第一章-机械设计基础

,一、材料科学基础的基本概念二、材料科学基础的地位三、学习材料科学基础的意义四、如何学好材料科学基础,绪论,1,材料科学基础的基本概念,材料是指人类社会能接受地，经济地制造有用物品的物质。,材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。,纳米材料科学与技术是20世纪80年代发展起来的新兴学科，成为21世纪新技术的主导中心。,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。1nm=1/106m,材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷材料、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。,2,3,TiO2nanotubes,(a),(b),(c),(d),CaTiO3,4,TiO2nanotubes,光催化光电化学，储氢，氢敏传感器太阳能电池,5,Carbonbelt,力学性能好，储氢、电子器件、电池等领域都有很好的发展。,6,材料科学基础的地位,人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：石器时代（公元前10万年）青铜器时代（公元前3000年）铁器时代（公元前1000年）水泥时代（公元0年）钢时代（1800年）硅时代（1950年）新材料时代（1990年）,7,材料科学基础是研究材料的成分、结构与性能之间关系及其变化规律的一门应用基础科学。,材料科学基础的意义,8,本课程的特点及学习方法,本课程特点：概念术语多，原理规律多，理论性强。相关学科多（物理学、化学、热力学、矿物学、金属学、陶瓷学以及高分子学等）学习方法：作为一门应用学科，基础理论和基本概念要掌握，注意重点，做好笔记；理论联系实践，善于归纳总结；独立完成作业。,9,课程安排,性质：必修课，专业基础课学时：60学时考核成绩：平时成绩20%+闭卷考试成绩80%,10,第一章原子结构与键合,11,重点与难点,1、描述原子中电子的空间位置和能量的4个量子数。2、核外电子排布遵循的原则。3、元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系。4、原子间结合键分类及其特点。,12,一、物质的组成分子、原子、离子1、分子：能单独存在，且保持物质化学特性的一种微粒。2、原子：化学变化中的最小微粒，是组成分子和物质的基本单元。注意原子不是物质的最小微粒。物质的最小微粒：夸克（quarks）二、原子的结构1、结构：原子核（质子+中子）+核外电子2、特点：（1）电中性，质子数=核外电子数；（2）体积小；（3）质量主要集中在原子核内。,1.1原子结构,原子核：位于原子中心、带正电,质子：正电荷m=1.672610-27kg,中子：电中性m=1.674810-27kg,电子：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，m=9.109510-31kg，约为质子的1/1836。,（视频）,13,1879年J.JThomson发现电子（electron)，揭示了原子内部秘密。1911年E.Rutherford提出原子结构有核模型。1913年N.Bohr将,Rutherford原子有核模型,M.Plank和A.Einstein量子论,原子结构的量子理论,三、原子的电子结构（重点掌握）,在材料科学中，最关心的是原子的电子结构。,原子的电子结构（原子间键合本质）决定材料分类：金属陶瓷高分子材料性能：物理化学力学,14,电子云:用统计的方法判断电子在核外空间某一区域内出现的几率的大小。(视频),电子云,量子壳层,1、原子中的一个电子的空间位置和能量可用四个量子数确定。,（1）主量子数n决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层。n=1，2，3，4；依次命名为K、L、M、N壳层。,15,（2）轨道角动量量子数li给出电子在同一量子壳层所处的能级（电子亚层）取值为0，1，2，n-1。例：若n=2，则有两个轨道角动量量子数l2=0和l2=1。说明：L壳层中，根据电子能量的差别，还包含两个电子亚层。,说明：在同一量子壳层中，亚层电子的能量是按s,p,d,f,g的次序递增。,记住,规定,16,（4）自旋角动量量子数si反映电子不同的自旋方向，规定：si为和，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，用“”和“”。,（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。每个li下的磁量子数为2li+1。,规定,17,主量子数n1234,KLMN,角动量量子数l=n-1,sspspdspdf,磁量子数m=2l+1,1357,自旋角动量量子数s,总结,亚层（能级）,主层,电子云的空间取向,反应电子不同的自旋方向,18,核外电子的排布规律,2、核外电子的排布规律遵循的原则：,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；当电子排布为全充满、半充满或全空时，整个原子的能量最低。举例：碳、氮、氧三元素原子的电子层排布。,（1）能量最低原理：电子排布总是尽可能使体系的能量最低，电子总是先占据能量最低的壳层，排满后再进入下一壳层KLMN；同一电子层，电子按照spdfg,（2）泡利不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子。,1s22s22p2,1s22s22p3,1s22s22p4,19,需注意的问题,当原子序数较大时，电子排列并不总是按照规则依次排列的，d和f能级开始被填充时，相邻壳层的能级有重叠现象。举例：原子序数为26的铁原子1s22s22p63s23p63d64s2写出原子数为32、62的原子的电子排布1s22s22p63s23p64s23d104p21s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f6写出原子数为24、29的原子的电子排布,1s22s22p63s23p63d8,1s22s22p63s23p63d54s1,1s22s22p63s23p63d104s1,20,四、元素周期表,1、基本概念回顾元素：具有相同核电荷数的同一类原子的总称。元素周期律：元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增而呈周期性的变化的规律。同位素:具有相同的质子数而中子数不同的同一元素的原子。质量不同、化学性质相同。,21,2、说明（1）7个横行周期按原子序数递增的顺序从左至右排列；（2）18个纵行16族，7个主族、7个副族、1个族、1个零族，最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。,原子序数核电荷数周期序数电子壳层数主族序数最外层电子数（价电子数）零族元素最外层电子数为8（氦为2）,22,3、特点：（1）同一周期元素：核外电子层数相同，从左到右，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。（2）同一主族元素：从上到下电子层数增多，金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。（3）价电子数：惰性元素、碱金属、过渡族金属,23,1.2原子间的键合,24,一、金属键,1、定义：金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。2、典型金属原子的结构特点是：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。3、金属键特点：（1）电子共有化；（2）无饱和性、无方向性；（3）形成低能量密堆结构。,金属键,4、性能：良好的导电、导热性能，良好的延展性。,（视频）,25,金属变形时，由金属键结合的原子可变换相对位置，因而金属具有良好的延性。,将电压作用于金属时，电子云中的电子很容易运动并传送电流。,26,二、离子键（多数盐类、碱类和金属氧化物）,1、结合实质2、特点：（1）以离子而不是原子为结合单位；（2）正负离子相间排列，异号离子间吸引力最大，同号离子间吸引力最小；（3）无方向性、无饱和性。,离子键,3、性能：（1）熔点高；（2）质硬且脆；（3）导电性差。,（视频）,27,亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料,1、实质：由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。2、分类：（1）极性键共用原子对偏于某成键原子。（2）非极性键共用原子位于两成键原子中间。3、特点：（1）具有方向性（s层除外）；（2）具有饱和性；（3）配位数较小，结合极为牢固。,共价键,三、共价键,28,四、范德华力,1、实质：由于近邻原子的相互作用引起电荷位移而形成偶极子，借助这种微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来具有稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。2、静电力、诱导力、色散力3、特点：（1）无方向性和饱和性；（2）结合力弱,物理键，存在于分子之间，比化学键小1-2个数量级，远不如化学键结合牢固。,水变成水蒸气,破坏范德华力,举例,高分子？,思考,29,五、氢键（极性分子键）,1、实质：氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露的带正电荷的原子核将与近邻分子的负端相互吸引氢桥2、特点：（1）具有方向性和饱和性；（2）键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。,氢键：纤维素、尼龙、蛋白质,30,1.3高分子链,链结构,高分子的结构链结构ChainStructure聚集态结构StructureofAggregationState近程结构：一级结构，属于化学结构，,包括构造，构型。远程结构：二级结构，分子量，形态，柔顺性，构象等。,31,1.碳链高分子,聚乙烯,HCH,HCH,主链以C原子间共价键相联结加聚反应制得如PE，PVC，PP，PMMA,2.杂链高分子,涤纶,OC,O,O,OC,HCH,HCH,主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等,近程结构一、结构单元的化学组成,32,3.元素有机高分子,硅橡胶,主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶等。,4.无机高分子,二硫化硅,聚二氯氮化磷,O,CH3SiCH3,/,/,/,S,S,S,Si,Si,/S,S,S,Cl,Cl,N,N,P,P,Cl,Cl,主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，,这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解。,33,二、高分子链结构单元的键合方式1.均聚物结构单元键接顺序单烯类单体中除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：,头头,Cl,Cl,Cl,CH2,CH2,CH,CH,CH,Cl,Cl,CH2,CH2,CH2,CH,CH,尾尾,Cl,Cl,CH2,CH2,CH2,CH,CH,头尾,双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同,34,2.共聚物的序列结构,按结构单元在分子链内排列方式的,不同分为,无规共聚物Randomcopolymer交替共聚物Alternatingcopolymer嵌段共聚物Blockcopolymer接枝共聚物Graftcopolymer,35,三、高分子链的结构（structure）,不溶于任何溶剂，也不能熔融,一旦受热固化便不能改变形状热固性（Thermosetting）,线性高分子(Linearpolymers):加热后变软，甚至流动，可反复加工-热,塑性塑料(Themalplastic)。,支化高分子(Branchedpolymers):,交联高分子(Crosslinkedpolymers):线性天然橡胶用S交联后变强韧耐磨。体型(立体网状)高分子(Networkon3-dimentionalpolymers):,36,链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行。,四、高分子链的构型（Molecularconfigurations）,37,旋光异构体（Opticalisomerism）由烯烃单体合成的高聚物,CH2,CHR,n,在其结构单元中有一不对称C原子，存在两种旋光异构单元，有三种排列方式:间同立构：R取代基交替地处在主链平面两侧，即旋光立构单元交替。全同立构：R取代基在主链平面一边，即全部由一种旋光立构体。无规立构：R取代基在主链平面两侧不规则排列。,38,顺反交替,全反,反式(transstructure),几何异构（Geometricalisomerism）双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有,C,C,C,H,CH3,H,H,C,H,H,C,C,C,H,CH3,H,C,H,H,H,反式,顺式二甲基丁二烯,二甲基丁二烯,顺式(cisstructure),顺反无序对于大分子链而言就有全顺,39,远程结构一、高分子的大小（MolecularSize）高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性。平均相对分子质量。,数均相对分子量重均相对分子量,MnxiMiMwwiMi,40,Mi为第i个高分子的相对分子质量；Xi为相应分子数分数；Wi为相应质量分数。,高分子链中重复单元数目称为聚合度,Mn