概論第2章-組成結構與性能

材料概論各種材料(金屬、高分子和無機非金屬)不論其形狀大小如何,其宏觀性能都是由其化學組成和組織結構決定的。材料的性能與化學組成、工藝、結構的關系如下：

第二章材料的組成、結構與性能

2.1材料的組成

2.2材料的結構

2.3材料的性能只有從不同的微觀層次上正確地了解材料的組成和組織結構特征與性能間的關系，才能有目的、有選擇地制備和使用選用材料?；瘜W組成工藝過程本征性能顯微結構材料性能2.1材料的組成

材料通常都是由原子or分子結合而成的，也可以說是由各種物質組成的，而物質是由≥1種元素組成的。按原子or分子的結合與結構分布狀態(tài)的不同，可分成3類：第二章材料的組成、結構與性能

組元、相和組織固溶體聚集體

復合體2.1.2材料的化學組成2.1.1材料組元的結合形式固溶體、聚集體和復合體第二章材料的組成、結構與性能材料的組元:金屬材料多為純元素，如普通碳鋼

Fe&C；陶瓷材料多為化合物，如Y2O3–ZrO2Y2O3&ZrO2

組成材料最基本、獨立的物質，或稱組分。可以是純元素or穩(wěn)定化合物。相:具有同一化學成分并且結構相同的均勻部分。1m圖2-1.50%ZrO2/Al2O3復合材料的SEM照片*相與相之間有明顯的分界面，可用機械的方法將其分離開。第二章材料的組成、結構與性能

ZrO2Al2O3*各晶粒間有界面隔開，但它們是由成分、結構均相同的同種晶粒構成的材料，仍屬于同一相。*在相界面上，性質的改變是突變的。*1個相必須在物理和化學性質上都是完全均勻的，但不一定只含有1種物質。例如：純金屬是單相材料，鋼(非純金屬)在室溫下由鐵素體(含碳的Fe)和滲碳體(Fe3C為化合物)組成；普通陶瓷：由晶相(1種/幾種)與非晶相(玻璃相)組成。*由成分、結構都不同的幾種晶粒構成的材料，則它們屬于幾種不同的相。材料的組織第二章材料的組成、結構與性能材料內部的微觀形貌。實際上是指由各個晶粒or各種相所形成的圖案。在不同條件下，相的晶粒大小、形態(tài)及分布會有所不同，從而材料內部會呈現(xiàn)不同的顯微組織。*組織是材料性能的決定性因素。*只含1種相的組織稱為：單一或單相組織；*由多種相構成的組織稱為：復合或多相組織。組織與相是兩個有著密切聯(lián)系的不同概念。鑄鐵組織a)普通鑄鐵;b)可鍛鑄鐵;c)球墨鑄鐵acb球狀石墨團絮狀石墨片狀/蠕蟲狀石墨鐵素體(C溶于Fe)/鐵素體+珠光體橢球形TiO2顆粒(軸比1.3、尺寸nm量級)構成的光子晶體（引自JiangP.,BertoneJ.F.,andColvinV.L.,Science2001,291:453）第二章材料的組成、結構與性能不同溫度下水熱電沉積制備的HA(磷酸鈣鹽類化合物)/TiO2復合涂層的環(huán)境掃描電鏡照片可看出：團粒狀的TiO2微粒較均勻地分散在HA或CDHA涂層中，隨T，HA晶體由長針狀(a)逐漸生長為長棒狀(e)，晶體端面和長度呈增大趨勢，從高倍率圖(f)，可看出晶體端面呈六邊形。但晶體生長很不均勻，長短大小相差較大，當200℃時，長度約15～50m，直徑約0.5～6m。(a)100℃(c)160℃(b)140℃(d)180℃(e)200℃(f)200℃,(e)的放大20m20m20m20m20m5m2.宏觀組織—是用肉眼可以觀察到的粗大組織，有時是指用放大倍數(shù)≤20~100的放大鏡可觀察到組織。又可分為：單一和復合組織。這些組織還可細分見表2-1

第二章材料的組成、結構與性能*材料組織可分為：1.微觀組織(結構)—也稱微細組織、顯微組織，由原子的種類及其排列狀態(tài)決定的。又可分為：晶體結構與非晶態(tài)(無定形)結構。組織(結構)類型主要構成物實例微觀組織晶體聚集金屬、無機物、有機物金屬、微晶玻璃、結晶高分子等非晶聚集無機物、有機物玻璃、玻璃態(tài)塑料、橡膠等宏觀組織單一組織致密金屬、無機物、有機物型鋼、棒鋼、鋼板、石材、塑料板、塑料棒等纖維金屬、無機物、有機物（鏈狀高分子）金屬、玻璃、石棉、羊毛、棉花、絲絹、尼龍、維尼綸等單纖維復合組織聚集組織纖維聚集無機、有機纖維的聚集體（+空氣）毛氈、墊料、織布等多孔無機物、有機物+空氣泡沫混凝土、加氣混凝土、泡沫塑料、木材等復合聚集無機物、有機物復合聚集體灰砂漿、混凝土、纖維增強混凝土、木纖維水泥板、石棉水泥板、玻璃鋼、涂料、金屬陶瓷迭合組織兩種以上材料的迭合膠合板、石膏板、蜂窩板、鋼筋混凝土等表2-1材料組織的分類(p19)相同條件下，材料性能隨其組織的不同而變，如：第二章材料的組成、結構與性能*通過控制和改變鋼的組織，可以使硬度很低or很高；*膠合板是單片板用膠合劑粘合成使纖維方向互相垂直相交，以改善木材各向異性的缺點；熱軋時鋼的組織變化1、軋件2、軋前晶粒；3、上輥4、下輥5、變成細長晶粒；6、細晶粒出現(xiàn)；7、新晶粒長大；8、形成新晶粒。*泡沫塑料是在組織內引入氣孔以減輕質量，增大彎曲剛性，同時降低其導熱率；*鋼筋混凝土和增強塑料，是以鋼筋or纖維作為增強材料，以獲得單一材料所不具備的優(yōu)良性質。溶體：≥2種的原子or分子溶合在一起時的狀態(tài)。一般是原子or分子的均勻混合物，不是化合物。溶液：液態(tài)溶體。第二章材料的組成、結構與性能固溶體固溶體：固態(tài)溶體，即溶質組元溶入溶劑組元的晶格中所形成的單相固體。保持溶劑組元的晶格類型。如：C溶入Fe形成以Fe為基的固溶體，其晶格沒變仍為體心立方結構。合金與陶瓷中有不少是屬于固溶體。固溶體的分類：按溶質原子在溶劑晶格中的位置不同可分成:第二章材料的組成、結構與性能置換型固溶體(或稱取代型)：溶劑A晶格中的原子被溶質B的原子取代所形成的固溶體。原子A同B的大小要大致相同。填隙型固溶體(也稱間隙型)：在溶劑A的晶格間隙內有溶質B的原子填入(溶入)所形成的固溶體。B原子必須是充分小的，如C和N等是典型的溶質原子。對同1種晶體，可同時存在這2種形式的固溶體，如普碳鋼中，Mn在-Fe中是取代固溶，C是填隙固溶。

第二章材料的組成、結構與性能與純金屬相比，合金固溶體的物理、化學性能均發(fā)生了不同程度的變化：

*溶入溶質原子，將使固溶體的強度和硬度↗，稱為固溶強化；*要求高導磁率、高塑性和高抗蝕性的合金，其金相組織多數(shù)由1種固溶體組成；第二章材料的組成、結構與性能*要求強韌兼?zhèn)涞慕Y構材料：常采用以固溶體為基，而細小質點的第2相呈彌散分布的材料。*不少固溶元素可明顯地改變基體的理化性能。如Si溶入-Fe中可↗導磁率、↗比電阻，含24%Si的硅鋼片是1種應用廣泛的軟磁材料。聚集體

第二章材料的組成、結構與性能有的晶粒間呈連續(xù)變化牢固地結合在一起(如金屬or固溶體等)；一般金屬or無機材料，不論是由“單元素”、“固溶體”or由“≥兩種元素的結晶相”構成的抑或是“結晶相&玻璃相的共存狀態(tài)”，都是由無數(shù)的原子or晶粒聚集而成的固體，這類狀態(tài)的材料稱為聚集體。其中：有的晶粒間結合較微弱(如鑄鐵、花崗巖等)，受外力作用時，在晶粒的界面會發(fā)生破壞。*石棉&云母：鏈狀&層狀結構的晶體，因相互間結合力較弱，可將其分散成細纖維&薄片。第二章材料的組成、結構與性能*鏈狀高分子材料：通過鏈的卷入、某些交聯(lián)作用及部分析晶等可使鍵能有一定程度的增加。*純金屬：一般可看成是微細晶體的聚集體；*合金：可看作是母相金屬原子的晶體與加入的合金晶體等聚合而成的聚集體。晶粒間的結合力＜晶粒內部的結合力。復合體(復合材料)：

第二章材料的組成、結構與性能

由≥2種不同材料通過一定的方式復合而構成的新型材料，各相之間存在著明顯的界面。各相不但保持各自的固有特性而且可最大限度發(fā)揮各種材料相的特性，并賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。其結構通常：一相為連續(xù)相，稱為基體材料；另一相是不連續(xù)的，以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中，稱為分散相。與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為增強材料。第二章材料的組成、結構與性能增強材料的種類有：顆粒增強、晶須和纖維增強、層板復合等，如先進復合材料是以碳纖維、芳綸、陶瓷纖維、晶須等高性能增強材料與耐高溫樹脂、金屬、陶瓷和碳(石墨)等構成的復合材料，用于各種高技術領域量少而性能要求高的場合。三種最普通的復合材料中相的排列

第二章材料的組成、結構與性能聚合物/層狀硅酸鹽(PLS)納米復合材料結構示意圖（a）插層型（b）剝離型（a）（b）*膠合板——將纖維方向相互垂直迭合在一起的；*蜂窩結構材料——用蜂窩狀的物質作為夾心材料，用強度大的平板作表面材料制成的輕質抗彎剛性大的材料。較粗大的骨料用結合材料結合而成的稱為復合組合體，如混凝土、纖維板(將植物質纖維用樹脂結合制成的)等。第二章材料的組成、結構與性能疊層材料：一般指將成型好的材料按一定方向迭合成層狀膠合在一起做成的材料，如：思考題普通的混凝土中有幾種相？請分別寫出各種相的名稱。若在其中加入鋼筋，則鋼筋起到什么作用？此時又有幾種相？金屬材料的化學組成:包括純金屬和以金屬為基所構成的合金。特點是具有其他材料無法取代的強度、塑性、韌性、導熱性、導電性以及良好的可加工性等。為獲得需要的性能，須控制材料的成分與組織。

無機非金屬材料的化學組成

高分子材料的化學組成2.1.2材料的化學組成

第二章材料的組成、結構與性能單質金屬存在于自然界的94種元素中，72種是金屬元素。大多數(shù)是以過渡金屬為中心的純金屬狀態(tài)使用。工業(yè)上習慣分為：第二章材料的組成、結構與性能黑色金屬：鐵、鉻、錳3種；有色金屬：其余的所有金屬。又可分為：

重金屬、輕金屬、貴金屬和稀有金屬等4類。金屬合金:由≥2種金屬元素或金屬與非金屬元素構成的具有金屬性質的物質。如黃銅—Cu+Zn的合金，硬鋁—Al+Cu+Mg等組成的合金。第二章材料的組成、結構與性能合金元素：為形成合金所加入的元素。由2或3種元素構成的分別叫做二元或三元合金。一些主要合金的化學組成見p22表2-2。合金一般都是多晶體，有時可形成固溶體、共熔晶、金屬間化合物，以及它們的聚集體。非晶態(tài)合金具有許多優(yōu)異性能，如強韌性、抗侵蝕、導磁率高、超導性等。化學組分幾乎涉及所有元素，原料處理和制備工藝的日新月異，使新產品層出不窮。一些代表性的無機非金屬材料的組成及分類見p23表2-3。第二章材料的組成、結構與性能無機非金屬材料的組成陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料和搪瓷等。由金屬和非金屬元素的化合物配料經(jīng)一定工藝過程制得的。如:

SiO2、Ai2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等氧化物；Ca(OH)2、Mg(OH)2、KOH、Al(OH)3、NaOH等氫氧化物、SiC、B4C、TiC等碳化物、Si3N4、BN、AlN等氮化物。高分子材料的化學組成

有機化合物(簡稱碳氫化合物)：以C元素為主，多數(shù)是同氫(H)、氧(O)中的任1種or≥2種結合而成的，也有同氮(N)、硫(S)、磷(P)、氯(Cl)、氟(F)、硅(Si)等結合構成。第二章材料的組成、結構與性能高分子材料：以高分子化合物(亦稱聚合物或樹脂)為主要組分的材料。高分子化合物：指分子質量特別大的有機化合物，相對分子質量是一個平均值，通常104；低分子化合物的分子質量是均一的，一般500；主鏈中不含離子鍵和金屬鍵。合成高分子化合物：由1種or幾種簡單的低分子化合物聚合而成，如由氯乙烯聚合得到聚氯乙烯，其化學反應式可寫成：nCH2=CHCl[CH2-CHCl]n。根據(jù)不同的來源,可分為：天然高分子材料：木材、皮革、油脂、天然橡膠等合成高分子材料：各種塑料、合成橡膠、合成纖維等。第二章材料的組成、結構與性能單體：可聚合成高分子化合物的低分子化合物。重復單元：組成高分子化合物的相同結構單元。第二章材料的組成、結構與性能每個重復單元又稱作大分子鏈的1個鏈節(jié)，1個高分子化合物中重復單元的數(shù)目n叫做鏈節(jié)數(shù)，在大多數(shù)場合下鏈節(jié)數(shù)可稱為聚合度，記為DP。如：聚氯乙烯單體是氯乙烯，鏈節(jié)是如-CH2-CHCl-，聚合度為3002500，相對分子質量為216萬。按應用功能，高分子材料可分為：第二章材料的組成、結構與性能*通用高分子：塑料、合成纖維和合成橡膠等；*特殊高分子：耐熱、高強度聚碳酸酯、聚砜等；*功能高分子：指具有光、電、磁等物理功能的高分子材料*仿生高分子材料：高分子引發(fā)劑、模擬酶等。常見的高分子化合物見p24表2-4。指材料的組成單元(原子或分子)之間相互吸引和排斥作用達到平衡時的空間排布，可分成不同的層次。2.2.1材料中的化學鍵合

2.2.2晶體結構基礎2.2.3材料的結構2.2材料的結構第二章材料的組成、結構與性能微觀結構：比顯微組織結構更細的一層結構，包括原子、分子結構及原子和分子的排列結構。宏觀組織結構：用肉眼or放大鏡能觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)。第二章材料的組成、結構與性能顯微組織結構：或稱亞微觀結構。借助光學or電子顯微鏡可觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)或材料內部的微區(qū)結構，尺寸約為107104m。

不同溫度熱處理后的鐵氧體空心微球的SEM照片SEMphotographsofferriteshollowmicrospheresaftercalcinedatdifferenttemperature基本組成為SiO2,Al2O3,CaO,MgO,K2O,Fe2O3,的瓷釉，將MgO并入CaO，并忽略KNaO和Fe2O3，可粗略地認為屬于SiO2–Al2O3–CaO三元系統(tǒng)。樣品橫截面的SEM照片ABC（a）松散體，在瓷釉與坯體界面處有致密的鈣長石晶體界面層和釉內部延伸的鈣長石：(A)坯體(B)界面層(C)釉66m1m（b）在鈣長石晶體之間富SiO2相的不連續(xù)分相（d）（c）中連續(xù)的液–液分相結構的放大100nm（c）在鈣長石(CaAl2Si2O8)之間連續(xù)的液–液分相1m（e）在鈣長石晶體之間富CaO(MgO,Fe2O3)相的不連續(xù)分相（f）（e）中不連續(xù)的液–液分相結構的放大100nm1m1m（g）多級分相結構的SEM照片不連續(xù)的富CaO(MgO,Fe2O3)相半連續(xù)的蠕蟲結構連續(xù)結構鈣長石晶體氫鍵范德華鍵多種鍵型化合物金屬鍵

離子鍵

共價鍵2.2.1.材料中的化學鍵合各類材料，當鍵合方式不同時，便具有不同的結構和特性?！嘟饘俨牧?、無機非金屬材料、高分子材料的差異本質上是由不同的元素、以不同的鍵合方式造成的。第二章材料的組成、結構與性能金屬鍵：金屬原子形成金屬晶體時，每個原子都提供少數(shù)價e，共用于整個晶體，這種自由e構成金屬鍵，把各個原子吸引在一起，成為金屬晶體。第二章材料的組成、結構與性能具有鍵作用的e并不固定在一定的原子上，而是可以在金屬格子間自由活動。格子由離子化了的金屬原子構成，e起到將它們結合成鍵的作用。金屬鍵具有無方向性的球對稱性質。金屬的高電導率和高熱導率都是其自由e運動的結果。此外，自由e能夠吸收所有波長的能量以及這一吸收能量的輻射，解釋了金屬對光的非透明性和金屬表面的高反射性。離子鍵：由陽、陰離子相互間的吸引力(庫侖引力)所形成的一種鍵合。此引力同鄰接的所有其他原子都相互發(fā)生作用構成一個整體。第二章材料的組成、結構與性能化學鍵中最簡單的類型，∵在本質上，它完全可歸結于靜電引力。常發(fā)生在正電性元素(周期表左側的金屬)和負電性元素(周期表右側的非金屬)之間。NaCl和MgO是典型的離子鍵化合物。圖2-1NaCl晶體中的離子排列

虛線勾畫出這晶體結構的基本重復單元，即單位晶胞。每個陽離子(Na+)與6個陰離子(Cl)配位

一般來說，形成離子鍵的靜電力來源于離子的過剩電荷，晶體中離子的電子云密度分布應是對稱的，通常不應產生變形?！嚯x子鍵具有飽和性和無定向性的特點，也是離子化合物具有配位數(shù)(Z)高、堆積致密的一個重要的原因。

第二章材料的組成、結構與性能第二章材料的組成、結構與性能*離子鍵化合物中，總是V->V+，∴在考慮離子堆積時，要先考慮負離子R的堆積。一般R按立方堆積、立方密堆積和六方密堆積等方式進行，而正離子R則占據(jù)R堆積所形成的立方體、正八面體和正四面體間隙的中心。*雖然離子間作用力主要來源于過剩電荷，但在一定條件下也會通過電場互相作用產生極化，離子極化經(jīng)常造成鍵力加強、鍵長縮短和配位反常；嚴重的極化還能使離子鍵向共價鍵過渡。離子鍵化合物構成整個固體無機化合物很大一部分。較重要的有：(A為正離子，B為負離子)AB型：堿金屬的鹵化物以及堿土金屬的氧化物、硫化物、硒化物、碲化物等。AB2型：主要是氟化物和氧化物，其代表性的結構：螢石(CaF2)型、金紅石(TiO2)型和碘化鎘(CdI2)型。AB3型：主要有BiF3型、ScF3型和UCl3型。A2B3型：剛玉(-Al2O3)型是其代表性結構型式，金屬氧化物大多為離子化合物。

第二章材料的組成、結構與性能多元化合物中，有相當一部分屬于離子鍵化合物，同時也含有共價鍵甚至范德華鍵和氫鍵，較復雜。如：銨鹽的鹵化物，多以NaCl型、CsCl型結構存在。方解石結構可看成走了樣的NaCl型結構。第二章材料的組成、結構與性能ABO3型：主要有FeTiO3型和CaTiO3型。其中FeTiO3型的結構可歸為Al2O3型結構,都是離子結構。ABO4型:CaSO4和BaSO4型結構,CePO4,ZrSiO4,AlPO4,BPO4型結構,CaWO4,FeWO4型結構,絡合負離子與金屬之間都是典型的離子結構。

A2BO4型:尖晶石(Al2MgO4)型最有代表性,∵A與B的大小不相上下,甚至A-O與B-O的結合也都是離子鍵。共價鍵：由2個原子共有最外殼層電子的鍵合。其強度隨著參與鍵合的e數(shù)增多而增強。第二章材料的組成、結構與性能最簡單是單價共價鍵，出現(xiàn)在H2中。另一些元素組成的分子(如N2、O2、F2)和H2一樣，也形成共價鍵。F2是共價單鍵，而O2和N2則分別具有雙鍵和三鍵。∵3種原子的e結構分別為：1s22s22p5、1s22s22p4和1s22s22p3。不同原子間也可形成共價鍵，如：HF、H2O、NH3、CH4每個原子貢獻出1個e形成e對。共價鍵形成時,∵能量原因,總是選擇在合適的方向上成鍵,∴具有方向性。此外,共價鍵來源于e共享,原子形成共價鍵的數(shù)目要受到其e結構的限制,∴具有飽和性?！呱鲜霰举|,使得共價鍵晶體總具有很高的熔點和硬度、良好光學特性和不良的導電特性。金剛石是典型共價鍵晶體,自然界中最硬的物質第二章材料的組成、結構與性能另外一類共價鍵稱配位共價鍵，特點是形成的共享電子對全由一個原子提供。所有非金屬原子，惰性氣體除外，都傾向于形成共價鍵。如硅晶體(見圖2-2)

。第二章材料的組成、結構與性能Fig2-2硅晶體單位晶胞中的原子排列每個Si是以自旋相反的e對，分別與4個最近鄰的Si鍵合形成4個共價鍵，如粗線所示。金剛石具有相同的結構。硅原子的三維排列是由具有方向性的共價鍵網(wǎng)絡所決定的第二章材料的組成、結構與性能除單質外，共價鍵也大量存在于化合物中。如：AB型——ZnS型結構中每個原子均生成4個共價鍵從而形成共價鍵網(wǎng)；AB2型——FeS2式結構。多元化合物中也存在共價鍵。如在絡合負離子中，內部的結合力雖說有離子鍵和共價鍵2種，但以共價鍵為主。以下面的絡合負離子，其內部結合幾乎均為共價鍵如：平面形：CO32，NO3；三角錐形：PO32，SO33，ClO3，AsO33；四面體形：PO43，SO42，ClO4，MnO4，SiO44；正方形：Ni(CN)42，PtCl42，PdCl42；八面體：AlF63，SiF62，TiCl62，ZrCl62等

H在2個高電負性的原子間形成一個橋，如圖2-3表示的冰那樣。分子有確定的幾何形狀，∴氫鍵有方向性。在高分子材料中氫鍵特別重要，是使尼龍之類的聚合物具有較大的分子間力的主要因素。圖2-3冰晶體模型氫鍵用(----)表示，共價鍵用()表示.

第二章材料的組成、結構與性能氫鍵&范德華鍵

氫鍵是H在分子中與A原子鍵合時，還能形成與B原子的附加鍵，結合力較弱，比范德華鍵要強。發(fā)生于某些含H與高電負性原子(O、N、F等)共價鍵合極性分子之間，如H2O、HF、NH3和許多高分子化合物(包括蛋白質)中。范德華鍵：原子可看成是一個很小的偶極子。雖然對于平均時間來說，原子中e的空間分布，對原子核是對稱的。但某一瞬間，整個原子正負電荷中心可能不重合，從而形成小的偶極子。這些小的偶極子之間的相互作用所造成的引力，就是范德華力。第二章材料的組成、結構與性能是1種相互吸引的永遠存在于分子間or分子內非鍵結合的力。這類鍵一般很弱,只有不存在其他鍵時，才顯示出來。例如，在具有穩(wěn)定結構的原子之間,以及許多有機分子之間,都存在范德華鍵。范德華鍵在聚合物的分子之間作用比較明顯,是長鏈高分子化合物內聚力的根源。

化學鍵合的產生，是由于幾乎任何原子都傾向于獲得更加穩(wěn)定的e排布。各種化學鍵合都是直接來源于e。每個原子參加鍵合的e越多，鍵合能就越高。某些固體分解成原子氣態(tài)所需要的能量列于p30表2-5。這些原子氣化焓近似等于固體中原子之間的總結合能。第二章材料的組成、結構與性能鍵性與材料物性的關系→表2-6

表2-6

鍵性與材料物性的關系

鍵型金屬鍵離子鍵共價鍵范德華鍵氫鍵結構特點無飽和性和方向性,高配位數(shù),高密度有飽和性和無方向性或不明顯,鍵能較大,結構穩(wěn)定,高配位、中等密度有飽和性和方向性,低配位,低密度類似金屬鍵有飽和性力學性能各不相同,強度有高低,有塑性強度高,劈裂性良好,堅固、硬度高強度高,堅固、硬度高

疏松，質軟電學性能導電體絕緣體,熔體為導體絕緣體,熔體為非導體絕緣體熱學性能熔點有高低,導熱性好,液態(tài)的溫度范圍寬熔點高,膨脹系數(shù)小,熔體中有離子存在熔點高,膨脹系數(shù)小,熔體中有的含有分子熔點低、高膨脹性光學性能不透明,有金屬光澤與各構成離子相同,對紅外的吸收強,多是無色or淺色透明高折射率,同氣體的吸收光譜很不同透明其它延展性良好除鏈狀高分子外,延展性都較差

多種鍵型化合物：多元化合物一般具有幾種鍵型。第二章材料的組成、結構與性能絕大多數(shù)有機化合物，分子的原子間由共價鍵連結，分子間靠范德華鍵聯(lián)系；有機酸的金屬鹽中還有離子鍵。若原來分子中含有氫鍵，則同時具備四種鍵型。結構不太復雜的氫氧化物中，也能同時存在共價鍵、離子鍵和氫鍵等3種鍵型；酸和酸性鹽中，除離子鍵和共價鍵外，還有大量氫鍵。硅酸鹽：另一類多鍵型的復雜化合物，大量離子鍵和共價鍵，某些情況下也有氫鍵和范德華鍵。特別是某些天然的鏈狀和層狀硅酸鹽結構更復雜。晶體結構的基本特征

晶體——原子or原子團、離子和分子按一定規(guī)律呈周期性的排列構成的物質,即從內部結構來看：晶體結構的基本特征是原子or分子在三維空間呈周期性的規(guī)則而有序地排列,即存在長程的幾何有序。2.2.2晶體結構基礎

結構的不完整性：實際上，極大多數(shù)晶體都有大量的與理想原子排列的輕度偏離存在，依據(jù)其幾何形狀而分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。結構的不完整性會對晶體的性能造成重大影響。第二章材料的組成、結構與性能單晶：由一塊結構均勻的大晶體構成的固體，具有各向異性、一定的熔點，生長良好時外形規(guī)則。第二章材料的組成、結構與性能晶體排列狀態(tài)：由構成原子or分子的幾何形狀和鍵型所決定，為無方向性的球狀(單獨的原子)時較簡單；若為有機物分子類有方向性時，則相當復雜。構成原子or分子的吸引力與排斥力在達到均衡時相互保持穩(wěn)定構成晶格。一般晶體外形有變化，晶格也不會改變。生長良好的晶體外形常呈現(xiàn)某種對稱性，其宏觀對稱性是其內部結構微觀對稱性的表現(xiàn)，與晶體的性能有深刻的內在聯(lián)系。按晶格邊長,晶軸相交角度等可將晶體分為7大晶系晶系特征立方a=b=c，===90(3根軸互相正交,軸長相等)正方a=bc，===90(3根軸互相正交，2根軸長相等，1根軸不等)三方a=b=c，90，==90(3根軸長相等，2根軸正交，另1根軸向一個方向斜交)斜方abc，===90(3根軸互相正交，軸長均不相同)單斜abc，90，==90(2根軸正交，另1根軸向一個方向斜交，3根軸長均不相同)三斜abc，90(3根軸互相斜交，軸長各不相同)六方a=bc，==90，=120(2根軸等長,在同一面內互相以60相交,不等長的另1根軸同其正交)七大晶系的晶格特征結晶系示例見圖2-4圖2-4結晶系示例

晶體的結構定出了之后，如得知原子半徑r即可求出表示晶格大小的晶格常數(shù)a?？山柚赬射線衍射法確定結構，求出a。根據(jù)r和a可計算出晶體的密度。給出了兩種結構的原子半徑r與晶格常數(shù)a的關系。許多固體以多晶形式存在，常見金屬及其合金、大多數(shù)陶瓷和礦物等均屬于多晶體。多晶是許多單晶組成的聚集體，即由許多取向不同的晶粒組成。第二章材料的組成、結構與性能晶界：多晶體中，兩個晶粒相遇時所產生的界面。晶粒大小相差極為懸殊，粒徑可小至m(如粘土粒子)~nm(超細TiO2粒子)，大到cm(如黃銅粒子)。晶體中的原子總是在平衡位置附近進行熱振動。晶體中又包含著種種缺陷如：點缺陷、線缺陷和體缺陷等，造成結構的不完整性。

(a)1200℃(b)1150℃(c)1100℃不同燒結溫度所得Y2O2S:Eu3+產物的SEM照片SEMmicrographsforthephosphorfiredatdifferenttemperatures可看出：T燒結在1150℃和1200℃時,微觀晶體顆粒生長得比較完整，基本上成六邊形，盡管部分顆粒有團聚現(xiàn)象，但整體上看顆粒的大小比較均勻。在1100℃時生成的顆粒團聚現(xiàn)象很明顯，而且大小不均，晶體結構不完整。4μm20μm結構的不完整性1.雜質原子與固溶體

一般所認為的純材料實際上都溶有某些雜質。許多情況下,固溶體是有意制備的,目的在于改變某些性能—雜質的控制使用。有取代型和填隙型兩類圖2-6。溶質原子——雜質or有意添加的,都會使晶體基體發(fā)生局部的結構擾亂,形成固溶體。是1種相當重要的點缺陷。第二章材料的組成、結構與性能2.點缺陷

3.線缺陷

4.面缺陷

Fig2-6簡單晶體中存在間隙雜質原子

和取代雜質原子的示意圖置換(取代)雜質原子間隙雜質原子過渡金屬中:添加的H、N、C、B都易處在間隙位置中,非常低的雜質%對其力學和電學性能也有顯著的影響。添加原子的大小、晶格結構的空隙大小與形成間隙固溶體密切相關的。許多硅酸鹽固溶體中，Be2+、Li+、或Na+等小半徑正離子易進入到晶體晶格間隙中。晶格結構的空隙越大,也有利于形成固溶體。像面心結構的MgO，只有四面體空隙可以利用；反之在TiO2晶格中還有八面體空隙可以利用；在CaF2型結構中則有配位為8的較大空隙存在；再如架狀硅酸鹽片沸石結構中的空隙就更大了。∴形成填隙固溶體的次序必然是片沸石>CaF2>TiO2>MgO。固溶體對金屬合金和特種陶瓷制備的作用很大：第二章材料的組成、結構與性能①結構位置缺陷:空位—晶體中沒有被占據(jù)的原子位置;間隙原子—晶體本身的原子占據(jù)了間隙位置。間隙原子常比空位少得多,∵它在金屬中所引起的結構畸變太大?？瘴坏闹匾攸c是能與相鄰原子交換位置而運動。這使得原子高溫時可在固態(tài)中進行遷移(即擴散)。T

平均熱能原子振動的振幅也。②組成缺陷：前面已談的雜質原子；③電荷缺陷。

理想晶體中一些原子被外界原子所代替,or晶格間隙中摻入原子,or留有原子空位,破壞了有規(guī)則的周期性排列,引起質點間勢場的畸變,所造成晶體結構的不完整,僅僅局限在原子位置?？煞譃椋狐c缺陷：第二章材料的組成、結構與性能∵熱運動，晶體中總有一些原子要離開它的平衡位置，造成點缺陷。金屬和共價固體中2種最常見的與雜質原子無關的結構點缺陷見圖2-7。

①弗倫克爾缺陷：一些能量足夠大的原子離開平衡位置后，擠到格子點的間隙中，形成間隙原子，而原來位置上形成空位。②肖特基缺陷：固體表面層的原子獲得較大能量，但還不足夠使它蒸發(fā)出去，只是移到表面外新的位置上，而留下原來位置形成空位，這樣晶格深處的原子就依次填入→表面上的空位逐漸轉移到內部去。一般，r+≈r-時以肖特基缺陷為主如NaCl，相差大時以弗倫克爾缺陷為主如AgBr。這兩種缺陷都對離子晶體的導電性均有貢獻。

刃位錯：特性是滑移方向和位錯線垂直，見圖2-8。螺旋位錯：由于剪應力的作用使晶面互相滑移，滑移部分的相交位錯線和滑移方向平行。位錯線周圍的一組原子面形成了一個連續(xù)的螺旋形坡面。

第二章材料的組成、結構與性能線缺陷：

實際晶體在結晶時受到雜質、溫度變化or振動產生的應力作用or∵受到打擊、切削、研磨等機械應力的作用，使晶體內部質點排列變形，原子行列間相互滑移，不再符合理想晶格的有序的排列，形成線狀的缺陷，也稱為位錯。造成質點滑移面和未滑移面的交界線稱為位錯線。(a)為在剪應力作用下，使晶體的1個原子面相對其相鄰原子面移動1個原子間距；(b)為在宏觀尺度中，所引起的永久形變表現(xiàn)為晶體的一部分相對另一部分發(fā)生位移。第二章材料的組成、結構與性能多晶體是由許多結合得并不十分嚴密的微小晶粒構成的聚集體。如圖2-9所示的構造就是1種面缺陷。晶界(晶粒之間的邊界)是能量較高的結晶不完善的區(qū)域,其厚度等于12個原子直徑。由于晶界的原子堆積不完善,所以雜質原子傾向于偏聚在晶界上。

第二章材料的組成、結構與性能面缺陷只有在一定條件下如有籽晶存在,才能形成單晶體。多數(shù)固體是多晶體,∵許多地點有晶核產生。如鑄錠凝固時,形成許多晶粒。緩慢凝固的鑄件,有時能用肉眼看到晶粒;凝固速率較快,晶粒尺寸就會小些,只有借助于光學顯微鏡才能夠看見晶粒。每個單獨的晶粒都是單晶體，在1個晶粒內，給定的1組原子面在空間具有相同的位向，但其相鄰的晶粒具有不同的結晶學位向。晶粒之間不是公共面，而是公共棱的。原子面從1個晶粒到相鄰的晶粒是不連續(xù)的。圖2-9表示多晶體中各個晶粒位向的示意圖

第二章材料的組成、結構與性能金屬材料的結構

無機非金屬材料的結構

高分子材料的結構多相復合材料的結構模式2.2.3材料的結構

當原子or分子結合成固體時，可能形成晶體，也可能形成非晶體。不具有明顯晶體結構的狀態(tài)統(tǒng)稱為無定形結構or非晶質。液體、氣體等均屬于無定形結構，也有例外，如液晶。

第二章材料的組成、結構與性能金屬材料的結構：一般都是晶體。∵金屬鍵無方向性，晶體結構具有最致密的堆積方式，配位數(shù)Z(1個原子最鄰近的、等距離的原子數(shù))也特別高。金屬晶體結構會隨T發(fā)生變體轉變，常溫下金屬元素晶體結構(見圖2-10)第二章材料的組成、結構與性能體心立方結構BCC(body-centeredcubicstructure)在立方晶格的中心具有原子，如常溫下的鐵、鉻、鎢等(a)單位晶格(b)2個以上晶格(c)原子的堆積多數(shù)是體心立方、面心立方和緊密堆積六方結構。堿金屬均為體心立方，Z=8；堿土金屬多數(shù)為六方密堆積，Z=12；過渡金屬先是六方密堆積和體心立方，最后完全過渡到面心立方結構。面心立方和六方密堆積一樣，是最密的堆積方式，Z也是12。面心立方結構FCC(face-centeredcubicstructure)

在立方晶格的6個面上各有1個原子的結構，如常溫下的鎳、鋁、銅、鉛、銀、金和9101400C之間的鐵第二章材料的組成、結構與性能圖2-12面心立方結構

(a)單位晶格(b)2個以上晶格(c)原子的堆積緊密堆積六方結構(hexagonalclose-packedstructure)

是在六方晶格的內部具有3個原子的結構，如常溫下的鈦、鎂、鋅等(圖2-13)。

圖2-13緊密六方結構

第二章材料的組成、結構與性能除單質外，合金一般都是多晶體，有時可形成固溶體、共溶晶、金屬間化合物以及它們的聚集體。典型金屬固溶體有Cu-Au、Cu-Ni、Fe-Ni等合金。組成合金的元素,可相互起化學作用形成化合物or可相互溶解形成固溶體。此外，還能形成另1種既不屬于化合物也不屬于固溶體的相—中間相。

金剛石型結構：極為復雜的結構(圖2-14)，如金剛石、硅、鍺等半金屬。原子間以共價鍵結合，4個鍵互相呈109、280角度伸向正四面體的頂點。鍵的強度很牢固。

純金屬一般認為是微細晶粒的聚集體；合金則可看作母相金屬原子的晶體與加入的合金晶體等聚合而成的聚集體。晶粒間的結合力要比晶粒內部的結合力小。軟鋼、銅、金、鋁等之所以能經(jīng)受大的塑性變形，是∵在發(fā)生滑移變形的同時，原子相互間的位置依次錯開又形成了新的鍵，從整體看，是∵原子間的鍵難于斷開的緣故。晶粒晶界上的結合是機械結合，即金屬由高溫熔體凝固析晶時，相互嚙合牢固地結合在一起。晶粒間的接觸面越大，結合力也越大。第二章材料的組成、結構與性能金屬材料也可看成是由晶體的聚集體構成的：

無機非金屬材料的結構1.金剛石型結構：金剛石、Si、Ge等。圖2-15SiO4結構單元

2.硅酸鹽結構：陶瓷的主要結構，其中Si-O為離子鍵和共價鍵的混合鍵。結構特征是Si+4位于由4個O-2組成的四面體中心，構成[SiO4]4-四面體(圖2-15)，并通過共頂點的氧以不同形式相互連接形成島狀、鏈狀(石棉)、層狀(粘土、云母、滑石等)、立體網(wǎng)絡狀(石英)等不同結構?！逽iO44是離子化狀態(tài)，可同其他金屬離子結合成不同的結構。又∵每個O可同2個Si共有1對電子，∴能形成連續(xù)的結構。圖2-16Mg(OH)2晶體的層狀結構

Mg(OH)2可成為層狀結構。Al(OH)3也有類似結構。高嶺石SiO2?Al2O3?2H2O(簡單的粘土)是1:1型結構，由1層[SiO4]與1層[Al2(OH)4]結合成單網(wǎng)層，在1邊排列有O，另1邊排列有OH，單網(wǎng)層間以氫鍵結合成片狀整體。滑石是在2邊都排列有O，在2層SiO2結構間夾在有Mg(OH)2結構的一種夾心型結構。

由6個OH將Mg2+圍成八面體狀3.玻璃結構：可看成是處在過冷狀態(tài)的1種粘度極高的液體，整個結構不具有晶體的規(guī)則排列。特點是原子排列近程較有序，遠程無序。鍵性有共價鍵和離子鍵。圖2-17和圖2-18是玻璃的結構示意圖。

圖2-17SiO2的原子排列

圖2-18鈉鈣玻璃的原子排列

4.團簇及納米材料：由幾個至上千個原子、分子結合相對穩(wěn)定的微觀和亞微觀聚集體叫做團簇，是介于原子、分子和宏觀固體之間的1個新層次，許多物理、化學性質既不同與單個原子、分子，又不同與常規(guī)固體，成為凝聚態(tài)物質中的一種新結構。如果這樣的團簇在1個、2個或3個方向上延伸，便成為1維、2維和3維材料。由于這樣的3維材料是由納米尺寸的微粒組成，通常把這類材料叫做納米材料。廣義的納米材料是指微結構的特征長度在納米量級的材料，可以是零維、一維、二維材料組成的塊體材料，如由多層薄膜疊加而成的層狀材料或由納米纖維組成的材料等。這類材料又叫做納米結構材料(NanostructuredMaterials)，或納米相材料(NanophaseMaterials)。C60的結構：在大量的團簇中，最受重視的是團簇C60。以C60作為結構基元而形成的C60固體是除石墨、金剛石外，碳的第三種穩(wěn)定的同素異構體。C60的結構可以這樣來描述：將20等等邊三角形組成的正20面體頂角截掉，截頂?shù)?0面體便成了由20個六邊形、12個五邊形組成的一個32面體，其形狀類似于足球。球的直徑為0.71nm，每三個面的交點處為一碳原子，共60個碳原子，球是空心的。碳團簇中，原子數(shù)為20、24、28、32、36、50、60、70……等團簇的穩(wěn)定性高，其中以C60的豐度最高，C70次之。C70是由12個五邊形、25個六邊形組成的橢球。碳納米管又叫做布基管，是一種由單層或多層石墨卷成的納米微管，多層碳管各層之間的間隙為石墨的層間距。碳管兩頭可以是空的，碳懸鍵被氫原子飽和；也可被半個C60或更大的碳球所封閉。

高分子材料的結構第二章材料的組成、結構與性能單體鏈狀結構交聯(lián)網(wǎng)狀結構高分子化合物的聚集態(tài)結構包括高分子鏈的結構及聚集態(tài)結構。通常按其結構層次，把鏈結構(構型)、高分子的形態(tài)(構象)和聚集態(tài)結構(包括織態(tài)結構)分別稱為一次、二次和三次結構。三次以上又稱高次結構。這些不同層次的結構，總稱為高分子化合物的微觀結構。

構成大分子的最基本組成單元。通常是C和H為主組成的較簡單的低分子化合物，可通過反應生成高分子化合物，也可與O、N、S、P、Cl、F、Si等結合。常見的有：含有C-C雙鍵的烯類，包括單烯類、共軛二烯烴，甚至炔烴：如乙烯、丙烯、氯乙烯、四氟乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈、苯乙烯、丁二烯、氯丁二烯等；羰基化合物：如甲醛、乙醛，甚至酮類；雜環(huán)化合物：碳-氧環(huán)、碳氮環(huán),如環(huán)氧乙烷,環(huán)氧丙烷等；多官能團化合物：如多元酸、多元醇、多元胺、酚類、脲、醛類、多異氰酸酯、有機硅氧烷等。單體：第二章材料的組成、結構與性能鏈狀結構：多數(shù)天然、合成和生物高分子都具有鏈式結構，即由多價原子彼此以主價鍵結合而成的長鏈狀分子。長鏈中的結構單元數(shù)很大(103105數(shù)量級)，分子的直徑:長度比可達1:1000以上。1個結構單元相當于1個小分子，具周期性。長鏈可由1種(均聚物)or幾種(共聚物)結構單元組成。如圖2-19所示，長鏈可采取伸展狀、無規(guī)線團狀、折疊狀、螺旋狀等形式。第二章材料的組成、結構與性能線型結構的高分子化合物：在適當?shù)娜軇┲锌扇苊沷r溶解，升高溫度時則軟化、流動，∴易加工，可反復加工使用，并具有良好的彈性和塑性。(熱塑性)圖2-19鏈的構型和鏈的聚集態(tài)

大部分高分子主鏈由CC單鍵組成，每個單鍵都有一定的鍵長和鍵角，并能在保持它們不變的情況下任意旋轉，稱為單鍵的內旋轉，結果導致原子排列方式的不斷變換。這種能通過單鍵內旋轉改變其構象的特性稱為大分子鏈的柔順性。一個高分子鏈中有許多單鍵，每個單鍵都能作內旋轉，∴高分子在空間的形態(tài)可以無窮多個。H－C－……C－2H1HHHC－……C－3HnH4HCH3C－……C－4HnHCH33HH－C－……C－2H1HHHC－……C－3HnH4HCH3主鏈結構：全由單鍵組成時，分子鏈柔順性最好。主鏈結構除由–C–C–鍵組成外，還可能有–Si–O–和–C–O–鍵，∵O周圍無其它原子和基團，∴內旋轉–Si–O–比–C–O–容易，–C–O–比–C–C–容易；另外，鍵長–Si–O–>–C–O–鍵角Si–O–Si>C–O–C，內旋轉更容易柔順性

–Si–O–>–C–O–>–C–C–，∴合成橡膠中多含有–Si–O–；含孤立雙鍵時，雖雙鍵本身不能內旋轉，但∵2個C各減少了1個側基orH，使與雙鍵相連的單鍵內旋轉阻力，∴柔順性；含芳雜環(huán)時，∵不能內旋轉柔順性很低,但剛性較好,能耐高溫。取代基的特性：具有極性時，使分子鏈間作用，內旋轉受阻，柔順性；V越大越笨重，對內旋轉阻礙就越大，∴柔順性就差；分布對稱，有利單鍵的內旋轉，∴柔順性好。鏈的長度除T、外力等因素外，影響柔順性的主要因素大分子鏈的結構？交聯(lián)網(wǎng)狀結構：高分子的構成按三維空間進行，分子鏈和鏈間發(fā)生交聯(lián)(化學鍵互相聯(lián)接)立體結構，象1張不規(guī)則的網(wǎng)稱網(wǎng)狀結構。這種結構是橡膠彈性體or熱固性材料所特有，如三聚氰胺樹脂、尿素樹脂、環(huán)氧樹脂等。比鏈狀結構的分子自由度小，強度雖大，卻硬而脆的。∴交聯(lián)程度對力學性能影響大。不溶于任何溶劑or僅有一些溶脹。T時也不會熔融軟化。性能特點：較好的耐熱性、難溶劑性、尺寸穩(wěn)定性和機械強度，但彈性、塑性低，脆性大?！嗖荒苓M行塑性加工，成型加工只能在網(wǎng)狀結構形成前進行，材料不能反復加工使用。(熱固性)高分子材料的聚集態(tài)結構第二章材料的組成、結構與性能大分子之間的結合力是范德華力和氫鍵，稱為次價力，比主價力小得多(只有主價力110％)，但對高分子化合物的性能影響很大。如乙烯呈氣態(tài)，而聚乙烯呈固態(tài)并有相當強度，∵后者的分子間力較前者大得多。1.大分子之間的相互作用：大分子鏈中原子間、鏈節(jié)間的相互作用是強大的共價鍵這種結合力稱為主價力，大小取決于鏈的化學組成→鍵長和鍵能。對性能，特別是熔點、強度等有重要影響。分子間力的特點：小分子間作用力很??；有加和性；大小強烈依賴分子間距離，只有很靠近時才顯現(xiàn)出來(為0.30.5nm)。分子鏈呈規(guī)則的有序排列時，分子間力充分顯現(xiàn)表現(xiàn)為Tm高、強度高，而雜亂無序的分子間力就很小。第二章材料的組成、結構與性能2.大分子間的幾何排列按排列是否有序？其聚集態(tài)結構可分為：晶態(tài)和非晶態(tài)(無定形)兩種。晶態(tài)有序程度<<小分子晶態(tài)，但非晶態(tài)的有序程度>小分子物質液態(tài)。高分子鏈具有特征的堆砌方式，鏈空間形狀可以是卷曲、折疊和伸直的，還可形成某種螺旋結構。若高分子鏈由≥2種不同化學結構單元組成，則化學結構不同的高分子鏈段,由于相容性的不同，可形成多種多樣的微相結構。第二章材料的組成、結構與性能①非晶態(tài)高分子結構：玻璃態(tài)、橡膠態(tài)、熔融態(tài)、及結晶高分子中的非晶區(qū)的結構，分子排列無規(guī)則。線型大分子鏈很長，固化時，∵粘度↑，難以行規(guī)則排列，而多呈混亂無序地分布→無定形結構。網(wǎng)狀結構高分子，∵分子鏈間存在大量交聯(lián)，分子鏈不可能作有序排列，具有無定形結構。從結構形態(tài)來看，非晶態(tài)結構包括無規(guī)線團、鏈結和鏈球。②晶態(tài)高分子的結構：分子排列規(guī)整有序。線型、支鏈型和交聯(lián)少的網(wǎng)狀高分子有可能結晶，但∵分子鏈運動較困難，不能完全結晶?！鄬嶋H的結晶高分子都由晶區(qū)和非晶區(qū)所組成。結晶度—晶區(qū)所占的質量%。晶區(qū)和非晶區(qū)的尺寸<<分子鏈長度，故每個大分子鏈往往要穿過許多晶區(qū)和非晶區(qū),∴使晶區(qū)和非晶區(qū)緊密相連，有利↑強度。結晶度↗→強度、硬度和剛度↗，且耐熱性和耐化學腐蝕性也得到改善，而與鏈運動有關的性能如彈性、伸長率、沖擊韌性等↘。大分子材料的結構設計方法為：改變鏈長、調整鏈中原子團的配置、鏈的分叉和交聯(lián)、控制結晶度等方法。高分子材料晶體的形態(tài)有：單晶、片晶、纖維狀晶體、球晶等。結構模型有：纓狀膠束、折迭鏈、伸直鏈、串晶的結構模型和球晶的結構模型。

第二章材料的組成、結構與性能多相復合材料的結構模式

復合材料：由≥2個獨立的物理相，包含粘結材料(基體)和粒料、纖維、晶須or片狀材料所組成的1種固體產物。是復相組織，可以是1個連續(xù)相與1個分散相的復合，or≥2個連續(xù)相與≥1個分散相在多個連續(xù)相中復合的材料。以金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料為基的復合材料中，分散相(增強介質)可以是零維、1維、2維、or3維等各類材料。通過復合工藝組合而成的多相材料包括：金屬-金屬、金屬-陶瓷、金屬-樹脂、陶瓷-樹脂、陶瓷-陶瓷or樹脂-樹脂的復合。復合材料的性能常與其組成相的幾何排列直接相關。3種最普通的相排列方式—顆粒狀、纖維狀和層片狀。在纖維增強的復合材料中，纖維可以是圖(b)的混亂狀態(tài)or沿某個方向整齊排列。體積分數(shù)少的相通常是復合材料中顆粒or纖維。圖2-20各種類型的復合材料中相的排列

10-YSZ/20mol%Al2O3復合材料的SEM照片(a)顆粒;(b)片晶用CVD法合成的復合材料的結構在CVD-Si3N4(型)中復合TiN就能合成(A)型復合材料;在CVD-Si3N4中復合BN就能合成(F)型復合材料。化學性能力學性能熱學性能電性能

光學性能磁性用于表征材料在給定外界條件下的行為，是材料微觀結構特征的宏觀反映?！呓M成和制備工藝的差異→各類材料的性能存在很大差異。三大材料的特點見圖221第二章材料的組成、結構與性能2.3材料的性能Fig2-21各類材料性能的特點第二章材料的組成、結構與性能氫鍵金屬材料的化學穩(wěn)定性

無機非金屬材料的化學穩(wěn)定性

高分子材料的化學穩(wěn)定性2.3.1化學性能

第二章材料的組成、結構與性能材料抵抗各種介質作用的能力，隨材料的組成、結構等而不同。包括：溶釋性、耐腐蝕性、抗?jié)B入性、抗氧化性等，可歸結為化學穩(wěn)定性。與此相關的還有催化性、離子交換性等?；瘜W腐蝕：受周圍介質作用引起的1種化學變化。發(fā)生腐蝕時不形成原電池，不產生電流。電化學腐蝕：與電解質接觸時發(fā)生的1種腐蝕。在腐蝕過程中，金屬表面形成許多微小的電流。電解質—在潮濕的環(huán)境中、溶液中或熔融狀態(tài)下能形成正負離子，能導電的物質如酸、堿、鹽等。金屬材料的化學穩(wěn)定性：

不同金屬差別很大，金屬腐蝕是1種常見現(xiàn)象，導致腐蝕的基本原因可分為：腐蝕速度：可用單位時間內單位面積的損失量or單位時間內的腐蝕深度表示。工業(yè)上常用6類10級的耐蝕性評級標準p48第二章材料的組成、結構與性能電化學腐蝕的原因：當2種或1種金屬材料其內部有2種不同的組成物(如2種相)時，若處于同一電解質中，∵各自不同的電極電位，低→負極，e由低極→高極→金屬表面→許多微小電流。∵低極失去e→氧化反應，而高得到e→還原反應，∴低的金屬便不斷地受到腐蝕。如陽極金屬M的溶解可寫為：MM＋e；鋁的陽極氧化為：6OH＋2AlAl2O3＋3H2O＋6e。金屬與氧化物不完全一樣，有的金屬(Al、Cr等)氧化后→Al2O3、Cr2O3等在表面→致密膜→空氣中的O2不再與金屬直接接觸，防止了繼續(xù)氧化→↗金屬抗氧化能力。而鐵所生成的FeO、Fe2O3組織疏松，O2可透過表層與Fe繼續(xù)發(fā)生作用→金屬遭受破壞。無機非金屬材料的化學穩(wěn)定性

第二章材料的組成、結構與性能侵蝕機理：由氣相－固相反應的熱力學和動力學所決定。

p49表29定性地列出了各種陶瓷材料的耐蝕性。陶瓷、混凝土、灰漿等的耐久性取決于材料的密度、氣孔率，化學作用(溶解、溶出、氧化等)

，和物理作用(干濕作用、T變化、凍結融化等)等因素。陶瓷材料使用中也常遇到氣體侵蝕問題(CO和H2等—還原性，O2—氧化性，Cl2和SO2等—反應性)。表29各種陶瓷材料的耐蝕性

種類酸及酸性氣體堿液及堿性氣體熔融金屬Al2O3MgOBeOZrO2ThO2TiO2Cr2O3SnO2SiO2良好差尚可尚可差良好差尚可良好尚可良好差良好良好差差差差良好良好良好良好良好尚可差差尚可SiCSi3N4

良好良好尚可尚可尚可良好BNB4C尚可良好良好尚可良好－TiCTiN差尚可差尚可－－如聚四氟乙烯：不僅C-F結合很牢，且分子規(guī)整對稱易于結晶，F(xiàn)原子組成了嚴密的保護層，包圍了碳鏈→化學性質非常穩(wěn)定。高分子材料的化學穩(wěn)定性：大多數(shù)較穩(wěn)定，有良好的抗腐蝕能力如。主要∵第二章材料的組成、結構與性能分子鏈上各原子是共價鍵結合，鍵能較高，結合很牢形態(tài)特殊，使得大分子鏈上能夠參加化學反應的基團與化學反應介質的接觸較困難。如高聚物大都是絕緣體，不會產生電化學腐蝕。聚四氟乙烯PTFE：有極好的化穩(wěn)性，高溫下也不與濃酸、濃堿、有機溶劑和強氧化劑等起反應，在沸騰的“王水”中也毫無損傷，可在-195250℃長期使用，∴獲“塑料王”的美稱；聚氯乙烯PVC：應用極廣的重要塑料，耐酸、耐堿性好，且有一定的強度和剛度，可制成各種規(guī)格的管道、閥門、泵、容器以及各種防腐襯里；酚醛樹脂等熱固性塑料：∵具有化學鍵交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結構，耐腐蝕性也很好。第二章材料的組成、結構與性能第二章材料的組成、結構與性能晶態(tài)高聚物：∵長鏈分子間堆砌緊密，有相當高的化穩(wěn)性；無定形高聚物處于玻璃態(tài)時：∵大分子鏈不能自由運動，反應基團被固定，化學反應也難進行；在高彈性態(tài)和粘流態(tài)時：也∵大分子鏈雜亂無章，彼此纏結，許多基團被包裹起來，難與其他反應介質接觸，∴與低分子物質相比，反應仍較緩慢。高分子材料的老化：指在加工、儲存和使用過程中，受化學結構影響，在光、熱、氧、高能輻射、氣候、生物等因素的綜合作用下，失去原有性能而喪失使用價值的過程(即物理化學性質和機械性能變壞的現(xiàn)象)。有2種情況：第二章材料的組成、結構與性能大分子鏈間產生交聯(lián)：線型or支鏈型結構→體型結構，性能變僵、變脆，喪失彈性等。大分子鏈的降解：鏈長度↘→相對分子質量↓，即聚合度↘→性能變軟、變粘、脫色、喪失機械強度等。

強度與塑性

硬度

斷裂與韌性

疲勞特性和耐磨性等

2.3.2力學性能材料在使用過程中，都或多或少要經(jīng)受力的作用。材料受外力作用時的變形行為及其抵抗破壞的能力，又稱機械性能，是一系列物理性能的基礎。通常包括：第二章材料的組成、結構與性能

材料在載荷作用下抵抗明顯的塑性變形或破壞的最大能力。按作用力的方式不同，可分為：強度與塑性

1.強度：第二章材料的組成、結構與性能拉伸強度壓縮強度彎曲強度沖擊強度疲勞強度等。∵材料中一般都存在有晶格錯亂、空隙、氣孔、殘余應力等，聚集體材料中又存在有不均勻性和各向異性等各種缺陷，∴多數(shù)情況下，實測的強度數(shù)據(jù)有較大的離散性，需盡量多測幾個樣品。通常材料中缺陷越少、分子間鍵合強度越大，材料的強度也越高。拉伸強度：是將試片在拉力機上施以靜態(tài)拉伸負荷，使其破壞(斷裂)時的載荷。拉伸強度越大，說明材料越不易斷裂。不同的拉伸速度下，測得的拉伸強度值是不同的。一般，較慢拉伸速度下，材料的強度值較小。表2-10給出了一些材料的拉伸強度值。陶瓷材料金屬材料高分子材料長石(KalSi3O8)45MgSiO368Al2O3270SiC350金剛石500Al689Cu1480Be552Mo2070Fe3450聚乙烯2239聚苯乙烯3563聚甲基丙烯酸甲酯4977尼龍67478

聚酰亞胺94表2-10一些材料的拉伸強度值/MPa彎曲強度(抗彎強度)：指采用簡支梁法將試樣放在兩支點上，在兩支點間的試樣上試加集中載荷，使試樣變形直至破裂時的載荷。是材料韌性、脆性的度量。計算公式為：P——破壞載荷，l——試樣在支點間的跨度，b、d——分別是試樣的長度和厚度。b=3Pl/2bd2(N/m2)第二章材料的組成、結構與性能2.塑性：材料在載荷作用下，應力超過屈服點后能產生顯著的殘余變形而不即行斷裂的性質。屈服強度—材料在外力作用下發(fā)生塑性變形的最小應力。材料拉伸時延伸率較大，代表其塑性越好。陶瓷材料的塑性最差。3.應力－應變曲線：應力與應變的關系。在材料上作用以拉伸、壓縮等外力時，會相應地發(fā)生內應力，按此應力的大小產生應變。＝P/A

＝(L-Lo)/LoP—載荷，A—橫截面積，Lo—標距間的原始距離，L——施加P后標距間的距離。應力－應變曲線按材料的組成、組織有所不同，大體上可分為5種類型(圖2-22)曲線1：開始為直線，隨后表現(xiàn)出屈服現(xiàn)象，應力↗應變↗→斷裂，如軟鋼；曲線2：接近于直線，但不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，曲線稍微向上凸出，突然斷裂，如玻璃、硬石塊、鑄鐵等;曲線3：開始時向上凸出(接近于指數(shù)變化)，在接近斷裂時應變

，如軟石塊、蒸壓輕質混凝土、木材的壓縮曲線、質硬而脆的塑料等；曲線4：開始階段接近于直線或有向上凸的趨勢，隨后應力出現(xiàn)極大值，一度屈服，然后應力再次而斷裂，如硬而粘性大的塑料；曲線5：開始階段稍許趨于向下凹，隨后應變同應力的成正比，當應力再度時便斷裂，如軟質橡膠。第二章材料的組成、結構與性能彎曲屈服強度：指某些非脆性材料，當載荷達到某一值時，其變形繼續(xù)增加而載荷不增加時的強度。壓縮強度：也稱抗壓強度，是指在試樣上施加壓縮載荷至破裂(對脆性材料)或產生屈服現(xiàn)象(對非脆性材料)，原單位橫截面積上所能承受的載荷。試樣通常為圓柱形or正方形。沖擊強度：是材料在高速沖擊狀態(tài)下發(fā)生斷裂時單位面積上所需的能量。4.彈性與剛度：彈性—材料在載荷作用下產生變形，當載荷除去后能恢復原狀的能力；剛度—指材料在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。反映材料剛度的指標是彈性模量。

E表征物體變形的難易程度。縱向彈性模量也稱楊氏模量。如把材料看成彈性體時，在應力-應變曲線彈性段的斜率即為彈性模量。代表性材料的E見表2-11。高分子材料E變化范圍較寬，是應用多樣性的原因之一。

E=5.彈性模量：指材料在彈性極限范圍內，是應力與應變的比值，用E(Pa)表示：表2-11一些代表性材料的楊氏模量/N?m-2

陶瓷材料金屬材料高分子材料金剛石1.21×1012

<111>Al2O34.6×1011<001>MgO2.45×1011<100>NaCl4.4×1010<100>Si3N4(多晶)3.72×1011SiC(多晶)5.6×1011

W3.6×1011Sn5.5×1010Cu1.25×1011Zn3.5×1010Ag8.1×1010Al7.2×1010

聚乙烯0.121.05×109PMMA2.53.5×109橡膠2×105聚苯乙烯2.22.8×109尼龍62.84×109硬塑料5×1015

第二章材料的組成、結構與性能硬度PHB=(/2)D(DD2-d2)P：作用載荷，D：壓頭直徑，d：壓痕直徑。

第二章材料的組成、結構與性能能抵抗其他較硬物體壓入表面的能力。常用試驗方法有布氏、維氏、和洛氏試驗。布氏硬度試驗：通常將Φ10mm的堅硬鋼球壓入材料的表面，測出表面上留下的壓痕直徑，并按下式算出布氏硬度值（HB或BHN）。洛氏試驗：測軟材料時用小鋼球；測較硬材料時可用金剛鋼石錐體。硬度計可自動測出壓頭穿透的深度，并將深度數(shù)值轉換為洛氏硬度數(shù)值。

維氏試驗：用不同載荷的金剛錐進行壓痕，測量微觀硬度常用材料的硬度