材料化学导论第5章_材料的结构与物理性能

1、第五章第五章 材料的结构与物理性能材料的结构与物理性能 材料应用的依据或基础是它们的一般物理性能材料应用的依据或基础是它们的一般物理性能（如力学性能）和特殊的物理性能（如光、电、磁（如力学性能）和特殊的物理性能（如光、电、磁等功能）等功能）. .结构材料：结构材料：以一般的物理性能作为应用基础的材料以一般的物理性能作为应用基础的材料往往起着承担力学负荷的结构件作用。往往起着承担力学负荷的结构件作用。功能材料：功能材料：以特殊的物理性能作为应用基础的材料，以特殊的物理性能作为应用基础的材料，应用的主要目标注重于光、电、磁等特殊性能。应用的主要目标注重于光、电、磁等特殊性能。 1n材料的宏观性能，

2、都取决于它们的微观结构特征。材料的宏观性能，都取决于它们的微观结构特征。n材料科学或工程研究的重要任务是了解材料的结材料科学或工程研究的重要任务是了解材料的结构与它们物理性能的关系。构与它们物理性能的关系。25.1 5.1 晶体材料的结构与物理性能晶体材料的结构与物理性能 组成晶体的分子、原子或离子在空间有一定规律组成晶体的分子、原子或离子在空间有一定规律的和周期性的重复排列，因此赋予了晶体材料一的和周期性的重复排列，因此赋予了晶体材料一些共同的和基本的特性。些共同的和基本的特性。 晶体中分子、原子或离子排列的周期很小，在晶体中分子、原子或离子排列的周期很小，在宏观上分辩不出这种微观上的不连续

3、性，晶体材宏观上分辩不出这种微观上的不连续性，晶体材料的各个部位所体现出来的宏观性能是相同的，料的各个部位所体现出来的宏观性能是相同的，也就是说材料总体体现出来的性能是均匀的，如也就是说材料总体体现出来的性能是均匀的，如密度、硬度密度、硬度等。等。1. 1. 均匀性均匀性3 组成材料的元素不同，以及制备、加工方法、组成材料的元素不同，以及制备、加工方法、加工工艺的不同，分子、原子或离子在晶体材料加工工艺的不同，分子、原子或离子在晶体材料中不同方向上的排列往往也是不同的，这使得晶中不同方向上的排列往往也是不同的，这使得晶体材料在不同方向上宏观性能也往往产生差异，体材料在不同方向上宏观性能也往往产

4、生差异，即即宏观的物理性能具有各向异性宏观的物理性能具有各向异性，如电导率、热，如电导率、热膨胀系数、折光率以及机械强度等。膨胀系数、折光率以及机械强度等。2. 2. 各向异性各向异性4 晶体材料在制备或加工过程中，晶体生长自发晶体材料在制备或加工过程中，晶体生长自发形成晶面，晶面相交成为晶棱，而晶棱相交又会形成晶面，晶面相交成为晶棱，而晶棱相交又会聚成晶体的顶点，这使得堆积的晶体总体也呈现聚成晶体的顶点，这使得堆积的晶体总体也呈现出出多面体的结构多面体的结构。3. 3. 多面体外形多面体外形5 由于每种晶体材料的微观结构具有其共同性和均由于每种晶体材料的微观结构具有其共同性和均匀性，于是这种

5、微观的结构的破坏都具有确定性匀性，于是这种微观的结构的破坏都具有确定性和很小的温度范围，即具有明显的熔点。和很小的温度范围，即具有明显的熔点。4. 4. 确定的和明显的熔点确定的和明显的熔点 由于组成晶体材料的周期性排列的晶体相当于由于组成晶体材料的周期性排列的晶体相当于三维光栅，能使波长相当的三维光栅，能使波长相当的X X射线、电子流或中子射线、电子流或中子流产生衍射效应，这就成为了解晶体材料内部结流产生衍射效应，这就成为了解晶体材料内部结构的重要实验方法。构的重要实验方法。5. 5. 衍射效应衍射效应65.2 5.2 非晶体材料的结构与物理性能非晶体材料的结构与物理性能 相对于晶体材料的结

6、构而言，非晶体材料其相对于晶体材料的结构而言，非晶体材料其组成分子、原子或离子在空间缺少周期性的排列组成分子、原子或离子在空间缺少周期性的排列规律特征，它们的微观结构千变万化十分复杂，规律特征，它们的微观结构千变万化十分复杂，这就赋予了非晶体材料多种多样的这就赋予了非晶体材料多种多样的丰富性丰富性。7 虽然非晶体材料的宏观基本性能也具有均匀性虽然非晶体材料的宏观基本性能也具有均匀性等特征，但它们与晶体材料有完全不同的微观结等特征，但它们与晶体材料有完全不同的微观结构形式，因此非晶体材料的宏观基本性能与晶体构形式，因此非晶体材料的宏观基本性能与晶体材料有着完全不同的原理。材料有着完全不同的原理。

7、 就均匀性而言，非晶体材料是由于分子、原子就均匀性而言，非晶体材料是由于分子、原子或离子杂乱无章的分布，基于无序分布的统计性或离子杂乱无章的分布，基于无序分布的统计性规律得到的，而不是晶体材料的周期性的排列规规律得到的，而不是晶体材料的周期性的排列规律得到的。律得到的。8 非晶体材料具有其本身的微观结构特征，因此也非晶体材料具有其本身的微观结构特征，因此也具有其特殊的物理性能和应用。具有其特殊的物理性能和应用。 玻璃体的结构特点是缺少长程周期性。重要的玻玻璃体的结构特点是缺少长程周期性。重要的玻璃体有：氧化物玻璃、金属玻璃、非晶半导体和璃体有：氧化物玻璃、金属玻璃、非晶半导体和聚合物。聚合物。

8、 9n 玻璃的性质有两大特点：透明和易碎。玻璃的性质有两大特点：透明和易碎。n 石英玻璃质地均匀，内部没有反射光的界面，石英玻璃质地均匀，内部没有反射光的界面，光线通过时，不发生反射和折射，所以是透明光线通过时，不发生反射和折射，所以是透明的。玻璃结构缺少能发生滑动或流动的平面，的。玻璃结构缺少能发生滑动或流动的平面，当超过允许的最大应变值时，就会发生键的断当超过允许的最大应变值时，就会发生键的断裂而破碎。裂而破碎。n 玻璃拉成纤维，力学性能就会发生极大的变化。玻璃拉成纤维，力学性能就会发生极大的变化。氧化物玻璃氧化物玻璃10 液晶：液晶：是介于晶体和液体之间的一种物质形态（流动的晶体），是介

9、于晶体和液体之间的一种物质形态（流动的晶体），各向异性流体，所以，有时又把它叫做各向异性流体，所以，有时又把它叫做介晶态介晶态。 液晶的发现打破了人们关于物质三态（固态、液态、气态）的液晶的发现打破了人们关于物质三态（固态、液态、气态）的常规概念。常规概念。 材料的液晶态只有在一定的温度区间内存在。液晶象液体，能材料的液晶态只有在一定的温度区间内存在。液晶象液体，能够流动；同时又象晶体，沿着分子长轴具有取向的长程有序性。够流动；同时又象晶体，沿着分子长轴具有取向的长程有序性。 从宏观性能看，液晶的介电常数、折射率、磁化率和电导率等从宏观性能看，液晶的介电常数、折射率、磁化率和电导率等象晶体，是

10、各向异性的。象晶体，是各向异性的。11用偏光显微镜来观察液晶，根据它们呈现的纹理结用偏光显微镜来观察液晶，根据它们呈现的纹理结构（一种图案），可把液晶分成三种类型三种相。构（一种图案），可把液晶分成三种类型三种相。n 近晶型液晶或近晶相近晶型液晶或近晶相n 向列型液晶或向列相向列型液晶或向列相n 胆甾型液晶或胆甾相胆甾型液晶或胆甾相近晶型液晶的分层排列，有同一方向，与晶体相近。近晶型液晶的分层排列，有同一方向，与晶体相近。向列型液晶的分子位置杂化，但方向一致。向列型液晶的分子位置杂化，但方向一致。胆甾型液晶，最早是从胆甾醇类物质中发现的。胆甾型液晶，最早是从胆甾醇类物质中发现的。 12n分子具

11、有一长的刚性中心，呈棒状分子具有一长的刚性中心，呈棒状, ,其一端或两其一端或两端具有柔性尾链。端具有柔性尾链。n分子取向是长程有序的，但分子的质心的分布分子取向是长程有序的，但分子的质心的分布是无规则的，因此只保存着一维有序性。是无规则的，因此只保存着一维有序性。n分子的长轴方向上到处都存在着连续的变化，分子的长轴方向上到处都存在着连续的变化，在外力作用下发生流动时，由于这些分子容易在外力作用下发生流动时，由于这些分子容易沿流动方向取向，并可在流动取向中互相穿越，沿流动方向取向，并可在流动取向中互相穿越，因此，向列型液晶都有相当大的因此，向列型液晶都有相当大的流动性流动性。 1. 1. 向列

12、相向列相13向列型液晶结构示意图向列型液晶结构示意图142. 2. 胆甾相胆甾相n分子呈层状排列，每层中分子长轴大致平行，相分子呈层状排列，每层中分子长轴大致平行，相邻两个平面上的分子长轴方向相差一确定的角度，邻两个平面上的分子长轴方向相差一确定的角度，由分子取向的研究表明，分子的排列呈由分子取向的研究表明，分子的排列呈螺旋状螺旋状。n由于这些扭转的分子层之间的作用，使胆甾型液由于这些扭转的分子层之间的作用，使胆甾型液晶具有彩虹般的颜色和极高的晶具有彩虹般的颜色和极高的旋光旋光本领等独特的光本领等独特的光学性质。学性质。15 胆甾型液晶结构示意图胆甾型液晶结构示意图163. 3. 近晶相近晶相

13、n所有液晶中最接近晶体结构的一类。所有液晶中最接近晶体结构的一类。n在这类液晶中，棒状分子依靠所含官能团提供的在这类液晶中，棒状分子依靠所含官能团提供的垂直于分子长轴方向的强有力的相互作用，互相平垂直于分子长轴方向的强有力的相互作用，互相平行排列成层状结构。分子的长轴垂直于层片平面。行排列成层状结构。分子的长轴垂直于层片平面。n近晶型液晶一般在各个方向上都是非常近晶型液晶一般在各个方向上都是非常粘滞粘滞的。的。在层内，分子排列保持着二维有序性，分子可以在本层内活在层内，分子排列保持着二维有序性，分子可以在本层内活动，但不能来往于各层，因此层与层之间可以相互滑动；而动，但不能来往于各层，因此层与

14、层之间可以相互滑动；而垂直于层片方向的流动则要困难的多。垂直于层片方向的流动则要困难的多。 17近晶型液晶结构示意图近晶型液晶结构示意图18液晶分子中分子排列的各向异性，使材料液晶分子中分子排列的各向异性，使材料的宏观性能出现以下各向异性。如的宏观性能出现以下各向异性。如介电常介电常数、折射率、磁化率和电导率、反射率的数、折射率、磁化率和电导率、反射率的各向异性各向异性。19电光效应：电光效应：液晶在电场作用下，光学性能发液晶在电场作用下，光学性能发生变化。生变化。 电子计算器、钟表等的数字显示就是液晶电光效电子计算器、钟表等的数字显示就是液晶电光效应的应用。应的应用。 利用液晶的热效应（即液

15、晶的光学性能随温度的利用液晶的热效应（即液晶的光学性能随温度的变化）可作医学上的皮癌检查和肿瘤部位的测定，变化）可作医学上的皮癌检查和肿瘤部位的测定，还可用于测定细胞内的化学反应。此外，还应用还可用于测定细胞内的化学反应。此外，还应用于航空机械和冶金产品的无损探伤和高分子反应于航空机械和冶金产品的无损探伤和高分子反应中的定向聚合等。中的定向聚合等。20液晶的分类方法液晶的分类方法n按照液晶的形成条件分类按照液晶的形成条件分类n按照分子排列的形式和有序性分类按照分子排列的形式和有序性分类21按照液晶的形成条件分类按照液晶的形成条件分类 采用采用降温降温的方法的方法,即即将熔融的液体降温，将熔融的

16、液体降温，当降温到一定程度后当降温到一定程度后分子的取向有序化，分子的取向有序化，从而获得液晶态。从而获得液晶态。 有机分子有机分子溶解溶解在溶在溶剂中，使溶液中溶质剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子浓度减小，有机分子的排列有序而获得液的排列有序而获得液晶。晶。22构成液晶态的结构单元构成液晶态的结构单元n 棒状分子棒状分子 n 盘状分子盘状分子n 由长链或盘状分子连接而成的柔性长链聚合物由长链或盘状分子连接而成的柔性长链聚合物n 由双亲分子自组装而成的膜由双亲分子自组装而成的膜23液晶材料与液晶显示器的原理液晶材料与液晶显示器的原理 液晶的发现液晶的发现

17、 液晶的分类液晶的分类 液晶的电光效应液晶的电光效应 液晶显示器的基本原理液晶显示器的基本原理24液晶的发现液晶的发现n 18881888年，奥地利植物学家年，奥地利植物学家莱尼茨尔莱尼茨尔在做加热胆甾在做加热胆甾醇苯甲酸脂结晶的实验时发现：在醇苯甲酸脂结晶的实验时发现：在145.5145.5摄氏度时，摄氏度时，结晶凝结成浑浊粘稠的液体，加热到结晶凝结成浑浊粘稠的液体，加热到178.5178.5摄氏度摄氏度时时, ,形成了透明的液体。形成了透明的液体。n 德国物理学家德国物理学家莱曼莱曼用偏光显微镜观察时，发现用偏光显微镜观察时，发现这种材料有双折射现象，他阐明了这一现象并提这种材料有双折射现

18、象，他阐明了这一现象并提出了出了“液晶液晶”这一学术用语。这一学术用语。25液晶材料液晶材料 液晶的发现已经有液晶的发现已经有100100多年的历史，但近多年的历史，但近2020年来年来才获得了快速的发展。这是因为液晶材料的才获得了快速的发展。这是因为液晶材料的电光电光效应效应被发现。因而被应用在低电压和轻薄短小的被发现。因而被应用在低电压和轻薄短小的显示组件上。显示组件上。 目前液晶材料已被广泛应用于计算机显示屏，电目前液晶材料已被广泛应用于计算机显示屏，电子表，手机，计算器等电子产品上。成为显示工子表，手机，计算器等电子产品上。成为显示工业不可或缺的重要材料。业不可或缺的重要材料。 26

19、生活中的液晶显示材料生活中的液晶显示材料back27液晶分子的电光效应液晶分子的电光效应描述液晶分子电光效应的重要物理量描述液晶分子电光效应的重要物理量 介电系数介电系数 折射系数折射系数28液晶分子的电光性质液晶分子的电光性质 液晶分子大多由棒状或碟状分子形成液晶分子大多由棒状或碟状分子形成,所所以与分子长轴平行或垂直方向的物理特征以与分子长轴平行或垂直方向的物理特征会有所差异，这就是液晶分子结构的会有所差异，这就是液晶分子结构的异方异方性性 由于液晶分子结构的异方性，所以液由于液晶分子结构的异方性，所以液晶分子在晶分子在介电系数介电系数和和光电系数光电系数等光电系数等光电系数上都具有异方性

20、上都具有异方性29液晶分子的电光性质液晶分子的电光性质 介电系数介电系数 ： 介电系数可以分为与指向矢平行的分量介电系数可以分为与指向矢平行的分量 和与指向矢垂直的分量和与指向矢垂直的分量 。 当当 时称为介电系数异方性为正型的液时称为介电系数异方性为正型的液晶。可以用在平行配位。晶。可以用在平行配位。 当当 时时 称为介电系数异方性为负型的称为介电系数异方性为负型的液晶。只有用在垂直配位才能显示所需的液晶。只有用在垂直配位才能显示所需的电光效应。电光效应。 30液晶分子的电光性质液晶分子的电光性质 折射系数：折射系数： 折射系数也同介电系数相似，依照与指向折射系数也同介电系数相似，依照与指向

21、矢垂直与平行的方向分成两个方向的向量。矢垂直与平行的方向分成两个方向的向量。与指向矢平行的分量为，与指向矢与指向矢平行的分量为，与指向矢垂直的分量为垂直的分量为 backnnn31液晶显示器液晶显示器(LCD)的基本原理的基本原理Liquid Crystal Display偏振片透光原理偏振片透光原理液晶对光线的调制作用液晶对光线的调制作用常见的三种液晶显示器常见的三种液晶显示器32液晶显示器的基本原理液晶显示器的基本原理 偏振片透光原理：偏振片透光原理： 偏振片只允许偏振方向与它的偏振化方向平行的光透过，偏振片只允许偏振方向与它的偏振化方向平行的光透过，如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直，

22、由于第一次出如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直，由于第一次出射光的偏振方向与第二个偏振片的偏振化方向垂直，光不射光的偏振方向与第二个偏振片的偏振化方向垂直，光不能通过第二个偏振片能通过第二个偏振片33液晶显示器的基本原理液晶显示器的基本原理把液晶放在两个偏振片把液晶放在两个偏振片之间，在向列型液晶中，之间，在向列型液晶中，棒状分子的排列是彼此棒状分子的排列是彼此平行的。如果上下两玻平行的。如果上下两玻璃槽定向是彼此垂直的，璃槽定向是彼此垂直的，液晶分子将采取液晶分子将采取逐渐过逐渐过渡的方式渡的方式被扭转成螺旋被扭转成螺旋状。状。34 当线性偏极光射入上当线性偏极光射入上层槽状表面时，此光线

23、层槽状表面时，此光线随着液晶分子的旋转也随着液晶分子的旋转也产生旋转。产生旋转。 当线性偏极光射出下当线性偏极光射出下层槽状表面时，此光线层槽状表面时，此光线已经产生了已经产生了90度的旋转。度的旋转。液晶显示器的基本原理液晶显示器的基本原理 当在上下表面之间当在上下表面之间加电压时，液晶分子加电压时，液晶分子会顺着电场方向排列，会顺着电场方向排列，此时入射光线不再会此时入射光线不再会旋转，因而光线直线旋转，因而光线直线射出下表面射出下表面 。液晶显示器的基本原理液晶显示器的基本原理液晶显示器的基本原理液晶显示器的基本原理如果有光线进入，通过如果有光线进入，通过第一个偏振片后，将被液第一个偏振

24、片后，将被液晶分子逐渐改变偏振方向。晶分子逐渐改变偏振方向。由于光线沿着分子排列的由于光线沿着分子排列的方向传播，光线最终将从方向传播，光线最终将从另一端射出。另一端射出。如果两玻璃板之间加上如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将与电压，分子排列方向将与电场方向平行，光线由于电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第二不能扭转将不会通过第二个极板。个极板。37液晶显示器的基本原理液晶显示器的基本原理 液晶显示器就是利液晶显示器就是利用这一特性，在上下用这一特性，在上下两片栅栏相互垂直的两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，偏光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的利用电场控制液晶的转动。转动。不

25、同的电场大不同的电场大小就会形成不同的灰小就会形成不同的灰阶亮度。阶亮度。38液晶显示器结构液晶显示器结构 液晶显示器是一个由上下两片导电玻制成的液晶显示器是一个由上下两片导电玻制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片。胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片。 39常见的三种液晶显示器常见的三种液晶显示器 TN-LCD(扭曲向列型液晶显示器扭曲向列型液晶显示器） TwistedNematic-LCD 常用于电子手表，计算器常用于电子手表，计算器40常见的三种液晶显示器常见的三种液晶显示器 STN-LCD(超扭曲向列型液晶显示器超扭

26、曲向列型液晶显示器） Super TwistedNematic-LCD 常用于手机显示屏常用于手机显示屏,游戏机屏游戏机屏 41常见的三种液晶显示器常见的三种液晶显示器 TFT-LCD(薄膜型液晶显示器薄膜型液晶显示器） Thin Film Transistor-LCD 常用于液晶显示屏，数码照相机常用于液晶显示屏，数码照相机42TN、STN型的结构型的结构 液晶盒中玻璃片的两个外侧分别巾有偏光片，这两片液晶盒中玻璃片的两个外侧分别巾有偏光片，这两片偏光片的偏光轴相互平行（偏光片的偏光轴相互平行（黑底白字的常黑型黑底白字的常黑型）或相互正）或相互正交（交（白底黑字的常白型白底黑字的常白型），且

27、与液晶盒表面定向方向相互），且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。偏光片一般是将高分子塑料薄膜在一定的工平行或垂直。偏光片一般是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而成的艺条件下进行加工而成的 。43TN型液晶型液晶 向列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻向列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上先镀有一层透明导电薄膜璃的表面上先镀有一层透明导电薄膜ITO(ITO(氧化铟锡氧化铟锡) )以作电极之用，然后在有薄以作电极之用，然后在有薄膜电极的玻璃上涂取向层膜电极的玻璃上涂取向层PI(PI(聚酰亚胺聚酰亚胺) )，以，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面的使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面的

28、方向排列。液晶的自然状态具有方向排列。液晶的自然状态具有9090度的扭度的扭曲，利用电场可使液晶分子旋转，曲，利用电场可使液晶分子旋转，液晶的液晶的双折射率随液晶的方向而改变，结果偏振双折射率随液晶的方向而改变，结果偏振光经过光经过TNTN型液晶后偏振方向发生转动。型液晶后偏振方向发生转动。44TN型液晶型液晶 只要选择适当的厚度使只要选择适当的厚度使偏振光的偏振方向刚好改偏振光的偏振方向刚好改变变9090度，就可利用两个平度，就可利用两个平行偏光片使得光完全不能行偏光片使得光完全不能通过。而足够大的电压又通过。而足够大的电压又可以使得液晶方向与电场可以使得液晶方向与电场方向平行，这样光的偏振方向平行，这样光的偏振方向就不会改变，光就可方向就不会改变，光就可通过第二个偏光片通过第二个偏光片 45STN型液晶型液晶 STNSTN型的显示原理型的显示原理与与TNTN相类似，不同相类似，不同的是的是TNTN扭转式向列扭转式向列场效应的液晶分子场效应的液晶分子是将入射光旋转是将入射光旋转9090度，而度，而STNSTN超扭转式超扭转式向列场效应是将