学生复习用材料科学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

材料分类metal绪论绪论第1页n n 材料结构：材料结构：是影响材料性能基本原因，是影响材料性能基本原因，随化学组成及外界条件改变。随化学组成及外界条件改变。n n宏观组织结构宏观组织结构宏观组织结构宏观组织结构 显微组织结构显微组织结构显微组织结构显微组织结构 原子或分子排列结构原子或分子排列结构原子或分子排列结构原子或分子排列结构 原子中电子结构原子中电子结构原子中电子结构原子中电子结构材料结构材料结构 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 原子中电子结构：10-13 m第2页n n宏宏宏宏观观观观组组组组织织织织结结结结构构构构是是是是指指指指人人人人们们们们用用用用肉肉肉肉眼眼眼眼或或或或放放放放大大大大镜镜镜镜所所所所能能能能观观观观察察察察到到到到晶晶晶晶粒粒粒粒或或或或相集合状态。相集合状态。相集合状态。相集合状态。n n显显显显微微微微组组组组织织织织是是是是指指指指借借借借助助助助光光光光学学学学显显显显微微微微镜镜镜镜和和和和电电电电子子子子显显显显微微微微镜镜镜镜观观观观察察察察到到到到晶晶晶晶粒粒粒粒或或或或相相相相集集集集合合合合状状状状态态态态，金金金金相相相相显显显显微微微微镜镜镜镜 (光光光光学学学学显显显显微微微微镜镜镜镜，有有有有效效效效放放放放大大大大倍倍倍倍率率率率最最最最大大大大为为为为16001600倍倍倍倍，分分分分辨辨辨辨极极极极限限限限率率率率为为为为210210-7-7m)m)能能能能够够够够观观观观察察察察到到到到金金金金属属属属晶晶晶晶粒粒粒粒形形形形状状状状和和和和大大大大小小小小，较较较较粗粗粗粗大大大大夹夹夹夹杂杂杂杂物物物物和和和和杂杂杂杂质质质质粒粒粒粒子子子子、晶晶晶晶界界界界以以以以及及及及沿沿沿沿境境境境界界界界分分分分布布布布杂杂杂杂质质质质薄薄薄薄膜膜膜膜等等等等，但但但但不不不不能能能能观观观观察察察察到到到到许许许许多多多多精精精精细细细细结结结结构构构构，此此此此时时时时需需需需要要要要提提提提升升升升显显显显微微微微镜镜镜镜分分分分辨辨辨辨能能能能力力力力，电电电电子子子子显显显显微微微微镜镜镜镜是是是是以以以以电电电电子子子子束束束束作作作作为为为为光光光光源源源源，分辨极限率可达分辨极限率可达分辨极限率可达分辨极限率可达310310-9-9mm。n n比之更细层次是原子或分子排列结构，比之更细层次是原子或分子排列结构，比之更细层次是原子或分子排列结构，比之更细层次是原子或分子排列结构，尺度约为尺度约为尺度约为尺度约为1010-10-10mm。n n更更更更小小小小是是是是电电电电子子子子结结结结构构构构，即即即即指指指指原原原原子子子子中中中中电电电电子子子子分分分分布布布布规规规规律律律律，尺尺尺尺度度度度约约约约为为为为1010-13-13m.m.第3页n n决定材料性能最根本原因：组成材料各元决定材料性能最根本原因：组成材料各元素原子结构，原子间相互作用，相互结合，素原子结构，原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间排列分布和运动规律，原子或分子在空间排列分布和运动规律，以及原子集合体形貌特征。以及原子集合体形貌特征。n n物质由原子组成，而原子由原子核和电子物质由原子组成，而原子由原子核和电子组成。电子结构决定了原子键合本身。组成。电子结构决定了原子键合本身。材料微观结构材料微观结构第4页第一章第一章 原子结构和键合原子结构和键合n n物质是由原子组成；n n在材料科学中，最为关心原子电子结构；n n原子电子结构原子间键合本质；n n决定材料分类：金属 陶瓷 高分子n n决定材料性能：物理 化学 力学第5页1.1原子结构一、物质组成一、物质组成n n物质：由无数微粒聚集而成；n n分子：单独存在、保留物质化学特征；d dH2OH2O=0.2nm M(H=0.2nm M(H2 2)为为2 M2 M（proteinprotein）为几百万）为几百万 n n原子：化学改变中最小微粒。第6页Bohr atomic modelBohr atomic model二、原子结二、原子结二、原子结二、原子结构构构构第7页l描述原子中一个电子空间和能量，可用四个量子数表示描述原子中一个电子空间和能量，可用四个量子数表示三、原子电子结构三、原子电子结构轨道角动量量子数li第8页l核外电子排布规律核外电子排布规律第9页 1.2 1.2 原子间键合原子间键合原子间键合原子间键合第10页一、金属键一、金属键n n经典金属原子结构经典金属原子结构经典金属原子结构经典金属原子结构：最外层电子数极少，即价电子极易：最外层电子数极少，即价电子极易：最外层电子数极少，即价电子极易：最外层电子数极少，即价电子极易摆脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。摆脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。摆脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。摆脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。金属金属金属金属中自由电子与金属正离子之间组成键合称为金属键中自由电子与金属正离子之间组成键合称为金属键中自由电子与金属正离子之间组成键合称为金属键中自由电子与金属正离子之间组成键合称为金属键；n n特点特点特点特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构；量密堆结构；量密堆结构；量密堆结构；n n性质性质性质性质：良好导电、导热性能，延展性好。：良好导电、导热性能，延展性好。：良好导电、导热性能，延展性好。：良好导电、导热性能，延展性好。第11页二、离子键n n多数盐类、碱类和金属氧化物键合多数盐类、碱类和金属氧化物键合主要形式主要形式；n n实质实质：金属原子失去电子：金属原子失去电子 带正电正离子；带正电正离子；非金属原子得到电子非金属原子得到电子 带负电负离子；带负电负离子；经过静电引力相互结合。经过静电引力相互结合。n n特点特点：n n 电子束缚在离子中；电子束缚在离子中；n n 正负离子吸引，达静电平衡；电场引力无方向性正负离子吸引，达静电平衡；电场引力无方向性;n n 正负离子相互吸引，组成三维整体晶体结构；正负离子相互吸引，组成三维整体晶体结构；n n 在溶液中离解成离子。在溶液中离解成离子。n n性质：性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。第12页三、共价键l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）l性质：熔点高、质硬脆、导电能力差l实质：由二个或多个电负性差不大原子间经过共用电子对而成。l亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料第13页四、范德华力l包含：静电力、诱导力和色散力l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 第14页五、氢键n n极性分子键；存在于极性分子键；存在于HFHF、H H2 2OO、NHNH3 3中（分子内都是经过中（分子内都是经过极性共价键结合，而分子间则是经过氢键连接），在高分极性共价键结合，而分子间则是经过氢键连接），在高分子中占主要地位。子中占主要地位。n n氢原子中唯一电子被其它原子所共有（共价键结合），裸氢原子中唯一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负端相互吸引露原子核将与近邻分子负端相互吸引氢桥。氢桥。n n介于化学键与物理键之间，含有饱和性。介于化学键与物理键之间，含有饱和性。氢氢键键将将相相邻邻水水分分子子连连接接起起来来，起起着着桥桥梁梁作作用用氢桥。氢桥。第15页n n值得注意：n n实际材料中单一结合键情况并不多见，大部分材料内部原子间结合往往是各种键合混合体。第16页1.3 1.3 高分子链高分子链链结构链结构聚集态结构（三次结构）聚集态结构（三次结构）高分子结构高分子结构单体聚合反应单体聚合反应加聚反应：添加引发剂经过共价键将单分子聚合加聚反应：添加引发剂经过共价键将单分子聚合缩聚反应缩聚反应：化学反应，释放出副产品：化学反应，释放出副产品近程结构：属于化学结构，又称一次结构。远程结构：又称二级结构，是指单个高分 子大小、形态、柔顺性、构象。近程结构包含：结构和构型第17页近程结构一、结构单元化学组成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、高分子链几何形态二、高分子链几何形态官能度：官能度：线线性性高高分分子子：能能溶溶解解在在适适当当溶溶剂剂中中，加加热热后后变变软软，熔熔融融，甚甚至流动，可重复加工至流动，可重复加工热塑性。热塑性。支化高分子：能溶解在适当溶剂中，可熔融。支化高分子：能溶解在适当溶剂中，可熔融。交联高分子：不溶不熔，耐磨性好交联高分子：不溶不熔，耐磨性好热固性热固性体型（立体网状）高分子体型（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。第18页三、高分子链结构单元键合方式三、高分子链结构单元键合方式n n1.1.均聚物结构单元键接次序均聚物结构单元键接次序 单烯类单体中单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称，其结构单元在分子链中键除乙烯分子是完全对称，其结构单元在分子链中键接方法只有一个外，其它单体因有不对称取代，故有三种不一样键接方接方法只有一个外，其它单体因有不对称取代，故有三种不一样键接方式。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一样不一样 n n2.2.共聚物序列结构共聚物序列结构n n 按结构单元在分子链内排列方式不一样分为按结构单元在分子链内排列方式不一样分为 高高分分子子链链一一旦旦形形成成，链链内内由由共共价价键键固固定定各各原原子子和和原原子子团团几几何何排排列列即即稳稳定定不不变变。若若想想改改变变链链内内原原子子间间几几何何排排列列，只只有有断断开开共价键才行。共价键才行。第19页四、高分子链构型四、高分子链构型n n链链构构型型系系指指分分子子中中原原子子在在空空间间几几何何排排列列，稳稳定定，欲欲改改变变之之须须经经过过化学键断裂才行化学键断裂才行l旋光异构体l由烯烴单体合成高聚物 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空间立构性影响着高分子材料性能。第20页几何异构双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但因为含有双键，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 第21页远程结构远程结构n n一、高分子大小一、高分子大小n n高分子相对分子质量高分子相对分子质量M M不是均一，含有多分散性不是均一，含有多分散性n n平均相对分子质量平均相对分子质量第22页 相对分子质量对高分子性能影响：相对分子质量对高分子性能影响：伴伴随随对对分分子子质质量量增增大大，分分子子间间范范德德华华力力增增大大，强强度增加，再渐趋于一极限值。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：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。纤维、塑料：使其分布窄些。橡胶：使其分布变宽。橡胶：使其分布变宽。第23页n n二、二、高分子内旋转构象高分子内旋转构象n n主主链链以以共共价价键键联联结结，有有一一定定键键长长 d d和和键键角角，每每个个单单键键都都能能内内旋旋转转，故故高高分分子子在在空空间间形形态态有有m mn-1n-1(m m为为每每个个单单键键内内旋旋转转可可取取位位置置数数，n n为单键数目为单键数目)。n n高高分分子子链链构构象象极极多多，瞬瞬息息万万变变。统统计计学学角角度度，伸伸直直构构象象几几率率极极小小，呈卷曲构象几率极大。呈卷曲构象几率极大。n n内旋转异构体：由单键内旋转所造成不一样构象分子。内旋转异构体：由单键内旋转所造成不一样构象分子。n n高分子链柔性和刚性。高分子链柔性和刚性。三、影响高分子链柔性主要原因高分子链能改变其构象性质称为柔性。第24页四、高分子链构象统计四、高分子链构象统计四、高分子链构象统计四、高分子链构象统计n n高分子柔顺性是以其所能采取构象数目来衡量。高分子柔顺性是以其所能采取构象数目来衡量。高分子柔顺性是以其所能采取构象数目来衡量。高分子柔顺性是以其所能采取构象数目来衡量。n n一根高分子所可能采取构象数实际上是无数。一根高分子所可能采取构象数实际上是无数。一根高分子所可能采取构象数实际上是无数。一根高分子所可能采取构象数实际上是无数。n n通通通通常常常常分分分分子子子子链链链链越越越越长长长长，其其其其构构构构象象象象数数数数越越越越多多多多，高高高高分分分分子子子子链链链链越越越越易易易易蜷曲。蜷曲。蜷曲。蜷曲。n n高高高高分分分分子子子子链链链链蜷蜷蜷蜷曲曲曲曲程程程程度度度度普普普普通通通通采采采采取取取取其其其其两两两两端端端端点点点点间间间间直直直直线线线线距距距距离离离离末端距来衡量。末端距来衡量。末端距来衡量。末端距来衡量。n n末端距平方平均值末端距平方平均值末端距平方平均值末端距平方平均值均方末端距均方末端距均方末端距均方末端距第25页