材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能.ppt

1,Chapter 2,Composition Structure and Property of Materials,材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能,Chapter 2 Structure and property of materials,2,材料性能,材料應(yīng)用,Relationship,3,2.1 材料的組成,2.1.1 材料組元的結(jié)合形式,2.1.2 材料的化學(xué)組成,J,J,Catalog 2.1,4,2.1 概述,2.1.1 材料組元的結(jié)合形式,2.1.1.1 基本概念,2.1.1.1 Concepts,5,Relation of component，phase and texture,phase,atom,組織是材料性能的 決定性因素,Relation of component，phase and texture,Figure 2-1,chemical element,chemical substance,molecule,component,texture,simplex texture,multiple texture,6,2.1.1.2 Solid solution,溶液,2.1.1.2 Solid solution,（1）定義,7,(1) Definition,Solvent 溶劑,Solute溶質(zhì),一個(gè)（或幾個(gè)） 組元的原子（化合物）溶入另一個(gè)組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類(lèi)型的固態(tài)晶體。,固溶體,8,(2) Characteristic, 有一定的成分范圍,solid solubility, 溶質(zhì)和溶劑原子占據(jù)一個(gè)共同的晶體點(diǎn)陣，點(diǎn)陣類(lèi)型和溶劑的點(diǎn)陣類(lèi)型相同。, 具有比較明顯的金屬性質(zhì),（2） 基本 特征,結(jié)合鍵主要是金屬鍵,9,(3) Classification,（3）分類(lèi),10,A、置換型,A、置換型固溶體由溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子而占據(jù)著溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所組成。,11,Periodic table,結(jié)構(gòu) Ni : 1s22s22p63s23p63d84s2 Cu: 1s22s22p63s23p63d94s2,半徑 Ni ：0.1246nm Cu：0.1278nm,12,Ionic solid solution,MgO的結(jié)構(gòu)中Mg2+離子被Fe2+離子所取代。,條件：1. 半徑相近 2. 電荷數(shù)相同,Ca2+能取代Mg2+嗎？ Li+ 能取代Mg2+嗎？,Ionic solid solution,13,形成置換固溶體的影響因素,形成置換固溶體的影響因素,1. 原子或離子尺寸的影響 Hume-Rothery經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 2. 晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的影響 3. 離子類(lèi)型和鍵性 4. 電價(jià)因素,14,Hume-Rothery經(jīng)驗(yàn)規(guī)則,以r1和r2分別代表半徑大和半徑小的溶劑(主晶相)或溶質(zhì)(雜質(zhì))原子(或離子)的半徑， 當(dāng) 時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間可以形成連續(xù)固溶體； 當(dāng) 時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間只能形成有限型固溶體； 當(dāng) 時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間很難形成固溶體或不能形成固溶體，而容易形成中間相或化合物。因此r愈大，則溶解度愈小。,原子或離子尺寸的影響 Hume-Rothery經(jīng)驗(yàn)規(guī)則,15,晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的影響,晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的影響,若溶質(zhì)與溶劑晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同，能形成連續(xù)固溶體，這也是形成連續(xù)固溶體的必要條件，而不是充分必要條件。 NiO-MgO都具有面心立方結(jié)構(gòu)，且r15%，可形成連續(xù)固溶體； MgO-CaO兩兩結(jié)構(gòu)不同，只能形成有限型固溶體或不形成固溶體。,16,離子類(lèi)型和鍵性,離子類(lèi)型和鍵性,化學(xué)鍵性質(zhì)相近， 即取代前后離子周?chē)x子間鍵性相近， 容易形成固溶體。,17,電價(jià)因素,電價(jià)因素,形成固溶體時(shí)，離子間可以等價(jià)置換也可以不等價(jià)置換。 在硅酸鹽晶體中，常發(fā)生復(fù)合離子的等價(jià)置換，如Na+ + Si4+ = Ca2+ + Al3+，使鈣長(zhǎng)石CaAl2Si2O6和鈉長(zhǎng)石NaAlSi3O8能形成連續(xù)固溶體。又如，Ca2+ = 2Na+，Ba2+ = 2K+常出現(xiàn)在沸石礦物中。,18,注意事項(xiàng),以上幾個(gè)影響因素，并不是同時(shí)起作用，在某些條件下，有的因素會(huì)起主要因素，有的會(huì)不起主要作用。,19,B、填隙型固溶體在溶劑的晶格間隙內(nèi)有溶質(zhì)的原子填入（溶入）形成的固溶體。,原子半徑： H: 0.046nm B: 0.097nm C: 0.077nm N: 0.071nm,B、填隙型,20,形成填隙型固溶體的條件,形成填隙型固溶體的條件,雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)大小 即添加的原子愈小， 易形成固溶體，反之亦然。,填隙型固溶體的固溶度仍然取決于離子尺寸、離子價(jià)、電負(fù)性，結(jié)構(gòu)等因素。,21,晶體（基質(zhì)）結(jié)構(gòu),離子尺寸是與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系密切相關(guān)的， 在一定程度上來(lái)說(shuō)， 結(jié)構(gòu)中間隙的大小起了決定性的作用。 一般晶體中空隙愈大，結(jié)構(gòu)愈疏松， 易形成固溶體。,22,電價(jià)因素,外來(lái)雜質(zhì)原子進(jìn)人間隙時(shí)， 必然引起晶體結(jié)構(gòu)中電價(jià)的不平衡， 這時(shí)可以通過(guò)生成空位， 產(chǎn)生部分取代或離子的價(jià)態(tài)變化來(lái)保持電價(jià)平衡。 例如YF3加入到CaF2中：,23,當(dāng)F-進(jìn)入間隙時(shí)，產(chǎn)生負(fù)電荷， 由Y3+進(jìn)入Ca2+位置來(lái)保持位置關(guān)系和電價(jià)的平衡。 填隙型固溶體的生成， 一般都使晶格常數(shù)增大，增加到一定的程度， 使固溶體變成不穩(wěn)定而離解， 所以填隙型固溶體不可能是連續(xù)的固溶體。 晶體中間隙是有限的， 容納雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的能力10%。,24,Examples,晶格結(jié)構(gòu)的空隙越大， 越有利于形成固溶體。,形成填隙型固溶體的次序？ 片沸石、CaF2、TiO2、MgO,為什么高溫下碳易于填入鐵晶格的空隙？,25,C、無(wú)序,在熱力學(xué)處于 平衡狀態(tài)的 固溶體中， 溶質(zhì)原子的分布 宏觀上是 均勻的。,C、無(wú)序固溶體各組元原子的分布是隨機(jī)的。,26,D、有序,D、有序固溶體組元原子在晶體點(diǎn)陣中不是隨機(jī)分布的，而是出現(xiàn)某種傾向性排列，如異類(lèi)原子互相吸引形成有規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)。,Ordering 固溶體的有序化,27,E、無(wú)限 F、有限,鐵鉻、鐵銅、鐵鎳,F、有限固溶體固溶度小于100%。,E、無(wú)限固溶體（又稱(chēng)連續(xù)固溶體） 是由兩個(gè)（或多個(gè)）晶體結(jié)構(gòu)相同的組元形成的，任一組元的成分范圍均為 0100%。,銅鋅、銅錫,28,Example,無(wú)限置換固溶體中兩組元素原子置換,29,形成固溶體后對(duì)晶體性質(zhì)的影響,形成固溶體后對(duì)晶體性質(zhì)的影響,1. 穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生 2. 活化晶格 3. 固溶強(qiáng)化 4. 形成固溶體后對(duì)材料物理性質(zhì)的影響,30,PZT陶瓷,穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生,PZT陶瓷,PbTiO3是一種鐵電體，純PbTiO3燒結(jié)性能極差，居里點(diǎn)為490C，發(fā)生相變時(shí)，晶格常數(shù)劇烈變化，在常溫下發(fā)生開(kāi)裂。 PbZrO3是一種反鐵電體，居里點(diǎn)為230C。,31,ZrO2,ZrO2 一種高溫耐火材料，熔點(diǎn)2680C，但發(fā)生相變時(shí) 伴隨很大的體積收縮，這對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料是致命的。 若加入CaO，則和ZrO2形成固溶體，無(wú)晶型轉(zhuǎn)變，體積效應(yīng)減少，使ZrO2成為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)材料。,32,活化晶格,Al2O3熔點(diǎn)高（2050C），不利于燒結(jié)，若加入TiO2，可使燒結(jié)溫度下降到1600，這是因?yàn)锳l2O3 與TiO2形成固溶體，Ti4+置換Al3+后， 帶正電，為平衡電價(jià)，產(chǎn)生了正離子空位，加快擴(kuò)散，有利于燒結(jié)進(jìn)行。,活化晶格,形成固溶體后，晶格結(jié)構(gòu)有一定畸變，處于高能量的活化狀態(tài)，有利于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。,33,固溶強(qiáng)化,溶質(zhì)原子的溶入， 使固溶體的強(qiáng)度、 硬度升高 。,固溶強(qiáng)化,34,形成固溶體后對(duì)材料物理性質(zhì)的影響,固溶體的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)等物理性質(zhì)也隨成分而連續(xù)變化，但一般都不是線(xiàn)性關(guān)系。 固溶體的強(qiáng)度與硬度往往高于各組元， 而塑性則較低。,35,2.1.1.3 Aggregate,2.1.1.3 Aggregate,聚集體由無(wú)數(shù)的原子或晶粒聚集而成的固體。,36,2.1.1.4 Composite,2.1.1.4 Composite,復(fù)合體,由兩種或兩種以上的不同材料通過(guò)一定的方式復(fù)合而構(gòu)成的新型材料，各相之間存在著明顯的界面。,37,Example,骨骼天然的納米復(fù)合材料,38,Characteristic,特點(diǎn),保持各相的固有特性； 各相原有特性的強(qiáng)化（協(xié)同效應(yīng)）； 賦予單一材料所不具備的特殊性能。,39,2.1.2 The structure of materials,2.1.2 The Chemical Structure of Materials,金屬材料的化學(xué)組成 無(wú)機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成 高分子材料的化學(xué)組成,40,2.1.2.1 Importance,單質(zhì)金屬,2.1.2.1 金屬材料的化學(xué)組成,金屬合金,鐵、鉻、錳屬于黑色金屬，其余都屬有色金屬 合金可以固溶體、共熔金、金屬間化合物 以及聚集體形式存在,41,2.1.2.1 Importance,金屬元素化合物,2.1.2.2 無(wú)機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成,非金屬元素化合物,經(jīng)一定工藝過(guò)程制得,42,2.1.2.1 Importance,C、H、O為主,2.1.2.2 高分子材料的化學(xué)組成,S、P、Cl、F、Si等,具體見(jiàn)表24,43,2.2 材料的結(jié)構(gòu),2.2.1 材料中的化學(xué)鍵合,2.2.2 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),J,J,Catalog 2.1,J,2.2.3 材料的結(jié)構(gòu),44,2.1.2.2 Bonds,2.1.2.2 材料中的化學(xué)鍵合,Metallic bond Ionic bond Covalent bond Hydrogen bond Van der Waals bond,45,每個(gè)原子都提供少數(shù)價(jià)電子，作為自由電子，共用于整個(gè)晶體。其特點(diǎn)是具有鍵作用的電子并不固定在一定的原子上，而是可以在金屬格子之間自由活動(dòng)。,46,Characteristic & properties,高導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率 不透明性 金屬表面的高反射性 延展性,電子的離域性 鍵的球?qū)ΨQ(chēng)性質(zhì),47,(2) Ionic bond,（2）Ionic bond,離子鍵的特點(diǎn) 飽和性和無(wú)定向性,離子化合物的特性 配位數(shù)高、堆積致密,本質(zhì)上可以歸結(jié)于靜電引力,48,Example,離子鍵CsCl結(jié)構(gòu)示意圖,49,Formation,離子鍵的形成,50,Formation,51,Coulomb gravitation & distance between ions,庫(kù)侖引力與離子間距離的關(guān)系,52,Coulomb gravitation & distance between ions,53,共價(jià)鍵的特點(diǎn) 方向性和飽和性,共價(jià)鍵晶體的特性 很高的熔點(diǎn)和硬度 良好的光學(xué)特性 不良的導(dǎo)電性,54,Example,55,Example,金剛石中的共價(jià)鍵,56,Example,甲烷的電子層結(jié)構(gòu),57,(4) Hydrogen bond,（4）Hydrogen bond,兩個(gè)條件,分子中必須含氫 另一個(gè)元素必須是顯著的非金屬元素,有方向性,58,Example,水分子之間的氫鍵,59,(5) Van der Waals bond,（5）Van der Waals bond,電中性的分子 之間的長(zhǎng)程作用力，絕大多數(shù)的有機(jī)化合物，其分子的原子之間由共價(jià)鍵連結(jié)，而分子間靠范德華鍵聯(lián)系。,Johannes Diderik Van der Waals 1837 1923 The Nobel Prize in Physics 1910 “for his work on the equation of state for gases and liquids”,60,Example,范德華鍵,范德華鍵,分子鏈?zhǔn)芰瑒?dòng),聚氯乙烯 分子間的范德華鍵,61,(5) Physical bonds & chemical bonds,（6）Comparison,物理鍵,化學(xué)鍵,離子鍵 共價(jià)鍵 金屬鍵,范德華鍵 氫鍵,62,Comparison,表 2-1. 各種結(jié)合鍵主要特點(diǎn)比較,63,Bonds in actual materials,實(shí)際材料中的結(jié)合鍵,64,2.2 Crystal & non-crystal,非晶體,2.2.2 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),2.2.2.1 晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),固態(tài)物質(zhì) 原子或分子 聚集狀態(tài) 不同,晶體,65,Concepts,長(zhǎng)程 有序,（1）晶體,（2）非晶體,原子或原子團(tuán)、離子或分子在空按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成,原子、分子或離子無(wú)規(guī)則地堆積在一起所形成,長(zhǎng)程無(wú)序 短程有序,66,Comparison,（3） Comparison,Curve of X-ray Diffraction,67,2.3.1 Crystal structure,Crystal Structure（brief introduction）,Lattice & Crystal System,空間點(diǎn)陣 Space Lattice,點(diǎn)陣點(diǎn),68,Crystal lattice,晶格 Crystal Lattice,三維空間點(diǎn)陣,69,Types of lattice,表 2-5. 7種晶系和14種點(diǎn)陣類(lèi)型,70,2.4.1 Classification,點(diǎn)缺陷,結(jié)構(gòu)缺陷 (本征缺陷),線(xiàn)缺陷,雜質(zhì)原子與固溶體,面缺陷,2.2.2.2 缺陷的分類(lèi),71,點(diǎn)缺陷發(fā)生在晶格中一個(gè)原子尺寸范圍內(nèi)的一類(lèi)缺陷，亦稱(chēng)零維缺陷，例如空位、間隙原子等。 線(xiàn)缺陷缺陷只在一個(gè)方向上延伸，或稱(chēng)一維缺陷，主要是各種形式的“位錯(cuò)”，例如晶格中缺少一列粒子即形成線(xiàn)缺陷。 面缺陷晶體內(nèi)部偏離周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的二維缺陷，即在堆積過(guò)程中偶爾有一個(gè)晶面不按規(guī)定的方式來(lái)堆積，于是這一層之間就產(chǎn)生了面缺陷。 雜質(zhì)原子與固溶體,72,2.4.1.1 Point defect,A。 Point Defect,概念,73,B。Dislocation 從滑移角度看，位錯(cuò)是滑移面上已滑移和未滑移部分的交界，即晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。 晶體中的線(xiàn)缺陷是各種類(lèi)型的位錯(cuò)，其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍，在一個(gè)方向上尺寸較大，而另外兩個(gè)方向上尺寸較小，是一個(gè)直徑約在35個(gè)原子間距、長(zhǎng)幾百到幾萬(wàn)個(gè)原子間距的管狀原子畸變區(qū)。,74,A、Edge dislocation,刃型位錯(cuò) Edge Dislocation,75,B、Screw dislocation,螺旋位錯(cuò) Screw Dislocation,76,2.4.1.3 Planar defect,C。Planar Defect,77,材料的表面是最顯而易見(jiàn)的面缺陷。 在垂直于表面方向上，平移對(duì)稱(chēng)性被破壞了。 由于材料是通過(guò)表面與環(huán)境及其它材料發(fā)生相互作用，所以表面的存在對(duì)材料的物理化學(xué)性能有重要的影響。 常見(jiàn)的氧化、腐蝕、磨損等自然現(xiàn)象都與表面狀態(tài)有關(guān)。,78,多晶材料的光學(xué)顯微組織,79,Structure,2.2.3 材料的結(jié)構(gòu) 金屬材料的結(jié)構(gòu),見(jiàn)書(shū)中圖210,80,(1) bcc,（1）bcc body-centered cubic structure,堿金屬、-Fe 、 難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等,81,a ：晶格單位長(zhǎng)度 R ：原子半徑,單位晶胞原子數(shù) n = 2,bcc,82,(2) fcc,（2）fcc face-centered cubic structure,Al，Ni， Pb，Pd， Pt，貴金屬 以及 奧氏體不銹鋼等,83,fcc,n = 4,84,(3) hcp,（3）hcp hexagonal close-packed structure,-Ti， -Co， -Zr， Zn，Mg 等,85,hcp,n = 6,86,2.3.2.2 Inorganic nonmetallic crystal materials,2.2.3.2 Inorganic Nonmetallic Crystal Materials,（1）Diamond Type Structure,Diamond,87,(1) Diamond type structure,Graphite,C60,88,(2) Silicate structure,（2）Silicate Structure,89,Silicate structure,硅酸鹽結(jié)構(gòu)類(lèi)型,島狀,鏈狀,層狀,網(wǎng)絡(luò)狀,90,(2) Silicate structure,（3）玻璃結(jié)構(gòu),無(wú)機(jī)玻璃可以看成是處在過(guò)冷狀態(tài)的一種粘度極高的液體，整個(gè)結(jié)構(gòu)不具有晶體的規(guī)則排列。見(jiàn)圖217，18,（4）陶瓷結(jié)構(gòu),由晶相，固溶體相，玻璃相，少量或極少量的氣相組成。,91,2.5 Noncrystal materials,鈉玻璃,石英玻璃,石英晶體,92,(2) Silicate structure,2.2.3.3 高分子材料的結(jié)構(gòu),A.單體,C.交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),B.鏈狀結(jié)構(gòu) 幾種模型見(jiàn)書(shū)中圖219 鏈的柔順性與外力、溫度、大分子鏈的結(jié)構(gòu)的關(guān)系？,D.聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 大分子與大分子之間的相互作用和幾何排列,93,(2) Silicate structure,2.2.3.4 多相復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模式,94,2.1.3 Property of materials,2. 3 Property of Materials,2. 3.1 各類(lèi)材料的一般特性,Figure 2-2 General Characters of Materials,95,2.1.3.2 Chemical performance,2. 3.1 Chemical Performance,材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力,96,(1) Chemical stability of metal materials,A. 化學(xué)腐蝕,（1）金屬材料 的化學(xué)穩(wěn)定性,金屬氧化反應(yīng)的 主要過(guò)程示意圖,97,Electrochemistry corrosion,SO2氣體對(duì)鐵的侵蝕過(guò)程,B. 電化學(xué)腐蝕,98,Example,海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖,99,A. 材斜的化學(xué)成分和礦物組成,（2）無(wú)機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性,(2) Chemical stability of non-metal materials,100,Material structure & corrosion medium,B.材料孔隙和結(jié)構(gòu),結(jié)晶的二氧化硅（石英） 和 無(wú)定形二氧化硅（普通玻璃）,C.腐蝕介質(zhì),101,(3) Chemical stability of polymers,化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿,（3）高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性,102,2.1.3.3 Mechanical property,2.1.3.3 Mechanical Property,材料受外力作用時(shí)的變形行為 及其抵抗破壞的能力,（1）Intensity and Plasticity,103,Experiment,樣品拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖,104,沖擊實(shí)驗(yàn)裝置,Experiment,105,Other mechanical properties,（2）硬度,（3）斷裂與韌性,脆性斷裂和韌性斷裂,（4）疲勞特性與耐磨性,材料抵抗其他較硬物體 壓入表面的能力,106,表 2-2. 硬度試驗(yàn),107,2.1.3.4 Thermal property,Heat Capacity,Thermal Expansion,2.1.3.4 Thermal Property,108,Examples,熱傳導(dǎo),耐熱性,由材料熔融或分解所需溫度的高低反映出來(lái),109,2.1.3.5 Electrical property,（1）Electrical Conductivity,金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等） 陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體 高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體 其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）,2.1.3.5 Electrical Property,110,電導(dǎo)率/ Sm-1,111,Superconduct materials,氧化物超導(dǎo)體 YBa2Cu3O7：92 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10：110 K Tl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 K HgBa2Cu2O8：153 K,112,(2) Dielectric Property,（2）Dielectric Property,表 2-3. 某些介電材料的性能,113,Experiment,114,(3) Ferroelectricity,（3）Ferroelectricity,鐵電滯后現(xiàn)象,溫度對(duì) 介電常數(shù)的影響,115,(4) Piezoelectricity,BaTiO3 PbTiO3 PbZrO3 NH4H2PO4,（4）Piezoelectricity,外力 極化 電場(chǎng),116,2.1.3.6 Optical property,2.1.3.6 Optical Property,表 2-4. 光的反射、吸收和透過(guò)的特征,3/13/2005 11:43:30 PM,Chapter2, Chemistry of Materials 2005, ceszzh,117,2.6 材料結(jié)構(gòu)的表征,2.6 材料結(jié)構(gòu)的表征,2.6.1 材料化學(xué)組成的表征,化學(xué)分析法 儀器分析法,3/13/2005 11:43:30 PM,Chapter2, Chemistry of Materials 2005, ceszzh,118,2.6.2 材料結(jié)構(gòu)的表征,（1）晶體結(jié)構(gòu)的研究和表征,（2）材料顯微結(jié)構(gòu)的研究,119,2.6.2 材料結(jié)構(gòu)的表征,（1）晶體結(jié)構(gòu)的研究和表征,（2）材料顯微結(jié)構(gòu)的研究,120, 形貌觀察及物相(組成、含量)分析； 晶體結(jié)構(gòu)(類(lèi)型、點(diǎn)陣常數(shù))的測(cè)定； 固體結(jié)合鍵的類(lèi)型； 雜質(zhì)含量及分布情況； 晶粒形