材料的组成结构性能

1 Chapter 2 Structure and property of materials2 化学组成化学组成组织结构组织结构材料性能材料性能合成合成 与与 加工加工Relationship3 2.1 材料的组成材料的组成2.1.1 材料组元的结合形式材料组元的结合形式2.1.2 材料的化学组成材料的化学组成JJCatalog 2.14 组组元元组成材料最基本、组成材料最基本、独立的物质独立的物质2.1 概述概述2.1.1 材料组元的结合形式材料组元的结合形式2.1.1.1 基本概念基本概念相相材料中具有同一化学材料中具有同一化学成分并且结构相同的成分并且结构相同的均匀部分均匀部分组织组织材料内部的材料内部的微观形貌微观形貌2.1.1.1 Concepts5 Relation of component，phase and texturephaseatom 组织是材料性能的组织是材料性能的 决定性因素决定性因素Relation of component，phase and textureFigure 2-1chemical elementchemical substancemoleculecomponenttexturesimplex texturemultiple texture6 2.1.1.2 Solid solution溶液溶液2.1.1.2 Solid solution（1）定义）定义7(1)DefinitionSolvent 溶剂溶剂Solute溶质溶质 一个（或几个）一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的保持另一组元的晶格类型的固态晶体。固态晶体。固溶体固溶体8(2)Characteristic 有一定的成分范围有一定的成分范围 solid solubility 溶质和溶剂原子占据一个共同溶质和溶剂原子占据一个共同的晶体点阵，点阵类型和溶剂的点的晶体点阵，点阵类型和溶剂的点阵类型相同阵类型相同。具有比较明显的金属性质具有比较明显的金属性质（2）基本基本 特征特征结合键主要是金属键9(3)Classification按溶质原子在点按溶质原子在点阵中的位置阵中的位置Substitutional solid solutionInterstitial solid solution（3）分类）分类按各组元原子分按各组元原子分布的规律性布的规律性 Disordered solid solutionOrdered solid solution按固溶度按固溶度Finite solid solutionInfinite solid solution 10 A、置换型A、置换型固溶体、置换型固溶体由溶质原子代替一由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组成。位置所组成。11 Periodic table结构结构 Ni:1s22s22p63s23p63d84s2 Cu:1s22s22p63s23p63d94s2 半径半径 Ni：0.1246nm Cu：0.1278nm 12 Ionic solid solutionMgO的结构中的结构中Mg2+离子被离子被Fe2+离子所取代。离子所取代。条件：条件：1.半径相近半径相近 2.电荷数相同电荷数相同Ca2+能取代能取代Mg2+吗？吗？Li+能取代能取代Mg2+吗？吗？Ionic solid solution13 形成置换固溶体的影响因素形成置换固溶体的影响因素形成置换固溶体的影响因素1.原子或离子尺寸的影响原子或离子尺寸的影响 Hume-Rothery经验规则经验规则 2.晶体结构类型的影响晶体结构类型的影响 3.离子类型和键性离子类型和键性 4.电价因素电价因素14 Hume-Rothery经验规则以以r1和和r2分别代表半径大和半径小的溶剂分别代表半径大和半径小的溶剂(主晶相主晶相)或或溶质溶质(杂质杂质)原子原子(或离子或离子)的半径，的半径，当当 时，溶质与溶剂之间可以形成连续时，溶质与溶剂之间可以形成连续固溶体；固溶体；当当 时，溶质与溶剂之间只能形成时，溶质与溶剂之间只能形成有限型固溶体；有限型固溶体；当当 时，溶质与溶剂之间很难形成固溶时，溶质与溶剂之间很难形成固溶体或不能形成固溶体，而容易形成中间相或化合物。体或不能形成固溶体，而容易形成中间相或化合物。因此因此r愈大，则溶解度愈小。愈大，则溶解度愈小。15.0121rrrr%30121rrrr%30%15121rrrr原子或离子尺寸的影响原子或离子尺寸的影响 Hume-Rothery经验规则经验规则这是形成连续固溶体的必要条件，这是形成连续固溶体的必要条件，而不是充分必要条件。而不是充分必要条件。15 晶体结构类型的影响晶体结构类型的影响晶体结构类型的影响若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而不是充分必要条件。而不是充分必要条件。NiO-MgO都具有面心立方结构，且都具有面心立方结构，且r15%，可形成连续固溶体；可形成连续固溶体；MgO-CaO两两结构不同，只能形成有限型固溶两两结构不同，只能形成有限型固溶体或不形成固溶体。体或不形成固溶体。16 离子类型和键性离子类型和键性离子类型和键性化学键性质相近，化学键性质相近，即取代前后离子周围离子间键性相近，即取代前后离子周围离子间键性相近，容易形成固溶体。容易形成固溶体。17 电价因素电价因素电价因素 形成固溶体时，离子间可以等价置换也可以不形成固溶体时，离子间可以等价置换也可以不等价置换。等价置换。在硅酸盐晶体中，常发生复合离子的等价置换，在硅酸盐晶体中，常发生复合离子的等价置换，如如Na+Si4+=Ca2+Al3+，使钙长石，使钙长石CaAl2Si2O6和钠长石和钠长石NaAlSi3O8能形成连续能形成连续固溶体。又如，固溶体。又如，Ca2+=2Na+，Ba2+=2K+常出现常出现在沸石矿物中。在沸石矿物中。18 注意事项注意事项以上几个影响因素，并不是同时起作用，以上几个影响因素，并不是同时起作用，在某些条件下，有的因素会起主要因素，在某些条件下，有的因素会起主要因素，有的会不起主要作用。有的会不起主要作用。r(Si4+)=0.26埃，埃，r(Al3+)=0.39埃，相差达埃，相差达45%以上，电价又不同，但以上，电价又不同，但SiO、AlO键性键性接近，键长亦接近，仍能形成固溶体，在铝接近，键长亦接近，仍能形成固溶体，在铝硅酸盐中，常见硅酸盐中，常见Al3+置换置换Si4+形成置换固溶体形成置换固溶体的现象。的现象。19 B、填隙型固溶体、填隙型固溶体在溶剂的晶格间隙内在溶剂的晶格间隙内有溶质的原子填入（溶入）形成的固溶体。有溶质的原子填入（溶入）形成的固溶体。原子半径：原子半径：H:0.046nm B:0.097nm C:0.077nm N:0.071nmB、填隙型20 形成填隙型固溶体的条件形成填隙型固溶体的条件形成填隙型固溶体的条件杂质质点大小杂质质点大小 即添加的原子愈小，即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。易形成固溶体，反之亦然。填隙型固溶体的固溶度仍然取决于填隙型固溶体的固溶度仍然取决于离子尺寸、离子价、电负性，结构离子尺寸、离子价、电负性，结构等因素。等因素。21 晶体（基质）结构晶体（基质）结构 离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。易形成固溶体。22 322iFCaCaFFFYYF 电价因素电价因素外来杂质原子进人间隙时，外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。例如例如YF3加入到加入到CaF2中：中：23 当当F-进入间隙时，产生负电荷，进入间隙时，产生负电荷，由由Y3+进入进入Ca2+位置来保持位置关系和电价的平衡。位置来保持位置关系和电价的平衡。填隙型固溶体的生成，填隙型固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使固溶体变成不稳定而离解，使固溶体变成不稳定而离解，所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。晶体中间隙是有限的，晶体中间隙是有限的，容纳杂质质点的能力容纳杂质质点的能力10%。24 Examples晶格结构的空隙越大，晶格结构的空隙越大，越有利于形成固溶体。越有利于形成固溶体。形成填隙型固溶体的次序？形成填隙型固溶体的次序？片沸石、片沸石、CaF2、TiO2、MgO 为什么高温下碳易于填入铁晶格的空隙？为什么高温下碳易于填入铁晶格的空隙？25 C、无序在热力学处于在热力学处于 平衡状态的平衡状态的 固溶体中，固溶体中，溶质原子的分布溶质原子的分布 宏观上是宏观上是 均匀的。均匀的。C、无序固溶体、无序固溶体各组元原子的分布是随各组元原子的分布是随机的。机的。26 D、有序D、有序固溶体、有序固溶体组元原子在晶体点阵中组元原子在晶体点阵中不是随机分布的，而是出现某种倾向性排列，不是随机分布的，而是出现某种倾向性排列，如异类原子互相吸引形成有规则的排列结构。如异类原子互相吸引形成有规则的排列结构。Ordering 固溶体的有序化固溶体的有序化27 E、无限 F、有限铁铁铬、铁铬、铁铜、铁铜、铁镍镍F、有限固溶体、有限固溶体固溶度小于固溶度小于100%。E、无限固溶体（又称连续固溶体）、无限固溶体（又称连续固溶体）是由两个（或多个）晶体结构相同的组是由两个（或多个）晶体结构相同的组元形成的，任一组元的成分范围均为元形成的，任一组元的成分范围均为 0100%。铜铜锌、铜锌、铜锡锡28 Example无限置换固溶体中两组元素原子置换无限置换固溶体中两组元素原子置换 29 形成固溶体后对晶体性质的影响形成固溶体后对晶体性质的影响形成固溶体后对晶体性质的影响1.稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生 2.活化晶格活化晶格 3.固溶强化固溶强化 4.形成固溶体后对材料物理性质的影响形成固溶体后对材料物理性质的影响30 PZT陶瓷稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生PZT陶瓷陶瓷两者结构相同，两者结构相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能离子尺寸相差不多，能在常温生成连续固溶体在常温生成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.10.3。在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3处，压电性能、介电常数都达到处，压电性能、介电常数都达到最大值，烧结性能也很好。最大值，烧结性能也很好。PbTiO3是一种铁电体，纯是一种铁电体，纯PbTiO3烧结性能极差，烧结性能极差，居里点为居里点为490C，发生相变时，晶格常数剧烈变，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下发生开裂。化，在常温下发生开裂。PbZrO3是一种反铁电体，居里点为是一种反铁电体，居里点为230C。31 ZrO2四方单斜C1200ZrO2 一种高温耐火材料，熔点一种高温耐火材料，熔点2680C，但发生相变时，但发生相变时 伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命的。的。若加入若加入CaO，则和，则和ZrO2形成固溶体，无晶型转变，形成固溶体，无晶型转变，体积效应减少，使体积效应减少，使ZrO2成为一种很好的高温结构成为一种很好的高温结构材料。材料。32 活化晶格Al2O3熔点高（熔点高（2050C），不利于烧结，若加入），不利于烧结，若加入TiO2，可使烧结温度下降到，可使烧结温度下降到1600，这是因为，这是因为Al2O3 与与TiO2形成固溶体，形成固溶体，Ti4+置换置换Al3+后，后，带正电，为平衡电价，产生了正离子空位，加快带正电，为平衡电价，产生了正离子空位，加快扩散，有利于烧结进行。扩散，有利于烧结进行。AlTi活化晶格活化晶格形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应。量的活化状态，有利于进行化学反应。33 固溶强化溶质原子的溶入，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、使固溶体的强度、硬度升高硬度升高 。固溶强化固溶强化34 形成固溶体后对材料物理性质的影响形成固溶体后对材料物理性质的影响固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低。而塑性则较低。35 2.1.1.3 Aggregate2.1.1.3 Aggregate石英和云母石英和云母纯金属和合金纯金属和合金聚集体聚集体由无数的原子或晶粒聚集而成的由无数的原子或晶粒聚集而成的固体。固体。36 2.1.1.4 Composite2.1.1.4 Composite复合体复合体 由两种或两种以上的不同由两种或两种以上的不同材料通过一定的方式复合而构材料通过一定的方式复合而构成的新型材料，各相之间存在成的新型材料，各相之间存在着明显的界面。着明显的界面。37 Example骨骼骨骼天然的纳米复合材料天然的纳米复合材料38 Characteristic特点特点保持各相的固有特性；保持各相的固有特性；各相原有特性的强化（协同效应）；各相原有特性的强化（协同效应）；赋予单一材料所不具备的特殊性能。赋予单一材料所不具备的特殊性能。39 2.1.2 The structure of materials2.1.2 The Chemical Structure of Materials金属材料的化学组成金属材料的化学组成 无机非金属材料的化学组成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的化学组成 40 2.1.2.1 Importance单质金属单质金属2.1.2.1 金属材料的化学组成金属材料的化学组成 金属合金金属合金 铁、铬、锰属于黑色金属，其余都属有色金属铁、铬、锰属于黑色金属，其余都属有色金属合金可以固溶体、共熔金、金属间化合物合金可以固溶体、共熔金、金属间化合物以及聚集体形式存在以及聚集体形式存在41 2.1.2.1 Importance金属元素化合物金属元素化合物2.1.2.2 无机非金属材料的化学组成无机非金属材料的化学组成 非金属元素化合物非金属元素化合物 经一定工艺过程制得经一定工艺过程制得42 2.1.2.1 ImportanceC C、H H、O O为主为主2.1.2.2 高分子材料的化学组成高分子材料的化学组成 S、P、Cl、F、Si等具体见表具体见表2443 2.2 材料的结构材料的结构2.2.1 材料中的化学键合材料中的化学键合2.2.2 晶体结构基础晶体结构基础JJCatalog 2.1J2.2.3 材料的结构材料的结构44 2.1.2.2 Bonds2.1.2.2 材料中的化学键合材料中的化学键合Metallic bond Ionic bond Covalent bond Hydrogen bond Van der Waals bond 45 每个原子都提供少数价电每个原子都提供少数价电子，作为自由电子，共用子，作为自由电子，共用于整个晶体。其特点是具于整个晶体。其特点是具有键作用的电子并不固定有键作用的电子并不固定在一定的原子上，而是可在一定的原子上，而是可以在金属格子之间自由活以在金属格子之间自由活动。动。46 Characteristic&properties高导电率和高导热率高导电率和高导热率 不透明性不透明性 金属表面的高反射性金属表面的高反射性 延展性延展性 金属键的金属键的特点特点金属的特性金属的特性电子的离域性电子的离域性 键的球对称性质键的球对称性质47(2)Ionic bond（2）Ionic bond 离子键的离子键的特点特点 饱和性和无定向性饱和性和无定向性 离子化合物的特性离子化合物的特性 配位数高、堆积致密配位数高、堆积致密 本质上可以归结于静电引力本质上可以归结于静电引力48 Example离子键离子键CsCl结构示意图结构示意图49 Formation离子键的形成离子键的形成50 Formation51 Coulomb gravitation&distance between ions库仑引力与离子间距离的关系库仑引力与离子间距离的关系52 Coulomb gravitation&distance between ions53 共价键的特点共价键的特点 方向性和饱和性方向性和饱和性 共价键晶体的特性共价键晶体的特性 很高的熔点和硬度很高的熔点和硬度 良好的光学特性良好的光学特性 不良的导电性不良的导电性54 Example55 Example金刚石中的共价键金刚石中的共价键56 Example甲烷的电子层结构甲烷的电子层结构57(4)Hydrogen bond（4）Hydrogen bond两个条件两个条件 分子中必须含氢分子中必须含氢另一个元素必须是显著的非金属元素另一个元素必须是显著的非金属元素 有方向性有方向性58 Example水分子之间的氢键水分子之间的氢键59(5)Van der Waals bond（5）Van der Waals bond 电中性的分子电中性的分子 之间的长程作用力，绝大多数的有机化之间的长程作用力，绝大多数的有机化合物，其分子的原子之间由共价键连结，合物，其分子的原子之间由共价键连结，而分子间靠范德华键联系。而分子间靠范德华键联系。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范德华键范德华键范德华键范德华键分子链受力滑动分子链受力滑动聚氯乙烯聚氯乙烯 分子间的范德华键分子间的范德华键61(5)Physical bonds&chemical bonds（6）Comparison物理键物理键化学键化学键离子键离子键 共价键共价键 金属键金属键范德华键范德华键 氢键氢键62 Comparison表表 2-1.各种结合键主要特点比较各种结合键主要特点比较类类 型型作用力来源作用力来源键合键合 强弱强弱形成晶体的特点形成晶体的特点离子键离子键原子得、失电子后形原子得、失电子后形成负、正离子，正负成负、正离子，正负离子间的库仑引力离子间的库仑引力最强最强无方向性键、高配位数、高熔无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电熔态离子导电共价键共价键相邻原子价电子各处相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力原子核间的库仑引力强强有方向性键、低配位数、高熔有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、在熔态也不系数、塑性较差、在熔态也不导电导电金属键金属键自由电子气与正离子自由电子气与正离子实之间的库仑引力实之间的库仑引力较强较强无方向性键、结构密堆、配位无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性好的导热、导电性范德华范德华键键原子间瞬时电偶极矩原子间瞬时电偶极矩的感应作用的感应作用最弱最弱无方向性键、结构密堆、高熔无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘点、绝缘氢键氢键氢原子核与极性分子氢原子核与极性分子间的库仑引力间的库仑引力弱弱63 Bonds in actual materials实际材料中的结合键实际材料中的结合键64 2.2 Crystal&non-crystal非晶体非晶体2.2.2 晶体结构基础晶体结构基础2.2.2.1 晶体与非晶体的结构和特点晶体与非晶体的结构和特点固态物质固态物质 原子或分子原子或分子 聚集状态聚集状态 不同不同 晶体晶体65 Concepts长程长程 有序有序（1）晶体）晶体（2）非晶体）非晶体原子或原子团、离子或分子在原子或原子团、离子或分子在空按一定规律呈周期性地排列空按一定规律呈周期性地排列构成构成原子、分子或离子原子、分子或离子无规则地堆积在一无规则地堆积在一起所形成起所形成长程无序长程无序 短程有序短程有序66 Comparison（3）Comparison方石英方石英石英玻璃石英玻璃石英凝胶石英凝胶2()衍射强度衍射强度Curve of X-ray Diffraction67 2.3.1 Crystal structureCrystal Structure（brief introduction）Lattice&Crystal System 空间点阵空间点阵 Space Lattice点阵点点阵点 68 Crystal lattice晶格晶格 Crystal Lattice三维空间点阵三维空间点阵69 Types of lattice表表 2-5.7种晶系和种晶系和14种点阵类型种点阵类型Crystal System点阵参数间的关系点阵参数间的关系Lattice typeCubica=b=c,=90P、I、FTetragonala=b c,=90P、IHexaganola=b c,=90,=120 PRhombohedral a=b=c,=90P、(R)Orthorhombic a b c,=90P、C、I、FMonoclinica b c,=90,90P、CTriclinica b c,90P70 2.4.1 Classification点缺陷点缺陷结构缺陷结构缺陷 (本征缺陷本征缺陷)线缺陷线缺陷杂质原子与固溶体杂质原子与固溶体面缺陷面缺陷2.2.2.2 缺陷的分类缺陷的分类71 点缺陷点缺陷发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷，亦称零维缺陷，例如空位、间隙原子等。类缺陷，亦称零维缺陷，例如空位、间隙原子等。线缺陷线缺陷缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，主要是各种形式的陷，主要是各种形式的“位错位错”，例如晶格中缺少一，例如晶格中缺少一列粒子即形成线缺陷。列粒子即形成线缺陷。面缺陷面缺陷晶体内部偏离周期性点阵结构的二维缺晶体内部偏离周期性点阵结构的二维缺陷，即在堆积过程中偶尔有一个晶面不按规定的方式陷，即在堆积过程中偶尔有一个晶面不按规定的方式来堆积，于是这一层之间就产生了面缺陷。来堆积，于是这一层之间就产生了面缺陷。杂质原子与固溶体杂质原子与固溶体72 2.4.1.1 Point defectA。Point Defect概念概念73 B。Dislocation从滑移角度看，位错是滑移面上已滑移和未滑移从滑移角度看，位错是滑移面上已滑移和未滑移部分的交界，即晶体中某处有一列或若干列原子部分的交界，即晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。发生有规律的错排现象。晶体中的线缺陷是各种类型的位错，其特点是原晶体中的线缺陷是各种类型的位错，其特点是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径约在另外两个方向上尺寸较小，是一个直径约在35个原子间距、长几百到几万个原子间距的管状原个原子间距、长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。子畸变区。74 A、Edge dislocation刃型位错刃型位错 Edge Dislocation75 B、Screw dislocation螺旋位错螺旋位错 Screw Dislocation76 2.4.1.3 Planar defect晶核晶核晶体生长晶体生长长成的晶体长成的晶体显微图样显微图样C。Planar Defect77 材料的表面是最显而易见的面缺陷。材料的表面是最显而易见的面缺陷。在垂直于表面方向上，平移对称性被破坏了。在垂直于表面方向上，平移对称性被破坏了。由于材料是通过表面与环境及其它材料发生相互由于材料是通过表面与环境及其它材料发生相互作用，所以表面的存在对材料的物理化学性能有作用，所以表面的存在对材料的物理化学性能有重要的影响。重要的影响。常见的氧化、腐蚀、磨损等自然现象都与表面状常见的氧化、腐蚀、磨损等自然现象都与表面状态有关。态有关。78 多晶材料的光学显微组织多晶材料的光学显微组织79 Structure2.2.3 材料的结构材料的结构金属材料的结构金属材料的结构Coordination NumberAtomic Packing Factor 单位晶胞体积单位晶胞内原子体积原子堆积系数见书中图见书中图21080(1)bcc（1）bcc body-centered cubic structure碱金属、碱金属、-Fe 、难熔金属难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 81 a：晶格单位长度：晶格单位长度 R：原子半径：原子半径R Ra aa aR R3434 68.0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc R RR Ra aR R 单位晶胞原子数单位晶胞原子数 n=2bcc82(2)fcc（2）fcc face-centered cubic structureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，贵金属贵金属 以及以及 奥氏体不锈钢等奥氏体不锈钢等 83 fccR Ra aa aR R2424 n=474.0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R 84(3)hcp（3）hcp hexagonal close-packed structure-Ti，-Co，-Zr，Zn，Mg 等等 85 hcpR Ra aa ac c238 n=674.0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcp R RR RR RR Ra aa ac cR R 86 2.3.2.2 Inorganic nonmetallic crystal materials2.2.3.2 Inorganic Nonmetallic Crystal Materials（1）Diamond Type StructureDiamond87(1)Diamond type structureGraphiteC6088(2)Silicate structure（2）Silicate Structure89 Silicate structure硅酸盐结构类型硅酸盐结构类型 岛状岛状 链状链状 层状层状 网络状网络状 90(2)Silicate structure（3）玻璃结构）玻璃结构无机玻璃可以看成是处在过冷状态的一无机玻璃可以看成是处在过冷状态的一种粘度极高的液体，整个结构不具有晶种粘度极高的液体，整个结构不具有晶体的规则排列。见图体的规则排列。见图217，18（4）陶瓷结构）陶瓷结构由晶相，固溶体相，玻璃相，少量或极由晶相，固溶体相，玻璃相，少量或极少量的气相组成。少量的气相组成。91 2.5 Noncrystal materials钠玻璃钠玻璃石英玻璃石英玻璃石英晶体石英晶体92(2)Silicate structure2.2.3.3 高分子材料的结构高分子材料的结构A.单体单体C.交联网状结构交联网状结构B.链状结构链状结构 几种模型见书中图几种模型见书中图219链的柔顺性与外力、温度、大分子链的链的柔顺性与外力、温度、大分子链的结构的关系？结构的关系？D.聚集态结构聚集态结构大分子与大分子之间的相互作用和几何排列大分子与大分子之间的相互作用和几何排列93(2)Silicate structure2.2.3.4 多相复合材料的结构模式多相复合材料的结构模式94 2.1.3 Property of materials2.3 Property of Materials2.3.1 各类材料的一般特性各类材料的一般特性 Figure 2-2 General Characters of Materials95 2.1.3.2 Chemical performance溶蚀性溶蚀性 耐腐蚀性耐腐蚀性 抗渗透性抗渗透性 抗氧化性抗氧化性2.3.1 Chemical Performance材料抵抗各种介质作用的能力材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性化学稳定性96(1)Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生长生长 氧溶解氧溶解氧化膜生长氧化膜生长 内氧化内氧化缝隙缝隙 孔洞孔洞 微裂纹微裂纹宏观裂纹宏观裂纹吸附吸附A.化学腐蚀化学腐蚀（1）金属材料）金属材料 的化学稳定性的化学稳定性 金属氧化反应的金属氧化反应的 主要过程示意图主要过程示意图97 Electrochemistry corrosionSO2气体对铁的侵蚀过程气体对铁的侵蚀过程B.电化学腐蚀电化学腐蚀98 Example海水对金属的侵蚀示意图海水对金属的侵蚀示意图99 A.材斜的化学成分和矿物组成材斜的化学成分和矿物组成（2）无机非金属材料的化学稳定性）无机非金属材料的化学稳定性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2为主为主耐耐 碱碱 材材 料料 含有大量碱性氧化物如含有大量碱性氧化物如CaO、MgO(2)Chemical stability of non-metal materials100 Material structure&corrosion mediumB.材料孔隙和结构材料孔隙和结构结晶的二氧化硅（石英）结晶的二氧化硅（石英）和和 无定形二氧化硅（普通玻璃）无定形二氧化硅（普通玻璃）C.腐蚀介质腐蚀介质101(3)Chemical stability of polymers化学稳定性好，耐酸耐碱化学稳定性好，耐酸耐碱（3）高分子材料的化学稳定性）高分子材料的化学稳定性主链原子以共价键结合主链原子以共价键结合 长分子链对反应基团的保护长分子链对反应基团的保护 电绝缘性，无电化学腐蚀电绝缘性，无电化学腐蚀 102 2.1.3.3 Mechanical property2.1.3.3 Mechanical Property材料受外力作用时的变形行为材料受外力作用时的变形行为 及其抵抗破坏的能力及其抵抗破坏的能力（1）Intensity and Plasticity103 Experiment样品拉伸实验示意图样品拉伸实验示意图104 冲击实验装置冲击实验装置Experiment105 Other mechanical properties（2）硬度）硬度（3）断裂与韧性）断裂与韧性脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂（4）疲劳特性与耐磨性）疲劳特性与耐磨性材料抵抗其他较硬物体材料抵抗其他较硬物体 压入表面的能力压入表面的能力106 表表 2-2.硬度试验硬度试验107 2.1.3.4 Thermal propertyHeat CapacitydTdQC Thermal Expansion2.1.3.4 Thermal Property108 Examples热传导热传导耐热性耐热性由材料熔融由材料熔融或分解所需或分解所需温度的高低温度的高低反映出来反映出来 109 2.1.3.5 Electrical property（1）Electrical Conductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体陶瓷：绝缘体、半导体 高分子材料：绝缘体、半导体、导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体 其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）2.1.3.5 Electrical Property110 电导率电导率/Sm-1111 Superconduct materials氧化物超导体氧化物超导体 YBa2Cu3O7：92 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10：110 K Tl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 K HgBa2Cu2O8：153 K 112(2)Dielectric Property（2）Dielectric Property 表表 2-3.某些介电材料的性能某些介电材料的性能113 Experiment114(3)Ferroelectricity（3）Ferroelectricity铁电滞后现象铁电滞后现象温度对温度对 介电常数的影响介电常数的影响115(4)PiezoelectricityBaTiO3 PbTiO3 PbZrO3 NH4H2PO4（4）Piezoelectricity外力外力 极化极化 电场电场116 2.1.3.6 Optical property2.1.3.6 Optical Property表表 2-4.光的反射、吸收和透过的特征光的反射、吸收和透过的特征3/13/2005 11:43:30 PM Chapter2,Chemistry of Materials 2005, 117 2.6 材料结构的表征2.6 材料结构的表征材料结构的表征2.6.1 材料化学组成的表征材料化学组成的表征化学分析法化学分析法 仪器分析法仪器分析法3/13/2005 11:43:30 PM Chapter2,Chemistry of Materials 2005, 118 2.6.2 材料结构的表征材料结构的表征（1 1）晶体结构的研究和表征）晶体结构的研究和表征（2 2）材料显微结构的研究）材料显微结构的研究119 2.6.2 材料结构的表征材料结构的表征（1 1）晶体结构的研究和表征）晶体结构的研究和表征（2 2）材料显微结构的研究）材料显微结构的研究120 形貌观察及物相形貌观察及物相(组成、含量组成、含量)分析；分析；晶体结构晶体结构(类型、点阵常数类型、点阵常数)的测定；的测定；固体结合键的类型；固体结合键的类型；杂质含量及分布情况；杂质含量及分布情况；晶粒形态、大小、取向及义分布特征；晶粒形态、大小、取向及义分布特征；晶粒中的晶格畸变相缺陷情况；晶粒中的晶格畸变相缺陷情况；晶体结构和相结构及其分布特征；晶体结构和相结构及其分布特征；材料的应力状态及应变。材料的应力状态及应变。121 2.6.3 材料结构表征的基本步骤和方法材料结构表征的基本步骤和方法（1）如果材料是晶态，则要确定是单晶还是多）如果材料是晶态，则要确定是单晶还是多晶，晶粒的数目、大小、形状和分布的情况；晶，晶粒的数目、大小、形状和分布的情况；（2）晶体结构的类型、点阵常数等；）晶体结构的类型、点阵常数等；（3）晶体缺陷的性质、数目和分布以及晶格畸）晶体缺陷的性质、数目和分布以及晶格畸变的情况；变的情况；（4）固体中结合键的类型和键力大小；）固体中结合键的类型和键力大小；（5）杂质的含量及分布情况；）杂质的含量及分布情况；（6）表面结构，包括任何组成上的非均匀性或）表面结构，包括任何组成上的非均匀性或吸附的表面层。吸附的表面层。122 热分析热分析热分析123 测量的物理量测量的物理量中文名称中文名称英文缩写英文缩写m/dm/dt热重热重/微分热重分析微分热重分析TG/DTGTsTrT 差热分析差热分析DTAdH/dt（或（或 dQ/dt）差示扫描量热法差示扫描量热法 DSC调制热流量调制热流量温度调制温度调制DSC TMDSC 形变、体积或长度形变、体积或长度热机械分析热机械分析 TMA动态模量、阻尼动态模量、阻尼（损耗）（损耗）动态力学分析动态力学分析/动态动态力学热分析力学热分析 DMA/DMTA介电损耗介电损耗介电分析介电分析 DEA热传导热传导释放气体测定释放气体测定/分析分析 EGD/EGA 光发射光发射/透射透射热光学法热光学法 Thermooptometry声音、声速声音、声速 热声学法热声学法 Thermosonimetry电阻电阻/电流电流热电学法热电学法 Thermoelectometry表表 2-9.热分析方法热分析方法124 差示扫描量热法差示扫描量热法 Differential Scanning Calorimetry DSC是在程序控制温度下，测量输给物质是在程序控制温度下，测量输给物质（试样）与参比物的功率（热量）差与温度关（试样）与参比物的功率（热量）差与温度关系的一种技术。系的一种技术。热流型热流型/热流通式热流通式DSC（heat flux DCS)功率补偿型功率补偿型 DSC（power compensation DSC）125 一种一种PET样品的样品的DSC曲线曲线126 DSCDSC实验条件不同、结果不同实验条件不同、结果不同一次升温曲线一次升温曲线二次升温曲线二次升温曲线不同速率降不同速率降温曲线温曲线10 C80 C127 热流型热流型DCS的样品池（的样品池（a）与工作原理（）与工作原理（b）TA仪器公司的设计仪器公司的设计精工电子公司的设计精工电子公司的设计TRQs R体系的热阻体系的热阻 Qs试样的热量试样的热量 变化变化128 功率补偿型功率补偿型DSC工作原理示意图工作原理示意图（Perkin-Elmer公司公司)129 TGA原理原理是在程序控制温度下，测量物质（试样）的质量与温是在程序控制温度下，测量物质（试样）的质量与温度关系的一种技术。度关系的一种技术。静态法：在恒温下观测试样质量随时间的变化。静态法：在恒温下观测试样质量随时间的变化。动态法：在程序升温下观测试样质量随温度的变化。动态法：在程序升温下观测试样质量随温度的变化。130 典型的典型的TG（1）和）和DTG（2）曲线）曲线131 TG 209 C Principle of Operation(schematic digram)(德国德国NETZSCH，电磁式），电磁式）3/13/2005 11:43:30 PM 132 电子显微技术电子显微技术电子显微技术电子与试样作用产生的信息电子与试样作用产生的信息透射电子透射电子显微镜（透射电子透射电子显微镜（TEM）扫描透射显微镜（扫描透射显微镜（STEM）电子衍射（电子衍射分析电子衍射（电子衍射分析 二次电子扫描电子显微镜（二次电子扫描电子显微镜（SEM）特征特征X射线射线X射线能谱仪（射线能谱仪（EDS）X射线波谱仪（射线波谱仪（WDS）低能电子衍射仪（低能电子衍射仪（LEED）电子探针（电子探针（EP）俄歇电子俄歇电子能谱仪（俄歇电子俄歇电子能谱仪（AES）荧光（阴极发光）光谱分析荧光（阴极发光）光谱分析 133 X光研究光研究无定型无定型X光曲线光曲线部分结晶部分结晶X光曲线光曲线J