材料的组成、结构、性能ppt课件.ppt
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1、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
2、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
3、(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)
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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: 0.07
11、1nmB、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
12、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
13、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
14、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
15、%。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
16、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
17、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(2
18、050C),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
19、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.
20、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 Chem
21、ical 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
22、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 Covalen
23、t 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
24、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 & dist
25、ance 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
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