材料分类,metal,绪论,材料结构： 是影响材料性能的基本因素，随化学组成及外界条件改变。宏观组织结构显微组织结构原子或分子排列结构原子中的电子结构,材料结构,材料结构,宏观组织结构：10-4 m 肉眼可见 显微组织结构： 10-4 10-9 m 显微镜观察原子或分子排列结构：10-10 m原子中的电子结构： 10-13 m,宏观组织结构是指人们用肉眼或放大镜所能观察到的晶粒或相的集合状态。 显微组织是指借助光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒或相的集合状态，金相显微镜 (光学显微镜，有效放大倍率最大为1600倍，分辨极限率为210-7m) 能够观察到金属晶粒的形状和大小，较粗大的夹杂物和杂质粒子、晶界以及沿境界分布的杂质薄膜等，但不能观察到许多精细结构，此时需要提高显微镜的分辨能力，电子显微镜是以电子束作为光源，分辨极限率可达310-9m。 比之更细的层次是原子或分子排列结构，尺度约为10-10m。 更小的是电子结构，即指原子中电子的分布规律，尺度约为10-13m.,决定材料性能的最根本的因素：组成材料的各元素原子结构，原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律，以及原子集合体的形貌特征。 物质由原子组成，而原子由原子核和电子组成。电子结构决定了原子键合的本身。,材料的微观结构,第一章 原子结构和键合,物质是由原子组成； 在材料科学中，最为关心原子的电子结构； 原子的电子结构原子间键合本质； 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 决定材料性能：物理 化学 力学,1.1原子结构,一、物质的组成 物质：由无数微粒聚集而成； 分子：单独存在、保存物质化学特性；dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为几百万原子：化学变化中最小微粒。,Bohr atomic model,二、原子的结构,描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数表示,三、原子的电子结构,轨道角动量 量子数li,核外电子的排布规律, 1.2 原子间的键合,一、金属键,典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。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。,二、离子键,多数盐类、碱类和金属氧化物键合的主要形式； 实质：金属原子失去电子 带正电的正离子；非金属原子得到电子 带负电的负离子；通过静电引力相互结合。 特点： 电子束缚在离子中； 正负离子吸引，达静电平衡；电场引力无方向性; 正负离子相互吸引，构成三维整体晶体结构； 在溶液中离解成离子。 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。,三、共价键,特点：两原子共享最外壳层电子对，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,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。,亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料,四、范德华力,包括：静电力、诱导力和色散力 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,五、氢键,极性分子键；存在于HF、H2O、NH3中（分子内都是通过极性共价键结合的，而分子间则是通过氢键连接的），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。,氢键将相邻的水分子连接起来，起着桥梁的作用氢桥。,值得注意： 实际材料中单一结合键的情况并不多见，大部分材料内部原子间结合往往是各种键合的混合体。,1.3 高分子链,近程结构包括：构造和构型,近程结构一、结构单元的化学组成 1.碳链高分子 聚乙烯 2.杂链高分子 涤纶 3.元素有机高分子 硅橡胶 4.无机高分子 二硫化硅,二、高分子链的几何形态 官能度： 线性高分子：能溶解在合适的溶剂中，加热后变软，熔融，甚至流动，可反复加工热塑性。 支化高分子：能溶解在合适的溶剂中，可熔融。 交联高分子：不溶不熔，耐磨性好热固性 体型（立体网状）高分子,不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状热固性。,三、高分子链结构单元的键合方式,1.均聚物结构单元键接顺序单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式。双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同,2.共聚物的序列结构按结构单元在分子链内排列方式的不同分为,高分子链一旦形成，链内由共价键固定的各原子和原子团的几何排列即稳定不变。若想改变链内原子间的几何排列，只有断开共价键才行。,四、高分子链的构型,链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行,旋光异构体 由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元，有三种排列方式,高分子链的空间立构性影响着高分子材料的性能。,几何异构双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有,顺式,反式,两种异构体之分，,对于大分子链而言就有,称为几何异构,二甲基丁二烯,二甲基丁二烯,远程结构,一、高分子的大小 高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性 平均相对分子质量,相对分子质量对高分子性能的影响：随着对分子质量的增大，分子间的范德华力增大，强度增加，再渐趋于一极限值。相对分子质量分布对加工和使用有很大影响： 纤维、塑料：使其分布窄些。 橡胶：使其分布变宽。,二、高分子的内旋转构象主链以共价键联结，有一定键长 d和键角，每个单键都能内旋转，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)。 高分子链构象极多，瞬息万变。统计学角度，伸直构象几率极小，呈卷曲构象几率极大。 内旋转异构体：由单键内旋转所导致的不同构象的分子。 高分子链的柔性和刚性。,三、影响高分子链柔性的主要因素 高分子链能改变其构象的性质称为柔性。,四、高分子链的构象统计 高分子的柔顺性是以其所能采取的构象数目来衡量的。 一根高分子所可能采取的构象数实际上是无数的。 通常分子链越长，其构象数越多，高分子链越易蜷曲。 高分子链的蜷曲程度一般采用其两端点间的直线距离末端距来衡量。 末端距的平方的平均值均方末端距,