材料的组成、结构、性能

1Chapter2CompositionStructureandPropertyofMaterials材料的组成、结构与性能Chapter2Structureandpropertyofmaterials2化学组成组织结构材料性能材料应用合成与加工Relationship32.1材料的组成2.1.1材料组元的结合形式2.1.2材料的化学组成JJCatalog2.14组元组成材料最基本、独立的物质2.1概述2.1.1材料组元的结合形式2.1.1.1基本概念相材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分组织材料内部的微观形貌2.1.1.1Concepts5Relationofcomponent，phaseandtexturephaseatomRelationofcomponent，phaseandtextureFigure2-1chemicalelementchemicalsubstancemoleculecomponenttexturesimplextexturemultipletexture62.1.1.2Solidsolution溶液2.1.1.2Solidsolution（1）定义7(1)DefinitionSolvent溶剂Solute溶质一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。固溶体8(2)Characteristic②有一定的成分范围solidsolubility①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阵类型相同。③具有比较明显的金属性质（2）基本特征结合键主要是金属键9(3)Classification按溶质原子在点阵中的位置SubstitutionalsolidsolutionInterstitialsolidsolution（3）分类按各组元原子分布的规律性DisorderedsolidsolutionOrderedsolidsolution按固溶度FinitesolidsolutionInfinitesolidsolution10A、置换型A、置换型固溶体——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位置所组成。11Periodictable结构Ni:1s22s22p63s23p63d84s2Cu:1s22s22p63s23p63d94s2半径Ni：0.1246nmCu：0.1278nm12IonicsolidsolutionMgO的结构中Mg2+离子被Fe2+离子所取代。条件：1.半径相近2.电荷数相同Ca2+能取代Mg2+吗？Li+能取代Mg2+吗？Ionicsolidsolution13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Hume-Rothery经验规则2.晶体结构类型的影响3.离子类型和键性4.电价因素14Hume-Rothery经验规则以r1和r2分别代表半径大和半径小的溶剂(主晶相)或溶质(杂质)原子(或离子)的半径，当时，溶质与溶剂之间可以形成连续固溶体；当时，溶质与溶剂之间只能形成有限型固溶体；当时，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。因此Δr愈大，则溶解度愈小。15.0121rrrr%30121rrrr%30~%15121rrrr原子或离子尺寸的影响Hume-Rothery经验规则这是形成连续固溶体的必要条件，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，而不是充分必要条件。NiO-MgO都具有面心立方结构，且Δr15%，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体或不形成固溶体。16离子类型和键性离子类型和键性化学键性质相近，即取代前后离子周围离子间键性相近，容易形成固溶体。17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等价置换。在硅酸盐晶体中，常发生复合离子的等价置换，如Na++Si4+=Ca2++Al3+，使钙长石Ca[Al2Si2O6]和钠长石Na[AlSi3O8]能形成连续固溶体。又如，Ca2+=2Na+，Ba2+=2K+常出现在沸石矿物中。18注意事项以上几个影响因素，并不是同时起作用，在某些条件下，有的因素会起主要因素，有的会不起主要作用。r(Si4+)=0.26埃，r(Al3+)=0.39埃，相差达45%以上，电价又不同，但Si—O、Al—O键性接近，键长亦接近，仍能形成固溶体，在铝硅酸盐中，常见Al3+置换Si4+形成置换固溶体的现象。19B、填隙型固溶体——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。原子半径：H:0.046nmB:0.097nmC:0.077nmN: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杂质质点大小即添加的原子愈小，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离子尺寸、离子价、电负性，结构等因素。21晶体（基质）结构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，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，易形成固溶体。22'322iFCaCaFFFYYF电价因素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，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。例如YF3加入到CaF2中：23当F-进入间隙时，产生负电荷，由Y3+进入Ca2+位置来保持位置关系和电价的平衡。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，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。晶体中间隙是有限的，容纳杂质质点的能力≤10%。24Examples晶格结构的空隙越大，越有利于形成固溶体。形成填隙型固溶体的次序？片沸石、CaF2、TiO2、MgO为什么高温下碳易于填入铁晶格的空隙？25C、无序在热力学处于平衡状态的固溶体中，溶质原子的分布宏观上是均匀的。C、无序固溶体——各组元原子的分布是随机的。26D、有序D、有序固溶体——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，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27E、无限F、有限铁—铬、铁—铜、铁—镍F、有限固溶体——固溶度小于100%。E、无限固溶体（又称连续固溶体）——是由两个（或多个）晶体结构相同的组元形成的，任一组元的成分范围均为0～100%。铜—锌、铜—锡28Example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1.稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生2.活化晶格3.固溶强化4.形成固溶体后对材料物理性质的影响30PZT陶瓷稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生PZT陶瓷两者结构相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能在常温生成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.1~0.3。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、介电常数都达到最大值，烧结性能也很好。PbTiO3是一种铁电体，纯PbTiO3烧结性能极差，居里点为490ºC，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下发生开裂。PbZrO3是一种反铁电体，居里点为230ºC。31ZrO2四方单斜C1200ZrO2一种高温耐火材料，熔点2680ºC，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的。若加入CaO，则和ZrO2形成固溶体，无晶型转变，体积效应减少，使ZrO2成为一种很好的高温结构材料。32活化晶格Al2O3熔点高（2050ºC），不利于烧结，若加入TiO2，可使烧结温度下降到1600℃，这是因为Al2O3与TiO2形成固溶体，Ti4+置换Al3+后，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。AlTi活化晶格形成固溶体后，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。33固溶强化溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高。固溶强化34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，而塑性则较低。352.1.1.3Aggregate2.1.1.3Aggregate石英和云母纯金属和合金聚集体——由无数的原子或晶粒聚集而成的固体。362.1.1.4Composite2.1.1.4Composite复合体由两种或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，各相之间存在着明显的界面。37Example骨骼——天然的纳米复合材料38Characteristic特点保持各相的固有特性；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。392.1.2Thestructureofmaterials2.1.2TheChemicalStructureofMaterials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402.1.2.1Importance单质金属2.1.2.1金属材料的化学组成金属合金铁、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、金属间化合物以及聚集体形式存在412.1.2.1Importance金属元素化合物2.1.2.2无机非金属材料的化学组成非金属元素化合物经一定工艺过程制得422.1.2.1ImportanceC、H、O为主2.1.2.2高分子材料的化学组成S、P、Cl、F、Si等具体见表2－4432.2材料的结构2.2.1材料中的化学键合2.2.2晶体结构基础JJCatalog2.1J2.2.3材料的结构442.1.2.2Bonds2.1.2.2材料中的化学键合MetallicbondIonicbondCovalentbondHydrogenbondVanderWaalsbond45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。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。46Characteristic&properties高导电率和高导热率不透明性金属表面的高反射性延展性金属键的特点金属的特性电子的离域性键的球对称性质47(2)Ionicbond（2）Ionicbond离子键的特点饱和性和无定向性离子化合物的特性配位数高、堆积致密本质上可以归结于静电引力48Example离子键CsCl结构示意图49Formation离子键的形成50Formation51Coulombgravitation&distancebetweenions库仑引力与离子间距离的关系52Coulombgravitation&distancebetweenions53共价键的特点方向性和饱和性共价键晶体的特性很高的熔点和硬度良好的光学特性不良的导电性54Example55Example金刚石中的共价键56Example甲烷的电子层结构57(4)Hydrogenbond（4）Hydrogenbond两个条件分子中必须含氢另一个元素必须是显著的非金属元素有方向性58Example水分子之间的氢键59(5)VanderWaalsbond（5）VanderWaalsbond电中性的分子之间的长程作用力，绝大多数的有机化合物，其分子的原子之间由共价键连结，而分子间靠范德华键联系。JohannesDiderikVanderWaals1837–1923TheNobelPrizeinPhysics1910“forhisworkontheequationofstateforgasesandliquids”60Example范德华键范德华键分子链受力滑动聚氯乙烯分子间的范德华键61(5)Physicalbonds&chemicalbonds（6）Comparison物理键化学键离子键共价键金属键范德华键氢键62Comparison表2-1