材料科学基础知识点

重点与难点1.描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数；*2.核外电子排布遵循的原则;*3.元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系；*4.原子间结合键分类及其特点；5.高分子链的近程和远程结构。重要概念与名词主量子数n，轨道角动量量子数l，磁量子数m，自旋角动量量子数s；能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则；元素，元素周期表，周期，族；结合键，金属键，离子键，共价键，范德华力，氢键；高分子链，近程结构，结构单元，线性、支化、交联和三维网络分子结构；无规、交替、嵌段和接枝共聚物；全同立构、间同立构、无规立构，顺式、反式构型；远程结构、数均、重均相对分子质量，聚合度；热塑性、热固性塑料。由于高分子材料的相对分子质量可高达几十万甚至上百万，所包含的结构单元可能不止一种，每一种结构单元又具有不同构型，而且结构单元之间可能有不同键接方式与序列，故高分子的结构相当复杂。高分子结构包括高分子键结构和聚集态结构两方面。键结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于化学结构，又称一次结构，是指大分子链中原子的类型和排列，结构单元的键接顺序、支化、交联以及取代基在空间的排布规律等。远程结构又称二次结构，是指高分子的大小与形态，键的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。第二章概要重点与难点1.选取晶胞的原则；2.7个晶系，14种布拉菲空间点阵的特征；3.晶向指数与晶面指数的标注；4.晶面间距的确定与计算；5.晶体的对称元素与32种点阵；6.极射投影与Wulff网；7.三种典型金属晶体结构的晶体学特点；8.晶体中的原子堆垛方式和间隙；9.固溶体的分类及其结构特点；10.影响固溶体固溶度的因素；11.超结构的类型和影响有序化的因素；12.中间相的分类及其结构特点；13.离子晶体的结构规则；14.NaCl型、A2B2型和硅酸盐晶体结构特点；15.金刚石型共价晶体结构特点；16.聚合物晶态结构模型，晶体形态及其结构特点；17.非晶态结构及其性能与晶体结构的区别。重要概念与名词晶体，非晶体；晶体结构，空间点阵，阵点，晶胞，7个晶系，14种布拉菲点阵；宏观对称元素，微观对称元素，点群，空间群；极射投影，极点，吴氏网，标准投影；晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带轴，共价面，晶面间距；面心立方，体心立方，密排立方，多晶型性，同素异构体；点阵常数，晶胞原子数，配位数，致密度，四面体间隙，八面体间隙；合金，相，固溶体，中间相，短程有序参数a，长程有序参数S；置换固溶体，间隙固溶体，有限固溶体，无限固溶体，无序固溶体，有序固溶体；正常价化合物，电子化合物，电子浓度，间隙相，间隙化合物，拓扑密堆相；离子晶体，NaCl型结构，闪锌矿型结构，纤锌矿型结构，硅酸盐[SiO4]4-四面体；共价晶体，金刚石结构；聚集态结构，球晶，缨状微束模型，折叠链模型，伸直链模型；玻璃，玻璃化转变温度[UVW]与[uvtw]之间的互换关系：晶带定律：立方晶系晶面间距计算公式：六方晶系晶面间距计算公式：电子浓度计算公式：物质通常有三种聚集状态：气态、液态和固态。而按照原子（或分子）排列的规律性又可将固态物质分为两大类，晶体和非晶体。晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体的原子则是无规则排列的。原子排列在决定固态材料的组织和性能中起着极重要的作用。金属、陶瓷和高分子的一系列特性都和其原子的排列密切相关。一种物质是否以晶体或以非晶体形式出现，还需视外部环境条件和加工制备方法而定，晶态与非晶态往往是可以互相转化的。固态物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体的性能是与内部结构密切相关的。为了便于了解晶体结构，首先引入一个空间点阵的概念。根据每个阵点的周围环境相同和六个点阵参数间的相互关系，可将晶体分为7个晶系，14种布拉菲点阵。晶胞是能反映点阵对称性、具有代表性的基本单元（最小平行六面体），其不同方向的晶向和晶面可用密勒指数加以标注，并可采用极射投影方法来分析晶面和晶向的相对位向关系。在晶体结构中，最常见的是面心立方(fcc)、体心立方（bcc）和密排六方(hcp)三种典型结构，其中fcc和hcp系密排结构，具有最高的致密度和配位数。这三种典型结构的晶胞分别含有4、2、6个原子。利用刚球模型可以算出晶体结构中的间隙，以及点阵常数与原子半径之间的关系。金属晶体的结合键是金属键，故往往构成具有高度对称性的简单晶体结构，如fcc、bcc和hcp等。但是，工业上广泛使用的金属材料绝大多数是合金。由于合金元素的加入，使形成的合金相结构变得复杂。合金组元之间的相互作用及其所形成的合金相的性质主要是由它们各自的电化学因素、原子尺寸因素和电子浓度三个因素控制的。合金相基本上可分为固溶体和中间相两大类。固溶体保持溶剂的晶体结构类型。根据溶质在固溶体点阵中的位置可分为置换固溶体和间隙固溶体；按固溶度则分为有限固溶体和无限固溶体；而按溶质在固溶体中的排布则分为无序固溶体和有序固溶体；若按溶剂分类则有第一类固溶体和第二类固溶体之分。中间相的晶体结构不同于其组元的结构，它通常可用化合物的化学分子式表示。中间相根据其主导影响因素可分为正常价化合物，电子化合物，间隙相与间隙化合物，拓扑密堆相等。离子晶体是以正负离子为结合单元的，其结合键为离子键。Pauling在实验基础上，用离子键理论，归纳总结出离子晶体的如下结构规则：负离子配位多面体规则、电价规则、负离子多面体共用顶、棱和面的规则，不同种类正离子配位多面体间连接规则和节约规则等。它们在分析、理解晶体结构时简单明瞭，突出了结构特点。典型的离子晶体结构是NaCl型，自然界有几百种化合物都属于此种结构。它属于立方晶系，Fm3m空间群，可以看成分别由Na+和CL-构成两个fcc结构相互在棱边上穿插而成。在无机非金属材料中，硅酸盐晶体结构尤其复杂，有孤岛状、组群状、链状、层状和骨架状结构等。但它们有一个共同特点，即均具有[SiO4]4-四面体，并遵循由此导出的硅酸盐结构定律。共价晶体是以共价键结合。共价晶体的共同特点是配位数服从8-N法则（N为原子的价电子数）。最典型的共价晶体结构是金刚石结构。它属于复杂的fcc结构，可视为两个fcc晶胞沿体对角线相对位移1/4距离穿插而成。聚合物晶态结构是其聚集态结构（三次结构）中的一大类。由于大分子结构的缘故，聚合物的结晶是分子结晶，一个大分子可以贯穿若干个晶胞，结晶速度慢且存在结晶不完整性。聚合物的晶态多种多样，主要由单晶、片晶、球晶、树枝状晶、孪晶和串晶等。由于聚合物的晶态结构相当复杂，可用缨状微束模型、折叠链模型、伸直链模型、串晶或球晶结构模型以及Hosemann模型来加以描述。固态物质中除各种晶体外，另一大类称为非晶体。由于非晶态物质内的原子排列在三维空间不具有长程有序和周期性，故决定了它在性质上是各向同性的，且没有固定的熔点（对玻璃而言，存在一个玻璃转变温度）。但是应注意固态物质虽有晶体和非晶体之分，然在一定条件下，两者是可以相互转换的。第三章概要在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响。另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义。理想的完整晶体是不存在的。在实际晶体中，总存在着偏离理想结构的区域--晶体缺陷，这在高分子材料中，尤其严重。按其几何特征，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。点缺陷通常是由于原子的热运动并存在能量起伏而导致的。在一定温度下，点缺陷处于不断产生和复合的过程中。当这两个过程达到平衡时，此时的点缺陷浓度就是该温度下的平衡浓度。它根据热力学理论求得：另外晶体中的点缺陷还可通过高温淬火、冷变形以及高能粒子的辐照效应等形成。此时晶体点缺陷浓度往往超过其平衡浓度，称为过饱和点缺陷。晶体的线缺陷表现为各种类型的位错。位错的概念是在研究晶体滑移过程时提出的。它相当于滑移面上已滑移区和未滑移区的交界线。位错按几何特征分为刃型位错和螺型位错两大类。但实际晶体中大量存在的是混合位错。柏氏矢量b是一个反映位错周围点阵畸变总积累的重要物理量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即位错运动导致晶体滑移的方向；该矢量的模∣b∣表示了畸变的程度，称为位错的强度，而且∣b∣。一根位错线具有唯一的柏氏矢量，这是柏氏矢量的守恒性所决定的。柏氏矢量不仅决定位错的组态及其运动方向，而且对位错的一系列属性，如位错的应力场、应变能，位错的受力状态，位错增殖与交互作用，位错反应等都有很大影响。对刃型位错，运动方式有滑移和攀移两种，而对螺型位错，则只能滑移，但由于其滑移面不是唯一的，故可进行交滑移或双交滑移。位错的组态，分布及密度大小对材料性能影响很大。材料塑性变形就是大量位错运动的结果。位错理论可用来解释材料的屈服现象、加工硬化和弥散强化机制。晶界、亚晶界、相界、层错等属于晶体的面缺陷。根据界面两侧晶粒的位向差，晶界分为小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界又可分为倾斜晶界、扭转晶界等，它们的结构可用相应的位错模型来描述。多晶材料中大量存在的是大角度晶界。大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列不规则，不能用位错模型来描述。有人提出用重合位置点阵模型来描述，但它仅适用特殊位向，尚不能解释两晶粒处于任意位向差的晶界结构。多相合金中同一相中的界面也是晶界和亚晶界，不同相之间的界面是相界。相界的结构有共格、半共格和非共格三类，单相合金或多相合金中的层错和孪晶界都是共格界。共格界面的界面能最低重点与难点1.点缺陷的形成与平衡浓度；2.柏氏矢量的确定，物理意义及守恒性；3.位错的基本类型和特征；4.分析归纳位错运动的两种基本形式：滑移和攀移的特点；5.分析运动位错的交割及其所形成的扭折或割阶不同情况；6.比较螺型位错与刃型位错二者应力场畸变能的异同点；7.作用于位错的组态力、位错的线张力、外加切应力、位错附近原子实际所受的力、以及位错间的交互作用力相互之间的关系与区别；8.位错的增值机制；9.堆垛层错与不全位错；10.位错反应的条件；11.Thompson四面体；12.扩展位错的生成、宽度和运动；13.小角度和大角度晶界模型；14.晶界能与晶界特性；15.孪晶界与相界。重要概念与名词点缺陷，线缺陷，面缺陷；空位，间隙原子，肖脱基空位，弗兰克尔空位；点缺陷的平衡浓度，热平衡点缺陷，过饱和点缺陷，色心，电荷缺陷；刃型位错，螺型位错，混合位错，全位错，不全位错；柏氏回路，柏氏矢量，柏氏矢量的物理意义，柏氏矢量的守恒性；位错的滑移，位错的交滑移，位错的攀移，位错的交割，割阶，扭折；位错的应力场，位错的应变能，线张力，滑移力，攀移力；位错密度，位错增殖，弗兰克-瑞德位错源，L-C位错，位错塞积；堆垛层错，肖克莱不全位错，弗兰克不全位错；位错反应，几何条件，能量条件；可动位错，固定位错，汤普森四面体；扩展位错，层错能，扩展位错的宽度，扩展位错束集，扩展位错交滑移；晶界，亚晶界，小角度晶界，对称倾斜晶界，不对称倾斜晶界，扭转晶界；大角度晶界，重合位置点阵模型；晶界能，孪晶界，相界，共格相界，半共格相界，错配度，非共格相界。点缺陷的平衡浓度：螺型位错的应力场：刃型位错的应力场：式中位错的应变能：式中位错的线张力：作用于位错的力：滑移力攀移力两平行螺位错间径向作用力：两平行刃型位错间的交互作用力：F-R源开动的临界切应力：扩展位错的平衡宽度：对称倾斜晶界：不对称倾斜晶界：，三叉晶界界面能平衡公式：第四章物质的迁移可通过对流和扩散两种方式进行。在气体和液体中物质的迁移一般是通过对流和扩散来实现的。但在固体中不发生对流，扩散是唯一的物质迁移方式，其原子或分子由于热运动不断地从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固体材料中的一个重要现象，诸如金属铸件的凝固及均匀化退火，冷