和氢键若仅有范氏力：无方向性、饱和性、趋于密堆，常还受分子非球性及永久偶极相互作用影响，有氢键时：有方向性、饱和性，堆积密度低。,.,120,水结晶时为什么密度减小?,.,121,5、多晶型(Polymorphism)一化合物有两种以上的晶型相互间转变的形式改变连接方式改变配位改变分子或离子的对称性改变键型,.,122,.,123,6、液晶,.,124,6、液晶：溶(熔)点清亮点有些物质：晶相液晶相液相长程有序（中介相）短程有序各向异性各向同性液晶(LiquidCrystal)：可出现液晶相的物质（1）液晶的状态：几何形状各向异性较大的分子形成的晶体加热时：,.,125,（2）液晶的分类从出现液晶相的条件分：A.热致液晶：因温度变化（热）导致液晶相出现的物质纯化合物或均匀混合物、典型分子，分子量200-500，轴比（长宽比）4-8B.溶致液晶：在一定溶剂作用下，出现液晶相的物质大多变温时不稳定，长棒分子的轴比：15,.,126,A.丝状相（向列相nematic）分子具长程取向有序，质心无长程有序,B.螺旋状相（胆甾相cholesteric）螺旋式改变取向方向的丝状相,C.层状相（近晶相smectic）二维有序,除上两种外的热致液晶分子有序性更高，更接近晶体（质心仍无远程有序）排列呈层状结构。,从分子排列的有序性分：,End,.,127,材料科学与工程基础培训课第二单元-4主讲教师：赵长生2011年8月10日,.,128,教学与科研的体会,结合本门课程的实际教学，将自己的心得与大家分享。讲授内容结合自己的研究方向，提练新课题。,.,129,教学与科研的体会-1,第二章物质结构基础,2-1物质的形态及材料结构,2-2原子结构,2-3原子之间的相互作用和结合,2-4多原子体系电子的相互作用和稳定性,2-5固体中的原子有序,2-6固体中的原子无序,2-7固体中的转变,2-8固体物质的表面结构,.,130,教学与科研的体会-1,2-8固体物质的表面结构,固体内部：质点受到周围质点的控制，静力平衡，存在力场，力场对称。固体表面：周期性重复中断，力场对称性破坏，产生指向空间的剩余力场。剩余力场表现：固体表面对其它物质有吸引作用（如润湿、吸附、粘附性）,.,131,教学与科研的体会-1,2-8固体物质的表面结构,.,132,教学与科研的体会-1,2-8固体物质的表面结构,吸引力表面力包括化学力：静电力表面与被吸附分子之间范氏力：取向极性分子之间诱导极性与非极性分子间色散非极性分子间,.,133,教学与科研的体会-1,2-8固体物质的表面结构,表面张力和表面能(SurfaceTensionandSurfaceEnergy),表面张力：扩张表面时单位长度上所需要的力；单位N/m,表面能：增加单位面积的表面所需要做的功；单位J/m2,.,134,教学与科研的体会-1,2-8固体物质的表面结构,液体表面能和表面张力大小有相同的数值；固体差别较大。扩张表面时要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用，故表面张力与物质原有的键合方式相关作用力弱：做功小表面