材料概论ppt全套教学课件.ppt

《材料概论ppt全套教学课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料概论ppt全套教学课件.ppt（567页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、材材 料料 概概 论论1.1 材料的地位、作用与发展材料是人类文明的里程碑材料是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础材料是一个国家经济实力、科学技术进步程度、人民生活水准的度量第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学材料与人类文明石器时代：旧石器时代和新石器时代玉器时代青铜器时代铁器时代 四次技术革命高分子时代复合材料时代第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学1.2材料的定义和分类什么叫材料？一定的组成和配比 成型加工性 形状保持性 经济性 回收和再生性第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学材料分类按组成、结构特点分类:图11按时期分类 传统

2、材料、新型材料按使用方法分类 结构材料、功能材料按用途分类 航天航空材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包装材料、电工电器材料、机械材料、农用材料、日用品及办公用品材料等等第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学1.3材料的要素 已经发现的材料达800余万种，每年还以25万种的速度增长着，具有实际工业价值的也有8万余种表14 各种材料的主要物性性 能 金属 塑料 无机材料 钢铁铝聚丙烯玻纤增强尼龙6陶瓷玻璃熔点，C 1,535660175215 2,050密度 g/cm3 7.82.70.91.4 4.02.6拉伸强度，MPa 4608028035150 12090比拉伸

3、强度(拉伸强度/密度)593010439107 3035拉伸模量，GPa 210701.310 39070热变形温度，C 60120 膨胀系数，105，1/K1.32.481023 0.850.9传热系数，W/m2K 0.402.00.00110.0024 0.0170.0083韧性注 体积电阻率，cm 10-5310-6101651011 71041012燃烧性 不燃不燃燃烧难燃 不燃不燃注：“”优；“”良；“”差。第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学四个要素：性质和现象、使用性能、结构与成分、合成和加工第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学性质 材料功能特性和效用（如电、磁、光、

4、热、力学等性质）的定量度量和描述材料对外界刺激（如电场、磁场、温度场、力场等）的整体响应是合成或加工后材料结构和成分所产生的结果第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学使用性能包括可靠性、有效寿命、速度、能量利用率、安全性和寿命期费用等材料在最终使用状态时的行为材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素取决于材料的基本性能，也应注意加工工艺技术的影响第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学结构与成分每个特定的材料都含有一个以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系大多数材料结构尺度上的化学成分和分布是立体变化的结构上几乎无限的变化同样会引起与此相应的一系列复杂的材料性质第一

5、章第一章 材料与材料科学材料与材料科学合成和加工 是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程 合成 指原子和分子组合在一起制造新材料的物理和化学方法，包括合成新材料、用新技术合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、将已知材料按特殊用途的要求来合成 加工 除了上述三个方面外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程问题。合成和加工的区别已变得模糊第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学两个关键仪器设备 表15分析和建模技术 处理微观尺度的最基本模型 处理中间尺度（微米级或更大尺度）上的连续模型

6、 宏观尺度上材料总体性质作为制造过程和使用过程的定量模型第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学1.4 材料科学与工程的发展趋势 第一代材料：石器时代的木片、石器、骨器等天然材料 第二代材料：陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料 第三代材料：高分子材料，从石油、煤等矿物资源中来 第四代材料：复合材料。第一到第三代材料都是各向同性的，而复合材料以各向异性为特征 第五代材料：材料的特征随环境和时间而变化的复合材料第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学材料的发展趋势复合化、功能化、智能化、低维化建立定量的结构与性能关系分子设计先进制造技术：低成本、高质量、高效率节省资源、节约能源、回收再生材材

7、 料料 概概 论论各种材料各种材料(金属、高分子和无机非金属金属、高分子和无机非金属)不论其形状大小如何不论其形状大小如何,其其宏观性能都是由其化学组成和组织结构决定的宏观性能都是由其化学组成和组织结构决定的。材料的性能与化学组成、工艺、结构的关系如下：材料的性能与化学组成、工艺、结构的关系如下：第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 2.1材料的组成材料的组成2.2材料的结构材料的结构2.3材料的性能材料的性能只有从不同的微观层次只有从不同的微观层次上正确地了解材料的组上正确地了解材料的组成和组织结构特征与性成和组织结构特征与性能间的关系，才能有目能间的关系，才能有目的、

8、有选择地制备和使的、有选择地制备和使用选用材料。用选用材料。化学组成化学组成工艺过程工艺过程本征性能本征性能显微结构显微结构材料性能材料性能2.1材料的组成材料的组成材料通常都是由原子材料通常都是由原子or分子结合而成的，也可以分子结合而成的，也可以说是由各种物质组成的，而物质是由说是由各种物质组成的，而物质是由1种元素组成种元素组成的。按原子的。按原子or分子的结合与结构分布状态的不同，分子的结合与结构分布状态的不同，可分成可分成3类：类：第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 组元、相和组织组元、相和组织固溶体固溶体聚集体聚集体复合体复合体2.1.2材料的化学组成材料的

9、化学组成2.1.1材料组元的结合形式材料组元的结合形式固溶体、聚集体和复合体固溶体、聚集体和复合体第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 材料的组元材料的组元:金属材料金属材料多为多为纯元素，如普通碳钢纯元素，如普通碳钢Fe&C；陶瓷材料陶瓷材料多为多为化合物，如化合物，如Y2O3ZrO2Y2O3&ZrO2组成材料最基本、独立的组成材料最基本、独立的物质，或称组分。物质，或称组分。可以是可以是纯元素纯元素or稳定化合物。稳定化合物。相相:具有具有同一化学成分同一化学成分并且并且结构相同结构相同的均匀部分。的均匀部分。1 m图图2-1.50%ZrO2/Al2O3复合材料的复合

10、材料的SEM照片照片*相与相之间有相与相之间有明显的分界面明显的分界面，可用机械的方法将其，可用机械的方法将其分离开。分离开。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 ZrO2Al2O3*各各晶粒间有界面隔晶粒间有界面隔开，但它们是由成分、开，但它们是由成分、结构均相同的同种晶结构均相同的同种晶粒构成的材料，仍属粒构成的材料，仍属于同一相。于同一相。*在相界面上，性质的改变是突变的。在相界面上，性质的改变是突变的。*1个相必须在物理和化学性质上都是完全均匀的，个相必须在物理和化学性质上都是完全均匀的，但不一定只含有但不一定只含有1种物质。种物质。例如：例如：纯金属是单相材料纯

11、金属是单相材料，钢，钢(非纯金属非纯金属)在室温下由铁素体在室温下由铁素体(含碳的含碳的Fe)和渗碳体和渗碳体(Fe3C为化合物为化合物)组成；组成；普通陶瓷普通陶瓷：由晶相：由晶相(1种种/几种几种)与非晶相与非晶相(玻璃相玻璃相)组成。组成。*由成分、结构都不同的几种晶粒构成的材料，由成分、结构都不同的几种晶粒构成的材料，则它们属于几种不同的相。则它们属于几种不同的相。材料的组织材料的组织第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 材料内部的材料内部的微观形貌微观形貌。实际上是指由各。实际上是指由各个晶粒个晶粒or各种相所形成的图案。各种相所形成的图案。在不同条件下，在不同

12、条件下，相的相的晶粒大小、形态及分布晶粒大小、形态及分布会有会有所不同，从而材料内部会呈现不同的显微组织。所不同，从而材料内部会呈现不同的显微组织。*组织是材料性能的决定性因素。组织是材料性能的决定性因素。*只含只含1种相的组织称为：种相的组织称为：单一或单相组织；单一或单相组织；*由多种相构成的组织称为：由多种相构成的组织称为：复合或多相组织。复合或多相组织。组织与相是两个有着密切联系的不同概念。组织与相是两个有着密切联系的不同概念。铸铁组织铸铁组织a)普通铸铁普通铸铁;b)可锻铸铁可锻铸铁;c)球墨铸铁球墨铸铁acb球状石墨球状石墨团絮状团絮状石墨石墨片状片状/蠕虫蠕虫状石墨状石墨铁素体铁

13、素体(C溶于溶于Fe)/铁素体铁素体+珠光体珠光体椭球形椭球形TiO2颗粒颗粒(轴比轴比1.3、尺寸、尺寸nm量级量级)构成的光子晶体构成的光子晶体（引自（引自JiangP.,BertoneJ.F.,andColvinV.L.,Science2001,291:453）第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 不同温度下水热电沉积制备的不同温度下水热电沉积制备的HA(磷酸钙盐类化合物磷酸钙盐类化合物)/TiO2复复合涂层的环境扫描电镜照片合涂层的环境扫描电镜照片可看出：团粒状的可看出：团粒状的TiO2微粒较均匀地分散在微粒较均匀地分散在HA或或CDHA涂层中，随涂层中，随T，H

14、A晶体由长针状晶体由长针状(a)逐渐生长为长棒状逐渐生长为长棒状(e)，晶体端面和长度呈增大趋势，从，晶体端面和长度呈增大趋势，从高倍率图高倍率图(f)，可看出晶体端面呈六边形。但晶体生长很不均匀，长短大小相，可看出晶体端面呈六边形。但晶体生长很不均匀，长短大小相差较大，当差较大，当200时，长度约时，长度约1550 m，直径约，直径约0.56 m。(a)100(c)160(b)140(d)180(e)200(f)200,(e)的放大的放大20 m20 m20 m20 m20 m5 m2.宏观组织宏观组织是用肉眼可以观察到的粗大组织，是用肉眼可以观察到的粗大组织，有时是指用放大倍数有时是指用放

15、大倍数20100的放大镜可观察到的放大镜可观察到组织。又可分为：组织。又可分为：单一和复合组织。单一和复合组织。这些组织还可这些组织还可细分细分见表见表2-1第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 *材料组织可分为：材料组织可分为：1.微观组织微观组织(结构结构)也称微细组织、显微组织，也称微细组织、显微组织，由原子的种类及其排列状态决定的。又可分为：由原子的种类及其排列状态决定的。又可分为：晶体结构与非晶态晶体结构与非晶态(无定形无定形)结构。结构。组织组织(结构结构)类类型型主要构成物主要构成物实实例例微微观观组组织织晶体晶体聚集聚集 金属、无机物、有机物金属、无机物、

16、有机物金属、微晶玻璃、结晶高分子等金属、微晶玻璃、结晶高分子等非晶非晶 聚集聚集 无机物、有机物无机物、有机物玻璃、玻璃态塑料、橡胶等玻璃、玻璃态塑料、橡胶等宏宏观观组组织织单单一一组组织织致密致密金属、无机物、有机物金属、无机物、有机物型钢、棒钢、钢板、石材、塑料型钢、棒钢、钢板、石材、塑料板、塑料棒等板、塑料棒等纤维纤维金属、无机物、有机物金属、无机物、有机物（链状高分子）（链状高分子）金属、玻璃、石棉、羊毛、棉花、金属、玻璃、石棉、羊毛、棉花、丝绢、尼龙、维尼纶等单纤维丝绢、尼龙、维尼纶等单纤维复复合合组组织织聚聚集集组组织织纤维纤维聚集聚集无机、有机纤维的聚集无机、有机纤维的聚集体（体

17、（+空气）空气）毛毡、垫料、织布等毛毡、垫料、织布等多孔多孔 无机物、有机物无机物、有机物+空气空气泡沫混凝土、加气混凝土、泡沫泡沫混凝土、加气混凝土、泡沫塑料、木材等塑料、木材等复合复合聚集聚集无机物、有机物复合聚无机物、有机物复合聚集体集体灰砂浆、混凝土、纤维增强混凝灰砂浆、混凝土、纤维增强混凝土、木纤维水泥板、石棉水泥板、土、木纤维水泥板、石棉水泥板、玻璃钢、涂料、金属陶瓷玻璃钢、涂料、金属陶瓷迭合组织迭合组织 两种以上材料的迭合两种以上材料的迭合胶合板、石膏板、蜂窝板、钢筋胶合板、石膏板、蜂窝板、钢筋混凝土等混凝土等表表2-1材料组织的分类材料组织的分类(p19)相同条件下，材料性能随

18、其组织的不同而变，如：相同条件下，材料性能随其组织的不同而变，如：第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 *通过控制和改变钢的组织，可以使硬度通过控制和改变钢的组织，可以使硬度很低很低or很高；很高；*胶合板胶合板是单片板用是单片板用胶合剂粘合成使纤胶合剂粘合成使纤维方向互相垂直相维方向互相垂直相交，以改善木材各交，以改善木材各向异性的缺点；向异性的缺点；热轧时钢的组织变化热轧时钢的组织变化1、轧件、轧件2、轧前晶粒；、轧前晶粒；3、上辊、上辊4、下辊、下辊5、变成细长晶粒；、变成细长晶粒；6、细晶粒出现；、细晶粒出现；7、新晶粒长大；、新晶粒长大；8、形成新晶粒。、形成新

19、晶粒。*泡沫塑料泡沫塑料是在组织内引入气孔以减轻质是在组织内引入气孔以减轻质量，增大弯曲刚性，同时降低其导热率；量，增大弯曲刚性，同时降低其导热率；*钢筋混凝土和增强塑料钢筋混凝土和增强塑料，是以钢筋，是以钢筋or纤纤维作为增强材料，以获得单一材料所不维作为增强材料，以获得单一材料所不具备的优良性质。具备的优良性质。溶体：溶体：2种的原子种的原子or分子溶合在一起时的状态。分子溶合在一起时的状态。一般是原子一般是原子or分子的均匀混合物，不是化合物。分子的均匀混合物，不是化合物。溶液：液态溶体。溶液：液态溶体。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 固溶体固溶体固溶体：固溶

20、体：固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的晶格中所形成的单相固体单相固体。保持溶剂组元的晶格。保持溶剂组元的晶格类型。如：类型。如：C溶入溶入Fe形成以形成以Fe为基的固溶体，为基的固溶体，其晶格没变仍为体心立方结构。其晶格没变仍为体心立方结构。合金与陶瓷中有不少是属于固溶体。合金与陶瓷中有不少是属于固溶体。固溶体的分类：固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同可分成按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同可分成:第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 置换型固溶体置换型固溶体(或称取或称取代型代型)：溶剂溶剂A晶格中的原晶格中的原

21、子被溶质子被溶质B的原子取代所的原子取代所形成的固溶体。原子形成的固溶体。原子A同同B的大小要大致相同。的大小要大致相同。填隙型固溶体填隙型固溶体(也称间隙型也称间隙型)：在溶剂在溶剂A的晶格间隙的晶格间隙内有溶质内有溶质B的原子填入的原子填入(溶入溶入)所形成的固溶体。所形成的固溶体。B原原子必须是充分小的，如子必须是充分小的，如C和和N等是典型的溶质原子。等是典型的溶质原子。对同对同1种晶体，可同时存在这种晶体，可同时存在这2种形式的种形式的固溶体固溶体，如普碳钢中，如普碳钢中，Mn在在-Fe中是取中是取代固溶，代固溶，C是填隙固溶。是填隙固溶。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组

22、成、结构与性能 与纯金属相比，合金固溶体的物理、化与纯金属相比，合金固溶体的物理、化学性能均发生了不同程度的变化：学性能均发生了不同程度的变化：*溶入溶质原子，将使固溶体的强度和硬溶入溶质原子，将使固溶体的强度和硬度度，称为，称为固溶强化固溶强化；*要求高导磁率、高塑性和高抗蚀性的合要求高导磁率、高塑性和高抗蚀性的合金，其金相组织多数由金，其金相组织多数由1种固溶体组成；种固溶体组成；第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 *要求强韧兼备的结构材料要求强韧兼备的结构材料：常采用以：常采用以固溶体固溶体为为基，而基，而细小质点的第细小质点的第2相呈弥散分布相呈弥散分布的材料。

23、的材料。*不少固溶元素可明显地改变基体的理化性不少固溶元素可明显地改变基体的理化性能。能。如如Si溶入溶入-Fe中可中可 导磁率、导磁率、比电阻，含比电阻，含2 4%Si的硅钢片的硅钢片是是1种应用广泛的软磁材料。种应用广泛的软磁材料。聚集体聚集体第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 有有的的晶晶粒粒间间呈呈连连续续变变化化牢牢固固地地结结合合在在一一起起(如如金属金属or固溶体等固溶体等)；一般金属一般金属or无机材料，不论是由无机材料，不论是由“单元素单元素”、“固溶体固溶体”or由由“两种元素的结晶相两种元素的结晶相”构成构成的抑或是的抑或是“结晶相结晶相&玻璃相的

24、共存状态玻璃相的共存状态”，都，都是由是由无数的原子无数的原子or晶粒聚集而成晶粒聚集而成的固体，这类的固体，这类状态的材料称为聚集体。其中状态的材料称为聚集体。其中：有有的的晶晶粒粒间间结结合合较较微微弱弱(如如铸铸铁铁、花花岗岗岩岩等等)，受外力作用时，在晶粒的界面会发生破坏。受外力作用时，在晶粒的界面会发生破坏。*石棉石棉&云母云母：链状链状&层状结构层状结构的晶体，因相互间的晶体，因相互间结合力较弱，可将其分散成细纤维结合力较弱，可将其分散成细纤维&薄片。薄片。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 *链状高分子材料：链状高分子材料：通过链的卷入、某些交联作通过链的

25、卷入、某些交联作用及部分析晶等可使键能有一定程度的增加。用及部分析晶等可使键能有一定程度的增加。*纯金属：纯金属：一般可看成是一般可看成是微细晶体微细晶体的聚集体；的聚集体；*合金：合金：可看作是可看作是母相母相金属原子的金属原子的晶体晶体与加入的与加入的合金晶体合金晶体等聚合而成的聚集体。晶粒间的结合等聚合而成的聚集体。晶粒间的结合力晶粒内部的结合力。力晶粒内部的结合力。复合体复合体(复合材料复合材料)：第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 由由2种种不不同同材材料料通通过过一一定定的的方方式式复复合合而而构构成成的的新新型型材材料料，各各相相之之间间存存在在着着明明显

26、显的的界界面面。各各相相不不但但保保持持各各自自的的固固有有特特性性而而且且可可最最大大限限度度发发挥挥各各种种材材料料相相的的特特性性，并并赋赋予予单单一一材材料料所所不不具具备备的的优优良良特特殊殊性性能能。其结构通常：其结构通常：一相为一相为连续相连续相，称为，称为基体材料基体材料；另一相是另一相是不连续的不连续的，以独立的形态分布在整个，以独立的形态分布在整个连续相中，称为连续相中，称为分散相分散相。与连续相相比，这种与连续相相比，这种分散相的性分散相的性能优越能优越，会使材料的性能显著增，会使材料的性能显著增强，故常称为强，故常称为增强材料增强材料。第二章第二章 材料的组成、结构与性

27、能材料的组成、结构与性能 增强材料的种类有：增强材料的种类有：颗粒增强、颗粒增强、晶须和纤维增强、层板复合等，晶须和纤维增强、层板复合等，如先如先进复合材料是以碳纤维、芳纶、陶瓷进复合材料是以碳纤维、芳纶、陶瓷纤维、晶须等高性能增强材料与耐高纤维、晶须等高性能增强材料与耐高温树脂、金属、陶瓷和碳温树脂、金属、陶瓷和碳(石墨石墨)等构等构成的复合材料，用于各种高技术领域成的复合材料，用于各种高技术领域量少而性能要求高的场合。量少而性能要求高的场合。三种最普通的复合材料三种最普通的复合材料中相的排列中相的排列第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 聚合物聚合物/层状硅酸盐层状硅

28、酸盐(PLS)纳米复合材料结构示意图纳米复合材料结构示意图（a）插层型）插层型（b）剥离型）剥离型（a）（b）*胶合板胶合板将纤维方向相互垂直迭合在一起的；将纤维方向相互垂直迭合在一起的；*蜂蜂窝窝结结构构材材料料用用蜂蜂窝窝状状的的物物质质作作为为夹夹心心材材料料，用用强强度度大大的的平平板板作作表表面面材材料料制制成成的的轻轻质质抗抗弯弯刚刚性性大大的材料。的材料。较粗大的骨料用结合材料结合而成的称为较粗大的骨料用结合材料结合而成的称为复合组合复合组合体体，如如混凝土、纤维板混凝土、纤维板(将植物质纤维用树脂结合制成的将植物质纤维用树脂结合制成的)等。等。第二章第二章 材料的组成、结构与性

29、能材料的组成、结构与性能 叠叠层层材材料料：一一般般指指将将成成型型好好的的材材料料按按一一定定方方向向迭合成层状胶合在一起做成的材料，如：迭合成层状胶合在一起做成的材料，如：思考题思考题普通的混凝土中有几种相？请分别写出各种普通的混凝土中有几种相？请分别写出各种相的名称。若在其中加入钢筋，则钢筋起到相的名称。若在其中加入钢筋，则钢筋起到什么作用？此时又有什么作用？此时又有几种相？几种相？金属材料的化学组成金属材料的化学组成:包括纯金属和以金属为包括纯金属和以金属为基所构成的合金。特点是具有其他材料无法基所构成的合金。特点是具有其他材料无法取代的取代的强度、塑性、韧性、导热性、导电性强度、塑性

30、、韧性、导热性、导电性以及良好的可加工性以及良好的可加工性等。为获得需要的性能，等。为获得需要的性能，须控制材料的成分与组织。须控制材料的成分与组织。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2.1.2材料的化学组成材料的化学组成 第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 单质金属单质金属存在于自然界的存在于自然界的94种元素中，种元素中，72种是金属元种是金属元素。大多数是以过渡金属为中心的纯金属状态素。大多数是以过渡金属为中心的纯金属状态使用。工业上习惯分为：使用。工业上习惯分为：第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成

31、、结构与性能 黑色金属黑色金属：铁、铬、锰：铁、铬、锰3种；种；有色金属：其余的所有金属。又可分为：有色金属：其余的所有金属。又可分为：重金属、轻金属、贵金属和稀有金属重金属、轻金属、贵金属和稀有金属等等4类。类。金属合金金属合金:由由2种种金属元素或金属与非金属元素金属元素或金属与非金属元素构成的具有金属性质的物质。如构成的具有金属性质的物质。如黄铜黄铜Cu+Zn的的合金，合金，硬铝硬铝Al+Cu+Mg等组成的合金。等组成的合金。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 合合金金元元素素：为为形形成成合合金金所所加加入入的的元元素素。由由2或或3种种元元素素构构成成的的分分

32、别别叫叫做做二二元元或或三三元元合合金金。一一些些主主要合金的化学组成见要合金的化学组成见p22表表2-2。合合金金一一般般都都是是多多晶晶体体，有有时时可可形形成成固固溶溶体体、共共熔熔晶、金属间化合物，以及它们的聚集体。晶、金属间化合物，以及它们的聚集体。非晶态合金非晶态合金具有许多优异性能，如强韧性、抗侵具有许多优异性能，如强韧性、抗侵蚀、导磁率高、超导性等。蚀、导磁率高、超导性等。化化学学组组分分几几乎乎涉涉及及所所有有元元素素，原原料料处处理理和和制制备备工工艺艺的的日日新新月月异异，使使新新产产品品层层出出不不穷穷。一一些些代代表表性性的无机非金属材料的组成及分类见的无机非金属材料

33、的组成及分类见p23表表2-3。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 无机非金属材料的组成无机非金属材料的组成陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料和搪瓷等。陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料和搪瓷等。由金属和非金属元素的化合物配料由金属和非金属元素的化合物配料经一定工艺过程经一定工艺过程制得的。如制得的。如:SiO2、Ai2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等等氧化物氧化物；Ca(OH)2、Mg(OH)2、KOH、Al(OH)3、NaOH等等氢氧化物氢氧化物、SiC、B4C、TiC等等碳碳化物化物、Si3N4、BN、AlN等等氮化物氮化物。高分子材料的化学组成高分子材

34、料的化学组成 有有机机化化合合物物(简简称称碳碳氢氢化化合合物物)：以以C元元素素为为主主，多多数数是是同同氢氢(H)、氧氧(O)中中的的任任1种种or2种种结结合合而而成成的的，也也有有同同氮氮(N)、硫硫(S)、磷磷(P)、氯氯(Cl)、氟氟(F)、硅硅(Si)等结合构成。等结合构成。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 高高分分子子材材料料：以以高高分分子子化化合合物物(亦亦称称聚聚合合物物或或树树脂脂)为主要组分的材料。为主要组分的材料。高高分分子子化化合合物物：指指分分子子质质量量特特别别大大的的有有机机化化合合物物，相相对对分分子子质质量量是是一一个个平平均均

35、值值，通通常常 104；低低分分子子化化合合物物的的分分子子质质量量是是均均一一的的，一一般般 500；主主链链中中不含不含离子键和金属键离子键和金属键。合成高分子化合物合成高分子化合物：由：由1种种or几种简单的低分几种简单的低分子化合物聚合而成，如由氯乙烯聚合得到聚子化合物聚合而成，如由氯乙烯聚合得到聚氯乙烯，其化学反应式可写成：氯乙烯，其化学反应式可写成：nCH2=CHClCH2-CHCln。根据不同的来源根据不同的来源,可分为：可分为：天天然然高高分分子子材材料料：木木材材、皮皮革革、油油脂脂、天天然然橡胶等橡胶等合合成成高高分分子子材材料料：各各种种塑塑料料、合合成成橡橡胶胶、合合成

36、纤维等。成纤维等。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 单体单体：可聚合成高分子化合物的低分子化合物。：可聚合成高分子化合物的低分子化合物。重复单元重复单元：组成高分子化合物的相同结构单元。：组成高分子化合物的相同结构单元。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 每每个个重重复复单单元元又又称称作作大大分分子子链链的的1个个链链节节，1个个高高分分子子化化合合物物中中重重复复单单元元的的数数目目n叫叫做做链链节节数数，在在大多数场合下链节数可称为大多数场合下链节数可称为聚合度聚合度，记为，记为DP。如：聚氯乙烯单体是氯乙烯，链节是如如：聚氯乙烯单体是氯

37、乙烯，链节是如-CH2-CHCl-，聚合度为，聚合度为300 2500，相对分子质量为，相对分子质量为2 16万。万。按应用功能，高分子材料可分为：按应用功能，高分子材料可分为：第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 *通用高分子通用高分子：塑料、合成纤维和合成橡胶等；：塑料、合成纤维和合成橡胶等；*特殊高分子特殊高分子：耐热、高强度聚碳酸酯、聚砜等；：耐热、高强度聚碳酸酯、聚砜等；*功功能能高高分分子子：指指具具有有光光、电电、磁磁等等物物理理功功能能的的高分子材料高分子材料*仿生高分子材料仿生高分子材料：高分子引发剂、模拟酶等。：高分子引发剂、模拟酶等。常见的高分子化合

38、物见常见的高分子化合物见p24表表2-4。指材料的组成单元指材料的组成单元(原子或分子原子或分子)之间相互之间相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间排布，吸引和排斥作用达到平衡时的空间排布，可分成不同的层次。可分成不同的层次。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2.2.3材料的结构材料的结构2.2材料的结构材料的结构第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 微观结构：微观结构：比显微组织结构更细的一层结构，比显微组织结构更细的一层结构，包括原子、分子结构及原子和分子的排列结构。包括原子、分子结构及原子和分子的排列结构。宏观组织结构：宏观组织

39、结构：用肉眼用肉眼or放大镜能观察到的放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态。晶粒、相的集合状态。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 显微组织结构：显微组织结构：或称亚微观结构。借助光学或称亚微观结构。借助光学or电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，尺寸约为料内部的微区结构，尺寸约为10 7 10 4m。不同温度热处理后的铁氧体空心微球的不同温度热处理后的铁氧体空心微球的SEM照片照片SEMphotographsofferriteshollowmicrospheresaftercalcinedatdiffer

40、enttemperature基本组成为基本组成为SiO2,Al2O3,CaO,MgO,K2O,Fe2O3,的瓷釉，将的瓷釉，将MgO并入并入CaO，并忽略，并忽略KNaO和和Fe2O3，可粗，可粗略地认为属于略地认为属于SiO2Al2O3CaO三三元系统。样品横截面的元系统。样品横截面的SEM照片照片ABC（a）松散体，在瓷釉与坯体界）松散体，在瓷釉与坯体界面处有致密的钙长石晶体界面处有致密的钙长石晶体界面层和釉内部延伸的钙长石：面层和釉内部延伸的钙长石：(A)坯体坯体(B)界面层界面层(C)釉釉66 m1 m（b）在钙长石晶体之间富在钙长石晶体之间富SiO2相的不连续分相相的不连续分相（d）

41、（）（c）中）中连续的液连续的液液液分相结构的放大分相结构的放大100nm（c）在钙长石）在钙长石(CaAl2Si2O8)之间连续的液之间连续的液液分相液分相1 m（e）在钙长石晶体之间在钙长石晶体之间富富 CaO(MgO,Fe2O3)相的不连续分相相的不连续分相（f）（）（e）中）中不连续的液不连续的液液液分相结构的放大分相结构的放大100nm1 m1 m（g）多级分相结构的）多级分相结构的SEM照片照片不连续的富不连续的富 CaO(MgO,Fe2O3)相相半连续的半连续的蠕虫结构蠕虫结构连续结构连续结构钙长石钙长石晶体晶体氢键氢键范德华键范德华键多种键型化合物多种键型化合物金属键金属键 离

42、子键离子键共价键共价键2.2.1.材料中的化学键合材料中的化学键合各类材料，当键合方式不同时，便具有不同的各类材料，当键合方式不同时，便具有不同的结构和特性。结构和特性。金属材料、无机非金属材料、金属材料、无机非金属材料、高分子材料的差异本质上是由不同的元素、以高分子材料的差异本质上是由不同的元素、以不同的键合方式造成的。不同的键合方式造成的。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 金属键：金属键：金属原子形成金属晶体时，每个原子都提金属原子形成金属晶体时，每个原子都提供少数价供少数价e，共用于整个晶体，这种自由，共用于整个晶体，这种自由e构成金属构成金属键，把各个原子吸引

43、在一起，成为金属晶体。键，把各个原子吸引在一起，成为金属晶体。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 具具有有键键作作用用的的e并并不不固固定定在在一一定定的的原原子子上上，而而是是可可以以在在金金属属格格子子间间自自由由活活动动。格格子子由由离离子子化化了了的的金金属原子构成，属原子构成，e起到将它们结合成键的作用。起到将它们结合成键的作用。金金属属键键具具有有无无方方向向性性的的球球对对称称性性质质。金金属属的的高高电电导导率率和和高高热热导导率率都都是是其其自自由由e运运动动的的结结果果。此此外外，自自由由e能能够够吸吸收收所所有有波波长长的的能能量量以以及及这这一一

44、吸吸收收能能量量的的辐辐射射，解解释释了了金金属属对对光光的的非非透透明明性性和和金金属属表表面面的高反射性。的高反射性。离子键：离子键：由阳、阴离子相互间的吸引力由阳、阴离子相互间的吸引力(库仑库仑引力引力)所形成的一种键合。此引力同邻接的所所形成的一种键合。此引力同邻接的所有其他原子都相互发生作用构成一个整体。有其他原子都相互发生作用构成一个整体。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 化化学学键键中中最最简简单单的的类类型型，在在本本质质上上，它它完完全全可归结于静电引力。可归结于静电引力。常常发发生生在在正正电电性性元元素素(周周期期表表左左侧侧的的金金属属)和和负

45、负电电性性元元素素(周周期期表表右右侧侧的的非非金金属属)之之间间。NaCl和和MgO是典型的离子键化合物。是典型的离子键化合物。图图2-1NaCl晶体中的离子排列晶体中的离子排列虚线勾画出这晶体结构的基本重虚线勾画出这晶体结构的基本重复单元，即单位晶胞。每个阳离复单元，即单位晶胞。每个阳离子子(Na+)与与6个阴离子个阴离子(Cl)配位配位一般来说，形成离子键一般来说，形成离子键的静电力来源于离子的的静电力来源于离子的过剩电荷，晶体中离子过剩电荷，晶体中离子的电子云密度分布应是的电子云密度分布应是对称的，通常不应产生对称的，通常不应产生变形。变形。离子键具有离子键具有饱饱和性和无定向性和性和

46、无定向性的特点，的特点，也是离子化合物具有配也是离子化合物具有配位数位数(Z)高、堆积致密的高、堆积致密的一个重要的原因。一个重要的原因。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 *离子键化合物中，总是离子键化合物中，总是V-V+，在考虑离子堆积在考虑离子堆积时，要先考虑负离子时，要先考虑负离子R 的堆积。一般的堆积。一般R 按立方堆按立方堆积、立方密堆积和六方密堆积等方式进行，而正离积、立方密堆积和六方密堆积等方式进行，而正离子子R 则占据则占据R 堆积所形成的立方体、正八面体和堆积所形成的立方体、正八面体和正四面

47、体间隙的中心。正四面体间隙的中心。*虽然离子间作用力主要来源于过剩电荷，但在一定虽然离子间作用力主要来源于过剩电荷，但在一定条件下也会通过电场互相作用产生极化，离子极化条件下也会通过电场互相作用产生极化，离子极化经常造成键力加强、键长缩短和配位反常；严重的经常造成键力加强、键长缩短和配位反常；严重的极化还能使离子键向共价键过渡。极化还能使离子键向共价键过渡。离子键化合物构成整个固体无机化合物很大一部分。离子键化合物构成整个固体无机化合物很大一部分。较重要的有：较重要的有：(A为正离子，为正离子，B为负离子为负离子)AB型型：碱金属的卤化物以及碱土金属的氧化物、硫：碱金属的卤化物以及碱土金属的氧

48、化物、硫化物、硒化物、碲化物等。化物、硒化物、碲化物等。AB2型型：主要是氟化物和氧化物，其代表性的结构：主要是氟化物和氧化物，其代表性的结构：萤石萤石(CaF2)型、金红石型、金红石(TiO2)型和碘化镉型和碘化镉(CdI2)型。型。AB3型型：主要有：主要有BiF3型、型、ScF3型和型和UCl3型。型。A2B3型型：刚玉：刚玉(-Al2O3)型是其代表性结构型式，金型是其代表性结构型式，金属氧化物大多为离子化合物。属氧化物大多为离子化合物。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 多元化合物中，有相当一部分属于离子键化合物，同时多元化合物中，有相当一部分属于离子键化合物

49、，同时也含有共价键甚至范德华键和氢键，较复杂。如：铵盐也含有共价键甚至范德华键和氢键，较复杂。如：铵盐的卤化物，多以的卤化物，多以NaCl型、型、CsCl型结构存在。方解石结构型结构存在。方解石结构可看成走了样的可看成走了样的NaCl型结构。型结构。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 ABO3型：型：主要有主要有FeTiO3型和型和CaTiO3型。其中型。其中FeTiO3型的结构可归为型的结构可归为Al2O3型结构型结构,都是离子都是离子结构。结构。ABO4型型:CaSO4和和BaSO4型结构型结构,CePO4,ZrSiO4,AlPO4,BPO4型结构型结构,CaWO4

50、,FeWO4型结构型结构,络络合负离子与金属之间都是典型的离子结构。合负离子与金属之间都是典型的离子结构。A2BO4型型:尖晶石尖晶石(Al2MgO4)型最有代表性型最有代表性,A与与B的大小不相上下的大小不相上下,甚至甚至A-O与与B-O的结合也都的结合也都是离子键。是离子键。共价键：共价键：由由2个原子共有最外壳层电子的键合。个原子共有最外壳层电子的键合。其强度随着参与键合的其强度随着参与键合的e数增多而增强。数增多而增强。第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 最最简简单单是是单单价价共共价价键键，出出现现在在H2中中。另另一一些些元元素素组组成成的的分分子子(如如N