材料科学基础第1章

材料科学基础TheFundamentals(Elements,Principles)ofMaterialsScienceAnIntroductiontoMaterialsScience陈晓闽华侨大学材料科学与工程学院绪论

Introduction材料(Materials)是国民经济的物质基础。材料无处不在，无处不有什么是材料？什么样的材料值得关注？先来看看材料的发展历史……1什么是材料？一、《材料科学基础》的基本概念材料发展史结论一方面，材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会发展的动力。另一方面，随着社会的发展，科学技术的进步以及自然资源和能源的逐渐减少，人们所关注的、所使用的材料种类也在发生着变化……人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质。因此材料的定义可以发展为：铝合金的比强度为2.64×106cm，这对于结构材料来说是几千年来的一个飞跃。铝曾经比金银还要珍贵……技术的进步让铝走出了首饰店……铝业公司的生意是从一把铝壶开始的……铝合金的出现，打开了铝的应用市场，大大拓宽了铝的用途……高比强铝合金给20世纪的“新”材料带来了第一个突破一个例子友情提示长期以来人们一直认为铝是无毒的，因此用起来很放心。但是医学家经过长期研究后发现，人体摄入过量的铝也会带来危害。由于铝制品的大量使用，特别是铝制品盛放咸的、酸性的或碱性的食物时，其表面的保护膜就会遭到破坏，氧化铝就会被溶解，使人体摄入铝的量增加，日积月累，对健康会产生影响。资源（充分利用、可持续发展等）能源（节能、循环利用）环保经济质量一般来说，一种材料能否在一个时代引起人们关注、得到广泛使用应该从以下几方面加以分析：新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。事实上，每种材料都有其生命曲线。一个新材料的诞生，从实验室研制出样品到工业上的大规模实际使用，大概需要15~20年时间。衰退主要是由于社会发展和科学技术进步导致的。衰退出现发展成熟新材料传统材料美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项以材料为主。2001年日本文部省发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题，一半以上为新材料或依赖于新材料发展的课题，而其中绝大部分均为功能材料。欧盟第六框架计划和韩国的国家计划等把功能材料技术列为关键技术之一，加以重点支持。我国863高科技发展计划，材料是7个重点之一，重大基础研究攀登计划的30个重大课题中有7个与材料直接有关。信息技术生物技术新型材料20世纪80年代出现的新技术革命的重要标志：材料涉及的领域极为广泛，举凡国家的工农业建设和国防建设，人民生活水平的提高，无不与材料密切相关。所以材料的科学研究、新产品的开发、工业大生产与合理应用都关系到社会进步、国家安全，因此人们把材料誉为现代文明的三大支柱之一。摘自：师昌绪主编《材料大辞典》前言现代文明（科学技术发展）的三大支柱：80年代能源、新材料、信息90年代信息技术、新材料、生物技术新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。材料品种、数量、质量是国家现代化程度标志之一。材料科学与综合国力密切相关。什么是材料科学呢？2什么是材料科学？材料科学“材料科学”主要研究对象是新材料，或者想方设法使传统材料获得新生。图1材料科学与工程四要素材料科学的发展与研究手段的发展密不可分。图1材料科学与工程四要素材料科学的核心问题是材料的组织结构（structure）和性能（property）以及它们之间的关系。什么是材料结构（MaterialStructure)

？材料结构：是影响材料性能的基本因素，随化学组成及外界条件改变。宏观组织结构显微组织结构原子或分子排列结构原子中的电子结构材料结构宏观组织结构是指人们用肉眼或放大镜所能观察到的晶粒或相的集合状态。显微组织是指借助光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒或相的集合状态，金相显微镜(光学显微镜，有效放大倍率最大为1600倍，分辨极限率为2×10-7m)能够观察到金属晶粒的形状和大小，较粗大的夹杂物和杂质粒子、晶界以及沿境界分布的杂质薄膜等，但不能观察到许多精细结构，此时需要提高显微镜的分辨能力，电子显微镜是以电子束作为光源，分辨极限率可达3×10-9m。比之更细的层次是原子或分子排列结构，尺度约为10-10m。更小的是电子结构，即指原子中电子的分布规律，尺度约为10-13m.宏观组织结构：＞10-4m肉眼可见‘‘Macroscopic’’显微组织结构：10-4~10-9m显微镜观察‘‘Microscopic’’原子或分子排列结构：10-10mOrganizationofatomsormolecules原子中的电子结构：10-13mSubatomicstructure3、什么是材料工程？4、什么是材料科学基础？研究材料科学领域的普遍规律（强调共性，突出个性）材料科学家的工作？研究的途径：一、做实验；二、总结生产实践的经验；三、通过材料基础理论，从理论上预计材料的结构和性能。Whatdomaterialsscientistsstudy?二、材料的分类举例说明三、本课程的主要内容原子结构与键合固体结构晶体缺陷固态扩散材料的形变与再结晶纯晶体凝固二元相图四、本课程的特点及学习方法决定材料性能的最根本的因素：组成材料的各元素原子结构，原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律，以及原子集合体的形貌特征。物质由原子组成，而原子由原子核和电子组成。电子结构决定了原子键合的本身。材料的微观结构

（MicrostructureofMaterials）

物质(Substance)是由原子（atom）组成；在材料科学中，最为关心原子的电子结构；原子的电子结构—原子间键合本质；决定材料分类：金属陶瓷高分子决定材料性能：物理化学力学第一章原子结构和键合

AtomicStructureandInteratomicBonding1.1原子结构（AtomicStructure）一、物质的组成（SubstanceConstruction）物质：由无数微粒（Particles）聚集而成；分子（Molecule）：单独存在、保存物质化学特性；

体积：dH2O=0.2nm

质量：M(H2)为2M(protein)为几百万

原子（Atom）：化学变化中最小微粒。二、原子的结构1879年：J.JThomson发现电子（electron),揭示了原子内部秘密；1911年：E.Rutherford提出原子结构有核模型；1913年：N.Bohr将玻尔原子模型Bohratomicmodel其主要观点是：原子是由带正电荷Z的原子核和Z个核外电子所组成；电子沿分立的满足一定量子条件(角动量L=nh/2π，n为正整数，h为普朗克常数)的圆形轨道围绕着原子核运动，电子在这些轨道上运动时，原子呈稳定状态而不辐射能量；当原子从能量为En的状态跃迁到能量为Em的状态时，将发射或吸收具有一定频率(v)的光子：hu=|En-Em|。在这个模型的基础上，玻尔不仅正确地导出了巴尔末公式，而且还预测到一些新的谱线系，这些线系后来分别在紫外和远红外区中发现。描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantumnumbers）表示三、原子的电子结构轨道角动量量子数li核外电子的排布（electronconfiguration)规律四、元素周期表（自学）元素周期律的具体表现形式。※1.2原子间的键合Bondingtypewithotheratom）典型金属原子的结构特点：①由正离子排列成有序晶格；②各原子最(及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；③当金属正离子之间和电子云的间距达到某个值时，引力和斥力达到短暂平衡，组成稳定的晶体。这时，金属正离子在其平衡位置附近振动。一、金属键（Metallicbonding）价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子即称为电子云。通电后电子的运动具有方向性金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键；特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构；性质：延展性好，良好导电、导热性能。二、离子键（Ionicbonding)

多数盐类、碱类和金属氧化物键合的主要形式；实质：金属原子失去电子带正电的正离子（Cation）；而非金属原子得到电子带负电的负离子（anion）；通过静电引力相互结合。

以离子为结合单元特点：①以离子而不是以原子为结合单元；②离子键无方向性和饱和性；③正负离子相互吸引，构成三维整体晶体结构，具有较高的配位数；④在溶液中离解成离子。性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体，具有离子导电性。三、共价键（covalentbonding）

实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成。

两个原子共享最外壳电子的键合。

共价键合

（CovalentBonding）特点：有方向性（s电子除外）和饱和性，配位数较小。性质：结构稳定、熔点高、质硬脆、导电能力差亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料四、范德华力（Vanderwaalsbonding)特点：①无方向性和饱和性；②键能最小。属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质。

（原子间和分子间的吸引力）JohannesDiderikvanderWaals（1837-1923）TheNobelPrizeinPhysics1910

1910年因研究气态和液态方程获诺贝尔物理学奖。

A.静电力(electrostatic)：

分子永久偶极间相互作用B.诱导力(induction)

:被诱导的偶极与永久偶极间作用

C.色散力(dispersiveforce）:非极性分子间瞬时偶极间的作用包括：、非极性分子产生瞬时偶极五、氢键（Hydrogenbonding）极性分子键；存在于HF、H2O、NH3中（分子内都是通过极性共价键结合的，而分子间则是通过氢键连接的），在高分子中占重要地位。氢键：氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥。特点：键能介于化学键与物理键之间，有方向性和饱和性。氢键将相邻的水分子连接起来，起着桥梁的作用——氢桥。DNA的双螺旋结构氢键可以存在于分子内或分子间。值得注意：实际材料中单一结合键的情况并不多见，大部分材料内部原子间结合往往是各种键合的混合体。1、金属材料中出现少量的共价键；2、金属间化合物中出现金属键和离子键混合的情况；3、陶瓷化合物中出现离子键和共价键混合的情况。%ioniccharacter={1-exp[-(0.25)(XA

-XB)2]}×100whereXAandXBaretheelectronegativitiesfortherespectiveelements.试计算SiO2中离子键所占的比例是多少？1.3高分子链（HighpolymerChain)链结构（ChainStructure)聚集态结构（三次结构）（Structureofaggregationstate)高分子结构近程结构：属于化学结构，又称一次结构。远程结构：又称二次结构，是指单个高分子的大小、形态、柔顺性、构象。近程结构包括：构造和构型②聚合反应加聚反应：添加引发剂通过共价键将单分子聚合(polyaddition)缩聚反应：化学反应，释放出副产品(polycondersation)③聚合度：高分子链中重复结构单元的数目。①高分子链：由单体通过聚合反应链接而成的链状分子。近程结构（short-rangeStructure)一、结构单元的化学组成（theChemistryofmerunito)1.碳链高分子聚乙烯主链以C原子间共价键相联结，加聚反应制得如：聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯等2.杂链高分子

涤纶主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）、聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等3.元素有机高分子硅橡胶

主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解。4.无机高分子

聚二氯-氮化磷二硫化硅二、高分子链的几何形态（structure）不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状—热固性（thermosetting）

线性高分子（linearpolymers)：加热后变软，熔融，甚至流动，可反复加工——热塑性(thermoplastic)，能溶解在合适的溶剂中，支化高分子（branchedpolymers)：能溶解在合适的溶剂中，可熔融。交联高分子（crosslinkedpolymer)：不溶不熔，耐磨性好——热固性体型（立体网状）高分子（networkonthree-dimensionalpolymer)官能度三、高分子链结构单元的键合方式（bondingtape）1.均聚物结构单元键接顺序单烯类单体中除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：头—头尾—尾头—尾双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同如：聚丙烯腈2.共聚物的序列结构（Copolymers）按结构单元在分子链内排列方式的不同分为高分子链一旦形成，链内由共价键固定的各原子和原子团的几何排列即稳定不变。若想改变链内原子间的几何排列，只有断开共价键才行。四、高分子链的构型（Molecularconfigurations）链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行。构型：旋光异构和几何异构A：旋光异构（stereoisomerism）由烯烃单体合成的高聚物在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元，有三种排列方式：高分子链的空间立构性影响着高分子材料的性能。等规高分子：较高的结晶度和高熔点高强度，且不易溶解。间规高分子无规高分子排列规则紧密聚集易形成结晶强度高弹性差B、几何异构（Geometricalisomerism）

双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有顺式反式

两种异构体之分，对于大分子链而言就有称为几何异构二甲基丁二烯

二甲基丁二烯

排列不规则，不易结晶，弹性较好结构规整，容易结晶，弹性很差远程结构（Long-rangeStructure)一、高分子的大小（MolecularSize）高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性平均相对分子质量例：10个分子量是100的分子和1个分子量是10的分子混合，求数均和重均分子量。重均分子量=100*1000/1010+10*10/1010=99.10

数均分子量=(100*10+10*1)/(10+1)=91.82相对分子质量对高分子性能的影响：随着对分子质量的增大，分子间的范德华力增大，强度增加，再渐趋于一极限值。相对分子质量分布对加工和使用有很大影响：纤维、塑料：平均相对分子质量较小，希望其相对分子质量分布窄些。橡胶：平均相对分子质量很大，使其分布变宽。二、高分子的内旋转构象主链以共价键联结，有一定键长d和键角θ，每个单键都能内旋转（Chaintwisting）故高分子在空间形态有mn-1(m为每个单键内旋转可取的位置数，n为单键数目)。高分子链构象极多，瞬息万变。统计学角度，伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大。内旋转异构体：由单键内旋转所导致的不同构象的分子。内旋转需要消耗一定的能量。反式顺式柔性与链段有关。链段与分子结构、外界条件有关。三、影响高分子链柔性的主要因素（themaininfluencingfactorsonthemolecularflexibility）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）

主链结构的影响：起决定性作用，C-O，C-N，Si-O内旋的势垒比C-C低，而使聚酯，聚酰胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好。取代基的影响：取代基的极性，数量，位置，体积均有影响。

交联的影响：因交联附近的单键内旋转受阻碍，交联度大时，柔性↓↓