材料化學(xué)導(dǎo)論Chapter2

1、7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter217/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter22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7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter232.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 晶體與非晶體晶體與非晶體 2.3 2.3 晶體的結(jié)構(gòu)與性能晶體的結(jié)構(gòu)與性能 2.4 2.4 晶體缺陷及其對(duì)性能的影響晶體缺陷及其對(duì)性能的影響 2.5 2.5 非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)與性能非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)與性能JJJJJ7

2、/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter242.1 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2.1.2 材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2.1.3 材料性能簡(jiǎn)介材料性能簡(jiǎn)介JJJ7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter252.1 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)相相材料中具有同一化材料中具有同一化學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)相學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分同的均勻部分組織組織材料內(nèi)部的材料內(nèi)

3、部的微觀形貌微觀形貌7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter26phaseatom 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 texture7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2720 nm 20 nmSi (111) 7 7

4、surface7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter28Photonic Crystal7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter291D Photonic Crystal3D Photonic Crystal2D Photonic Crystal7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter210溶液溶液2.1.1.2 Solid solution（1）定義）定義7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter211

5、Solvent 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）組元的原子（化合物）溶入另一個(gè)組元的晶格溶入另一個(gè)組元的晶格中，而仍保持另一組元中，而仍保持另一組元的晶格類(lèi)型的固態(tài)晶體。的晶格類(lèi)型的固態(tài)晶體。固溶體固溶體7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter212 溶質(zhì)和溶劑原子占據(jù)一個(gè)共溶質(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)型相同的點(diǎn)陣類(lèi)型相同。 有一定的成分范圍有一定的成分范圍 具有比較明顯的金屬性質(zhì)具有比較明顯的金屬性質(zhì)（2） 基本基本 特征特征solid

6、solubility結(jié)合鍵主要是金屬鍵7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter213按溶質(zhì)原子在按溶質(zhì)原子在點(diǎn)陣中的位置點(diǎn)陣中的位置Substitutional solid solutionInterstitial solid solution （3）分類(lèi)）分類(lèi)按各組元原子按各組元原子分布的規(guī)律性分布的規(guī)律性 Disordered solid solutionOrdered solid solution按固溶度按固溶度Finite solid solutionInfinite solid solution 7/5/2022Chemistry of

7、 Materials 2004, Chapter214A A、置換型固溶體、置換型固溶體由溶質(zhì)原子代替由溶質(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。結(jié)點(diǎn)位置所組成。 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter215結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Ni : 1s22s22p63s23p63d84s2Cu: 1s22s22p63s23p63d94s2半徑半徑Ni ：0.1246nmCu：0.1278nm 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter216MgOMgO的結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)中

8、MgMg2+2+離子被離子被FeFe2+2+離子所取代。離子所取代。條件：條件：1. 1. 半徑相近半徑相近 2. 2. 電荷數(shù)相同電荷數(shù)相同CaCa2+2+能取代能取代MgMg2+2+嗎？嗎？ LiLi+ + 能取代能取代MgMg2+2+嗎？嗎？Ionic solid solution7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2177/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter218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

9、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？7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter219確定固溶體的點(diǎn)陣類(lèi)型和點(diǎn)陣常數(shù)，確定固溶體的點(diǎn)陣類(lèi)型和點(diǎn)陣常數(shù)，由此推出一個(gè)晶胞內(nèi)的原子數(shù)由此推出一個(gè)晶胞內(nèi)的原子數(shù)n n 和晶胞體積和晶胞體積V V利用利用X X射線(xiàn)衍射射線(xiàn)衍射或電子衍射或電子衍射 置換型還是填隙型？置換型還是填隙型？根據(jù)該固溶體的平均原子量根據(jù)該固溶體的平均原子量A A及阿弗及阿弗伽德羅常數(shù)伽德羅常數(shù)N NA A即可算出固溶體的理論密度即可算出固溶體的理論密度

10、c通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)出該固溶體的實(shí)際密度通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)出該固溶體的實(shí)際密度 eAcNV 比較比較 和和 ec 若若 ：缺位式：缺位式eeeccc7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter220在熱力學(xué)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 C、無(wú)序固溶體、無(wú)序固溶體各組元原子的分布各組元原子的分布是隨機(jī)的。是隨機(jī)的。7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter221D D、有序固溶體、有序固溶體組元原子在晶體點(diǎn)陣組元原子在晶體點(diǎn)陣

11、中不是隨機(jī)分布的，而是出現(xiàn)某種傾向性中不是隨機(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，如異類(lèi)原子互相吸引形成有規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)。排列結(jié)構(gòu)。Ordering固溶體的有序化固溶體的有序化7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter222鐵鐵鉻、鐵鉻、鐵銅、鐵銅、鐵鎳鎳F F、有限固溶體、有限固溶體固溶度小于固溶度小于100%100%。E E、無(wú)限固溶體（又稱(chēng)連續(xù)固溶體）、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組元形成的，任一組元的成分范圍均為

12、0 0100%100%。銅銅鋅、銅鋅、銅錫錫7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter223無(wú)限置換固溶體中兩組元素原子置換無(wú)限置換固溶體中兩組元素原子置換 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter224 固溶強(qiáng)化固溶強(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、 硬度升高硬度升高 。（4）應(yīng)用）應(yīng)用碳原子溶入碳原子溶入 -Fe 硅原子溶入硅原子溶入 -Fe 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter225石英和云母石英和云母2.

13、1.1.3 Aggregate純金屬和合金純金屬和合金聚集體聚集體由無(wú)數(shù)的原子或晶粒聚集由無(wú)數(shù)的原子或晶粒聚集而成的固體。而成的固體。 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2262.1.1.4 Composite復(fù)合體復(fù)合體 由兩種或兩種以上的不由兩種或兩種以上的不同材料通過(guò)一定的方式復(fù)合同材料通過(guò)一定的方式復(fù)合而構(gòu)成的新型材料，各相之而構(gòu)成的新型材料，各相之間存在著明顯的界面。間存在著明顯的界面。 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter227骨骼骨骼天然的納米復(fù)合材料天然的納米復(fù)合材料7/5

14、/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter228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。 J7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2292.1.2 The Structure of Materials宏觀組織結(jié)構(gòu)宏觀組織結(jié)構(gòu)亞微觀組織結(jié)構(gòu)亞微觀組織結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter230應(yīng)用角度應(yīng)用

15、角度2.1.2.1 材料結(jié)構(gòu)的重要性材料結(jié)構(gòu)的重要性 理論角度理論角度 材料科學(xué)中最基本、最重要的知識(shí)。材料科學(xué)中最基本、最重要的知識(shí)。7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter231鉆石薄膜在放大鉆石薄膜在放大10001000倍下顯示的亞微觀結(jié)構(gòu)倍下顯示的亞微觀結(jié)構(gòu)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter232Fe原子在原子在Cu基板上原子像基板上原子像( (IBM) )7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter233Co原子在原子在Pt基板上原子像基板

16、上原子像( (IBM) )7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter234Xe原子在原子在Ni基板上原子像基板上原子像( (IBM) )7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2352.1.2.2 材料中的化學(xué)鍵合材料中的化學(xué)鍵合Metallic bondIonic bondCovalent bondHydrogen bondVan der Waals bond7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter236（1）Metallic bond7/5/2022

17、Chemistry of Materials 2004, Chapter237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球?qū)ΨQ(chēng)性質(zhì)鍵的球?qū)ΨQ(chēng)性質(zhì)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter238（2）Ionic bond離子鍵的離子鍵的特點(diǎn)特點(diǎn)飽和性和無(wú)定向性飽和性和無(wú)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7/5/2022Che

18、mistry of Materials 2004, Chapter239氯化鈉的離子鍵氯化鈉的離子鍵7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter240離子鍵的形成離子鍵的形成7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2417/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter242離子鍵離子鍵CsCl結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter243庫(kù)侖引力與離子間距離的關(guān)系庫(kù)侖引力與離子間距離的關(guān)系7/5/

19、2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2447/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter245（3）Covalent bond兩個(gè)原子共有最外殼層電子的鍵合兩個(gè)原子共有最外殼層電子的鍵合共價(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7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2467/5/2022Chemistry of Materia

20、ls 2004, Chapter247金剛石中的共價(jià)鍵金剛石中的共價(jià)鍵7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter248甲烷的電子層結(jié)構(gòu)甲烷的電子層結(jié)構(gòu)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter249（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另一個(gè)元素必須是顯著的非金屬元素屬元素 有方向性有方向性7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter250水分子之間的氫鍵水分子之間的氫鍵7/5/2022Chem

21、istry of Materials 2004, Chapter251（5）Van der Waals bond 電中性的分子電中性的分子之間的長(zhǎng)程作用力之間的長(zhǎng)程作用力 Johannes Diderik Van der Waals 1837 1923The Nobel Prize in Physics 1910“for his work on the equation of state for gases and liquids”7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter252氬原子間的氬原子間的范德華鍵形成示意圖范德華鍵形成示意圖7/5/202

22、2Chemistry of Materials 2004, Chapter253碘晶體結(jié)構(gòu)示意圖碘晶體結(jié)構(gòu)示意圖7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter254范德華鍵范德華鍵范德華鍵范德華鍵分子鏈?zhǔn)芰瑒?dòng)分子鏈?zhǔn)芰瑒?dòng)聚氯乙烯聚氯乙烯分子間的范德華鍵分子間的范德華鍵7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter255（5）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7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chap

23、ter256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(lèi)類(lèi) 型型作用力來(lái)源作用力來(lái)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(kù)侖引力離子間的庫(kù)侖引力最強(qiáng)最強(qiáng)無(wú)方向性鍵、高配位數(shù)、高熔無(wú)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(kù)侖引力原子核間的庫(kù)侖引力強(qiáng)強(qiáng)有方向性鍵、低配位數(shù)

24、、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(kù)侖引力實(shí)之間的庫(kù)侖引力較強(qiáng)較強(qiáng)無(wú)方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位無(wú)方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位數(shù)高、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(wú)方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、高熔無(wú)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(kù)侖引力間的庫(kù)侖引力弱弱7/5/20

25、22Chemistry of Materials 2004, Chapter257實(shí)際材料中的結(jié)合鍵實(shí)際材料中的結(jié)合鍵7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter258原子能夠結(jié)合為晶體的根本原因，原子能夠結(jié)合為晶體的根本原因，是原子或分子結(jié)合起來(lái)后，體系的能量是原子或分子結(jié)合起來(lái)后，體系的能量可以降低，可以降低，即在分散的原子結(jié)合成晶體過(guò)程中，即在分散的原子結(jié)合成晶體過(guò)程中，會(huì)有一定的能量釋放出來(lái)。會(huì)有一定的能量釋放出來(lái)。 Binding Energy 結(jié)合能結(jié)合能晶體的結(jié)合能晶體的結(jié)合能等于它的升華熱等于它的升華熱 7/5/2022Chemist

26、ry of Materials 2004, Chapter259Attractive forcem mr ra af f 引Repulsive forcen nr rb bf f 斥式中式中a，b，m，n均為常數(shù)，其中均為常數(shù)，其中m n n nm mr rb br ra af ff ff f 斥引總凈作用力凈作用力原子間原子間7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter260E-r和和f-r曲線(xiàn)曲線(xiàn) J7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2612.1.3 Property of Materials

27、2.1.3.1 各類(lèi)材料的一般特性各類(lèi)材料的一般特性 Figure 2-2 General Characters of Materials7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter262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2.1.3.2 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7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter263氧化物成核氧化物成核 生長(zhǎng)生長(zhǎng)氧溶解氧溶解氧化膜生長(zhǎng)氧化膜生長(zhǎng)內(nèi)氧化內(nèi)氧化縫隙縫隙孔洞

28、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(guò)程示意圖主要過(guò)程示意圖7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter264SO2氣體對(duì)鐵的侵蝕過(guò)程氣體對(duì)鐵的侵蝕過(guò)程B. 電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter265海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter266A. 材斜的化學(xué)成分和礦物組成材斜的化學(xué)

29、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）無(wú)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物SiO2為主為主耐耐堿堿材材料料 含有大量堿性氧化物含有大量堿性氧化物如如CaO、MgO7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter267B.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(wú)定形二氧化硅（普通玻璃）無(wú)定形二氧化硅（普通玻璃）C.腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter268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

30、材料的化學(xué)穩(wěn)定性）高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)電絕緣性，無(wú)電化學(xué)腐蝕電絕緣性，無(wú)電化學(xué)腐蝕7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2692.1.3.3 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 Plasticity7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter270樣品拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖樣品拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖7/5/

31、2022Chemistry of Materials 2004, Chapter271沖擊實(shí)驗(yàn)裝置沖擊實(shí)驗(yàn)裝置7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter272（2）硬度）硬度（3）斷裂與韌性）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7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter273Heat CapacitydTdQC Thermal Expansion2.1.3.4 Thermal Prope

32、rty7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter274勢(shì)能一原子間距離曲線(xiàn)勢(shì)能一原子間距離曲線(xiàn)實(shí)際的實(shí)際的假想的假想的7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter275熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)耐熱性耐熱性由材料熔由材料熔融或分解融或分解所需溫度所需溫度的高低反的高低反映出來(lái)映出來(lái)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter276（1）Electrical Conductivity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

33、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 Property7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter277電導(dǎo)率電導(dǎo)率/ Sm-17/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter278氧氧化物化物超導(dǎo)體超導(dǎo)體YBa2Cu3O7：92 KBi2Sr2Ca2Cu3O10：110 KTl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 KHgBa2Cu2O8：153 K 7

34、/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter279（2）Dielectric Property 介電性質(zhì)介電性質(zhì)表表 2-2. 某些介電材料的性能某些介電材料的性能7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2807/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter281（3）Ferroelectricity 鐵電性鐵電性鐵電滯后現(xiàn)象鐵電滯后現(xiàn)象溫度對(duì)介電常數(shù)的影響溫度對(duì)介電常數(shù)的影響7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2

35、82BaTiO3 PbTiO3PbZrO3 NH4H2PO4（4）Piezoelectricity 壓電性壓電性外力外力 極化極化 電場(chǎng)電場(chǎng)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2832.1.3.6 Optical Property表表 2-3. 光的反射、吸收和透過(guò)的特征光的反射、吸收和透過(guò)的特征7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter284磁磁化化曲曲線(xiàn)線(xiàn)2.1.3.7 Magnetic PropertyJ7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter

36、285非晶體非晶體2.2 晶體與非晶體晶體與非晶體2.2.1 結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)2.2.1.1 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集狀態(tài)聚集狀態(tài)不同不同 晶體晶體7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter286長(zhǎng)程長(zhǎng)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)律呈周期性地在空按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成排列構(gòu)成原子、分子或離子無(wú)原子、分子或離子無(wú)規(guī)則地堆積在一起所規(guī)則地堆積在一起所形成形成長(zhǎng)程無(wú)序長(zhǎng)程無(wú)序短程有序短程有序7/5/202

37、2Chemistry of Materials 2004, Chapter287（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 Diffraction7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2882.2.1.2 晶界晶界 Grain Boundary 多晶由許多取向不同的晶粒組成多晶由許多取向不同的晶粒組成兩個(gè)晶粒相遇時(shí)產(chǎn)生的界面稱(chēng)為晶界兩個(gè)晶粒相遇時(shí)產(chǎn)生的界面稱(chēng)為晶界多晶多晶 由單晶組成的聚集體由單晶組成的聚集體單晶單晶 只有一塊結(jié)構(gòu)均勻的大晶體構(gòu)成的固體只有一塊結(jié)構(gòu)均勻

38、的大晶體構(gòu)成的固體7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter289多晶材料的光學(xué)顯微組織多晶材料的光學(xué)顯微組織7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter290多晶鉛碇多晶鉛碇7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2912.2.2 TransformationJ晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2922.3 晶體的結(jié)構(gòu)與性能晶體的結(jié)構(gòu)與性能2.3.1 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 2.3

39、.2 金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料 的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)2.3.3 晶體材料的結(jié)構(gòu)晶體材料的結(jié)構(gòu) 與物理性能與物理性能JJJ7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2932.3 晶體的結(jié)構(gòu)與性能晶體的結(jié)構(gòu)與性能多孔多孔Al2O3多晶多晶 Al2O3單晶單晶 纖維纖維Al2O3多晶多晶 立方氮化硼立方氮化硼六方六方氮化硼氮化硼7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2942.3.1 Crystal Structure 2.3.1.1 Lattice & Crystal System 空間點(diǎn)

40、陣空間點(diǎn)陣Space Lattice點(diǎn)陣點(diǎn)點(diǎn)陣點(diǎn)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter295晶格晶格Crystal Lattice三維空間點(diǎn)陣三維空間點(diǎn)陣7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter296空間點(diǎn)陣和實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系空間點(diǎn)陣和實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter297a、b、c : 確定晶胞大小確定晶胞大小 、 、 : 確定晶胞形狀確定晶胞形狀晶格常數(shù)晶格常數(shù)晶胞晶胞Unit Cell7/5/2022Chem

41、istry of Materials 2004, Chapter298表表 2-4. 7種晶系和種晶系和14種點(diǎn)陣類(lèi)型種點(diǎn)陣類(lèi)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 PRhombohedral a=b=c, = = 90P、(R)Orthorhombic a b c, = = =90P、C、I、FMonoclinica b c, = =90, 90P、CTriclinica b c, 90P7

42、/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2992.3.1.2 Crystal Symmetry晶系晶系特征對(duì)稱(chēng)元素特征對(duì)稱(chēng)元素立方立方4 4個(gè)個(gè)3 3次軸次軸六方六方1 1個(gè)個(gè)6 6次軸次軸四方四方1 1個(gè)個(gè)4 4次軸次軸三方三方1 1個(gè)個(gè)3 3次軸次軸正交正交3 3個(gè)互相垂直個(gè)互相垂直2 2次軸，次軸，或或2 2個(gè)互相垂直對(duì)稱(chēng)面?zhèn)€互相垂直對(duì)稱(chēng)面單斜單斜1 1個(gè)個(gè)2 2次軸，或次軸，或1 1個(gè)對(duì)稱(chēng)面?zhèn)€對(duì)稱(chēng)面三斜三斜無(wú)無(wú)表表 2-5. 7大晶系及其特征對(duì)稱(chēng)元素大晶系及其特征對(duì)稱(chēng)元素J7/5/2022Chemistry of Materials 200

43、4, Chapter21002.3.2 The Structure of Materials金屬金屬陶瓷陶瓷玻璃玻璃瀝青瀝青塑料塑料液晶液晶7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2101金屬材料金屬材料2.3.2.1 Metallic Crystal Materials合合 金金多晶體、固溶體、多晶體、固溶體、金屬間化合物、中間相等金屬間化合物、中間相等金屬單質(zhì)金屬單質(zhì)金屬晶體金屬晶體7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2102金屬晶體的結(jié)構(gòu)金屬晶體的結(jié)構(gòu)Coordination Number

44、Atomic Packing Factor 單位晶胞體積單位晶胞體積單位晶胞內(nèi)原子體積單位晶胞內(nèi)原子體積原子堆積系數(shù)原子堆積系數(shù) 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2103（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7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2104a ：晶格單位長(zhǎng)度：晶格單位長(zhǎng)度R ：原子半徑：原子半徑R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3

45、/4(23333bcc R RR Ra aR R 單位晶胞原子數(shù)單位晶胞原子數(shù) n n =2=27/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2105（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 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2106R Ra aa aR R2424 n n =4=474. 0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R 7/5/2022Chem

46、istry of Materials 2004, Chapter2107（3）hcp hexagonal close-packed structure-Ti，-Co，-Zr，Zn，Mg 等等 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2108R Ra aa ac c238 n n =6=674. 0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcp R RR RR RR Ra aa ac cR R 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2109表表 2-6. 常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)常見(jiàn)晶

47、體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)StructureCNnbcc820.68fcc1240.74hcp1260.747/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter21102.3.2.2 Inorganic Nonmetallic Crystal Materials（1）Diamond Type StructureDiamond7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2111Graphite7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2112C607/5/2022Chemistry

48、 of Materials 2004, Chapter2113正二十面體正二十面體32面體面體7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2114（2）Silicate Structure7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2115多面體的排列方式多面體的排列方式7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2116硅酸鹽結(jié)構(gòu)類(lèi)型硅酸鹽結(jié)構(gòu)類(lèi)型島狀島狀 鏈狀鏈狀 層狀層狀 網(wǎng)絡(luò)狀網(wǎng)絡(luò)狀 7/5/2022Chemistry of Materials 2004,

49、 Chapter2117鎂橄欖石鎂橄欖石(Mg2SiO4)的的理想結(jié)構(gòu)理想結(jié)構(gòu)島狀結(jié)構(gòu)島狀結(jié)構(gòu)A、簡(jiǎn)單硅酸鹽簡(jiǎn)單硅酸鹽7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2118含成對(duì)有限硅氧團(tuán)和環(huán)狀有限硅氧團(tuán)的硅酸鹽含成對(duì)有限硅氧團(tuán)和環(huán)狀有限硅氧團(tuán)的硅酸鹽 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2119B、鏈狀結(jié)構(gòu)鏈狀結(jié)構(gòu)(SiO3)n2n-(Si4O11)n6n-7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2120C、層層狀結(jié)構(gòu)狀結(jié)構(gòu)滑石滑石葉蠟石葉蠟石7/5/

50、2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2121石英結(jié)構(gòu)石英結(jié)構(gòu)D、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)J7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2122Gemstones ScapoliteTourmaline7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter21232.3.3 晶體材料的結(jié)構(gòu)與物理性能晶體材料的結(jié)構(gòu)與物理性能（1）均勻性均勻性（2）各向異性各向異性（3）自發(fā)地形成多面體外形自發(fā)地形成多面體外形（4）晶體具有明顯確定的熔點(diǎn)晶體具有明顯確定的熔點(diǎn)周期性周期性7/5/2022

51、Chemistry of Materials 2004, Chapter2124（5）晶體的對(duì)稱(chēng)性晶體的對(duì)稱(chēng)性 石英晶體的石英晶體的形狀與對(duì)稱(chēng)元素形狀與對(duì)稱(chēng)元素7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2125BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2126J（6）晶體對(duì)晶體對(duì)X X射線(xiàn)的衍射射線(xiàn)的衍射 晶體晶體透過(guò)透過(guò)( (絕大部分絕大部分) ) 非散射能量轉(zhuǎn)化非散射能量轉(zhuǎn)化 散射散射7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter

52、21272.4 晶體缺陷及其對(duì)性能的影響晶體缺陷及其對(duì)性能的影響2.4.1 缺陷的分類(lèi)缺陷的分類(lèi)2.4.2 缺陷對(duì)晶體性質(zhì)的影響缺陷對(duì)晶體性質(zhì)的影響 2.4.3 非整比化合物非整比化合物 JJJ7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter21282.4 晶體缺陷及其對(duì)性能的影響晶體缺陷及其對(duì)性能的影響7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2129平移對(duì)稱(chēng)性的破壞平移對(duì)稱(chēng)性的破壞平移對(duì)稱(chēng)性示意圖平移對(duì)稱(chēng)性示意圖7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter213

53、0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(xiàn)缺陷線(xiàn)缺陷體缺陷體缺陷面缺陷面缺陷2.4.1 缺陷的分類(lèi)缺陷的分類(lèi)7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter21312.4.1.1 Point Defect（1）概念）概念7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2132電子電子空穴空穴電子性缺陷電子性缺陷 空位空位間隙原子間隙原子位錯(cuò)原子或離子位錯(cuò)原子或離子外來(lái)原子或離子外來(lái)原子或離子原子或離子缺陷原子或離子缺陷 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Ch

54、apter2133肖特基缺陷肖特基缺陷弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2134NaClAgBr肖特基缺陷肖特基缺陷 or 弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷 ?陰陽(yáng)離子半徑差異陰陽(yáng)離子半徑差異7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2135空位的遷移空位的遷移空位的復(fù)合空位的復(fù)合7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2136（2）成因）成因熱致缺陷熱致缺陷 摻雜造成缺陷摻雜造成缺陷 與環(huán)境介質(zhì)交換引起缺陷與環(huán)境介質(zhì)交換引起缺陷 外部作用引起缺陷外部作用引起缺陷 7/5/2022Chemistry of Materials 2004, Chapter2137晶體滑移示意圖晶體滑移示意圖2.4.1.2 Dislocation7/5/2022Chemistry of Material