材料的结构材料科学基础ppt课件西南石油大学

第二章材料的结构l第一节晶体学基础l第二节常见的晶体结构l第三节固溶体的晶体结构l第四节金属间化合物的晶体结构l第五节硅酸盐结构l第六节非晶态固体结构l第七节高分子材料结构第二章材料的结构第一节晶体学基础1l第一节晶体学基础晶体学基础晶体是质点（原子、分子或离子）以周期性重复方式在三维空间作有规律排列的固体。晶体与非晶体的区别：晶体与非晶体的区别：a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列。b.熔化时：晶体具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围。c.性能：晶体具有各向异性,非晶体呈各向同性。单晶体与多晶体单晶体与多晶体1.单晶体 质点按同一取向排列。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体2.多晶体 通常由许多不同位向的小晶体(晶粒）所组成。3.晶粒与晶粒之间的界面称为晶界4.多晶体材料一般显示出各向同性假等向性第一节晶体学基础21：空间点阵和晶胞空间点阵和晶胞 晶体构造的最小体积单位叫晶胞，它能真反映晶体内部质点排列的周期性和对称性。选取晶胞的原则：选取晶胞的原则：1)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；2）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；3）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多4）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。晶胞参数点阵参数：晶轴，三个棱边a，b，c晶轴夹角：，1：空间点阵和晶胞3l空间点阵是在三维空间按周期性排列的几何点。简称点阵。同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞空间点阵是在三维空间按周期性排列的几何点。简称4l2：晶系与布拉维点阵晶系与布拉维点阵根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即7个晶系。布拉维（BravaisA）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，称布拉菲点阵。晶系 布拉非点阵晶系布拉非点阵三斜简单三斜六方简单六方单斜简单单斜底心单斜菱方简单菱方正交简单正交底心正交体心正交面心正交四方简单四方体心四方立方简单立方体心立方面心立方 2：晶系与布拉维点阵单斜菱方简单菱方正交简单正5l2:晶面指数和晶向指数晶面指数和晶向指数在晶体内部构造中，由物质质点所组成的平面成称为晶面；穿过物质质点所组成的直线方向称为晶向。晶面指数晶面指数求法：求法：1）在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o，三棱边为三坐标轴x，y，z；2）以棱边长a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距；3）取截距之倒数，并化为最小整数h，k，l并加以圆括号（h k l）即是。晶向指数晶向指数求法：求法：1）确定坐标系2）过坐标原点，作直线与待求晶向平行；3）在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z）；4）将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号u v w即是。2:晶面指数和晶向指数6l3.六方晶系指数六方晶系指数l六方晶系的晶向指数和晶面指数同样可以应用上述方法标定，这时取a1，a2，c为晶轴，而a1轴与a2轴的夹角为120度，c轴与a1，a2轴相垂直。但这种方法标定的晶面指数和晶向指数，不能完全显示六方晶系的对称性，为了更好地表达其对称性,根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用a1，a2，a3及c四个晶轴，a1，a2，a3之间的夹角均为120度，这样，其晶面指数就以(h k i l)四个指数来表示。根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多不超过三个。前三个指数中只有两个是独立的，它们之间存在以下关系：i(h+k)。采用4轴坐标时，晶向指数的确定原则仍同前述，晶向指数可用u v t w来表示，这里u+v=-t。3.六方晶系指数7l4.晶带晶带所有平行或相交于同一直线的这些晶面构成一个晶轴，此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为晶带面。晶带轴u v w与该晶带的晶面（h k l）之间存在以下关系：hu+kv+lw=0凡满足此关系的晶面都属于以u v w为晶带轴的晶带，故此关系式也称作晶带定律。l5.晶面间距晶面间距由晶面指数还可求出面间距dhkl。通常，低指数的面间距较大，而高指数的晶面间距则较小4.晶带所有平行或相交于同一直线的这些晶面构成8晶面间距的求法晶面间距的求法9l 上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响 立方晶系：fcc 当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面：bcc当hkl奇数时，有附加面：1 0 0，1 1 1 六方晶系通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影10l第二节常见的晶体结构常见的晶体结构1：晶体学基本原理1）原子或离子半径在原子或离子中，围绕核运动的电子在空间形成一个电磁场，其范围可视为球体，球的的半径就是原子或离子半径。在实际的晶体结构中所采用的是原子或离子的的有效半径，既晶体结构中原子或离子处于相接触时的半径。2）球体紧密堆积原理等大的球体紧密堆积有两种：六方紧密堆积方式和面心立方紧密堆积fcc 1 1 1 ABCABCABC 材料的结构材料科学基础ppt课件西南石油大学11材料的结构材料科学基础ppt课件西南石油大学12lhcp0001ABABABABhcp0001ABABABAB13 球体紧密堆积将形成两种空隙：八面体空隙和四面体空隙：体心立方四面体空隙 面心立方四面体空隙密排六方四面体空隙体心立方八面体空隙面心立方八面体空隙密排六方八面体空隙3)原子和离子的配位数原子和离子的配位数配位数是指在晶体结构中，该原子或离子的周围与它直接相邻结合的原子或异号的个数。球体紧密堆积将形成两种空隙：八面体空隙和四面体空14l2：典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构 1）面心立方）面心立方2：典型金属的晶体结构152 2）体心立方）体心立方2）体心立方163 3密排六方密排六方3密排六方17三种典型金属结构的晶体学特点三种典型金属结构的晶体学特点三种典型金属结构的晶体学特点三种典型金属结构的晶体学特点 三种典型金属结构的晶体学特点18l3:常见无机化合物晶体结构常见无机化合物晶体结构 1 1.AB.AB型化合物结构型化合物结构 a.a.CsClCsCl型结构型结构 b.b.NaClNaCl型结构型结构 c.c.立方立方ZnSZnS型结构型结构 d.d.六方六方ZnSZnS型结构型结构 2.AB 2.AB2 2型化合物结构型化合物结构 a.a.CaFCaF2 2(萤石萤石)型结构型结构 b.b.TiOTiO2 2(金刚石金刚石)型结构型结构 c.c.-方石英方石英(方晶石方晶石)型结构型结构 3.A 3.A2 2B B3 3型化合物结构型化合物结构 以以-Al-Al2 2O O3 3为代表的刚玉型结构，是为代表的刚玉型结构，是 A A2 2B B3 3型的典型结型的典型结构。构。4.ABO 4.ABO3 3型化合物结构型化合物结构a.a.CaTiQCaTiQ3 3（钙钛矿）型结构（钙钛矿）型结构b.b.方解石（方解石（CaCOCaCO3 3）型结构）型结构 5.AB 5.AB2 2O O4 4型化合物结构型化合物结构 AB AB2 2O O4 4型化合物中最重要的化合物是型化合物中最重要的化合物是尖晶石尖晶石（MgAlMgAl2 2O O4 4）。）。3:常见无机化合物晶体结构19l第三节第三节 固溶体的晶体结构固溶体的晶体结构 1、固溶体的类型、固溶体的类型第三节固溶体的晶体结构20l1)置换固溶体置换固溶体当溶质原子溶人溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能有限溶解。影响溶解度的因素很多，主要取决于四个因素：a.晶体结构，b.原子尺寸，c.化学亲和力（电负性），d.原子价l2)间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。1)置换固溶体当溶质原子溶人溶剂中形成固溶体21材料的结构材料科学基础ppt课件西南石油大学22l2 2、影响置换固溶体固溶度的因素、影响置换固溶体固溶度的因素l1)原子尺寸因素：溶质与溶剂原子半径的相对差小于1415%，才可能形成溶解度较大甚至无限溶解的固溶体。2、影响置换固溶体固溶度的因素23l2)2)化学亲和力（电负性因素）化学亲和力（电负性因素）电负性；原子吸引电子形成负离子的倾向，以电负性因素来衡量化学亲和力。1）电负性差值X0.40.5，倾向于形成稳定的化合物，其电负性差值越大，固溶体中固溶度越小。2)化学亲和力（电负性因素）24l3)3)电子浓度因素（原子价因素）电子浓度因素（原子价因素）电子浓度是合金中价电子数目与原子数目的比值例 溶剂IB 不同溶质的溶解度（at%）4周 期 Cu Zn（IIB）Ga（IIIA）Ge（IVA）As（VA）38%20%12%7%5周期Ag Cd（IIB）In（IIIA）Sn（IVA）Sb（VA）42%20%12%7%固溶体中的电子浓度有其极限值。4)4)晶体结构因素晶体结构因素晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。形成有限固溶体时，溶质元素与溶剂的结构类型相同，则溶解度通常也较不同结构时为大。3)电子浓度因素（原子价因素）25l3 3 固溶体的微观不均匀性固溶体的微观不均匀性 1)无序分布 2)偏聚状态 3)短程有序 短程序参数 PA：固溶体中B原子周围出现A 原子的几率 xA：固溶体中A原子的摩尔分数 完全无序状态 短程有序 原子偏聚3固溶体的微观不均匀性26材料的结构材料科学基础ppt课件西南石油大学27l4 4 长程有序固溶体（超结构）长程有序固溶体（超结构）1)1)主要类型主要类型(1)在fcc固溶体中形成超结构 1Cu3Au型2CuAuI型3CuAuII型4CuPt型(2）在体心立方中形成超结构1CuZn型2Fe3Al型(3）在密排六方固溶体中形成 超结构4长程有序固溶体（超结构）283)3)影响有序化的因素：影响有序化的因素：eAB(eAA+eBB/2)；具有相当于一定化学式的成分；温度低于某一温度下；冷却速度；塑性变形使合金有序度下降。4)4)长程有序参数长程有序参数 用来衡量有序度定义 其中：PA、PB：表示A、B原子出现在正确位置上的几率 XA、XB：A或B原子的摩尔分数S=1，PA=PB=1，完全有序S=0，PA=XA，PB=XB，完全无序 3)影响有序化的因素：29第四节金属间化合物的晶体结构l1:1:正常价化合物：正常价化合物：由两种电负性差值较大的元素按通常的化学价规律形成的化合物，其稳定性与两组元的电负性差值大小有关，电负性差值越大，稳定性越高，愈接近离子键合，反之趋向于金属键合。正常价化合物包括从离子键、共价键过渡到金属键为主的一系列化合物，通常具有较高的强度和脆性，固溶度范围极小，在相图上为一条垂直线。第四节金属间化合物的晶体结构1:正常价化合物：30l2:电子化合物（Hume-Rothery相）合金系中间相电子浓度e/a晶体结构Cu-Zn系（CuZn）3/2体心立方Cu5Zn8）21/13 复杂立方（CuZn3）7/4密排六方Cu-Al系（Cu3Al）3/2体心立方（Cu32Al19）21/13复杂立方（Cu5Al3）7/4密排六方Cu-Sn系（Cu5Sn）3/2体心立方（Cu31Sn8）21/13 复杂立方（Cu3Sn）7/4密排六方 这类化合物的结构稳定性主要取决于电子浓度因素。在相图上占有一成分范围，结合性质为金属键，有明显的金属特性。2:电子化合物（Hume-Rothery相）31l3:3:原子尺寸因素化合物原子尺寸因素化合物 当两种元素形成金属间化合物时，如果它们之间的原子半径差别很大时，便形成原子尺寸因素化合物。1)1)填隙型（填隙化合物）填隙型（填隙化合物）在过渡族金属与H、B、C、N等原子半径甚小的非金属元素之间形成。简单填隙相 X/M0.59 晶体结构很复杂l 在碳钢和合金钢中复杂填隙相的结构主要有M3C、M23Co和M6C三相类型。l例：Fe3C、Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe3W3C、Fe4W2Cl2)2)拓扑密排相（拓扑密排相（TCPTCP相）相）l如果用大小不同的两种原子进行最紧密堆垛，通过合理搭配，就有可能获得全部或主要由四面体堆满整个空间，达到空间利用率和配位数都更高的密堆结构，但这些四面体不一定都是等棱四面体，这种密排结构称“拓扑密堆结构”，配位数可达12、14、15、16。l典型的TCP相有：l相，Laves相，x相和相。复杂填隙相35第五节硅酸盐结构 1:硅酸盐结构的特点硅酸盐结构的特点1)结构中Si4+间没有直接的键,它们是通过O2-连接起来的;2)结构是以硅氧四面体为结构基础;3)每一个O2-只能连接2个硅氧四面体;4)硅氧四面体只能共顶连接,而不能共棱和共面连接.SiO4四面体双重四面体单元（Si2O7）6-第五节硅酸盐结构1:硅酸盐结构的特点SiO436l2:硅酸盐结构的分类硅酸盐结构的分类 按照SiO4四面体在空间的组合，可将硅酸盐分成四类：岛状结构、链状结构、层状结构、骨架状结构 1）岛状结构岛状结构la、含孤立有限硅氧团的硅酸盐，孤立硅氧四面体指四面体之间不通过离子键或共价键结合。l硅氧四面体中氧为-1价，单个硅氧四面体为-4价，硅氧四面体可与其它正离子键合使化合价达到饱和。lb、含成对有限硅氧团和环状有限硅氧团的硅酸盐。硅氧四面体可成对连接，或连成封闭环2:硅酸盐结构的分类37材料的结构材料科学基础ppt课件西南石油大学38l2）链状结构）链状结构大量SiO4四面体通过共顶连接形成的一维结构，分单链结构和双链结构。2）链状结构39 单链结构按一维方向的周期性分为1，2，3，4，5，7节链单链结构按一维方向的周期性分为1，2，3，4，5，740l3）层状结构）层状结构由大量底面在同一平面上的硅氧四面体通过在该平面上共顶连接形成的具有六角对称的二维结构3）层状结构41l4）骨架状结构）骨架状结构骨架状结构是以四面体作为结构的基础。硅氧四面体4个顶点均与相邻硅氧四面体的顶点相邻，并向三维空间延伸形成架状结构4）骨架状结构42第六节非晶态固体结构晶体结构的基本特征是原子在三维空间呈周期性排列，即存在长程有序；而非晶体中的原子排列却无长程有序的特点。非晶态物质包括玻璃、凝胶、非晶态金属和合金、非晶态半导体、无定型碳及某些聚合物等。l1：玻璃的概念和通性：玻璃的概念和通性1）玻璃：从液态凝固，结构与液态相似的连续的非晶态固体，第六节非晶态固体结构晶体结构的基43l2）玻璃的通性）玻璃的通性（1）各向同性玻璃内部任何方向的性质都是相同的；（2）介稳态玻璃所处的非晶态不是最低的能量状态，它含有过剩的内能，有析晶的倾向；（3）熔融态向玻璃态转化的过程是可逆的与渐变的；（4）无固定的熔点；（5）熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度的连续性。2）玻璃的通性44l2:玻璃的结构玻璃的结构 无规则网络学说玻璃态的物质与相应的晶体结构一样，都是由离子多面体构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次有规律重复而构成，而玻璃体结构中的多面体重复没有规律性。2:玻璃的结构45第七节高分子材料结构高分子材料：分子量特别大的有机化合物的总称，也称聚合物或高聚物。从聚合物分子结构可分为：线型聚合物和三维网型聚合物从聚合物受热时行为可分为：热塑性聚合物和热固性聚合物高分子材料的结构包括高分子的链结构和聚集态结构第七节高分子材料结构高分子材料：分46l1：高分子链结构：高分子链结构1）高分子的近程结构）高分子的近程结构 （1）结构单元的化学组成结构单元的化学组成 a.a.碳链高分子碳链高分子 主链以C原子间共价键相联结,加聚反应制得。如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯 b.b.杂链高分子杂链高分子 主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得。如 聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等。c.c.元素有机高分子元素有机高分子 主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。d.d.无机高分子无机高分子 主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解1：高分子链结构47l（2 2）高分子链结构单元的键合方式）高分子链结构单元的键合方式 a:a:均聚物结构单元键接顺序均聚物结构单元键接顺序 单烯类单体中，除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：头头尾尾头尾（2）高分子链结构单元的键合方式48 b:b:共聚物的序列结构共聚物的序列结构 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为b:共聚物的序列结构49（3）:高分子链的结构高分子链的结构不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状热固性（thermosetting）（3）:高分子链的结构不溶于任何溶剂，50（4 4）高分子链的构型）高分子链的构型 链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行（4）高分子链的构型51l 旋光异构体旋光异构体 由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元，有三种排列方式旋光异构体52 几何异构几何异构 双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有 两种异构体之分称为几何异构对于大分子链而言就有顺式 二甲基丁二烯 反式 二甲基丁二烯 几何异构两种异构体之分称为几53l2）远程结构）远程结构（1）高分子的大小高分子的大小 高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性l平均相对分子质量。因此高聚物的相对分子质量通常用 平均相对分子质量来 表征。常见的表示方法 有数均相对分子质量、重均相对分子质量、Z均相对分子质量、粘均相对分子质量。2）远程结构54l（2）高分子链的柔顺性）高分子链的柔顺性高分子链能改变其构象的性质称为柔顺性影响高分子链柔性的主要因素（2）高分子链的柔顺性55l2：高分子的聚集态结构：高分子的聚集态结构按照高分子排列的有序性，固态高分子可分为结晶态、非晶态和取向态。结晶态：高分子按照三维有序的方式聚集。非晶态：分子链杂乱的无序地排列在一起。取向态：高分子结构出现一维或二维有序排列的结构。2：高分子的聚集态结构56l1）聚合物的晶体形态聚合物的晶体形态主要有单晶、片晶、球晶、树枝状晶、孪晶、纤维状晶和串晶等。l2）聚合物晶态结构的模型聚合物晶态结构的模型1)樱状微束模型2)折叠链模型3)伸直链模型4)串晶的结构模型5)球晶的结构模型6)Hosemann模型1）聚合物的晶体形态主要有单晶、片晶、球晶、树枝状晶、孪57l3）聚合物的晶体的晶胞结构）聚合物的晶体的晶胞结构聚合物晶胞中，沿大分子链的方向和垂直于大分子链方向的原子间距是不同的，使得聚合物不能形成立方晶系。聚乙烯的晶体结构纤维素葡萄糖单元的晶体结构尼龙类的晶体结构聚氯乙烯的晶体结构聚丙烯分子的晶体结构3）聚合物的晶体的晶胞结构聚合物晶胞中，沿大分58