材料化 学第 二章

1、2. 材料的组成、结构、 性能和制备,材料通常是由原子或分子结合而成的，也 可以说是由物质组成的，而物质是由一种或一 种以上的元素组成的。按原子或分子的结合及 其在空间排列的不同，材料的组成可分成固溶 体、聚集体和复合体三大类。,2.1 材料的组成,组元、相和组织 a组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元 （或称组分）。 b材料中具有相同的化学成分并且结构相同的均匀部分 叫做相。一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀的。 c材料内部的微观形貌称为材料的组织。它实际上是指 由各个晶粒或各种相所形成的图案。 在不同条件下，材料的组织又可以分为微观组织 (结构) 和 宏观组织。,2.1.1 材料组元的结合形式,表2-1 材料组织的分类,两种以上的原子或分子溶合在一起时的状态统称为溶体。 溶体一般是原子或分子的均匀混合物，不是化合物。液态溶体称为溶液；固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的主晶格中所形成的单相固体称固溶体。按溶质在溶剂中的位置不同，固溶体可分为： 置换型（取代型）固溶体：溶剂A晶格中的原子被溶质B的原子所取代形成的固溶体（A与B的原子大小大致相同）； 填充型（间隙型）固溶体

2、：溶剂A晶格间隙内由B的原子填入所形成的固溶体（B原子要比A原子小）。,固溶体,由无数原子或晶粒聚集而成的固体称为聚集体。一般的 材料都是宏观上的聚集体。其中有的是晶粒间呈连续变化牢 固地结合在一起（如合金或固溶体）；有的是晶粒间的结合 较微弱（如花岗石等）,聚集体,复合体（复合材料）是指由两种及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。各相之间存在明显 的界面。复合材料中各相不但保持各自的固有特性，而且可 最大限度发挥各种材料相的特性，并赋予单一材料所不具备 的优良特殊性能。 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体材料， 而另一个相是不连续相的，以独立的形态分布在连续相中， 也称为分散相。与连续相相比，分散相的性能优越，会使材 料的性能得到明显的增强，故常称为增强材料。,复合体,金属材料的化学组成 金属材料是以纯金属和以金属为基所构成的合金。 A单质金属：黑色金属（Fe、Co、Ni） B金属合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金 属元素构成的具有金属性质的物质叫金属合金。,2.1.2 材料的化学组成,无机非金属材料包括陶瓷、耐火材料、黏土制品、搪瓷、玻璃和水

3、泥等。 在许多西方国家，陶瓷实际上是各种无机非金属材料的通称。同金属材料、高分子材料并称为现代工程材料的三大柱。 从化学角度看，无机非金属材料都是由金属元素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制得的。通常由金属氧化物、非金属氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物等以不同的方式组合而成的。化学组分几乎涉及到元素周期表中的所有元素。,无机非金属材料的化学组成, 高分子材料的化学组成,高分子材料是以高分子化合物（亦称高聚物、聚合物、树 脂）为主要组分的材料。 高分子化合物主要是指相对分子量特别大的有机物，分子 量一般在104以上；另一个特点是其链中不含离子键和金属键。 高分子材料按来源分为天然高分子材料、合成高分子材 料。 高分子化合物一般由一种或几种简单的低分子化合物 （单体和链节）聚合而成。一个高分子化合物中重复单元的 数目n 叫做链节数，又称为聚合度。 高分子材料按功能分为通用高分子材料、特殊高分子材料 、功能高分子和仿生高分子材料（高分子引发剂、模拟酶等）。,2.2.1 材料的结构及其层次 材料的内部因素一般包括物质的组成和结构。 所谓结构是指材料系统内各组分之间的相互联系和相 互作用

4、方式。 材料的结构从形式上讲，包括晶体结构、非晶体结构、 孔结构及它们不同形式且错综复杂的组合和复合；从尺寸 上讲，可分为微观结构、亚微观结构、显微结构和宏观结 构四个层次。,2.2 材料的结构,表2-2 材料结构层次的划分及所用观察设备,仪器分析按信息形式分为图象分析法和非图象分析法。按工作原理前者主要是显微术，后者主要是衍射法和成分谱分析。显微术和衍射法基于物理方法，其工作原理是以电磁波（可见光、电子、离子和X-射线等）轰击样品激发产生特征物理信息，这些信息包括电磁波的透射信息、反射信息和吸收信息。将这些信息收集并加以分析从而确定物相组成和结构特征。,2.2.2 材料的研究方法,2.2.2 材料的研究方法,材料中的化学键有金属键、离子键、共价键（配位 键）、氢键和范德华力。实际上有的材料并不是由单一的 化学键组成，可同时兼有几种键。 金属材料：金属键； 无机非金属材料：离子键、共价键和金属键的杂交； 高分子材料：共价键、氢键和范德华力。,2.2.3 材料中的化学键合,A晶体的基本特征：规则的几何构型、固定的熔点、各向异性。 B七大晶系：立方（3）、四方（2）、三方（1）、 单斜（2

5、）、三斜（1）、六方（1）、正交（4）。 C晶体结构的不完整性 a杂原子与固溶体：杂质原子与主晶体原子形成固溶体（置换和填隙） b点缺陷：弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷 c线缺陷 d面缺陷,2.2.4 晶体结构基础,2.2.4 晶体结构基础, 金属材料的结构：体心立方结构、面心立方结构、紧密 堆积六方结构、金刚石结构 无机非金属材料的结构： 金刚石结构（硅、二氧化硅等） 硅酸盐结构：以SiO4为单元组成链状、层状、网状结构. 玻璃态结构：玻璃可以看成是处在过冷状态的一种粘度极高的流体，整个结构不具有晶体的规则排列。特点是原子排列近程有序、远程无序。键型有离子键、共价键。,2.2.5 材料的结构,高分子化合物是由大量重复的结构单元连接而成。高分子材料的结构包括高分子链的结构及聚集态的结构。 a单体：构成高聚物的最基本的组成单元； b链状结构：许多高分子是由多价原子彼此以共价键结合而成的长链状分子。它可以由一种（均聚物）或多种（共聚物）结构单元组成。热塑性材料。可反复加工。 c交联网状结构：三维空间的网状结构。不溶于任何溶剂（仅有一些溶胀），热固性材料，不能反复加工使用。 d聚集态结构：大分子与

6、大分子之间的相互作用和几何排列等。是范德华力和氢键。包括：非晶态结构和晶态结构。, 高分子材料的结构,复合材料可定义为由两种或两种以上独立的物理相组 合而成。包括粘结材料（基体）和粒料，纤维晶须或片状 材料所组成的一种固体产物。复合材料的组织是具有单一 组织所不具备的特征复相组织。可以是一个连续的物理相 与一个分散相的复合。也可以是两个或多个连续相与一个 或多个分散相在两个连续相中复合的材料。可以组成零维、 一维、二维或三维的各类复合材料。,复合材料的结构模式,零维(富勒烯),一维(碳纳米管）,二维(石墨烯) (单层石墨),三维(金刚石）,材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件 下的行为，它是材料微观结构特征的宏观反映。 无机非金属材料：是由离子键和共价键结合而成。其性 能一般是晶态或非晶态的、坚硬、耐热、多数绝缘。部分有 导电性，脆性大，韧性差，但一般都有较好的光学性能。 金属材料：由金属键结合而成。晶态、延展性好、不 透明、高断裂韧性、电和热的良导体、一般不透明。 高分子材料：由共价键和范德华力结合而成。一般是 非晶态（少量区域晶态）、较软、质轻、强度较低、中等韧 性、易

7、加工，电、热绝缘。,2.3 材料的性能,材料化学性能是指材料抵抗各种介质作用的能力。包 括溶解性、耐腐蚀性、抗渗透性、抗氧化性、催化性、离 子交换性能等。 A金属材料的化学稳定性：对周围介质侵蚀的抵抗 能力。主要是耐腐蚀性，包括化学腐蚀和电化学腐蚀。 B无机非金属材料的化学稳定性：具有良好的抗腐 蚀能力。但陶瓷材料使用中常遇到气体腐蚀问题。 C高分子材料的化学稳定性：具有良好的抗腐蚀能 力。但高分子材料存在老化。,2.3.1 化学性能,A强度与塑性 强度是指在载荷作用下抵抗明显的塑性形变或破坏的 最大能力。强度可分为：压缩强度、拉伸强度、弯曲强度 、冲击强度、疲劳强度等。 塑性是指在载荷作用下，应力超过屈服点后能产生显 著的残余变形不即行断裂的性质。屈服强度是指材料在外 力作用下发生塑性变形的最小应力。 弹性与刚度：材料在载荷作用下产生变形，当载荷除 去后能恢复原状的能力称为弹性；刚度则是指材料在载荷 作用下抵抗弹性变形的能力。 B硬度 材料抵抗其它较硬物体压入表面的能力。,2.3.2 力学性能,2.3.2 力学性能,C断裂与韧性 断裂是由于原子间的化学键断裂引起的，分为脆性断裂和韧性

8、断裂 韧性是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。 D疲劳特性与耐磨性 材料在受到拉伸、压缩、弯曲、扭曲或这些外力的组合反复作用时，应力的振幅超过某一限度即会导致材料的断裂，这一限度称为疲劳极限。 疲劳寿命指在某一特定压力下，材料发生疲劳断裂前循环数，它反映了材料抵抗产生裂缝的能力。 材料对磨损的抵抗能力称为材料的耐磨性，可用磨损量表示。一般条件下磨损量越小，材料的耐模性越高。,包括热容、热膨胀、热传导、热辐射和热电势等 A热容：1mol 物质温度升高1K所吸收的热量，单位： Jmol-1K-1 B热膨胀：是物质热胀冷缩（有的相反）的特性参数，用膨胀系数表示。 C热传导：由于材料相邻部分间的温差而发生的能量迁移。由高温物体迁移至低温物体。 热传导的机制：自由电子的传导（金属）、晶格振动的传导(晶体)、分子或链段的传导(高分子材料)。 D耐热性 材料的熔点反映了材料的耐热性。熔点越高，熔融热焓越大，耐热性越好。,2.3.3 热性能,A导电性能：用电阻率或电导率表示：R=（L/S）=1/ 根据电阻率的大小，将材料可分为超导体(=0)、导体（=10-810-5）、半导体（=10-5107）和绝缘

9、体（=1071020） B介电性能 电子材料有：导体、半导体、绝缘体、介电体。 介电性能主要包括介电常数、介电损耗、介电强度介电材料的价带和导带之间存在较大的能隙，所以它们具有高的电阻率。 产生介电作用的原因是电荷的偏移，或称极化。,2.3.4 电性能,C铁电性 介电常数大的物质，如BaTiO3，当电场增强时，极 化程度开始增大，接着突然增大，在电场强度很大时增 加的速度又减小而趋向于极限。除去电场后剩余一部分 极化状态，必须加上相反的电场才能完全消除极化状态， 即出现滞后现象。与铁磁体类似，因而称为铁电性。 在较强的交变电场作用下，铁电体的极化强度P随外 电场呈非线性变化,而且在一定的温度范围内，P表现为电 场E的双值函数，呈现出滞后现象，这个PE回线就称为 电滞回线,2.3.4 电性能,2.3.4 电性能,D压电性 对某些材料施压力，材料的晶体内部产生极化现 象，可测出电压。如果放在电场中，会产生应力，这种 具有使机械能和电能相互转换的现象称为压电效应。由 于形变而产生压电效应正压电效应，对材料施加电 压而产生形变时，称为逆压电效应。,2.3.4 电性能,（1）光的透射、吸收、反射和散射 （2）荧光性 一种物质在吸收电能或光能后，通过电子跃迁，再 释放出光的现象。许多稀土化合物本身就是荧光体，一 般需要激活剂光或热或化学物质。 （3）非线性光学性能 事实上，介质在光场中极化时，极化强度P 并不与 光波电场E 成正比, 尤其当光强较大时更是如此, 这时称 介质产生了非线性极化 。,2.3.5 光学性能,物质磁性可分为： 抗磁性：使磁场减弱； 顺磁性：使磁场略有增强； 铁磁性及亚铁磁性：使磁场强烈增强。 材料的磁性取决于电子的自旋磁矩以及轨道的运动磁 矩，用磁导率或磁化率表示。 抗磁性是某些材料放入磁场内，沿磁场的反方向被磁场 微弱磁化，当撤去外磁场后，磁化呈可逆消失的现象； 顺磁性材料放入磁场内，沿磁场的方向

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