上海交大材料科学基础考研胡赓祥《材料科学基础》资料

1、上海交大材料科学基础考研胡赓祥材料科学基础资料1.1复习笔记【知识框架】物质的组成原子的结构原子结构V原子的电子结构元素周期表金属键禽子建原子间的键台共价神范德瓦耳斯力L氢键高分子链的近程结构I高分子链土高分子链的远程结构一、原子结构1物质的组成特点：物质是由分子、原子或离子等微粒按特定的方式聚集而成。（1）分子是能保持物质化学特性并能单独存在的一种微粒。（2）分子有大有小，由更小微粒原子组成。原子是化学变化中的最小微粒，但原子并不是最小的微粒。（3）原子具有复杂的结构。2原子的结构（1）如表1-1-1所示为构成原子的粒子及其特点。表1-1-1构成原子的粒子及其特点要点性庙构成原子的粒子电子质

2、子中子电性和电量一个电子芾一个单位负电 荷个电子带一个单位正 电荷不显电性质量kg9.109 X 10L.673X 11.675X10-37相对质量1 18361.0071.008(2 )核电荷数=核内质子数=核外电子数，质量数=质子数+中子数。3原子的电子结构(1 )电子结构 电子云：用于形象的描述核外电子的运动特征(电子在核外空间作高速旋转运动， 没有固定轨道，只能用统计方法判断其在某一区域出现的概率，故而以电子云” 加以形容)。电子的波粒二象性：电子具有波动性又具有粒子性。现代物理学中，用薛定谔方程来反映微观粒子的运动，即用4个量子数来确定核 外电子的空间位置。如表1-1-2所示为四种量

3、子数的定义及取值。表1-1-2四种量子数的定义及取值名称定义牧值及对应符号主量子数决定电子能量以及其与核的平 均距离，表示电子所在的量子壳 层见图1-1-1)1254 IKLMN I轨道角动量量子数L确定电子在同一量子壳层内所 处的能级(电子亚层)11 1磁量子数屯确定每个轨道角动量量子数的 能蛆数或轨道数，决定电子云的 空间取向对于每个土 m可取细+ 1个值; 例：当时，町毗0, 1, 2自旌角动量量子数与表示电子的自旅方向+ 1/2-1/2T图1-1-1钠（原子序数为11）原子结构中K,L和M量子壳层的电子分布状况不同亚层电子的能量依次递增，电子云的形状也各不相同（例如，s亚层为球状，p亚

4、层为纺锤状）。如表1-1-3所示为量子数和原子轨道的关系。表1-1-3量子数和原子轨道的关系nL原子轨道取值符号取值符号符号取值1K0S122L:S1/2LP电，那2pz土 1/23XI:;S3s土 1/2LP土 1/22d3%” 3日网3媪，祠亍了 j 3d?+ 1/2（2）核外电子排布规律遵循的原则能量最低原理：电子的排布尽可能使体系的能量最低。泡利（Pauli）不相容原理：原子中不存在运动状态完全相同的两个电子。洪德（Hund ）定则：同一亚层各个能级中，电子排布尽可能占据不同能级，且自旋方向相同。【扩展】如表1-1-4所示为宏观运动与微观运动的比较。表1-1-4宏观运动与微观运动的不同

5、名称宏观物体微观粒子co很大很小速度较小很大（接近光速）位轸可测能量可测1垃移M ti里小口J 1 口阿测正.轨诬可描述（画图或函数描述）不口确定4兀素周期表（1）元素：具有相同核电荷数（核内质子数）的同一类原子的总称。（2）元素周期律：随着原子序数的递增，元素核外电子结构呈现周期性的变化 规律。（3）元素周期表是周期律的具体体现形式，通过元素在周期表中的位置，可以 推断原子结构和一定的性质。二、原子间的键合1原子间键合方式的分类及比较（见表1-1-5 ）表1-1-5原子间键合方式的分类及比较分类名称定义示意囹特点化学键金属键金属中的目由电子与金 属正离子相互作用构成 的键%TO电子共有化.

6、无饱和性和 尢力1司性高子键阴阳离子间的静电吸引 作用A H X H X既无方向性 又无饱和性(cr )=0时cr 昏矽二 |cHttiicrjG2(w)fcr j(n?)虫II 火|4 又(CF ) =CT土=1共价键电负性相差不太的两个 或者多个原子通过共用 电子对而形成的化学键1l具有方向性 和饱和性物理键范德fall 耳斯力种分子间作用力，包 括静电力、诱导力和色 触力二一0七VM虬_岐予说分于偶检没有方向性 和饱和性次价键氢键氢原子与用员性大、半 径小的原子（N、。ft F） 以一种特殊的分子间或 分子内的相互作用结合 在一起D依靠微粒之 间的偶柢吸 引力结合在 起2不同结合键对所在

7、物质性能的影响（见表1-1-6 ）表1-1-6不同结合键对所在物质性能的影响分类仔仕1旦百特点金属键金属晶体赋予金属皂妤的延展性、导电性和导热性高子键禽子晶体离子晶体的情点和便度按蒿且是皂好的电绝缘体共价键共价晶体共价晶体硬度高、慵点高且是点好的电绝缘体范德瓦耳断力极性分子间对物质的慌点、沸点、凌解度等的影响很大笥键存在于分子内或分子间氢键的存在使物质呈现出特殊的物理化学性能三、高分子链1定义和分类（1）有机高分子化合物：相对分子质量在10000以上的有机化合物。（2）高分子结构的分类：近程结构一远程结构高分子结构，聚集态结构V晶体结构 非晶体结构 取向态结构2高分子链结构高分子链的结构分类，

8、如下所示:织态结构液晶态结构结构单元的化学组袍个高分子的结构与形态高分子链的结构L商分子洗的化学结 构游分子铸的尺寸和 形态结构址元的理合结 构爪个链的眦合（见图 1-1-2） pL饨会序列税型 变化交联1-星型近程结构一级结构）结何单元的立体构r旋光异构型和空问排列 -r岛分子的分子仙及 分而尚分子68的形态（枸象）迅程结构（二勿结构）（1）高分子链的近程结构链结构单元的化学组成高分子链：由小分子单体通过聚合反应连接而成的链状大分子。b聚合度：高分子链中结构单元的数目。高分子链的分类：根据结构单元的化学组成，可分为碳链高分子，杂链高分 子，元素高分子，以及梯形和双螺旋形高分子等类型。常见高分

9、子链结构单元：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯等。分子链的几何形态a .官能度：一个单体能与另夕卜一个单体发生键合的数目，其决定了高分子链的 几何形态。特点：高分子链大多都是线性的，长链可以卷曲成团，也可在团聚过程中生 成为支化或交联态，这主要与高分子的柔顺性和外部条件有关。图1-1-2线型（a）、支化（b）、交联（c）和三维网状分子结构（d）示意图结构单元的键接方式聚合物的性能受高分子链中结构单元的键接方式影响，不同键接，性能差异很大。a.均聚物结构单元的键接结构单元在分子链中可能的连接方式有：头-头键接、尾-尾键接、头-尾键接（见图 1-1-3）。头头键接头CHaCFH-CH

10、。压+I JR! 尾i尾 i厂 CH$CH-HCHCHr头尾键接IHlCH尾-尾槌接图1-1-3不同取代基位置的链接方式共聚物的序列结构共聚物：由两种或两种以上的最小单元所组成的高分子化合物。二元共聚物的连接方式:无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物及接枝共聚物（见图 1-1-4 ）。图1-1-4无规（a）、交替（b）、嵌段（c）和接枝共聚物（d ）示意图高分子链的构型链的构型：指高分子中由化学键所造成的分子的固定排列，包括旋光异构和几何 异构。该构型的改变必须通过化学键的断裂和重组。旋光异构旋光异构体：能够形成镜像对称，表现出不同旋光性的高分子。几何异构几何异构体：双烯类单体1,4加成时，高分

11、子链每一单元中有一内双键，可构成顺式和反式两种构型。（2）高分子链的远程结构远程结构：指单个高分子的状态、链的柔顺性及在不同环境中所采取的构象，又 称二次结构。高分子的大小a.多分散性：高分子由多种不同聚合度的同系高分子化合物聚集而成，其相对分子质量不均一，称之为高分子的多分散性。因而，讨论一个高分子的相对分子质量是无意义的，讨论其平均相对分子质量才 有意义。数均相对分子质量重均相对分子质量风式中，Mj为第i个高分子的相对分子质量，Xj为相应分子数分数，Wj为相应质量 分数。则高分子的聚合度可由下式确定一 一 一 . 一一式中，m为每链节的质量。高分子链的内旋转构象a.自由联结链：主链上各个单

12、键的内旋转方向是自由的高分子链。b .顺式与反式：在沿碳碳键方向上，若两个碳原子上的氢键重合，称之为顺式;若相差60，称之为反式。内旋转异构体：由单键的内旋转所导致的不同构象的分子。高分子链的内旋转不是完全自由的，表现出一定的柔性和刚性。影响高分子链柔性的主要因素高分子链柔性：指高分子链上的碳碳键发生内旋转并改变其构象的性质。a.主链结构的影响主链结构是高分子链柔性的决定性影响因素。b.取代基的影响 取代基极性大小、位置及体积大小等对高分子链的柔性均有影响。交联的影响交联产生的化学键会阻碍单键的内旋转，从而影响高分子链柔性。高分子链的构象统计a .高分子链越长，构象数越多，也越容易卷曲，常用末

13、端距h （两端点间直线 距离）来衡量链的卷曲程度。b.均方末端距L J式中，n为键的数量，l为键长。c .对于自由旋转链（键角。受到限制），其均方末端距足二矛上竺迎-1 -cos高斯链的均方末端距兀=履；式中，ne为链段数，le为每个链段的长度。2考研真题二、在-胞图中给出下列品向下的单位向-长度（即域短原子问距.用点阵 常数表示）：_FCCM体中：11011 】2.IKC 品体中：111； I?】o1011HOP M体中：*1010； u J .四、有-BCC-4A.林抽为口23】.mwiffi为o）,现沿枪轴为向 拘伸.造分析：初始滑移系统双滑移系纵升始双滑移时的切变昂Y.滑移过程中的4专

14、动规徊和转轴。试/的最终取向（假定试的在达到-定电向前不断裂）、在图32所小的成力 应变曲线中.分别二（标曲对应的效坐标或横 芈标的位置叩可）：条件利服强度(ollsel yield strength or yield strength) oQ2抗张强度(tensile strength)期破坏,!.度(bi eukiii s Irens ill) 断裂延伸率(elongation to failure).弹性校M (modulus of clasticifv)-、分别写出1*13-1所示5种船体蜻构所属的布拉维虫阵类塑,L 分析图3-3位AHCDA的性质.在切应力卜的作用卜.位铝及吊 体将分别如何运动?（佰山位错环运动过程中位带环及晶体形状的变化）六、假我将纯供I件在800T4E行诲碳.且白牛表向碳捎质岐分教为6 一倒吼I.件表面至心部的*后分歌分布曲纵 1所源1仙浅图中知匚；出相响的相粗成物.幻 说碳廉虽分数按照I:述理线分布的IStM-七、冷加工金舄的UM组织3