西北工业大学材料考研材料科学基础课件.ppt

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1、材料科学基础课件目录材料结构的基本知识材料中的晶体结构高分子材料的结构晶体缺陷材料的相结构及相图材料的凝固与气相沉积扩散与固态相变材料的变形与断裂固体材料的电子结构与物理性能材料概论导论一.材料使用时间划分：石器时代→青铜器时代→铁器时代→水泥时代→钢时代→硅时代→新材料时代二.工程材料划分：金属材料（钢铁材料和有色金属）、陶瓷材料（粘土、石英和长石）、高分子材料(塑料、合成纤维和橡胶）、复合材料。三.其它材料电子材料：在电子学和微电子学使用的材料，包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料光电子材料：具有光子和电子的产生、转换和传输功能的材料。超导材料：具

2、有一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。四.材料性能金属材料：导电性，高的塑性和韧性，可作导体陶瓷材料：高硬度，较脆，可作绝缘体高分子材料:弹性模量，强度，塑性都很低，多数不导电五.内部结构划分层次：原子结构、结合键、原子的排列方式和显微组织六.内部结构决定性能举例：金属键材料内部有大量移动电子，使金属具有良好导电性。变形时金属键不会破坏，使金属具有良好塑性。金属键结合的原子排列紧密，晶体结构简单，金属密度高。共价键结合的材料，电子受束缚不能自由运动，通常不导电。共价键结合力很强，变形时要破坏局部键的结合，故材料硬而脆。原子排列不紧

3、密，晶体结构复杂，故共价键晶体陶瓷密度低。七.材料科学定义：研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的学科。八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材料概论等主要内容。第一章材料结构的基本知识原子结构原子结合键原子排列方式晶体材料的组织材料的稳态结构与亚稳态结构第一节原子结构一、原子的电子排列1.原子组成：原子核（质子和中子）和核外电子。2.电子排列：原子核外电子的分布，它不仅决定了单个原子的行为，也对工程材料内部原子的结合以及材料的某些性能起着决定性作用。3.电

4、子排列参数：主量子数、次量子数、磁量子数以及自旋量子数（1）主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。（n=1、2、3、4…）（2）次量子数l：也称为轨道角量子数，给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚壳层）。l=0、1、2、3…，这些亚壳层习惯上以s、p、d、f表示。（3）磁量子数m：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。它基本上确定了轨道的空间取向。m=0、±1、±2、±3…。（4）自旋量子数（全名为自旋角动量量子数）ms：反映电子不同的自旋方向，ms=+1/2，-1/2。5.电子分布服原从理：(1)最低能量原理

5、：原子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。(2)泡利不相容原理：一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。(3)Hund规则：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，而且自旋的方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。二.元素周期表1.具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。2.元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。三.结论1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定从低能到高能依次排列在

6、不同的量子状态下，同一原子中电子的四个量子数不可能完全相同。2.根据排列次序建立了元素周期表，各个周期中的元素的性质呈现相同的周期变化规律，元素在周期表上的位置不仅决定了单个原子的行为，也决定了材料中原子的结合方式以及材料的化学性能和物理性能。第二节原子结合键一.原子结合键1.存在状态：凝聚态（液态和固态）分类2.一次键：结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。3.二次键：结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二.一次键1.离子键（1）通过电子转移形成稳定结构，存在于大多数盐类、碱类和金属氧化物，如NaCI、MgO、CuO、Mg2Si、CrO2。（2）基本

7、特点是以离子为基本结合单位。(3）一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。2.共价键（1）通过共用电子对形成稳定结构（2）共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。（3）共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为牢固，故共

8、价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能