材料导论第十章-材料科学与工程的四个基本要素

第十章材料科学与工程的四个基本要素合成与加工性质/使用性能结构（化学）（工程）（物理学）组成材料的使用依赖于材料的性能，而其性能都是由其化学组成和结构决定的。只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的关系，才能有效地选择制备和使用材料。总论2.1材料的组成•材料由原子和分子组合而成。•材料的化学组成：组成材料最基本、独立的物质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和数量。•材料的相组成：材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分称为相。组成材料的相的种类和数量称为相组成。可分为单相材料、多相材料。自然界中的元素和物质•人类从天然材料的使用到人造材料的制备,材料的发展与地球中所孕含的元素和物质的存在形式密切相关。•材料所用的原料均取自于地壳。地球=地壳+地幔+地核硅铝氧化物花岗岩质层硅铁镁氧化物玄武岩质层硅镁层金属硫化物、氧化物熔融铁、镍地壳中主要元素的储量•氧(O)：50%，存在于水、岩石和各种有机体•硅(Si)：25%，存在于800余种硅酸盐矿物中•铝(Al)：8.23%，存在于岩石矿物中•铁(Fe)：5.8%，存在于300余种矿物中•钙(Ca)：5.2%，以碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐等形式存在。•此外，钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钛(Ti)•上述九种元素约占地壳总重量的99%以上90%名次名称含量％主要存在形式占地壳总重％1O49～50H2O、岩石、有机体90.03992Si25～26SiO2、800种矿物1/33Al7.45～8.23岩石（长石、云母）4Fe4.2～5.8300种矿物5Ca3.25～5.2CaCO3、CaSO4、CaSiO49.56Na2.47K2.358Mg2.359Ti2.24其余100多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％。地壳中主要元素的储量地壳中主要元素的储量在118种元素中，惰性元素7种非金属元素17种金属元素94种•Cu、Zn、Pb的含量分别为0.0006％、0.0009％、0.000001％，但这些元素有很强的富集能力，经富集可达到百分之几、百分之几十。•已知矿物约有2000－3000种，最常见的有100多种。•金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自矿物。地壳中的矿物组成：单质矿物：90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、Ag、Au、Pt、Bi、Sb、C、S硫化物类矿物：200多种，占地壳总重的75％。其中FexSn和H2S占75％。氧化物类矿物：有200多种，占地壳总重的17％。Fe、Cr、Mn、Al、Ti、Sn、Nb、Ta、U、Re等元素的重要矿物。卤化物类矿物：氢氟酸、盐酸、溴氢酸、氢碘酸所形成的盐，阳离子主要是K+、Na+、Ca2+、Mg２+等。含氧盐类矿物：占已知矿物的2/3。硅酸盐、硫酸盐、磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等。金属单质、合金。如Fe、Al、Cu、Ti、Zn、Mg、Ni无机非金属金属元素和非金属元素组成的化合物，通常为氧化物、氮化物、碳化物等。陶瓷Al2O3、TiO2、ZnO、SiO2、SiC、Si3N4BN水泥SiO2－CaO－Al2O3－Fe2O3玻璃SiO2－CaO－Na2O有机高分子C（为主）结合H、O（高分子化合物）还结合N、S、P、Cl、F、Si等聚合度300－2500，分子量2－16万材料的化学组成•金属：单相材料•普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔多相材料。•水泥：C2S、C3S、C3A、C4AF多相材料。•玻璃：单相材料•高分子：单相材料•复合材料：多相材料材料的相组成•材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷、官能团结构等内涵。•材料的结构决定材料的性能。材料结构的描述：1.宏观组织结构:1000,000nm2.微观显微结构:10～1000nm3.纳米结构:100nm4.键合结构:原子/离子间的化学键5.原子结构:原子的电子结构2.2材料的结构•原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的物质层次;•键合结构:描述原子/离子间的化学键性质•纳米结构:纳米尺度上的结构•显微组织（显微结构,Microstructure）指多晶材料的微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹杂、有序化等。•宏观组织（Macrostructure）如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理（纤维状）等。不同层次的结构原子结构•金刚石•C-C共价键结合的金刚石硬度大、熔点高，其在切割刀具上的薄膜涂层使其具有较好的抗磨损性能。•～10-10m（1Å）原子排列：长程有序•锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3（PZT）•当晶体结构中离子配位多面体以四面体和菱面体的方式排列时，材料表现出压电性能。•PZT陶瓷广泛地应用于点火装置、超声波发生器及振动控制。•10-10～10-9m(1～10Å)原子排列：短程有序•硅玻璃(SiO2)中Si+4和O-2形成四面体，四面体之间的连接是无序的，故而称为短程有序，即无定形结构。•无定形的硅玻璃构成了光学通信工业的基础。•10-10～10-9m(1～10Å)纳米结构•纳米氧化铁(5～10nm)颗粒分散在液体中，制备铁磁流体和液态磁体，用于扩音器的传热冷却。•10-9～10-7m(1～100nm)。显微结构•大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响很大，晶粒和晶界是晶态材料显微结构特征的一部分。•通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度。材料很多重要的性质也受到显微结构显著的影响。•10-8～10-6m(10～1000nm)。显微结构•大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响很大，晶粒和晶界是晶态材料显微结构特征的一部分。•通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度。材料很多重要的性质也受到显微结构显著的影响。•10-8～10-6m(10～1000nm)。宏观结构•涂层：汽车车身上的油漆等，不仅仅为了美观，还提高了抗腐蚀性能。•～10-3m(1000,000nm).2.2.1原子结构•原子的结构影响到原子之间的键合，并进一步影响到材料的力学性能和物理性质。Atoms=nucleus(protonsandneutrons)+electrons•电荷:电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷，1.6×10-19库仑.•中子是电中性的，是由2个下夸克+1个上夸克组成•质量:质子和中子具有相同的质量,1.67×10-27kg.•电子的质量较小,在计算原子的质量时往往可忽略9.11×10-31kg•原子质量(A)=质子质量+中子质量•质子=atomicnumber(Z)，由2个上夸克+1个下夸克组成电负性•电负性：表示不同元素的原子在分子中吸引电子的能力。电负性与原子的亲合能和第一电离能之和成正比,X=0.18(I+Y)•I-第一电离能，原子失去一个电子而成为１价正离子所需能量。•Y-亲合能，一个中性原子获得一个电子成为负离子所放出的能量。•Cl原子核外带有7个价电子，具有强烈的获得电子的倾向；而带有1个价电子的Na则容易失去其价电子。电负性与元素周期表•电负性小的原子结合形成金属键；•电负性大的原子结合形成共价键；•电负性相差大的原子结合形成离子键；•电负性相差小的原子结合形成共价键和离子键的混合键。电负性与键性的关系2.2.2材料中的化学键•金属键－金属离子与自由电子相互吸引所形成的结合力特征：1.电子属于所有原子，可在晶格之间自由活动2.无方向性和饱和性3.强度高(稍低于共价键或离子键，25-200kcal/mol)4.在低电负性的原子之间形成离子键－正负离子之间的引力所形成的键力特征：1.电子在原子间转移，生成离子2.无方向性，有饱和性、配位数高、紧密堆积3.强度高(150-370kcal/mol)4.在不同电负性的原子之间形成离子键共价键－两个或多个原子相互吸引、共用若干电子所形成的键力。特征：1.邻近两个原子共享一对电子2.有方向性和饱和性、配位数低、堆积密度低3.强度高(略低于离子键，125-300kcal/mol)4.在两个电负性大的离子之间形成由于极化所产生的分子之间的静电作用力，较弱，作用能在几十kJ/mol以下。范德华键－分子之间的作用力特征：1.由于极化，分子之间产生微量静电荷2.无方向性，但受分子大小的影响3.弱键(是强键的1/100;10kcal/mol)4.氢键是范德华键的一种氢原子在分子中与一个原子A结合时，还与另一个原子B结合的附加键。如H2O，键角109.5，接近于六边形结构。氢键——范德华键的一种混合键•大部分材料中，原子之间的化学键并不是单一的一种化学键，而是两种或两种以上化学键的混合键，其键性取决于元素的电负性。•由金属元素和非金属元素组成的陶瓷材料和半导体材料往往是离子键和共价键的混合键，其电负性差值越大，离子键成分越强。•SiO2,XSi=1.8,XO=3.5,共价键成分=48.6%；Al2O3,共价键成分=37%，CuO，共价键成分=53%。•共价键成分越多，化学键的方向性越强，离子的堆积密度越低。金属键离子键共价键范德华键所有原子共享电子电子迁移，形成离子两个相邻原子共享一对电子极化产生微量静电荷，使分子之间产生作用力无方向性无方向性有方向性无方向性，但受分子大小的影响强度高(25-200kcal/mol)强度高(150-370kcal/mol)强度高(125-300kcal/mol)弱键(强键的1/100;10kcal/mol)电负性小的原子之间形成电负性差大的原子之间形成电负性大的原子之间形成氢键是范德华键的一种材料中的化学键金属：金属键无机非金属：离子键/共价键高分子：共价键、范德华键、氢键半导体：共价键、离子键/共价键原子间距结合能的最低点即平衡点，其深度反映了将两个原子完全拉开所需要的能量。势阱越深，熔点越高。由于排斥力随距离的变化比引力随距离的变化大，因而结合能曲线是不对称的，这就是材料加热时膨胀的微观原因。当材料接受能量后，原子的热振动引起原子在平衡位置周围的振荡，结合能曲线的不对称使得原子之间的平均距离随着温度的升高而增加。势阱越窄，热膨胀系数越低。结合能原子间距:当两个原子之间的吸引力和排斥力相等时的原子间平衡距离。吸引力和原子之间距离的平方成反比；当两个原子靠近，排斥力随距离的减小以6-9的指数次方迅速增大。平衡点的斜率反映了应力-应变曲线的斜率，即弹性模量。•材料的热膨胀系数（CTE）定义为=(1/L)(dL/dT),即材料在给定方向上的尺度L随温度T的升高而增加，其反映了材料尺寸随温度的变化。该宏观性质也与材料原子间的键强有关。材料原子间结合能与热膨胀系数之间的关系•材料中原子间结合能和原子间距的曲线形状反映了化学键的强度，进而反映了材料热膨胀系数的大小。曲线越陡峭，最小值越低，其线性热膨胀系数越小。四种化学键材料的结合能•结合能大的材料，具有高强度、高熔点。•通常，离子键材料具有较大的结合能，而金属材料则具有较低的结合能。•材料的弹性模量（杨氏模量）•与原子间作用力——原子间距离的曲线密切相关。曲线斜率越陡，键强越高，材料的结合能和熔点越高，表明化学键伸展所需要的力越大，即弹性模量越大（dF/da越陡）。原子间作用力和弹性模量之间的关系•材料中原子和离子的排列显著影响材料的性质。2.2.3材料的显微结构材料中原子的排列方式A:单原子气体无序Examples:ArgongasB:无定型材料短程有序、长程无序Examples:AmorphousSi,Glasses,PlasticsC:液晶短程有序局部长程有序Example:LCDpolymersD:晶体材料短程有序、长程有序单晶Examples:Si,GaAs多晶Examples:Metals,AlloysandMostCeramicsE：等离子体态Examples:闪电、流星、火焰•无序排列：高温和低压下的单原子气体原子的无序排列和短程有序排列(SRO):•短程有序：水蒸气、无定形硅以及二氧化硅玻璃•大部分的固体材料，其原子/离子排列是按照规则的在三维空间呈周期性的重复排列的。长程有序(LRO):•大部分的