材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能

1、1 Chapter 2 Structure and property of materials2 化學(xué)組成化學(xué)組成組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)材料性能材料性能合成合成 與與 加工加工Relationship3 2.1 材料的組成材料的組成2.1.1 材料組元的結(jié)合形式材料組元的結(jié)合形式2.1.2 材料的化學(xué)組成材料的化學(xué)組成JJCatalog 2.14 組組元元組成材料最基本、組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì)獨(dú)立的物質(zhì)2.1 概述概述2.1.1 材料組元的結(jié)合形式材料組元的結(jié)合形式2.1.1.1 基本概念基本概念相相材料中具有同一化學(xué)材料中具有同一化學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)相同的成分并且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分均勻部分組織組織

2、材料內(nèi)部的材料內(nèi)部的微觀形貌微觀形貌2.1.1.1 Concepts5 Relation of component，phase and texturephaseatom 組織是材料性能的組織是材料性能的 決定性因素決定性因素Relation of component，phase and textureFigure 2-1chemical elementchemical substancemoleculecomponenttexturesimplex texturemultiple texture6 2.1.1.2 Solid solution溶液溶液2.1.1.2 Solid solution

3、（1）定義）定義7 (1) DefinitionSolvent 溶劑溶劑Solute溶質(zhì)溶質(zhì) 一個(gè)（或幾個(gè)）一個(gè)（或幾個(gè)） 組元的原子（化合物）溶入組元的原子（化合物）溶入另一個(gè)組元的晶格中，而仍另一個(gè)組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的保持另一組元的晶格類型的固態(tài)晶體。固態(tài)晶體。固溶體固溶體8 (2) Characteristic 有一定的成分范圍有一定的成分范圍 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)陣類型和溶劑的點(diǎn)的晶體點(diǎn)陣，點(diǎn)陣類型和溶劑的點(diǎn)陣類型相同陣類型相同。 具有比較明顯的金屬性質(zhì)具有比較明顯的金屬性質(zhì) （2）

4、基本基本 特征特征結(jié)合鍵主要是金屬鍵9 (3) Classification按溶質(zhì)原子在點(diǎn)按溶質(zhì)原子在點(diǎn)陣中的位置陣中的位置Substitutional solid solutionInterstitial solid solution （3）分類）分類按各組元原子分按各組元原子分布的規(guī)律性布的規(guī)律性 Disordered solid solutionOrdered solid solution按固溶度按固溶度Finite solid solutionInfinite solid solution 10 A、置換型A、置換型固溶體、置換型固溶體由溶質(zhì)原子代替一由溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子而占據(jù)

5、著溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)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。位置所組成。 11 Periodic table結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) Ni : 1s22s22p63s23p63d84s2 Cu: 1s22s22p63s23p63d94s2 半徑半徑 Ni ：0.1246nm Cu：0.1278nm 12 Ionic solid solutionMgO的結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)中Mg2+離子被離子被Fe2+離子所取代。離子所取代。 條件：條件：1. 半徑相近半徑相近 2. 電荷數(shù)相同電荷數(shù)相同Ca2+能取代能取代Mg2+嗎？嗎？ Li+ 能取代能取代Mg2+嗎？嗎？Ionic solid solution13 形成置

6、換固溶體的影響因素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原子或離子尺寸的影響 Hume-Rothery經(jīng)驗(yàn)規(guī)則經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 2. 晶體結(jié)構(gòu)類型的影響晶體結(jié)構(gòu)類型的影響 3. 離子類型和鍵性離子類型和鍵性 4. 電價(jià)因素電價(jià)因素14 Hume-Rothery經(jīng)驗(yàn)規(guī)則以以r1和和r2分別代表半徑大和半徑小的溶劑分別代表半徑大和半徑小的溶劑(主晶相主晶相)或或溶質(zhì)溶質(zhì)(雜質(zhì)雜質(zhì))原子原子(或離子或離子)的半徑，的半徑， 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間可以形成連續(xù)時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間可以形成連續(xù)固溶體；固溶體； 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間只能形成時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間只能形成有限型固

7、溶體；有限型固溶體； 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間很難形成固溶時(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。體或不能形成固溶體，而容易形成中間相或化合物。因此因此r愈大，則溶解度愈小。愈大，則溶解度愈小。 15. 0121rrrr%30121rrrr%30%15121rrrr原子或離子尺寸的影響原子或離子尺寸的影響 Hume-Rothery經(jīng)驗(yàn)規(guī)則經(jīng)驗(yàn)規(guī)則這是形成連續(xù)固溶體的必要條件，這是形成連續(xù)固溶體的必要條件， 而不是充分必要條件。而不是充分必要條件。15 晶體結(jié)構(gòu)類型的影響晶體結(jié)構(gòu)類型的影響晶體結(jié)構(gòu)類型的影響若溶質(zhì)與溶劑晶體結(jié)構(gòu)類型相同，能形成連續(xù)若溶質(zhì)與溶劑晶

8、體結(jié)構(gòu)類型相同，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，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。而不是充分必要條件。 NiO-MgO都具有面心立方結(jié)構(gòu)，且都具有面心立方結(jié)構(gòu)，且r15%，可形成連續(xù)固溶體；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。體或不形成固溶體。16 離子類型和鍵性離子類型和鍵性離子類型和鍵性化學(xué)鍵性質(zhì)相近，化學(xué)鍵性質(zhì)相近， 即取代前后離子周圍離子間鍵性相近，即取代前后離子周圍離子間鍵性相近， 容易形成固溶體。容易形成固溶體。17 電價(jià)因素電價(jià)因素電價(jià)因素 形成固溶體時(shí)，離

9、子間可以等價(jià)置換也可以不形成固溶體時(shí)，離子間可以等價(jià)置換也可以不等價(jià)置換。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，在硅酸鹽晶體中，常發(fā)生復(fù)合離子的等價(jià)置換，如如Na+ + Si4+ = Ca2+ + Al3+，使鈣長石，使鈣長石CaAl2Si2O6和鈉長石和鈉長石NaAlSi3O8能形成連續(xù)能形成連續(xù)固溶體。又如，固溶體。又如，Ca2+ = 2Na+，Ba2+ = 2K+常出現(xiàn)常出現(xiàn)在沸石礦物中。在沸石礦物中。18 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)以上幾個(gè)影響因素，并不是同時(shí)起作用，以上幾個(gè)影響因素，并不是同時(shí)起作用，在某些條件下，有的因素會起主要因素，在某些條件下，有的因素會起主要因素，有的會

10、不起主要作用。有的會不起主要作用。r(Si4+)=0.26埃，埃，r(Al3+)=0.39埃，相差達(dá)埃，相差達(dá)45%以上，電價(jià)又不同，但以上，電價(jià)又不同，但SiO、AlO鍵性鍵性接近，鍵長亦接近，仍能形成固溶體，在鋁接近，鍵長亦接近，仍能形成固溶體，在鋁硅酸鹽中，常見硅酸鹽中，常見Al3+置換置換Si4+形成置換固溶體形成置換固溶體的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。19 B、填隙型固溶體、填隙型固溶體在溶劑的晶格間隙內(nèi)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。有溶質(zhì)的原子填入（溶入）形成的固溶體。原子半徑：原子半徑： H: 0.046nm B: 0.097nm C: 0.077nm N: 0.07

11、1nmB、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形成填隙型固溶體的條件雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)大小雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)大小 即添加的原子愈小，即添加的原子愈小， 易形成固溶體，反之亦然。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)離子尺寸、離子價(jià)、電負(fù)性，結(jié)構(gòu)等因素。等因素。21 晶體（基質(zhì)）結(jié)構(gòu)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，離子尺寸是與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系密切相關(guān)的， 在一定程度上來說，在一定程度上來說， 結(jié)構(gòu)中間隙的大小起了決定性的作用。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，一般

12、晶體中空隙愈大，結(jié)構(gòu)愈疏松， 易形成固溶體。易形成固溶體。 22 322iFCaCaFFFYYF 電價(jià)因素電價(jià)因素外來雜質(zhì)原子進(jìn)人間隙時(shí)，外來雜質(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，必然引起晶體結(jié)構(gòu)中電價(jià)的不平衡， 這時(shí)可以通過生成空位，這時(shí)可以通過生成空位， 產(chǎn)生部分取代或離子的價(jià)態(tài)變化來保持電價(jià)平衡。產(chǎn)生部分取代或離子的價(jià)態(tài)變化來保持電價(jià)平衡。 例如例如YF3加入到加入到CaF2中：中：23 當(dāng)當(dāng)F-進(jìn)入間隙時(shí)，產(chǎn)生負(fù)電荷，進(jìn)入間隙時(shí)，產(chǎn)生負(fù)電荷， 由由Y3+進(jìn)入進(jìn)入Ca2+位置來保持位置關(guān)系和電價(jià)的平衡。位置來保持位置關(guān)系和電價(jià)的平衡。 填隙型固溶體的生成，填隙型固溶體的生

13、成， 一般都使晶格常數(shù)增大，增加到一定的程度，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，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。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，晶體中間隙是有限的， 容納雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的能力容納雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的能力10%。 24 Examples晶格結(jié)構(gòu)的空隙越大，晶格結(jié)構(gòu)的空隙越大， 越有利于形成固溶體。越有利于形成固溶體。形成填隙型固溶體的次序？形成填隙型固溶體的次序？ 片沸石、片沸石、CaF2、TiO2、MgO 為什么高溫下碳易于填入鐵晶格的空隙？為什么高溫下碳易于填入鐵晶格的空隙？25 C、無序在熱力學(xué)

14、處于在熱力學(xué)處于 平衡狀態(tài)的平衡狀態(tài)的 固溶體中，固溶體中， 溶質(zhì)原子的分布溶質(zhì)原子的分布 宏觀上是宏觀上是 均勻的。均勻的。 C、無序固溶體、無序固溶體各組元原子的分布是隨各組元原子的分布是隨機(jī)的。機(jī)的。26 D、有序D、有序固溶體、有序固溶體組元原子在晶體點(diǎn)陣中組元原子在晶體點(diǎn)陣中不是隨機(jī)分布的，而是出現(xiàn)某種傾向性排列，不是隨機(jī)分布的，而是出現(xiàn)某種傾向性排列，如異類原子互相吸引形成有規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)。如異類原子互相吸引形成有規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)。Ordering 固溶體的有序化固溶體的有序化27 E、無限 F、有限鐵鐵鉻、鐵鉻、鐵銅、鐵銅、鐵鎳鎳F、有限固溶體、有限固溶體固溶度小于固溶度小于100

15、%。E、無限固溶體（又稱連續(xù)固溶體）、無限固溶體（又稱連續(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元形成的，任一組元的成分范圍均為 0100%。銅銅鋅、銅鋅、銅錫錫28 Example無限置換固溶體中兩組元素原子置換無限置換固溶體中兩組元素原子置換 29 形成固溶體后對晶體性質(zhì)的影響形成固溶體后對晶體性質(zhì)的影響形成固溶體后對晶體性質(zhì)的影響1. 穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生 2. 活化晶格活化晶格 3. 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 4. 形成固溶體后對材料物理性質(zhì)的影響形成固溶體后對材料物理性質(zhì)的影響

16、30 PZT陶瓷穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生PZT陶瓷陶瓷兩者結(jié)構(gòu)相同，兩者結(jié)構(gòu)相同，Zr4+、Ti4+離子尺寸相差不多，能離子尺寸相差不多，能在常溫生成連續(xù)固溶體在常溫生成連續(xù)固溶體Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.10.3。在斜方鐵電體和四方鐵電體的邊界組成在斜方鐵電體和四方鐵電體的邊界組成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3處，壓電性能、介電常數(shù)都達(dá)到處，壓電性能、介電常數(shù)都達(dá)到最大值，燒結(jié)性能也很好。最大值，燒結(jié)性能也很好。PbTiO3是一種鐵電體，純是一種鐵電體，純PbTiO3燒結(jié)性能極差，燒結(jié)性能極差，居里點(diǎn)為居里點(diǎn)為490C，發(fā)生相變時(shí)，晶

17、格常數(shù)劇烈變，發(fā)生相變時(shí)，晶格常數(shù)劇烈變化，在常溫下發(fā)生開裂?；?，在常溫下發(fā)生開裂。 PbZrO3是一種反鐵電體，居里點(diǎn)為是一種反鐵電體，居里點(diǎn)為230C。31 ZrO2四方單斜C1200ZrO2 一種高溫耐火材料，熔點(diǎn)一種高溫耐火材料，熔點(diǎn)2680C，但發(fā)生相變時(shí)，但發(fā)生相變時(shí) 伴隨很大的體積收縮，這對高溫結(jié)構(gòu)材料是致命伴隨很大的體積收縮，這對高溫結(jié)構(gòu)材料是致命的。的。若加入若加入CaO，則和，則和ZrO2形成固溶體，無晶型轉(zhuǎn)變，形成固溶體，無晶型轉(zhuǎn)變，體積效應(yīng)減少，使體積效應(yīng)減少，使ZrO2成為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)成為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)材料。材料。 32 活化晶格Al2O3熔點(diǎn)高（熔點(diǎn)高（2

18、050C），不利于燒結(jié)，若加入），不利于燒結(jié)，若加入TiO2，可使燒結(jié)溫度下降到，可使燒結(jié)溫度下降到1600，這是因?yàn)?，這是因?yàn)锳l2O3 與與TiO2形成固溶體，形成固溶體，Ti4+置換置換Al3+后，后， 帶正電，為平衡電價(jià)，產(chǎn)生了正離子空位，加快帶正電，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。擴(kuò)散，有利于燒結(jié)進(jìn)行。 AlTi活化晶格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)。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，溶質(zhì)原子的溶入， 使固溶體的強(qiáng)度、使固溶體的強(qiáng)度、 硬

19、度升高硬度升高 。固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化34 形成固溶體后對材料物理性質(zhì)的影響形成固溶體后對材料物理性質(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，但一般都不是線性關(guān)系。而連續(xù)變化，但一般都不是線性關(guān)系。 固溶體的強(qiáng)度與硬度往往高于各組元，固溶體的強(qiáng)度與硬度往往高于各組元， 而塑性則較低。而塑性則較低。35 2.1.1.3 Aggregate2.1.1.3 Aggregate石英和云母石英和云母純金屬和合金純金屬和合金聚集體聚集體由無數(shù)的原子或晶粒聚集而成的由無數(shù)的原子或晶粒聚集而成的固體。固體。 36 2.1.1.4 Composite2.

20、1.1.4 Composite復(fù)合體復(fù)合體 由兩種或兩種以上的不同由兩種或兩種以上的不同材料通過一定的方式復(fù)合而構(gòu)材料通過一定的方式復(fù)合而構(gòu)成的新型材料，各相之間存在成的新型材料，各相之間存在著明顯的界面。著明顯的界面。 37 Example骨骼骨骼天然的納米復(fù)合材料天然的納米復(fù)合材料38 Characteristic特點(diǎn)特點(diǎn)保持各相的固有特性；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)）；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。賦予單一材料所不具備的特殊性能。 39 2.1.2 The structure of materials2.1.2 The Chem

21、ical Structure of Materials金屬材料的化學(xué)組成金屬材料的化學(xué)組成 無機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成無機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成 高分子材料的化學(xué)組成高分子材料的化學(xué)組成 40 2.1.2.1 Importance單質(zhì)金屬單質(zhì)金屬2.1.2.1 金屬材料的化學(xué)組成金屬材料的化學(xué)組成 金屬合金金屬合金 鐵、鉻、錳屬于黑色金屬，其余都屬有色金屬鐵、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以及聚集體形式存在41 2.1.2.1 Importance金屬元素化合物金屬元素化合物2.1.2.2 無機(jī)非金屬材

22、料的化學(xué)組成無機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成 非金屬元素化合物非金屬元素化合物 經(jīng)一定工藝過程制得經(jīng)一定工藝過程制得42 2.1.2.1 ImportanceC C、H H、O O為主為主2.1.2.2 高分子材料的化學(xué)組成高分子材料的化學(xué)組成 S、P、Cl、F、Si等具體見表具體見表2443 2.2 材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)2.2.1 材料中的化學(xué)鍵合材料中的化學(xué)鍵合2.2.2 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)JJCatalog 2.1J2.2.3 材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)44 2.1.2.2 Bonds2.1.2.2 材料中的化學(xué)鍵合材料中的化學(xué)鍵合Metallic bond Ionic bond Covalen

23、t bond Hydrogen bond Van der Waals bond 45 每個(gè)原子都提供少數(shù)價(jià)電每個(gè)原子都提供少數(shù)價(jià)電子，作為自由電子，共用子，作為自由電子，共用于整個(gè)晶體。其特點(diǎn)是具于整個(gè)晶體。其特點(diǎn)是具有鍵作用的電子并不固定有鍵作用的電子并不固定在一定的原子上，而是可在一定的原子上，而是可以在金屬格子之間自由活以在金屬格子之間自由活動。動。46 Characteristic & properties高導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率高導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率 不透明性不透明性 金屬表面的高反射性金屬表面的高反射性 延展性延展性 金屬鍵的金屬鍵的特點(diǎn)特點(diǎn)金屬的特性金屬的特性電子的離域性電子的離域性 鍵的

24、球?qū)ΨQ性質(zhì)鍵的球?qū)ΨQ性質(zhì)47 (2) Ionic bond（2）Ionic bond 離子鍵的離子鍵的特點(diǎn)特點(diǎn) 飽和性和無定向性飽和性和無定向性 離子化合物的特性離子化合物的特性 配位數(shù)高、堆積致密配位數(shù)高、堆積致密 本質(zhì)上可以歸結(jié)于靜電引力本質(zhì)上可以歸結(jié)于靜電引力48 Example離子鍵離子鍵CsCl結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖49 Formation離子鍵的形成離子鍵的形成50 Formation51 Coulomb gravitation & distance between ions庫侖引力與離子間距離的關(guān)系庫侖引力與離子間距離的關(guān)系52 Coulomb gravitation & dist

25、ance between ions53 共價(jià)鍵的特點(diǎn)共價(jià)鍵的特點(diǎn) 方向性和飽和性方向性和飽和性 共價(jià)鍵晶體的特性共價(jià)鍵晶體的特性 很高的熔點(diǎn)和硬度很高的熔點(diǎn)和硬度 良好的光學(xué)特性良好的光學(xué)特性 不良的導(dǎo)電性不良的導(dǎo)電性54 Example55 Example金剛石中的共價(jià)鍵金剛石中的共價(jià)鍵56 Example甲烷的電子層結(jié)構(gòu)甲烷的電子層結(jié)構(gòu)57 (4) Hydrogen bond（4）Hydrogen bond兩個(gè)條件兩個(gè)條件 分子中必須含氫分子中必須含氫另一個(gè)元素必須是顯著的非金屬元素另一個(gè)元素必須是顯著的非金屬元素 有方向性有方向性58 Example水分子之間的氫鍵水分子之間的氫鍵59

26、(5) Van der Waals bond（5）Van der Waals bond 電中性的分子電中性的分子 之間的長程作用力，絕大多數(shù)的有機(jī)化之間的長程作用力，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)，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。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

27、鍵范德華鍵范德華鍵范德華鍵分子鏈?zhǔn)芰瑒臃肿渔準(zhǔn)芰瑒泳勐纫蚁┚勐纫蚁?分子間的范德華鍵分子間的范德華鍵61 (5) Physical bonds & chemical bonds（6）Comparison物理鍵物理鍵化學(xué)鍵化學(xué)鍵離子鍵離子鍵 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 金屬鍵金屬鍵范德華鍵范德華鍵 氫鍵氫鍵62 Comparison表表 2-1. 各種結(jié)合鍵主要特點(diǎn)比較各種結(jié)合鍵主要特點(diǎn)比較類類 型型作用力來源作用力來源鍵合鍵合 強(qiáng)弱強(qiáng)弱形成晶體的特點(diǎn)形成晶體的特點(diǎn)離子鍵離子鍵原子得、失電子后形原子得、失電子后形成負(fù)、正離子，正負(fù)成負(fù)、正離子，正負(fù)離子間的庫侖引力離子間的庫侖引力最強(qiáng)最強(qiáng)無方向性鍵、高配位

28、數(shù)、高熔無方向性鍵、高配位數(shù)、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、熔態(tài)離子導(dǎo)電熔態(tài)離子導(dǎo)電共價(jià)鍵共價(jià)鍵相鄰原子價(jià)電子各處相鄰原子價(jià)電子各處于相反的自旋狀態(tài)，于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫侖引力原子核間的庫侖引力強(qiáng)強(qiáng)有方向性鍵、低配位數(shù)、高熔有方向性鍵、低配位數(shù)、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不導(dǎo)電導(dǎo)電金屬鍵金屬鍵自由電子氣與正離子自由電子氣與正離子實(shí)之間的庫侖引力實(shí)之間的庫侖引力較強(qiáng)較強(qiáng)無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位數(shù)高、

29、塑性較好、有光澤、良數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性范德華范德華鍵鍵原子間瞬時(shí)電偶極矩原子間瞬時(shí)電偶極矩的感應(yīng)作用的感應(yīng)作用最弱最弱無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、高熔無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、高熔點(diǎn)、絕緣點(diǎn)、絕緣氫鍵氫鍵氫原子核與極性分子氫原子核與極性分子間的庫侖引力間的庫侖引力弱弱63 Bonds in actual materials實(shí)際材料中的結(jié)合鍵實(shí)際材料中的結(jié)合鍵64 2.2 Crystal & non-crystal非晶體非晶體2.2.2 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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)晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)固態(tài)物質(zhì)固態(tài)物質(zhì) 原子或分子原子或分子 聚

30、集狀態(tài)聚集狀態(tài) 不同不同 晶體晶體65 Concepts長程長程 有序有序（1）晶體）晶體（2）非晶體）非晶體原子或原子團(tuán)、離子或分子在原子或原子團(tuán)、離子或分子在空按一定規(guī)律呈周期性地排列空按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成構(gòu)成原子、分子或離子原子、分子或離子無規(guī)則地堆積在一無規(guī)則地堆積在一起所形成起所形成長程無序長程無序 短程有序短程有序66 Comparison（3） Comparison方石英方石英石英玻璃石英玻璃石英凝膠石英凝膠2()衍射強(qiáng)度衍射強(qiáng)度Curve of X-ray Diffraction67 2.3.1 Crystal structureCrystal Structure（br

31、ief introduction） Lattice & Crystal System 空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣 Space Lattice點(diǎn)陣點(diǎn)點(diǎn)陣點(diǎn) 68 Crystal lattice晶格晶格 Crystal Lattice三維空間點(diǎn)陣三維空間點(diǎn)陣69 Types of lattice表表 2-5. 7種晶系和種晶系和14種點(diǎn)陣類型種點(diǎn)陣類型Crystal System點(diǎn)陣參數(shù)間的關(guān)系點(diǎn)陣參數(shù)間的關(guān)系Lattice typeCubica=b=c, = = =90P、I、FTetragonala=b c, = = =90P、IHexaganola=b c, = =90, =120 PRhombohe

32、dral a=b=c, = = 90P、(R)Orthorhombic a b c, = = =90P、C、I、FMonoclinica b c, = =90, 90P、CTriclinica b c, 90P70 2.4.1 Classification點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)缺陷 ( (本征缺陷本征缺陷) ) 線缺陷線缺陷雜質(zhì)原子與固溶體雜質(zhì)原子與固溶體面缺陷面缺陷2.2.2.2 缺陷的分類缺陷的分類71 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷發(fā)生在晶格中一個(gè)原子尺寸范圍內(nèi)的一發(fā)生在晶格中一個(gè)原子尺寸范圍內(nèi)的一類缺陷，亦稱零維缺陷，例如空位、間隙原子等。類缺陷，亦稱零維缺陷，例如空位、間隙原子等。 線缺陷線缺陷缺陷

33、只在一個(gè)方向上延伸，或稱一維缺缺陷只在一個(gè)方向上延伸，或稱一維缺陷，主要是各種形式的陷，主要是各種形式的“位錯(cuò)位錯(cuò)”，例如晶格中缺少一，例如晶格中缺少一列粒子即形成線缺陷。列粒子即形成線缺陷。 面缺陷面缺陷晶體內(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，即在堆積過程中偶爾有一個(gè)晶面不按規(guī)定的方式陷，即在堆積過程中偶爾有一個(gè)晶面不按規(guī)定的方式來堆積，于是這一層之間就產(chǎn)生了面缺陷。來堆積，于是這一層之間就產(chǎn)生了面缺陷。 雜質(zhì)原子與固溶體雜質(zhì)原子與固溶體72 2.4.1.1 Point defectA。 Point Defect概念概念73 B。Dislocation從滑移角

34、度看，位錯(cuò)是滑移面上已滑移和未滑移從滑移角度看，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。發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。 晶體中的線缺陷是各種類型的位錯(cuò)，其特點(diǎn)是原晶體中的線缺陷是各種類型的位錯(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、長幾百到幾萬個(gè)原子間距的管狀原個(gè)原子間距、長幾百到幾萬個(gè)原子間距的管狀原子畸變區(qū)。子畸變區(qū)。 74 A、Edge dislocatio

35、n刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) Edge Dislocation75 B、Screw dislocation螺旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò) Screw Dislocation76 2.4.1.3 Planar defect晶核晶核晶體生長晶體生長長成的晶體長成的晶體顯微圖樣顯微圖樣C。Planar Defect77 材料的表面是最顯而易見的面缺陷。材料的表面是最顯而易見的面缺陷。 在垂直于表面方向上，平移對稱性被破壞了。在垂直于表面方向上，平移對稱性被破壞了。 由于材料是通過表面與環(huán)境及其它材料發(fā)生相互由于材料是通過表面與環(huán)境及其它材料發(fā)生相互作用，所以表面的存在對材料的物理化學(xué)性能有作用，所以表面的存在對材料的物理化

36、學(xué)性能有重要的影響。重要的影響。 常見的氧化、腐蝕、磨損等自然現(xiàn)象都與表面狀常見的氧化、腐蝕、磨損等自然現(xiàn)象都與表面狀態(tài)有關(guān)。態(tài)有關(guān)。 78 多晶材料的光學(xué)顯微組織多晶材料的光學(xué)顯微組織79 Structure2.2.3 材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)Coordination NumberAtomic Packing Factor 單位晶胞體積單位晶胞內(nèi)原子體積原子堆積系數(shù)見書中圖見書中圖21080 (1) bcc（1）bcc body-centered cubic structure堿金屬、堿金屬、-Fe 、 難熔金屬難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 81 a

37、 ：晶格單位長度：晶格單位長度 R ：原子半徑：原子半徑R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc R RR Ra aR R 單位晶胞原子數(shù)單位晶胞原子數(shù) n = 2bcc82 (2) fcc（2）fcc face-centered cubic structureAl，Ni， Pb，Pd， Pt，貴金屬貴金屬 以及以及 奧氏體不銹鋼等奧氏體不銹鋼等 83 fccR Ra aa aR R2424 n = 474. 0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R 84 (3) hcp（3）hcp hexagonal c

38、lose-packed structure-Ti， -Co， -Zr， Zn，Mg 等等 85 hcpR Ra aa ac c238 n = 674. 0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcp R RR RR RR Ra aa ac cR R 86 2.3.2.2 Inorganic nonmetallic crystal materials2.2.3.2 Inorganic Nonmetallic Crystal Materials（1）Diamond Type StructureDiamond87 (1) Diamond type structureGraphite

39、C6088 (2) Silicate structure（2）Silicate Structure89 Silicate structure硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型 島狀島狀 鏈狀鏈狀 層狀層狀 網(wǎng)絡(luò)狀網(wǎng)絡(luò)狀 90 (2) Silicate structure（3）玻璃結(jié)構(gòu)）玻璃結(jié)構(gòu)無機(jī)玻璃可以看成是處在過冷狀態(tài)的一無機(jī)玻璃可以看成是處在過冷狀態(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。見圖體的規(guī)則排列。見圖217，18（4）陶瓷結(jié)構(gòu)）陶瓷結(jié)構(gòu)由晶相，固溶體相，玻璃相，少量或極由晶相，固溶體相，玻璃相，少量或極少量的氣相組成。少量的氣相組成。91

40、 2.5 Noncrystal materials鈉玻璃鈉玻璃石英玻璃石英玻璃石英晶體石英晶體92 (2) Silicate structure2.2.3.3 高分子材料的結(jié)構(gòu)高分子材料的結(jié)構(gòu)A.單體單體C.交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)B.鏈狀結(jié)構(gòu)鏈狀結(jié)構(gòu) 幾種模型見書中圖幾種模型見書中圖219鏈的柔順性與外力、溫度、大分子鏈的鏈的柔順性與外力、溫度、大分子鏈的結(jié)構(gòu)的關(guān)系？結(jié)構(gòu)的關(guān)系？D.聚集態(tài)結(jié)構(gòu)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大分子與大分子之間的相互作用和幾何排列93 (2) Silicate structure2.2.3.4 多相復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模式多相復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模式94

41、2.1.3 Property of materials2. 3 Property of Materials2. 3.1 各類材料的一般特性各類材料的一般特性 Figure 2-2 General Characters of Materials95 2.1.3.2 Chemical performance溶蝕性溶蝕性 耐腐蝕性耐腐蝕性 抗?jié)B透性抗?jié)B透性 抗氧化性抗氧化性2. 3.1 Chemical Performance材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性96 (1) Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物

42、成核 生長生長 氧溶解氧溶解氧化膜生長氧化膜生長 內(nèi)氧化內(nèi)氧化縫隙縫隙 孔洞孔洞 微裂紋微裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋吸附吸附A. 化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕（1）金屬材料）金屬材料 的化學(xué)穩(wěn)定性的化學(xué)穩(wěn)定性 金屬氧化反應(yīng)的金屬氧化反應(yīng)的 主要過程示意圖主要過程示意圖97 Electrochemistry corrosionSO2氣體對鐵的侵蝕過程氣體對鐵的侵蝕過程B. 電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕98 Example海水對金屬的侵蝕示意圖海水對金屬的侵蝕示意圖99 A. 材斜的化學(xué)成分和礦物組成材斜的化學(xué)成分和礦物組成（2）無機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性）無機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化

43、物SiO2為主為主耐耐 堿堿 材材 料料 含有大量堿性氧化物如含有大量堿性氧化物如CaO、MgO(2) Chemical stability of non-metal materials100 Material structure & corrosion mediumB.材料孔隙和結(jié)構(gòu)材料孔隙和結(jié)構(gòu)結(jié)晶的二氧化硅（石英）結(jié)晶的二氧化硅（石英） 和和 無定形二氧化硅（普通玻璃）無定形二氧化硅（普通玻璃）C.腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)101 (3) Chemical stability of polymers化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿（3）高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性）高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性主鏈

44、原子以共價(jià)鍵結(jié)合主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合 長分子鏈對反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)長分子鏈對反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù) 電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕 102 2.1.3.3 Mechanical property2.1.3.3 Mechanical Property材料受外力作用時(shí)的變形行為材料受外力作用時(shí)的變形行為 及其抵抗破壞的能力及其抵抗破壞的能力（1）Intensity and Plasticity103 Experiment樣品拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖樣品拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖104 沖擊實(shí)驗(yàn)裝置沖擊實(shí)驗(yàn)裝置Experiment105 Other mechanical properties（2）硬度）硬度（3）斷裂與

45、韌性）斷裂與韌性脆性斷裂和韌性斷裂脆性斷裂和韌性斷裂（4）疲勞特性與耐磨性）疲勞特性與耐磨性材料抵抗其他較硬物體材料抵抗其他較硬物體 壓入表面的能力壓入表面的能力106 表表 2-2. 硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn)107 2.1.3.4 Thermal propertyHeat CapacitydTdQC Thermal Expansion2.1.3.4 Thermal Property108 Examples熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)耐熱性耐熱性由材料熔融由材料熔融或分解所需或分解所需溫度的高低溫度的高低反映出來反映出來 109 2.1.3.5 Electrical property（1）Electrical Con

46、ductivity金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）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)體陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體 高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、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）其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）2.1.3.5 Electrical Property110 電導(dǎo)率電導(dǎo)率/ Sm-1111 Superconduct materials氧化物超導(dǎo)體氧化物超導(dǎo)體 YBa2Cu3O7：92 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10：110 K Tl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 K HgBa2Cu2O8：153 K 1

47、12 (2) Dielectric Property （2）Dielectric Property 表表 2-3. 某些介電材料的性能某些介電材料的性能113 Experiment114 (3) Ferroelectricity（3）Ferroelectricity鐵電滯后現(xiàn)象鐵電滯后現(xiàn)象溫度對溫度對 介電常數(shù)的影響介電常數(shù)的影響115 (4) PiezoelectricityBaTiO3 PbTiO3 PbZrO3 NH4H2PO4（4）Piezoelectricity外力外力 極化極化 電場電場116 2.1.3.6 Optical property2.1.3.6 Optical Prop

48、erty表表 2-4. 光的反射、吸收和透過的特征光的反射、吸收和透過的特征3/13/2005 11:43:30 PM Chapter2, Chemistry of Materials 2005, 117 2.6 材料結(jié)構(gòu)的表征2.6 材料結(jié)構(gòu)的表征材料結(jié)構(gòu)的表征2.6.1 材料化學(xué)組成的表征材料化學(xué)組成的表征化學(xué)分析法化學(xué)分析法 儀器分析法儀器分析法3/13/2005 11:43:30 PM Chapter2, Chemistry of Materials 2005, 118 2.6.2 材料結(jié)構(gòu)的表征材料結(jié)構(gòu)的表征（1 1）晶體結(jié)構(gòu)的研究和表征）晶體結(jié)構(gòu)的研究和表征（2 2）材料顯微結(jié)構(gòu)的

49、研究）材料顯微結(jié)構(gòu)的研究119 2.6.2 材料結(jié)構(gòu)的表征材料結(jié)構(gòu)的表征（1 1）晶體結(jié)構(gòu)的研究和表征）晶體結(jié)構(gòu)的研究和表征（2 2）材料顯微結(jié)構(gòu)的研究）材料顯微結(jié)構(gòu)的研究120 形貌觀察及物相形貌觀察及物相(組成、含量組成、含量)分析；分析； 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)(類型、點(diǎn)陣常數(shù)類型、點(diǎn)陣常數(shù))的測定；的測定； 固體結(jié)合鍵的類型；固體結(jié)合鍵的類型； 雜質(zhì)含量及分布情況；雜質(zhì)含量及分布情況； 晶粒形態(tài)、大小、取向及義分布特征；晶粒形態(tài)、大小、取向及義分布特征； 晶粒中的晶格畸變相缺陷情況；晶粒中的晶格畸變相缺陷情況； 晶體結(jié)構(gòu)和相結(jié)構(gòu)及其分布特征；晶體結(jié)構(gòu)和相結(jié)構(gòu)及其分布特征； 材料的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變。材料的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變。 121 2.6.3 材料結(jié)構(gòu)表征的基本步驟和方法材料結(jié)構(gòu)表征的基本步驟和方法（1）如果材料是晶態(tài)，則要確定是單晶還是多）如果材料是晶態(tài)，則要確定是單晶還是多晶，晶粒的數(shù)目、大小、形狀和分布的情況；晶，晶粒的數(shù)目、大小、形狀和分布的情況； （2）晶體結(jié)構(gòu)的類型、點(diǎn)陣常數(shù)等；）晶體結(jié)構(gòu)的類型、點(diǎn)陣常數(shù)等； （3）晶體缺陷的性質(zhì)、數(shù)目和分布以及晶格畸）晶