第二章 材料科学与工程的四个基本要素,,2,总论 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3,本章主要内容 一． 材料的组成 二． 材料的结构 三． 材料的合成与加工 四． 材料的性质与使用性能,4,2.1 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5,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自然界中的元素和物质,6,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%,7,地壳中主要元素的储量,其余90多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％8,地壳中主要元素的储量,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 在103种元素中，惰性元素6 种 非金属元素16 种 金属元素81 种,9,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10,材料的化学组成,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、Si3N4、BN 水泥 SiO2－CaO－Al2O3－Fe2O3 玻璃 SiO2－CaO－Na2O 有机高分子 C（为主）结合H、O 还结合N、S、P、Cl、F、Si等 聚合度300－2500，分子量2－16万,11,材料的相组成,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,12,2.2 材料的结构,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: 1000,000 nm 2. 微观显微结构: 10 ～1000 nm 3. 纳米结构: 100nm 4. 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,13,不同层次的结构,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14,金的(111)晶面结构（原子力显微镜）,材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响15,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 ～10-10 m （1Å）,金刚石涂层刀具,16,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 ～ 10-9 m (1～10Å),17,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),18,纳米结构,纳米氧化铁(～5-10 nm) 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 ～ 10-7 m (1～100 nm)19,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 ～10-6 m (10～1000 nm)不锈钢材料的 显微结构（晶 粒和晶界）,20,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 ～10-6 m (1000,000 nm).,无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀，并且使其更加美观21,2.2.1 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 (protons and neutrons) + 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 质量: 质子和中子具有相同的质量, 1.67 × 10-27 kg. 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= atomic number (Z),22,波尔原子模型,23,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24,电负性与元素周期表,25,电负性与键性的关系,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26,2.2.2 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,27,金属键特征,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，25-200 kcal/mol) 4. 在低电负性的原子之间形成,28,离子键－正负离子之间的引力所形成的键力,29,离子键特征,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(150-370 kcal/mol) 4. 在不同电负性的原子之间形成离子键,30,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31,共价键特征,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，125-300 kcal/mol) 4. 在两个电负性大的离子之间形成,32,范德华键－分子之间的作用力,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。
33,氢键─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34,范德华键特征,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; 10 kcal/mol) 4. 氢键是范德华键的一种,35,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, X0=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36,37,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,,38,不同化学键材料的结合能和熔点温度,39,原子间距,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40,结合能,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41,四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42,2.2.3 材料的显微结构,为什么化学组成相同 （C）的石墨与金刚石 有完全不同的性质？ 材料中原子和离子的 排列显著影响材料的性质非晶,多晶,单晶,43,材料中原子的排列方式,44,原子的无序排列和短程有序排列:,无序排列：高温和低压下的单原子气体 短程有序：水蒸气、无定形硅以及二氧化硅玻璃,,45,长程有序:,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。
大部分的金属、合金、半导体、无机非金属材料以及部分高分子材料其内部质点的排列是长程有序的，即具有晶体结构46,47,单晶材料,由一个晶体组成，大量应用于电子和光学领域例如，计算机集成电路板中应用单晶硅48,多晶材料,多晶材料由许多在空间不同取向的小晶体构成，小晶体之间的边界区域原子/离子排列不规则，称之为晶界 工程上实际应用的大量晶体材料均为多晶材料，如钢材、铝合金等49,多晶材料的微观结构,50,液晶,液晶是一种内部质点具有特殊有序排列的高分子材料 液晶高分子材料通常具有无定形结构，然而，在电场或温度变化等外部刺激下其分子在局部范围内排列有序，成为晶体，故称之为液晶51,2.2.4 晶体结构,晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体52,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,单位晶胞：能够充分反映整个晶体结构特征的最小 构造单位53,同质多晶,54,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 无机非金属材料主要是Si、O组成的四面体以不同形式的连接，形成岛状、组群状、链状、层状、架状等结构 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。
55,2.2.5 晶体结。