【热点】上海交大考研材料科学基础总结.doc

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第1章原子结构和键合

1.1原子结构

1.1.1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

dH2O=0.2nmM（H2）为2M（protein）为百万

原子（Atom）：

化学变化中最小微粒

1.1.2原子的结构

1.1.3原子的电子结构

核外电子排布遵循以下3个原则：

1.1.4元素周期表

1.2原子间的键合

1.2.1金属键（Metallicbonding）

典型金属原子结构：

最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud）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：

良好导电、导热性能，延展性好

1.2.2离子键（Ionicbonding）

实质：

金属原子带正电的正离子（Cation）

非金属原子带负电的负离子（anion）

特点：

以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，

且无方向性，无饱和性

性质：

熔点和硬度均较高，良好电绝缘体

1.2.3共价键（covalentbonding）

亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料

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

特点：

饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）

性质：

熔点高、质硬脆、导电能力差

1.2.4范德华力（Vanderwaalsbonding）

包括：

静电力（electrostatic）、诱导力（induction）和色散力（dispersiveforce）

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

1.2.5氢键（Hydrogenbonding）

极性分子键存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，

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

介于化学键与物理键之间，具有饱和性

1.3高分子链（HighpolymerChain）

近程结构（一次结构）：

化学结构，分子链中的原子排列，结构单元高分子链结构的键接顺序，支化，交联等

相对分子质量及其分布，链的柔顺性及构象

1.3.1高分子链的近程结构

1.结构单元的化学组成（theChemistryofmerunits）

2.高分子链的几何形态（structure）

热塑性：

具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再成型

热固性：

具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化后不能再改变形状，无法再生

3.高分子链的键接方式

4.高分子链的构型（Molecularconfigurations）

1.3.2高分子链的远程结构

1.高分子的大小

2.高分子链的内旋转构象

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）

※键的内旋转使得高分子存在多种构象存在an构剂，也不能熔融，一旦受热固化

统计学角度高分子链取伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大

3.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）

第2章固体结构

2.1晶体学基础（BasisFundamentalsofcrystallography）

晶体结构的基本特征：

原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列（periodicrepeatedarray），即存在长程有序（long-rangeorder）

性能上两大特点：

1.固定的熔点（meltingpoint）,2.各向异性（anisotropy）

2.1.1空间点阵和晶胞

※空间点阵的概念

将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点latticepoint），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵（spacelattice）

特征：

每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境（surrounding）

※晶胞（Unitecells）

代表性的基本单元（最小平行六面体）smallrepeatentities

选取晶胞的原则：

Ⅰ）选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；

Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；

Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；

Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。

晶系

布拉菲点阵

晶系

布拉菲点阵

三斜Triclinic

a≠b≠c，α≠β≠γ

单斜Monoclinic

a≠b≠c，α=γ=90º≠β

正交Orthorhombic

a≠b≠c，α=β=γ＝90º

简单三斜

简单单斜

底心单斜

简单正交

底心正交

体心正交

面心正交

六方Hexagonal

a1=a2＝a3≠c，α=β＝90º，γ=120º

菱方Rhombohedral

a=b=c,α=β=γ≠90º

四方（正方）Tetragonal

a=b≠c,α=β=γ＝90º

立方Cubic

a=b=c，α=β=γ＝90º

简单六方

简单菱方

简单四方

体心四方

简单立方

体心立方

面心立方

2.1.2晶向指数和晶面指数

1.晶向指数（Orientationindex）

求法：

1）确定坐标系

2）过坐标原点，作直线与待求晶向平行；

3）在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z），若某一坐标值为负，则在其上加一负号。

4）将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号[uvw]即是。

（代表一组互相平行，方向一致的晶向）

※晶向族：

具有等同性能的晶向归并而成；

2.晶面指数（IndicesofCrystallographicPlane）

求法：

1） 在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o，三棱边为三坐标轴x，y，z

2） 以棱边长a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距。

若某一截距为负，则在其上加一负号。

3） 取截距之倒数，并化为最小整数h，k，l并加以圆括号（hkl）即是。

（代表一组互相平行的晶面；指数相同符号相反晶面互相平行）

晶面族{hkl}：

晶体学等价的晶面总合。

3.六方晶系指数（Indicesofhexagonalcrystalsystemorhexagonalindices）

4.晶带（Crystalzone）

所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个“晶带”

此直线称为晶带轴（crystalzoneaxis），所有的这些晶面都称为共带面。

晶带轴[nvw]与该晶带的晶面（hkl）之间存在以下关系

凡满足此关系的晶面都属于以[hkl]为晶带轴的晶带

5.晶面间距（Interplanarcrystalspacing）

上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响

立方晶系：

fcc当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面：

bcc当h＋k＋l＝奇数时，有附加面：

六方晶系

※通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小

2.1.3

对称性元素

点群（pointgroup）—晶体中所有点对称元素的集合

根据晶体外形对称性，共有32种点群

空间群（spacegroup）—晶体中原子组合所有可能方式

根据宏观、微观对称元素在三维空间的组合，可能存在230种空间群（分属于32种点群）

2.1.4极射投影Stereographicprojection

2.2金属的晶体结构

2.2.1三种典型的金属晶体结构

点阵常数（latticeparameter）a，c

原子半径（atomicradius）R

配位数（coordinationnumber）N

致密度（Efficiencyofspacefilling）

轴比（axialratio）c/a

2.2.2晶体的原子堆垛方式和间隙

fcc，hcp间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立

bcc间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中

2.2.3多晶型转变（allotropictransformation）

同素异构转变

2.3合金的相结构

合金：

由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼，烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质

2.3.1固溶体Solidsolution

固溶体：

溶质原子（soluteatom）溶入基体（matrix）中所形成的均匀结晶相。

晶体结构保持

基体金属的结构

1.置换固溶体Substitutionalsolidsolution

溶质原子置换了部分的溶剂原子

影响溶解度的因素：

ⅰ）组元的晶体结构crystalstructureofcomponents

晶体结构相同是组元之间形成无限固溶体的必要条件

ⅱ）原子尺寸因素thesizefactoreffect

Δr＜14～15％才有可能形成溶解度较大甚至无限固溶的固溶体

ⅲ）化学亲和力（电负性因素）theelectrochemicaleffect

在不形成化合物的条件下