上海交大材料科學(xué)基礎(chǔ)考研胡賡祥《材料科學(xué)基礎(chǔ)》資料

1、上海交大材料科學(xué)基礎(chǔ)考研胡賡祥材料科學(xué)基礎(chǔ)資料1.1復(fù)習(xí)筆記【知識框架】物質(zhì)的組成原子的結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)V原子的電子結(jié)構(gòu)元素周期表金屬鍵禽子建原子間的鍵臺共價神范德瓦耳斯力L氫鍵高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)I高分子鏈土高分子鏈的遠程結(jié)構(gòu)一、原子結(jié)構(gòu)1物質(zhì)的組成特點：物質(zhì)是由分子、原子或離子等微粒按特定的方式聚集而成。（1）分子是能保持物質(zhì)化學(xué)特性并能單獨存在的一種微粒。（2）分子有大有小，由更小微粒原子組成。原子是化學(xué)變化中的最小微粒，但原子并不是最小的微粒。（3）原子具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。2原子的結(jié)構(gòu)（1）如表1-1-1所示為構(gòu)成原子的粒子及其特點。表1-1-1構(gòu)成原子的粒子及其特點要點性廟構(gòu)成原子的粒子電子質(zhì)

2、子中子電性和電量一個電子芾一個單位負電 荷個電子帶一個單位正 電荷不顯電性質(zhì)量kg9.109 X 10L.673X 11.675X10-37相對質(zhì)量1 18361.0071.008(2 )核電荷數(shù)=核內(nèi)質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)，質(zhì)量數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)。3原子的電子結(jié)構(gòu)(1 )電子結(jié)構(gòu) 電子云：用于形象的描述核外電子的運動特征(電子在核外空間作高速旋轉(zhuǎn)運動， 沒有固定軌道，只能用統(tǒng)計方法判斷其在某一區(qū)域出現(xiàn)的概率，故而以電子云” 加以形容)。電子的波粒二象性：電子具有波動性又具有粒子性?，F(xiàn)代物理學(xué)中，用薛定諤方程來反映微觀粒子的運動，即用4個量子數(shù)來確定核 外電子的空間位置。如表1-1-2所示為四種量

3、子數(shù)的定義及取值。表1-1-2四種量子數(shù)的定義及取值名稱定義牧值及對應(yīng)符號主量子數(shù)決定電子能量以及其與核的平 均距離，表示電子所在的量子殼 層見圖1-1-1)1254 IKLMN I軌道角動量量子數(shù)L確定電子在同一量子殼層內(nèi)所 處的能級(電子亞層)11 1磁量子數(shù)屯確定每個軌道角動量量子數(shù)的 能蛆數(shù)或軌道數(shù)，決定電子云的 空間取向?qū)τ诿總€土 m可取細+ 1個值; 例：當(dāng)時，町毗0, 1, 2自旌角動量量子數(shù)與表示電子的自旅方向+ 1/2-1/2T圖1-1-1鈉（原子序數(shù)為11）原子結(jié)構(gòu)中K,L和M量子殼層的電子分布狀況不同亞層電子的能量依次遞增，電子云的形狀也各不相同（例如，s亞層為球狀，p亞

4、層為紡錘狀）。如表1-1-3所示為量子數(shù)和原子軌道的關(guān)系。表1-1-3量子數(shù)和原子軌道的關(guān)系nL原子軌道取值符號取值符號符號取值1K0S122L:S1/2LP電，那2pz土 1/23XI:;S3s土 1/2LP土 1/22d3%” 3日網(wǎng)3媼，祠亍了 j 3d?+ 1/2（2）核外電子排布規(guī)律遵循的原則能量最低原理：電子的排布盡可能使體系的能量最低。泡利（Pauli）不相容原理：原子中不存在運動狀態(tài)完全相同的兩個電子。洪德（Hund ）定則：同一亞層各個能級中，電子排布盡可能占據(jù)不同能級，且自旋方向相同?！緮U展】如表1-1-4所示為宏觀運動與微觀運動的比較。表1-1-4宏觀運動與微觀運動的不同

5、名稱宏觀物體微觀粒子co很大很小速度較小很大（接近光速）位軫可測能量可測1垃移M ti里小口J 1 口阿測正.軌誣可描述（畫圖或函數(shù)描述）不口確定4兀素周期表（1）元素：具有相同核電荷數(shù)（核內(nèi)質(zhì)子數(shù)）的同一類原子的總稱。（2）元素周期律：隨著原子序數(shù)的遞增，元素核外電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)周期性的變化 規(guī)律。（3）元素周期表是周期律的具體體現(xiàn)形式，通過元素在周期表中的位置，可以 推斷原子結(jié)構(gòu)和一定的性質(zhì)。二、原子間的鍵合1原子間鍵合方式的分類及比較（見表1-1-5 ）表1-1-5原子間鍵合方式的分類及比較分類名稱定義示意囹特點化學(xué)鍵金屬鍵金屬中的目由電子與金 屬正離子相互作用構(gòu)成 的鍵%TO電子共有化.

6、無飽和性和 尢力1司性高子鍵陰陽離子間的靜電吸引 作用A H X H X既無方向性 又無飽和性(cr )=0時cr 昏矽二 |cHttiicrjG2(w)fcr j(n?)蟲II 火|4 又(CF ) =CT土=1共價鍵電負性相差不太的兩個 或者多個原子通過共用 電子對而形成的化學(xué)鍵1l具有方向性 和飽和性物理鍵范德fall 耳斯力種分子間作用力，包 括靜電力、誘導(dǎo)力和色 觸力二一0七VM虬_岐予說分于偶檢沒有方向性 和飽和性次價鍵氫鍵氫原子與用員性大、半 徑小的原子（N、。ft F） 以一種特殊的分子間或 分子內(nèi)的相互作用結(jié)合 在一起D依靠微粒之 間的偶柢吸 引力結(jié)合在 起2不同結(jié)合鍵對所在

7、物質(zhì)性能的影響（見表1-1-6 ）表1-1-6不同結(jié)合鍵對所在物質(zhì)性能的影響分類仔仕1旦百特點金屬鍵金屬晶體賦予金屬皂妤的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性高子鍵禽子晶體離子晶體的情點和便度按蒿且是皂好的電絕緣體共價鍵共價晶體共價晶體硬度高、慵點高且是點好的電絕緣體范德瓦耳斷力極性分子間對物質(zhì)的慌點、沸點、凌解度等的影響很大笥鍵存在于分子內(nèi)或分子間氫鍵的存在使物質(zhì)呈現(xiàn)出特殊的物理化學(xué)性能三、高分子鏈1定義和分類（1）有機高分子化合物：相對分子質(zhì)量在10000以上的有機化合物。（2）高分子結(jié)構(gòu)的分類：近程結(jié)構(gòu)一遠程結(jié)構(gòu)高分子結(jié)構(gòu)，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)V晶體結(jié)構(gòu) 非晶體結(jié)構(gòu) 取向態(tài)結(jié)構(gòu)2高分子鏈結(jié)構(gòu)高分子鏈的結(jié)構(gòu)分類，

8、如下所示:織態(tài)結(jié)構(gòu)液晶態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組袍個高分子的結(jié)構(gòu)與形態(tài)高分子鏈的結(jié)構(gòu)L商分子洗的化學(xué)結(jié) 構(gòu)游分子鑄的尺寸和 形態(tài)結(jié)構(gòu)址元的理合結(jié) 構(gòu)爪個鏈的眥合（見圖 1-1-2） pL飩會序列稅型 變化交聯(lián)1-星型近程結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)）結(jié)何單元的立體構(gòu)r旋光異構(gòu)型和空問排列 -r島分子的分子仙及 分而尚分子68的形態(tài)（枸象）迅程結(jié)構(gòu)（二勿結(jié)構(gòu)）（1）高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成高分子鏈：由小分子單體通過聚合反應(yīng)連接而成的鏈狀大分子。b聚合度：高分子鏈中結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目。高分子鏈的分類：根據(jù)結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成，可分為碳鏈高分子，雜鏈高分 子，元素高分子，以及梯形和雙螺旋形高分子等類型。常見高分

9、子鏈結(jié)構(gòu)單元：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯等。分子鏈的幾何形態(tài)a .官能度：一個單體能與另夕卜一個單體發(fā)生鍵合的數(shù)目，其決定了高分子鏈的 幾何形態(tài)。特點：高分子鏈大多都是線性的，長鏈可以卷曲成團，也可在團聚過程中生 成為支化或交聯(lián)態(tài)，這主要與高分子的柔順性和外部條件有關(guān)。圖1-1-2線型（a）、支化（b）、交聯(lián)（c）和三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)（d）示意圖結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式聚合物的性能受高分子鏈中結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式影響，不同鍵接，性能差異很大。a.均聚物結(jié)構(gòu)單元的鍵接結(jié)構(gòu)單元在分子鏈中可能的連接方式有：頭-頭鍵接、尾-尾鍵接、頭-尾鍵接（見圖 1-1-3）。頭頭鍵接頭CHaCFH-CH

10、。壓+I JR! 尾i尾 i廠 CH$CH-HCHCHr頭尾鍵接IHlCH尾-尾槌接圖1-1-3不同取代基位置的鏈接方式共聚物的序列結(jié)構(gòu)共聚物：由兩種或兩種以上的最小單元所組成的高分子化合物。二元共聚物的連接方式:無規(guī)共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物及接枝共聚物（見圖 1-1-4 ）。圖1-1-4無規(guī)（a）、交替（b）、嵌段（c）和接枝共聚物（d ）示意圖高分子鏈的構(gòu)型鏈的構(gòu)型：指高分子中由化學(xué)鍵所造成的分子的固定排列，包括旋光異構(gòu)和幾何 異構(gòu)。該構(gòu)型的改變必須通過化學(xué)鍵的斷裂和重組。旋光異構(gòu)旋光異構(gòu)體：能夠形成鏡像對稱，表現(xiàn)出不同旋光性的高分子。幾何異構(gòu)幾何異構(gòu)體：雙烯類單體1,4加成時，高分

11、子鏈每一單元中有一內(nèi)雙鍵，可構(gòu)成順式和反式兩種構(gòu)型。（2）高分子鏈的遠程結(jié)構(gòu)遠程結(jié)構(gòu)：指單個高分子的狀態(tài)、鏈的柔順性及在不同環(huán)境中所采取的構(gòu)象，又 稱二次結(jié)構(gòu)。高分子的大小a.多分散性：高分子由多種不同聚合度的同系高分子化合物聚集而成，其相對分子質(zhì)量不均一，稱之為高分子的多分散性。因而，討論一個高分子的相對分子質(zhì)量是無意義的，討論其平均相對分子質(zhì)量才 有意義。數(shù)均相對分子質(zhì)量重均相對分子質(zhì)量風(fēng)式中，Mj為第i個高分子的相對分子質(zhì)量，Xj為相應(yīng)分子數(shù)分數(shù)，Wj為相應(yīng)質(zhì)量 分數(shù)。則高分子的聚合度可由下式確定一 一 一 . 一一式中，m為每鏈節(jié)的質(zhì)量。高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象a.自由聯(lián)結(jié)鏈：主鏈上各個單

12、鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)方向是自由的高分子鏈。b .順式與反式：在沿碳碳鍵方向上，若兩個碳原子上的氫鍵重合，稱之為順式;若相差60，稱之為反式。內(nèi)旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體：由單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的不同構(gòu)象的分子。高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)不是完全自由的，表現(xiàn)出一定的柔性和剛性。影響高分子鏈柔性的主要因素高分子鏈柔性：指高分子鏈上的碳碳鍵發(fā)生內(nèi)旋轉(zhuǎn)并改變其構(gòu)象的性質(zhì)。a.主鏈結(jié)構(gòu)的影響主鏈結(jié)構(gòu)是高分子鏈柔性的決定性影響因素。b.取代基的影響 取代基極性大小、位置及體積大小等對高分子鏈的柔性均有影響。交聯(lián)的影響交聯(lián)產(chǎn)生的化學(xué)鍵會阻礙單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而影響高分子鏈柔性。高分子鏈的構(gòu)象統(tǒng)計a .高分子鏈越長，構(gòu)象數(shù)越多，也越容易卷曲，常用末

13、端距h （兩端點間直線 距離）來衡量鏈的卷曲程度。b.均方末端距L J式中，n為鍵的數(shù)量，l為鍵長。c .對于自由旋轉(zhuǎn)鏈（鍵角。受到限制），其均方末端距足二矛上竺迎-1 -cos高斯鏈的均方末端距兀=履；式中，ne為鏈段數(shù)，le為每個鏈段的長度。2考研真題二、在-胞圖中給出下列品向下的單位向-長度（即域短原子問距.用點陣 常數(shù)表示）：_FCCM體中：11011 】2.IKC 品體中：111； I?】o1011HOP M體中：*1010； u J .四、有-BCC-4A.林抽為口23】.mwiffi為o）,現(xiàn)沿槍軸為向 拘伸.造分析：初始滑移系統(tǒng)雙滑移系縱升始雙滑移時的切變昂Y.滑移過程中的4專

14、動規(guī)徊和轉(zhuǎn)軸。試/的最終取向（假定試的在達到-定電向前不斷裂）、在圖32所小的成力 應(yīng)變曲線中.分別二（標(biāo)曲對應(yīng)的效坐標(biāo)或橫 羋標(biāo)的位置叩可）：條件利服強度(ollsel yield strength or yield strength) oQ2抗張強度(tensile strength)期破壞,!.度(bi eukiii s Irens ill) 斷裂延伸率(elongation to failure).彈性校M (modulus of clasticifv)-、分別寫出1*13-1所示5種船體蜻構(gòu)所屬的布拉維蟲陣類塑,L 分析圖3-3位AHCDA的性質(zhì).在切應(yīng)力卜的作用卜.位鋁及吊 體將分別如何運動?（佰山位錯環(huán)運動過程中位帶環(huán)及晶體形狀的變化）六、假我將純供I件在800T4E行誨碳.且白牛表向碳捎質(zhì)岐分教為6 一倒吼I.件表面至心部的*后分歌分布曲縱 1所源1仙淺圖中知匚；出相響的相粗成物.幻 說碳廉雖分數(shù)按照I:述理線分布的IStM-七、冷加工金舄的UM組織3