材料科学与工程基础.pptx
Chap.1 Introduction本章内容材料的定义、分类及基本性质材料科学与工程概述本课程的内容及学习方法第1页/共92页材料与生活第2页/共92页材料与生活第3页/共92页身边的高分子材料聚丙烯制品 碳纤维复合材料 特种橡胶球第4页/共92页战斗机机舱罩防弹玻璃第5页/共92页F1 赛车服防火、防高温第6页/共92页1.1 材料的定义、分类及基本性质Webster编“New International Dictionary（1971年）”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的基本物质（如金属、陶瓷、塑料等）。材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。1.材料的定义第7页/共92页原料与材料第8页/共92页2.材料的分类1 1）按材料化学组成分类2 2）按材料所起的作用分类第9页/共92页按化学组成分类1.1.金属材料（黑色金属、有色金属）2.2.无机非金属材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷）3.3.高分子材料4.4.复合材料第10页/共92页 金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。1.1.1 1.1.1 金属材料金属材料黑色金属（钢，铸铁）有色金属（非Fe金属，是除铁、铬、锰以外的其它 金属及合金）按成分：分类：第11页/共92页金属材料的基本特性：a.金属键或以金属键为主b.熔点较高c.导热、导电性好d.多数纯金属延性、展性大e.强度高f.金属空气中易被氧化第12页/共92页1.1.2 1.1.2 无机非金属材料无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺酸盐、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。第13页/共92页传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料主要是由传统的无机非金属材料主要是由SiOSiO2 2及其硅酸盐化合及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。耐火材料等。第14页/共92页耐火材料 耐火材料是指耐火度不低于耐火材料是指耐火度不低于1580 1580 的无机非金属材料。它的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。耐火材料是用作高温窑炉等热是为高温技术服务的基础材料。耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的机构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并工设备的机构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。能承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。白云母等）为原料制造的。第15页/共92页无机非金属材料的基本特性：以陶瓷材料为例：第16页/共92页1.1.3 高分子材料分类：（略）基本特性：a.共价键b.分子量大c.比重小d.绝缘性好e.成型方便f.耐腐蚀第17页/共92页1.1.4 复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合材料效应使各组分的性能互相补充，或得原组分不具备的许多优良性能。1+1 2第18页/共92页按材料所起的作用分类结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能，用于结构目的的材料。（结构材料是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。）功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的高科技术材料。第19页/共92页1.2 1.2 材料科学与工程概述材料科学与工程概述决定材料性能的最根本的原因是什么？组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。第20页/共92页1.1.材料科学材料科学材料科学：研究材料的成材料科学：研究材料的成分、组织结构、加工工艺分、组织结构、加工工艺和性能和性能以及它们之间关系以及它们之间关系的学科。目的在于提供材的学科。目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，料结构的统一描绘或模型，以及解释这种以及解释这种结构与性能结构与性能之间的关系。之间的关系。第21页/共92页2.2.材料工程材料工程材料工程材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。料的结构、性能和形状。第22页/共92页3.3.材料科学与材料工程的关系材料科学与材料工程的关系一一般般来来讲讲，科科学学是是研研究究“为为什什么么”的的学学问问，而而工工程程是是解解决决“怎怎么么做做”的的学学问问。材材料料科科学学的的基基础础理理论论，为为材材料料工工程程指指明明方方向向，为为更更好好地地选选择择、使使用用材材料料，发发挥挥现现有有材材料料的的潜潜力力、发发展展新新材材料料提提供供理理论基础。论基础。材材料料科科学学和和材材料料工工程程之之间间的的区区别别主主要要在在于于着着眼眼点点的的不不同同或或者者说说各各自自强强调调的的中中心心不不同同，它它们们之之间间并并没没有有一一条条明明确确的的界界线线，因因此此，后后来来人人们们常常常常将将二二者者放放在在一一起起，采采用用一一个个复复合合名名词词材材料料科科学学与与工工程（程（MSE，Material Science and Engineering）第23页/共92页材料的成分-组织结构-性能间的关系第24页/共92页第25页/共92页第26页/共92页 材料科学好像是一座桥梁，将许多基础学科的研究结论与工程应用连接起来，这既加深了人们对工程材料性能的理解，又导致了许多重大工程技术的形成和发展。第27页/共92页1.3 1.3 材料的应用材料的应用材料与显示技术材料与显示技术（以电脑、电视为例）（以电脑、电视为例）传统的CRT显示器液晶显示器（LCD）OLED显示器柔性可折叠第28页/共92页OLED广角显示OLED数码显示超薄时钟第29页/共92页1.41.4本本课程的主要内容课程的主要内容1.1.1.1.本本本本课程的主要课程的主要课程的主要课程的主要内容内容内容内容 材材料料科科学学与与工工程程是是研研究究材材料料的的成成分分、组组织织结结构构、制制备备工工艺艺、材材料料的的性性能能与与材材料料应应用用之之间间的的相相互互关关系系的的科科学学。将将各各种种材材料料（包包括括金金属属、无无机机非非金金属属、高高分分子子材材料料）的的微微观观结结构构和和宏宏观观结结构构规规律律建建立立在在共共同同的的理理论论基基础础上上，研研究究材材料料结结构构对对性性能能影影响响的的共共性性规规律律，涵涵盖盖了了材材料料科科学学和和材材料料工工程程的基础理论。的基础理论。要要求求掌掌握握高分子材料、金属材料、无机非金属材料三类材料各自的结构特点，以及不同材料的组成、结构和性能的共性规律和个性特征。第30页/共92页主要内容如下：第一章 绪论第二章 物质结构基础第三章 材料组成与结构第四章 材料的性能第31页/共92页2.2.本本课程的特点及学习方法课程的特点及学习方法本课程特点本课程特点：概念术语多，内容多概念术语多，内容多 相相关关学学科科多多（物物理理学学、化化学学、热热力力学学、矿矿物学、金属学、陶瓷学以及高分子学等）物学、金属学、陶瓷学以及高分子学等）学习方法学习方法：作作为为一一门门应应用用学学科科，基基础础理理论论和和基基本本概概念念要要掌掌握握，注注意意重重点点，理理清清主主线线，做做好好笔笔记记；掌掌握握例例题题的的解解题题方方法法，还还要要理理论论联联系系实实践践；要要学学以致用，以致用，善于归纳总结善于归纳总结；独立完成作业。；独立完成作业。第32页/共92页显示原理简介光的偏振光的偏振第33页/共92页偏振片透光原理：偏振片只允许偏振方向与它的偏振化方向平行的光透过，如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直，由于第一次出射光的偏振方向与第二个偏振片的偏振化方向垂直，光不能通过第二个偏振片。第34页/共92页显示器件基本结构偏光板电极配向膜液晶配向膜电极偏光板第35页/共92页显示原理简介第36页/共92页显示原理简介 第37页/共92页彩显第38页/共92页第二章 物质结构基础第39页/共92页2.1 物质的组成、状态及材料结构物质的组成：自然界中所有的物体均由化学元素及其化合物组成（即由原子和分子组成）物质的状态：固态、液态、气态材料的结构：材料的内部结构有不同的层次宏观组织结构、显微组织结构、原子或分子排列结构、原子中的电子结构第40页/共92页内部结构包括内部结构包括四个层次：四个层次：a.原子结构；原子结构；b.原子的排列方式；原子的排列方式；c.显微组织；显微组织；d.宏观组织宏观组织第41页/共92页2.2 物质的原子结构原子结构模型：原子原子核电子质子中子第42页/共92页（1）定态假设 在原子中，电了不能沿着任意轨道绕核旋转，而只能沿着符合一定条件的轨道旋转。电子在轨道上运动时，不吸收或放出能量，处于一种稳定状态。（2）量子化假设原子中的电子在不同轨道运动时可具有不同的能量E，电子在轨道上运动时所具有的能量只能取某些不连续的数值(电子能量是量子化的)。电子轨道运动的角动量L是 的整数倍玻尔理论的基本假设k为正整数第43页/共92页（3）跃迁规则电子在两个稳定状态之间可以发生跃迁，电子在两个稳定状态之间可以发生跃迁，只有当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收或放出。其跃迁能量对应的频率为其跃迁能量对应的频率为:第44页/共92页举例 1：6.1图6.1 日光灯的构造示意图Ca5(PO4)3(F,Cl):Sb3+,Mn2+发光材料的应用第45页/共92页显示用荧光材料 电视机和电脑显示器（CRT）等使用的荧光材料，就是阴极射线致发光材料举例 2：第46页/共92页可以卷起来的显示器：聚合物发光二极管柔性显示器有机发光材料的应用第47页/共92页玻尔理论合理的是：核外电子处于定态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子的能量变化。这一真理为后来的量子力学所继承。玻尔理论的基本科学思想方法是，承认原子体系能够稳定而长期存在的客观事实，大胆地假定光谱的来源是核外电子的能量变化，提出量子化条件和跃迁规则等革命性的概念。第48页/共92页1.能级：电子运动时所处的能量状态称为能级。2.基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的原子轨道上运动，这 种定态叫基态3.激发态：除基态以外的能量较高的其它能级。几个概念第49页/共92页2.2.1 量子力学的基本概念1.微观粒子的波粒二象性第50页/共92页 1905年爱因斯坦提出光子学说，指出光不仅是电磁波而且是一种光子流。即光具有波粒二象性。动量为p的光子，其波长为，二者之间通过普朗克常数h联系起来，即：Ph/光的波粒二象性普朗克常数 h=6.62610-34Js第51页/共92页爱因斯坦关系式作用作用传播传播波粒二象性第52页/共92页不仅光具有波粒二象性，一切实物粒子不仅光具有波粒二象性，一切实物粒子(如电子、原如电子、原子、分子等子、分子等)也都具有波粒二象性也都具有波粒二象性;具有确定动量具有确定动量 P P 和确定能量和确定能量 E E 的实物粒子相当于频率为的实物粒子相当于频率为 和波和波长为长为 的波的波,二者之间的关系如同光子和光波的关二者之间的关系如同光子和光波的关系一样系一样,满足：满足：德布罗意假设：德布罗意假设：这种和实物粒子相联系的波这种和实物粒子相联系的波称为称为 德布罗意波德布罗意波 或或 物质波物质波 。微观粒子的波粒二象性第53页/共92页德布罗意关系式德布罗意关系式第54页/共92页当一束电子以一定的速度穿过晶体投射到照相底片上时，在底片上得到的不是一个点而是一系列明暗相间的衍射环纹。从而证明了电子也如同光一样具有波动性。电子衍射实验证实了德布罗意的假设第55页/共92页波恩的统计解释如果让少数几个电子穿过晶体光栅，在照相底片上也只会得到少数几个无明确规律的感光斑点。只有让大量电子穿过晶体光栅（也可看成是一个电子反复多次穿过晶体光栅），才能在照相底片上得到有确定规律的衍射环纹。第56页/共92页所以说电子的波动性是微粒性的统计性行为，电子波是一种具有统计性的波，也叫几率波。在衍射图上衍射强度大（亮）的地方也就是波的强度大的地方，电子出现的几率密度（单位体积里的几率）大；衍射强度小（暗）的地方也就是波的强度小的地方，电子出现的几率密度小。在空间任一点上，电子波的强度与电子出现的几率密度成正比。具有波动性的电子运动没有确定的经典运动轨道，只有一定的与波的强度成正比的几率密度分布，且遵从测不准原理。波恩的统计解释第57页/共92页实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物质量m/kg速度v/(m.s-1)波长/pm1V电压加速的电子9.110-315.91051200100V电压加速的电子9.110-315.91061201000V电压加速的电子9.110-311.91073710000V电压加速的电子9.110-315.910712He原子（300K）6.610-271.410372Xe原子（300K）2.310-252.410212垒球2.010-1301.110-22枪弹1.010-21.01036.610-23按德布罗意关系式计算的各种实物粒子的质量、速度和波长。宏观物体的波长小得实验难以测量宏观物体的波长小得实验难以测量，“宏观物体只表现出粒子性宏观物体只表现出粒子性”第58页/共92页 计算表明，宏观物体的波长太短，根本无法测量，也无法察觉，因此我们对宏观物体不必考察其波动性，而对高速运动着的质量很小的微观物体，如核外电子，就要考察其波动性。第59页/共92页 在经典力学中，质点（宏观物体或粒子）在任何在经典力学中，质点（宏观物体或粒子）在任何时刻都有完全确定的位置、动量、能量等。由于时刻都有完全确定的位置、动量、能量等。由于微观粒子具有明显的波动性微观粒子具有明显的波动性，以致于它的某些，以致于它的某些成成对物理量对物理量（如位置坐标和动量、时间和能量等）（如位置坐标和动量、时间和能量等）不可能同时具有确定的量值。不可能同时具有确定的量值。2.海森堡测不准原理第60页/共92页微观粒子，不能同时准确测量其位置和动量测不准关系式：WernerHeisenbergDx 粒子的位置不确定量D 粒子的运动速度不确定量 不确定关系式：第61页/共92页它的物理意义是，微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量 越小，动量的不确定量 就越大，反之亦然。因此不可能用某一时刻的位置和动量描述其运动状态。轨道的概念已失去意义，经典力学规律也不再适用。-微观粒子的“波粒二象性”的具体体现 第62页/共92页原子线度为10-10m,计算原子中电子速度的不确定度。解：P=m V例1 1按经典力学计算，氢原子中电子的轨道速度 V 106 ms-1。在微观领域内，粒子的轨道概念不适用！若m非常小，则其位置与速度是不能同时准确测定的第63页/共92页第64页/共92页玻尔理论的结论是：氢原子核外电子的玻尔半径是52.9pm;运动速度为2.18107m/s电子的质量为9.110-31kg,假设我们对电子速度的测量准确量 v=104m/s(mv)=9.110-31104kgm/s =9.110-27kgm/s这样,电子的运动坐标的测量偏差就会大到:x=5.27310-35kgm2s-19.110-27kgm/s =579510-12m=5795 pm例3：对于氢原子的基态电子第65页/共92页这就是说，这个电子在相当于玻尔半径的约110倍(5795/52.9)的内外空间里都可以找到,则必须打破轨迹的束缚第66页/共92页例4:对于 m=10 克的子弹，它的位置可精确到 x 0.01 cm,其速度测不准情况为：对宏观物体可同时测定位置与速度第67页/共92页3.薛定谔方程 由于微观粒子具有波粒二象性，描述宏观物体运动规律和运动状态的经典物理学方法对微观粒子已不适用。1927年，奥地利物理学家薜定谔（Erwin Schrodinger）根据德布罗意物质波的观点，建立了描述微观粒子运动规律的方程式:薜定谔方程。第68页/共92页微观粒子的运动状态 描述微观粒子运动 基本方程波函数 薛定谔方程第69页/共92页直角坐标直角坐标(x,y,z)与球坐标与球坐标 的转换的转换 第70页/共92页薛定谔方程的物理意义对一个质量为m，在势能为V 的势能场中运动的微粒（如电子），有一个与微粒运动的稳定状态相联系的波函数 ，这个波函数服从薛定谔方程，该方程的每一个特定的解 n,l,m（r,）表示原子中电子运动的某一稳定状态，与这个解对应的常数En,l就是电子在这个稳定状态的能量。第71页/共92页Y(,)是原子轨道的角度部分，是原子轨道的角度部分，表明了原子轨道的空间取向。表明了原子轨道的空间取向。R(r)是原子轨道的径向部分，其是原子轨道的径向部分，其表示在任何角度方向上电子出现表示在任何角度方向上电子出现几率大的空间区域（原子轨道主峰）几率大的空间区域（原子轨道主峰）离核的远近。离核的远近。第72页/共92页波函数（）波函数：描述电子的运动状态的函数。由于测不准原理，不可能同时测定电子的位置和速度，因此电子不是沿固定的轨道运动的。电子在空间各位置出现的机会不完全相等，存在几率分布。描述单个电子运动的波函数习惯称为原子轨道。第73页/共92页波函数的平方 可以代表电子在空间某处的强度，又可以代表电子的几率密度，大的地方，电子出现的机会大。几率密度的形象就是电子云第74页/共92页2.2.2 原子核外电子2.2.2.1 电子的分布和运动第75页/共92页 n，l，m三个确定的量子数组成的一套参数即可描述出一种波函数的特征，表示为y yn,l,m，也就确定了电子云的特征。要完全描述核外电子的运动状态还须确定第四个量子数：自旋量子数ms电子运动状态的完全描述与四个量子数第76页/共92页(1)主量子数主量子数 n（原子中电子出现几率最大的区离核的远近）n=1,2,3,（K,L,M）(2)角量子数角量子数 (3)磁量子数磁量子数 m (4)自旋量子数自旋量子数 ms（描述了电子自旋运动的特征）四个量子数第77页/共92页说明：角量子数l l 的取值 0，1，2，3n1 对应着 s,p,d,f.(亚层)l 决定了原子轨道或电子云的形状。磁量子数磁量子数m：m可取可取 0，1,2l；其值决定了其值决定了原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向第78页/共92页1）当l=0时，m=0，说明亚层只有一个球形的s轨道，无方向性。2）当l=1时，m=0，1，说明p亚层有三个不同伸展 方向的p轨道，常用Pz，Px，Py表示这三个不同伸展 方向的P轨道。3）当l=2时，m=0，1，2，说明d亚层有5个不同 伸展方向的d轨道。举例：第79页/共92页 综上所述，当四个量子数都确定以后，才能完全描述一个电子的运动状态。即确定这个电子处在哪一个电子层（n）、哪一个形状的电子亚层（l）、哪一个伸展方向的轨道（m）、哪一个自旋方向（ms）。电子运动状态的完全描述第80页/共92页元素基本性质的周期性 由于在周期表中原子电子层结构呈周期性的变化，因此与电子结构有关的元素的一些基本性质如有效核电荷、原子半径、电离能、电子亲合能、电负性等也呈现明显的周期性。第81页/共92页电离能的大小可以衡量原子在气态时失去电子的难易程度,可以用于衡量元素金属活泼性的强弱。E越小，越易失去电子，金属活泼性越强；反之亦然。元素的第一电离能使气态的基态原子失去一个电子，变成带一个正电荷的气态离子所需的最低能量，称为元素原子的第一电离能（E1）；依次类推有第二，第三，第四电离能E2，E3，E4等。Na(g)Na(g)eE1=496kj.mol1示例：Na(g)Na(g)2eE2=4570kj.mol1一般而言E4E3E2E1Ei0表示吸收能量。第82页/共92页电离能在周期表的变化规律第83页/共92页元素的电子亲合能数据负得越多，体系放出能量越多，表示这种元素的原子越易获得电子，非金属性越强。电子亲合能ea气态的基态原子获得一个电子变成气态的负一价离子时所吸收（取正值）或放出的能量称为该原子的第一电子亲合能E1。与电离能类似，也有第二，第三电子亲合能E2，E3。示例：O(g)eO(g)E1=114kj.mol1O(g)eO(g)2E2=844kj.mol1一般地，E10，但E2总是0第84页/共92页原子分子离子宏观物质或范德华力得失电子范德华力氢键共价键金属键或共价键离子键2.3 原子之间相互作用和结合第85页/共92页2.3.1 化学键合第86页/共92页化学键合离子键阴阳离子间通过静电作用所形成的化学键。例：NaCl第87页/共92页共价键原子之间通过共用电子对所形成的相互作用（键合），叫做共价键。例：第88页/共92页金属键共有化电子与离子之间的相互作用称为金属键第89页/共92页化学键的本质化学键在本质上是电性的，原子在形成分子时，外层电子发生了重新分布（转移、共用、偏移等），从而产生了正、负电性间的强烈作用力。但这种电性作用的方式和程度有所不同，就将化学键分为离子键、共价键和金属键等。原子之间相互作用，使其最外层达到稳定结构。第90页/共92页化学键合小结：第91页/共92页感谢您的观看！第92页/共92页
