无机材料化学汇编

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1、2. 材料的组成、结构、 性能和制备,材料通常是由原子或分子结合而成的，也可以说是由物质组成的，而物质是由一种或一种以上的元素组成的。按原子或分子的结合及其在空间排列的不同，材料的组成可分成固溶体、聚集体和复合体三大类。,2.1 材料的组成,组元、相和组织 a组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元（或称组分）。 可以是纯单质或化合物。 b材料中具有相同的化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。 一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀的。 c材料内部的微观形貌称为材料的组织。它实际上是指由各个晶粒 或各种相所形成的图案。 在不同条件下，材料的组织又可以分为微观组织 (结构) 和宏观组织。,

2、2.1.1 材料组元的结合形式,钢： 铁素体（含c的-Fe）+渗碳体（Fe3C） 普通陶瓷： 晶相 + 玻璃相 + 气孔 多相材料 复合材料：多相材料 纯金属、高分子、玻璃： 单相材料,2.1.1 材料组元的结合形式,人类从天然材料的使用到人造材料的制备，材料的发展与地球孕含的元素和存在形式密切相关。所用原料均取自于地壳。 碳钢： Fe、C ; Y2O3-ZrO2陶瓷： Y2O3 、 ZrO2,2.1.1 材料组元的结合形式,2.1.1 材料组元的结合形式,2.1.1 材料组元的结合形式,组织： 材料内部的微观形貌，指由各个晶粒或各种相所形成的图案，与材料所含相的种类、数量、大小、形态和分布方

3、式相关，是材料性能的决定性因素。 材料的组织分为微观组织与宏观组织，微观组织也叫做微细组织、显微组织， 是由原子的种类及其 排列状态决定的，又 分为晶态结构与非晶 态（无定形）结构。,不锈钢材料的显微结构（晶粒和晶界）,2.1.1 材料组元的结合形式,影响组织的因素 组织取决于化学成分和工艺过程。 (1) 化学成分 不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后的室温组织不一样。 图(a)为纯铁的组织，叫铁素体。 图(c)是碳质量分数为0.77 %的铁碳合金的组织, 叫珠光体。,(a) 0.01%C (b) 0.45%C (c) 0.77%C (d) 1.2%C,铁碳合金的室温平衡组织,2.1.1 材料

4、组元的结合形式,(2)工艺 金属材料的化学成分一定时, 工艺过程是组织最重要的影响因素。 纯铁经冷拔后, 等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。,片状珠光体 球状珠光体,碳质量分数为0.77 %的铁碳合金, 室温平衡组织为 片状珠光体, 球化退火后组织为球状珠光体。,表2-1 材料组织的分类,两种以上的原子或分子溶合在一起时的状态统称为溶体。 溶体一般是原子或分子的均匀混合物，不是化合物。液态溶体称为溶液；固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的主晶格中所形成的单相固体称固溶体。按溶质在溶剂中的位置不同，固溶体可分为： 置换型（取代型）固溶体：溶剂A晶格中的原子被溶质B的原子所取代形成的固溶体

5、（A与B的原子大小大致相同）； 填充型（间隙型）固溶体：溶剂A晶格间隙内由B的原子填入所形成的固溶体（B原子要比A原子小）。,固溶体,由无数原子或晶粒聚集而成的固体称为聚集体。一般的 材料都是宏观上的聚集体。其中有的是晶粒间呈连续变化牢 固地结合在一起（如合金或固溶体）；有的是晶粒间的结合 较微弱（如花岗石等）,聚集体,复合体（复合材料）是指由两种及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。各相之间存在明显 的界面。复合材料中各相不但保持各自的固有特性，而且可 最大限度发挥各种材料相的特性，并赋予单一材料所不具备 的优良特殊性能。 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体材料

6、， 而另一个相是不连续相的，以独立的形态分布在连续相中， 也称为分散相。与连续相相比，分散相的性能优越，会使材 料的性能得到明显的增强，故常称为增强材料。,复合体,例：纤维板、导电橡胶、钢筋混凝土,金属材料的化学组成 金属材料是以纯金属和以金属为基所构成的合金。 A单质金属：如有色金属、黑色金属、稀有金属等； B金属合金：由两种或两种以上的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叫金属合金。,2.1.2 材料的化学组成,无机非金属材料包括陶瓷、耐火材料、黏土制品、搪瓷、玻璃和水泥等。 在许多西方国家，陶瓷实际上是各种无机非金属材料的通称。同金属材料、高分子材料并称为现代工程材料的三

7、大柱。 从化学角度看，无机非金属材料都是由金属元素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制得的。通常由金属氧化物、非金属氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物等以不同的方式组合而成的。化学组分几乎涉及到元素周期表中的所有元素。,无机非金属材料的化学组成,金属元素和非金属元素组成的化合物，通常包括： 氧化物（Al、Ca、Mg、Na、K、Fe、Si .的氧化物）、 碳化物（SiC、B4C3）和氮化物（Si3N4、BN、AlN） 陶瓷：Al2O3、TiO2、 ZnO、SiO2、SiC、Si3N4、BN 水泥： SiO2 CaO- Al2O3- Fe2O3； 玻璃： SiO2 CaO- Na2O, 高分子

8、材料的化学组成,高分子材料是以高分子化合物（亦称高聚物、聚合物、树 脂）为主要组分的材料。 高分子化合物主要是指相对分子量特别大的有机物，分子 量一般在104以上；另一个特点是其链中不含离子键和金属键。 高分子材料按来源分为天然高分子材料（天然纤维、橡胶 、皮革等） 、合成高分子材料（聚乙烯、聚氯乙烯等）。 高分子化合物一般由一种或几种简单的低分子化合物 （单体和链节）聚合而成。一个高分子化合物中重复单元的 数目n 叫做链节数，又称为聚合度。 高分子材料按功能分为通用高分子、特殊高分子、功能高 分子和仿生高分子材料（高分子引发剂、模拟酶等）。,2.2.1 材料的结构及其层次 材料的内部因素一般

9、包括物质的组成和结构。 所谓结构是指材料系统内各组分之间的相互联系和相 互作用方式。 材料的结构从形式上讲，包括晶体结构、非晶体结构、 孔结构及它们不同形式且错综复杂的组合和复合；从尺寸 上讲，可分为微观结构、亚微观结构、显微结构和宏观结 构四个层次。,2.2 材料的结构,表2-2 材料结构层次的划分及所用观察设备,仪器分析按信息形式分为图象分析法和非图象分析法。按工作原理前者主要是显微术，后者主要是衍射法和成分谱分析。显微术和衍射法基于物理方法，其工作原理是以电磁波（可见光、电子、离子和X-射线等）轰击样品激发产生特征物理信息，这些信息包括电磁波的透射信息、反射信息和吸收信息。将这些信息收集

10、并加以分析从而确定物相组成和结构特征。,2.2.2 材料的研究方法,2.2.2 材料的研究方法,材料中的化学键有金属键、离子键、共价键（配位 键）、氢键和范德华力。实际上有的材料并不是由单一的 化学键组成，可同时兼有几种键。 金属材料：金属键； 无机非金属材料：离子键、共价键和金属键等； 高分子材料：共价键、氢键和范德华力。,2.2.3 材料中的化学键合,2.2.3 材料中的化学键合,金属键： 金属离子与自由电子相互吸引形成的化学键。 特征： 电子属于所有原子，可在晶格内自由运动； 无饱和性和方向性； 强度较高 (略低于共价键和离子键 1001000 kJ/mol); 在低电负性的原子间形成。

11、 金属的导电率和导热率高； 金属对光的非透明性和表面高反射性。,2.2.3 材料中的化学键合,离子键 带正电的阳离子和带负电的阴离子之间借助静电相互作用（吸引和排斥）形成的化学键，本质为静电力。 特征：无方向性、无饱和性、配位数高、堆积致密；强度高（晶格能，600-1600 kJ/mol）； 在电负性相差较大的原子间形成。 一般认为离子晶体是通过由负离子按一定方式（立方、六方等）堆积、正离子占据负离子堆积形成的间隙（立方体、正八面体、正四面体）形成的。 离子极化键长变短、键强增大、配位反常共价键,2.2.3 材料中的化学键合,离子型化合物： AB型：碱金属M+X-、碱土金属M2+O2-、M2+

12、S2-等； AB2型：氟化物、氧化物，萤石（CaF2）型、金红石（TiO2）型、碘化镉（CdI2）型； 在部分离子型化合物中，还含有其它化学键或范德华力等弱相互作用，结构复杂。,2.2.3 材料中的化学键合,共价键： 两个或多个原子相互吸引、共用若干电子 所形成的化学键。键级越大，键能越高。 特征： 相邻两原子共用电子； 有方向性和饱和性、配位数低、堆积密度低； 强度高（略低于离子键，500-1200 kJ/mol）； 在两个电负性较大的原子（稀有气体外的其他非金属元素）间形成。 共价键晶体熔点和硬度高、导电性差。,2.2.3 材料中的化学键合,氢键： 氢原子在分子中与一个电负性大的原子键合时

13、，还能形成与另一个电负性大的原子的附加键。 特征：仅F、O、N原子可参与形成氢键； 有方向性和饱和性；强度较低 （略高于范德华力，40 kJ/mol）。 氢键在高分子材料、生物大分 子中十分重要。,2.2.3 材料中的化学键合,范德华力： 取向力、诱导力和色散力的总和，是分子间的偶极作用造成的引力。 特征：无方向性，受分子大小影响；分子间可能存在微量电荷；强度非常弱（40 kJ/mol）； 广泛存在于分子晶体、高分子材料中。 在多元化合物中，通常含有几种健型，如有机酸的金属盐中，存在离子键、共价键、范德华力等，而硅酸盐除了上述键型外，还可能存在氢键。 原子间电负性相差越大，键的离子型越强；共价

14、键成分越多，化学键的方向性越强，离子的堆积密度越低。,2.2.3 材料中的化学键合,A晶体的基本特征：规则的几何构型、固定的熔点、各向异性。 B七大晶系：立方（3）、四方（2）、三方（1）、 单斜（2）、三斜（1）、六方（1）、正交（4）。 C晶体结构的不完整性 a杂原子与固溶体：杂质原子与主晶体原子形成固溶体（置换和填隙） b点缺陷：弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷 c线缺陷：刃位错和螺位错 d面缺陷：晶面缺陷,2.2.4 晶体结构基础,2.2.4 晶体结构基础,布拉菲点阵的结构特征,晶体结构的基本特征： 晶体：是内部质点（原子、原子团、离子或分子）在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子

15、构造的固体。包括：单晶体，多晶体. 晶体的特征： 自范性(自限性)：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质。(面F +顶点V = 棱E + 2) 均匀性：指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征。 如：密度、化学组成,各向异性：在晶体的不同方向上具有不同的性质。 如：电导率、热膨胀系数、折光率、机械强度 对称性：指晶体的物理化学性质能够在不同方向或位置上有规律地出现, 也称周期性。 确定且明显的熔点； 最小内能和最大稳定性； 对X射线的衍射 。（后面介绍）,金刚石,方解石,同质多晶碳,Graphene,材料的晶体结构,金属材料：大多数为晶体（Hg 除外），多为立方、六方晶系。 无机非

16、金属材料：由Si、O等元素组成的四面体以不同形式（链状、层状等）连接形成的晶态、非晶态的材料，以及其他结构（金刚石型等）的晶态材料等。 高分子材料：由大量重复的结构单元连接成链状、网状、聚集体。主要为非晶体结构，次要为晶体。,空间点阵：把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架即空间点阵，简称晶格. 这里的质点可以是原子或分子、原子团、离子、多个分子等，被称为结构基元，是晶体中重复周期的具体内容。 晶体结构 = 结构基元 + 空间点阵。 点阵需满足：连接其中任意两点 可得一向量，将各点按此向量平移 能使它复原。,晶体结构与空间点阵,NaCl,石墨,NaCl,伸展聚乙烯,NaCl,金刚石,晶体结构与空间点阵,晶体中质点排列具有周期性和对称性 整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向