第一章機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第一章機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1第1頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的基本概念材料是指人類(lèi)社會(huì)能接受地，經(jīng)濟(jì)地制造有用物品的物質(zhì)。材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當(dāng)今世界的帶頭學(xué)科之一。納米材料科學(xué)與技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，成為21世紀(jì)新技術(shù)的主導(dǎo)中心。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。1nm=1/106μm材料科學(xué)基礎(chǔ)是進(jìn)行材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷材料、高分子材料）的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和宏觀(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用于指導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學(xué)和材料工程的基礎(chǔ)理論。2第2頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3第3頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TiO2nanotubes

(a)(b)(c)(d)CaTiO34第4頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TiO2nanotubes

光催化光電化學(xué)，儲(chǔ)氫，氫敏傳感器太陽(yáng)能電池5第5頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Carbonbelt力學(xué)性能好，儲(chǔ)氫、電子器件、電池等領(lǐng)域都有很好的發(fā)展。6第6頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的地位人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史階段常常用當(dāng)時(shí)主要使用的材料來(lái)劃分。從古代到現(xiàn)在人類(lèi)使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個(gè)時(shí)代，各時(shí)代的開(kāi)始時(shí)間：

石器時(shí)代（公元前10萬(wàn)年）青銅器時(shí)代（公元前3000年）鐵器時(shí)代（公元前1000年）水泥時(shí)代（公元0年）鋼時(shí)代（1800年）硅時(shí)代（1950年）新材料時(shí)代（1990年）7第7頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料科學(xué)基礎(chǔ)是研究材料的成分、結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系及其變化規(guī)律的一門(mén)應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的意義8第8頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法本課程特點(diǎn)：概念術(shù)語(yǔ)多，原理規(guī)律多，理論性強(qiáng)。相關(guān)學(xué)科多（物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)、礦物學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)以及高分子學(xué)等）學(xué)習(xí)方法：作為一門(mén)應(yīng)用學(xué)科，基礎(chǔ)理論和基本概念要掌握，注意重點(diǎn)，做好筆記；理論聯(lián)系實(shí)踐，善于歸納總結(jié)；獨(dú)立完成作業(yè)。9第9頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月課程安排性質(zhì)：必修課，專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時(shí)：60學(xué)時(shí)考核成績(jī)：平時(shí)成績(jī)20%+閉卷考試成績(jī)80%10第10頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合11第11頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月重點(diǎn)與難點(diǎn)1、描述原子中電子的空間位置和能量的4個(gè)量子數(shù)。2、核外電子排布遵循的原則。3、元素性質(zhì)、原子結(jié)構(gòu)和該元素在周期表中的位置三者之間的關(guān)系。4、原子間結(jié)合鍵分類(lèi)及其特點(diǎn)。12第12頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、物質(zhì)的組成—分子、原子、離子1、分子：能單獨(dú)存在，且保持物質(zhì)化學(xué)特性的一種微粒。2、原子：化學(xué)變化中的最小微粒，是組成分子和物質(zhì)的基本單元。

注意—原子不是物質(zhì)的最小微粒。物質(zhì)的最小微粒：夸克（quarks）二、原子的結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)：原子核（質(zhì)子+中子）+核外電子2、特點(diǎn)：（1）電中性，質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)；（2）體積小；（3）質(zhì)量主要集中在原子核內(nèi)?！?.1原子結(jié)構(gòu)原子核：位于原子中心、帶正電質(zhì)子：正電荷m=1.6726×10-27kg中子：電中性m=1.6748×10-27kg電子：核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電，按能量高低排列，m=9.1095×10-31kg，約為質(zhì)子的1/1836。（視頻）13第13頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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Rutherford原子有核模型M.Plank和A.Einstein量子論原子結(jié)構(gòu)的量子理論三、原子的電子結(jié)構(gòu)（重點(diǎn)掌握）在材料科學(xué)中，最關(guān)心的是原子的電子結(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(lèi)：金屬陶瓷高分子材料性能：物理化學(xué)力學(xué)14第14頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子云:用統(tǒng)計(jì)的方法判斷電子在核外空間某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率的大小。(視頻)電子云量子殼層1、原子中的一個(gè)電子的空間位置和能量可用四個(gè)量子數(shù)確定。（1）主量子數(shù)n—決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層。n=1，2，3，4……；依次命名為K、L、M、N殼層。15第15頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）軌道角動(dòng)量量子數(shù)li—給出電子在同一量子殼層所處的能級(jí)（電子亞層）取值為0，1，2，…，n-1。例：若n=2，則有兩個(gè)軌道角動(dòng)量量子數(shù)l2=0和l2=1。說(shuō)明：L殼層中，根據(jù)電子能量的差別，還包含兩個(gè)電子亞層。說(shuō)明：在同一量子殼層中，亞層電子的能量是按s,p,d,f,g的次序遞增。記住規(guī)定16第16頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）自旋角動(dòng)量量子數(shù)si—反映電子不同的自旋方向，規(guī)定：si為和，反映電子順時(shí)針和逆時(shí)針兩種自旋方向，用“↑”和“↓”。（3）磁量子數(shù)mi—給出每個(gè)軌道角動(dòng)量量子數(shù)的能級(jí)數(shù)或軌道數(shù)。每個(gè)li下的磁量子數(shù)為2li+1。規(guī)定17第17頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主量子數(shù)n1234KLMN角動(dòng)量量子數(shù)l=n-1sspspdspdf磁量子數(shù)m=2l+11357自旋角動(dòng)量量子數(shù)s總結(jié)亞層（能級(jí)）主層電子云的空間取向反應(yīng)電子不同的自旋方向18第18頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核外電子的排布規(guī)律2、核外電子的排布規(guī)律遵循的原則：

主量子數(shù)為n的殼層，最多容納2n2個(gè)電子（3）洪德（Hund）定則：①在同一亞層中的各個(gè)能級(jí)中，電子的排布盡可能分占不同的能級(jí)，而且自旋方向相同；②當(dāng)電子排布為全充滿(mǎn)、半充滿(mǎn)或全空時(shí)，整個(gè)原子的能量最低。舉例：碳、氮、氧三元素原子的電子層排布。（1）能量最低原理：電子排布總是盡可能使體系的能量最低，電子總是先占據(jù)能量最低的殼層，排滿(mǎn)后再進(jìn)入下一殼層K→L→M→N；同一電子層，電子按照s→p→d→f→g（2）泡利不相容原理：在一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子。1s22s22p21s22s22p31s22s22p419第19頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月需注意的問(wèn)題

當(dāng)原子序數(shù)較大時(shí)，電子排列并不總是按照規(guī)則依次排列的，d和f能級(jí)開(kāi)始被填充時(shí)，相鄰殼層的能級(jí)有重疊現(xiàn)象。舉例：①原子序數(shù)為26的鐵原子

1s22s22p63s23p63d64s2

②寫(xiě)出原子數(shù)為32、62的原子的電子排布1s22s22p63s23p64s23d104p21s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f6③寫(xiě)出原子數(shù)為24、29的原子的電子排布

7s7p7d6s6p6d6f5s5p5d5f4s4p4d4f3s3p3d2s2p1s

1s22s22p63s23p63d81s22s22p63s23p63d54s11s22s22p63s23p63d104s120第20頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、元素周期表1、基本概念回顧★元素：具有相同核電荷數(shù)的同一類(lèi)原子的總稱(chēng)?！镌刂芷诼桑涸氐耐鈱与娮咏Y(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)（核中帶正電荷的質(zhì)子數(shù)）的遞增而呈周期性的變化的規(guī)律?！锿凰?具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的同一元素的原子。質(zhì)量不同、化學(xué)性質(zhì)相同。21第21頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、說(shuō)明（1）7個(gè)橫行周期按原子序數(shù)遞增的順序從左至右排列；（2）18個(gè)縱行16族，7個(gè)主族、7個(gè)副族、1個(gè)Ⅷ族、1個(gè)零族，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。原子序數(shù)＝核電荷數(shù)周期序數(shù)＝電子殼層數(shù)主族序數(shù)＝最外層電子數(shù)（價(jià)電子數(shù)）零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為2）

22第22頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、特點(diǎn)：（1）同一周期元素：核外電子層數(shù)相同，從左到右，金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)。（2）同一主族元素：從上到下電子層數(shù)增多，金屬性逐漸增強(qiáng)，非金屬性逐漸減弱。（3）價(jià)電子數(shù)：惰性元素、堿金屬、過(guò)渡族金屬23第23頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月※1.2原子間的鍵合結(jié)合鍵

物理鍵（Physicalbonding）

化學(xué)鍵（Chemicalbonding）

氫鍵（Hydrogenbonding）金屬鍵（Metallicbonding）離子鍵（Ionicbonding）共價(jià)鍵（Covalentbonding）主價(jià)鍵Primaryatomicbonding→次價(jià)鍵

Secondaryatomicbonding24第24頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、金屬鍵1、定義：金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成的鍵。2、典型金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子，形成電子云。3、金屬鍵特點(diǎn)：（1）電子共有化；（2）無(wú)飽和性、無(wú)方向性；（3）形成低能量密堆結(jié)構(gòu)。金屬鍵4、性能：良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，良好的延展性。（視頻）25第25頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

金屬變形時(shí)，由金屬鍵結(jié)合的原子可變換相對(duì)位置，因而金屬具有良好的延性。將電壓作用于金屬時(shí)，電子云中的電子很容易運(yùn)動(dòng)并傳送電流。26第26頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、離子鍵（多數(shù)鹽類(lèi)、堿類(lèi)和金屬氧化物）1、結(jié)合實(shí)質(zhì)2、特點(diǎn)：（1）以離子而不是原子為結(jié)合單位；（2）正負(fù)離子相間排列，異號(hào)離子間吸引力最大，同號(hào)離子間吸引力最小；（3）無(wú)方向性、無(wú)飽和性。離子鍵金屬原子失電子→帶正電的正離子非金屬原子得電子→帶負(fù)電的負(fù)離子靜電引力結(jié)合離子鍵3、性能：（1）熔點(diǎn)高；（2）質(zhì)硬且脆；（3）導(dǎo)電性差。（視頻）27第27頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料1、實(shí)質(zhì)：由兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子間通過(guò)共用電子對(duì)而形成的化學(xué)鍵。2、分類(lèi)：（1）極性鍵—共用原子對(duì)偏于某成鍵原子。（2）非極性鍵—共用原子位于兩成鍵原子中間。3、特點(diǎn)：（1）具有方向性（s層除外）；（2）具有飽和性；（3）配位數(shù)較小，結(jié)合極為牢固。共價(jià)鍵三、共價(jià)鍵28第28頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、范德華力1、實(shí)質(zhì)：由于近鄰原子的相互作用引起電荷位移而形成偶極子，借助這種微弱的、瞬時(shí)的電偶極矩的感應(yīng)作用，將原來(lái)具有穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)的原子或分子結(jié)合為一體的鍵合。2、靜電力、誘導(dǎo)力、色散力3、特點(diǎn)：（1）無(wú)方向性和飽和性；（2）結(jié)合力弱物理鍵，存在于分子之間，比化學(xué)鍵小1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)不如化學(xué)鍵結(jié)合牢固。水變成水蒸氣破壞范德華力舉例高分子？思考29第29頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、氫鍵（極性分子鍵）1、實(shí)質(zhì)：氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價(jià)鍵結(jié)合），裸露的帶正電荷的原子核將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引——?dú)錁?、特點(diǎn)：（1）具有方向性和飽和性；（2）鍵能介于化學(xué)鍵和范德瓦耳斯力之間。氫鍵：纖維素、尼龍、蛋白質(zhì)30第30頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3高分子鏈鏈結(jié)構(gòu)高分子的結(jié)構(gòu)

鏈結(jié)構(gòu)

Chain

Structure

聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

Structure

of

Aggregation

State

近程結(jié)構(gòu)：一級(jí)結(jié)構(gòu)，屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，

包括構(gòu)造，構(gòu)型

。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)：二級(jí)結(jié)構(gòu)，分子量，形態(tài)，

柔順性，構(gòu)象等。31第31頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

│1.碳鏈高分子聚乙烯─

H

C

│

H

H│

C│

H主鏈以C原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)

加聚反應(yīng)制得如

PE，PVC，PP，PMMA2.雜鏈高分子滌綸OC

──

O

───

O

O─

C

│H│

C│HH│

C│

H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

近程結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成32第32頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(wú)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，如硅橡膠等。4.無(wú)機(jī)高分子二硫化硅聚二氯—氮化磷─

O

CH3

│

Si

│

CH3\/\//SSSSiSi

/SS

\SCl

\Cl

N

N│

P│

P─│Cl│Cl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(lèi)元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解。33第33頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式1.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序單烯類(lèi)單體中

除乙烯分子是完全對(duì)稱(chēng)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(chēng)取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭—頭ClClCl─

CH2─

CH2─

CH

│─

CH

│─

CH

│ClCl─

CH2─

CH2─

CH2─

CH

│─

CH

│尾—尾ClCl─

CH2─

CH2─

CH2─

CH

│─

CH

│頭—尾雙烯類(lèi)高聚物中，則更復(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開(kāi)啟位置而不同

34第34頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.共聚物的序列結(jié)構(gòu)

按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為無(wú)規(guī)共聚物

Random

copolymer交替共聚物

Alternating

copolymer嵌段共聚物

Block

copolymer接枝共聚物

Graft

copolymer35第35頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（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(xiàn)性高分子

(Linearpolymers):

加熱后變軟，甚至流動(dòng)，可反復(fù)加工---熱塑性塑料(Themalplastic)。支化高分子(Branched

polymers):交聯(lián)高分子(Crosslinked

polymers):

線(xiàn)性天然橡膠用S交聯(lián)后變強(qiáng)韌耐磨。體型(立體網(wǎng)狀)高分子(Networkon

3-dimentional

polymers):36第36頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鏈的構(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(guò)化學(xué)鍵斷裂才行。四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecular

configurations）37第37頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月旋光異構(gòu)體（Optical

isomerism）由烯烴單體合成的高聚物CH2─

CHRn在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對(duì)稱(chēng)C原子，存在兩種旋光異構(gòu)單元，有三種排列方式:間同立構(gòu)：R取代基交替地處在主鏈平面兩側(cè)，

即旋光立構(gòu)單元交替。全同立構(gòu)：R取代基在主鏈平面一邊，即全部由

一種旋光立構(gòu)體。無(wú)規(guī)立構(gòu)：R取代基在主鏈平面兩側(cè)不規(guī)則排列。

38第38頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月順?lè)唇惶嫒?/p>