材料的组成、结构、性能.ppt

1,Chapter 2,Composition Structure and Property of Materials,材料的组成、结构与性能,Chapter 2 Structure and property of materials,2,材料性能,材料应用,Relationship,3,2.1 材料的组成,2.1.1 材料组元的结合形式,2.1.2 材料的化学组成,J,J,Catalog 2.1,4,2.1 概述,2.1.1 材料组元的结合形式,2.1.1.1 基本概念,2.1.1.1 Concepts,5,Relation of component，phase and texture,phase,atom,组织是材料性能的 决定性因素,Relation of component，phase and texture,Figure 2-1,chemical element,chemical substance,molecule,component,texture,simplex texture,multiple texture,6,2.1.1.2 Solid solution,溶液,2.1.1.2 Solid solution,（1）定义,7,(1) Definition,Solvent 溶剂,Solute溶质,一个（或几个） 组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。,固溶体,8,(2) Characteristic, 有一定的成分范围,solid solubility, 溶质和溶剂原子占据一个共同的晶体点阵，点阵类型和溶剂的点阵类型相同。, 具有比较明显的金属性质,（2） 基本 特征,结合键主要是金属键,9,(3) Classification,（3）分类,10,A、置换型,A、置换型固溶体由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组成。,11,Periodic table,结构 Ni : 1s22s22p63s23p63d84s2 Cu: 1s22s22p63s23p63d94s2,半径 Ni ：0.1246nm Cu：0.1278nm,12,Ionic solid solution,MgO的结构中Mg2+离子被Fe2+离子所取代。,条件：1. 半径相近 2. 电荷数相同,Ca2+能取代Mg2+吗？ Li+ 能取代Mg2+吗？,Ionic solid solution,13,形成置换固溶体的影响因素,形成置换固溶体的影响因素,1. 原子或离子尺寸的影响 Hume-Rothery经验规则 2. 晶体结构类型的影响 3. 离子类型和键性 4. 电价因素,14,Hume-Rothery经验规则,以r1和r2分别代表半径大和半径小的溶剂(主晶相)或溶质(杂质)原子(或离子)的半径， 当 时，溶质与溶剂之间可以形成连续固溶体； 当 时，溶质与溶剂之间只能形成有限型固溶体； 当 时，溶质与溶剂之间很难形成固溶体或不能形成固溶体，而容易形成中间相或化合物。因此r愈大，则溶解度愈小。,原子或离子尺寸的影响 Hume-Rothery经验规则,15,晶体结构类型的影响,晶体结构类型的影响,若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而不是充分必要条件。 NiO-MgO都具有面心立方结构，且r15%，可形成连续固溶体； MgO-CaO两两结构不同，只能形成有限型固溶体或不形成固溶体。,16,离子类型和键性,离子类型和键性,化学键性质相近， 即取代前后离子周围离子间键性相近， 容易形成固溶体。,17,电价因素,电价因素,形成固溶体时，离子间可以等价置换也可以不等价置换。 在硅酸盐晶体中，常发生复合离子的等价置换，如Na+ + Si4+ = Ca2+ + Al3+，使钙长石CaAl2Si2O6和钠长石NaAlSi3O8能形成连续固溶体。又如，Ca2+ = 2Na+，Ba2+ = 2K+常出现在沸石矿物中。,18,注意事项,以上几个影响因素，并不是同时起作用，在某些条件下，有的因素会起主要因素，有的会不起主要作用。,19,B、填隙型固溶体在溶剂的晶格间隙内有溶质的原子填入（溶入）形成的固溶体。,原子半径： H: 0.046nm B: 0.097nm C: 0.077nm N: 0.071nm,B、填隙型,20,形成填隙型固溶体的条件,形成填隙型固溶体的条件,杂质质点大小 即添加的原子愈小， 易形成固溶体，反之亦然。,填隙型固溶体的固溶度仍然取决于离子尺寸、离子价、电负性，结构等因素。,21,晶体（基质）结构,离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的， 在一定程度上来说， 结构中间隙的大小起了决定性的作用。 一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松， 易形成固溶体。,22,电价因素,外来杂质原子进人间隙时， 必然引起晶体结构中电价的不平衡， 这时可以通过生成空位， 产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 例如YF3加入到CaF2中：,23,当F-进入间隙时，产生负电荷， 由Y3+进入Ca2+位置来保持位置关系和电价的平衡。 填隙型固溶体的生成， 一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度， 使固溶体变成不稳定而离解， 所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。 晶体中间隙是有限的， 容纳杂质质点的能力10%。,24,Examples,晶格结构的空隙越大， 越有利于形成固溶体。,形成填隙型固溶体的次序？ 片沸石、CaF2、TiO2、MgO,为什么高温下碳易于填入铁晶格的空隙？,25,C、无序,在热力学处于 平衡状态的 固溶体中， 溶质原子的分布 宏观上是 均匀的。,C、无序固溶体各组元原子的分布是随机的。,26,D、有序,D、有序固溶体组元原子在晶体点阵中不是随机分布的，而是出现某种倾向性排列，如异类原子互相吸引形成有规则的排列结构。,Ordering 固溶体的有序化,27,E、无限 F、有限,铁铬、铁铜、铁镍,F、有限固溶体固溶度小于100%。,E、无限固溶体（又称连续固溶体） 是由两个（或多个）晶体结构相同的组元形成的，任一组元的成分范围均为 0100%。,铜锌、铜锡,28,Example,无限置换固溶体中两组元素原子置换,29,形成固溶体后对晶体性质的影响,形成固溶体后对晶体性质的影响,1. 稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生 2. 活化晶格 3. 固溶强化 4. 形成固溶体后对材料物理性质的影响,30,PZT陶瓷,稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生,PZT陶瓷,PbTiO3是一种铁电体，纯PbTiO3烧结性能极差，居里点为490C，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下发生开裂。 PbZrO3是一种反铁电体，居里点为230C。,31,ZrO2,ZrO2 一种高温耐火材料，熔点2680C，但发生相变时 伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命的。 若加入CaO，则和ZrO2形成固溶体，无晶型转变，体积效应减少，使ZrO2成为一种很好的高温结构材料。,32,活化晶格,Al2O3熔点高（2050C），不利于烧结，若加入TiO2，可使烧结温度下降到1600，这是因为Al2O3 与TiO2形成固溶体，Ti4+置换Al3+后， 带正电，为平衡电价，产生了正离子空位，加快扩散，有利于烧结进行。,活化晶格,形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应。,33,固溶强化,溶质原子的溶入， 使固溶体的强度、 硬度升高 。,固溶强化,34,形成固溶体后对材料物理性质的影响,固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。 固溶体的强度与硬度往往高于各组元， 而塑性则较低。,35,2.1.1.3 Aggregate,2.1.1.3 Aggregate,聚集体由无数的原子或晶粒聚集而成的固体。,36,2.1.1.4 Composite,2.1.1.4 Composite,复合体,由两种或两种以上的不同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料，各相之间存在着明显的界面。,37,Example,骨骼天然的纳米复合材料,38,Characteristic,特点,保持各相的固有特性； 各相原有特性的强化（协同效应）； 赋予单一材料所不具备的特殊性能。,39,2.1.2 The structure of materials,2.1.2 The Chemical Structure of Materials,金属材料的化学组成 无机非金属材料的化学组成 高分子材料的化学组成,40,2.1.2.1 Importance,单质金属,2.1.2.1 金属材料的化学组成,金属合金,铁、铬、锰属于黑色金属，其余都属有色金属 合金可以固溶体、共熔金、金属间化合物 以及聚集体形式存在,41,2.1.2.1 Importance,金属元素化合物,2.1.2.2 无机非金属材料的化学组成,非金属元素化合物,经一定工艺过程制得,42,2.1.2.1 Importance,C、H、O为主,2.1.2.2 高分子材料的化学组成,S、P、Cl、F、Si等,具体见表24,43,2.2 材料的结构,2.2.1 材料中的化学键合,2.2.2 晶体结构基础,J,J,Catalog 2.1,J,2.2.3 材料的结构,44,2.1.2.2 Bonds,2.1.2.2 材料中的化学键合,Metallic bond Ionic bond Covalent bond Hydrogen bond Van der Waals bond,45,每个原子都提供少数价电子，作为自由电子，共用于整个晶体。其特点是具有键作用的电子并不固定在一定的原子上，而是可以在金属格子之间自由活动。,46,Characteristic & properties,高导电率和高导热率 不透明性 金属表面的高反射性 延展性,电子的离域性 键的球对称性质,47,(2) Ionic bond,（2）Ionic bond,离子键的特点 饱和性和无定向性,离子化合物的特性 配位数高、堆积致密,本质上可以归结于静电引力,48,Example,离子键CsCl结构示意图,49,Formation,离子键的形成,50,Formation,51,Coulomb gravitation & distance between ions,库仑引力与离子间距离的关系,52,Coulomb gravitation & distance between ions,53,共价键的特点 方向性和饱和性,共价键晶体的特性 很高的熔点和硬度 良好的光学特性 不良的导电性,54,Example,55,Example,金刚石中的共价键,56,Example,甲烷的电子层结构,57,(4) Hydrogen bond,（4）Hydrogen bond,两个条件,分子中必须含氢 另一个元素必须是显著的非金属元素,有方向性,58,Example,水分子之间的氢键,59,(5) Van der Waals bond,（5）Van der Waals bond,电中性的分子 之间的长程作用力，绝大多数的有机化合物，其分子的原子之间由共价键连结，而分子间靠范德华键联系。,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,范德华键,范德华键,分子链受力滑动,聚氯乙烯 分子间的范德华键,61,(5) Physical bonds & chemical bonds,（6）Comparison,物理键,化学键,离子键 共价键 金属键,范德华键 氢键,62,Comparison,表 2-1. 各种结合键主要特点比较,63,Bonds in actual materials,实际材料中的结合键,64,2.2 Crystal & non-crystal,非晶体,2.2.2 晶体结构基础,2.2.2.1 晶体与非晶体的结构和特点,固态物质 原子或分子 聚集状态 不同,晶体,65,Concepts,长程 有序,（1）晶体,（2）非晶体,原子或原子团、离子或分子在空按一定规律呈周期性地排列构成,原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成,长程无序 短程有序,66,Comparison,（3） Comparison,Curve of X-ray Diffraction,67,2.3.1 Crystal structure,Crystal Structure（brief introduction）,Lattice & Crystal System,空间点阵 Space Lattice,点阵点,68,Crystal lattice,晶格 Crystal Lattice,三维空间点阵,69,Types of lattice,表 2-5. 7种晶系和14种点阵类型,70,2.4.1 Classification,点缺陷,结构缺陷 (本征缺陷),线缺陷,杂质原子与固溶体,面缺陷,2.2.2.2 缺陷的分类,71,点缺陷发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷，亦称零维缺陷，例如空位、间隙原子等。 线缺陷缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，主要是各种形式的“位错”，例如晶格中缺少一列粒子即形成线缺陷。 面缺陷晶体内部偏离周期性点阵结构的二维缺陷，即在堆积过程中偶尔有一个晶面不按规定的方式来堆积，于是这一层之间就产生了面缺陷。 杂质原子与固溶体,72,2.4.1.1 Point defect,A。 Point Defect,概念,73,B。Dislocation 从滑移角度看，位错是滑移面上已滑移和未滑移部分的交界，即晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。 晶体中的线缺陷是各种类型的位错，其特点是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径约在35个原子间距、长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。,74,A、Edge dislocation,刃型位错 Edge Dislocation,75,B、Screw dislocation,螺旋位错 Screw Dislocation,76,2.4.1.3 Planar defect,C。Planar Defect,77,材料的表面是最显而易见的面缺陷。 在垂直于表面方向上，平移对称性被破坏了。 由于材料是通过表面与环境及其它材料发生相互作用，所以表面的存在对材料的物理化学性能有重要的影响。 常见的氧化、腐蚀、磨损等自然现象都与表面状态有关。,78,多晶材料的光学显微组织,79,Structure,2.2.3 材料的结构 金属材料的结构,见书中图210,80,(1) bcc,（1）bcc body-centered cubic structure,碱金属、-Fe 、 难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等,81,a ：晶格单位长度 R ：原子半径,单位晶胞原子数 n = 2,bcc,82,(2) fcc,（2）fcc face-centered cubic structure,Al，Ni， Pb，Pd， Pt，贵金属 以及 奥氏体不锈钢等,83,fcc,n = 4,84,(3) hcp,（3）hcp hexagonal close-packed structure,-Ti， -Co， -Zr， Zn，Mg 等,85,hcp,n = 6,86,2.3.2.2 Inorganic nonmetallic crystal materials,2.2.3.2 Inorganic Nonmetallic Crystal Materials,（1）Diamond Type Structure,Diamond,87,(1) Diamond type structure,Graphite,C60,88,(2) Silicate structure,（2）Silicate Structure,89,Silicate structure,硅酸盐结构类型,岛状,链状,层状,网络状,90,(2) Silicate structure,（3）玻璃结构,无机玻璃可以看成是处在过冷状态的一种粘度极高的液体，整个结构不具有晶体的规则排列。见图217，18,（4）陶瓷结构,由晶相，固溶体相，玻璃相，少量或极少量的气相组成。,91,2.5 Noncrystal materials,钠玻璃,石英玻璃,石英晶体,92,(2) Silicate structure,2.2.3.3 高分子材料的结构,A.单体,C.交联网状结构,B.链状结构 几种模型见书中图219 链的柔顺性与外力、温度、大分子链的结构的关系？,D.聚集态结构 大分子与大分子之间的相互作用和几何排列,93,(2) Silicate structure,2.2.3.4 多相复合材料的结构模式,94,2.1.3 Property of materials,2. 3 Property of Materials,2. 3.1 各类材料的一般特性,Figure 2-2 General Characters of Materials,95,2.1.3.2 Chemical performance,2. 3.1 Chemical Performance,材料抵抗各种介质作用的能力,96,(1) Chemical stability of metal materials,A. 化学腐蚀,（1）金属材料 的化学稳定性,金属氧化反应的 主要过程示意图,97,Electrochemistry corrosion,SO2气体对铁的侵蚀过程,B. 电化学腐蚀,98,Example,海水对金属的侵蚀示意图,99,A. 材斜的化学成分和矿物组成,（2）无机非金属材料的化学稳定性,(2) Chemical stability of non-metal materials,100,Material structure & corrosion medium,B.材料孔隙和结构,结晶的二氧化硅（石英） 和 无定形二氧化硅（普通玻璃）,C.腐蚀介质,101,(3) Chemical stability of polymers,化学稳定性好，耐酸耐碱,（3）高分子材料的化学稳定性,102,2.1.3.3 Mechanical property,2.1.3.3 Mechanical Property,材料受外力作用时的变形行为 及其抵抗破坏的能力,（1）Intensity and Plasticity,103,Experiment,样品拉伸实验示意图,104,冲击实验装置,Experiment,105,Other mechanical properties,（2）硬度,（3）断裂与韧性,脆性断裂和韧性断裂,（4）疲劳特性与耐磨性,材料抵抗其他较硬物体 压入表面的能力,106,表 2-2. 硬度试验,107,2.1.3.4 Thermal property,Heat Capacity,Thermal Expansion,2.1.3.4 Thermal Property,108,Examples,热传导,耐热性,由材料熔融或分解所需温度的高低反映出来,109,2.1.3.5 Electrical property,（1）Electrical Conductivity,金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等） 陶瓷：绝缘体、半导体 高分子材料：绝缘体、半导体、导体 其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）,2.1.3.5 Electrical Property,110,电导率/ Sm-1,111,Superconduct materials,氧化物超导体 YBa2Cu3O7：92 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10：110 K Tl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 K HgBa2Cu2O8：153 K,112,(2) Dielectric Property,（2）Dielectric Property,表 2-3. 某些介电材料的性能,113,Experiment,114,(3) Ferroelectricity,（3）Ferroelectricity,铁电滞后现象,温度对 介电常数的影响,115,(4) Piezoelectricity,BaTiO3 PbTiO3 PbZrO3 NH4H2PO4,（4）Piezoelectricity,外力 极化 电场,116,2.1.3.6 Optical property,2.1.3.6 Optical Property,表 2-4. 光的反射、吸收和透过的特征,3/13/2005 11:43:30 PM,Chapter2, Chemistry of Materials 2005, ceszzh,117,2.6 材料结构的表征,2.6 材料结构的表征,2.6.1 材料化学组成的表征,化学分析法 仪器分析法,3/13/2005 11:43:30 PM,Chapter2, Chemistry of Materials 2005, ceszzh,118,2.6.2 材料结构的表征,（1）晶体结构的研究和表征,（2）材料显微结构的研究,119,2.6.2 材料结构的表征,（1）晶体结构的研究和表征,（2）材料显微结构的研究,120, 形貌观察及物相(组成、含量)分析； 晶体结构(类型、点阵常数)的测定； 固体结合键的类型； 杂质含量及分布情况； 晶粒形