材料科学基础第1章

1、 材料(Materials)是国民经济的物质基础。 材料无处不在，无处不有 什么是材料？什么样的材料值得关注？ 先来看看材料的发展历史工工 农农 业业 生生 产产国国 防防科科 学学 技技 术术人人 民民 生生 活活1什么是材料？一、材料科学基础的基本概念材料发展史材料发展史结论结论 一方面，材料是人类生存和生活必不可缺一方面，材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会发展的动力。是直接推动社会发展的动力。 另一方面，随着社会的发展，科学技术的另一方面，随着社会的发展，科学技术的进步以及自然资源和能源的逐渐减少，人进步

2、以及自然资源和能源的逐渐减少，人们所关注的、所使用的材料种类也在发生们所关注的、所使用的材料种类也在发生着变化着变化人类社会所能够接受的人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质。经济地制造有用器件的物质。因此材料的定义可以发展为： 铝合金的比强度为2.64106cm，这对于结构材料来说是几千年来的一个飞跃。 铝曾经比金银还要珍贵 技术的进步让铝走出了首饰店 铝业公司的生意是从一把铝壶开始的 铝合金的出现，打开了铝的应用市场，大大拓宽了铝的用途高比强铝合金给高比强铝合金给2020世纪的世纪的“新新”材料带来了第一个突破材料带来了第一个突破一个例子友情提示 长期以来人们一直认为铝是无毒的，因此

3、用起来很放心。但是医学家经过长期研究后发现，人体摄入过量的铝也会带来危害。 由于铝制品的大量使用，特别是铝制品盛放咸的、酸性的或碱性的食物时，其表面的保护膜就会遭到破坏，氧化铝就会被溶解，使人体摄入铝的量增加，日积月累，对健康会产生影响。u资源（充分利用、可持续发展等）u能源（节能、循环利用） u环保u经济u质量 一般来说，一种材料能否在一个时代引起人们关注、得到广泛使用应该从以下几方面加以分析： 新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。事实上，新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。事实上，每种材料都有其生命曲线。每种材料都有其生命曲线。 一个新材料的诞生，从实验室研制出样品到工业上

4、的大规一个新材料的诞生，从实验室研制出样品到工业上的大规模实际使用，大概需要模实际使用，大概需要1520年时间。年时间。 衰退主要是由于社会发展和科学技术进步导致的。衰退主要是由于社会发展和科学技术进步导致的。衰退出现发展成熟新材料传统材料 美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项以材料为主。 2001年日本文部省发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题，一半以上为新材料或依赖于新材料发展的课题，而其中绝大部分均为功能材料。 欧盟第六框架计划和韩国的国家计划等把功能材料技术列为关键技术之一，加以重点支持。 我国863高科技发展计划，材料是7个重点之一，重大基础研究攀

5、登计划的30个重大课题中有7个与材料直接有关。信息技术生物技术新型材料 20世纪80年代出现的新技术革命的重要标志： 材料涉及的领域极为广泛，举凡国材料涉及的领域极为广泛，举凡国家的工农业建设和国防建设，人民生活家的工农业建设和国防建设，人民生活水平的提高，无不与材料密切相关。所水平的提高，无不与材料密切相关。所以材料的科学研究、新产品的开发、工以材料的科学研究、新产品的开发、工业大生产与合理应用都关系到社会进步、业大生产与合理应用都关系到社会进步、国家安全，因此人们把材料誉为现代文国家安全，因此人们把材料誉为现代文明的三大支柱之一。明的三大支柱之一。摘自：师昌绪主编材料大辞典前言现代文明（科

6、学技术发展）的三大支柱：现代文明（科学技术发展）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年代信息技术、新材料、生物技术年代信息技术、新材料、生物技术 新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。 材料品种、数量、质量是国家现代化程度材料品种、数量、质量是国家现代化程度标志之一。标志之一。 材料科学与综合国力密切相关。材料科学与综合国力密切相关。 什么是材料科学呢？什么是材料科学呢？2什么是材料科学？l “材料科学材料科学”主要研究对象是新材料，或者想方设主要研究对象是新材料，或者想方设法使传统材料获得新生。法使传统材料获得新生。图1 材料科学与工程四要素 材料科

7、学的发展与研究手段的发展密不可分。图1 材料科学与工程四要素材料科学的核心问题核心问题是材料的组织结构（structure）和性能（property）以及它们之间的关系。 材料结构： 是影响材料性能的基本因素， 随化学组成及外界条件改变。 宏观组织结构宏观组织结构 显微组织结构显微组织结构 原子或分子排列结构原子或分子排列结构 原子中的电子结构原子中的电子结构材料结构材料结构 宏观组织结构是指人们用肉眼或放大镜所能观察到的晶粒宏观组织结构是指人们用肉眼或放大镜所能观察到的晶粒或相的集合状态。或相的集合状态。 显微组织是指借助光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒显微组织是指借助光学显微镜和电子显微

8、镜观察到的晶粒或相的集合状态，金相显微镜或相的集合状态，金相显微镜 (光学显微镜，有效放大倍光学显微镜，有效放大倍率最大为率最大为1600倍，分辨极限率为倍，分辨极限率为210-7m) 能够观察到金能够观察到金属晶粒的形状和大小，较粗大的夹杂物和杂质粒子、晶界属晶粒的形状和大小，较粗大的夹杂物和杂质粒子、晶界以及沿境界分布的杂质薄膜等，但不能观察到许多精细结以及沿境界分布的杂质薄膜等，但不能观察到许多精细结构，此时需要提高显微镜的分辨能力，电子显微镜是以电构，此时需要提高显微镜的分辨能力，电子显微镜是以电子束作为光源，分辨极限率可达子束作为光源，分辨极限率可达310-9m。 比之更细的层次是原

9、子或分子排列结构，比之更细的层次是原子或分子排列结构， 尺度约为尺度约为10-10m。 更小的是电子结构，即指原子中电子的分布规律，尺度约更小的是电子结构，即指原子中电子的分布规律，尺度约为为10-13m. 宏观组织结构：10-4 m 肉眼可见 Macroscopic 显微组织结构： 10-4 10-9 m 显微镜观察 Microscopic 原子或分子排列结构：10-10 m Organization of atoms or molecules 原子中的电子结构： 10-13 m Subatomic structure3、什么是材料工程？、什么是材料工程？研究材料科学领域的普遍规律（强调共性

10、，突出个性）研究材料科学领域的普遍规律（强调共性，突出个性）l研究的途径：研究的途径：l一、做实验；一、做实验；l二、总结生产实践的经验；二、总结生产实践的经验；l三、通过材料基础理论，从理论上预计材三、通过材料基础理论，从理论上预计材料的结构和性能。料的结构和性能。What do materials scientists study?n 原子结构与键合原子结构与键合n 固体结构固体结构n 晶体缺陷晶体缺陷n 固态扩散固态扩散n 材料的形变与再结晶材料的形变与再结晶n 纯晶体凝固纯晶体凝固n 二元相图二元相图M M. .P Pl la an nk k和和A A. .E Ei in ns st

11、te ei in n量量子子论论原原子子结结构构的的量量子子理理论论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）质质子子：正正电电荷荷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、带带正正电电中中子子：电电中中性性m m1 1. .6 67 74 48 8 1 10 0 k kg g电电子子（e el

12、le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋转转，带带负负电电，按按能能量量高高低低排排列列，如如电电子子云云（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，约约为为质质子子的的1 1/ /1 18 83 36 6u原子是由带正电荷原子是由带正电荷Z Z的原子核和的原子核和Z Z个核外电子所组成；个核外电子所组成；u电子沿分立的满足一定量子条件电子沿分立的满足一定量子条件( (角动量角动量L=nh/2L=nh/2，n n为正整为正整数，数，h h为普朗克常数为普朗克常

13、数) )的圆形轨道围绕着原子核运动，电子在这的圆形轨道围绕着原子核运动，电子在这些轨道上运动时，原子呈稳定状态而不辐射能量；些轨道上运动时，原子呈稳定状态而不辐射能量；u当原子从能量为当原子从能量为EnEn的状态跃迁到能量为的状态跃迁到能量为EmEm的状态时，将发射的状态时，将发射或吸收具有一定频率或吸收具有一定频率(v)(v)的光子：的光子：hu=|En-Em|hu=|En-Em|。 在这个模型的基础上，玻尔不仅正确地导出了巴尔末公式，在这个模型的基础上，玻尔不仅正确地导出了巴尔末公式，而且还预测到一些新的谱线系，这些线系后来分别在紫外和远而且还预测到一些新的谱线系，这些线系后来分别在紫外和

14、远红外区中发现。红外区中发现。 iiinln 1, spdfm i主量子数 ：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q electron shell轨道动量量子数 ：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2， ， ， shape of the electron subshell磁量子数 ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-li1),1,0,1, spatial orientation of an electron cloudsii，-(ll11自旋角动量量子数 ：表示电子自旋（spin moment）的方向，取值为 或-22l 描述原子中一个电子

15、的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示表示轨道角动量量子数li2 2全全充充满满半半充充满满 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) )电电子子总总是是占占据据能能量量最最低低的的壳壳层层 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原原则则（H Hu un nd d R Ru ul le e) )四、元素周期表（自学）元素周期律的具体表现形式。金金属属键键（M Me et ta al ll li ic c b bo on nd di in ng g）化化学学键键（C Ch he em mi ic ca al l b bo on nd di in ng g）离离子

17、子键键（I Io on ni ic c b bo on nd di in ng g）主主价价键键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共共价价键键（c co ov va al le en nt t b bo on nd di in ng g）物物理理键键（p ph hy ys si ic ca al l b bo on nd di in ng g) ), ,次次价价键键( (S Se ec co on nd da ar ry y b bo on nd di in ng g) )，亦亦称称V

18、Va an n d de er r W Wa aa al ls s b bo on nd di in ng g氢氢键键（H Hy yd dr ro og ge en n- -b bo on nd di in n和g g) ) 介介于于化化学学键键范范德德华华力力之之间间典型金属原子的结构特点：典型金属原子的结构特点：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；当金属正离子之间和电子云的间距达到某个值时，引力和斥力达到短暂平衡，组成稳定的晶体。这时，金属正离子在其平衡位置附近振动。价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子即称为电子云。价电子极

19、易挣脱原子核之束缚而成为自由电子即称为电子云。通电后电子的运动具有方向性 以离子为结合单元以离子为结合单元键电对键键两键间极极性性( (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极极性性（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实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成。对而成。 两个原子共享最外壳电子的键合。l特点：有特点：有方向性（方向性（s电子除外）和

20、电子除外）和饱和性，饱和性， 配位数较小配位数较小 。l性质：结构稳定、熔点高、质硬脆、导电能力差性质：结构稳定、熔点高、质硬脆、导电能力差l亚金属（亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料），聚合物和无机非金属材料 电应邻电华偶偶极极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 偶偶极极子子( (d di ip po ol le es s）范范德德力力l特点：特点： 无方向性和饱和性；无方向性和饱和性； 键能最小。键能最小。l属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质。 （原子间和分子间的吸引力）Johannes Diderik van der

21、 Waals（1837-1923）The Nobel Prize in Physics 1910 1910年因研究气态和液态方程获诺贝尔物理学奖。 A.静电力(electrostatic) ： 分子永久偶极间相互作用分子永久偶极间相互作用 B.诱导力(induction) : 被诱导的偶极与永久偶极间作用被诱导的偶极与永久偶极间作用 C. 色散力(dispersive force）: 非极性分子间瞬时偶极间的作用非极性分子间瞬时偶极间的作用 包括：、非极性分子产生瞬时偶极氢键将相邻的水分子连氢键将相邻的水分子连接起来，起着桥梁的作接起来，起着桥梁的作用用氢桥。氢桥。DNA的双螺旋结构的双螺旋结

22、构1、金属材料中出现少量的共价键；2、金属间化合物中出现金属键和离子键混合的情况；3、陶瓷化合物中出现离子键和共价键混合的情况。 % ionic character = 1-exp-(0.25)(XA - XB)2100 where XA and XB are the electronegativities for the respective elements.试计算SiO2中离子键所占的比例是多少？链结构链结构（Chain Structure)聚集态结构（三次结构）聚集态结构（三次结构）（Structure of aggregation state)高分子结构高分子结构近程结构：属于化学结

23、构，又称一次结构。远程结构：又称二次结构，是指单个高分 子的大小、形态、柔顺性、构象。近程结构包括：构造和构型聚合反应聚合反应加聚反应：添加引发剂通过共价键将单分子聚合加聚反应：添加引发剂通过共价键将单分子聚合(polyaddition)缩聚反应缩聚反应 ：化学反应，释放出副产品：化学反应，释放出副产品(polycondersation)聚合度：高分子链中重复结构单元的数目。高分子链：由单体通过聚合反应链接而成的链状分子。近程结构（short-range Structure)一、结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito)1.碳链高分子 聚乙烯HHCCHHl主链以

24、C原子间共价键相联结，加聚反应制得l如：聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯等l2.杂链高分子 涤纶l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OOHHCCOCCOHH 33CHSiOCH/i/SSSSSiSSSClClPNPNClCll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。l4.无机高分子 聚二氯-氮化磷二硫化硅二、高分子链的几何形态二、高分子链的几何形态（structure）不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不

25、能改变形状热固性（thermosetting） 线性高分子（线性高分子（linear polymers)：加热后变软，熔融，甚至流动，可反复加：加热后变软，熔融，甚至流动，可反复加工工 热塑性热塑性(thermoplastic)，能溶解在，能溶解在 合适的溶剂中，合适的溶剂中，支化高分子（支化高分子（branched polymers)：能溶解在合适的溶剂中，可熔融。：能溶解在合适的溶剂中，可熔融。交联高分子（交联高分子（crosslinked polymer)：不溶不熔，耐磨性好：不溶不熔，耐磨性好热固性热固性体型（立体网状）高分子（体型（立体网状）高分子（network on three-

26、dimensional polymer)官能度官能度头头22CHCHCHCHCHClClCl222CHCHCHCHCHClCl尾尾222CHCHCHCHCHClCl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 如：聚丙烯腈无规共聚物（Random copolymer）交替共聚物（ alteranting copolymer）嵌段共聚物（ block copolymer）接枝共聚物（graft copolymer） 高分子链一旦形成，链内由共价键固定高分子链一旦形成，链内由共价键固定的各原子和原子团的几何排列即稳定不变。的各原子和原子团的几何排列即稳定不变。若想改变链内原子

27、间的几何排列，只有断若想改变链内原子间的几何排列，只有断开共价键才行。开共价键才行。l由烯烃单体合成的高聚物在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元 ，有三种排列方式：处链两侧两单处链边体间无规（syndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configurationR取代基交替地在主平面， 即旋光异构元交替R取代基全在主平面一， 即全部由一种旋光异构同立构全同立构立构链两侧规则s):R取代基在主平面不排列高分子链的空间立构性影响着高分子材料的性能。n2CHCHR等规高分子：较高的结晶度和高熔

28、点高强度，且不易溶解。间规高分子无规高分子排列规则紧密聚集易形成结晶强度高弹性差B、几何异构（Geometrical isomerism） 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 顺式（cis-structure)顺式（cis-structure)反式（trans-structure)反式（trans-structure)顺无顺顺反序反交替全全反3HCHHHCCCCHH3HCHHCCCCHHH顺式 反式 两种异构体之分，对于大分子链而言就有称为几何异构二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 排列不规则，不易结晶，弹性较好结构规整，容易结晶，弹性很差数对质为数数对质为质数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