材料结构基础思维导图
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思维导图大纲
材料结构基础思维导图模板大纲
物质的组成、状态及材料结构
物质的组成和状态
由原子和分子组成
气态，液态，固态
材料结构的含义及分类
含义
影响材料性能，可随化学成分和外界条件改变
分类
显微组织结构
宏观组织结构
原子结构
原子
原子核
质子
正电荷
中子
无电荷
核外电子
材料的量子力学
20世纪20年代反应微观粒子运动规律的理论
古典量子论
卢瑟福 古典原子有核模型
波尔 古典量子论三个基本假设
稳定轨道
稳定运动
波尔频率
索末菲尔 稳定椭圆轨道
乌伦贝克和高兹米特 电子自旋假设
德布罗意 波粒二象性
波动性：“薛定谔方程的波函数描述的”并不像经典波那样是实在的物理量的波动，它只不过表述了粒子在空间的概率分布，而这个概率分布恰好跟几何光波有相似的表达式，并没有多大的相关性，所谓电子的波动性，仅此而已。 粒子性：微观粒子拥有质量，拥有类似宏观粒子的能量和动量。
核外电子排布
四个量子数（从电子角度）
n , 第一量子数（主量子数）： 决定原子中电子与核的平均距离，决定电子所处的量子壳层。
l , 第二量子数（轨道角动量量子数）： 给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与轨道 角动量有关。 决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性
m l , 第三量子数（磁量子数）： 决定体系角动量在磁场方向的分量，即决定电子云的空间取向， 给出每个轨道角动量数的轨道数。
m s ，第四量子数（自旋角动量量子数）： 决定电子顺时针和逆时针两种自旋的方向
电子排布规则（从原子角度）
泡利不相容原理： 原子中每个电子必须有独自一组四个量子数， 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；
能量最低原则： 核外电子在稳定态时，电子总是按能量最低的状态分布。
洪特规则： 为了减少电子间的排斥作用，在相同能量的轨道，也就是简并 轨道中，电子的排布尽可能分布在不同的轨道上，而且自旋方向 相同。
核外电子排布的应用
电子壳层中最多电子确定
确定原子在元素周期表中的位置，即确定周期和族
确定原子的常见价态
确定原子或离子的稳定性
确定原子的电离能与电子亲和能
周期主族能量规律
同一周期中： 各元素的原子核外电子层数相同； 从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，电离能 趋于增大，失电子能力逐渐减弱，得电子能量逐渐增强；
同一主族中： 从上到下电子层数增多，原子半径增大，电离能一般趋于减 小，失电子能力逐渐增强，得电子能力减弱，所以元素的金 属性增强，非金属性减弱。
原子之间的相互作用和结合
基本键合
离子键合
① 电子束缚在离子中； ②无方向性，无饱和性; ③构成三维晶体结构 ； ④在溶液中离解成离子。
共价键合
①两原子共享最外壳层电子对； ②两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反； ③有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。
金属键合
① 由正离子排列成有序晶格； ② 各原子最 (及次)外层电子释放， 在晶格中随机、自由、无规则运动， 无饱和性，无方向性； ③ 原子最外壳层有空轨道或未配对 电子，既容易得到电子，又容易失去 电子； ④ 价电子不是紧密结合在离子芯上， 键能低、具有范性形变。
混和键合
非键相互作用
分子间引力
分子（或电中性原子）间的长程相 互作用，又称范德华力
无方向性和饱和性 ，键能最小
取向力，诱导力，色散力
氢键
质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F、Cl）结合， 再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成一个键的键合方式。
①有方向性，饱和性； ②分子内氢键；分子间氢键； ③键能: 一般为几 ~ 十几 kcal/mol
各种键性比较
键长
两相邻原子间达运动平衡时能量最小的距离 金属键和离子键
键能
1mol 物质结合键断裂放出的能量, 表示结合的强弱。
化学键 > 物理相互作用 化学键中: 共价键≈ 离子键 > 金属键 共价键中: 叁键>双键>单键 氢键 > 范德华相互作用
原子间距和空间排列
原子间的距离和作用
原子半径和离子半径
配位数
多原子体系电子的相互作用与稳定性
杂化轨道和分子轨道子主题
杂化轨道理论
杂化后，数目不变； 空间分布、能级状态改变，有利成键。
杂化轨道的数目与组成杂化轨道的各原子轨道的数目相等。 杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理。 杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原理。
等性杂化和不等性杂化
分子轨道理论
分子轨道是由原子轨道线性组 合而成的，数目相同。
分子轨道中电子排布遵从相同 的四个原则。
两个波函数符号相同，形成成键分 子轨道；符号相反，形成反键分子轨道。
组成分子轨道条件
能量相近
轨道最大重叠
对称性匹配
三种分子轨道
σ轨道和σ键
π轨道和π键
δ轨道和δ键
费米能级
固体中的能带
能级分裂
n个同种原子接近时，相同的原子能级分裂 成 n个能量不同的能级（分子轨道）
能带
许多原子聚集，由许 多分子轨道组成的近乎连续的能级带。
带宽
能带中最高能级与最低能级的能量差；与原子 数目无关，仅取决于原子间距，间距小，带宽大。
能带与材料的导电性
固体中的原子有序
结晶的特性与晶体的性质
结晶特性（微观）
晶 体：原子(团)沿三维空间呈周期性长 程有序排列的固体物质
非晶体：原子(团)无周期性长程无序排列 的物质
晶体的性质（宏观）
熔点确定 有自发形成规则多面体外形的能力 稳定性 （晶体能量最低） 各向异性（物理性质不同） 均匀性（周期小，宏观性质相同）
晶体的几何学基础
晶体的对称元素
对称：相同部分有规律重复
点阵
晶体结构的微观特征
某种结构单元（基元）在三维空间作周期性规则排列
晶胞、晶系和空间点阵型式
晶胞：代表晶体内部结构的基本重复单位
晶格常数
晶向指数和晶面指数
晶向指数
晶向：连接任意两个阵点的矢量r，通过平移，可 以是原点出发通过某点的射线 （或过若干结点的直 线方向）
三个互质的整数u,v,w， [u v w] 表示晶向， 其中u v w 即晶向指数。
晶面指数
晶面：晶体内的阵点（组成的）平面。
用（h k l）表示，是晶面在三个晶轴上的截 距倒数。
晶面间距
晶面组中最近两晶面间的距离叫晶面间距。
晶面指数低，面上具有较高的原子密度，间距大、作用力弱
晶体的结构
金属晶体
金属键； 无方向性； 原子呈圆球状密堆积
结构
体心立方
面心立方
密排六方
离子晶体
离子键，无方向性。
共价晶体
共价键；有方向性、饱和性， 配位数和方向受限制（配位须成键）
分子晶体
组元为分子； 范氏力和氢键 ，若仅有范氏力：无方向性、饱和性、趋于密堆
液晶
可出现液晶相的物质
分类
从出现液晶相的条件分
热致液晶：因温度变化（热）导致液晶相出现的物质
溶致液晶：在一定溶剂作用下，出现液晶相的物质
从分子排列的有序性分
丝状相
螺旋状相
层状相
固体中的原子无序
固溶体
杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于 基质晶格中的固体。
划分
根据相图划分
端部固溶体(初级固溶体): 包括纯组分的固溶体
中部固溶体(二次固溶体): 0＜任一组元＜100％
根据固溶度划分
有限固溶体： 固溶度 ＜100%
无限固溶体(连续固溶体)： 固溶度 0 ~100%
根据各组元原子分布的规律 性划分
无序固溶体：组元原子的分 布是随机的；
有序固溶体：各组元原子 分别占据各自的分点阵，分点 阵穿插成复杂的超点阵。
根据溶质在点阵中的位置划分
置换型固溶体 ：晶体原 (离)子被其它原(离)子部分代换后形成。
置换量不同
完全互溶
部分互溶
不形成固溶体
影响因素
原子（离子）大小
键的性质或极化的影响
晶体的结构和晶胞的大小
电价的影响
间隙型固溶体 ： 较小的原子进入晶格间隙形成的固溶体
添加原子的大小和难易与晶 体结构有关。对于金属，只有原 子半径很小的H、B、C、N等才能 形成间隙固溶体。
添加到间隙位置中的离子， 需要一些电荷平衡，以保持电中 性。
非化学计量化合物：组分比偏差于化学式的化合物（含变价离子）。
晶体结构缺陷
点缺陷 它在三维空间各方向上尺寸都很小， 亦称为零维缺陷，如空位、间隙原子和异类原 子等。
线缺陷 亦称一维缺陷，在两个方向上尺寸很 小，主要是位错。
面缺陷 在空间一个方向上尺寸很小，另外两 个方向上尺寸较大的缺陷，如晶界、相界，堆 垛层错和孪晶界等。
体缺陷
扩散
金属中的体积扩散机制
空位机制：大多数金属和置换固溶体合金的扩散机制。
间隙机制：间隙杂质原子或间隙固溶体中的溶质原子按 间隙机制移动。
直接交换机制：可能性很小。
影响扩散的因素
温度
扩散激活能
扩散率（扩散系数）
固溶体类型
不同类型的固溶体中，扩散机制及溶质原子的扩散激活 能不同，扩散能力存在很大的差别。
间隙固溶体中溶质扩散速度比置换固溶体中溶质快得多。
晶体结构
致密度越小，扩散系数越大；
固溶体中扩散元素的固溶度在不同位置的区别带来的 浓度梯度；
晶体的各向异性
晶体缺陷
增加缺陷密度一般能够加快扩散，间隙原子除外
应力
应力能够提供原子扩散的驱动力
离子固体和共价固体中的体积扩散
大多数离子固体中的扩散按空位机制进行
共价固体中的扩散也以空位机制为主
其他通道的扩散
扩散可沿位错、晶界及外表面进行
扩散的数学描述
Fick第一定律：在稳态扩散的条件下，单位时间 内通过垂直于扩散方向的单位截面面积的扩散 物质的通量 J 与 浓度梯度成正比。
固体中的转变
固体结构的稳定性
能量越低，体系越稳定
固体中的转变类型
同素异构转变
均匀相变
金属多高温倾向于体心立方, 低温转变为密排六方或面心立方
非晶态的晶化
非晶态是亚稳态，通过成核和晶核长大过程发生晶化
结构弛豫
偏离了原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过程
相分离
多组元体系分离成不同组份和结构的几相
相图
多相系统平衡状态与其影响变数的关系图
相律
相数 p：系统内性质相同且均匀部分的种类数
独立组分数 C：平衡系统中各相组成的最少纯物质数
一元相图，分别以温度、压力为两坐标
二元相图
匀晶相图
杠杆法则
杠杆定律的推导依据：两相中 同一组元 含量之和必等于合金中 相应组元的总量
共晶相图
包晶相图
复杂相图
固体物质的表面结构
表面力和表面力场
化学力（本质上是静电力）来自表面质点的化 学键，可用表面能数值来估计，是固体表面产 生化学吸附的主要原因。
分子间引力（包括范德华力和氢键）是固体表 面产生物理吸附和气体凝聚的主要原因。
表面能和表面张力
表面能 增加单位面积的表面所需要做的功，单位为 J/m2 。
影响因素
温度：一般随温度升高而减小，因为热运动 削弱了质点间的作用力。
键性：表面能反映的是质点间的引力用， 因此具有强键力的金属及无机材料的表面能高。
杂质：表面活化剂。
表面张力 扩散表面时单位长度上所需要的力，单位 N/m。
固体表面张力特点
固体是一种刚性物质，表面质点流动 性差。
固体能够承受剪切力的作用，因此能够抵抗 表面收缩的趋势。
固体的弹性变形行为改变了增加 面积的做功过程。
液体的表面张力
表面结构和几何形状
表面力的存在使固体表面处于较高能量状态，但系统会通 过表面质点极化、重排等途径来降低表面能。
固体表面的几何形状及微裂纹
固体表面特性
表面力场的存在使表面能总倾向最小。
吸附：一种物质的原子或分子（吸附物）附着在另一 种物质（吸附剂）表面的现象。是固体表面力场和被 吸附分子力场之间的相互作用。
润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体，使体 系的吉布斯自由能降低的过程。
黏附：固体表面剩余力场与其紧密接触的固体或 液体的质点相互吸引发生粘附。
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