材料合成与制备-第一章材料的组成与结构

材料的合成与制备，第一章材料的组成与结构，1材料的组成与结构材料的组成与结构是影响材料性质的内在因素，决定材料的特性。 材料科学技术研究的核心内容之一是材料性能与构成和结构之间的相互关系和规律，指导材料的设计、加工、制造、评价和合理使用。 1.1材料的组成广义上说，材料的组成包括化学组成(化学元素组成)、化学键组成和相组成(岩相组成)。 化学组成是最基本的组成，决定了材料的化学键组成，结合加工工艺决定了材料的相组成，最终决定了材料的基本性质。 1.1.1化学组成材料的化学组成通常可以与所含元素的种类以相对比率表示(原子质量百分比/百分比、原子物质的量百分比/百分比)，可以用构成材料的元素能够形成的最基本的简单化合物表示。 在实际应用中，后者的应用比较普遍。 关于硅酸盐(含有SiO2的复合氧化物)材料，以惯用的该元素的简单且稳定的氧化物的形式表示。 例如常见硅酸盐原材料的化学全分析包括Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、SiO2、TiO2、MnO、P2O5和I.L等11项. 请注意，实际材料中不一定存在简单的化合物。 金属材料主要用元素的质量百分比和物质的量百分比等来表示，氧化物陶瓷用氧化物的量百分比和物质的量百分比来表示。 陶瓷材料组成包括元素周期表中除惰性气体以外的所有元素。 它们主要形成在氧族元素(o、s、Se、Te、Po )、氮族元素(n、p、As、Sb、Bi )、碳族元素(c、Si、Ge、Sn、Pb )、卤素族元素(f、Cl、Br、I、Ar )的一部分元素之间以及它们和金属元素之间例如：陶瓷：硅酸盐陶瓷：Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、SiO2、TiO2、MnO、P2O5、I.L氧化物陶瓷：SiO2、Al2O3、Fe2 A3S2，M2A2S5 BaTiO3，FeO.Fe2O3，Pb(Ti，Zr)O3，YxBa2CuO7-，Tl2B2Ca2Cu3O10，Ca10(PO4)6(OH)2，碳化物陶瓷：SiC，TiC，WC Si6-zAlzOzN8-z(Sialon) AlON硫属元素：PbS，CdS，CdSeS2，ZnS，CaS，卤化物：AgI，LiF，CaF2，KBr，CsBr，玻璃：硅酸盐玻璃： SiO2、TiO2、MnO P2O5硼玻璃：Na2O-B2O3-SiO2铅玻璃： PBO-SiO2- al2o 3、K2O-PbO-SiO2氧化物玻璃：SiO2， 多系氮化物玻璃：Yi-Si-Al-O-N卤化物玻璃：Zr-Ba-La-Al(-Na )金属玻璃：Au/Pa-Si Zr-Cu/Ni、耐火材料：酸性耐火材料：SiO2基、ZrO2基中性耐火材料： ZrO2-Al2O3碱性耐火材料3:CaO、MgO、含CaO-MgO碳耐火材料：MgO-C、Al2O3-C SiC-C碳化物：SI3N4、SiALON、AlON、水泥：硅酸盐水泥3360 Na2O，K2O铝酸盐水泥：CaO，Al2O3，硫酸盐水泥：CaO，Al2O3，SiO2 CaSO4磷酸盐水泥：P2O5，Al2O3，砂轮磨粒：刚玉质：Al2O3，cr2o3-。 ZrO2-Al2O3SiC质量：SiC金刚石：C石榴石质量：Fe2O3-Al2O3其他氧化物：Fe2O3、CeO2、ZrO2， 单晶材料：Si SiC、SiO2、Al2O3、Y3Al5O12(YAO )、Bi4Ge3O12(BGO )、Y3Ga3O13(YGO )、la2be2 o5(bel )在实际应用中，材料的化学组成分为常数元素、微量元素和微量元素(ppm级) 1.1.2材料中化学键主要有金属键、离子键、共价键和两者的混合，部分材料中存在范德瓦尔斯键和氢键，材料中的化学键的种类和构成方式是决定材料固有性能的重要因素。离子键：离子键是电子受体和施主通过正负离子间的静电引力形成的化学物质，在构成材料时，一般具有：离子尺寸和电荷数的影响材料的结构。 也就是说，各个离子在特定的结构中具有一定的配位数(最接近的原子数)。 离子键没有方向性，构成材料经常密集堆积，结合能高。 因此，由离子键形成的材料大多密度、硬度、熔点高，热膨胀系数大(氧化物多)。 由离子键构成的化合物通常透过可见光吸收红外光波(与离子键的振动能有关)。 离子键化合物在低温下一般电导率低，在高温下出现电导率(结合能大，离子键合的状态)。 特征：结合力强、熔点高的绝缘性，共价键：共价键是原子(电负性小的原子)共享电子对的化学键，为电中性，键具有方向性和饱和性。 因此，原子之间总是形成非常紧密的沉积，一般形成三维骨架结构，结构上有很大的细孔和空隙。 另外，共价键通常具有较高的结合能。 因此，大多数共价键化合物具有高强度和硬度，熔点也高，但热膨胀系数相对较小(碳化物、淡水化物)。 特征：键具有极其牢固、明显的方向性，饱和结构稳定、熔点高、硬脆，金属键：有构成材料的原子群共享电子形成的化学键离域电子键。 原子集团位于由自由电子构成的“电子云”和电子的“海”。 结合电子在材料中可以自由移动，被构成材料的原子集团所共享。 由金属键构成的材料是电和热的良导体，一般不透过可见光(与电子激发能有关)。 纯金属中的所有原子都相同，形成密集的沉积结构，具有很多滑动面，使金属具有延展性(4060%以上)。 特点：电子共享，没有方向性。 特性：良好的导电、热传导性不透明、有金属光泽具有高强度和良好的塑性正的电阻温度系数.许多高级合金也有密集的沉积结构，但尺寸不同的合金原子会扰乱沿滑动面的运动，降低延展性。 超合金一般增长520%。 碱金属原子由外层的s电子结合，具有较低的结合能，使这些金属具有低强度、低硬度、低熔点，且不太稳定。 铬(Cr )、铁(Fe )、钨(w )等过渡金属通常由内层d的电子结合，一般具有高的结合力。 因此，过渡金属通常强度、硬度、熔点高、稳定。 氢键：把以h原子为中心形成的X-HY或X-H-Y键称为氢键，x和y都是电负性高的原子，例如f、o、n等，Cl与c在一定条件下也参与氢键的形成。 h原子通过共价键与x结合后，x的电负性高，因此吸引价电子的能力大，氢原子的部分带正电荷。 如果部分带正电荷的氢原子与对电子孤独且电负性强的y原子接触，则它们之间存在作为静电引力的部分共价键作用。 X-HY之间的这个作用是氢键。 氢键(Hydrogenbond )、特征：式：XHY的饱和性、方向性对于高分子材料来说是重要的。 许多陶瓷材料中存在云母系矿物、粘土、石墨、H-BN等氢键。 这些材料通常具有层状结构，能给性能带来高各向异性，具有特殊用途。 范德华耦合器：为弱耦合化学耦合器，其使用色散力(振动偶极)、分子极化(偶极不对称)等形成范德华耦合。 范德华结合存在于所有化合物中。 范德华键(Vanderwaalsbond )能够进行原子间的偶极吸引键，其特征是没有方向性，饱和键力低于一次键。 1.1.3材料的相组成1.1.3.1相组成在热力学中，我们选择的研究对象称为系统，系统内部物理和化学性质完全相同的均匀(宏)部分称为相。 材料的相组成是指构成材料的相的种类和相的相对数(通常以构成材料的相所占的体积百分比或质量百分比表示)。构成陶瓷材料的相的种类根据集合状态分为结晶、玻璃状态、液体、气体等。 根据材料中含有的相的种类数，可以将材料分为单相材料和多相材料两种。 Air、Water、Metal、单相材料：是仅由单一的均匀的一相构成的材料。 单相材料根据其凝聚状态，通常可分为非晶质材料、液晶材料、单晶、多晶材料。 非晶质材料：的构成材料的原子、分子或它们的集合体的空间排列没有周期性和平移对称性，即没有长的秩序，只在小于数原子间距离的微小区域(约1.01.5nm )中保持形态和成分的秩序特征，即具有短距离秩序。 例如，玻璃、非晶结晶(中子等高能粒子碰撞制成)、非晶薄膜、气体、液体、等离子体等。 陶瓷材料主要有非晶质固体和薄膜，例如各种玻璃、非晶质PVD/CVD膜等。 因为最常见的非晶材料是玻璃，所以非晶材料也被称为玻璃状态材料。 单晶材料：是单一的均匀结晶材料，材料整体为单一的结晶，材料内部没有相界和晶界，所有的粒包都具有同方向和对称性。 自然界中存在很多金刚石(c )、红宝石(-Al2O3Cr )、蓝宝石(-Al2O3Ti )、水晶(SiO2)、方解石等单晶材料。 人工单晶材料的种类多，除了人工合成的上述单晶之外，还有LiF、CaF2、KBr、单晶硅(Si )、Y3Al5O12(YAO )、Bi4Ge3O12(BGO )、Y3Ga3O13(YGO )、La2Be2O5(BEL )、LiNbO3(NL 单相多晶材料：是通过单结晶的粉体或微粒成形后固定或烧结而形成的材料，和通过PVD/CVD等方法形成的多晶薄膜或本体(多晶硅)材料。 实际材料中单纯的单相多晶材料很少，例如各种高致密烧结SiC、Al2O3、Si3N4、ZrO2、多晶硅等，由于烧结的必要和工艺上的制约，总是存在少量的晶界相、相界相和气孔、均相异构体等。 多相材料：的许多无机非金属材料、合金等是多晶材料或多相材料，其中许多包括陶瓷、耐火材料、水泥、砂轮、微晶玻璃和各种复合材料、各种合金。 这些材料包含至少两种以上的不同物质相，例如：硅酸盐材料：一般由结晶相、玻璃相和气相构成，其中有时有多个结晶相。 例如，硬质长石质陶瓷素体含有莫来石、方晶石、石英等结晶。 现有耐火材料也具有同样的组成。 硅酸盐水泥主要由C2S、C3S、C3A、C4AF等结晶相构成，还含有少量的f-CaO、MgO (氧化镁角)和玻璃。 微晶玻璃主要由微晶(与化学组成和热处理工艺有关，可能同时含有多个微晶)、玻璃相和少量气相组成。 泡沫材料主要由气相和多个固相组成。 复相氧化物陶瓷：Al2O3-SiC/ZrO2、SiC-氮化物； 复合材料：金属/陶瓷、陶瓷/高分子材料等，C/C。 合金材料3:Cu-Zn/Sn、Al-Mg-Si、Al-Ti(-Ni )、Fe-Cr-Ni-V、Ni-Cr-Al-Ti-C(-Y )、1.1.3.2相的晶相3360是由原子、离子、络离子、分子等周期性地排列而形成的固体相. 其由来根据材料的种类和选择的合成和烧结硬化工艺的不同而不同。 结晶相可以是含有特定组成的溶液、溶液或气体在一定的物理化学条件下结晶化而得到的，也可以是原料发生固相反应而蒸发凝聚的或残留的结晶相。 在陶瓷、耐火材料、水泥等材料中，结晶相主要来源于原料在高温条件下通过物理化学反应形成的结晶相和残留结晶相。 晶相的种类、数量和结构特征通常是材料基本性能，尤其是宏观性能的重要决定因素。 金属和微晶玻璃中的晶相主要由高温熔体冷却过程和随后的相变过程形成。 Si3N4bindingSiC、Al2O3-Y2O3、Y-Ba-Co-O、玻璃相：是在高温共熔或自熔体冷却时形成过冷却相.这些玻璃相具有在高温时促进烧结、降低烧结温度、改变物理化学反应速度和历史、控制晶粒形状和尺寸等作用。 另外，玻璃对陶瓷材料和耐火材料的力学性能、电气性能、化学性能和高温性能等有显着的影响。 非晶材料中的玻璃态相主要是通过控制高温熔体的冷却速度得到的。 也可以通过对固体材料实施放射线、离子注入等非晶质化过程得到。 气相：通常是原材料表面吸附、成形气孔及原料在高温物理化学反应中放出的气体未充分排除、及高温熔体在气体中的溶解度变动的结果。 这些气体对材料的物理化学性能尤其是力学、热学和电等性能有显着影响。 然而，在多孔材料中，气相是根据材料的具体性能要求，通过特定的工艺措施有意形成的。 这种材料主要用于过滤、吸附、催化剂载体、绝热、隔音材料等。 烧结氧化铝晶体中的气孔、古瓷坯体釉料中的气孔、JunGlazesPhaseSeparation、晶界相和相界相：在包含玻璃相的多晶和多相材料中，存在由同种晶粒的不同取向晶面彼此接触的扩散或位移等机理形成的过渡结构，称为晶界相其尺度为纳米级，其结构和性能与同组成的玻璃和结晶有显着差异。 此外，在多相多晶材料中，也存在具有与晶界相类似性质的不同晶粒的晶面接触而形成的相界相。 晶界相和相界相是材料中各点、线、面等缺陷密集的区域，可能是材料物理化学性能敏感的区域。 1.2材料的结构材料结构是其性能的重要影响因素。 材料的结构主要受合成或制造材料原材料的化学组成、物相组成、物理化学性质以及合成和制造工艺的影响。 材料结构与性能、组成以及合成与生产过程之间的相互关系和内在规律是材料科学技术研究的重要内容，本节主要探讨材料结构的含义、特征及影响因素。 1.2.1结构尺度自然界的几何尺度：通常分为宇宙观、宏观、微观三个尺度范围。 星际尺度、太阳系、银河、河外银河等尺度属于宇宙观范畴的大气层，地球上的江、川、湖、海、山脉、建筑物等的测量被称为属于宏观范畴的官能性世界。 物质世界人眼的分辨率极限(0.10mm )以下的构造尺度，属于微观范畴或称为亚官能的世界。