材料科學(xué)基礎(chǔ)課件

材料的微觀結(jié)構(gòu)（Microstructure

of

Materials）決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素：組成材料各元素原子結(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，運動規(guī)律，以及原子集合體的形貌特征第一章原子結(jié)構(gòu)和鍵合

Atomic

Structure

and

Interatomic

Bonding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 高分子材料性能：物

化 力學(xué)※1原子結(jié)構(gòu)（Atomic

Structure

）一、物質(zhì)的組成（Substance

Construction）物質(zhì)由無數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：單獨存在 保存物質(zhì)化學(xué)特性原子（Atom）：dH2O=0.2nm

M(H2)為2

M（protein）為百萬化學(xué)變化中最小微粒二、原子的結(jié)構(gòu)J.J

Thomson發(fā)現(xiàn)電子（electron),揭示了原子內(nèi)部秘密

E.Rutherford提出原子結(jié)構(gòu)有核模型1879年1911年1913年Bohr

atomic

modelN.Bohr將

M.Plank和A.Einstein量子論原子結(jié)構(gòu)的量子理論Rutherford

原子有核模型HAl原子（atom)-2r

=

3.7

·10

nmr

=

1.43

·10-1

nm-27（neutron）質(zhì)子（proton）：正電荷m＝1.6726×10-27

kg原子核（nucleus)：位于原子中心、帶正電中子

：電中性m＝1.6748×10

kg電子（electron）：核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負電，按能量高低排列，如電子云（electron

cloud）m＝9.1095·10-31kg，約為質(zhì)子的1/1836核外電子的排布（electron

configuration)規(guī)律ielectron

shelln

-1,

s，p，d，fshape

of

the

electron

subshellispatial

orientation

of

an

electron

cloud主量子數(shù)ni：決定原子中電子能量和核間距離，即量子殼層，取正整數(shù)K、L、M、N、O、P、Q軌道動量量子數(shù)l：與電子運動的角動量有關(guān)，取值為0，1，2，-1,

0,1,i

i

ii磁量子數(shù)m

：決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向，取值為-l，-(l

-1),l1自旋角動量量子數(shù)s

：表示電子自旋（spin

moment）的方向，取值為＋或-212描述原子中一個電子的空間和能量，可用四個量子數(shù)（quantumnumbers）表示全充滿全空自旋方向相同能量最低原理（Minimum

Energy

principle)電子總是占據(jù)能量最低的殼層1s

-

2s

-

2p

-

3s

-

3p

-

4s

-

3d

-

4p

-

5s

-

4d

-

5p

-Pauli不相容原理（Pauli

Exclusion

principle):

2n2Hund原則（Hund'Rule)半充滿三、元素周期表（periodic

Table

of

the

Elements)元素（Element）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)同位素（Isotope）：具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的原子元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（Free

State&

Combined

Form)7個橫行（Horizontalrows)周期（period）按原子序數(shù)（AtomicNumber)遞增的順序從左至右排列18個縱行（column）16族（Group），7個主族、7個副族、1個Ⅷ族、1個零族（InertGases）最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下排列。6

6

6C12，C13，C14原子序數(shù)＝核電荷數(shù)主族序數(shù)＝最

外

層

電

子

數(shù)周期序數(shù)＝電子殼層數(shù)零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為2）價電子數(shù)（Valence

electron）核電荷↑，原子半徑↓電離能↑，失電子能力↓，得電子能力↑電離能↓，失電子能力↑，得電子能力↓fi

右，金屬性↓，非金屬性↑同周期元素：左同主族元素：上最外層電子數(shù)相同，電子層數(shù)↑，原子半徑↑fi

下，金屬性↑，非金屬性↓※2原子間的鍵合(Bonding

type

with

other

atom)金屬鍵（Metallic

bonding）共價鍵（covalent

bonding）化學(xué)鍵（Chemical

bonding）離子鍵（Ionic

bonding） 主價鍵primary

interatomic

bonds物理鍵（physical

bonding),次價鍵(Secondary

bonding)，亦稱Van

der

Waals

bonding氫鍵（Hydrogen-bonding)介于化學(xué)鍵和范德華力之間一、金屬鍵（Metallic

bonding）典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價電子（valence

electron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Free

electron），形成電子云（electron

cloud）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：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)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好二、離子鍵（Ionic

bonding)多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物靜電引力離子鍵特點：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負離子相間排列， 且無方向性，無飽和性性質(zhì)：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體三、共價鍵（covalentbonding）亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無機非金屬材料實質(zhì)：由二個或多個電負性差不大的原子間通過共用電子對而成極性鍵(Polar

bonding):共用電子對偏于某成鍵原子非極性鍵（Nonpolar

bonding):位于兩成鍵原子中間特點：飽和性 配位數(shù)較小，方向性（s電子除外）性質(zhì)：熔點高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差實質(zhì)：金屬原子 帶正電的正離子（Cation）非金屬原子 帶負電的負離子（anion）e四、范德華力（Van

der

waals

bonding)近鄰原子相互作用→電荷位移→偶極子(dipoles）電偶極矩的感應(yīng)作用fi

范德華力包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力

(dispersiveforce)屬物理鍵，系次價鍵，不如化學(xué)鍵強大，但能很大程度改變材料性質(zhì)五、氫鍵（Hydrogen

bonding）極性分子鍵存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價鍵結(jié)合），裸露原子核將與近鄰分子的負端相互吸引——氫橋介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性※3高分子鏈（High

polymer

Chain)鏈結(jié)構(gòu)（Chain

Structure)高分子結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（Structure

of

aggregation

state)（ploycondensation)加聚反應(yīng)（polyaddition)添加引發(fā)劑通過共價鍵將單分子聚合單體—聚合反應(yīng)縮聚反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)，釋放出副產(chǎn)品近程結(jié)構(gòu)：一次結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)遠程結(jié)構(gòu)：二次結(jié)構(gòu)屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)分子量、形態(tài)、鏈的柔順性、構(gòu)象近程結(jié)構(gòu)（short-range

Structure)一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（the

Chemistry

of

merunito)1.碳鏈高分子聚乙烯

H

H│

│C

─

C│

│H

H主鏈以C原子間共價鍵相聯(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，聚丙烯雜鏈高分子

滌綸OC

─O

H

H

│

│—

C

─

O

─

C

─

C

─

O│

│

│H

H主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（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)鏈則有機基團，故兼有無機高分子和有機高分子的特性，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CH

3

CH3│Si

─

O│S

S

S4.無機高分子

\

/

\

/

二硫化硅Si

Si/

\

/

\S

S

SClCl││P│=N—P│=

N

聚二氯—氮化磷ClCl主鏈既不含C原子，也不含有機基團，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，并易水解二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bonding

tape）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，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭—頭—CH2—CH—CH│Cl—CH2│Cl—

CH│ClCH2—CH—CH2

─CH2—CH

─│Cl│Cl尾—尾——

CH2CH2—CH

─CH2—CH││ClCl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無規(guī)共聚物（Random

copolymer）交替共聚物（alteranting

copolymer）嵌段共聚物（block

copolymer）接枝共聚物（graft

copolymer）熱塑性（thermoplastic）線性高分子（linear

polymers）:加熱后變軟，甚至流動，可反復(fù)加工－支鏈高分子（branched

polymers）：交聯(lián)高分子（crosslinked

polymer）：線性天然橡膠用S交聯(lián)后變強韌耐磨三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（structure）體型（立體網(wǎng)狀）高分子（network

on

three-dimensional

polymer)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）四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecular

configurations）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)鍵斷裂才行旋光異構(gòu)體（stereoisomerism）由烯烴單體合成的高聚物

在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元，有三種排列方式即兩旋光異構(gòu)單元交替即全部由一種旋光異構(gòu)體間同立構(gòu)（syndisotactic

configurations):R取代基交替地處在主鏈平面兩側(cè)全同立構(gòu)（isotactic

configurations):R取代基全處在主鏈平面一邊，無規(guī)立構(gòu)（atactic

configurations):R取代基在主鏈平面兩側(cè)不規(guī)則排列CH2

─

CHR

n幾何異構(gòu)（Geometrical

isomerism）雙烯類單體定向聚合時，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（cis-structure)反式（trans-structure)順反無序順反交替3HCHH全順全反H││││—

C│—C＝C—C

─│HHHCH3H│││—

C│—

C＝

C│—C

─│HHH反式對于大分子鏈而言就有兩種異構(gòu)體之分，稱為幾何異構(gòu)順式二甲基丁二烯二甲基丁二烯遠程結(jié)構(gòu)（Long-range

Structure)一、高分子的大?。∕olecularSize）高分子的相對分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性平均相對分子質(zhì)量數(shù)均相對分子質(zhì)量Mn

=xi

Mi,xi

為分子數(shù)分?jǐn)?shù)number－average

molecular

weight重均相對分子質(zhì)量Mw＝

wi

Mi,wi

為質(zhì)量分?jǐn)?shù)weight

-

average

m