材料结构与性能

1、材料结构与性能,参考教材： 材料结构与性能 李宗全 陈湘明编 浙江大学出版社 授课教师：王耐艳 联系地址：17-243 联系电话: 86843265,第一章 绪 论,课程的性质： 材料结构与性能是材料类各专业硕士研究生必修的一门专业基础课。,课程任务：,获得材料结构的基本理论和知识；掌握材料成分组织性能应用之间关系的一般规律。,一、什么是材料？,材料是指人类社会可接受的，能经济的制造有用器件（物品）的固体物质。,材料,天然生成材料,人工合成材料,矿物 煤炭,钢铁 陶瓷 塑料 复合材料,二、材料的发展,人类社会的历史是一部利用材料和制造材料的历史，材料更新推动社会进步。,人类使用材料已经历了7个

2、时代：,石器时代,青铜器时代,铁器时代,钢铁时代,电子管时代,硅时代,纳米材料时代,材料科学,工艺,结构,性能,三、材料科学 ： 是从事材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。,材料科学,材料科学是在物理化学数学工程等学科的基础上发展起来的一个交叉学科。,材料科学以材料的分子结构、分子聚集态、构筑成材料的外形结构为研究内容，探讨材料的微观结构与宏观性能之间的内在联系的学科。,1.原子、分子结构：属于原始基础结构，决定材料所具有的潜在功能。 2.原子的排列方式即分子聚集态结构相结构：决

3、定材料具有某种可表现的实际功能。 3.显微组织各相的组合体：构筑材料的外形结构：决定材料具有某种特定的有效功能。,四、材料与工程,材料是机械、电子、化工等工程领域的物质基础，是工程技术的突破口。,工程技术的高速发展为材料的改型和新材料的研制提出更高的要求。,材料工程,材料工程是着重把基础知识应用于材料的研制、生产、改性、和应用的学课。,材料工程是整个工程学中的一个重要领域。,材料工程学科的目的：,解决技术上、社会（环境）上不断出现的新问题。,能经济地、为社会所能接受的控制材料的结构、性能和形状。,全面考虑材料的经济性、资源性、环保性、能源性、内在和表面的质量。,材料科学与工程的关系,材料科学为

4、材料工程指明方向、为更好地选择材料、使用材料、发挥材料的潜力提供理论基础。,材料工程为材料科学的发展提出了丰富的研究课题。,材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的重点不同。,五、材料性能与结构的关系,材料性能： 是一种参量，用于表征材料在给定外界条件（温度、载荷、电磁场、化学介质等）下的行为。,材料性能,外界条件的改变涉及体系能量的改变，能量控制结构的形成和过程的进行，导致性能改变。,条件,能量,结构,性能,材料结构,材料的结构是表明材料的组元及其排列和运动的方式。,组元的排列方式：,取决于组元的结合类型。,组元的运动方式,电子自旋运动 原子热运动 分子伸缩、弯曲振动

5、 空穴的扩散,材料结构,原子结构:影响材料的电、磁、热、光学及耐腐蚀性能。,影响材料的力学性能。,相结构：,显微组织：各相含量和形貌所构成的图像。如钢和铁。,结构缺陷：影响材料性能。,六、材料的分类,1. 按化学成分、生产过程、结构与性能的特点分：,材料,金属材料,无机非金属材料,有机高分子材料,金属陶瓷,无机有机复合材料,2. 按使用功能分类,结构材料：着重考虑材料的力学性能。如：材料的强度、硬度、塑性、韧性等。,功能材料：着重考虑材料的电磁学、光学、 热学等等的性能。,功能材料,热电材料,激光材料,压电材料,光电材料,声光材料,智能材料,非线性光学材料,3. 按用途分类,电子材料 电工材料

6、 研磨材料 建筑材料 光学材料 感光材料 耐酸材料 包装材料,4. 按结构分类,A 晶态材料：单晶、多晶、微晶、液晶、孪晶。,B 非晶态材料,C 准晶材料,第二章 原子结构与晶体结合力,2-1 原子结构,原子（直径 ),原子核(直径10-3 ),核外电子,原子和核外电子的作用,作用力,静电引力（库仑力）,万有引力,原子之间的作用,原子中的电子受到自身原子核的作用,原子中的电子受到其他原子的电子、原子核的作用。,电子态发生改变,粒子的总能量 可以经典地表达为动能 T 与势能 V 的和： E = T + V = P2/2m +V ； 其中，P 是动量， m 是质量。,自由电子模型的Schrding

7、er方程:,稳态原子量子数,1. 主量子数 n : 与特定态的电子能量有关。,2. 角量子数L: 量子角动量的量度。,3. 磁量子数m: 角动量在磁场方向的分量。,4. 自旋量子数ms,、主量子数n,常用符号： K, L, M, N, O, P, Q n： 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,1）主量子数确定电子运动的能量。 n值越大 电子所具有的能量 越大。 2）电子出现概率最大的离核的平均距离 。 3）代表电子层或能层。在一个原子内，具有相同 主量子数的电子，几乎在同样的空间范围运动，故称为主量子数。n相同的电子为一个电子层。,2、角量子数l,1)l 对应的能级表示亚层，决定原子轨 道

8、形状 2) 在多电子原子中l和主量子数一起决定 电子的能级 。 spdfg 如： 当 n=2, l=0 的状态就为2s电子； 处在 n=2, l=1 的状态为2p电子。,常用符号： s， p， d, f l : 0, 1, 2, 3(n-1),3、磁量子数m,磁量子数m 取值受角量子数的限制。 m = （2l+1 ） 或者0, 1, 2, 3,l。 1） m 决定原子轨道在空间的取向。某种形状 原 子轨道，可以在空间取不同的伸展方向， 这 是由线状光谱在磁场中还能发生分裂，显示出 微小差别的现象得出的结果。 Example: p orbit have 3 different orientation p x. p y p z 2）磁量子数与电子能量无关。,ms 自旋量子数: 表示电子的自旋方向。 ms 取值：+1/2、-1/2。,自旋磁量子数ms,综上所述， 四个量子数可以确定原子核外电子的运动状态， 一个电子的一种运动状态需要用四个量子数来确定。 我们把具有一定“轨道”的电子称为具有