材料科學(xué)基礎(chǔ)第1章

材料科學(xué)基礎(chǔ)TheFundamentals(Elements,Principles)ofMaterialsScienceAnIntroductiontoMaterialsScience陳曉閩華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院緒論

Introduction材料(Materials)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料無處不在，無處不有什么是材料？什么樣的材料值得關(guān)注？先來看看材料的發(fā)展歷史……1什么是材料？一、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的基本概念材料發(fā)展史結(jié)論一方面，材料是人類生存和生活必不可缺少的部分，是人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是直接推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力。另一方面，隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及自然資源和能源的逐漸減少，人們所關(guān)注的、所使用的材料種類也在發(fā)生著變化……人類社會(huì)所能夠接受的經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)。因此材料的定義可以發(fā)展為：鋁合金的比強(qiáng)度為2.64×106cm，這對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來說是幾千年來的一個(gè)飛躍。鋁曾經(jīng)比金銀還要珍貴……技術(shù)的進(jìn)步讓鋁走出了首飾店……鋁業(yè)公司的生意是從一把鋁壺開始的……鋁合金的出現(xiàn)，打開了鋁的應(yīng)用市場(chǎng)，大大拓寬了鋁的用途……高比強(qiáng)鋁合金給20世紀(jì)的“新”材料帶來了第一個(gè)突破一個(gè)例子友情提示長(zhǎng)期以來人們一直認(rèn)為鋁是無毒的，因此用起來很放心。但是醫(yī)學(xué)家經(jīng)過長(zhǎng)期研究后發(fā)現(xiàn)，人體攝入過量的鋁也會(huì)帶來危害。由于鋁制品的大量使用，特別是鋁制品盛放咸的、酸性的或堿性的食物時(shí)，其表面的保護(hù)膜就會(huì)遭到破壞，氧化鋁就會(huì)被溶解，使人體攝入鋁的量增加，日積月累，對(duì)健康會(huì)產(chǎn)生影響。資源（充分利用、可持續(xù)發(fā)展等）能源（節(jié)能、循環(huán)利用）環(huán)保經(jīng)濟(jì)質(zhì)量一般來說，一種材料能否在一個(gè)時(shí)代引起人們關(guān)注、得到廣泛使用應(yīng)該從以下幾方面加以分析：新陳代謝這一生命規(guī)律在材料中也是同樣存在的。事實(shí)上，每種材料都有其生命曲線。一個(gè)新材料的誕生，從實(shí)驗(yàn)室研制出樣品到工業(yè)上的大規(guī)模實(shí)際使用，大概需要15~20年時(shí)間。衰退主要是由于社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致的。衰退出現(xiàn)發(fā)展成熟新材料傳統(tǒng)材料美國(guó)國(guó)防部1991年提出20項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，有5項(xiàng)以材料為主。2001年日本文部省發(fā)布的第七次技術(shù)預(yù)測(cè)研究報(bào)告中列出了影響未來的100項(xiàng)重要課題，一半以上為新材料或依賴于新材料發(fā)展的課題，而其中絕大部分均為功能材料。歐盟第六框架計(jì)劃和韓國(guó)的國(guó)家計(jì)劃等把功能材料技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一，加以重點(diǎn)支持。我國(guó)863高科技發(fā)展計(jì)劃，材料是7個(gè)重點(diǎn)之一，重大基礎(chǔ)研究攀登計(jì)劃的30個(gè)重大課題中有7個(gè)與材料直接有關(guān)。信息技術(shù)生物技術(shù)新型材料20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新技術(shù)革命的重要標(biāo)志：材料涉及的領(lǐng)域極為廣泛，舉凡國(guó)家的工農(nóng)業(yè)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)，人民生活水平的提高，無不與材料密切相關(guān)。所以材料的科學(xué)研究、新產(chǎn)品的開發(fā)、工業(yè)大生產(chǎn)與合理應(yīng)用都關(guān)系到社會(huì)進(jìn)步、國(guó)家安全，因此人們把材料譽(yù)為現(xiàn)代文明的三大支柱之一。摘自：師昌緒主編《材料大辭典》前言現(xiàn)代文明（科學(xué)技術(shù)發(fā)展）的三大支柱：80年代能源、新材料、信息90年代信息技術(shù)、新材料、生物技術(shù)新材料發(fā)展與應(yīng)用水平直接決定著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平。材料品種、數(shù)量、質(zhì)量是國(guó)家現(xiàn)代化程度標(biāo)志之一。材料科學(xué)與綜合國(guó)力密切相關(guān)。什么是材料科學(xué)呢？2什么是材料科學(xué)？材料科學(xué)“材料科學(xué)”主要研究對(duì)象是新材料，或者想方設(shè)法使傳統(tǒng)材料獲得新生。圖1材料科學(xué)與工程四要素材料科學(xué)的發(fā)展與研究手段的發(fā)展密不可分。圖1材料科學(xué)與工程四要素材料科學(xué)的核心問題是材料的組織結(jié)構(gòu)（structure）和性能（property）以及它們之間的關(guān)系。什么是材料結(jié)構(gòu)（MaterialStructure)

？材料結(jié)構(gòu)：是影響材料性能的基本因素，隨化學(xué)組成及外界條件改變。宏觀組織結(jié)構(gòu)顯微組織結(jié)構(gòu)原子或分子排列結(jié)構(gòu)原子中的電子結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)宏觀組織結(jié)構(gòu)是指人們用肉眼或放大鏡所能觀察到的晶?；蛳嗟募蠣顟B(tài)。顯微組織是指借助光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡觀察到的晶粒或相的集合狀態(tài)，金相顯微鏡(光學(xué)顯微鏡，有效放大倍率最大為1600倍，分辨極限率為2×10-7m)能夠觀察到金屬晶粒的形狀和大小，較粗大的夾雜物和雜質(zhì)粒子、晶界以及沿境界分布的雜質(zhì)薄膜等，但不能觀察到許多精細(xì)結(jié)構(gòu)，此時(shí)需要提高顯微鏡的分辨能力，電子顯微鏡是以電子束作為光源，分辨極限率可達(dá)3×10-9m。比之更細(xì)的層次是原子或分子排列結(jié)構(gòu)，尺度約為10-10m。更小的是電子結(jié)構(gòu)，即指原子中電子的分布規(guī)律，尺度約為10-13m.宏觀組織結(jié)構(gòu)：＞10-4m肉眼可見‘‘Macroscopic’’顯微組織結(jié)構(gòu)：10-4~10-9m顯微鏡觀察‘‘Microscopic’’原子或分子排列結(jié)構(gòu)：10-10mOrganizationofatomsormolecules原子中的電子結(jié)構(gòu)：10-13mSubatomicstructure3、什么是材料工程？4、什么是材料科學(xué)基礎(chǔ)？研究材料科學(xué)領(lǐng)域的普遍規(guī)律（強(qiáng)調(diào)共性，突出個(gè)性）材料科學(xué)家的工作？研究的途徑：一、做實(shí)驗(yàn)；二、總結(jié)生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)；三、通過材料基礎(chǔ)理論，從理論上預(yù)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)和性能。Whatdomaterialsscientistsstudy?二、材料的分類舉例說明三、本課程的主要內(nèi)容原子結(jié)構(gòu)與鍵合固體結(jié)構(gòu)晶體缺陷固態(tài)擴(kuò)散材料的形變與再結(jié)晶純晶體凝固二元相圖四、本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法決定材料性能的最根本的因素：組成材料的各元素原子結(jié)構(gòu)，原子間相互作用，相互結(jié)合，原子或分子在空間的排列分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及原子集合體的形貌特征。物質(zhì)由原子組成，而原子由原子核和電子組成。電子結(jié)構(gòu)決定了原子鍵合的本身。材料的微觀結(jié)構(gòu)

（MicrostructureofMaterials）

物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成；在材料科學(xué)中，最為關(guān)心原子的電子結(jié)構(gòu)；原子的電子結(jié)構(gòu)—原子間鍵合本質(zhì)；決定材料分類：金屬陶瓷高分子決定材料性能：物理化學(xué)力學(xué)第一章原子結(jié)構(gòu)和鍵合

AtomicStructureandInteratomicBonding1.1原子結(jié)構(gòu)（AtomicStructure）一、物質(zhì)的組成（SubstanceConstruction）物質(zhì)：由無數(shù)微粒（Particles）聚集而成；分子（Molecule）：?jiǎn)为?dú)存在、保存物質(zhì)化學(xué)特性；

體積：dH2O=0.2nm

質(zhì)量：M(H2)為2M(protein)為幾百萬(wàn)

原子（Atom）：化學(xué)變化中最小微粒。二、原子的結(jié)構(gòu)1879年：J.JThomson發(fā)現(xiàn)電子（electron),揭示了原子內(nèi)部秘密；1911年：E.Rutherford提出原子結(jié)構(gòu)有核模型；1913年：N.Bohr將玻爾原子模型Bohratomicmodel其主要觀點(diǎn)是：原子是由帶正電荷Z的原子核和Z個(gè)核外電子所組成；電子沿分立的滿足一定量子條件(角動(dòng)量L=nh/2π，n為正整數(shù)，h為普朗克常數(shù))的圓形軌道圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)，電子在這些軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子呈穩(wěn)定狀態(tài)而不輻射能量；當(dāng)原子從能量為En的狀態(tài)躍遷到能量為Em的狀態(tài)時(shí)，將發(fā)射或吸收具有一定頻率(v)的光子：hu=|En-Em|。在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上，玻爾不僅正確地導(dǎo)出了巴爾末公式，而且還預(yù)測(cè)到一些新的譜線系，這些線系后來分別在紫外和遠(yuǎn)紅外區(qū)中發(fā)現(xiàn)。描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantumnumbers）表示三、原子的電子結(jié)構(gòu)軌道角動(dòng)量量子數(shù)li核外電子的排布（electronconfiguration)規(guī)律四、元素周期表（自學(xué)）元素周期律的具體表現(xiàn)形式?！?.2原子間的鍵合Bondingtypewithotheratom）典型金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①由正離子排列成有序晶格；②各原子最(及次)外層電子釋放，在晶格中隨機(jī)、自由、無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，無方向性；③當(dāng)金屬正離子之間和電子云的間距達(dá)到某個(gè)值時(shí)，引力和斥力達(dá)到短暫平衡，組成穩(wěn)定的晶體。這時(shí)，金屬正離子在其平衡位置附近振動(dòng)。一、金屬鍵（Metallicbonding）價(jià)電子極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子即稱為電子云。通電后電子的運(yùn)動(dòng)具有方向性金屬鍵：金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵；特點(diǎn)：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)；性質(zhì)：延展性好，良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。二、離子鍵（Ionicbonding)

多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物鍵合的主要形式；實(shí)質(zhì)：金屬原子失去電子帶正電的正離子（Cation）；而非金屬原子得到電子帶負(fù)電的負(fù)離子（anion）；通過靜電引力相互結(jié)合。

以離子為結(jié)合單元特點(diǎn)：①以離子而不是以原子為結(jié)合單元；②離子鍵無方向性和飽和性；③正負(fù)離子相互吸引，構(gòu)成三維整體晶體結(jié)構(gòu)，具有較高的配位數(shù)；④在溶液中離解成離子。性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體，具有離子導(dǎo)電性。三、共價(jià)鍵（covalentbonding）

實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對(duì)而成。

兩個(gè)原子共享最外殼電子的鍵合。

共價(jià)鍵合

（CovalentBonding）特點(diǎn)：有方向性（s電子除外）和飽和性，配位數(shù)較小。性質(zhì)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料四、范德華力（Vanderwaalsbonding)特點(diǎn)：①無方向性和飽和性；②鍵能最小。屬物理鍵，系次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì)。

（原子間和分子間的吸引力）JohannesDiderikvanderWaals（1837-1923）TheNobelPrizeinPhysics1910

1910年因研究氣態(tài)和液態(tài)方程獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

A.靜電力(electrostatic)：

分子永久偶極間相互作用B.誘導(dǎo)力(induction)

:被誘導(dǎo)的偶極與永久偶極間作用

C.色散力(dispersiveforce）:非極性分子間瞬時(shí)偶極間的作用包括：、非極性分子產(chǎn)生瞬時(shí)偶極五、氫鍵（Hydrogenbonding）極性分子鍵；存在于HF、H2O、NH3中（分子內(nèi)都是通過極性共價(jià)鍵結(jié)合的，而分子間則是通過氫鍵連接的），在高分子中占重要地位。氫鍵：氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價(jià)鍵結(jié)合），裸露原子核將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引——?dú)錁?。特點(diǎn)：鍵能介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，有方向性和飽和性。氫鍵將相鄰的水分子連接起來，起著橋梁的作用——?dú)錁?。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)氫鍵可以存在于分子內(nèi)或分子間。值得注意：實(shí)際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不多見，大部分材料內(nèi)部原子間結(jié)合往往是各種鍵合的混合體。1、金屬材料中出現(xiàn)少量的共價(jià)鍵；2、金屬間化合物中出現(xiàn)金屬鍵和離子鍵混合的情況；3、陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵和共價(jià)鍵混合的情況。%ioniccharacter={1-exp[-(0.25)(XA

-XB)2]}×100whereXAandXBaretheelectronegativitiesfortherespectiveelements.試計(jì)算SiO2中離子鍵所占的比例是多少？1.3高分子鏈（HighpolymerChain)鏈結(jié)構(gòu)（ChainStructure)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（三次結(jié)構(gòu)）（Structureofaggregationstate)高分子結(jié)構(gòu)近程結(jié)構(gòu)：屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，又稱一次結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)：又稱二次結(jié)構(gòu)，是指單個(gè)高分子的大小、形態(tài)、柔順性、構(gòu)象。近程結(jié)構(gòu)包括：構(gòu)造和構(gòu)型②聚合反應(yīng)加聚反應(yīng)：添加引發(fā)劑通過共價(jià)鍵將單分子聚合(polyaddition)縮聚反應(yīng)：化學(xué)反應(yīng)，釋放出副產(chǎn)品(polycondersation)③聚合度：高分子鏈中重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目。①高分子鏈：由單體通過聚合反應(yīng)鏈接而成的鏈狀分子。近程結(jié)構(gòu)（short-rangeStructure)一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（theChemistryofmerunito)1.碳鏈高分子聚乙烯主鏈以C原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)，加聚反應(yīng)制得如：聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯等2.雜鏈高分子

滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價(jià)鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對(duì)苯二甲酸乙二脂（滌綸）、聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等3.元素有機(jī)高分子硅橡膠

主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側(cè)鏈則有機(jī)基團(tuán)，故兼有無機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠。主鏈既不含C原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解。4.無機(jī)高分子

聚二氯-氮化磷二硫化硅二、高分子鏈的幾何形態(tài)（structure）不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不能改變形狀—熱固性（thermosetting）

線性高分子（linearpolymers)：加熱后變軟，熔融，甚至流動(dòng)，可反復(fù)加工——熱塑性(thermoplastic)，能溶解在合適的溶劑中，支化高分子（branchedpolymers)：能溶解在合適的溶劑中，可熔融。交聯(lián)高分子（crosslinkedpolymer)：不溶不熔，耐磨性好——熱固性體型（立體網(wǎng)狀）高分子（networkonthree-dimensionalpolymer)官能度三、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bondingtape）1.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序單烯類單體中除乙烯分子是完全對(duì)稱的，其結(jié)構(gòu)單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對(duì)稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭—頭尾—尾頭—尾雙烯類高聚物中，則更復(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同如：聚丙烯腈2.共聚物的序列結(jié)構(gòu)（Copolymers）按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為高分子鏈一旦形成，鏈內(nèi)由共價(jià)鍵固定的各原子和原子團(tuán)的幾何排列即穩(wěn)定不變。若想改變鏈內(nèi)原子間的幾何排列，只有斷開共價(jià)鍵才行。四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecularconfigurations）鏈的構(gòu)型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過化學(xué)鍵斷裂才行。構(gòu)型：旋光異構(gòu)和幾何異構(gòu)A：旋光異構(gòu)（stereoisomerism）由烯烴單體合成的高聚物在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對(duì)稱C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元，有三種排列方式：高分子鏈的空間立構(gòu)性影響著高分子材料的性能。等規(guī)高分子：較高的結(jié)晶度和高熔點(diǎn)高強(qiáng)度，且不易溶解。間規(guī)高分子無規(guī)高分子排列規(guī)則緊密聚集易形成結(jié)晶強(qiáng)度高彈性差B、幾何異構(gòu)（Geometricalisomerism）

雙烯類單體定向聚合時(shí)，可得到有規(guī)立構(gòu)聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉(zhuǎn)，從而每一雙就可能有順式反式

兩種異構(gòu)體之分，對(duì)于大分子鏈而言就有稱為幾何異構(gòu)二甲基丁二烯

二甲基丁二烯

排列不規(guī)則，不易結(jié)晶，彈性較好結(jié)構(gòu)規(guī)整，容易結(jié)晶，彈性很差遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（Long-rangeStructure)一、高分子的大小（MolecularSize）高分子的相對(duì)分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性平均相對(duì)分子質(zhì)量例：10個(gè)分子量是100的分子和1個(gè)分子量是10的分子混合，求數(shù)均和重均分子量。重均分子量=100*1000/1010+10*10/1010=99.10

數(shù)均分子量=(100*10+10*1)/(10+1)=91.82相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)高分子性能的影響：隨著對(duì)分子質(zhì)量的增大，分子間的范德華力增大，強(qiáng)度增加，再漸趨于一極限值。相對(duì)分子質(zhì)量分布對(duì)加工和使用有很大影響：纖維、塑料：平均相對(duì)分子質(zhì)量較小，希望其相對(duì)分子質(zhì)量分布窄些。橡膠：平均相對(duì)分子質(zhì)量很大，使其分布變寬。二、高分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象主鏈以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長(zhǎng)d和鍵角θ，每個(gè)單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chaintwisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1(m為每個(gè)單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目)。高分子鏈構(gòu)象極多，瞬息萬(wàn)變。統(tǒng)計(jì)學(xué)角度，伸直（straight）構(gòu)象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構(gòu)象幾率極大。內(nèi)旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體：由單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的不同構(gòu)象的分子。內(nèi)旋轉(zhuǎn)需要消耗一定的能量。反式順式柔性與鏈段有關(guān)。鏈段與分子結(jié)構(gòu)、外界條件有關(guān)。三、影響高分子鏈柔性的主要因素（themaininfluencingfactorsonthemolecularflexibility）高分子鏈能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性（Flexibility）

主鏈結(jié)構(gòu)的影響：起決定性作用，C-O，C-N，Si-O內(nèi)旋的勢(shì)壘比C-C低，而使聚酯，聚酰胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好。取代基的影響：取代基的極性，數(shù)量，位置，體積均有影響。

交聯(lián)的影響：因交聯(lián)附近的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)受阻礙，交聯(lián)度大時(shí)，柔性↓↓