材料科学基础固体中的相结构

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1、1第二章第二章 固体中的相结构固体中的相结构l本章要点l1相的结构类型、形成规律及性能特点。l2固溶体、化合物的分类、特点及性能。l3陶瓷相的结构类型和性能特点。l4分子相的结构类型和性能特点。2第二章第二章 固体中的相结构固体中的相结构 4h为何工业上很少使用纯金属,而多使用合金?3合金与相合金与相 1 合金（1）合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属 经一定方法合成的具有金属特性的物质。（2）组元：组成合金最基本的独立的物质。（如一元 、二元、三元合金，可以是元素，也可以是化合物。（3）合金系：给定元素以不同的比例而合成的一系列 不同成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。第二章4合

2、金与相合金与相 2 相（1）相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分 。（如单相、两相、多相合金。）第二章2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.5合金与相合金与相 2 相（2）相的分类固溶体：固态下一种组员（熔质）熔解在另一种组员（熔 剂）中而形成新相。特点是：固熔体具有熔剂的点阵类型。 晶格与固熔体相同的组元称为熔剂，其他组元叫熔质。中间相（金属化合物）：组成原子有固定比例，其结构与 组成组元均不相同的

3、相。第二章6第一节第一节 固溶体固溶体 按溶质原子位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。第二章第 一 节 固 溶 体7第一节第一节 固溶体固溶体 按固溶度不同，可分为 有限固溶体和无限固溶 体。按溶质原子分布不同， 可分为无序固溶体和 有序固溶体。 第二章第 一 节 固 溶 体2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.8第一节第一节 固溶体固溶体 1 置换固溶体1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。

4、2）影响置换固溶体溶解度的因素a 原子尺寸因素原子尺寸差越小,越易形成置换固溶体,且溶解度越大。r=(rA-rB)/rA当r0.59 （3）组成：可用化学式表示，可形成固溶体，复杂间隙化 合物的金属元素可被置换。 （4）键型：共价键和金属键。第二章第 二 节金属 间 化合 物16第二节第二节 金属间化合物金属间化合物 4 拓扑密堆相（1）形成：由大小金属原子的适当配合而形成的高密排 结构。其空间利用率和配位数都很高，结构复杂。（2）组成：如AB2。5 金属化合物的特性（1）力学性能：高硬度、高强度、低塑性。（2）物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于 半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等

5、。(超导变压器）第二章2h第 二 节金属 间 化合 物17第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 第二章第 三 节 陶 瓷18第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 1 陶瓷材料简介（1）分类按用途可分为：结构陶瓷（利用其力学性能）：强度（叶片、活塞）、 韧性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。功能陶瓷（利用其物理性能）精细功能陶瓷：导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等。功能转换陶瓷：压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等。 第二章第 三 节 陶 瓷19第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 1 陶瓷材料简介按结构可分为：氧化物陶瓷硅酸盐陶瓷（2）特点结合键：以离子键为主，可含有一定比例的共价键。成 分：确定，可用

6、分子式表示。性 质：具有典型的非金属性质。第二章第 三 节 陶 瓷20第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 2 氧化物结构陶瓷氧化物陶瓷是典型的离子化合物。有AB，AB2，A2B3，ABO3，AB2O4等结构。 （1）AB型结构 NaCl型结构，如氯化钠晶体，其化学式为NaCl，晶体结构为立方 晶系。氯化钠是一种立方面心格子。其中阴离子按立方最紧密方式堆 积，阳离子填充于全部的八面体空隙中，阴、阳离子的配位数都为6 。 闪锌矿型结构，如立方ZnS， 为立方晶系,ZnS是面心立方格子， 阴离子位于立方面心格子的节点位置， 而阳离子交错分布于立方体内的1/8 小立方体的中心。阳离子的配位数是 4，阴

7、离子的配位数也是4。第二章第 三 节 陶 瓷21第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 2 氧化物结构陶瓷 （2）AB2型结构 萤石结构，CaF2,结构属于立方晶系，阳离子位于立方面心的节点位 置上，阴离子则位于立方体内8个小立方体的中心。阳离子的配位数位8 ，而阴离子的的配位数为4。 金红石结构，金红石结构为正方晶系。 阳离子位于正方原始格子的节点位置， 体中心的阳离子不属于这个正方原始格 子，而自成另一套正方原始格子，因为 这两个阳离子的周围环境是不相同的， 所以，不能成为一个正方体心格子，氧 离子在晶胞中处于一些特定的位置上。第二章第 三 节 陶 瓷22第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 2

8、 氧化物结构陶瓷（3）A2B3型结构 刚玉型结构，刚玉晶体结构属于三方晶系。阴离子按六方紧密堆积排 列，而阳离子填充于2/3的八面体空隙，因此阳离子的分布必须有一定 的规律，其原则就是在同一层和层与层之间，阳离子之间的距离应保持 最远，这是符合于鲍林规则的。（4）ABO3型结构 钙钛矿型结构，是一种复合氧化物结构，在高温时属于立方晶系，在 降温时，通过某一特定的温度后将产生结构的畸变使立方晶格的对称性 下降。第二章第 三 节 陶 瓷23第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 3 硅酸盐结构陶瓷（1）硅酸盐陶瓷的结构特点 a 基本结构单元：SiO4。 b 结合键与结构：主要是离子键结合，含一定比例的

9、共价键。硅位于氧四面体的间隙。 c 每个氧最多被两个多面体共有。氧在两个四面体之间充当桥梁作用，称为氧桥。第二章第 三 节 陶 瓷Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E24第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 3 硅酸盐结构陶瓷（2）硅酸盐陶瓷的结构分类 a 含有限Si-O团的硅酸盐，包括含孤立Si-O团和含成对或环状Si-O团两类。 又称岛状硅酸盐。 b 链状硅酸盐：Si-O团共顶连接成一维结构，又含单链和双 链两类。第二章第 三 节 陶 瓷Smith W F. Foundatio

10、ns of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E25第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 3 硅酸盐结构陶瓷（2）硅酸盐陶瓷的结构分类 c 层状硅酸盐：Si-O团底面共顶连接成二维结构。第二章第 三 节 陶 瓷Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E26第三节第三节 陶瓷晶体相陶瓷晶体相 3 硅酸盐结构陶瓷（2）硅酸盐陶瓷的结构分类d 骨架状硅酸盐：Si-O团共 顶连接成三维结构。第二章第 三 节 陶 瓷Smith W F

11、. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E27第四节第四节 玻璃相玻璃相 1 结构：长程无序、短程有序（1）连续无轨网络模型。（2）无规密堆模型。（3）无轨则线团模型。 2 性能（1）各向同性。（2）无固定熔点。（3）高强度、高耐蚀性、 高导磁率（金属）。 3 形成条件黏度和冷却速度。第二章第 四 节 玻璃相4h28第五节第五节 高分子相高分子相 1 基本概念（1）高分子化合物：由一种或多种化合物聚合而成的相 对分子质量很大的化合物。又称聚合物或高聚物。（2）分类按相对分子质量：分为低分子聚合物（500

12、0）。按组成物质：分为有机聚合物和无机聚合物。第二章第 五 节 分子相29第四节第四节 分子相分子相 2 化学组成 （以乙烯聚合成聚乙烯为例） （1）单体：组成高分子化合物的低分子化合物。 （2）链节：组成大分子的结构单元。 （3）聚合度n：大分子链中链节的重复次数。第二章第 五 节 分子相30第五节第五节 分子相分子相 3 高分子化合物的合成 （1）加聚反应 a 概念：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反 应。（其产物为聚合物） b 组成：与单体相同。反应过程中没有副产物。 c 分类均加聚反应：由一种单体参与的加聚反应。生成均聚物。共加聚反应：由两种或两种以上单体参与的加聚反应，生成共

13、聚物。第二章第 五 节 分子相31第五节第五节 分子相分子相 3 高分子化合物的合成（2）缩聚反应 a 概念：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时 析出某种低分子化合物的反应。 b 分类均缩聚反应：由一种单体参加的缩聚反应.生成均缩聚物。共缩聚反应：由两种或两种以上单体参加的缩聚反应。生 成共缩聚物。第二章第 四 节 分子相32第五节第五节 分子相分子相 4 高分子化合物的分类 （1）按性能与用途：塑料、橡胶、纤维、胶黏剂、涂料等。 （2）按生成反应类型：加聚物、缩聚物。 （3）按物质的热行为：热塑性塑料和热固性塑料。第二章第 五 节 分子相33第四节第四节 分子相分子相 5 高分子化

14、合物的结构 （1）高分子链结构（链内结构，分子内结构） a 化学组成 b 单体的连接方式均聚物中单体的连接方式：头尾连接、头头或尾尾相连、无轨连接。共聚物中单体的连接方式：无轨共聚：ABBABBABA交替共聚：ABABABAB嵌段共聚：AAAABBAAAABB接枝共聚：AAAAAAAAAAAB BB BB B第二章第 五 节 分子相34第五节第五节 分子相分子相 c 高分子链的构型（按取代基的位置与排列规律）全同立构：取代基R全部处于主链一侧。间同立构：取代基R相间分布在主链两侧。无轨立构：取代基R在主链两侧不规则分布。第二章第 五 节 分子相35第五节第五节 分子相分子相 d 高分子链的几何

15、形状：线型、支化型、体型。第二章第 五 节 分子相36( (2) 高分子链的构象及柔顺性l这种由单键内旋转引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子 链的各种形象称为高分子链的构象。 l高分子链的空间形象变化频繁、构象多，就像一团任意卷在一起 的钢丝一样，对外力有很大的适应性，受力时可表现出很大的伸 缩能力。高分子这种能由构象变化获得不同卷曲程度的特性称为 高分子链的柔顺性。 键长和键角不变的情况下它们可以任 意旋转，这就是单键的内旋转 .有侧链支链或形成网状结构对内旋转 有什么影响？3738l（3）高分子的聚集态结构（链间结构、分子间结构）l无定形结构、部分结晶结构、结晶型结构 缨状微束模型 隧道-折叠链模型 折叠链模型无规线团模型 无规折叠链模型 折叠链缨状胶束模型 曲棍状模型39第五节第五节 分子相分子相 6 高分子材料的结构与性能特点 （1）易呈非晶态。 （2）弹性模量和强度低。 （3）容易老化。 （4）密度小。 （5）化学稳定性好。第二章第 五 节 分子相40