西北工业大学-材料科学基础-笔记

考研专业课高分资料西北工业大学材料科学基础笔记北京总部研究生院教学研究中心北京总部售后电话原子结构和粘接的第一部分摘要：物质是由原子构成的，构成物质的每个元素的原子结构和原子之间的结合是决定材料特性的重要因素。第一节原子结构1.物质的组成物质是由大量可以成为原子、分子或离子的粒子组成的。分子是一种单独存在并能保持物质化学特性的粒子。原子是化学变化中最小的粒子。质子m=1.6710-24g2.原子的结构原子(10-10米)核(10-15m)核电子m=9.1110-28gE=1.602210-19C中子原子的电子结构电子的状态和在某处发生的概率可以用薛定谔方程的解/波函数来解释。也就是说，原子中每个电子的空间位置和能量可以由四个量子数来决定。a主量子数(n):确定原子中电子的能量和与原子核的平均距离，即电子所在的量子壳。k、l、m.b轨道角动量量子数(l):关于电子运动的角动量，表示电子在同一壳体内所处的能量水平。s、p、d、f.c子量子数(m):给出了确定电子云空间方向的2l 1的角轨道角动量量子数的能量系列或轨道数。d自旋角动量量子数(s):反映电子的不同自旋方向，其值是可取的。核电子分配规则：a能量最小原则：电子的排列总是尽量使系统的能量最小；B Pauling不相容原则：一个原子中不能存在两个行为状态完全相同的电子。C Hund规则：在同一子层次的每个能量水平内，电子阵列尽可能地占据不同的能量水平，自旋方向相同。金属接合离子结合共用接合范德华力组合键氢键物理关键点(子关键点)化学键(主价键)4.周期表元素是具有相同原子电荷的同类原子的统称。元素的外侧电子结构随着原子编号的增加，周期性的变化称为周期。周期表是周期律的表现。元素的特性、原子结构和元素在周期表中的位置之间存在着密切的关系。第二节原子之间的耦合1.金属接合金属的自由电子和金属阳离子的相互作用组成的结合称为金属结合。特定：电子共享、不饱和和无方向。金属键没有饱和，也没有方向，所以每个原子都倾向于与更多的原子结合，形成低能致密结构。金属受力变形，改变原子之间的相互位置时，金属不破坏金属键，因此金属延展状态好，自由电子的存在，一般具有良好的导电性和导热性。离子结合离子键是正负离子之间的相互作用。特定：使用离子作为结合单位、不饱和和方向。通常在离子晶体中，双极负离子的静电引力强，结合力强，所以熔点和硬度都很高。另外，在离子晶体中很难制造自由移动的电子，所以它们都是电绝缘体。但是在熔化状态下，阳离子和阳离子可以在外部电场作用下自由移动，这时表示离子导电性。3.共用接合原子之间通过共享电子对而形成的化学键就是共价键。可以分为戏剧和悲剧。特征：方向性和饱和。共享耦合晶体内的每个耦合之间具有明确的位置、低配位数、共享耦合的耦合力很强的特点，因此共享耦合晶体具有结构稳定性、熔点高、质量脆性等特点。被绑在相邻原子之间的“共享电子对”不能自由移动，因此共享合一般是绝缘体，导电率低。4.范德华力特性：二次键，无向，不饱和氢键属于极性分子结合，存在于HF、H2O、NH3等分子之间，具有饱和性和方向性。化合物AB中离子键所占比例IC近似计算公式XA，xB分别是a，b元素的电负性。分子间力静电力：固有偶极相互作用，诱导力：固有偶极和诱导偶极之间的作用/分散力：诱导偶极之间的相互作用/第三节高分子链聚合物结构链结构聚合状态结构(第三级结构)远程结构(二级结构)短程结构(初级结构/化学结构)结构配置结构：研究分子链的原子类型和排列、高分子链的化学结构分类、结构单元的结合顺序、链结构的组成、聚合物的分支、交联和末端基等。“构成”:空间中特定原子周围的置换排列；“远程结构”:单个聚合物的大小和形状、链的灵活性以及分子在各种环境下采取的结构；絮凝结构：高分子材料的整体内部结构。结晶、非结晶、配位态、液晶态、织构状态等前四种称为第三级结构，织构是指其他分子或聚合物及添加剂分子之间的排列或积累结构，也称为上层结构。1.短程结构结构：结构单元的化学组成：碳链聚合物、杂链聚合物、元素有机聚合物、无机聚合物分子链的几何形式：线性、分支、交联、三维网格结构单元的键连接：单体聚合物：头-头结合、头-尾结合、尾-尾结合共聚物：随机共聚、替代共聚、嵌段共聚、接枝共聚构成：光学旋转异构：所有异构、互异构、随机构成几何异构：全部、全部、净2.远程结构聚合物大小：多重分布单一聚合物的结构：直链、折叠链、螺旋链、随机线链的灵活性：各种结构之间的障碍平均平方端距离计算(指示聚合链的卷曲程度)自由接合链：没有关键角度限制，没有内部旋转挡墙N:密钥数l:密钥长度自由旋转链：受关键角度限制等效自由连接链： (高斯链)Ne:链段数le:链段长度固体结构的第二部分摘要：物质凝聚状态通常分为气体、液体、固体。固体物质根据原子排列的特性再分为定型和无定形。电子的原子在空间上排列成有规则的周期性重复，后者的原子不规则排列。材料的特性与材料内各要素的原子结构相结合，原子的排列和移动规则，原子集合体的形态特性等密切相关，因此，研究固体材料的内部结构，即原子的排列和分布规律是了解和掌握材料特性的基础，只有这样，我们才能从材料中找到改善和开发新材料的方法。第一节结晶学基础1.空间网格和单位单元空间网格：将理想晶体中的粒子抽象为由空间周期性排列组成的几何点。单位单元：在空间网格中选择的默认单位是单位单元，但必须遵循特定的选择规则。储存格选取规则：1。选定的平行立方体必须能够反映光栅的最高对称。平行六面体的棱镜和角度必须最大。如果每个都有直角，则正交数应该最多。4.如果满足上述条件，平行立方体必须具有最小体积。晶界和布拉维点：晶界细胞单位参数braby点阵例如，如果三景Abc，90简单3坡度K2CrO7单一坡度Abc，=90简单单坡，底部中心单坡-S，CaSO42H2O正交性Abc，=90简单正交、底部中心正交、身体中心正交、面中心正交-S，Fe3C六字A1=a2=a3c，=9，=120简单的6个字符Zn，Cd林芳A=b=c，=90简单环形广场As、Sb、Bi四处A=bc，=90简单的到处，全身心的到处TiO2立方A=b=c，=90简单立方体，体心立方体，面心立方体Cu、Ag、Au晶体结构与空间晶格的关系：空间网格是晶体中粒子阵列的几何抽象，用于说明和分析只能在14种类型中使用的晶体结构的周期性和对称性，因为每个网格的周围环境是相同的。并且晶体结构是指晶体的实际粒子(原子、分子或离子)的具体排列，因为它们可以构成各种各样的排列，所以实际存在的晶体结构是无限的。决定指数和决定指数晶体方向指数uvw晶体方向族类似于矢量的方向矢量晶面指数(hkl)晶面族hkl类似于平面中的垂直矢量3轴方向和4轴方向之间的平移：UVW uvtwU=u-t V=v-t W=wU=(2U-V)/3 v=(2V-U)/3 t=-u v w=W皮带：在特定方向平行或相交的所有结晶面组成一个结晶带。晶体带法则：Hu kv lw=0晶面间距计算公式：对于简单单位细胞：正交晶系：立方体晶系：六字晶系：对于复杂的单位细胞：必须考虑额外的原子表面。主体心立方体：h k l=奇数；面心立方：h、k、l都是奇数，或者都不是偶数。密行6个字符：在h 2k是3的整数倍，l是奇数等情况下，还有额外的原子面。晶体的对称性对称元素有宏观和微观的点巨集镜射元素为旋转镜射轴(Ln)、镜射面(m)、镜射中心(I)和旋转翻转轴(Lin)“精细对称”元素是滑动面(反映变换)、螺旋轴(旋转变换)点编组：一个确定中所有点对称元素的集合，共32个空间组：用于描述晶体原子组合所有可能的方法的晶体结构基础，通过宏观和微观对称元素在三维空间中组合，构成230个空间组。4.极座标投影原理：参考球；晶体方向，表示晶体表面直线和参考球交点的极点；极座标/投影面；投影点；基本圆；极座标平面投影，极座标平面投影(投影面是否为赤道面)。wolf网络应用程序：标准投影：使用与晶体的一个晶面平行的平面作为投影面立方晶界标准投影特性：1.同一线的晶面属于同一晶体带同一纬度的晶面属于同一晶面族简易格点应用程式反时效性晶格：研究晶体对x射线或电子束的衍射效果的人知道晶面(hkl)是否能产生衍射的重要条件是入射束的方向和晶面间距dhkl。因此，为了以几何方式确定衍射条件，人们希望找到新的光栅，使每个点指向实际晶格的特定晶面。也就是说，不仅反映了晶面的方向，还反映了晶面间距。特别是，从新光栅原点o指向任意点P(hkl)的矢量将准确跟随实际光栅(hkl)面的法线方向，OP的长度是确定面间距的倒数，即|=1/dhkl。新点阵式(例如)称为反击点阵式。1.x射线和电子衍射图像解释能带理论研究结晶学公式推导第二节金属的晶体结构3种典型金属晶体结构的晶体学特征晶体形体结结构人参数字FCC/A1BCC/A2HCP/A3光栅参数aaa，c(c/a=1.633)原子半径/R细胞中的原子数/n426位数/CN12812密度/K0.740.680.74四面体间隔数量81212尺码0.225R0.291R0.225R八面体间隔数量466尺码0.414R0.154R1000.633R1100.414RFCC : face-centred cubic bcc : body-centred cubichcp hcp 3360 hexa gonal close-packed2.多晶性特定元素从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的固体相变称为同素体变形。有些化合物将上述固体相变称为异种转移或多晶变异。同素异构变形对能否通过热处理改变金属的性能具有重要意义。第三节金属的相结构合金：两个或多个金属或金属与非金属冶炼、烧结或其他方法结合，表示具有金属特性的物质。合金化的目的是改变和提高金属材料的特性。构成合金的基本和独立的物质称为组份。相：表示合金中具有相同的凝聚状态、相同的晶体结构和特性，并被界面分隔开的均匀部分。合金相可分为固溶体和中间体两类。1.固溶体固溶体是指以一组元素作为溶剂，在晶体晶格中溶解另一组原子而形成的均匀混合固体溶体。最大的特征是保持溶剂的晶体结构类型。根据固溶体晶格的溶质位置，可以分为替代固溶体和间隙固溶体。根据溶液程度分为有限固溶体和无限固溶体。在固溶体中，溶质的包装分为有序的固溶体和无序的固溶体。根据溶剂类型，分为固溶体的第一类和固溶体的第二类。影响替代固溶体溶解度的因素：晶体结构(同一晶体结构是形成替代/无限固溶体的必要条件)原子大小因素化学亲和力(电负性因素)原子价格/电子浓度温度电子浓度计算公式：a，B:溶剂和溶质的原子价：溶质的原子数分数一价金属溶剂的极限电子浓度为FCC，1.36。BCC，1.48；HCP，1.75。(2008年考试)形成间隙固溶体的条件：41% 溶质是h、C、B等溶剂是过渡金属形成有序固溶体/秒结构的条件：:结合能源说明：接近特定原子比的特定成分的无序固溶体。从高温到特定临界温度，溶质原子在统计随机分布状态中占有一定位置的有规则的排列状态，即顺序累积，形成有序的固溶体。影响固溶体秩序的因素：温度合金成分(比热)冷却速度2.中间相中间相：构成合金相的异质原子具有一定的比例，结果形成的固相晶体结构与所有元素不同，这种相成分大部分落在