固體中的相結(jié)構(gòu)

1、2021-11-10(1)176532894第二章第二章 固體中的相結(jié)構(gòu)固體中的相結(jié)構(gòu)2021-11-10(2)176532894基基 本本 概概 念念 合金合金： 組元組元： 合金系合金系： 相相：2固體中的相結(jié)構(gòu)兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的一定方法合成的具有金屬特性具有金屬特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。組成合金組成合金最基本的最基本的物質(zhì)。（如一元、二元、三物質(zhì)。（如一元、二元、三元合金，可以是元素，也可以是化合物。元合金，可以是元素，也可以是化合物。給定合金以不同的比例而合成的給定合金以不同的比例而合成的一系列一系列不不同成分合金的同成

2、分合金的總稱總稱。如。如Fe-C，F(xiàn)e-Cr等。等。任一給定的物質(zhì)系統(tǒng)中，具有任一給定的物質(zhì)系統(tǒng)中，具有同一化學(xué)成分同一化學(xué)成分、同一原子聚集態(tài)和性質(zhì)同一原子聚集態(tài)和性質(zhì)的的均勻連續(xù)均勻連續(xù)組成部分。組成部分。相的分類相的分類：固溶體、化合物、陶瓷晶體相、玻璃相、：固溶體、化合物、陶瓷晶體相、玻璃相、 分子相。分子相。2021-11-10(3)1765328942.1.1 什么是固溶體l 固溶體固溶體：固態(tài)下一種組元溶解在另一種組元中形成的：固態(tài)下一種組元溶解在另一種組元中形成的新相。新相。晶格與溶劑晶格類型相同晶格與溶劑晶格類型相同。 溶劑：晶格與固溶體相同的組元。溶劑：晶格與固溶體相同的組

3、元。 溶質(zhì)：溶質(zhì)：l 固溶度固溶度：溶質(zhì)原子在溶劑中的最大含量（：溶質(zhì)原子在溶劑中的最大含量（極限溶解極限溶解度度）。）。l 固溶體固溶體基本特征基本特征：保持原溶劑的晶體結(jié)構(gòu)；保持原溶劑的晶體結(jié)構(gòu)；有一定的成份范圍；有一定的成份范圍；具有比較明顯的金屬性質(zhì)。具有比較明顯的金屬性質(zhì)。具有一定的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性和一定的塑性等等。這表明，固溶體中的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。第一節(jié) 固溶體2021-11-10(4)1765328942.1.1 什么是固溶體l 固溶體分類：固溶體分類：按溶質(zhì)原子在溶劑點陣中的位置分：按溶質(zhì)原子在溶劑點陣中的位置分： 置換固溶體、間隙固溶體置換固溶體、間隙固溶體按溶解度分：按溶解

4、度分：無限固溶體、有限固溶體無限固溶體、有限固溶體按原子在點陣中排列的秩序性分：按原子在點陣中排列的秩序性分： 無序固溶體、有序固溶體無序固溶體、有序固溶體第一節(jié) 固溶體2021-11-10(5)176532894 置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點陣位置的固溶體。置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點陣位置的固溶體。 Hume-RotheryHume-Rothery三大經(jīng)驗規(guī)律：三大經(jīng)驗規(guī)律：v 溶劑、溶質(zhì)原子半徑之差與溶劑原子半徑比超過溶劑、溶質(zhì)原子半徑之差與溶劑原子半徑比超過14%14%15%15%時，固溶度極為有限。時，固溶度極為有限。v溶劑和溶質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)相近。溶劑和溶質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)相近。v固

5、溶度與元素的原子價有關(guān)。固溶度與元素的原子價有關(guān)。 影響固溶度的因素影響固溶度的因素v原子尺寸因素原子尺寸因素：原子半徑差越小，固溶度越大。：原子半徑差越小，固溶度越大。( (表表2-1)2-1)v晶體結(jié)構(gòu)因素晶體結(jié)構(gòu)因素：結(jié)構(gòu)相同，溶解度大；間隙原子在結(jié)構(gòu)相同，溶解度大；間隙原子在FCCFCC中中溶解度大于溶解度大于BCCBCC中溶解度。中溶解度。v負(fù)電性因素負(fù)電性因素( (化學(xué)親和力化學(xué)親和力) )：負(fù)電性差越大，溶解度大。負(fù)電性差越大，溶解度大。（負(fù)電性差很大時，形成化合物）（負(fù)電性差很大時，形成化合物）v電子濃度因素電子濃度因素： c=e/a=xuc=e/a=xu +(1-x)v +(

6、1-x)v（電子濃度：合金中兩個組元的價電子電子濃度：合金中兩個組元的價電子總數(shù)和原子總數(shù)之比總數(shù)和原子總數(shù)之比。）。）第一節(jié) 固溶體2.1.2 置換固溶體2021-11-10(6)176532894第一節(jié) 固溶體2.1.2 置換固溶體當(dāng)溶劑為一價面心立方金當(dāng)溶劑為一價面心立方金屬時，不同溶質(zhì)的最大固屬時，不同溶質(zhì)的最大固溶度對應(yīng)的電子濃度具有溶度對應(yīng)的電子濃度具有一定的極限值；一定的極限值；溶質(zhì)元素原子價愈高，固溶質(zhì)元素原子價愈高，固溶度愈小溶度愈小。 以 Cu 為 基 以 Ag 為 基 加入元素 化合價 固熔度 Zn Gn Ge As 2 3 4 5 38.4 19.3 11.8 7 Cd

7、 In Sn Sb 2 3 4 5 42 20 12 7 2021-11-10(7)176532894間隙固溶體間隙固溶體：原子半徑小于：原子半徑小于0.1nm的的非金屬元素非金屬元素溶溶入到入到溶劑金屬晶體點陣溶劑金屬晶體點陣的間隙中形成的固溶體。的間隙中形成的固溶體。非金屬元素：非金屬元素：H, N, C , B, O溶解度一般都很小，只能形成溶解度一般都很小，只能形成有限固溶體有限固溶體。典型間隙固溶體：典型間隙固溶體： 碳溶于碳溶于-Fe-Fe（八面體間隙）、（八面體間隙）、-Fe-Fe形成固溶體形成固溶體第一節(jié) 固溶體2.1.3 間隙固溶體2021-11-10(8)176532894

8、固溶體固溶體宏觀宏觀上均勻，上均勻，微觀微觀上上不均勻不均勻出現(xiàn)出現(xiàn)偏聚偏聚，部分有序部分有序，完全完全有序有序等情況。等情況。取決于取決于同類原子結(jié)合能同類原子結(jié)合能(EAA ， EBB)和異類原子間結(jié)合能和異類原子間結(jié)合能(EAB)的相對大小。的相對大小。第一節(jié) 固溶體2.1.4 有序固溶體若若EAA ， EBB EAB時，則有同時，則有同類原子的類原子的偏聚區(qū)偏聚區(qū); 若若 EAA ，EBB EEAAAA或或E EBBBBu物理性能的變化：物理性能的變化： 隨溶質(zhì)原子的增多，隨溶質(zhì)原子的增多，電阻升高電阻升高。例題例題2.1.1：p59第一節(jié) 固溶體2.1.5 固溶體的性能2021-11

9、-10(11)176532894 金屬間化合物（中間相）金屬間化合物（中間相）：金屬與金屬金屬與金屬或或金屬與類金金屬與類金屬屬之間所形成的化合物。之間所形成的化合物。 影響因素：電負(fù)性，電子濃度，原子尺寸影響因素：電負(fù)性，電子濃度，原子尺寸 類型：類型：正常價化合物：符合原子價規(guī)則的化合物，正常價化合物：符合原子價規(guī)則的化合物，AmBn電子化合物（電子相）：按照一定電子濃度值形成。電子化合物（電子相）：按照一定電子濃度值形成。間隙化合物：受原子尺寸因素控制。間隙化合物：受原子尺寸因素控制。第二節(jié) 金屬間化合物2.2 金屬間化合物2021-11-10(12)176532894 符合原子價規(guī)則的

10、化合物。符合原子價規(guī)則的化合物。AmBn，mec=n(8-eA)有一定成分，可用化學(xué)分子式表示，有一定成分，可用化學(xué)分子式表示， 一般表示為一般表示為AB或或AB2（A2B）。 電負(fù)性差電負(fù)性差對其形成其主要作用，差值越大，穩(wěn)定性越對其形成其主要作用，差值越大，穩(wěn)定性越高。高。 鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離子鍵、共價鍵、鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離子鍵、共價鍵、金屬鍵。金屬鍵。 形成元素：金屬元素與形成元素：金屬元素與A、A、A族元素。族元素。 結(jié)構(gòu)：不同于組元。結(jié)構(gòu)：不同于組元。NaCl結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，CaF2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.2.1 正常價化合物第二節(jié) 金屬間化合物 性能特點：熔點、硬性

11、能特點：熔點、硬度及脆性較高。度及脆性較高。2021-11-10(13)176532894 不遵守化合價規(guī)律，按一定不遵守化合價規(guī)律，按一定電子濃度電子濃度值形成。電子濃值形成。電子濃度不同，晶格類型不同。度不同，晶格類型不同。 相：相： 電子濃度：電子濃度： 3/2 21/13 21/12 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： bcc 復(fù)雜立方復(fù)雜立方 密排六方密排六方 鍵型：金屬鍵（金屬金屬），有金屬特性。鍵型：金屬鍵（金屬金屬），有金屬特性。 可用化學(xué)式表示，但成分可在一定范圍內(nèi)變化，可以可用化學(xué)式表示，但成分可在一定范圍內(nèi)變化，可以形成以化合物為基的固溶體。形成以化合物為基的固溶體。 形成元素：形成元素：B族

12、或過渡族金屬元素與族或過渡族金屬元素與B、A、 A族元素。族元素。2.2.2 電子化合物第二節(jié) 金屬間化合物對含過渡族元素的電子化合物，計算電子濃度時，過對含過渡族元素的電子化合物，計算電子濃度時，過渡族元素的價電子數(shù)常視為零。渡族元素的價電子數(shù)常視為零。2021-11-10(14)176532894 受受原子尺寸原子尺寸因素控制因素控制 形成元素：過渡族金屬與原子形成元素：過渡族金屬與原子半徑很小的半徑很小的非金屬元素非金屬元素。 簡單間隙化合物（間隙簡單間隙化合物（間隙相相）：）：Rx/RM0.59, Rx/RM0.59, Rx/RM0.59, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。主結(jié)構(gòu)復(fù)雜。主要是鐵、鈷、鉻、錳的

13、化要是鐵、鈷、鉻、錳的化合物，如合物，如FeFe3 3C C。2.2.3 間隙化合物第二節(jié) 金屬間化合物2021-11-10(15)176532894拉弗斯(Laves)相結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：AB2型，型，rA/rB=1.05-1.068MgCu2：立方系，：立方系，MgZn2：立方系：立方系MgNi2：六方系：六方系Laves相介于間隙化合物與電子化合物之間，主要取相介于間隙化合物與電子化合物之間，主要取決于幾何因素，但電子濃度也起一定作用，也有決于幾何因素，但電子濃度也起一定作用，也有人將其歸為電子化合物。人將其歸為電子化合物。2021-11-10(16)176532894 力學(xué)性能：高硬度、高熔

14、點、低塑性力學(xué)性能：高硬度、高熔點、低塑性 特殊的物理化學(xué)性質(zhì)：特殊的物理化學(xué)性質(zhì)：具有電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)性質(zhì)等，具有電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)性質(zhì)等，可用于半導(dǎo)體材料、形狀記憶材料、儲氫材料等。可用于半導(dǎo)體材料、形狀記憶材料、儲氫材料等。 例題例題2.2.2：p632.2.4 金屬化合物的特性第二節(jié) 金屬間化合物2021-11-10(17)1765328942.3 陶瓷晶體相 按用途可分為：按用途可分為： 結(jié)構(gòu)陶瓷（利用其力學(xué)性能）：強(qiáng)度（葉片、活塞）、結(jié)構(gòu)陶瓷（利用其力學(xué)性能）：強(qiáng)度（葉片、活塞）、 韌性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。韌性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。 功能陶瓷（利用其物理性能）功

15、能陶瓷（利用其物理性能） 精細(xì)功能陶瓷：導(dǎo)電、氣敏、濕敏、生物、超導(dǎo)陶瓷等。精細(xì)功能陶瓷：導(dǎo)電、氣敏、濕敏、生物、超導(dǎo)陶瓷等。 功能轉(zhuǎn)換陶瓷：壓電、光電、熱電、磁光、聲光陶瓷等。功能轉(zhuǎn)換陶瓷：壓電、光電、熱電、磁光、聲光陶瓷等。 按結(jié)構(gòu)可分為：按結(jié)構(gòu)可分為： 氧化物陶瓷、氧化物陶瓷、 硅酸鹽陶瓷硅酸鹽陶瓷 特點：特點：結(jié)合鍵：以結(jié)合鍵：以離子鍵離子鍵為主，可含有為主，可含有一定比例的共價鍵一定比例的共價鍵。成成 分：確定，可用分子式表示。分：確定，可用分子式表示。性性 質(zhì)：具有典型的質(zhì)：具有典型的非金屬性質(zhì)非金屬性質(zhì)。第三節(jié) 陶瓷晶體相2021-11-10(18)1765328942.3.1

16、氧化物結(jié)構(gòu) (1) AB型化合物的結(jié)構(gòu)型化合物的結(jié)構(gòu)：NaCl結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)、硫鋅礦結(jié)構(gòu)。第三節(jié) 陶瓷晶體相 (2) AB2型化合物的結(jié)構(gòu)型化合物的結(jié)構(gòu): 面心立方（螢石等）, 金紅石型結(jié)構(gòu)2021-11-10(19)1765328942.3.1 氧化物結(jié)構(gòu) (3) A2B3型化合物的結(jié)構(gòu)：型化合物的結(jié)構(gòu)：簡單六方，剛玉(-Al2O3）、 - Fe2O3、 Cr2O3、 Ti2O3、 V2O3。 (4) ABO3型化合物的結(jié)構(gòu)：型化合物的結(jié)構(gòu)：簡單立方；鈣鈦礦（CaTiO3）、 BaTiO3、 PbTiO3第三節(jié) 陶瓷晶體相2021-11-10(20)1765328942.3.1 氧化物結(jié)構(gòu)

17、 (5) AB2O4型結(jié)構(gòu)：尖晶石（MgAl2O4），面心立方第三節(jié) 陶瓷晶體相2021-11-10(21)1765328942.3.2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點及分類 硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點a a 基本結(jié)構(gòu)單元：基本結(jié)構(gòu)單元：SiOSiO4 4。b b 結(jié)合鍵與結(jié)構(gòu)：主要是離子鍵結(jié)合，含一定比例結(jié)合鍵與結(jié)構(gòu)：主要是離子鍵結(jié)合，含一定比例的共價鍵。硅位于氧四面體的間隙。的共價鍵。硅位于氧四面體的間隙。c c 每個氧最多被兩個多面體共有。氧在兩個四面體每個氧最多被兩個多面體共有。氧在兩個四面體之間充當(dāng)橋梁作用，稱為氧橋。之間充當(dāng)橋梁作用，稱為氧橋。第三節(jié) 陶瓷晶體相2021-11-10(22)

18、1765328942.3.2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點及分類 硅酸鹽結(jié)構(gòu)分類硅酸鹽結(jié)構(gòu)分類a a島狀硅酸鹽島狀硅酸鹽：含有限：含有限SiSi-O-O團(tuán)的硅酸鹽，包括團(tuán)的硅酸鹽，包括含孤立含孤立SiSi-O-O團(tuán)和含成對團(tuán)和含成對或環(huán)狀或環(huán)狀SiSi-O-O團(tuán)兩類。團(tuán)兩類。b b 鏈狀硅酸鹽鏈狀硅酸鹽：SiSi-O-O團(tuán)團(tuán)共頂連接成一維結(jié)構(gòu)，共頂連接成一維結(jié)構(gòu)，又含單鏈和雙鏈兩類。又含單鏈和雙鏈兩類。c c 層狀硅酸鹽層狀硅酸鹽：SiSi-O-O團(tuán)團(tuán)底面共頂連接成二維結(jié)底面共頂連接成二維結(jié)構(gòu)。構(gòu)。d d 骨架狀硅酸鹽骨架狀硅酸鹽：SiSi-O-O團(tuán)共頂連接成三維結(jié)構(gòu)。團(tuán)共頂連接成三維結(jié)構(gòu)。第三節(jié) 陶瓷晶

19、體相2021-11-10(23)1765328942.3.2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點及分類例題：例題：第三節(jié) 陶瓷晶體相2021-11-10(24)1765328942.4 玻璃相 玻璃：從液態(tài)凝固下來的、結(jié)構(gòu)與液態(tài)連續(xù)的玻璃：從液態(tài)凝固下來的、結(jié)構(gòu)與液態(tài)連續(xù)的非晶態(tài)非晶態(tài)固體固體。 形成玻璃的條件：形成玻璃的條件：內(nèi)部條件：黏度內(nèi)部條件：黏度外部條件：冷卻速度外部條件：冷卻速度 結(jié)構(gòu)：長程無序、短程有序結(jié)構(gòu)：長程無序、短程有序 （1 1）連續(xù)無軌網(wǎng)絡(luò)模型。）連續(xù)無軌網(wǎng)絡(luò)模型。 （2 2）無規(guī)密堆模型。）無規(guī)密堆模型。 （3 3）無軌則線團(tuán)模型。）無軌則線團(tuán)模型。 性能：性能： （1 1）各向同性。

20、）各向同性。 （2 2）無固定熔點。）無固定熔點。 （3 3）高強(qiáng)度、高耐蝕性、高導(dǎo)磁率（金屬）。）高強(qiáng)度、高耐蝕性、高導(dǎo)磁率（金屬）。 第四節(jié) 玻璃相2021-11-10(25)1765328942.5.1 大分子及其構(gòu)成 高分子化合物：由一種或多種化合物聚合而成的相高分子化合物：由一種或多種化合物聚合而成的相對分子質(zhì)量很大的化合物。又稱聚合物或高聚物。對分子質(zhì)量很大的化合物。又稱聚合物或高聚物。 分類：分類： 按相對分子質(zhì)量：低分子聚合物（按相對分子質(zhì)量：低分子聚合物（500050005000）。）。 按組成物質(zhì)：分為有機(jī)聚合物和無機(jī)聚合物。按組成物質(zhì)：分為有機(jī)聚合物和無機(jī)聚合物。 化學(xué)組

21、成：化學(xué)組成：（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯為例）（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯為例）（1 1）單體：組成高分子化合物的低分子化合物。）單體：組成高分子化合物的低分子化合物。（2 2）鏈節(jié)：組成大分子的結(jié)構(gòu)單元。）鏈節(jié)：組成大分子的結(jié)構(gòu)單元。（3 3）聚合度）聚合度n n：大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)。：大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)。第五節(jié) 分子相2021-11-10(26)1765328942.5.1 大分子及其構(gòu)成合成合成（1 1）加聚反應(yīng)）加聚反應(yīng)a a 概念：由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)。（其概念：由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)。（其產(chǎn)物為聚合物）產(chǎn)物為聚合物）b b 組成：

22、與單體相同。反應(yīng)過程中沒有副產(chǎn)物。組成：與單體相同。反應(yīng)過程中沒有副產(chǎn)物。c c 分類分類 均加聚反應(yīng)：由一種單體參與的加聚反應(yīng)。生成均聚物。均加聚反應(yīng)：由一種單體參與的加聚反應(yīng)。生成均聚物。 共加聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參與的加聚反應(yīng)，生成共聚共加聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參與的加聚反應(yīng)，生成共聚物。物。(2)(2)縮聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)a a 概念：由一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時析出某概念：由一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時析出某種低分子化合物的反應(yīng)。種低分子化合物的反應(yīng)。b b 分類分類 均縮聚反應(yīng)：由一種單體參加的縮聚反應(yīng)。生成均縮聚物。均縮聚反應(yīng)：由一種單體參加的縮聚反應(yīng)。生成均縮聚物。 共縮聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參加的縮聚反應(yīng)。生成共共縮聚反應(yīng)：由