1,Chapter 2,Composition Structure and Property of Materials,材料的組成、結構與性能,Chapter 2 Structure and property of materials,2,材料性能,材料應用,Relationship,3,2.1 材料的組成,2.1.1 材料組元的結合形式,2.1.2 材料的化學組成,J,J,Catalog 2.1,4,2.1 概述,2.1.1 材料組元的結合形式,2.1.1.1 基本概念,2.1.1.1 Concepts,5,Relation of component，phase and texture,phase,atom,組織是材料性能的 決定性因素,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）定義,7,(1) Definition,Solvent 溶劑,Solute溶質,一個（或幾個） 組元的原子（化合物）溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態晶體。,固溶體,8,(2) Characteristic, 有一定的成分范圍,solid solubility, 溶質和溶劑原子占據一個共同的晶體點陣，點陣類型和溶劑的點陣類型相同。, 具有比較明顯的金屬性質,（2） 基本 特征,結合鍵主要是金屬鍵,9,(3) Classification,（3）分類,10,A、置換型,A、置換型固溶體由溶質原子代替一部分溶劑原子而占據著溶劑晶格某些結點位置所組成。,11,Periodic table,結構 Ni : 1s22s22p63s23p63d84s2 Cu: 1s22s22p63s23p63d94s2,半徑 Ni ：0.1246nm Cu：0.1278nm,12,Ionic solid solution,MgO的結構中Mg2+離子被Fe2+離子所取代。,條件：1. 半徑相近 2. 電荷數相同,Ca2+能取代Mg2+嗎？ Li+ 能取代Mg2+嗎？,Ionic solid solution,13,形成置換固溶體的影響因素,形成置換固溶體的影響因素,1. 原子或離子尺寸的影響 Hume-Rothery經驗規則 2. 晶體結構類型的影響 3. 離子類型和鍵性 4. 電價因素,14,Hume-Rothery經驗規則,以r1和r2分別代表半徑大和半徑小的溶劑(主晶相)或溶質(雜質)原子(或離子)的半徑， 當 時，溶質與溶劑之間可以形成連續固溶體； 當 時，溶質與溶劑之間只能形成有限型固溶體； 當 時，溶質與溶劑之間很難形成固溶體或不能形成固溶體，而容易形成中間相或化合物。因此r愈大，則溶解度愈小。,原子或離子尺寸的影響 Hume-Rothery經驗規則,15,晶體結構類型的影響,晶體結構類型的影響,若溶質與溶劑晶體結構類型相同，能形成連續固溶體，這也是形成連續固溶體的必要條件，而不是充分必要條件。 NiO-MgO都具有面心立方結構，且r15%，可形成連續固溶體； MgO-CaO兩兩結構不同，只能形成有限型固溶體或不形成固溶體。,16,離子類型和鍵性,離子類型和鍵性,化學鍵性質相近， 即取代前后離子周圍離子間鍵性相近， 容易形成固溶體。,17,電價因素,電價因素,形成固溶體時，離子間可以等價置換也可以不等價置換。 在硅酸鹽晶體中，常發生復合離子的等價置換，如Na+ + Si4+ = Ca2+ + Al3+，使鈣長石CaAl2Si2O6和鈉長石NaAlSi3O8能形成連續固溶體。又如，Ca2+ = 2Na+，Ba2+ = 2K+常出現在沸石礦物中。,18,注意事項,以上幾個影響因素，并不是同時起作用，在某些條件下，有的因素會起主要因素，有的會不起主要作用。,19,B、填隙型固溶體在溶劑的晶格間隙內有溶質的原子填入（溶入）形成的固溶體。,原子半徑： H: 0.046nm B: 0.097nm C: 0.077nm N: 0.071nm,B、填隙型,20,形成填隙型固溶體的條件,形成填隙型固溶體的條件,雜質質點大小 即添加的原子愈小， 易形成固溶體，反之亦然。,填隙型固溶體的固溶度仍然取決于離子尺寸、離子價、電負性，結構等因素。,21,晶體（基質）結構,離子尺寸是與晶體結構的關系密切相關的， 在一定程度上來說， 結構中間隙的大小起了決定性的作用。 一般晶體中空隙愈大，結構愈疏松， 易形成固溶體。,22,電價因素,外來雜質原子進人間隙時， 必然引起晶體結構中電價的不平衡， 這時可以通過生成空位， 產生部分取代或離子的價態變化來保持電價平衡。 例如YF3加入到CaF2中：,23,當F-進入間隙時，產生負電荷， 由Y3+進入Ca2+位置來保持位置關系和電價的平衡。 填隙型固溶體的生成， 一般都使晶格常數增大，增加到一定的程度， 使固溶體變成不穩定而離解， 所以填隙型固溶體不可能是連續的固溶體。 晶體中間隙是有限的， 容納雜質質點的能力10%。,24,Examples,晶格結構的空隙越大， 越有利于形成固溶體。,形成填隙型固溶體的次序？ 片沸石、CaF2、TiO2、MgO,為什么高溫下碳易于填入鐵晶格的空隙？,25,C、無序,在熱力學處于 平衡狀態的 固溶體中， 溶質原子的分布 宏觀上是 均勻的。,C、無序固溶體各組元原子的分布是隨機的。,26,D、有序,D、有序固溶體組元原子在晶體點陣中不是隨機分布的，而是出現某種傾向性排列，如異類原子互相吸引形成有規則的排列結構。,Ordering 固溶體的有序化,27,E、無限 F、有限,鐵鉻、鐵銅、鐵鎳,F、有限固溶體固溶度小于100%。,E、無限固溶體（又稱連續固溶體） 是由兩個（或多個）晶體結構相同的組元形成的，任一組元的成分范圍均為 0100%。,銅鋅、銅錫,28,Example,無限置換固溶體中兩組元素原子置換,29,形成固溶體后對晶體性質的影響,形成固溶體后對晶體性質的影響,1. 穩定晶格，阻止某些晶型轉變的發生 2. 活化晶格 3. 固溶強化 4. 形成固溶體后對材料物理性質的影響,30,PZT陶瓷,穩定晶格，阻止某些晶型轉變的發生,PZT陶瓷,PbTiO3是一種鐵電體，純PbTiO3燒結性能極差，居里點為490C，發生相變時，晶格常數劇烈變化，在常溫下發生開裂。 PbZrO3是一種反鐵電體，居里點為230C。,31,ZrO2,ZrO2 一種高溫耐火材料，熔點2680C，但發生相變時 伴隨很大的體積收縮，這對高溫結構材料是致命的。 若加入CaO，則和ZrO2形成固溶體，無晶型轉變，體積效應減少，使ZrO2成為一種很好的高溫結構材料。,32,活化晶格,Al2O3熔點高（2050C），不利于燒結，若加入TiO2，可使燒結溫度下降到1600，這是因為Al2O3 與TiO2形成固溶體，Ti4+置換Al3+后， 帶正電，為平衡電價，產生了正離子空位，加快擴散，有利于燒結進行。,活化晶格,形成固溶體后，晶格結構有一定畸變，處于高能量的活化狀態，有利于進行化學反應。,33,固溶強化,溶質原子的溶入， 使固溶體的強度、 硬度升高 。,固溶強化,34,形成固溶體后對材料物理性質的影響,固溶體的電學、熱學、磁學等物理性質也隨成分而連續變化，但一般都不是線性關系。 固溶體的強度與硬度往往高于各組元， 而塑性則較低。,35,2.1.1.3 Aggregate,2.1.1.3 Aggregate,聚集體由無數的原子或晶粒聚集而成的固體。,36,2.1.1.4 Composite,2.1.1.4 Composite,復合體,由兩種或兩種以上的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。,37,Example,骨骼天然的納米復合材料,38,Characteristic,特點,保持各相的固有特性； 各相原有特性的強化（協同效應）； 賦予單一材料所不具備的特殊性能。,39,2.1.2 The structure of materials,2.1.2 The Chemical Structure of Materials,金屬材料的化學組成 無機非金屬材料的化學組成 高分子材料的化學組成,40,2.1.2.1 Importance,單質金屬,2.1.2.1 金屬材料的化學組成,金屬合金,鐵、鉻、錳屬于黑色金屬，其余都屬有色金屬 合金可以固溶體、共熔金、金屬間化合物 以及聚集體形式存在,41,2.1.2.1 Importance,金屬元素化合物,2.1.2.2 無機非金屬材料的化學組成,非金屬元素化合物,經一定工藝過程制得,42,2.1.2.1 Importance,C、H、O為主,2.1.2.2 高分子材料的化學組成,S、P、Cl、F、Si等,具體見表24,43,2.2 材料的結構,2.2.1 材料中的化學鍵合,2.2.2 晶體結構基礎,J,J,Catalog 2.1,J,2.2.3 材料的結構,44,2.1.2.2 Bonds,2.1.2.2 材料中的化學鍵合,Metallic bond Ionic bond Covalent bond Hydrogen bond Van der Waals bond,45,每個原子都提供少數價電子，作為自由電子，共用于整個晶體。其特點是具有鍵作用的電子并不固定在一定的原子上，而是可以在金屬格子之間自由活動。,46,Characteristic & properties,高導電率和高導熱率 不透明性 金屬表面的高反射性 延展性,電子的離域性 鍵的球對稱性質,47,(2) Ionic bond,（2）Ionic bond,離子鍵的特點 飽和性和無定向性,離子化合物的特性 配位數高、堆積致密,本質上可以歸結于靜電引力,48,Example,離子鍵CsCl結構示意圖,49,Formation,離子鍵的形成,50,Formation,51,Coulomb gravitation & distance between ions,庫侖引力與離子間距離的關系,52,Coulomb gravitation & distance between ions,53,共價鍵的特點 方向性和飽和性,共價鍵晶體的特性 很高的熔點和硬度 良好的光學特性 不良的導電性,54,Example,55,Example,金剛石中的共價鍵,56,Example,甲烷的電子層結構,57,(4) Hydrogen bond,（4）Hydrogen bond,兩個條件,分子中必須含氫 另一個元素必須是顯著的非金屬元素,有方向性,58,Example,水分子之間的氫鍵,59,(5) Van der Waals bond,（5）Van der Waals bond,電中性的分子 之間的長程作用力，絕大多數的有機化合物，其分子的原子之間由共價鍵連結，而分子間靠范德華鍵聯系。,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,范德華鍵,范德華鍵,分子鏈受力滑動,聚氯乙烯 分子間的范德華鍵,61,(5) Physical bonds & chemical bonds,（6）Comparison,物理鍵,化學鍵,離子鍵 共價鍵 金屬鍵,范德華鍵 氫鍵,62,Comparison,表 2-1. 各種結合鍵主要特點比較,63,Bonds in actual materials,實際材料中的結合鍵,64,2.2 Crystal & non-crystal,非晶體,2.2.2 晶體結構基礎,2.2.2.1 晶體與非晶體的結構和特點,固態物質 原子或分子 聚集狀態 不同,晶體,65,Concepts,長程 有序,（1）晶體,（2）非晶體,原子或原子團、離子或分子在空按一定規律呈周期性地排列構成,原子、分子或離子無規則地堆積在一起所形成,長程無序 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,空間點陣 Space Lattice,點陣點,68,Crystal lattice,晶格 Crystal Lattice,三維空間點陣,69,Types of lattice,表 2-5. 7種晶系和14種點陣類型,70,2.4.1 Classification,點缺陷,結構缺陷 (本征缺陷),線缺陷,雜質原子與固溶體,面缺陷,2.2.2.2 缺陷的分類,71,點缺陷發生在晶格中一個原子尺寸范圍內的一類缺陷，亦稱零維缺陷，例如空位、間隙原子等。 線缺陷缺陷只在一個方向上延伸，或稱一維缺陷，主要是各種形式的“位錯”，例如晶格中缺少一列粒子即形成線缺陷。 面缺陷晶體內部偏離周期性點陣結構的二維缺陷，即在堆積過程中偶爾有一個晶面不按規定的方式來堆積，于是這一層之間就產生了面缺陷。 雜質原子與固溶體,72,2.4.1.1 Point defect,A。 Point Defect,概念,73,B。Dislocation 從滑移角度看，位錯是滑移面上已滑移和未滑移部分的交界，即晶體中某處有一列或若干列原子發生有規律的錯排現象。 晶體中的線缺陷是各種類型的位錯，其特點是原子發生錯排的范圍，在一個方向上尺寸較大，而另外兩個方向上尺寸較小，是一個直徑約在35個原子間距、長幾百到幾萬個原子間距的管狀原子畸變區。,74,A、Edge dislocation,刃型位錯 Edge Dislocation,75,B、Screw dislocation,螺旋位錯 Screw Dislocation,76,2.4.1.3 Planar defect,C。Planar Defect,77,材料的表面是最顯而易見的面缺陷。 在垂直于表面方向上，平移對稱性被破壞了。 由于材料是通過表面與環境及其它材料發生相互作用，所以表面的存在對材料的物理化學性能有重要的影響。 常見的氧化、腐蝕、磨損等自然現象都與表面狀態有關。,78,多晶材料的光學顯微組織,79,Structure,2.2.3 材料的結構 金屬材料的結構,見書中圖210,80,(1) bcc,（1）bcc body-centered cubic structure,堿金屬、-Fe 、 難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等,81,a ：晶格單位長度 R ：原子半徑,單位晶胞原子數 n = 2,bcc,82,(2) fcc,（2）fcc face-centered cubic structure,Al，Ni， Pb，Pd， Pt，貴金屬 以及 奧氏體不銹鋼等,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,硅酸鹽結構類型,島狀,鏈狀,層狀,網絡狀,90,(2) Silicate structure,（3）玻璃結構,無機玻璃可以看成是處在過冷狀態的一種粘度極高的液體，整個結構不具有晶體的規則排列。見圖217，18,（4）陶瓷結構,由晶相，固溶體相，玻璃相，少量或極少量的氣相組成。,91,2.5 Noncrystal materials,鈉玻璃,石英玻璃,石英晶體,92,(2) Silicate structure,2.2.3.3 高分子材料的結構,A.單體,C.交聯網狀結構,B.鏈狀結構 幾種模型見書中圖219 鏈的柔順性與外力、溫度、大分子鏈的結構的關系？,D.聚集態結構 大分子與大分子之間的相互作用和幾何排列,93,(2) Silicate structure,2.2.3.4 多相復合材料的結構模式,94,2.1.3 Property of materials,2. 3 Property of Materials,2. 3.1 各類材料的一般特性,Figure 2-2 General Characters of Materials,95,2.1.3.2 Chemical performance,2. 3.1 Chemical Performance,材料抵抗各種介質作用的能力,96,(1) Chemical stability of metal materials,A. 化學腐蝕,（1）金屬材料 的化學穩定性,金屬氧化反應的 主要過程示意圖,97,Electrochemistry corrosion,SO2氣體對鐵的侵蝕過程,B. 電化學腐蝕,98,Example,海水對金屬的侵蝕示意圖,99,A. 材斜的化學成分和礦物組成,（2）無機非金屬材料的化學穩定性,(2) Chemical stability of non-metal materials,100,Material structure & corrosion medium,B.材料孔隙和結構,結晶的二氧化硅（石英） 和 無定形二氧化硅（普通玻璃）,C.腐蝕介質,101,(3) Chemical stability of polymers,化學穩定性好，耐酸耐堿,（3）高分子材料的化學穩定性,102,2.1.3.3 Mechanical property,2.1.3.3 Mechanical Property,材料受外力作用時的變形行為 及其抵抗破壞的能力,（1）Intensity and Plasticity,103,Experiment,樣品拉伸實驗示意圖,104,沖擊實驗裝置,Experiment,105,Other mechanical properties,（2）硬度,（3）斷裂與韌性,脆性斷裂和韌性斷裂,（4）疲勞特性與耐磨性,材料抵抗其他較硬物體 壓入表面的能力,106,表 2-2. 硬度試驗,107,2.1.3.4 Thermal property,Heat Capacity,Thermal Expansion,2.1.3.4 Thermal Property,108,Examples,熱傳導,耐熱性,由材料熔融或分解所需溫度的高低反映出來,109,2.1.3.5 Electrical property,（1）Electrical Conductivity,金屬：導體、半導體（半導體金屬砷、碲等） 陶瓷：絕緣體、半導體 高分子材料：絕緣體、半導體、導體 其它：硅、鍺（半導體），石墨（導體）,2.1.3.5 Electrical Property,110,電導率/ Sm-1,111,Superconduct materials,氧化物超導體 YBa2Cu3O7：92 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10：110 K Tl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 K HgBa2Cu2O8：153 K,112,(2) Dielectric Property,（2）Dielectric Property,表 2-3. 某些介電材料的性能,113,Experiment,114,(3) Ferroelectricity,（3）Ferroelectricity,鐵電滯后現象,溫度對 介電常數的影響,115,(4) Piezoelectricity,BaTiO3 PbTiO3 PbZrO3 NH4H2PO4,（4）Piezoelectricity,外力 極化 電場,116,2.1.3.6 Optical property,2.1.3.6 Optical Property,表 2-4. 光的反射、吸收和透過的特征,3/13/2005 11:43:30 PM,Chapter2, Chemistry of Materials 2005, ceszzh,117,2.6 材料結構的表征,2.6 材料結構的表征,2.6.1 材料化學組成的表征,化學分析法 儀器分析法,3/13/2005 11:43:30 PM,Chapter2, Chemistry of Materials 2005, ceszzh,118,2.6.2 材料結構的表征,（1）晶體結構的研究和表征,（2）材料顯微結構的研究,119,2.6.2 材料結構的表征,（1）晶體結構的研究和表征,（2）材料顯微結構的研究,120, 形貌觀察及物相(組成、含量)分析； 晶體結構(類型、點陣常數)的測定； 固體結合鍵的類型； 雜質含量及分布情況； 晶粒形