完整word版熱點(diǎn)上海交大考研材料科學(xué)基礎(chǔ)總結(jié)

1、第1章原子結(jié)構(gòu)和鍵合 1.1原子結(jié)構(gòu) 1.1.1物質(zhì)的組成（Substance Construction） 物質(zhì)由無(wú)數(shù)微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：?jiǎn)为?dú)存在 保存物質(zhì)化學(xué)特性 dH2O=0.2nm M(H2)為2 M（protein）為百萬(wàn) 原子（Atom）： 化學(xué)變化中最小微粒 1.1.2原子的結(jié)構(gòu) ?-27?kg質(zhì)子：正電荷m1.672610?（proton） 原子核（nucleus)：位于原子中心、帶正電?-27中子：電中性m1.674810kg?（neutron） ?電子（electron）：核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電，按能量高低排列，如電子云（electro

2、n cloud）? ?-31kg，約為質(zhì)子的1/18369.1095?10 m ? ?1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu) （主量子數(shù)nthe principal quantum number)：?i? 決定原子中電子能量和核間距離(the energy of the electron)，? ?，4、5?、2、3、 即量子殼層，取正整數(shù)1? 用K、L、M、N表示 ?軌道動(dòng)量量子數(shù)l(the orbital quantum number)： ?i? 給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級(jí), ? 與電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量有關(guān)(shape of the electron subshell)，? ? 取值為0，1，2，?n

3、?1, 用s，p，d，f表示? 磁量子數(shù)m(the inner quantum number)：?i? 決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向(spatial orientation of an electron cloud)， ? 取值為-l，-(l?1),?1,0,1,?l? iii?自旋角動(dòng)量量子數(shù)s(the spin quantum number)：?i ? 表示電子自旋（spin moment）的方向，? 11?-或 取值為? ?22 核外電子排布遵循以下3個(gè)原則： 能量最低原理（Minimum Energy principle)電子總是占據(jù)能量最低的殼層? ? 1s-2s-2p-3s

4、-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-? ?Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子， ? 2 2n? ? Rule)同一亞層中電子盡量分占不同能級(jí)，自旋方向相同Hund原則（Hund? ?全充滿? ? ?半充滿 ?全空? 1.1.4元素周期表 ，原子半徑核電荷同周期元素：左?右，金屬性，非金屬性電離能，失電子能力，得電子能力最外層電子數(shù)相同，電子層數(shù)，原子半徑同主族元素：上?下，金屬性，非金屬性 電離能，失電子能力，得電子能力69 of 1 Page 1.2原子間的鍵合 1.2.1金屬鍵（Metallic bondin

5、g） 典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子（valence electron）極易 掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Free electron），形成電子云（electron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱(chēng)為金屬鍵 特點(diǎn)：電子共有化，既無(wú)飽和性又無(wú)方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu) 性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好 1.2.2離子鍵（Ionic bonding) 實(shí)質(zhì)： 金屬原子 帶正電的正離子（Cation） 非金屬原子 帶負(fù)電的負(fù)離子（anion） 特點(diǎn)：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列， 且無(wú)方向性，無(wú)飽和性 性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體

6、 1.2.3共價(jià)鍵（covalent bonding） 亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料 實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過(guò)共用電子對(duì)而成 (Polar bonding):共用電子對(duì)偏于某成鍵原子極性鍵? 非極性鍵（Nonpolar bonding): 位于兩成鍵原子中間?特點(diǎn)：飽和性 配位數(shù)較小 ，方向性（s電子除外） 性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差 1.2.4范德華力（Van der waals bonding) 包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力(dispersive force) 屬物理鍵 ，系次價(jià)鍵，不如

7、化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì) 1.2.5氫鍵（Hydrogen bonding） 極性分子鍵 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位， 氫 原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價(jià)鍵結(jié)合），裸露原子核 將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引氫橋 介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性 1.3高分子鏈（High polymer Chain) 鏈結(jié)構(gòu)（Chain Structure)? 高分子結(jié)構(gòu)?聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（Structure of aggregation state)? 69 of 2 Page 近程結(jié)構(gòu)（一次結(jié)構(gòu)） ：化學(xué)結(jié)構(gòu)，分子鏈中的原子排列，結(jié)構(gòu)單元 的鍵接順序，支化，交聯(lián)等高分子

8、鏈結(jié)構(gòu) 相對(duì)分子質(zhì)量及其分布，鏈的柔順性及構(gòu)象 高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)1.3.1the Chemistry of mer units) 結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（1. ）2.高分子鏈的幾何形態(tài)（structure 性高分子（linear polymers）線，甚至流動(dòng)，可反復(fù)加工: 加熱后變軟? plastic）o熱塑性（therm ? 高分子（branched polymers）：鏈支? ?耐磨變強(qiáng)韌聯(lián)后線性天然橡膠用S交交聯(lián)高分子（crosslinked polymer）：? ?體型（立體網(wǎng)狀）高分子（network on three-dimensional poly mer)? 熱塑性：具有線性和

9、支化高分子鏈結(jié)構(gòu)，加熱后會(huì)變軟，可反復(fù)加工再成型 熱固性：具有體型（立體網(wǎng)狀）高分子鏈結(jié)構(gòu)，不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化后不能再改變形狀，無(wú)法再生 3.高分子鏈的鍵接方式 4.高分子鏈的構(gòu)型（Molecular configurations） 69 of 3 Page 間同立構(gòu)?R取代基交替地處在主鏈平面兩側(cè)， （syndisotactic configurations): ? 即兩旋光異構(gòu)單元交替? ?全同立構(gòu)R取代基全處在主鏈平面一邊，?（isotactic configurations): ? 即全部由一種旋光異構(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s):（atac

10、tic configuration? 1.3.2高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu) 1.高分子的大小 2.高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象 主鏈以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長(zhǎng) d和鍵角，每個(gè)單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個(gè)單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目) 鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)使得高分子存在多種構(gòu)象 統(tǒng)計(jì)學(xué)角度高分子鏈取 伸直（straight）構(gòu)象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構(gòu)象幾率極大 3.影響高分子鏈柔性的主要因素 （the main influencing factors on the molecular flexibility） 高分子鏈能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱(chēng)為柔性（

11、Flexibility） 主鏈結(jié)構(gòu)的影響：起決定性作用,C-O,C-N,Si-O內(nèi)旋的勢(shì)壘比C-C低，從而使聚酯，? ? 聚酰胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好? ?取代基的影響：取代基的極性，沿分子鏈排布距離，在主鏈上對(duì)稱(chēng)性，體積均有影響 ? ，柔性，交聯(lián)度大時(shí)：因交聯(lián)附近的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)受阻礙交聯(lián)的影響? 69 of 4 Page 第2章 固體結(jié)構(gòu) 2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)（Basis Fundamentals of crystallography） 晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復(fù)排列（periodic repeated array） ，即存在長(zhǎng)程有序（long-ran

12、ge order） 性能上兩大特點(diǎn)：1.固定的熔點(diǎn)（melting point）,2.各向異性（anisotropy） 2.1.1空間點(diǎn)陣和晶胞 空間點(diǎn)陣的概念 將晶體中原子或原子團(tuán)抽象為純幾何點(diǎn)（陣點(diǎn) lattice point），即可得到一個(gè)由無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間排列成規(guī)則的陣列空間點(diǎn)陣（space lattice） 特征：每個(gè)陣點(diǎn)在空間分布必須具有完全相同的周?chē)h(huán)境(surrounding) 晶胞（Unite cells） 代表性的基本單元（最小平行六面體）small repeat entities 選取晶胞的原則： )選取的平行六面體應(yīng)與宏觀晶體具有同樣的對(duì)稱(chēng)性； ）平行六面體內(nèi)的棱和

13、角相等的數(shù)目應(yīng)最多； ）當(dāng)平行六面體的棱角存在直角時(shí)，直角的數(shù)目應(yīng)最多； ）在滿足上條件，晶胞應(yīng)具有最小的體積。 晶系 布拉菲點(diǎn)陣 晶系 布拉菲點(diǎn)陣 六方 Hexagonal 簡(jiǎn)單六方 三斜Triclinic 簡(jiǎn)單三斜 ab90 c ， a1=a2a3c，= o， =120o 單斜 Monoclinic 簡(jiǎn)單單斜 菱方 Rhombohedral 簡(jiǎn)單菱方 abc，=a=b=c, =90o =90o底心單斜 Tetragonal 簡(jiǎn)單四方 四方（正方） 90o 體心四方=c, a=b=正交Orthorhombic 簡(jiǎn)單正交 abc，= 立方 Cubic 簡(jiǎn)單立方90o 底心正交 體心正交o，a=

14、b=c =90 體心立方 面心正交 面心立方 2.1.2晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 1.晶向指數(shù)（Orientation index） 求法： 69 of 5 Page 1)確定坐標(biāo)系 2)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，作直線與待求晶向平行； 3)在該直線上任取一點(diǎn)，并確定該點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y，z），若某一坐標(biāo)值為負(fù)，則在其上加一負(fù)號(hào)。 4)將此值化成最小整數(shù)u，v，w并加以方括號(hào)u v w即是。（代表一組互相平行，方向一致的晶向） 晶向族：具有等同性能的晶向歸并而成； 2.晶面指數(shù)（Indices of Crystallographic Plane） 求法： 1） 在所求晶面外取晶胞的某一頂點(diǎn)為原點(diǎn)o，三棱邊為三坐標(biāo)軸

15、x，y，z 2） 以棱邊長(zhǎng)a為單位，量出待定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。若某一截距為負(fù)，則在其上加一負(fù)號(hào)。 3） 取截距之倒數(shù)，并化為最小整數(shù)h，k，l并加以圓括號(hào)（h k l）即是。（代表一組互相平行的晶面；指數(shù)相同符號(hào)相反晶面互相平行） 晶面族hkl：晶體學(xué)等價(jià)的晶面總合。 3.六方晶系指數(shù)（Indices of hexagonal crystal system orhexagonal indices） 晶面? 指數(shù)的標(biāo)定方式與前述相同?晶向? （ i-（hk）h k i l ） ? （uv）u v t w t-? 三指數(shù)系統(tǒng) 四指數(shù)系統(tǒng) threeindex system fourinde

16、x system 4.晶帶（Crystal zone） 所有相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構(gòu)成一個(gè)“晶帶” 此直線稱(chēng)為晶帶軸（crystal zone axis），所有的這些晶面都稱(chēng)為共帶面。 晶帶軸n v w與該晶帶的晶面（h k l）之間存在以下關(guān)系 凡滿足此關(guān)系的晶面都屬于以h k l為晶帶軸的晶帶 69 of 6 Page Interplanar crystal spacing）晶面間距（5. 對(duì)于復(fù)雜晶胞則要考慮附加面的影響上述公式僅適用于簡(jiǎn)單晶胞, 立方晶系：a11 0d fcc 當(dāng)（hkl）不為全奇、偶數(shù)時(shí)，有附加面：hkl2222lhk 1 1 hkl奇數(shù)時(shí)，有附加面：

17、bcc 當(dāng) 六方晶系 ），l=奇數(shù)，有附加面：?，2，3，（h2k3nn0，1當(dāng) 11 ，如0 0 0面d hkl 222lk4hhk2）（ 2ca3 通常低指數(shù)的晶面間距較大，而高指數(shù)的晶面間距則較小2.1.3 對(duì)稱(chēng)性元素 點(diǎn)群（point group）晶體中所有點(diǎn)對(duì)稱(chēng)元素的集合 根據(jù)晶體外形對(duì)稱(chēng)性，共有32種點(diǎn)群 空間群（space group）晶體中原子組合所有可能方式 32種點(diǎn)群）230根據(jù)宏觀、微觀對(duì)稱(chēng)元素在三維空間的組合，可能存在種空間群（分屬于 Stereographic projection 2.1.4極射投影 69 of 7 Page 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2 三種典型的金屬晶體

18、結(jié)構(gòu)2.2.1 c ，點(diǎn)陣常數(shù)（lattice parameter） a R ）原子半徑（atomic radius N ）配位數(shù)（coordination number43?Rn nv3?KEfficiency of space filling ）致密度（VV c/a 軸比（axial ratio） 2.2.2 晶體的原子堆垛方式和間隙 ，hcp 間隙為正多面體，且八面體和四面體間隙相互獨(dú)立fcc bcc 間隙不是正多面體，四面體間隙包含于八面體間隙之中 69 of 8 Page 2.2.3多晶型轉(zhuǎn)變（allotropic transformation） 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 2.3合金的相結(jié)構(gòu) 合

19、金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉，燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì) Solid solution 2.3.1固溶體 (matrix)中所形成的均勻結(jié)晶相。晶體結(jié)構(gòu)保持固溶體：溶質(zhì)原子(solute atom)溶入基體 基體金屬的結(jié)構(gòu) Substitutional solid solution 1.置換固溶體 溶質(zhì)原子置換了部分的溶劑原子69 of 9 Page 影響溶解度的因素： ) 組元的晶體結(jié)構(gòu)crystal structure of components 晶體結(jié)構(gòu)相同是組元之間形成無(wú)限固溶體的必要條件 ）原子尺寸因素the size factor effect r

20、1415才有可能形成溶解度較大甚至無(wú)限固溶的固溶體 ）化學(xué)親和力（電負(fù)性因素）the electrochemical effect 在不形成化合物的條件下，電負(fù)性差值增大，溶解度增大 在形成化合物的條件下，電負(fù)性差值增大，溶解度減小 ）電子濃度（原子價(jià)因素）the relative valency effect 合金中各組元的價(jià)電子總和（e）與組元的原子數(shù)總和（a）之比 vx)?100?xV(?/ae 100 極限電子濃度（臨界電子濃度）與溶劑晶體點(diǎn)陣類(lèi)型有關(guān)hcpbccfcc:1.75 :1.36; 對(duì)一價(jià)溶劑而言 :1.48; Interstitial solid solution 間隙固

21、溶體2. 間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體 ） （R其邊界在一平面內(nèi) 2）層錯(cuò)為一平面 3）可以為刃型、螺形、混和位錯(cuò) 4）滑移的結(jié)果是層錯(cuò)面的擴(kuò)大或縮小。但不能攀移，因它必須和層錯(cuò)始終相連Page 21 of 69 弗蘭克（Frank) 不全位錯(cuò)（固定位錯(cuò)） 特點(diǎn)：a) (a/3)*，純?nèi)行臀诲e(cuò) b）不能在滑移面上滑移，只能攀移sessile dislocation) c）屬不動(dòng)位錯(cuò)（ 4.位錯(cuò)反應(yīng) 1）幾何條件：b矢量總和不變 2）能量條件：反應(yīng)降低位錯(cuò)總能量 5.面心立方晶體中的位錯(cuò)(111), (-1,1,1), (1,-1,1), (1,1,-1) 4個(gè)可能的滑移

22、面湯普森四面體（1) 四個(gè)面即為 矢量12個(gè)全位錯(cuò)的bFCC(2) 6條棱邊代表12個(gè)晶向，即中所有可能的 矢量(a/6) 肖克萊不全位錯(cuò)的b每個(gè)頂點(diǎn)與其中心的連線共代表24個(gè) 弗蘭克不全位錯(cuò)的b矢量4個(gè)頂點(diǎn)到它所對(duì)的三角形中點(diǎn)連線代表8個(gè)(a/3) 個(gè)面中心相連即為(a/6) 壓桿位錯(cuò)4 b.擴(kuò)展位錯(cuò)一般一種特殊的位錯(cuò)組態(tài)，系由兩個(gè)不全位錯(cuò)以及在兩個(gè)不全位錯(cuò)之間的一片層錯(cuò)所構(gòu)成。 由全位錯(cuò)分解而成。通常把一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)中間夾著一個(gè)堆垛層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)組態(tài)稱(chēng)擴(kuò)展位錯(cuò)： 為擴(kuò)展位錯(cuò) aaa?11110?112?2 626 Page 22 of 69 （1）擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度： )?bbG

23、(21 ?d?2 擴(kuò)展位錯(cuò)的束集：在外切應(yīng)力作用下，層錯(cuò)寬度減小至零，局部收縮成原來(lái)的全位錯(cuò)：2）（ 位錯(cuò)擴(kuò)展的反過(guò)程 ）擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移（3 擴(kuò)展位錯(cuò)=重新擴(kuò)展（在新滑移面上）=束集=交滑移 擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移比全位錯(cuò)困難，層錯(cuò)能越低，擴(kuò)展位錯(cuò)越寬，交滑移越困難 c.位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò) d.面角位錯(cuò) Page 23 of 69 面角位錯(cuò)對(duì)面心立方的加工硬化可起重大作用 6.其他晶體中的位錯(cuò) a.體心立方晶體中的位錯(cuò)，隨成，123, 通?？赡艿幕泼嬗?10，112單位位錯(cuò)：(a/2), 滑移方向 分、溫度計(jì)變形速度而異。 滑移線呈波紋形 滑移切應(yīng)力的不對(duì)稱(chēng)性 螺位錯(cuò)的核心具有獨(dú)特的性質(zhì) 3.3表面及界面

24、 界面包括：外表面（自由表面）和內(nèi)界面 表面：固體與氣體或液體的分界面 界面：幾個(gè)原子層厚，原子排列于成分不同于內(nèi)部 外表面3.3.1 表面能：定義為形成單位面積的新表面所需做的功 晶界和亞晶界3.3.2 晶界：屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面（內(nèi)界面） ），界面的取向（2晶界具有5個(gè)自由度：兩晶粒的位相差（3 小角度晶界1. Page 24 of 69 不過(guò)該轉(zhuǎn)軸即扭轉(zhuǎn)晶界：一般小角度晶界都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成， 不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位錯(cuò)，螺位錯(cuò)或混合位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)組成。 2.大角度晶界 大角度晶界：相鄰晶粒在交界處的形狀不是光滑的曲面，而是由不規(guī)則臺(tái)階組成的 重合位置點(diǎn)陣 3.晶界能dF/dA 晶界能：形成單位面積晶面時(shí)，系統(tǒng)自由能的變化，即 晶界的界面能的測(cè)量 ?312312? ?sinsin?sin?311223 晶界特性4. ）晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在晶界能，故晶粒長(zhǎng)大和晶界平直化是一個(gè)自發(fā)過(guò)程1 ）晶界處原子排列不規(guī)則阻礙塑性變形2Hb，sb（細(xì)晶強(qiáng)化） 3）晶界處存在較多缺陷（位錯(cuò)、空位等）有利原子擴(kuò)散 4）晶界能量高固態(tài)相變先發(fā)生，d形核率 5）晶界能高晶界腐蝕速度