(完整word版)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)(打印版)英漢雙語(yǔ)版,推薦文檔

1、Fundamentals of Materials Science and Engineering材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)第一章緒論一、學(xué)習(xí)目的：材料科學(xué)家或工程技術(shù)人員經(jīng)常遇到的問(wèn)題是設(shè)計(jì)問(wèn)題，而設(shè)計(jì)問(wèn)題主要涉及機(jī)械、民用、化學(xué)和電。而這些領(lǐng)域都要涉及到選擇材料問(wèn)題。如何選擇材料是非常重要的，選材包含兩方面一個(gè)是滿足性能要求，另一方面是成本低，即所謂“合理選材 ”。材料的性能與其成分和內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，材料的組織結(jié)構(gòu)與加工過(guò)程有關(guān)。本課程的目的就在于掌握加工過(guò)程和材料的組織結(jié)構(gòu)以及性能之間的關(guān)系。為今后進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和合理選材打下理論基礎(chǔ)。二、本章主要內(nèi)容1、簡(jiǎn)介材料的發(fā)展史4、先進(jìn)

2、材料2、材料科學(xué)與工程的含義和內(nèi)容5、現(xiàn)代材料的需求3、材料的分類三、重要術(shù)語(yǔ)和概念metal: 金屬Processing: 加工過(guò)程Thermal behavior:熱性能ceramic:陶瓷Structure:組織結(jié)構(gòu)Magnetic properties:磁性能polymer:聚合物Properties:性質(zhì)Optical properties:光性能Composites: 復(fù)合材料Performance: 使用性能Deteriorative characteristics:老Semiconductors: 半導(dǎo)體Mechanical properties:力學(xué)性能化特性Biomater

3、ials: 生物材料Electrical properties:電性能第二章 原子結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵一、學(xué)習(xí)目的我們?cè)谧匀唤缰杏^察到各種現(xiàn)象，歸根結(jié)底是物質(zhì)的不同表現(xiàn)形式，也就是說(shuō)物質(zhì)構(gòu)成了世界。自然界中所有物體均由化學(xué)元素及其化合物所組成，同樣，各種固體材料也都是由一種或多種元素的原子結(jié)合而成的。學(xué)習(xí)物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵合，是認(rèn)識(shí)和研究各類材料在結(jié)構(gòu)與性能方面所表現(xiàn)出來(lái)的個(gè)性和共性的基礎(chǔ)，也是正確認(rèn)識(shí)和理解材料的性能的重要依據(jù)。二、本章主要內(nèi)容1、原子結(jié)構(gòu)模型玻爾模型：1913 年，年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾在總結(jié)當(dāng)時(shí)最新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)（普朗克黑體輻射和量子概念、愛(ài)因斯坦光子論、盧瑟福原子帶核模型等）

4、的基礎(chǔ)上建立了氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)模型，提出=0（ S 軌道），球形， =1（P 軌道），啞鈴形， =2（d 軌道），花瓣形； =0，1，2， 3, （n-1 ）.磁量子數(shù)（ m）：描述電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量在空間給定方向上的分量是量子化的 ;m±=0, ± 1, ±2, , ± 。自旋量子數(shù)（ ms）：電子在繞核高速運(yùn)動(dòng)同時(shí)，還有自身旋轉(zhuǎn)了原子結(jié)構(gòu)理論上的三點(diǎn)假設(shè)（1）任意軌道上繞核運(yùn)動(dòng)，而是在一些符合一定量子化條件的軌道上運(yùn)動(dòng)；（ 2）電子軌離核越遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)，順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向：ms=±12原子所含的能量越高，電子盡可能處在離核最近的軌道上；

5、 （3）只有電子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)，原子才會(huì)以光子形式釋放能量。玻而爾理論解釋了原子發(fā)光現(xiàn)象但無(wú)法解釋精細(xì)結(jié)構(gòu)和多原子、分子或固體的光譜，存在局限性。量子力學(xué)模型：量子力學(xué)是建立在微觀世界的量子性和微粒運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)性基本特征上，在量子力學(xué)處理氫原子核外電子的理論模型中，最基本的方程叫做薛定諤方程，是由奧地利科學(xué)家薛定諤（ E.Schr?dinger 1887-1961 ）在 1926 年提出來(lái)的。薛定諤方程是一個(gè)二階偏微分方程，它的自變量是核外電子的坐標(biāo)（直角坐標(biāo)x ，y，z 或者極坐標(biāo) r， ， ），它的因變量是電子波的振幅（）。給定電子在符合原子核外穩(wěn)定存在的必要、合理的條件時(shí)，薛定諤

6、方程得到的每一個(gè)解就是核外電子的一個(gè)定態(tài)，它具有一定的能量（ ），具有一個(gè)電子波的振幅隨坐標(biāo)改變的的函數(shù)關(guān)系式 =f(x,y,z) ，稱為振幅方程或波動(dòng)方程。為了得到電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)合理的解，必須引用只能取某些整數(shù)值的三個(gè)參數(shù)，稱它們?yōu)榱孔訑?shù)，這三個(gè)量子數(shù)可取的數(shù)值及它們的關(guān)系如下：主量子數(shù)： n=1,2,3,4 ；角量子數(shù)：l=0,1,2 ,(n-1) ；磁量子數(shù)： m=0, ±1,± 2,± 3 , l 。2. 描述有關(guān)電子能量的量子力學(xué)法則四個(gè)量子數(shù)主量子數(shù)（ n）：用來(lái)描述原子中電子出現(xiàn)幾率最大區(qū)域離原子核的遠(yuǎn)近，是決定電子能量高低的主要因素。 n=1，2，3

7、，4；在光譜上用 K， L，M，N，O， P 表示。角量子數(shù)（ ） : 角量子數(shù)是描述原子軌道形狀的物理量，原子核外電子的排布和能量狀態(tài)：Pauli 不相容原理：在同一個(gè)原子中沒(méi)有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子。能量最低原理：電子在原子中所處的狀態(tài)，總是盡可能分布到能量最低的軌道上。Hund規(guī)則：電子分布到能量相同的等價(jià)軌道上時(shí)， 總是盡先以自旋相同的方向，單獨(dú)占據(jù)能量相同的軌道。3.原子間的相互作用原子（或離子）之間的相互的吸引能，排斥能和總作用能隨其原子間距離變化而變化。rENFN drrrFA drFR drEAER4.化學(xué)鍵離子鍵： 原子之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成正、負(fù)離子，并通過(guò)靜電作用而形成

8、的化學(xué)鍵。 離子鍵的本質(zhì)是靜電作用， 無(wú)方向性、無(wú)飽和性。離子鍵程度與元素的電負(fù)性有關(guān)。共價(jià)鍵： 不同原子依靠共享電子，或原子軌道的最大重疊而結(jié)合形成的化學(xué)鍵為共價(jià)鍵。共價(jià)鍵的本質(zhì)是電性的，是兩原子核對(duì)共用電子對(duì)或原子軌道重疊所形成負(fù)電區(qū)域的吸引力，不是正負(fù)離子間的靜電力。共價(jià)鍵有方向性和飽和性。金屬鍵： 在固態(tài)或液態(tài)金屬中，價(jià)電子可以自由地在不同原子間移動(dòng)，使其成為多個(gè)原子所共有，這些共用電子將許多原子粘合在一起的作用，被稱為是金屬鍵。- 1 -氫鍵： 分子中帶正電的氫原子與另一分子中含有的孤對(duì)電子了解所學(xué)的兩種原子模型，并能區(qū)別其不同?？拷a(chǎn)生的吸引力為氫鍵。氫鍵形成的條件是必須在分子中

9、存能夠描述有關(guān)電子能量的量子力學(xué)法則。在電負(fù)性很強(qiáng)的元素使氫原子具有強(qiáng)極性，同時(shí)，分子中帶有孤能夠畫(huà)出兩個(gè)原子（或離子）的吸引能，排斥能和總作用能對(duì)電子，電負(fù)性大和半徑小的元素所構(gòu)成。氫鍵具有方向性和飽隨其原子距離變化的關(guān)系圖。和性。能夠指出這個(gè)圖中的平衡距離和鍵能。范德華鍵： 由分子的取向力、誘導(dǎo)力和色散力導(dǎo)致分子間的能夠簡(jiǎn)單描述離子鍵，共價(jià)鍵，金屬鍵，氫鍵和范德華鍵。作用力稱為Van der waals 鍵。能夠列出以這些化學(xué)鍵結(jié)合的典型物質(zhì)。5、基本要求三、重要名詞Atomic mass unit (amu):原子質(zhì)量單Electronegative: 負(fù)電的Periodic table

10、: 元素周期表位Electropositive:正電的Polar molecule: 極性分子Atomic number:原子數(shù)Ground state: 基態(tài)Primary bonding: 強(qiáng)鍵Atomic weight:原子量Hydrogen bond: 氫鍵Quantum mechanics: 量子力學(xué)Bohr atomic model: 波爾原子模型Ionic bond: 離子鍵Quantum number: 量子數(shù)Bonding energy: 鍵能Isotope: 同位素Secondary bonding: 弱鍵Coulombic force:庫(kù)侖力Metallic bond:金

11、屬鍵valence electron: 價(jià)電子Covalent bond: 共價(jià)鍵Mole: 摩爾van der waals bond: 范德華鍵Dipole (electric):偶極子Molecule: 分子Wave-mechanical model: 波粒二象electronic configuration:電子構(gòu)型Pauli exclusionprinciple: 泡利不相性模型electron state: 電位容原理四、例題例 1、原子中一個(gè)電子的空間位置和能量可用哪4 個(gè)量子數(shù)來(lái)Ge。決定？答：主量子數(shù) n、軌道角動(dòng)量量子數(shù) li 、磁量子數(shù) mi 和自旋角動(dòng)量量子數(shù) si 。例

12、 2、在多電子的原子中，核外電子的排布應(yīng)遵循哪些原則？答：能量最低原理，Pauli不相容原理， Hund 規(guī)則。例 3、在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子結(jié)構(gòu)有什么共同特點(diǎn)？從左到右或從上到下元素結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別？性質(zhì)如何遞變？答：同一周期元素具有相同原子核外電子層數(shù)，但從左右，核電荷依次增多，原子半徑逐漸減小，電離能增加，失電子能力降低， 得電子能力增加， 金屬性減弱，非金屬性增強(qiáng)；同一主族元素核外電子數(shù)相同，但從上下，電子層數(shù)增多， 原子半徑增大， 電離能降低，失電子能力增加，得電子能力降低，金屬性增加，非金屬性降低。例 4、錫的原子序數(shù)為50，除了 4f 亞層之外， 其他內(nèi)部電子亞

13、層均已填滿。試從原子結(jié)構(gòu)角度來(lái)確定錫的價(jià)電子數(shù)。答：1s22s22p6 3s2 3p6 3d104s2 4p6 4d105s2 5p2 ；錫的價(jià)電子數(shù)為4。例 5、已知某元素原子序數(shù)為32，根據(jù)原子的電子結(jié)構(gòu)知識(shí)，試指出它屬于哪個(gè)周期？哪個(gè)族？并判斷其金屬性的強(qiáng)弱。答： 1s22s2 2p6 3s2 3p63d10 4s2 4p2；第四周期；A 族；亞金屬例 6、A 和 B 元素之間鍵合中離子特性所占的百分比可近似地用下式表示：2IC (%)1e 0 .25( AB )100式中 xA 和 xB 分別為 A 和 B 元素的電負(fù)性值。已知Ti，O，In和 Sb 的電負(fù)性分別為 1.5，3.5，1

14、.7 和 1.9，試計(jì)算 TiO 2 和 InSb的 IC（ %）。解：對(duì) TiO2： IC (%)1e( 0.25 )(3.51.5)210063.2%對(duì) InSb： IC (%)1e( 0.25)(1.91.7 )21001.0%例 7 Al 2O3 的密度為 3.8g/cm3,試計(jì)算： 1mm3 中存在多少個(gè)原子？ lg 中含有多少個(gè)原子？1s2 2s22p6 3s23p63d104s24p2；第四周期；A 族；亞金屬 Ge。解： Al 2O3 的相對(duì)分子質(zhì)量 M=26.982+16 3=101.961mm3 中所含原子數(shù)為 1 3.810 32351. 12206.0231010101

15、.96（個(gè)）1g 中所含原子數(shù)為16 .02310 2352 .9510 22101. 96（個(gè)）第三章 金屬與陶瓷的結(jié)構(gòu)一、學(xué)習(xí)目的材料的結(jié)構(gòu)問(wèn)題需分層次認(rèn)識(shí)，第一層次是原子核外電子的排布即電子組態(tài)和電子構(gòu)型；第二層次是原子與原子之間的排列位置與相互作用即晶體結(jié)構(gòu)；第三層次是晶相、玻璃相的分布、大小、形狀等即顯微結(jié)構(gòu)。固態(tài)物質(zhì)按照原子間（或分子）的聚集狀態(tài)可以分為晶體和非晶體，在金屬與陶瓷中，這兩種狀態(tài)都存在，并且以晶體為主。在掌握了原子結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握固體中原子與原子之間的排列關(guān)系，對(duì)認(rèn)識(shí)和理解材料性能至關(guān)重要。二、本章主要內(nèi)容在結(jié)晶性固體中，材料的許多性能依

16、賴于內(nèi)部原子的排1、晶體和晶胞列，因此，必須掌握晶體特征和描述方法。本章從微觀層次出晶體：是原子、離子或分子按照一定的空間結(jié)構(gòu)排列所組發(fā)，介紹了金屬、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了結(jié)晶學(xué)的基礎(chǔ)成的固體，其質(zhì)點(diǎn)在空間的分布具有周期性和對(duì)稱知識(shí)。主要內(nèi)容包括：性。2晶胞 ：是從晶體結(jié)構(gòu)中取出的能夠反映晶體周期性和對(duì)程性的重復(fù)單元。2、 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子之間靠金屬鍵結(jié)合形成的晶體為金屬晶體。金屬晶體的三種類型和特征為：面心立方晶體：晶胞中八個(gè)角上各有一個(gè)原子，六個(gè)面中心各有一個(gè)原子，角上的原子為臨近8 個(gè)晶胞所共有，每個(gè)面中心原子為2 個(gè)晶胞所共有。晶胞的原子數(shù)為4。晶胞長(zhǎng)度a（晶胞參數(shù)a=b=c

17、）與原子半徑R 之間的關(guān)系為：a2R 2晶胞中原子堆積系數(shù)（晶胞中原子體積與晶胞體積的比值） APF=0.74.體心立方晶體：晶胞中八個(gè)角上各有一個(gè)原子，晶胞的中心有一個(gè)原子，角上的原子為臨近 8 個(gè)晶胞所共有，所以，體心立方晶胞中的原子數(shù)為 2。晶胞長(zhǎng)度 a（晶胞參數(shù) a=b=c）與4R原子半徑 R 之間的關(guān)系為：a3晶胞中原子堆積系數(shù)APF=0.68.密排六方晶體：由兩個(gè)簡(jiǎn)單六方晶胞穿插而成。形狀為八面體，上下兩個(gè)面為六角形，六個(gè)側(cè)面為長(zhǎng)方形。密排六方的晶胞參數(shù)有兩個(gè)，a 為正六邊形的邊長(zhǎng)，c 為上下底面的間距（晶胞高度）。 c/ a1.633 。晶胞中原子堆積系數(shù) APF=0.74 。n

18、A金屬晶體密度：VCNA .3、陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)陶瓷晶體中大量存在的是離子晶體， 由于離子鍵不具有方向性和飽和性，有利于空間的緊密堆積，堆積方式取決于陰陽(yáng)離子的電荷和離子半徑 r 的相對(duì)大小。配位數(shù)與配位多面體： 在晶體中，離子或原子周圍與它直接相鄰的異號(hào)離子或原子的個(gè)數(shù)稱為配位數(shù)， 正離子周圍負(fù)離子數(shù)不同，形成的配位多面體形狀不同，導(dǎo)致離子晶體的空間構(gòu)型不同。離子晶體的密度 :n (ACAA )VC NA4、晶體學(xué)基礎(chǔ)晶胞參數(shù)： 通過(guò)晶胞上的某一點(diǎn)（習(xí)慣取左下角后面的點(diǎn)），沿晶胞的三個(gè)棱邊作坐標(biāo)軸X ，Y ， Z 的長(zhǎng)度 a，b， c 和三條棱邊的夾角，這6 個(gè)參數(shù)為晶胞參數(shù)，可以表示晶胞的大

19、小和形狀。晶系：晶系是根據(jù)晶胞外形即棱邊長(zhǎng)度之間關(guān)系和晶軸夾角情況對(duì)晶體進(jìn)行分類，故只考慮a，b， c 是否相等，是否相等和是否呈直角等因素，不涉及晶胞中原子的具體排列。晶系只有 7 種，如表 3.6所示?？臻g點(diǎn)陣： 為了便于分析討論晶體中原子或分子的排列情況，把它們抽象為規(guī)則排列于空間的無(wú)數(shù)個(gè)幾何點(diǎn)，各個(gè)點(diǎn)周圍的環(huán)境相同，這種點(diǎn)子的空間排列稱為空間點(diǎn)陣。布拉維（ Bravais）點(diǎn)陣： 按照每個(gè)陣點(diǎn)周圍環(huán)境相同的要求，布拉維用數(shù)學(xué)方法確定，只能有14 種空間點(diǎn)陣，這 14 種點(diǎn)陣就被稱為布拉維點(diǎn)陣， 它們又歸屬于 7 個(gè)晶系中。（附圖，表）。在研究和分析有關(guān)晶體問(wèn)題時(shí)，常涉及晶體的某些方向（

20、稱為晶向）和平面（稱為晶面），為了便于表示，國(guó)際上通用的是密勒（ Miller）指數(shù)，標(biāo)注的方法如下：晶向指數(shù)： 晶向指數(shù)用 uvw 表示（三軸定向） ，其中 u、v 、w三個(gè)數(shù)字是晶向矢量在參考坐標(biāo)系X、Y、Z 軸上的矢量分量經(jīng)等比例化簡(jiǎn)而得出。晶向族： 晶體中原子周期排列相同的所有晶向?yàn)榫蜃?，?lt;uvw>表示。同一晶向族中不同晶向的指數(shù)，數(shù)字組成相同。已知一個(gè)晶向指數(shù)后，對(duì)± u、± v、± w 進(jìn)行排列組合，就可以得到此晶向族的所有晶向指數(shù)。晶面指數(shù)： 晶面指數(shù)用 （hkl ）（三軸定向） 表示一組平行晶面，稱為晶面指數(shù)，數(shù)字 hkl 是晶面在

21、三個(gè)坐標(biāo)軸（晶軸）上截距的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比。晶面族： 在對(duì)稱性高的晶體中（如立方晶系） ，往往有并不平行的兩組以上的晶面，原子排列狀況是相同的，這些晶面就構(gòu)成了晶面族，用hkl。六方晶系指數(shù)： 六方晶系的晶面和晶向指數(shù)可以采用同樣的上述方法（三軸定向）標(biāo)定，但存在不能顯示晶體的主要特征的缺點(diǎn)，故采用四軸定向。 a1、a2 、a3 和 c 四個(gè)晶軸， a1 、a2 、a3之間的夾角為 120o ,c 軸與它們垂直。此時(shí)，晶面指數(shù)用（hkil）（四軸定向）來(lái)表示，標(biāo)定方法仍同三軸定向相同。六方晶系按照兩種晶軸系所得的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)可以互相轉(zhuǎn)換。對(duì)晶面指數(shù)從（hkil ）轉(zhuǎn)換成 (hkl) 只要

22、去掉 i即可；反之加上 i=-(h+k)。對(duì)晶向指數(shù) uvw 與 uvtw之間的轉(zhuǎn)換為： u=n/3(2u-v)，v=n/3(2v-u)，t=-(u+v),w=nw晶帶：所有相交于某一晶向直線上或平行與此直線的晶面構(gòu)成晶帶，此直線稱為 晶帶軸 。晶面間距與晶面夾角：不同的 hkl 晶面，其間距各不相同，總體上是，低指數(shù)的晶面間距較大，高指數(shù)的晶面間距較小。5、晶體中的緊密堆積根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的大小不同， 晶體中球體的緊密堆積分為等徑球體和不等徑球體。金屬可看作為等徑球體，等徑球體的最緊密堆積方式有六方最緊密堆積和面心立方最緊密堆積兩種。等徑球體最緊密堆積時(shí)，存在兩種類型的間隙，即八面體間隙（六個(gè)原子之

23、間的間隙）和四面體間隙（四個(gè)原子之間的間隙），四面體空隙小于八面體空隙。最緊密堆積空隙的分布情況是：每個(gè)球周圍有8 個(gè)四面體空隙和 6 個(gè)八面體空隙。 n 個(gè)等徑球體最緊密堆積時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的四面體間隙為2n 個(gè)，八面體間隙為n 個(gè)。陶瓷多為離子晶體，即晶體的緊密堆積屬于不等徑球體的堆積。不等徑球體堆積時(shí)，大球首先按最近密堆積方式堆積，小球填充在大球堆積形成的四面體或八面體空隙中，具體的填充還要取決于離子的相對(duì)大小。6、非晶態(tài)非晶態(tài)固體指原子在空間排布上沒(méi)有長(zhǎng)程有序的固體。非晶態(tài)固體中包含大量無(wú)規(guī)取向的小的有序疇，每個(gè)原子周圍近鄰原子的排列仍具有一定規(guī)律，呈現(xiàn)一定的幾何特征。因而，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的基

24、本特征是短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序。7、基本要求描述晶體與非晶體在原子（或分子）結(jié)構(gòu)上的不同。能夠畫(huà)出面心立方，體心立方和六方密堆積結(jié)構(gòu)晶體的晶胞。3推導(dǎo)面心立方和體心立方結(jié)構(gòu)晶體中的晶胞邊長(zhǎng)與原子半徑的關(guān)系。利用它們的晶胞，計(jì)算具有面心立方和體心立方結(jié)構(gòu)的金屬晶體的理論密度。畫(huà)出氯化鈉，氯化銫，硫化鋅，金剛石，螢石和鈣鈦礦型的晶體的晶胞；畫(huà)出石墨和一種硅酸鹽玻璃的原子結(jié)構(gòu)圖。利用一種化合物的化學(xué)式和其組分的離子半徑，決定其晶體結(jié)三、重要概念A(yù)llotropy:同素異形現(xiàn)象Amorphous:無(wú)定形Anion:陰離子Anisotropy:各向異性atomic packing factor(APF):原

25、子堆積因數(shù)body-centered cubic (BCC):體心立方結(jié)構(gòu)Braggs law: 布拉格定律例1. 純鋁晶體為面心立方點(diǎn)陣，已知鋁的相對(duì)原子質(zhì)量A r（ Al ） =26.97，原子半徑 R=0.143nm ，求鋁晶體的密度 。解：純鋁晶體為面心立方點(diǎn)陣，每個(gè)晶胞有4 個(gè)原子，點(diǎn)鎮(zhèn)常數(shù) a 可由原子半徑求得。a22R220.143nm0.405nm所以密度A r(Al )26.97g2.696g / cm31 N0a 311023 (0.40510 7 )3 cm36.0234 4例 2. 鋁為一立方結(jié)構(gòu)， 0=0.4049nm ，在一個(gè)厚度為 0.005cm，面積為25cm2

26、 的薄片內(nèi)有多少個(gè)單位晶胞？該薄片質(zhì)量為0.3378g，問(wèn)該薄片有多少個(gè)鋁原子構(gòu)成？單位晶胞中有幾個(gè)原子？解： 薄片的體積為：Vf=25× 0.005=0.125cm3=0.125 ×1021nm3單位晶胞的體積為：V c ( 0.4049 ) 30.06638nm 3薄片內(nèi)的單位晶胞數(shù)為：21×1021個(gè)n= Vf/ Vc=0.125× 10/0.06638=1.88此外，可按質(zhì)量計(jì)算薄片的Al原子數(shù)。已知薄片質(zhì)量為 0.3378g ，Al 原子相對(duì)質(zhì)量為 26.98 。按阿弗加德羅常數(shù)可得薄片中Al 原子數(shù)：26.982321n 0.33786.02

27、 10230.3378 6.02 10 / 26.987.53 10個(gè)根據(jù)薄片中的原子數(shù)和單位晶胞數(shù)可求得單位晶胞中的鋁原子數(shù)nAl 為：nAl =7.53 × 1021 /1.88×1021 =4因此 Al 的單位晶胞由4 個(gè)原子構(gòu)成，可知金屬鋁為面心立方結(jié)構(gòu)。例 3. 對(duì)于具有面心立方結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)的同質(zhì)多晶原子晶體，根據(jù)面心立方結(jié)構(gòu)的原子半徑，計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)時(shí)的原子半徑，假設(shè)晶體的體積不變。解： 面心立方結(jié)構(gòu)的晶胞體積為：V1=a13= (2 2R 1 )3 =16 2 R13 體心立方結(jié)構(gòu)的晶胞體積為：構(gòu)。畫(huà)出晶胞中與所給三個(gè)方向整數(shù)所對(duì)應(yīng)的方向。指出晶

28、胞中所畫(huà)面的密勒指數(shù)。知道為什么體心立方結(jié)構(gòu)和六方密堆積結(jié)構(gòu)是最緊密堆積結(jié)構(gòu)；知道氯化鈉晶體的陰離子最緊密堆積結(jié)構(gòu)。區(qū)別單晶和多晶材料。明確材料性能的各向同性和各向異性。Cation: 陽(yáng)離子coordination number:配位數(shù)crystal structure: 晶體結(jié)構(gòu)crystal system: 晶系crystalline: 晶體的diffraction:衍射face-centered cubic (FCC): 面心立方結(jié)構(gòu)V2 =a23= （4/3 R2） 3=64/9 3 R23面心立方和體心立方晶體的密度分別為： 1=n1/ V1； 2=n2/ V2已知晶型轉(zhuǎn)變時(shí)體積不

29、變，也即密度不變。則 1=2n1 /V1= n 2 / V2式中面心立方結(jié)構(gòu)n1 =4，體心立方結(jié)構(gòu)n2 =2，因此42162R 136433R231923RR1 0.972R 128 3例 4. Al 2O3 的密度為 3.8Mg/m 3（ 3.8g/cm3）。（1）1mm3 中存在多少原子？（2）1g 中有多少原子？（已知Ar （ Al ） =26.98, Ar （O）=16）解：（1） Al2O3 的相對(duì)分子質(zhì)量為Mr （ Al2O3 ）=26.98 ×2+16×3=101.963. 8 103101. 96 ×6.02 ×1023×5=

30、1.12 ×1020 個(gè) /mm31（ 2） 3.8 10 3 mm3/g×1.12 ×1020 個(gè) /mm3=2.95 ×1022 個(gè) /g例 5. 氧化鎂（ MgO）與氯化鈉（ Nacl ）具有相同的結(jié)構(gòu)。已知Mg的離子半徑 RMg+2=0.066nm，氧的離子半徑 RO -2=0.140nm。（ 1）試求氧化鎂的晶格常數(shù)？（ 2）試求氧化鎂的密度？解：氧化鎂是一個(gè)離子化合物。因此，計(jì)算時(shí)必須使用離子半徑而不能使用原子半徑。（ 1） 氯化鈉的晶體結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。由圖可知，氧化鎂的晶格常數(shù)a=2（RMg+2+R O-2 ）=2 （0.066+0

31、.140 ）=0.412nm（ 2）每一個(gè)單位晶胞中含有4 個(gè) Mg +2 及 4 個(gè) O-2 ；1mol的 Mg +2 具有 24.31g的質(zhì)量， 1mol 的 O-2 具有16.00g 的質(zhì)量密度4424.31g16 .00g6.0210236 .0210 23a 34 24.31g16.00g3.83g / cm30.412 10 7 cm36.021023例 6.（1）在固態(tài)鉭（ Ta）里， 1mm3 中有多少原子？（ 2）試求其原子的堆積密度為多少？（ 3）它是立方體的，試確定其晶體結(jié)構(gòu)為多少？（原子序數(shù)為 73；相對(duì)原子質(zhì)量為 180.95；原子半徑為 0.1429nm；離子半徑為

32、 0.068nm ；密度為 16.6mg/m3）解：（1）16.6 10 3 g / mm3=5.52×1019 個(gè) /mm3180.95g / 6.02 1023 個(gè)（ 2）原子的堆積密度 APF= 4（ 0.1429× 10-6 ）33×5.52 × 1019 =0.675（ 3）因 APF 0.68，所以其晶體結(jié)構(gòu)為 bcc。例 7. 鉆石（圖 2-1）的晶格常數(shù) a=0.357nm，當(dāng)其轉(zhuǎn)換成石墨（ =2.25Mg/m 3，或 2.25g/cm3 ）時(shí)，試求其體積改變的百分?jǐn)?shù)？解： 從圖 2-1可知，每單位晶胞中共有8 個(gè)碳原子。A=0.357n

33、m ， 1mol 的 C 具有質(zhì)量12g，鉆石的密度=8 12g=3.505g/cm 3310230.357 10 7 cm 6.02對(duì)于 1g碳，鉆石的體積V 1=13.505g / cm3=0.285cm 3/g石墨的體積V 2=13=0.444cm 3/g圖 2-1 鉆石型結(jié)構(gòu)2. 25g / cm 3故膨脹百分率 = V2 V10. 444 0.285 =56%V 20.285例 8. bcc 鐵的單位晶胞體積，在 912時(shí)是 0.02464nm3；fcc鐵在相同溫度時(shí)其單位晶胞的體積是 0.0486nm3 。當(dāng)鐵由 bcc 轉(zhuǎn)變成 fcc 時(shí)，其密度改變的百分比為多少？解： 鐵的相對(duì)

34、原子質(zhì)量為55.85。bcc55.85g / 6.0210232 =7.53g/cm 3=10 21 cm30.02464f cc = 55.85g / 6.0210 234 =7.636g/cm 30.048610 21 cm37. 636 7.53 100% 1.4%7.53例 9. 畫(huà)出立方晶系中下列晶面和晶向： （ 010），（ 011），（ 111），（ 231），（ 321）； 010 ， 011 ，111， 231 ， 3 2 1。圖 2-2 立方晶系中的一些晶面和晶相解：如圖 2-2（a）所示。 AHED 為（ 010），AHFC 為（ 011）， BHF 為（ 111）。如圖

35、 2-2（b）所示。 KLF 為（ 231 ）， FIJ 為（ 3 21 ），OB為011 。如圖 2-2（ c）所示。 GH 為 010 ， GD 為111。如圖 2-2（ d）所示。 OM 為3 21 ，ON 為231 。例 10. 在一個(gè)立方晶胞中確定 6 個(gè)表面面心位置的坐標(biāo)。6 個(gè)面心構(gòu)成一個(gè)正八面體，指出這個(gè)八面體各個(gè)表面的晶面指數(shù)、各個(gè)棱邊和對(duì)角線的晶向指數(shù)。圖 2-3 八面體中的晶面和晶相指數(shù)解：八面體中的晶面和晶向指數(shù)如圖2-3 所示。圖 2-3 中 A ，B ，C，D，E ，F(xiàn) 為立方晶胞中 6 個(gè)表面的面心，由它們構(gòu)成的正八面體其表面和棱邊兩兩互相平行。ABF 面平行 C

36、DE 面，其晶面指數(shù)為（1 1 1）； ABE 面平行 CDF 面，其晶面指數(shù)為（ 1 11）； ADF 面平行 BCF 面，其晶面指數(shù)為（ 11 1 ）。ADE 面平行 BCF 面，其晶面指數(shù)為（ 111）。棱邊AB / DC ,AD / BC ,BF / ED, AF / EC,EA / CF,EB / DF，其晶向指數(shù)分別為 110 ， 1 10 ， 1 01，011 ，0 1 1 ，101 。對(duì)角線分別為 DB, AC,EF,其晶向指數(shù)分別為 100 ，010 ，1 。例 11 在六方晶體中，（ 1）繪出以下常見(jiàn)晶面： （ 1120 ），（ 011 0 ），（ 101 2），（ 11

37、00），（ 1012 ）；（ 2）求出圖 2-5 中所示晶向的晶向指數(shù)。5圖 2-4 六方晶體中常見(jiàn)晶面圖 2-5晶向解：（1）六方晶體中常見(jiàn)晶面如圖2-4 所示。（ 2）圖 2-5 中， OA 晶向的確定：在三軸制中，其晶向?yàn)?011 ；在四軸制中，其指數(shù)的確定有兩種方法：1） 根據(jù) M-B 指數(shù)法，在四個(gè)晶軸的投影分別為- 1/2，1，- 1/2， 1；將前三個(gè)數(shù)值乘以 2/3，得 - 1/3， 2/3，- 1/3；再與第四個(gè)數(shù)一起化為簡(jiǎn)單整數(shù)，即得 1 2 1 3。2） 根據(jù)矢量作圖法，選擇適當(dāng)路線，依次移動(dòng)，最后達(dá)到欲標(biāo)定方向上的某一點(diǎn)。將沿各方向移動(dòng)距離化為最小整數(shù)即可（當(dāng)然應(yīng)使 a

38、3=- （ a1+ a2 ）。該圖中，若沿四個(gè)晶軸依次移動(dòng)的距離為 - 1/3，2/3，- 1/3，1。將其化為最小整數(shù)，即得 1 2 1 3。例 12 在面心立方和體心立方中，最密排的平面的米氏符號(hào)是什么？解： 在面心立方堆積中，由（ 100 ），（ 010）和（ 001）三個(gè)面的對(duì)角線所構(gòu)成的平面是最密排的面。因此，它的米氏符號(hào)為（ 111）。在體心立方堆積中，由（001）面的對(duì)角線和c 軸構(gòu)成的平面是最密排的面。因此，它的米氏符號(hào)為（110）。例 13 有一個(gè) AB 型面心立方結(jié)構(gòu)的晶格，密度為8.94g/cm3，計(jì)算其晶胞常數(shù)及原子間距。解：設(shè)該晶體的原子相對(duì)質(zhì)量為M ，晶胞體積為V

39、。在面心立方緊密堆積晶胞中，原子數(shù)為n=4 。據(jù)此可求得晶胞體積：V= nM4 M=743M （ nm3）N 06.0210 238.94晶胞參數(shù)：a0= 3V= 3 743M =9.06M 1/3（nm）在面心立方密堆中原子半徑與晶格參數(shù)之間有如下關(guān)系：a0=2 2R式中 R 為原子半徑。設(shè)原子間距為 d=2R則d=2（ a0）=6.4M 1/3（nm）223.25Two characteristics of the component ions in crystallineceramic materials influence the crystal structure: the magn

40、itude of the electrical charge on each of the component ions, and the relative sizes of the cations and anions.3.384, So, there are 4 Cd2+ and S2- ions in per unit cell.3.41 1,so, it is a cesium chloride crystal structure ,for only this structure includes only one formula unit in per unit.3.42take u

41、p space.APF=0.6513.44APF=0.7963.450.693.46 There are three primary polymorphiccrystalline forms ofsilica:quartz,cristobalite,andtridymite.Theirstructuresarerelatively complicated, and comparatively open ;that is ,the atoms are not closely packed together. As a consequence, these crystalline silicas

42、have relatively low densities.3.47109.47 °3.66(a) the stacking sequence for the zinc blende is FCC,because the centers of the third plane are situated over the C sites of the first plane. This yields an ABCABC stacking sequence; that is, the atomic alignment repeats every third plane.(b)(c) 1/2

43、第四章 聚合物結(jié)構(gòu)一、學(xué)習(xí)目的許多的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的特征影響聚合物材料的性質(zhì)和行為特點(diǎn)。這些特點(diǎn)表現(xiàn)為如下己方面：1、聚合物的結(jié)晶度關(guān)系到密度、硬度、強(qiáng)度、塑性。2、聚合物的膠聯(lián)度關(guān)系到橡膠類材料的硬度。3、聚合物的化學(xué)特性關(guān)系到其熔化和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。二、本章的主要內(nèi)容1、根據(jù)聚合物的鏈的結(jié)構(gòu)能夠描述典型的聚合物分子，以及由重復(fù)的鏈節(jié)產(chǎn)生怎樣的分子。2、畫(huà)出聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和聚苯乙烯的鏈節(jié)結(jié)構(gòu)。3、計(jì)算聚合物的數(shù)量和重量平均分子量以及數(shù)量和重量平均聚合度4、命名和簡(jiǎn)要說(shuō)明三、重要術(shù)語(yǔ)和概念covalent bonds: 共價(jià)鍵hydrogen bonds: 氫鍵van der W

44、aals bonds: 范德華鍵（分子鍵）Hydrocarbons: 烴: 由碳和氫組成的物質(zhì)methane (CH4) 甲烷Ethylene C2H4乙烯acetylene, C2H2 乙炔Unsaturated Hydrocarbons: 不飽和烴Saturated Hydrocarbons: 飽和烴Paraffin: 石蠟Macromolecule:高分子Isomerism: 同質(zhì)異構(gòu)Mer:鏈節(jié) :組成聚合物鏈重復(fù)單位的原子集合。(a) 聚合物四種通常的分子結(jié)構(gòu)(b) 三種類型立構(gòu)(c) 兩種幾何異構(gòu)體(d) 四種共聚物5、敘述熱固性和熱塑性聚合物的分子和表現(xiàn)行為上的區(qū)別。6、簡(jiǎn)要描述

45、聚合物材料的晶體結(jié)構(gòu)7、簡(jiǎn)要描述或表述半晶體聚合物的球粒狀結(jié)構(gòu)Polymer: 聚合物，由小重復(fù)單元（鏈節(jié)）組成的具有高分子量的固體非金屬（通常是有機(jī)物）物質(zhì)。Monomer: 單體 : 由一個(gè)簡(jiǎn)單鏈節(jié)組成的分子。Polyethylene: (PE) 聚乙烯(PTFE): 聚四氟乙烯Polyvinyl chloride (PVC):聚氯乙烯Polypropylene (PP): 聚丙烯Polystyrene(PS): 聚苯乙烯Polymethyl methacrylate (PMMA):聚甲基丙烯酸酯Phenol-formaldehyde (Kakelite):酚醛樹(shù)脂（電木）Polyhexa

46、methylene adipamide(nylon 6,6):尼龍 66Polyethylene terephthalate (PET, a polyester): 聚乙烯對(duì)苯二酸酯6Polycarbonate: 聚碳酸酯Homopolymer( 均聚物 ): 由相同鏈節(jié)組成的鏈狀聚合物。Copolymer( 共聚物 ): 由兩種或多種不同鏈節(jié)組成分子鏈的聚合物。Bifunctional( 二功能的 ): 對(duì)于單體單元具有兩個(gè)懸空鍵，可以形成二維鏈狀分子結(jié)構(gòu)。Trifunctional mer( 三功能的 ):鏈節(jié)單位具有三個(gè)懸空鍵。Molecular Weight:分子量The number

47、-average molecular weight:數(shù)均分子量式中： Mi: 分子量在某范圍內(nèi)的平均分子量。 xi= 在相應(yīng)范圍內(nèi)分子鏈數(shù)占總數(shù)的分?jǐn)?shù)。weight-average molecular weight:質(zhì)(重) 均分子量式中： Mi:一定范圍內(nèi)的分子量xi:具有相同間隔分子量范圍，各范圍的重量分?jǐn)?shù)。Degree of polymerization (n):聚合度 (n)四、主要例題、習(xí)題的分析1.例題 4.1聚氯乙烯分子量的分布見(jiàn)書(shū)中圖 4.3，求 (a)數(shù)均分子量 (b) 數(shù)均聚合度 (c)質(zhì)均分子量。解：有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)書(shū)中表4.4a(a) 由 M nxi Mi=21150 g/m

48、ol(b) 聚氯乙烯鏈節(jié)中原子 C, H 和 Cl 的原子量分別為12.01, 1.01 和 35.45 g/mol所以 m = 2(12.01 g/mol) + 3(1.01 g/mol) + 35.45 g/mol = 62.50 g/mol(c) 由書(shū)中圖 4.3b 得M wwi M i =23200g/mol2、習(xí)題 4.4聚丙烯的數(shù)均分子量為1,000,000 g/mol. 計(jì)算其數(shù)量平均聚合度。解：聚丙烯鏈節(jié)的分子量為：m = 3(A C) + 6(A H) = (3)(12 .01 g/mol) + (6)(1 .008 g/mol) = 42.08 g/mol則數(shù)量聚合度nnM

49、 n10 6 g / mol23700m42.08g / mol3、習(xí)題 4.6聚丙烯分子量數(shù)據(jù)見(jiàn)書(shū)中習(xí)題4.6，計(jì)算 (a)數(shù)均分子量 (b)質(zhì)均分子量(c)數(shù)均聚合度(d)質(zhì)均聚合度解：(a) 從數(shù)據(jù)表我們可以計(jì)算數(shù)量平均分子量M n ,數(shù)量平均重量如下分子量范圍平均 MixixiM i8,00016,00012,0000.0560016,00024,00020,0000.16320024,00032,00028,0000.24672032,00040,00036,0000.2810,08040,00048,00044,0000.20880048,00056,00052,0000.073640M n21150 g / mol3387nn62.50