材料科学与技术第一章第二章.pptx

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1、材料科学与技术材料科学与技术参考文献参考文献1、TB303/ZT356:材料物理性能，北航出版社材料物理性能，北航出版社2、TB3/ZH471:材料科学基础，上海交大出版社材料科学基础，上海交大出版社3、TQ174.75 ZQ562:功能陶瓷及应用，化学工业出版功能陶瓷及应用，化学工业出版4、TB34/ZM141:功能材料学概论，冶金工业出版功能材料学概论，冶金工业出版5、TQ174.5/ZL398:电子陶瓷工艺原理，华中工学院出版电子陶瓷工艺原理，华中工学院出版6、TQ174.6/ZC418:现代陶瓷工业技术装备，中国建材工业出版现代陶瓷工业技术装备，中国建材工业出版7、O62/ZW227:

2、有机化学，清华大学出版有机化学，清华大学出版8、O631.1/ZZ717:高分子链结构，科学出版社高分子链结构，科学出版社9、TQ31/ZL398:高分子合成原理及工艺学高分子合成原理及工艺学10、铁电压电材料及器件，刘梅冬，华中理工大出版、铁电压电材料及器件，刘梅冬，华中理工大出版？第一章第一章 材料科学概述材料科学概述第一节第一节 材料科学的发展背景材料科学的发展背景 人类文明史与材料的发展阶段密切相关的。人类文明史与材料的发展阶段密切相关的。什么是材料和材料科学什么是材料和材料科学？材料：材料：是人类赖依生存和发展的物质基础。是人类赖依生存和发展的物质基础。以材料的性能、结构及相关应用为

3、研究对象，介于基以材料的性能、结构及相关应用为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的基础应用科学。集物理学、础科学与应用科学之间的基础应用科学。集物理学、化学和冶金学等于一体的一门新的综合性学科。化学和冶金学等于一体的一门新的综合性学科。材料科学：材料科学：（人的衣、食、住、行、通讯等）（人的衣、食、住、行、通讯等）以材料的发展划分人类历史以材料的发展划分人类历史:旧石器时代旧石器时代:（B.C.101万年）以天然石块凿成棱边锋利的万年）以天然石块凿成棱边锋利的新石器时代新石器时代:（B.C.60004000年）出现磨光、锯、钻孔工具。年）出现磨光、锯、钻孔工具。陶瓷时代：陶瓷时代：（B.C.

4、60004000年）出现了烧炉。年）出现了烧炉。近代：近代：玻璃、瓷器、及铝工业；玻璃、瓷器、及铝工业；工具或武器。工具或武器。青铜器时代：青铜器时代：（B.C.80001500年）年）B.C.8000年，纯铜的发现年，纯铜的发现和加工；和加工；B.C.20001500年铜矿石的开采和冶炼。年铜矿石的开采和冶炼。铁器时代：铁器时代：（B.C.14001200年）年）B.C.1000年之后欧洲进入年之后欧洲进入“铁器时代铁器时代”。现代：现代：高分子聚合物材料。高分子聚合物材料。理论上：理论上：量子理论、统计物理、固体电子论、晶体结构量子理论、统计物理、固体电子论、晶体结构近代物理使材料科学进入

5、一个崭新的阶段：近代物理使材料科学进入一个崭新的阶段：实验上：实验上：劳厄劳厄 X 射线法窥探晶体结构。可在超高真空、射线法窥探晶体结构。可在超高真空、等理论的建立和发展使深入、正确地描述晶体等理论的建立和发展使深入、正确地描述晶体内微观粒子运动成为可能。内微观粒子运动成为可能。超低温或超高压下借助各类电子显微镜观察、超低温或超高压下借助各类电子显微镜观察、甚至操纵、安排原子分子的排列。甚至操纵、安排原子分子的排列。第二节第二节 材料科学的任务及材料的分类材料科学的任务及材料的分类按状态：按状态：气态、液态、固态。气态、液态、固态。材料科学的任务：材料科学的任务：以物理学、化学、冶金学等为理论

6、基础，应用各种测试和以物理学、化学、冶金学等为理论基础，应用各种测试和实验手段从微观上来研究材料的各种性能及其在制造和应实验手段从微观上来研究材料的各种性能及其在制造和应用中的行为，以提高材料的性能、探索和开发新型材料。用中的行为，以提高材料的性能、探索和开发新型材料。材料科学研究的对象甚多，世界上已注册的材料有几十万种。材料科学研究的对象甚多，世界上已注册的材料有几十万种。材料分类方法：材料分类方法：有多种有多种按特性：按特性：金属、金属、无机非金属无机非金属和有机高分子材料。和有机高分子材料。无机非金属材料：无机非金属材料：陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等。陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等。按作用

7、按作用:结构材料和功能材料。结构材料和功能材料。按使用领域：按使用领域：建筑、电子、医用、仪表及能源材料等。建筑、电子、医用、仪表及能源材料等。复合材料：复合材料：两种以上的材料按一定的比例通过两种以上的材料按一定的比例通过特殊方法结合起来而构成。特殊方法结合起来而构成。结构材料：结构材料：是机械制造、建筑工程、交通运输、能源利用是机械制造、建筑工程、交通运输、能源利用工程等的物质基础。具有抵抗外力作用、保持工程等的物质基础。具有抵抗外力作用、保持自身形状和结构不变的力学特性及对外界环境自身形状和结构不变的力学特性及对外界环境良好的适应性。良好的适应性。高强的机械性能、耐高温、高强的机械性能、

8、耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐辐照。耐磨、耐腐蚀、耐辐照。新型结构材料新型结构材料：新型陶瓷结构材料、复合材料及高新型陶瓷结构材料、复合材料及高分子材料的开发利用正在受到重视。分子材料的开发利用正在受到重视。功能材料：功能材料：具有优良的电、磁、声、热、光、力、化学、具有优良的电、磁、声、热、光、力、化学、用途：用途：可用于研制具有传递、存储或记忆信息、可用于研制具有传递、存储或记忆信息、转化或变换能量的功能性元件。转化或变换能量的功能性元件。包括：包括：金属、半导体、有机高分子、复合材料等。金属、半导体、有机高分子、复合材料等。有多种分类，按性能可分为：有多种分类，按性能可分为：或生物学等性能的材

9、料。或生物学等性能的材料。力学、声学、电学、磁学、光学、力学、声学、电学、磁学、光学、化学、生物医学、核功能材料。化学、生物医学、核功能材料。第二节第二节 材料科学的重要性材料科学的重要性3、现代的高科技兵器战争时代：、现代的高科技兵器战争时代：材料科学发展对国民经济、国防建设具有重要意义材料科学发展对国民经济、国防建设具有重要意义按武器装备的演变、按武器装备的演变、战争分为三个时代：战争分为三个时代：1、经典的冷兵器战争时代：、经典的冷兵器战争时代：2、近代的热兵器战争时代：、近代的热兵器战争时代：以大刀、长矛、弓箭等借士兵体能以大刀、长矛、弓箭等借士兵体能为其基本特征。陆、水两维战争。为其

10、基本特征。陆、水两维战争。以飞机、枪、炮、弹药、原子弹等的钢以飞机、枪、炮、弹药、原子弹等的钢铁、炸药的较量。陆、海、空三维战争。铁、炸药的较量。陆、海、空三维战争。以精密制导、电子战、航天、激光、隐形、以精密制导、电子战、航天、激光、隐形、人工智能武器为其特征。高科技密集形战争。人工智能武器为其特征。高科技密集形战争。第二章第二章 原子结构与键合原子结构与键合原子、原子排列、微观结构和宏观组织。原子、原子排列、微观结构和宏观组织。材料的结构层次：材料的结构层次：原子：原子：材料的基本单元。材料的基本单元。原子结构：原子结构：直接影响材料中原子的结合方式直接影响材料中原子的结合方式形成不同的结

11、合键及不同性质的材料：形成不同的结合键及不同性质的材料：金属、半导体、绝缘体、高分子聚合物。金属、半导体、绝缘体、高分子聚合物。第一节第一节 原子结构原子结构卢瑟福卢瑟福 粒子散射实验：粒子散射实验：原子的核式结构模型原子的核式结构模型原子：原子：原子核、电子原子核、电子原子核：原子核：质子和中子质子和中子核内质子数核内质子数:等于等于 核外电子数核外电子数质子电量：质子电量：等于电子电量等于电子电量原子半径：原子半径：原子核半径：原子核半径：原子量（原子量（M）定义：）定义：？原子量原子量 不是一个原子的质量、是不是一个原子的质量、是 1 mol 原子的质量原子的质量原子量的单位原子量的单位

12、:1 个原子的质量：个原子的质量：1 个个 C12 原子的质量：原子的质量：（原子质量单位）（原子质量单位）1 原子质量单位原子质量单位原子量的另一单位原子量的另一单位:原子质量单位原子质量单位碳同位素中的碳同位素中的 C12原子原子 的原子量：的原子量：1 个原子的质量：个原子的质量：（原子质量单位）（原子质量单位）第二节第二节 原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构一、量子数一、量子数元素的性能决定于原子中电子所处的状态元素的性能决定于原子中电子所处的状态描述电子状态的四个量子数：描述电子状态的四个量子数：1、主量子数、主量子数 n取值：取值：1、2、3、4、是决定电子能量的主要参数，表征电

13、是决定电子能量的主要参数，表征电子所处的壳层及电子运动轨道的大小。子所处的壳层及电子运动轨道的大小。2 34KLMN主量子数主量子数名称名称 1壳层壳层代表电子自旋的取向和自旋代表电子自旋的取向和自旋角动量在特殊方向的分量角动量在特殊方向的分量3、轨道方向量子数、轨道方向量子数 取值：取值：表征轨道角动量在特殊方向（如磁场方向）表征轨道角动量在特殊方向（如磁场方向）上的可能分量或轨道在空间的可能取向。上的可能分量或轨道在空间的可能取向。如如 时时，3个可能的取向个可能的取向4、自旋方向量子数、自旋方向量子数 取值：取值：泡利不相容原理：泡利不相容原理：原子中不可能有两个电子处于同一状态原子中不

14、可能有两个电子处于同一状态不可能有两个电子具有完全相同的上述四个量子数不可能有两个电子具有完全相同的上述四个量子数原子原子次壳层次壳层和和壳层壳层中可容纳的电子数：中可容纳的电子数：壳层：壳层：次壳层：次壳层：次壳层次壳层 有有 个个 ，每一个每一个 有两个有两个壳层壳层 n 中包含中包含 n 个次壳层个次壳层 二、原子的电子结构二、原子的电子结构基态：基态：原子最低能态；电子从最低能级填充原子能级。原子最低能态；电子从最低能级填充原子能级。决定电子能量的量子数：决定电子能量的量子数：主量子数主量子数 、次量子数、次量子数越大、电子能量越大。越大、电子能量越大。决定电子能量的主要量子数、决定电

15、子能量的主要量子数、实际上通常：实际上通常：电子填满各能电子填满各能级次序通常为级次序通常为:5f7s6s5s4s3s2s1s7p6p5p4p3p2p4f6d5d4d3d但但不能保证不能保证：过渡族金属的电子结构过渡族金属的电子结构而不是而不是三、原子价及原子的电负性三、原子价及原子的电负性原子依靠外层电子与其它原子化合原子依靠外层电子与其它原子化合原子外层电子决定其化学活性原子外层电子决定其化学活性外壳层外壳层8电子结构是稳定结构，原子在结合时倾向电子结构是稳定结构，原子在结合时倾向于或填满外层于或填满外层 s,p 能级，或使能级，或使 s,p 能及完全空着。能及完全空着。非金属元素非金属元

16、素倾向于接受电子成为倾向于接受电子成为8电子结构，电子结构，具有电负性具有电负性。金属元素金属元素倾向于失去价电子成为倾向于失去价电子成为8电子结构，电子结构，显正价显正价。氯的电子结构：氯的电子结构：强电负性强电负性铝的电子结构：铝的电子结构：显正显正3价价钠的电子结构：钠的电子结构：更易失去更易失去1个价电个价电子，正电性更强。子，正电性更强。第三节第三节 原子的键合原子的键合四种基本的原子键：四种基本的原子键：金属键、共价键、离子键和范德瓦尔键金属键、共价键、离子键和范德瓦尔键一、金属键一、金属键金属键本质：金属键本质：离子、电子间的库伦相互作用离子、电子间的库伦相互作用价电子是价电子是

17、 sp 电子的低价金属（电子的低价金属（Na,Ca,Al 等）是金属键。等）是金属键。金属原子失去价电子成为正离子、价电子成金属原子失去价电子成为正离子、价电子成为自由电子，离子骨架浸泡在电子的海洋。为自由电子，离子骨架浸泡在电子的海洋。金属特性：金属特性：（1）延展性；（）延展性；（2）良好的导电性）良好的导电性。金属键特性：金属键特性：无方向性、不易被破坏。无方向性、不易被破坏。金属是良导体金属是良导体二、共价键二、共价键不易失去价电子的原子倾向于与邻近原不易失去价电子的原子倾向于与邻近原子共有价电子、成为子共有价电子、成为8电子稳定结构。电子稳定结构。共价键：拉手结合共价键：拉手结合IV 元素半导体（元素半导体（C,Si,Ge）是共价键。一个）是共价键。一个原子与周围原子与周围4个原子形成电子对个原子形成电子对 共价键共价键共价键之间的夹角：共价键之间的夹角：109oSi 正四面体结构：正四面体结构：共价键具有方向性共价键具有方向性价电子位于共价键附近的几率高于其它处价电子位于共价键附近的几率高于其它处