第三章材料組成與結(jié)構(gòu)

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材料組成和結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容主要內(nèi)容3.1

金屬材料的組成與結(jié)構(gòu)3.2無(wú)機(jī)非金屬材料的組成與結(jié)構(gòu)3.3高分子材料的組成與結(jié)構(gòu)3.4復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)3.53.1材料的組成和結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容材料的組成：構(gòu)成材料的基本單元的成分和數(shù)目材料的結(jié)構(gòu)：材料的組成單元之間相互吸引和相互排斥作

用達(dá)到平衡時(shí)在空間的幾何排列。包括：構(gòu)成材料的原子的電子結(jié)構(gòu)

（決定化學(xué)鍵的類型）

分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（決定材料的基本類型及材料組成相的結(jié)構(gòu)）

材料的顯微組織結(jié)構(gòu)（組成材料的各相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布等）從宏觀到微觀可分為：

宏觀組織結(jié)構(gòu)、顯微組織結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)中南民族大學(xué)3.2金屬材料的組成和結(jié)構(gòu)3.2.1金屬材料3.2.1.2

金屬材料的組成（1）原子結(jié)構(gòu)金屬元素的原子結(jié)構(gòu)區(qū)別于其他元素的一些共性：外層電子較少，且與原子核的結(jié)合的結(jié)合力較弱;很容易脫離核，而成為自由電子，同時(shí)形成電子層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的正離子狀態(tài)。最典型的金屬：堿金屬，堿土金屬等；過(guò)渡金屬：ns層電子能量低于（n-1)d層，從而使d層電子數(shù)處于1～10之間未填滿的狀態(tài)。（2）金屬鍵：金屬內(nèi)部的自由電子與失去價(jià)電子的正離子之間的靜電引力而產(chǎn)生的。中南民族大學(xué)金屬鍵的模型如圖所示：

金屬原子全部或部分地使其外層的價(jià)電子脫離原來(lái)的原子，失去價(jià)電子的原子形成正離子。而正離子和部分中性原子按一定的幾何規(guī)則排列起來(lái)，并在固定的點(diǎn)上做熱振動(dòng)。脫離原子的價(jià)電子為整個(gè)正離子所共有。這種公有化的電子稱之為自由電子。因此，金屬鍵的結(jié)合是靠公有化的自由電子與離子間的靜電引力而產(chǎn)生的。3.2.1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方面心立方密排六方晶格參數(shù)a=b=cα=β=γ=90oa=b=cα=β=γ=90oc/a=1.633α=β=90oγ=60o性質(zhì)較高強(qiáng)度、硬度和熔點(diǎn)高具有良好塑性和韌性強(qiáng)度低，塑性和韌性差原子數(shù)246中南民族大學(xué)最典型、最常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種：P106元素晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣常數(shù)最近的原子間距ac鋁鈹鎘鉻鈷銅金鐵鉛鋰鎂鉬鎳鈮鉑鉀銠銣銀鈉鉭釷鈦鎢鈾釩鋅鋯面心立方密排六方密排六方體心立方密排六方面心立方面心立方體心立方面心立方體心立方密排立方體心立方面心立方體心立方面心立方體心立方面心立方體心立方面心立方體心立方體心立方面心立方密排六方體心立方正交體心立方密排六方密排六方4.04962.28562.97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.20943.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.1650

3.02822.66493.2312

3.58325.6167

4.069

5.2105

4.6788

4.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.1723.2.1.3金屬材料的理論密度根據(jù)金屬晶體的晶胞，可以計(jì)算金屬材料的理論密度：

理論密度=金屬晶胞中所有原子的總質(zhì)量與晶胞

體積之比n為一個(gè)晶胞中原子個(gè)數(shù)，Am為金屬原子量，Vc為一個(gè)晶胞的體積，NA為阿伏伽德羅常數(shù)中南民族大學(xué)例：銅的原子半徑是0.128nm，原子量是63.5g/mol，計(jì)算銅fcc晶體的理論密度，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的密度8.94g/cm3進(jìn)行比較。解：所計(jì)算的理論密度小于實(shí)驗(yàn)值，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)用銅中含有少量更高原子量的其他元素中南民族大學(xué)3.2.2合金材料3.2.2.1合金由兩種或兩種以上的金屬元素、或金屬元素與非金屬元素組成的，具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。組元：組成合金最基本的，獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。中南民族大學(xué)

合金分類：按組成合金的元素?cái)?shù)量

按組分

按組成方式二元合金三元合金多元合金鐵基合金又稱鐵合金或合金鋼，碳鋼非鐵基合金有色金屬固溶體單相金屬間化合物單相機(jī)械混合物多相3.2.2.2合金的相結(jié)構(gòu)中南民族大學(xué)相：合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻組成部分。大多數(shù)合金的組元在液態(tài)下能相互溶解，成為均勻的液體，因此只具有一個(gè)液相。在凝固以后，由于各組元之間相互作用不同，在固態(tài)合金中可能會(huì)出現(xiàn)不同的相結(jié)構(gòu)。根據(jù)合金中元素之間相互作用的不同，合金中的相基本上可以分為兩類：固溶體和金屬間化合物。金屬間化合物：

有固溶體和化合物兩方面的特性，又稱為中間相。形成的晶格與組成元素的晶格不同。(正常價(jià)化合物、電子化合物和間隙化合物）（1）正常價(jià)化合物金屬元素和IVA

、VA

、VIA非金屬元素按化合價(jià)的比例構(gòu)成電負(fù)性越大的元素和正電性越強(qiáng)的金屬所組成的化合物越穩(wěn)定。中南民族大學(xué)正常價(jià)化合物硬度高，但較脆。NaCl型，如MgSeCaF2型，如Mg2Si閃鋅礦型，如立方ZnS（2）電子化合物貴金屬（Au,Ag,Cu）/金屬（Zn,Al,Sn）組成合金時(shí)，隨合金組元成分的改變，合金相的結(jié)構(gòu)與電子濃度具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。電子化合物（電子相）的特點(diǎn)：可以用一定分子式來(lái)表示，但組元間不符合化學(xué)價(jià)的規(guī)律，而是按照一定的電子濃度比值形成一定晶格類型的化合物。所謂的電子濃度是指化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比。電子化合物一般具有很高的熔點(diǎn)和硬度，并有導(dǎo)電性。中南民族大學(xué)在Cu-Zn合金中，根據(jù)合金成分的不同，可以分別形成具有不同點(diǎn)陣類型的電子化合物。電子化合物的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性主要取決于電子濃度因素。對(duì)應(yīng)一定的電子濃度，不同合金所形成的電子化合物具有相同的晶體點(diǎn)陣類型。（3）間隙化合物過(guò)渡金屬（如Fe、Mn等）與原子半徑很小的非金屬（如C,N等）形成穩(wěn)定性較高的化合物，其組元之間原子半徑之比大于0.59時(shí)，就形成具有復(fù)雜晶格的間隙化合物。鐵碳合金中很重要的強(qiáng)化相滲碳體（Fe3C）就屬于間隙化合物，其晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的正交結(jié)構(gòu)。中南民族大學(xué)

間隙化合物具有高硬度和高熔點(diǎn)。3.2.3鐵碳合金的基本知識(shí)

鋼和鑄鐵的基本組元是鐵和碳兩個(gè)元素，故稱之為鐵碳合金。它是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料。1）鐵素體（F:ferrite)：碳溶于在-鐵中的固溶體。-鐵是體心立方晶胞，碳在-鐵中的溶解度很小，C%＝0.02%（727℃），C%＝0.006%（室溫）。硬度和強(qiáng)度低，但塑性和韌性好。2）奧氏體(A:austenite)：碳溶于在-鐵中的間隙固溶體。-鐵是面心立方結(jié)構(gòu)，碳在-鐵中的溶解度比在-鐵中大，C%2.11%（1148℃）。塑性和可鍛性好3）滲碳體：鐵和碳以穩(wěn)定化合物形態(tài)Fe3C出現(xiàn)的碳化鐵,含碳量為6.67％，晶體結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。熔點(diǎn)高，硬度高，塑性和沖擊韌性幾乎為零，脆性極大。中南民族大學(xué)。3.2.3.2鐵碳合金的基本相4）馬氏體（Martensite）：鋼和鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急冷（淬火），得到碳在鐵中的過(guò)飽和固溶體，稱為馬氏體。馬氏體和奧氏體具有同樣的化學(xué)成分。在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，只發(fā)生鐵的晶格重構(gòu)，由面心立方晶格變成體心立方晶格。馬氏體是非平衡組織，具有很高的硬度和強(qiáng)度。鋼在淬火時(shí)之所以會(huì)強(qiáng)化和硬化，其原因是由于形成了馬氏體。5）珠光體（P:pearlitic)鐵素體和滲碳體二者組成的機(jī)械混合物6）萊氏體奧氏體和滲碳體的共晶混合物（機(jī)械混合）中南民族大學(xué)中南民族大學(xué)鐵素體奧氏體馬氏體3.2.3.2鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖是用實(shí)驗(yàn)方法做出的溫度-成分作標(biāo)圖，它不僅表明平衡狀態(tài)下任一鐵碳合金的成分、溫度和組織之間的關(guān)系，而且能推斷其性能與成分或溫度的關(guān)系。鐵與碳能形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。由于鋼和鑄鐵的含碳量不超過(guò)5％，是在Fe-Fe3C（6.67％）的成分范圍內(nèi)，因此，在研究鐵碳合金時(shí)，只研究Fe-Fe3C部分三條水平線:HJB：包晶線。在這條線上發(fā)生包晶反應(yīng)：

包晶反應(yīng)的結(jié)果形成了奧氏體，包晶反應(yīng)只在含0.1％～0.5％碳的鐵碳合金中發(fā)生。ECF：共晶線。在這條線上發(fā)生共晶反應(yīng)：

共晶反應(yīng)的產(chǎn)物奧氏體和滲碳體組成的混合物稱為萊氏體(Le)，共晶反應(yīng)發(fā)生在含碳為2.11～6.67％的鐵碳合金中。PSK：共析線。在這條線上發(fā)生共析反應(yīng)：

共析反應(yīng)的產(chǎn)物鐵素體和滲碳體組成的混合物稱為珠光體（常用P表示）。含碳量超過(guò)0.02％的鐵碳合金，都有共析反應(yīng)。典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析根據(jù)鐵碳合金含碳量和室溫組織的不同，可以將鐵碳合金分為三大類：純鐵：含碳量<0.0218％，其顯微組織為鐵素體。鋼：含碳量在0.0218％～2.11％之間。又可分為三種：亞共析鋼:含碳量<0.77％共析鋼:含碳量為0.77％過(guò)共析鋼:含碳量在0.77％和2.11％之間白口鐵：含碳量在2.11％～6.67％之間。又可分為三種：亞共晶白口鐵:含碳量在2.11％～4.3％之間共晶白口鐵:含碳量為4.3％過(guò)共晶白口鐵:含碳量在4.3％～6.67％之間中南民族大學(xué)共析鋼（0.77%C）的結(jié)晶過(guò)程分析在溫度1～2之間，按勻晶方式析出奧氏體，在溫度2～3之間形成單相奧氏體，奧氏體冷卻到727oC度（3點(diǎn)）時(shí)，將會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體，珠光體中的滲碳體稱為共析滲碳體。當(dāng)溫度由727oC度繼續(xù)降低時(shí)，珠光體中的鐵素體要析出三次滲碳體（Fe3CⅢ)，F(xiàn)e3CⅢ與共析滲碳體混在一起，很難分辨。鋼：碳含量低于2.11%的鐵碳合金。鋼不僅有良好塑性，而且鋼制品具有強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、耐腐蝕、易加工、抗沖擊、易提煉等優(yōu)良物化應(yīng)用性能。分類碳素鋼低碳鋼：含碳量<0.25%中碳鋼：含碳量0.25%~0.6%高碳鋼：含碳量>0.6%合金鋼低合金鋼：合金量<5%中合金鋼：合金量5%~10%高合金鋼：合金量>10%3.2.3.3鋼鑄鐵

碳含量高于2.11%的鐵碳合金。它還含有硅、錳、磷、硫及某些合金元素。與鋼相比，主要區(qū)別在于鑄鐵含碳、硅較高，含硫、磷雜質(zhì)元素較多，所以，鑄鐵與鋼的組織和性能差別較大。

鑄鐵具有廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗纳a(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。鑄鐵還具有優(yōu)良的鑄造性能，良好的減磨性、耐磨性和切削加工性及缺口敏感性等一系列優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)上常用的鑄鐵有灰色鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。中南民族大學(xué)3.2.3.4鑄鐵灰鑄鐵（因斷口呈灰色而得名）化學(xué)成分一般為：2.5~3.6%C，1.1~2.5％Si，0.6~1.2％Mn，P<0.5%,S<0.15%灰鑄鐵的五大元素C、Si、Mn、P、S的含量都要控制在一定的范圍內(nèi)，其中，C、Si、Mn是調(diào)節(jié)組織的元素，P是控制使用元素，S是限制元素。組織特點(diǎn)：鋼基體上分布著片狀石墨灰鑄鐵的組織按其基體的不同，可分為以下幾種：中南民族大學(xué)灰鑄鐵的性能，主要取決于基體的性能和石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布情況?？慑戣T鐵（韌性）鐵素體（珠光體）+團(tuán)絮狀石墨因其塑性比灰鑄鐵好，故又稱為韌性鑄鐵或展性鑄鐵。按熱處理?xiàng)l件的不同，可分為黑心可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。黑心可鍛鑄鐵：由白口鑄鐵經(jīng)高溫石墨化退火制成，其組織為鐵素體（或珠光體）基體上分布著團(tuán)絮狀石墨；白心可鍛鑄鐵：由白口鑄鐵經(jīng)氧化脫碳制成，其組織為鐵素體和珠光體及少量滲碳體。球墨鑄鐵，3.6—3.8C%，基體+球狀石墨

由于石墨呈球狀，對(duì)基體的分割作用，引起應(yīng)力集中的作用大為減少。球狀石墨的數(shù)量越少，越細(xì)，分布越均勻，機(jī)械性能越高而且，同樣具有灰鑄鐵的一系列優(yōu)點(diǎn)，如鑄造性能、減磨性、可切削性及低的缺口敏感性等。中南民族大學(xué)蠕墨鑄鐵一種新型鑄鐵，其強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并具有一定韌性和較高的耐磨性，同時(shí)它還具有灰鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。蠕墨鑄鐵中的石墨是介于片狀和球狀之間的一種中間形狀的石墨。蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)是在一定成分的鐵水中加入適量蠕化劑（稀土鎂鈣合金等）處理而成，其生產(chǎn)方法與球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝大致相同。特殊性能鑄鐵鑄鐵中加入一定量的合金元素，便獲得特殊性能的合金鑄鐵。1）耐磨鑄鐵在灰鑄鐵的基礎(chǔ)上加入適量的Cr、Mo、W、Cu等，改善組織，提高耐磨性。2）耐熱鑄鐵向鑄鐵中加入Si、Al、Cr等元素，使鑄鐵在高溫下表面形成一層致密的氧化膜，如SiO2、Al2O3等，保護(hù)鑄鐵內(nèi)層不被繼續(xù)氧化。3）耐蝕鑄鐵加入大量的Si、Al、Cr、Ni、Cu等合金元素提高基體組織電位，并使鑄鐵表面形成一層致密的保護(hù)膜。中南民族大學(xué)3.2.4.1銅及其合金1）純銅（紫銅）面心立方，mp1083℃，ρ：8.96塑性好微量雜質(zhì)：Pb、Bi、O、S、P2）黃銅（Cu-Zn合金）固溶體、面心立方3.2.4非鐵金屬與合金中南民族大學(xué)黃銅普通黃銅特殊黃銅單相黃銅（Zn含量:≤39%）雙相黃銅（Zn含量:39~45%）3)青銅（Cu-Sn合金及含Al、Si、Pb、Mn、Be）

Sn：<5~6%單相α固溶體

>6%α+δ（共析體）

Cu31Sn8共析體，硬而脆中南民族大學(xué)3.2.4.2鋁及其合金Al

面心立方

Mp：660℃，ρ：2.7，屬于輕金屬低強(qiáng)度，不宜作結(jié)構(gòu)材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱性略低于銀和銅，被廣泛用于制造導(dǎo)電材料和熱傳到器件。

Al合金：加Si、Cu、Mg、Mn等，以提高其強(qiáng)度，而且仍然具有密度小、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性等特殊性能。中南民族大學(xué)3.3無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成3-3-1組成和結(jié)合鍵1.

組成廣義：除有機(jī)物、金屬和金屬合金以外。常見(jiàn)的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料四大類

組分：硅酸鹽類氧化物類，氮化物、碳化物等2.

結(jié)合鍵

離子鍵：正負(fù)離子、鍵強(qiáng)度高、緊密堆積、無(wú)方向性，金屬氧化物如氧化鎂、氧化鋁

共價(jià)鍵：共用電子對(duì)、有方向性，如金鋼石

混合鍵（離子、共價(jià)）：在種類繁多的無(wú)機(jī)礦物中，

混合鍵的存在及鍵合的多樣性是其顯著的特征?；旌湘I（即晶體結(jié)構(gòu)中既存在共價(jià)鍵，又存在離子鍵，甚至存在范德華鍵）：如：白云母KAl2[AlSi3O10](OH,F)2:層片內(nèi)為共價(jià)鍵合，層間由K＋離子鍵合，其鍵合形式為典型的離子－共價(jià)混合鍵；在滑石結(jié)構(gòu)中，層片內(nèi)為共價(jià)鍵合及包含OH-、二價(jià)正離子和三價(jià)正離子的離子鍵合，層間卻為范德華鍵，其鍵合形式為典型的離子－共價(jià)－范德華混合鍵?；旌湘I

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離子鍵和共價(jià)鍵之間的過(guò)渡;與元素電負(fù)性的大小相關(guān).

屬于無(wú)機(jī)非金屬材料范疇的物質(zhì)種類繁多，形式各異。從其結(jié)構(gòu)中基本粒子間的鍵合來(lái)講，包含了離子鍵、共價(jià)鍵、氫鍵和范德華鍵；從其晶體結(jié)構(gòu)中基本粒子的空間排布來(lái)看，則涉及到晶體結(jié)構(gòu)中所有7個(gè)晶系（立方晶系、四方晶系、正交晶系、三方晶系、六方晶系、單斜晶系及三斜晶系）。此外，在構(gòu)成無(wú)機(jī)非金屬材料的眾多物質(zhì)中，除少數(shù)單質(zhì)外，絕大多數(shù)無(wú)機(jī)化合物由兩種或兩種以上的元素組成。因此，在無(wú)機(jī)非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)中，除涉及晶體結(jié)構(gòu)的7個(gè)基本晶系外，還包括不同質(zhì)點(diǎn)空間點(diǎn)陣的相互嵌合，這將使無(wú)機(jī)非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。3.3.2無(wú)機(jī)非金屬材料中的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)AXAmXpAmBnXp3.3.2.1單晶硅

單晶硅屬于立方晶系，為典型的共價(jià)晶體（原子晶體）。硅的外層電子（3s23p2）發(fā)生sp3雜化，分別與4個(gè)最鄰近的硅原子以共價(jià)鍵相鍵合，故其配位數(shù)為4，在空間形成立方結(jié)構(gòu)。中南民族大學(xué)幾種典型晶體結(jié)構(gòu)單晶硅的單位晶胞3.3.2.2氯化鈉與氯化銫AX-TYPE氯化鈉晶體與氯化銫晶體均屬于立方晶系，均為典型的離子晶體。

正負(fù)離子半徑比配位數(shù)（P55）

Na+/Cl-0.5246呈正八面體配位

Cs+/Cl-0.9338呈立方體配位

3.3.2.3面心立方ZnS和六方ZnSAX-TYPE中南民族大學(xué)

極性共價(jià)鍵Zn-S，兩者均屬于共價(jià)晶體[ZnS4]

面心立方ZnSS配位數(shù)4、位于面心立方點(diǎn)上

Zn配位數(shù)4、位于四面體間隙中

P543.3.2.4氟化鈣晶體中南民族大學(xué)氟化鈣—立方晶系

AmXp-TYPE每個(gè)Ca2+周?chē)钹徑腇－有8個(gè)，Ca2+的配位數(shù)為8。每個(gè)F－周?chē)钹徑腃a2+有4個(gè)，F(xiàn)－的配位數(shù)是4。在CaF2晶體中，Ca2+和F－個(gè)數(shù)比為1：2，F(xiàn)-Ca2+3.3.2.5鈣鈦礦晶體中南民族大學(xué)

CaTiO3

AmBnXp-TYPE

標(biāo)準(zhǔn)鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，單位晶胞包含一個(gè)分子單位，其中：

Ca2+立方體頂角配位數(shù)12（與O2-相鍵合）

O2-面心配位數(shù)6（分別與4個(gè)Ca2＋和2個(gè)Ti4＋相鍵合）

Ti4+

體心配位數(shù)6（與O2-相鍵合）

CaTiO3晶體的單位晶胞在無(wú)機(jī)非金屬礦物中，有許多物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)非常相似，統(tǒng)稱為鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)，組成通式為ABO3。其中，A為與Ca2＋相近的大陽(yáng)離子，如Ba2＋、Cd2＋、Y3+及La3＋等，稱為A位離子；B為與Ti4＋相近的小陽(yáng)離子，如Fe3＋、Al3＋、Mn4＋及Zr4＋等，稱為B位離子。A位離子和B位離子的電價(jià)總和應(yīng)等于6。中南民族大學(xué)

AB2O4

O2-

面心立方密堆

立方晶系

A2+

填充在四面體間隙

B3+

填充在八面體間隙單位晶胞包含8個(gè)分子，即A8B16O32，標(biāo)記尖晶石晶胞可看作由8個(gè)小塊拼合而成，每個(gè)小塊中的氧離子點(diǎn)陣為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的面心立方密堆，其中共棱小塊的結(jié)構(gòu)相同而共面小塊結(jié)構(gòu)不同，分別為A塊和B塊，單位晶胞中A塊和B塊各占4塊，如圖所示。

A塊中A2+填充1/4的四面體間隙共2個(gè)、單位晶胞中A2＋為4*2=8個(gè)

B塊中B3+填充八面體間隙共4個(gè)、單位晶胞中B3＋為4*4=16個(gè)A2+和B3＋按此規(guī)律填充得到的晶體結(jié)構(gòu)稱為正尖晶石結(jié)構(gòu)。3.3.2.6尖晶石晶體

(MgAl2O4)中南民族大學(xué)反尖晶石

B(AB)O4Al(MgAl)O4

若單位晶胞4個(gè)A塊中A2＋占據(jù)的8個(gè)四面體空隙被8個(gè)B3＋填充，而另外8個(gè)B3+與8個(gè)A2＋填充到16個(gè)八面體空隙中，則形成反尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)。

尖晶石型晶體是無(wú)機(jī)礦物中一個(gè)非常重要的種類，在陶瓷的相組成中經(jīng)常出現(xiàn)尖晶石相，對(duì)陶瓷的機(jī)械性能和電性能、磁性能具有較大的影響。尖晶石型鐵氧體晶體也是一種重要的鐵氧體磁性材料。3.3.3硅酸鹽結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：[SiO4]4-四面體，Si4+

中心，O2-

頂。硅極易與氧形成牢固的鍵合，與氧結(jié)合后，成為硅氧烷聚合物和硅酸鹽礦物的基礎(chǔ)。由于氧的電負(fù)性大于硅，所以Si－O鍵具有極性，電子偏向氧原子，故Si原子上產(chǎn)生正電荷。兩個(gè)鄰近四面體之間通常共頂相連，偶爾共棱，從不共面。

中南民族大學(xué)硅酸鹽是含氧鹽礦物中品種最多的一類礦物，其結(jié)晶形態(tài)呈現(xiàn)出極大的差別。根據(jù)[SiO4]硅氧四面體與相鄰硅氧四面體共頂情況，衍變成不同結(jié)構(gòu)的絡(luò)陰離子團(tuán)，在空間排列而形成島狀結(jié)構(gòu)、環(huán)狀結(jié)構(gòu)、鏈狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)和架狀結(jié)構(gòu)5個(gè)亞類的硅酸鹽結(jié)構(gòu)形式。中南民族大學(xué)3.3.3.1島狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽孤島狀結(jié)構(gòu)：硅氧四面體間不共頂，相互不聯(lián)接而各自孤立存在，此時(shí)絡(luò)陰離子團(tuán)以[SiO4]4-

形式存在。聯(lián)島狀結(jié)構(gòu)：兩個(gè)硅氧四面體共用一頂，則形成聯(lián)島狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)絡(luò)陰離子團(tuán)以[Si2O7]6-

形式存在。中南民族大學(xué)3.3.3.2環(huán)狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽環(huán)狀：硅氧四面體共用兩頂，在空間不斷延伸形成環(huán)

狀。典型的環(huán)狀結(jié)構(gòu)可分為三節(jié)環(huán)和六節(jié)環(huán)，其絡(luò)陰離子團(tuán)分別為[Si3O9]6-和[Si6O18]12-。環(huán)狀結(jié)構(gòu)的絡(luò)陰離子團(tuán)依靠引入的陽(yáng)離子進(jìn)行聯(lián)系而得到環(huán)狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽。3.3.3.3鏈狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽單鏈硅氧四面體共用兩頂，并在一維方向無(wú)限延伸，其絡(luò)陰離子團(tuán)為1∞[Si2O6]4-雙鏈在兩個(gè)相鄰聯(lián)接的硅氧四面體中，其中一個(gè)四面體有兩個(gè)頂角被共用，而另一個(gè)四面體有3個(gè)頂角被共用，稱為平均共用兩個(gè)半頂角，并在一維方向無(wú)限延伸，其絡(luò)陰離子團(tuán)為1∞[Si4O11]6-單鏈和雙鏈：鏈間均是依賴引入的陽(yáng)離子來(lái)維系，鏈上是鍵合很強(qiáng)的極性共價(jià)鍵，鏈間是離子鍵。相對(duì)而言，鏈上的鍵合較強(qiáng)而鏈間鍵合較弱。因此，鏈狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽在不同方向的性質(zhì)是不同的，受外力作用時(shí)解離易在鏈間發(fā)生，并且解離面間有一定的角度。3.3.3.4層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽硅氧四面體中有3個(gè)頂角氧分別與其他四面體共用，得到二維方向無(wú)限延伸的硅氧負(fù)離子片，用2∞[Si2O5]2-

表示。負(fù)離子片內(nèi)是鍵合較強(qiáng)的極性共價(jià)鍵，而負(fù)離子片間可通過(guò)結(jié)構(gòu)中引入的陽(yáng)離子以離子鍵相聯(lián)接，也可依靠負(fù)離子片間的范德華鍵相聯(lián)接而形成層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽。硅氧層間不同的鍵合形式將會(huì)對(duì)層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽的性質(zhì)產(chǎn)生非常大的影響。例如：1）白云母結(jié)構(gòu)中，負(fù)離子片間由K＋離子結(jié)合，層內(nèi)及層間均為較強(qiáng)的化學(xué)鍵合，因而解理難以進(jìn)行；2）滑石結(jié)構(gòu)中層間依靠范德華鍵結(jié)合，層內(nèi)鍵合強(qiáng)而層間鍵合弱，易沿層間發(fā)生解理。

固體潤(rùn)滑劑3.3.3.5架狀結(jié)構(gòu)硅氧四面體的所有四個(gè)頂角氧均分別與其他硅氧四面體共用，則在三維空間形成規(guī)則的架狀網(wǎng)絡(luò)，通常將其表示為3∞[SiO2]

，這即為純晶態(tài)二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)。中南民族大學(xué)3.3.4無(wú)機(jī)非金屬材料的非晶體結(jié)構(gòu)非晶態(tài)材料是相對(duì)晶態(tài)材料而言，是原子不規(guī)則排列的固體材料的總稱。主要特征：遠(yuǎn)程無(wú)序和亞穩(wěn)態(tài)包括：無(wú)機(jī)玻璃、凝膠、非晶態(tài)半導(dǎo)體和無(wú)定型碳等。中南民族大學(xué)1.無(wú)機(jī)玻璃廣義的玻璃包括整個(gè)固體非晶態(tài)物質(zhì)。主要成份：SiO2、Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3。鍵合形式：離子鍵、共價(jià)鍵，及其混合鍵。慢冷結(jié)晶急冷(粘度大)無(wú)定形（玻璃結(jié)構(gòu)），無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)SilicaCrystalSilicaGlass2.凝膠及凝膠材料

(1)凝膠的特性

凝膠：是指膠體質(zhì)點(diǎn)在一定的條件下相互聯(lián)接所形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的間隙填充滿分散介質(zhì)（液體或氣體）。凝膠與溶膠的不同：溶膠中的膠體質(zhì)點(diǎn)是獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單位，可以自由運(yùn)動(dòng)而具有良好的流動(dòng)性；凝膠的分散相質(zhì)點(diǎn)相互聯(lián)接，在整個(gè)體系內(nèi)形成結(jié)構(gòu)，不僅失去流動(dòng)性，而且顯示出固體的性質(zhì)，具有一定的彈性、強(qiáng)度、屈服值等。凝膠與真正的固體也不同：它由分散相及分散介質(zhì)兩相構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限，改變條件往往能使結(jié)構(gòu)破壞。中南民族大學(xué)(2)凝膠的結(jié)構(gòu)凝膠內(nèi)部呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可分為四種類型：（a）球形質(zhì)點(diǎn)相互聯(lián)接形成一定的線性排列；（b）板狀或棒狀質(zhì)點(diǎn)搭接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；（c）線性大分子構(gòu)成的網(wǎng)架中部分長(zhǎng)鏈有序排列成微晶區(qū)；（d）線性大分子間通過(guò)化學(xué)橋鍵而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。中南民族大學(xué)（3）膠凝材料凡能在物理、化學(xué)作用下，從漿體變成堅(jiān)硬固體，并能膠結(jié)其他物料，具有一定機(jī)械強(qiáng)度的物質(zhì)，統(tǒng)稱為膠凝材料，又稱為膠結(jié)材料。膠凝材料可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。無(wú)機(jī)膠凝材料按照其硬化條件又能分為水硬性膠凝材料和氣硬性膠凝材料。水硬性膠凝材料在拌水后能在空氣中硬化，也可以在水中硬化，通常稱為水泥，如硅酸鹽水泥等；而氣硬性膠凝材料不能在水中硬化，只能在氣體介質(zhì)中硬化，如石灰、石膏等。中南民族大學(xué)3.3.5陶瓷陶瓷史由金屬（類金屬）和非金屬元素之間形成的化合物，這些化合物中的原子（離子）主要以共價(jià)鍵（離子鍵）鍵合。構(gòu)成：晶相、玻璃相、氣相和晶界構(gòu)成。中南民族大學(xué)3.3.6碳化合物1.炭黑Carbonblack炭黑——烴類化合物經(jīng)氣相不完全燃燒或熱解而生成的黑色粉末。其主成分為碳，并含有少量的氧、氫和硫等，含碳純度在83～99.5％之間。炭黑聚集體間有較大的空隙，因此炭黑具有較強(qiáng)的吸附能力。按用途分類：橡膠用炭黑：輪胎補(bǔ)強(qiáng)色素用炭黑：顏料和著色劑2.石墨

Graphite碳的同素異構(gòu)體六方晶體——粒晶幾到幾十微米的片狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)示意圖：面內(nèi)C-C1.42埃，共價(jià)結(jié)合

層間C-C3.40埃，物理鍵合應(yīng)用：潤(rùn)滑、導(dǎo)電。人造石墨：焦油膠粘劑，石油焦炭成型后，粘接，在2000C以上的高溫下處理制成石墨。3.碳纖維

CarboneFiber結(jié)構(gòu)的基本單元為石墨層片。亂層石墨微晶，微晶（頭---頭）連接形成碳纖維。制備：

原料：PAN纖維粘膠纖維瀝青纖維（主要）空氣中預(yù)氧化200~300C碳化（惰性氣體）脫氫

石墨化碳纖維

4、金剛石：鉆石碳同素異構(gòu)體，立方晶系晶胞中8個(gè)碳原子，sp3雜化高硬度物理性能天然金剛石硬度，kgf/mm210000體積模量，Gpa440-590楊氏模量，Gpa1200熱導(dǎo)率，W/cm.K(300K)20縱波聲速，m/s18000密度，g/cm33.6折射率(590nm)2.41透光性225nm－25μm電阻率，Ω.cm10165.C60：巴基球，富勒烯碳同素異構(gòu)體60（或70）個(gè)碳原子組成的空心圓球，如同足球，12個(gè)正五邊形碳環(huán)和20個(gè)正六邊形碳環(huán)構(gòu)成的32面體正五邊形的C-C鍵長(zhǎng)：1.455埃正六邊形的C-C鍵長(zhǎng)：1.391埃直徑約7.1---10埃C60的球形分子結(jié)構(gòu)，使其堆砌縫隙和空芯中可摻雜其他原子或分子，從而表現(xiàn)出超導(dǎo)性、強(qiáng)磁性等特殊性質(zhì)，如Rb、Ce等堿金屬摻雜的C60所具有的超導(dǎo)性已引起人們的關(guān)注。中南民族大學(xué)6、碳納米管：巴基管

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碳同素異構(gòu)體在結(jié)構(gòu)上與巴基球C60屬于同一類，都是碳?xì)饣蓡蝹€(gè)的原子后在真空或惰性氣體中凝聚而自然形成的。全部由碳六邊形組成的無(wú)縫的中空管體，兩端由半球形的富勒烯罩住，形成一維的管狀分子。單層與多層（同軸套）直徑，0.6（10個(gè)六邊形圍成）～幾十納米長(zhǎng)度，10～1000納米3.5復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)3-5-1復(fù)合材料定義及分類1.定義

(1)種類不同，性質(zhì)差異很大的幾種材料及其界面相

（層）所組成（組成上）

(2)多相固體材料（結(jié)構(gòu)上）

(3)經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)合而成（制備上）

(4)通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組份材料所不具備的性能，或

產(chǎn)生性能協(xié)同作用，與簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)的區(qū)別（性

能上）簡(jiǎn)言之：復(fù)合材料由連續(xù)基體相(matrixphase)和分散增強(qiáng)相(dispersephase)及界面相(interfacephase)所構(gòu)成.2.復(fù)合材料分類及命名中南民族大學(xué)分散相連續(xù)相金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬

材料金屬纖維(絲)纖維金屬基復(fù)合材料鋼絲/水泥復(fù)合材料增強(qiáng)橡膠金屬晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料

金屬片材

金屬/塑料板無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶瓷基復(fù)合材料

晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶基復(fù)合材料

顆粒彌散強(qiáng)化合金材料

粒子填充塑料玻璃纖維

纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料粒子

碳纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶基復(fù)合材料纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料炭黑

顆粒/橡膠or顆粒/樹(shù)脂基復(fù)合材料有機(jī)高分子材料有機(jī)纖維

纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料塑料金屬/塑料

橡膠

分類：(1)應(yīng)用：結(jié)構(gòu)、功能、智能復(fù)合材料等(2)基體：聚合物基、金屬基、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料等(3)增強(qiáng)纖維：玻纖、碳纖、有機(jī)纖維復(fù)合材料等(4)分散相形態(tài)：顆粒增強(qiáng)、連續(xù)纖維增強(qiáng)、短纖或晶須增強(qiáng)、片狀材料增強(qiáng)、三維編織復(fù)合材料等(5)特定含義：通用、先進(jìn)、現(xiàn)代、近代、混雜、納米、原位、分子、宏觀復(fù)合材料等中南民族大學(xué)3.5.2

復(fù)合材料的組成3.5.2.1概述

組成：復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)材料兩組元組成聚合物基復(fù)合材料(polyme-matrixcomposites,PMC)金屬基復(fù)合材料(metal-matrixcomposites,MMC)陶瓷基復(fù)合材料(ceramicsMatrixComposition,CMC)碳/碳復(fù)合材料(carbon-carboncomposites,C/C)無(wú)機(jī)膠凝基復(fù)合材料