吉林大学材料科学与工程基础笔记 - 图文

材料科学与工程基础

Fundamentals of Materials Science and Engineering

Chapter one 引言 Learning Objectives

1.列出决定材料应用的六种不同性能

Mechanical properties力学性能 Electrical properties电性能 Thermal behavior热性能 Magnetic properties磁性能 Optical properties光性能 Deteriorative characteristics老化特性 2.说明涉及材料设计，生产和利用的四个因素，并简要说明它们之间的相互关系

Processing加工过程—〉Structure组织结构—〉Properties性能（性质）—〉Performance使用性能 结构依赖于加工。 性质决定使用性能。因此它们之间关系是线性的。 3.举出在材料的甄选过程三个标准

A考利材料的使用条件 B考虑材料使用过程的老化 C优先考虑材料的经济性 4. (a)列出三类主要的固体材料，并说明它们化学特点

metal金属 具特有光泽而不透明（对可见光强烈反射的结果），富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。

ceramic陶瓷 各种无机非金属固体材料

polymer聚合物由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。

(b)写出其他三种材料，并说明它们特点

Composites复合材料是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

Semiconductors半导体材料导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。 Biomaterials生物材料 生物材料是指以医疗为目的,用于和机体组织接触,以形成功能的无生命的材料。生物材料的种类很多。一般可分为天然材料和人工材料两大类。人工材料又可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以及它们的复合材料 Chapter two原子结构及原子间作用力

Learning Objectives

1.了解所学的两种原子模型，并能区别其不同。

玻尔模型 1913年，年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现（普朗克黑体辐射和量子概念、爱因斯坦光子论、卢瑟福原子带核模型等）的基础上建立了氢原子核外电子运动模型，提出了原子结构理论上的三点假设（1）任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动；（2）电子轨离核越远，原子所含的能量越高，电子尽可能处在离核最近的轨道上；（3）只有电子从较高能级跃迁到较低能级时，原子才会以光子形式释放能量。玻而尔理论解释了原子发光现象但无法解释精细结构和多原子、分子或固体的光谱，存在局限性。

量子力学模型 量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基本特征上，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做薛定谔方程，是由奥地利科学家薛定谔（E.Schr?dinger 1887-1961）在1926年提出来的。薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标，它的因变量是电子波的振幅（ψ）。给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时，薛定谔方程

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得到的每一个解就是核外电子的一个定态，它具有一定的能量，具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式ψ=f(x,y,z)，称为振幅方程或波动方程。 2.能够描述有关电子能量的量子力学法则。 能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。

4.(a)能够简单描述离子键，共价键，金属键，氢键和范德华键。

(b)能够列出以这些化学键结合的典型物质。

离子键：原子之间发生电子转移，形成正、负离子，并通过静电作用而形成的化学键。离子键的本质是静电作用，无方向性、无饱和性。离子键程度与元素的电负性有关。

共价键：不同原子依靠共享电子，或原子轨道的最大重叠而结合形成的化学键为共价键。共价键的本质是电性的，是两原子核对共用电子对或原子轨道重叠所形成负电区域的吸引力，不是正负离子间的静电力。共价键有方向性和饱和性。

金属键：在固态或液态金属中，价电子可以自由地在不同原子间移动，使其成为多个原子所共有，这些共用电子将许多原子粘合在一起的作用，被称为是金属键。

氢键：分子中带正电的氢原子与另一分子中含有的孤对电子靠近并产生的吸引力为氢键。氢键形成的条件是必须在分子中存在电负性很强的元素使氢原子具有强极性，同时，分子中带有孤对电子，电负性大和半径小的元素所构成。氢键具有方向性和饱和性。

范德华键：由分子的取向力、诱导力和色散力导致分子间的作用力称为Van der waals 键。 Chapter three金属和陶瓷的结构（三种典型晶体结构、晶面、晶向）重点！ 重点为第三章。特别是三种常见的晶体结构以及晶面和晶向及其指数。 Learning Objectives

1. 描述晶体与非晶体在原子核分子结构上的不同

晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性。

非晶体：是指原子在空间的排布没有长程有序的固体 2. 画出面心立方（FCC face-centered cubic），体心立方（BCC body-centered cubic），密排六方（HCP hexagonal close-packed）晶体结构的晶胞

3. 推算面心立方FCC和体心立方BCC晶胞的边长a与原子半径R之间的关系 FCC：a?2R2 BCC：a?4R3

4. 已知晶胞尺寸，计算面心立方FCC和体心立方BCC结构金属的密度 ??nAVCNA?nAaNA3 ?FCC?nAVCNA?4A(22R)NA3 ?BCC?nAVCNA?(nA43R)NA3

5. 草绘并描述各种晶体结构的晶胞，如sodium chloride NaCl, cesium chloride CsCl, zinc blende ZnS, diamond cubic金刚石立方, fluorite CaF, and perovskite 钙钛矿CaTiO3。类似的还有C和硅酸玻璃原子结构

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sodium chloride NaCl cesium chloride CsCl blende ZnS diamond cubic金刚石立方 fluorite CaF, 硅酸玻璃原子结构 perovskite 钙钛矿 C（graphite 石墨） 6.已知陶瓷复合材料的化学式，组成离子及离子半径，确定其晶体结构

由阳离子和阴离子的半径比RC/RA对比上表确定其配位数CN,再确定其晶体结构

7. 已知晶向指数，在晶胞中标出其晶向

8. 具体说明密勒指数（晶面指数）并在晶胞中标出

9.描述面心立方（FCC）密排六方（HCP）密排面的堆聚方式，类似通过阴离子的密排面描述NaCl的晶体结构

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面心立方（FCC）：ABCABCABC 密排六方（HCP）：ABABAB

10. 区别单晶和多晶材料

单晶：整体内原子排布呈在周期性和对称性，没有错排的晶体

多晶：如果材料内部有许多晶粒，则为多晶，每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性

11. 考虑材料的特性，定义各向同性和各向异性

各向同性：指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同

各向异性：沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性模量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。常用密勒指数来标志晶体的不同取向。

Chapter four高分子结构（基本概念）

Learning Objectives

1、根据聚合物的链的结构能够描述典型的聚合物分子，以及由重复的链节产生怎样的分子。

2、画出polyethylene PE聚乙烯, polyvinyl chloride PVC聚氯乙烯, polytetrafluoroethylene PTFE聚四氟乙烯, polypropylene PP聚丙烯, and polystyrene PS聚苯乙烯和它们的链节结构。 个聚合物的链节的结构如下：

PE聚乙烯 PVC聚氯乙烯 PTFE聚四氟乙烯 PP聚丙烯 PS聚苯乙烯 4、命名和简要说明(a) 聚合物四种通常的分子结构 Linear Polymers: 线型聚合物

Branched Polymers: 支链型聚合物 Crosslinked Polymers: 交联型聚合物 Network Polymers: 网络型

5、叙述热固性和热塑性聚合物的分子和表现行为上的区别。 Thermoplastic Polymers热塑性聚合物：这种聚合物当加热时变软冷却时变硬。所以当这种颗粒壮的物质处于软态时能够由模具成型或挤压成型。 Thermosetting Polymers热固型聚合物：这种聚合物一旦由化学作用固化或硬化，再进行加热时将不能变软或熔化。

6、简要描述聚合物材料的晶体结构

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