第2讲 材料的组成、结构与性能.ppt

1、第2讲 材料的组成、结构与性能,材 料 概 论,李 阳,东北大学 2010 年 3 月,第2讲 材料的组成、结构与性能,其核心是围绕: “结构与性能”的相互辩证关系,第2讲 材料的组成、结构与性能,组织结构,材料性能,第2讲 材料的组成、结构与性能,材料的合成与制备：研究获取材料的手段，以工艺技术的进步为标志； 成分与组织结构：反映材料的本质，是认识材料的理论基础； 材料特性：表征了材料固有的性能，是选用材料的重要依据； 服役行为与使用寿命：与材料的加工和服役条件相结合来考察材料的使用寿命，它往往成为 MSE 的最终目标。,合成与制备,材料特性,成分与 组织结构,服役行为与寿命,第2讲 材料的

2、组成、结构与性能,贯穿全课程的“纲”,化学成分 组成,制备 加工工艺,组织结构,性 能,结构、性能 检测,工作条件,第2讲 材料的组成、结构与性能,2.1 材料的组成 组元 相 组织 固溶体 聚集体 复合体 2.2 材料的结构基础 2.2.1 化学键 2.2.2 晶体结构基础 2.2.3 材料的结构 2.3 材料的性能 力学性能 热学性能 电性能 光学性能 磁性能,2.1 材料的组成,组元：组成材料最基本、独立的物质。 相：材料中具有同一化学成分并且结构 相同的均匀部分叫做相。 组织：材料内部的微观形貌称为材料的组织。 固溶体：溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为固溶体。 聚集体：

3、由无数的原子或晶粒聚集而成的固体，对处于这类状态的材料称之为聚集体。 复合体,相同元素或不同元素的原子之间由化学键结合在一起。材料的许多性能与化学键之间关系密切，如密度、导电性、导热性、热膨胀系数、弹性模量、硬度等。,2.2 材料的结构基础,1 材料中的化学键,2.2 材料的结构基础,（1）金属键,金属原子形成金属晶体时，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，这种自由电子构成金属键，把各个原子吸引在一起，成为金属晶体，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。 特征 无方向性、无饱和性、金属原子呈最紧密堆积,金属晶体的特征,导电导热性强;

4、 有金属光泽; 延展性好、密度大（S区例外）; 硬度大（S区例外）; 熔沸点高（但汞为液体）。,导电能力最强的金属是银和铜,延性最强的金属是铂，展性最强的金属是金。,硬度最大的金属是铬；熔点最高的金属是钨。,2.2 材料的结构基础,（2）离子键,由原子释放出最外层的电子变成带正电荷的阳离子，同能接受其放出的电子的原子变成带负电荷的阴离子相互之间作用的吸引力所形成的一种键合。 离子键的本质是正负电荷间的静电作用力 离子键具有饱和性和无定向性，使得离子化合物具有配位数高、堆积致密等特点。,2.2 材料的结构基础,离子晶体的空间结构类型,常见的五种类型离子晶体,2.2 材料的结构基础,1、NaCl型

5、 正负离子配位数为6，正八面体结构。r+/r-0.4140.732,2.2 材料的结构基础,2、CsCl型 正负离子配位数为8，正立方体结构。r+/r-0.7321.00,2.2 材料的结构基础,3、ZnS型 正负离子配位数为4，正四面体结构。r+/r-0.2250.414,2.2 材料的结构基础,4、CaF2型 正离子配位数为8，负离子配位数为4。,2.2 材料的结构基础,Ca2+ 呈面心立方晶格,2.2 材料的结构基础,5、TiO2型 正离子配位数为6，负离子配位数为3。,Ti4+ 呈压缩的体心立方晶格,离子构型与离子半径比的关系,离子的稳定性与结构的关系：正负离子的距离越小，晶体就越稳定

6、。,半径比规则,(ac)2(ab)2 + (bc)2 (4r-)22(2r+2r-)2,当配位数为6，正负离子完全紧靠时,r-r+r-,2.2 材料的结构基础,配位数为6，正负离子完全紧靠,当0.414时，正负离子分离，作用力减弱，结构不稳定。因此向配位数小的构型转化。,当0.414时，正负离子接触，负离子分离。这种构型应当稳定，但当增大到0.732时，正离子就可以与八个负离子接触，形成更稳定的八配体结构。,2.2 材料的结构基础,离子晶体的性质,具有较高的熔点和沸点； 大多数固体不导电； 一般易溶于极性溶剂。, 离子所带电荷的数量； 正、负离子的半径； 离子的极化。,决定晶格类型的因素,2.

7、2 材料的结构基础,（3）共价键,共价键是由两个原子共用最外层电子的键合。参与键合的两个原子相应轨道上的电子的自旋方向必须是相反的。其强度随参与键合的电子数增多而增强。 另外一类共价键称为配位共价键，特点是形成的共享电子对全由一个原子提供。 共价键具有饱和性和方向性 价键晶体具有很高的熔点、具有良好的光学特性和不良的导电性 具有一定的键长、键角、键能。 s 键：成键轨道沿键轴方向以头碰头方式重叠，可绕键轴自由旋转。 p 键：键轨道垂直于键轴而且相互平行，以肩并肩的方式重叠。不能绕键轴自由旋转。,2.2 材料的结构基础,电子云重叠的几种方式,2.2 材料的结构基础,金刚石的结构,在原子晶体中，晶

8、格的质点是原子，原子间的结合力是共价键力。,原子晶体的性质,熔点、沸点高 硬度大 不导电 难溶于一般溶剂,原子晶体是巨型分子，用化学式表示其组成。如：金刚石(C)、硅(Si)、锗(Ge)、石英(SiO2)、金刚砂(SiC)等。,原子晶体,2.2 材料的结构基础,（4）氢键,氢键是氢原子在分子中与一个原子 A 键合时，还能形成与另外一个原子 B 的附加键，是一类比较弱的键，但它比范德华键强。 氢键发生于某些含有氢与高电负性（如 O、N、F 等）共价键合的极性分子之间。,2.2 材料的结构基础,氢键是与电负性较强的原子相结合的氢原子(如 XH )同时与另一个电负性较强的原子(如 Y )之间的相互作

9、用，即( XHY)这些电负性铰强的原子一般是氮、氧或卤素原子一般认为在氢键中，XH 基本上是共价键，而 HY 则是一种强而有方向性的范德华力这里把氢键归入范德华力是因为氢键本质上是带有部分负电荷的 Y 与电偶极矩很大的极性键 XH 间的静电吸引相互作用. 氢键的键能: 1329 kJ/mol. 氢键键长: 0.240.32 nm. 氢键可以存在于分子内和分子问，在聚酰胺、聚氨酯和生物大分子中起着重要的作用,2.2 材料的结构基础,（5） 分子间力,分子间力，又叫范德华力。来源于分子的极性和变形性，本质上都是静电力，主要有下列三个方面：（ 1 ）色散力；（2）诱导力；（3）取向力。,色散力由瞬时

10、偶极产生，存在于任何分子之间。色散力随着分子量的增大而增大。 诱导力由诱导偶极产生，与分子的极性、变形性有关。 取向力由固有偶极产生，存在于极性分子之间，并随分子极性的增大而增大。,2.2 材料的结构基础,分子晶体,例子，CO2（干冰），冰，非金属单质,有机物等物质都是分子物质。,分子晶体中的晶格质点是分子，分子间的结合力是分子间力。,分子晶体的性质,熔点、沸点低； 硬度小； 容易挥发或升华； 固体是电的不良导体。,2.2 材料的结构基础,2 晶体结构基础,晶体：原子或原子团、离子或分子按一定规律呈周期性地排列构成的物质， 基本特征是原子或分子在三维空间呈周期性的规则而有序地排列，即 存在长程

11、的几何有序。 （1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断； （2）周期性是晶体结构最基本的特征。 有固定的几何外形； 有固定的熔点； 有各向异性。,2.2 材料的结构基础, 晶格（点阵）构成晶体的质点（如原子、分子或离子）在空间排列的几何图形称为晶体的晶格或点阵。 结点晶体的质点在晶格中的位置称为结点。 晶胞指晶格中晶体的最小结构单元。晶胞是充分反映晶体对称 性的基本结构单位。胞晶在三维空间有规则地重复排列组成了晶体。,2.2 材料的结构基础,2.2 材料的结构基础,立方 Cubic a=b=c, =90,四方 Tetragonal a=bc, =90,正交 Rhombic

12、abc, =90,三方 Rhombohedral a=b=c, =90 a=bc, =90 =120,六方 Hexagonal a=bc, =90, =120,单斜 Monoclinic abc =90, 90,三斜 Triclinic abc =90,晶 体 七 大 晶 系,2.2 材料的结构基础,晶格缺陷,点缺陷（晶格空位、置换原子、间隙原子）,点缺陷将导致晶格畸变,2.2 材料的结构基础,线缺陷：呈线状分布的缺陷-位错(刃型、螺型),2.2 材料的结构基础,面缺陷 晶 界：晶粒之间的位向为30o-40o 亚晶界：晶粒内的小位向为1o-2o,2.2 材料的结构基础,晶格特点体心立方,原子数

13、 1,典型金属：-Fe、Cr、Mo、W、V、K、Na、Ba、Nb,性能特点：强度很高，塑性较好,致密度：68（原子占有晶胞体积的百分数）,3 材料的结构常见的金属晶格,8(1 / 8) = 2,2.2 材料的结构基础,金属晶胞空间利用率计算,体心立方结构,AC2 = 2a2 AB2 = AC2 + a2 = 3a2 = (4r)2,2.2 材料的结构基础,一个晶胞的体积：,一个体心立方晶胞中含有的原子数目为2 ，总体积为：,空间利用率 = = 100% = 68%,3 8 3,2.2 材料的结构基础,晶格特点面心立方,原子数 6(1/2)8,(1/8)=4,典型金属：-Fe、Cu、Al、Ni、

14、Au、Ag、Pt,性能特点：塑性极好,致密度：74,2.2 材料的结构基础,金属晶胞空间利用率计算,面心立方晶胞：,A,C,B,AB = 4r AC = BC = a,a,a,一个晶胞的体积为：,在一个面心立方晶胞中含有的原子数目为4，总体积为：,2.2 材料的结构基础,原子数 32(1/2)12(1/6)=6,典型金属：Be、Mg、Zn、Cd、 - Ti、 - Co,性能特点：性能介于体心立方和面心立方之间,致密度：74,晶格特点密排六方,2.2 材料的结构基础,3 材料的结构无机非金属材料的结构,金属元素和非金属元素的化合物。 金刚石型结构、硅酸盐型结构（链状结构、层状结构和网状结构）、玻

15、璃结构 基本结构单元 SiO4 四面体 SiO平均距离 0.160 nm（ r+ + r-） SiO键并非纯离子键结合 相当高共价键成分 离子键和共价键约各占一半,2.2 材料的结构基础,无机非金属材料,除金属以外的无机材料统称无机非金属材料。 传统的无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种, 化学组成均为硅酸盐类, 因此无机非金属材料亦称硅酸盐材料; 又因其中陶瓷材料历史最悠久，应用甚为广泛, 故国际上常称之为陶瓷材料。 先进无机非金属材料, 亦称无机新材料。包括结构陶瓷, 复合材料, 功能陶瓷, 半导体, 新型玻璃, 非晶态材料和人工晶体等。,2.2 材料的结构基础,无机非金属材

16、料的特点,晶体结构: 结合力主要为离子健、共价键或离子-共价混合键. 赋于这类材料以高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性, 以及新近发现的宽广的导电、导热性和透光性以及良好的铁电性、铁磁性和压电性, 高温超导性等。 化学组成: 无机非金属材料已不局限于硅酸盐, 还包括其他含氧酸盐、氧化物、氯化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、IIIV族及IIVI族化合物等。 其形态、形状也趋于多样化, 复合材料、薄膜、纤维、单晶和非晶材料占有越来越重要的地应。 制备: 高纯度、高细度的原料, 并精确控制化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构等。,2.2 材料

17、的结构基础,SiO4 可以相互孤立地存在或通过共顶相互连接，不共棱、不共面（结构不稳定性） OSiO的结合键不是一条直线，而是一折线( 145) 除了硅和氧以外，还含有其他阳离子多达50多种，其结构十分复杂。,2.2 材料的结构基础,硅氧骨架结构,岛状 三方环 四方环 六方环,链状结构,2.2 材料的结构基础,层状硅酸盐矿物,滑石,高岭土,白云母,蛇纹石,2.2 材料的结构基础,网状结构特征： SiO4四个顶角氧都与相邻的SiO4共有 SiO4排列成具有三维空间的网络结构,2.2 材料的结构基础,硅氧骨架结构,长石架状,石英架状,层状,2.2 材料的结构基础,架状硅酸盐矿物,长石,沸石,2.2

18、 材料的结构基础,玻璃结构,2.2 材料的结构基础,3 材料的结构高分子材料的结构,高分子里每个特定的结构单元叫做链节。 表示每 个高分子里链节的数目叫做聚合度。 能够聚合生成高分子化合物的低分子化合物叫做单体，它是大分子构成的最基本组成单元。,2.2 材料的结构基础,链状结构链与链之间没有交联,2.2 材料的结构基础,交联网状结构链与链之间通过共价键形成的三维空间的网状结构,2.2 材料的结构基础,交联和枝化,HDPE LDPE LLDPE,高分于链之间通过化学键键接而形成三维网状结构，称为交联热固性塑料、硫化橡皮，羊毛、头发等都是交联结构的聚合物它们具有不溶不熔的特点，因此，可交联的高聚物的成型只能在形成交联结构以前，一经形成交联结构，形状就不能再改变交联结构的高聚物具有更优越的性能，例如耐热、耐溶剂、尺寸稳定等交联聚乙烯的性能相对线形和支化聚乙烯具有更高的抗张强度和耐热性橡胶只有经过硫化才能形成真正的弹性体橡皮,2.2 材料的结构基础,大分子链的形状 按照大分子链的几何形状，可将高分子化合物分为线型结构、支链型结构和体型结构。 线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料。 支链型结构近于线型结构 。 体型结构高