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1、材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 材料化学的学科前沿和理论基础是固体化学固体化学固体化学是研究固体物质的制备、组成、结构和性质的科学固体化学也是化学学科的发展向材料科学延伸并与之相结合而形成的交叉学科固体化学固体物理材料工程学现代固体科学和技术解决新材料的科学技术问题1材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 1.固体晶体和非晶体2.晶体材料的微观结构3.晶体的能带理论4.缺陷和非整比化合物5.非晶态结构的几何特征6.相图和相图化学7.固态相变8.聚合物的结构特征2材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 1.固体固体晶体和非晶体晶体和非晶体1

2、.1 固体性和流动性固体性和流动性 固体固体类型：晶体和非晶体基本属性：固体中的原子都处于完全确定的平衡位置附近,围绕平衡位置作振动特征：结构稳定,不流动,有确定的形状和体积性质：具有弹性硬度来反抗切应力3材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 组成:宏观上，连续刚体微观上，由分立的原子组成固体是一个很复杂的客体，每一立方米中包含有1029个原子和更多的电子，而且它们之间的相互作用相当强烈。固体的宏观性质（如硬度、解理性、熔点等）就是如此大量的粒子之间的相互作用和集体运动的表现。原子和电子，其相互作用集中反映在化学键上4材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 晶

3、体和非晶体的划分晶体和非晶体的划分晶体和非晶体的划分晶体和非晶体的划分按固体材料组成原子排列的不同划分（1 1）非晶体）非晶体结构特点:长程无序、短程有序状态:热力学亚稳态非晶态材料:大量具有某种程度变形的短程有序的结构单元的无序堆积。非晶体材料特征：长程无序而短程有序5材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 （2 2）晶体晶体原子的平衡位置形成一个平移的周期阵列，这种原子的位置显示出长程序（3 3）晶体和非晶体的共同特征）晶体和非晶体的共同特征具有高度短程有序，由化学键共同维持固体流体:气体和液体统称为流体。原子可以自由地作长距离的不停的平移运动，即具有流动性。6材料化学材料

4、化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 1.2 晶体的宏观性质晶体的宏观性质 规则的几何外形规则的几何外形晶体具有规则的几何外形晶体的共性:具有自发地形成封闭的几何多面体外形的能力规则的几何多面体外形表明晶体内部结构是规则的影响晶体结晶形貌的因素晶体结构本身,晶体生长时的物理及化学条件7材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 晶面角守恒晶面角守恒晶面:在适当条件下,晶体能自发地发展成为一个凸多面体的单晶体,围成这样一个多面体的面晶面角:晶面间的夹角石英晶体的不同样品,a,c晶面间夹角总是113o08, b,c晶面夹角总是120o00.8晶面角守恒定律 属于同一晶种的晶体,两

5、个对应晶面间的夹角恒定不变定律表明:同一种晶体,其内部结构的规律性 是相同的. 晶面角才是晶体外形的特征因素 材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 9材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 有固定的熔点有固定的熔点溶解时温度随时间的变化曲线A晶体；B非晶体熔化过程是晶体长程序解体的过程，破坏长程序所需的能量就是平常说的熔解热，所以晶体具有一定的熔点，表明晶体内部结构的规则性是长程序的。10材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 物理性质的各向异性物理性质的各向异性晶体是各向异性的,非晶体是各向同性的.各向异性各向异性是指同一晶体在不同的方向上具

6、有不 同的性质如:云母和方解石,它们都具有完好的解理性,受 力后都是沿着一定方向裂开. 晶体的各向异性表明晶体内部结构 的规则性在不同方向上是不一样的11材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 1.3 非晶态与晶态间的转化非晶态与晶态间的转化 给定组分的非晶态比相应的晶态有更高的能量.熔点以下取吉布斯自由能为小的状态吉布斯自由能高亚稳状态T中间步骤有突变特征,复杂过程动力学上,晶状基态往往难以达到,实际上非晶态 一旦形成就能够保持无限长的时间 如:金刚石和石墨12材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 晶态向非晶态转化的方法晶态向非晶态转化的方法机械能研磨，破碎

7、冲击波自然界中的强烈冲击作用13材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 2. 晶体材料的微观结构晶体材料的微观结构2.1 空间点阵空间点阵晶体内的原子、离子、分子在三维空间作规则排列，即相同的部分具有直线周期平移的特点。14材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 空间点阵学说空间点阵学说一个理想晶体是由全同的称作基元基元的结构单元在空间无限重复而构成。基元基元可以是原子、离子、分子，晶体中的所有基元是等同的，即它们的组成、位形和取向都是相同的。因此，晶体的内部结构可抽象为由一些相同的几何点在空间作周期性的无限分布，几何点代表基元的某个相同位置，点的总体就称作空间

8、点阵空间点阵，简称点阵点阵。15材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 点阵空间点阵是实际晶体结构的数学抽象,是一种空间几何构图.它突出了晶体结构中微粒排列的周期性的基本特点。构成晶体的物理实体微粒，与点阵结合才能成为晶体。点阵基元晶体结构16材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 （a）(b)点阵图图（a）表示含有两个原子的基元，图（b）中黑点组成点阵，黑点称作阵点每个黑点上安置上具体的基元，就得到了晶体结构17材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 点阵点阵是一种数学抽象,用来概括晶体结构的周期性。整个晶体结构可看作由代表基元的点沿空间三个不

9、同的方向，按一定的距离周期性地平移而构成。因此空间点阵是由点阵矢量R联系着诸点列阵。R=n1a1+n2a2+n3a3a1,a2,a3代表三个方向上的点阵基矢量或晶格基矢量n1,n2,n3是一组整数18材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 结论结论点阵概括了理想晶体的结构上的周期性，而这样的理想晶体实际上并不存在。只有在绝对零度下，在忽略了表面原子和体内原子的差别和忽略了体内原子在排列时具有少量的不规则性时理想晶体才是实际晶体的较好的近似。19材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 2.2 晶向、晶面和它们的标志晶向、晶面和它们的标志空间点阵的阵点可以看成分列在

10、一系列相互平行的直线系上,这些直线系称为晶列晶列.晶列红蓝两色表示两个不同的晶列 同一个点阵可以形成方向不同的晶列. 每一个晶列定义一个方向,称为晶向晶向.20材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 一个阵点沿晶向到最近的阵点的位移矢量 l1a1+l2a2+l3a3晶向可用l1,l2, l3标志，写成(l1 l2 l3)空间点阵的阵点还可以从各个方向被划分成许多组平行且等距的平面点阵。这些平面点阵所处的平面称为晶面晶面。21(100)(110)(111)晶面示意图材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 a3a1a1a1a3a3a2a2a2晶面特点晶面特点:(1)

11、晶面族一经划定,所有阵点全部包含在晶面族中(2)一族晶面平行且两两等距22材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 密勒指数密勒指数不同晶面的标志确定方法:设想选一个点为原点,并作出a1,a2,a3 的轴线.所有阵点都在晶面系上,所以必然有一晶面通过原点,其他晶面既然相互等距,将均匀切割各轴.若从原点顺序地考查一个个面切割第一轴的情况,显然必将遇到一个面切割在+a1或-a1,因为在a1存在着阵点.假设这是从原点算起的第h1个面,那么晶面系的第一个面的截距必然是的a1分数,可写成a a1 1/h/h1 1(h1为正或负整数)23材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础

12、 同样,其它两个轴的第一个面截距分别为a2/h2和a3/h3（h1,h2,h3）就是晶面系的标记,称为密勒指数密勒指数h1,h2,h3表明等距的晶面，分别把基矢a1(或-a1),a2(或-a2),a3(或-a3)分割成若干个等份。若晶面系和某一个轴平行，截距将为,密勒指数为零。24材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 立方晶格的几个晶面示意图25材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 计算表明,密勒指数小的晶面系,其晶面有较大的间距,这样的晶面也是原子比较密集的晶面(因单位体积中原子数目是一定的,晶面越稀疏,每个晶面上的原子必定更多).这是常见的晶面.有理指数

13、定律有理指数定律如果选三个面的交线为轴,并用另一个面在它们上面的截距a1,a2,a3,作为沿各轴的长度单位,则任意其他的面在轴上的截距的倒数成简单整数比.26材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 2.3 2.3 点群和空间群点群和空间群1.点群晶体的普遍特征:匀质 具有多面体外形 物理性能上的各向异性本质：结晶体具有对称性 晶体宏观对称性是晶体内部结构晶体宏观对称性是晶体内部结构 对称性的必然表现对称性的必然表现27材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 （a）圆(b)正方形(c)等腰梯形(d)不规则四边形分析:（1）图形旋转（a）（b）（c）之间不同程度的对

14、称，不能区别（c）（d）之间的差别对称性对称性28材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (2)按一条直线作左右反射概括宏观对称性的系统方法考查物体在几何变换(旋转和反射)下的不变性对称操作一个物体在某一变换下不变,这个变换即为物体的对称操作29材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 说明物体的对称性列举它的全部对称操作对称操作对称元素对称元素对称元素是对称操作所依赖的几何要素如：点、线、面晶体宏观对称性的三种最基本的对称元素转轴、镜面、反演中心转轴、镜面、反演中心组合复合对称元素复合对称元素物体的对称操作越多，表明对称性越高30材料化学材料化学 材料化学的理论

15、基础材料化学的理论基础 n度旋转轴（n或Cn）一个晶体如果绕一轴轴旋转角度后能恢复原状即晶体具有n度旋转轴晶体的对称性原理晶体的对称性原理晶体中对称轴的周次n不可以有任意多重，仅限于n=1,2,3,4,6。对应的旋转角度2/1，2/2，2/3，2/4，2/631材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 n度旋转反演轴（或Sn）晶体绕某一固定轴固定轴旋转角度后，再经过中心反演（即X-X,Y-Y,Z-Z）恢复到原状晶体具有n度旋转反演轴1，2，3，4，6i,i叫对称心，即中心反演操作32=3+i材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 mm垂直于旋转轴的对称面=3+m3

16、3材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 4+i如图,将物体旋转 角度 四面体上下翻转 (中心反演) 轴与2度转轴重合 只有 对称性的晶体可能具有也可能不具有对称心34材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 晶体的宏观对称性中有8种种基本的对称元素1，2，3，4，6，i，m，点群点群由8种基本对称元素组合成的对称操作群说明:（1）点群是在操作中至少有一点保持不动的对称操作群如旋转、中心反演、对称面（2）对称元素组合成群受到严格限制35材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 点群点群3232种种晶体的宏观对称性有32种不同类型由32个点群描述晶系熊

17、夫利符号国际符号对称元素种类对称操作数三斜C11E1Ci(S2)E,i2单斜C22E,C22C1hmE, h2C2h2/mE,C2 ,i,h436正交D2C2vD2h222mm2mmmE,C2 E,C2,v E,C2,i, h,v448四方C4S4C4hD4C4vD2dD4h44/m4224mm2m4/mmmE, C4, C2E,S4, C2E,C2,C4,i,S4, hE,C2,C4,E,C2,C4,v,dE,C2,d, S4E,C2,C4,i,S4, h,v,d44888816三角C3S6(C3i)D3C3vD3d3323mmE,C3E,C3, i,S6E, C3,C2E,C3vE,C2,

18、C3i,S6 ,v36661237材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 六角C6C3hC6hD6C6vD3hD6h66m6226mmM26/mmmE,C2,C3,C6, E,C3,S3, h, E,C2,C3, C6,i,S3 , S6, h E,C2,C3,C6, E,C2,C3,C6, v,d E,C2,C3,S3, v, h, E,C2,C3,C6i, S3,S6, v,h, d661212121224立方TThOTdOh23M34323mm3mE,C2,C3 E,C2,C3i,S6, hE,C2, C3,C4 E,C2,C3,S4, d E,C2, C3,C4i,S4

19、, S6 ,h, d122424244838材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 2.空间群晶体复原的全部旋转，与平移对称操作的组合平移对称操作n度螺旋轴绕轴每旋转2/n角度后，在沿该轴的方向平移T/n的l倍（T为沿轴方向上的周期矢量，l为小于n的整数），则晶体中的原子和相同的原子重合39材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 4度螺旋轴如图:金刚石结构的4度螺旋轴。取原胞上下底面心到该面一个棱的垂线的中点,联接这两个中点的直线就是4度螺旋轴。晶体只有1,2,3,4,6度螺旋轴40材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 滑移反映面经过该面的镜象

20、操作后,再沿平行于该面的某个方向平移Tn的距离(T是该方向上的周期矢量),则晶体中的原子和相同的原子重合41材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 空间群是晶体的全部对称性群空间群的元素是点操作和平移操作的组合共有230个晶体空间群即所有晶体结构，就其对称性而言,共有230种类型，每一类由一个空间群描述对称群对称群对称类型的对称操作组合42材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 一个元组合A,B,C,D,构成一个群的条件（1）群元的闭合性群中任意两元按规定的组合规律组合的结果必须成为群中的另一元，表示形式AB=C（2）群元要求满足结合律A(BC)=(AB)C（3

21、）存在一个恒等元EAEEA=A（4）群中任意元必存在一“反”元AA-1=EA和A-1互为反元43七七个个晶晶系系三斜系单斜系正交系四方系三角系三角系六角系立方系44材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 3 晶体的能带理论晶体的能带理论考虑晶体势场的周期性，研究电子在不同运动状态的能量分布，可以看到这种能量分布呈现出带状结构，关于这方面的理论成为能带理论。应用：说明半导体、导体、绝缘体等材料的一系列物理效应的机制和特性45材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 能级能级（EnegyLevel）在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的

22、电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。46材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 能带能带（EnegyBand）晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共电子的共有化有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。47 禁带禁带（ForbiddenBan

23、d）允许带:允许被电子占据的能带禁带:允许带之间的范围不允许电子占据。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。满带:被电子占满的允许带空带:每一个能级上都没有电子的能带。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 48材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 价带价带（ValenceBand）原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带价带。导带导带（ConductionBand）价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。49材料化学材

24、料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。50材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 例如，绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于1012cm。半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子,从而有一定的导电性,电阻率为10-31012cm。金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子

25、可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-610-3cm。51材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 3.1 3.1 3.1 3.1 价电子的共有化模型价电子的共有化模型价电子的共有化模型价电子的共有化模型设想物体由大量相同原子组成。这些原子在空间的排列与实际晶体排列相同，但原子间距很大，使每一原子可看成自由原子，这时孤立原子中的电子组态及相应能级都是相同的，成为简并能级。52材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 现设想原子间距按一定比例逐步减少，使整个原子体系过渡为实际晶体。每一原子中电子特别是外层电子（价电子）除受本身原子的势场作用外，还受到相邻原

26、子的势场作用。其结果这些电子不再局限于某一原子而可以从一个原子转移到相邻的原子中去，可以在整个晶体中运动，这就是所谓价电子的共有化价电子的共有化。53材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 54材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 布洛赫（F.Bloch）定理：周期势场中运动的电子其势能函数应满足周期性条件：U(x)=U(x+nl)其中：l为晶格常数（相邻格点的间距）为任意整数电子满足定态薛定谔方程为：55材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 布洛赫证明：定态波函数一定具有下列特征布洛赫定理说在周期场中运动的电子波函数为自由电子波函数(x)与

27、具有晶体结构周期的函数u(x)的乘积,具有这种形式的波函数称为布洛赫函数或称为布洛赫波。56材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 57材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 58材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 59材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 超越方程为：f(E)=cosklK的变化使E变化，有的E可能使| f(E)|1粒子不可能取这样的能量禁带。特例：对自由电子,k1=k2=k 则：自由电子的Ek曲线电子在周期场中的Ek曲线60材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 61材料化学材料化学 材料

28、化学的理论基础材料化学的理论基础 3.2 固体能带固体能带在晶体中，原来的简并能级即自由原子中的能级分裂为许多和原来能级很接近的能级,形成能带。理论计算表明，原先自由原子中电子的s能级分裂为和原来能级很接近N个能级，形成一个能带,称为s能带。其中N为组成晶体的原子数。例：N6(晶体由6个原子组成)62材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 63材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 64材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 结论结论分裂的新能级在一定能量范围内，一般不超过102eV数量级，而晶体原子数目N极大。所以分裂而成的新能级形成一个连续分

29、布的能量带，称能带，也称容许带。在相邻的容许带之间可能出现不容许能级存在的能隙，称为禁带。自由原子中电子能级越高，对应能带越宽。65材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 p能级由于是3度简并，要分裂为3N个新能级,形成一个能带，称为p能带。66材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 2s,2p电子是碳原子的四个价电子，禁带宽度5.2eV。混合能带：上下两能带,每个能带包含2N个能级。67材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体1.晶体中的电子所占据的能级，也服从泡利不相容原理和能量最小原理，从最低能级到高

30、能级依次占据能带中的各个能级。2.在一个能带中所有能级都已被电子所占据，这个能带称为满带。满带中的电子不会导电。3.在一个能带中，部分能级被电子所占据。这种能带中的电子具有导电性，称为导带68材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 4.当一个能带没有一个电子占据(在原子未被激发的正常态下)，这种能带称为空带。空带中一旦存在电子就具有导电性质，所以空带也称导带。69材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 70材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 71材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (1)满带中跑掉一部分电子而在相应能级上留

31、下一些空位，叫做空穴。导带中电子参与导电，称为电子导电。满带中存在空穴而产生的导电性，称为空穴导电。(2)本征半导体中，在外电场作用下，既有导带中的电子导电，又有满带中的空穴导电，这种混合导电机构，叫做本征导电。空穴和电子为本征载流子。72材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (3)n型半导体:硅晶体中掺入少量五价元素砷原子。砷原子称为施主。这种杂质半导体主要靠施主能级激发到导带中去的电子来导电，故称为电子型半导体，也称为n型半导体。73材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 74(4)p型半导体:硅晶体中掺入少量三价硼（或镓）原子。硼原子称为受主。这种杂质半

32、导体的导电机构主要取决于满带空穴运动，故称空穴半导体，也称为p型半导体。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 75材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 76材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (5)p-n结由于p区和n区的两种载流子浓度不相等。n区电子向p区扩散，p区的空穴向n区扩散，结果在交界处积累电荷，形成电偶极层，称p-n结结。77材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 p-n结电势分布由于p区和n区的两种载流子浓度不相等。n区电子向p区扩散，p区的空穴向n区扩散，如图（a）结果在交界处积累电荷，形成电偶极层，称为p

33、-n结。并且产生由n区指向p区的电势，如图(b)，p-n结产生接触电势差（电势由n区向p区降落），电势分布如图(c)。78材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 79材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 p-n结能带图在p-n结处，由接触电势差使电子产生附加静电势能。从上图可知，p区电子能量大于n区电子能量，差值为，阻挡n区电子向p区运动。形象地认为能带发生弯曲，如图所示。80材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 81材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 p-n结的整流作用图(a)当p-n结加正向电压Uab时，则外电场方向与

34、阻挡层电场方向相反,势垒高度降为e(Unp-Uab)。这样载流子就容易通过p-n结，形成正向电流。82材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 图(b)当p-n结加反向电压Uab，p-n结势垒高度增大，产生阻挡载流子运动效果。上述p-n结所产生的单向导电机理，称为整流整流。83材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 4 晶体缺陷晶体缺陷理想晶体结构,只有在特殊条件下才能得到(如在卫星或宇宙飞船上,失重条件下生长).实际生长晶体时，由于生长条件的波动和外界条件的干扰，长出的真实晶体总是具有缺陷。缺陷本身具有不利的一面，但也有其有利的一面。84材料化学材料化学 材料化

35、学的理论基础材料化学的理论基础 石墨的层状结构85材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 这些缺陷对于晶体的化学性质影响较小，而对于许多物理性质（如电性能、磁性、光学性能以及机械性能等）常常起决定性作用。所以缺陷对晶体的利用有着重要意义。86材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 4.14.1晶体点阵缺陷的分类晶体点阵缺陷的分类从几何的角度看，结构缺陷可分为 点缺陷（杂原子置换、空位、填隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（堆垛层错、孪晶界面等）体缺陷（包裹杂质、空洞等）其中以点缺陷最为普遍也最重要。8788材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 点缺陷

36、点缺陷是指完整晶体中，个别离子或原子的排列受到破坏而产生的缺陷。包括空位、间隙原子、错位原子和杂质原子等。(a)空位空位图(a)中按晶体周期性排布应该出现原子的地方没有原子，形成了空位；89材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 （b）黑球为杂质原子（c）间隙位置被外来即一种原子被另原子占据。一种原子置换；点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。料的高温动力学过程等有关。(b)杂质质点杂质质点(c)间隙质点间隙质点90材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 本征缺陷本征缺陷是由于晶体本身结构不善所产生的缺

37、陷。有两种基本类型：肖脱基（Schottky）弗兰克尔（Frenkel）缺陷这两种缺陷能产生在所有的晶体中。91材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 肖脱基缺陷原子空位(对金属晶体) 离子空位(对离子晶体):阴离子和阳离子按化学计量比同时空位，例如在NaCl晶体中，Na+和Cl离子的空位数相等92（a）单质中的肖特基缺陷的）单质中的肖特基缺陷的形成形成材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 93材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 弗兰克尔缺陷一种离子(或原子)移向晶格间隙,然后留下空位。这种缺陷最常发生在阳离子远小于阴离子或晶体结构空隙较大

38、的离子晶体中。94材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 弗仑克尔缺陷的形成（空位与弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）间隙质点成对出现）95材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 杂质缺陷杂质缺陷是由于杂质进入晶体后所引起的缺陷。有两种类型：间隙式和取代式。间隙式一般发生在外加杂质离子(或原子)半径较小的情况下。如C或N原子进入金属晶体的间隙中，形成填充型合金等杂质缺陷。96材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 取代式:杂质离子(或原子),通常其电负性与半径 和组成晶体的离子(或原子)相差不大,可以互相取代。例如GaAs晶体中加入Si

39、杂质原子,则Si既可以取代Ga的位置,又可以取代As的位置。杂质的加入往往能大大地改变晶体的性质,如强度、磁性、电性能以及光学性能等。97材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 4.2 4.2 非整比化合物非整比化合物非整比化合物非整比化合物它是在科学技术不断发展的过程中，逐渐深化而分出的这类化合物，其实在催化、半导体、激光、发光材料等的固体化合物和磁性固体材料研究中，经常看到这类化合物，NiOx、TiOx、FeO1-x、FeS1-x、PdHx、TaCx、PbSx及磷化物、硼化物等，与定组成定律不相符的化合物，广泛存在于固体化合物中。随着材料科学的发展，越来越引起人们的重视。9

40、8材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 1.“非整比化合物”概念的形成历史早在19世纪Berthollet与Dalton之间就展开了争论Berthollet认为化合物的化学组成在一定范围内不断变化，其组成大小取决于制备方法。Dalton认为化合物有同样的组成不取决于制备方法。由于当时的实验条件的限制，Dalton取得了胜利，肯定了化合物的组成服从定组成定律。99材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 在这个理论的指导下，加快了有机化学及分子化合物的无机化学的发展进程。但是物质的客观存在是不容忽视的。J.H.Vanthoff建立了固体溶液的概念，认为合金、玻璃、

41、矿物、岩石都是固体溶液。100材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 H.W.Roozeboom在热力学基础上建立了二元体系固体溶液相图.库尔纳柯夫建立了物理化学分析基础，研究了二元体系的相图.101材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 发现在组成和温度相图中，有的体系有奇异点，有的体系没有奇异点，而且在相应的组成和性质图上前者有明显的折点，而后者没有明显的折点，且是平滑的转变，他认为有奇异点的体系生成了固定组成的化合物，称为Daltonide，而无奇异点的体系生成可变组成的化合物，也就是组成在一定范围内发生变化，不服从定组成定律的化合物称为Bertholli

42、de，也就是现代人们称为非整比化合物。102材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 随着科学的不断发展,实验条件、实验手段的越来越先进，人们发现许多固体具有非整比的计量特征。并且对这一化合物越来越引起重视。由于非整比化合物的出现，必须对经典的化学计量定律进行重新认识。103材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 在经典的化学计量定律中未考虑物体的凝固态的情况，在蒸汽或气体状态下所有物质是由分子组成的，而在凝固态下，不同原子组成的物质中多数是以原子间键，金属键，离子键组成的大分子固体化合物，很少是由原子组成单个分子，再以分子为单元组成分子固体。104材料化学材料化

43、学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 前者形成非整比化合物，后者组成化学计量化合物。因此对固体的研究只考虑组成就不够了，必须将组成结构和性质结合起来。用化学分析确定物质的组成，物理化学分析确定组成与性质的关系，X射线分析确定组成与结构的关系。只有将三者的数据结合起来，才能确定该化合物是非整比化合物，还是化学计量化合物。105材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 化学计量化合物组成相同、结构相同和分子量相同的物质在惰性气氛下，在自己饱和蒸气压下或自己饱和溶液中所得到的单一化合物，制备条件一有变化，就可能得到非整比化合物如Fe1-xO(1-x在0.840.95之间)，Sn1+

44、xO2、PbO1.88等都是非整比化合物。106材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 从能带理论的观点来看，在固体(主要指晶体)中，由于电子的共有化，在晶体中不是分子而是相，AvogadrosnumberN个原子的集合，原子决定晶体晶格的性质，极微量的杂质或组成变化，影响的不是局部间原子，而是整个晶体。107材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 每一个被认为可变组成(非整比)的化合物都是由许多固定组成的同种化合物的系列，在每个系列中化合物的数量很多，但不是无限的。这是由晶体中在不同条件下价电子具有很多可能的能级所决定的，因而对非整比化合物来讲，它是一个系列，

45、在这一系列中，总是由单个固定组成的化合物所组成的，这一固定组成的化合物，它是适合经典的化学计量定律。108材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 2.非整比化合物的形成机理点缺陷是形成非整比化合物的重要原因(1)离子（或原子）的空位缺陷一成分离子（或原子）按定组成定律来说是过量的，这些过剩的离子（或原子）占据化合物晶格的正常位置，而另一成分离子（或原子）在晶格中的位置却有一部分空了起来，形成了空位。109材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 如:氧化亚铁晶体中有一Fe1-xO化合物，它的构造为氧离子按ccp排列，亚铁离子充满所有八面体空穴，但实际上有一些位置是

46、空的，而另一些位置（为了保持电中性）由Fe3+占据，这样实际氧化亚铁组成应在Fe1-xO（其中1-x在0.840.95）之间。如Fe0.95O更确切表示为Fe(II)0.85Fe(III)0.1O。钙钛矿型非整比化合物YBa2Cu3O7-x（x0.1)，它是由于氧原子不足而产生空位缺陷。正是这种缺陷，使固体具有超导性能。110材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (2)杂质离子的部分取代缺陷当两种离子半径相差较小，结构相似，电负性相近时，则这两种离子可按任意比例进行取代。如尖晶石型晶体结构的氧化物PbZr1-xTixO3Ti2+取代部分Zr2+离子的位置而产生的非整比化合物，

47、它是一种压电陶瓷。111材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 又如Al2O3和Cr2O3在高温下反应，由于它们具有相同的氧离子六方密堆积结构及相似的离子大小，可形成Al2-xCrO3（0x2）。镁橄榄石Mg2SiO4和硅锌矿Zn2SiO4可形成Mg2-xZnxSiO4或Zn2-xMgxSiO4。在LiAlO2LiCrO2体系中，可形成LiCr1-xAlO2（0x0.6）。A13+占据在Cr3+八面体位置上。由于Cr3+离子大于Al3+，不能占据在LiAlO2中A13+的四面体位置上等等。112材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 （3）填隙缺陷在晶体的间隙中

48、随机地填入体积较小的原子（或离子），这些杂质原子（或离子）进入间隙位置时，一般说并不改变基质晶体原有的结构。如氢、碳、硼、氮等小的原子或离子进入主体结构内空着的间隙位置。金属钯以它能“吸藏”大容积的氢气而著名，最终的氢化物的化学式为PdHx（0x0.7）的非整比化合物。113材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 这三种点缺陷不是孤立存在的，而大多数是融合在一起的。常见的NaCl中溶解少量CaCl2，则两个Na+离子被一个Ca2+取代，故有一个Na+离子的位置产生空位缺陷，在600时化学式为Na1-2xCaxCl（0x0.15），它的缺陷表示式为Na1-2x(Na)x(V，Na

49、)xCl，其中Na为Ca2+取代Na+的取代缺陷，“.”表示一个正电性，V，Na表示Na+的空位缺陷，“，”表示负电性。114材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 又如SiO2中掺杂Al3+，Li+离子，则生成化学式为LixSi1-xAlxO2的非整比化合物，它是由半径较小的Li+离子填入SiO2晶体的间隙缺陷，同时也产生Al3+取代Si4+离子的取代缺陷。其中Lii表示Li+离子填入SiO2晶体的间隙中。总而言之，在一个非整比化合物中常常是多种缺陷同时存在。在非整比化合物中还存在着缺陷间的缔合，缔合体的形成对晶体的光学性质有密切的关系。115材料化学材料化学 材料化学的理论

50、基础材料化学的理论基础 3.非整比化合物的类型(1)阴离子短缺的化合物MX1-x如化学式NaCl1-x缺陷表示式：Na（V,Cl）xCl1-x(2)阳离子过剩的化合物M1+xX如化学式Zn1+xO缺陷表示式：Zn（Znxi）xO(3)阳离子短陷的化合物M1-xX如化学式Cd1-xS缺陷表示式：Cd1-x(VxCd)xS116材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (4)阴离子过剩的化合物MX1+x如化学式UO2+x缺陷表示式：U4+1-xU6+x*(O11i)xO2(5)杂质缺陷产生的非整比化合物高价阳离子取代产生阳离子空位或间隙阴离子如Na1-2xCaxCl，缺陷式Na1-2

51、x(Na)x（V,Na)xCl（阳离子钠空位），Ca1-xYxF2+x，缺陷式Ca1-x（Ca)xF2(i)x(阴离子氟间隙）117材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 低价阳离子取代产生阴离子空位或间隙阳离子如Zr1-xCaxO2-x缺陷式Zr1-x(CaZr)xO2-x(Vo)x(阴离子氧空位），LixSi1-xAlO2缺陷式（i)xSi1-xAlxO2（阳离子锂间隙）118材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 因此人们只有了解非整比缺陷结构，才可以利用缺陷结构的性质，在固体中，保持总的结构不变的情况下，显著改变固体的组成，从而可以系统地控制或改善无机固

52、体材料的电、磁、光、机械强度等性质。119材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 4.非整比化合物的应用作为现代文明的三大支柱（材料、能源、信息)之一的材料与固体化学有着密不可分的关系，而非整比化合物又是固体化学的核心。因而它直接决定固体的光、电、声、磁、热、力学性质，是一种新型的功能材料，具有巨大的科技价值。120材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (1) 光功能材料光功能材料发光二极管利用GaAs1-xPx这种材料制成的，可发出从红光到绿光的各种颜色的光。彩色电视显像管使用的萤光粉是Zn1-xCdxS:当x=0.79时发红色萤光。异质结太阳能电池GaAs

53、GaxAl1-xAs等等。121材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (2)电功能材料N型半导体SnO2，其中晶体锡的比例较大，当该半导体有吸附H2、CO、CH4等还原性、可燃性气体时电导明显变化，可制造气敏电阻。P型半导体PbO2,它的O:Pb=1.88，它是空穴导电，可用于铅蓄电池的电极。快离子导体有NaCl中加入少量MnC12，得到Na1-2xMnxVNaCl的固溶体，产生VNa+空穴从而导电。122材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 氧离子导体，CaxZr1-xO2-x（0.1x0.2）NASICON是另一种Na+离子导体,化学式为Na1+xZr2

54、SixP3-xO12当1.8x0.1时为佳。123材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 它的出现对高温超导构成了飞速的发展。例如1975年发现的BaPb1-xBixO3，在x=0.3时，Tc13K，La2-xBaxCuO4，x=0.1，Tc=35K等都是由非整比化合物形成的空穴型超导体，还有电子型超导体(Pr1.85Th1.5)CuO4-x，Tc在20K左右。124材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (3)磁性材料最为常见的是电子陶瓷。铁氧体不显磁性，当有外加磁场它被磁化，不同铁氧体，磁化结果不一样有软磁体、硬磁体和矩形磁体。矩形磁体用于电子计算机的存储元

55、件，软磁体可用于制造变压器的铁芯或马达。稀土石榴石还有良好的磁、电、光、声等能量转化功能，广泛用于电子计算机、微波电路等。磁铅石可作为磁记录材料等等。125材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 (4)复合功能材料常见的复合功能材料有压电陶瓷，主要是将机械压力转变为电能。如PLZT系压电陶瓷Pb1-xLax（ZryTi1-y)1-(x/4)O3PZT的尖晶石结构的氧化物PbZr1-xTO3的微小粒子的烧结体(陶瓷)，轻轻撞击一下只有数厘米长的圆柱体PZT，就能得到数万伏的高压电，放出电火花起到点火作用。126材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 如Ba0.88

56、Pb0.88Ca0.04TiO3陶瓷广泛用于超声加工机声纳水听器等。此外还有压敏电阻、气体传感器、湿度传感器等。半导体陶瓷，它们都是由非整比化合物微小粒子烧结而成的。127材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 非整比化合物的结构与性质的研究是一个极富有成果的领域，对新材料或有不寻常综合性质材料的发展提供无限的可能性。因此，人们可以正视非整比化合物的潜力，从而日益有可能设计出具有特殊结构和性能的新材料。128材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 4.3位错及其对固体物性的影响位错及其对固体物性的影响位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。属于缺陷中的线缺

57、陷，一维缺陷形成：不是由于热起伏产生的。当实际晶体在生长时，会受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用，或由于晶体受到打击、切削、研磨等机械应力作用，使晶体内部质点排列变形。原子行列间相互滑移，而不再符合理想晶格的有序排列，从而形成线缺陷（位错）。129作用：它是已滑动区域与未滑动区域之间的分界。意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。类型：根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为刃位错、螺位错和混合位错。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 1301.刃位错如果晶体内有一个原子面中断了，其中断处的边沿E就

58、是一个刃位错。在三维空间中，这个刃位错是与纸面垂直的原子线性排列。在位错附近的区域，原子排列显著偏离正常的晶格排列。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 131刃位错的产生可以想象为将一块晶体沿ABFE切开到FE处，然后将切开的上部ABFEGH向右推过一个原子间距b再粘合起来，经过推压滑移后的上部，成为ABFEGH，其中FE是滑移部分与未滑移部分的分界线，这分界线附近的原子并不排列在正常晶格的位置，故FE就是刃位错。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 132材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 133材料化学材料化学 材料化学的理论基础材

59、料化学的理论基础 1342.螺位错存在螺位错的晶体中，没有中断的原子平面，原来互相平行的一族晶体却变成单个晶面似的沿着轴线AB盘旋上升，每盘旋一周而上升一个晶面间距，在轴线AD处就是一个螺位错。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 135螺位错的产生可以想象为将一块晶体沿晶面ABCD切开到直线AD为止，然后将切开部分的外边BC沿AD方向滑移一个原子间距b，并使之粘合起来，这样就在AD处形成一个螺位错。这时，原本与AD垂直的平行晶面，就变成一个螺旋式上升的晶面。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 136特点：*位错和滑移方向相互平行*不使晶体体积发生变化材料

60、化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 137材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 138材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 139材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 140材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 141刃位错的运动刃位错的运动螺位错的运动螺位错的运动142位错对固体反应的影响由于位错存在着一定的弹性应力场，所以位错线附近区域具有比其他区域大得多的能量。因此，初步证实了位错的存在对很多固体反应，诸如晶体的光分解、热分解、表面吸附、催化、金属的氧化反应、固体的快速反应以及聚合物的固相聚合反应等都

61、会产生不同程度的影响。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 143材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 例如：*溴化银的光解实验指出刃型位错在照相感光反应中具有重要作用。刃型位错不但具有较大的表面应变能，而且可以荷电，因此在刃型位错周围容易聚集大量Ag+离子。显然在光解过程中位错也起了成核的源头作用。144材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 *吸附与催化过程 吸附与催化过程的间隙中，催化反应的活性中心与位错有联系。由于在位错附近具有应力场，它可以使反应物向位错中心处聚集，反应的活化能下降，有利于反应进行。145材料化学材料化学 材料化学的

62、理论基础材料化学的理论基础 4.4 4.4 晶界及其化学晶界及其化学晶界及其化学晶界及其化学1.晶界晶粒之间的交界处晶粒:可大可小粗细、形状、方位、分布都可以对多晶的性质有重要的影响实际晶体多为多晶体单晶体是各向异性的，但晶粒有各种取向，晶体的宏观性质会表现为各向同性146材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 多晶体的性能与晶体结构、晶界有关晶界也可以看作是一种晶体缺陷，一般的晶粒间界只有极少几层原子排列是比较混乱的，它的两旁还有若干层原子是按照晶格排列的，只是有较大的畸变。2.晶面有界面能不同的晶间结构具有不同的能量状态 狭窄的晶界具有低能的结构 宽阔的晶界具有高能的结构1

63、47材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 3.溶质原子晶界上的杂质原子。溶质原子较多地聚集在晶界上，比晶内浓度高101000倍。热力学观点：正吸附:使晶界表面张力降低的溶质原子偏聚在晶界区反吸附:使晶界表面张力增加的元素远离晶界溶质原子的尺寸较大，引起的附加点阵的畸变能变小溶质原子的尺寸较小148材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 （1）晶界分隔沉积层沿晶界两侧形成的杂质原子（离子）层。（2）扩散沉积层当杂质原子（离子）的浓度超过饱和点时，将在晶界上析出（沉积），而形成另一种结晶相。（3）粒状沉积物当杂质原子（离子）的含量远超过溶体的饱和点，且在熔点较烧结

64、温度高时，杂质将以粒状形态析出在晶界上。149材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 4.晶界的物理、化学现象（1）晶界的扩散（2）晶界反应机构的控制（3）晶界的电位（4）晶界的高电阻现象（5）晶界的结合力150材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 5 非晶态结构的几何特征非晶态结构的几何特征5.15.1非晶态材料非晶态材料非晶态材料：非结晶状态的材料。类型：*非晶态半导体*非晶态金属*氧化物玻璃*非氧化物玻璃*非晶态聚合物普通低分子传统的非晶态材料151材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 非晶态材料非晶态材料结构特征特征长程无序，短程有序

65、长程无序：*位置（几何）无序，也称拓扑无序 *成分（化学）无序，即多元系中不 同组元的分布为无规则的随机分布短程有序性：在原子周围小区域内原子排列的规 则性，呈现出一定的几何特征。表示任一特定原子的最近邻的原子数(即配位数)例：*非晶硅中保留着晶态硅中的四面体的结构单元 *非晶锗中保留着晶态锗中的四面体的结构单元152材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 非晶态物质衍射非晶态物质衍射 X射线衍射衍射试验电子衍射非晶态材料是一种无序结构中子衍射单晶：明锐的同心环多晶：衍射环变宽，由明锐 的细线变成了弥散环153材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 非晶体：衍射

66、图案由宽晕及弥散的环所组成，没有表征结晶程度的任何斑点及鲜明的环，衍射环的弥散程度要比任何小晶粒所组成的多晶体大得多。154材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 结论*非晶体材料可看作是由数目很多，无规则取向的小集团所组成的，而在每个小集团内部原子排列是有序的，只是这种小集团比小晶粒要小得多；*非晶态材料内部不再存在长程序，但在其很小范围内存在一定的有序，即短程有序。155材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 非晶态固体的结构模型1.无规密堆积模型（1）原子不可压缩硬球（2）无规密堆积结构中没有容纳另一个硬球的空间（3）硬球排列无规则（4）硬球间距离大于直径

67、的5倍时，它们之间的相关性很弱改进模型：松弛的无规密堆积硬球模型156材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 157材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 158材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 2. 连续无规网络模型连续无规网络模型 右图是以共价键结合的非右图是以共价键结合的非晶态固体在二维空间的模型晶态固体在二维空间的模型示意图。示意图。 3. 无规线团模型无规线团模型 右图是以有机高分子为右图是以有机高分子为基础的非晶态固体的结构基础的非晶态固体的结构模型。模型。 159非晶态材料的稳定性从热力学上讲，非晶态材料是一类处于比稳定态更高

68、能量的亚稳态物质。非晶态材料在制备过程中，由于熔体骤冷使体系粘度急剧增大，质点来不及作远程有序排列而玻璃化，其释放的能量较结晶潜热小，即非晶与晶体相比，前者含有过剩的能量。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 160材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 玻璃体处于能量的亚稳状态。从热力学观点看，既然玻璃体是能量的亚稳态，就有自发放热而结晶转变为稳定态的内在条件，然而常温下材料的粘度非常大，以致动力学条件不足，因而阻碍了转化的进行。当温度升高时，必然有向低能量转化的趋势，产生析晶。161材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 非晶态材料的硬度和

69、机械度卓越。如拉丝后纤维化的非晶态铁钽硅硼合金线材，拉伸强度高达400公斤每平方毫米，为钢琴丝的1.4倍，为一般钢丝的10倍。由于这一特点，它可被用来制作高尔夫球棍、钓竿等。162材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 非晶态材料具有优越的磁学性能，可用作磁屏蔽材料，还可以把非晶态纤维作为电感线圈的骨架，用导线作为线圈，制成极薄型电感，其厚度只有现在薄型电感的1/10。另外，非晶态合金薄膜也可用于可改写的光盘和超记录密度的光磁盘上。163材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 8聚合物的结构特征聚合物的结构特征9 聚合物聚合物是由许多单个的高分子链聚集而成，10

70、因而其结构有两方面的含义:11（1）单个高分子链的结构；12（2）许多高分子链聚在一起表现出来的聚13集态结构(网状)。164一级结构一级结构近程结构近程结构结构单元的化学组成、连接顺结构单元的化学组成、连接顺序、立体构型，以及支化、交序、立体构型，以及支化、交联等联等二级结构二级结构远程结构远程结构高分子链的形态（构象）以及高分子链的形态（构象）以及高分子的大小（分子量）、聚高分子的大小（分子量）、聚合物链的柔顺性合物链的柔顺性链结构链结构聚集态结构聚集态结构三级结构三级结构晶态、非晶态、取向态、液晶态及织晶态、非晶态、取向态、液晶态及织态等。态等。聚聚合合物物的的结结构构材料化学材料化学

71、材料化学的理论基础材料化学的理论基础 层次层次165材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 构象构象聚合物链中，近邻原子上连有的各个基团，因单键的内旋转而造成的空间排列聚合物链的柔顺性聚合物链的柔顺性聚合物链能够通过内旋转作用改变其构象的性能聚合物链能形成的构象数越多，柔顺性越大。166 高分子的聚集态结构也称三级结构，或超分子结构，它是指聚合物内分子链的排列与堆砌结构。 虽然高分子的链结构对高分子材料有显著影响，但由于聚合物是有许多高分子链聚集而成，有时即使相同链结构的同一种聚合物，在不同加工成型条件下，也会产生不同的聚集态，所得制品的性能也会截然不同,因此聚合物的聚集态结构

72、对聚合物材料性能的影响比高分子链结构更直接、更重要。 材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 167 研究掌握聚合物的聚集态结构与性能的关系，对选择合适的加工成型条件、改进材料的性能，制备具有预期性能的聚合物材料具有重要意义。 聚合物的聚集态结构可分为晶态结构、非晶态结构、液晶态结构和取向态结构。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 168 材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 8.18.1聚合物的晶态结构聚合物的晶态结构1.聚合物的结晶形态聚合物的结晶与小分子晶体不同，一般具有晶体不完善、熔点范围宽及结晶速度慢等特点。根据结晶条件不同，晶体

73、形态可分为：（1）单晶单晶是具有一定几何外形的薄片状晶体。一般聚合物的单晶只能从极稀溶液（质量浓度小于0.01wt%)中缓慢结晶而成。169（2）球晶）球晶 聚合物结晶最常见的结晶形态，是一种圆球状的晶体，尺聚合物结晶最常见的结晶形态，是一种圆球状的晶体，尺寸较大，一般是由结晶性聚合物从浓溶液中析出或由熔体冷却寸较大，一般是由结晶性聚合物从浓溶液中析出或由熔体冷却时形成的。球晶在正交偏光显微镜下可观察到其特有的黑十字时形成的。球晶在正交偏光显微镜下可观察到其特有的黑十字消光或带同心圆的黑十字消光图象。消光或带同心圆的黑十字消光图象。（3）伸直链晶片）伸直链晶片 伸直链晶片是由完全伸展的分子链平

74、行规整排列而成的小伸直链晶片是由完全伸展的分子链平行规整排列而成的小片状晶体，晶体中分子链平行于晶面方向，晶片厚度基本与伸片状晶体，晶体中分子链平行于晶面方向，晶片厚度基本与伸展的分子链长度相当。这种晶体主要形成于极高压力下。展的分子链长度相当。这种晶体主要形成于极高压力下。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 170 2.聚合物的晶态结构模型 聚合物晶态结构模型有两种：聚合物晶态结构模型有两种： 缨状胶束模型缨状胶束模型：结晶聚合物中：结晶聚合物中晶区晶区与与非晶区非晶区互相穿插，互相穿插，同时同时存在存在。在晶区分子链相互平行排列成规整的结构，而在非晶区。在晶区分子链相互

75、平行排列成规整的结构，而在非晶区分子链的堆砌完全无序。该模型也称分子链的堆砌完全无序。该模型也称两相结构模型两相结构模型。（4）纤维状晶和串晶）纤维状晶和串晶 纤维状晶是在流动场的作用下使高分子链的构象发生畸变，纤维状晶是在流动场的作用下使高分子链的构象发生畸变，成为沿流动方向平行排列的伸展状态，在适当的条件下成为沿流动方向平行排列的伸展状态，在适当的条件下结晶而成。分子链取向与纤维轴平行。结晶而成。分子链取向与纤维轴平行。 聚合物串晶是一种类似于串珠式的多晶体。聚合物串晶是一种类似于串珠式的多晶体。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 171 折叠链模型折叠链模型：在聚合物

76、晶体中，高分子链是以折叠的形式：在聚合物晶体中，高分子链是以折叠的形式堆砌起来的。伸展的分子倾向于相互聚集在一起形成链束，堆砌起来的。伸展的分子倾向于相互聚集在一起形成链束，分子链规整排列的有序链束构成聚合物结晶的基本单元。这分子链规整排列的有序链束构成聚合物结晶的基本单元。这些规整的有序链束表面能大自发地折叠成带状结构，进一步些规整的有序链束表面能大自发地折叠成带状结构，进一步堆砌成晶片。堆砌成晶片。 要点：聚合物中晶区与非晶区同时存在，即使是同一条要点：聚合物中晶区与非晶区同时存在，即使是同一条高分子链可以是一部分结晶，一部分不结晶；并且同一高分高分子链可以是一部分结晶，一部分不结晶；并且

77、同一高分子链可以穿透不同的晶区和非晶区。子链可以穿透不同的晶区和非晶区。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 172 3. 聚合物结晶过程的特点聚合物结晶过程的特点 聚合物结晶是高分子链从无序转变为有序的过程，有三个聚合物结晶是高分子链从无序转变为有序的过程，有三个特点：特点：（1）结晶必须在玻璃化温度）结晶必须在玻璃化温度Tg与熔点与熔点Tm之间的温度范围内之间的温度范围内 进行。进行。 因为聚合物结晶过程与小分子化合物相似，要经历晶核因为聚合物结晶过程与小分子化合物相似，要经历晶核形成和晶粒生长两过程。形成和晶粒生长两过程。*温度高于熔点温度高于熔点Tm，高分子处于熔融状

78、态，晶核不易形成高分子处于熔融状态，晶核不易形成*温度低于温度低于Tg，高分子链运动困难，难以规整排列，晶核高分子链运动困难，难以规整排列，晶核 也不能生成，晶粒难以生长。也不能生成，晶粒难以生长。 材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 173 结晶温度不同，结晶速度也不同，在某一温度时出现最大结晶温度不同，结晶速度也不同，在某一温度时出现最大值，出现最大结晶速度的结晶温度可由以下经验关系式估算：值，出现最大结晶速度的结晶温度可由以下经验关系式估算： Tmax = 0.63 Tm + 0.37 Tg - 18.5（2）同一聚合物在同一结晶温度下，结晶速度随结晶过程而变同一聚合

79、物在同一结晶温度下，结晶速度随结晶过程而变 化化。 一般最初结晶速度较慢，中间有加速过程，最后结晶速度一般最初结晶速度较慢，中间有加速过程，最后结晶速度又减慢。又减慢。（3）结晶聚合物没有精确的熔点，只存在一个熔融范围，也称）结晶聚合物没有精确的熔点，只存在一个熔融范围，也称 熔限熔限。 熔限大小与结晶温度有关。结晶温度低，熔限宽，反之则熔限大小与结晶温度有关。结晶温度低，熔限宽，反之则窄。这是由于结晶温度较低时，高分子链的流动性较差，形成窄。这是由于结晶温度较低时，高分子链的流动性较差，形成的晶体不完善，且各晶体的完善程度差别大，因而熔限宽。的晶体不完善，且各晶体的完善程度差别大，因而熔限宽

80、。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 1744.聚合物结晶过程的影响因素聚合物结晶过程的影响因素（1）分子链结构）分子链结构 聚合物的结晶能力与分子链结构密切相关，凡聚合物的结晶能力与分子链结构密切相关，凡分子结分子结构对称构对称（如聚乙烯）、（如聚乙烯）、规整性好规整性好（如有规立构聚丙烯）、（如有规立构聚丙烯）、分子链相互作用强分子链相互作用强（如能产生氢键或带强极性基团，如聚（如能产生氢键或带强极性基团，如聚酰胺等）的聚合物易结晶。酰胺等）的聚合物易结晶。 分子链的结构还会影响结晶速度，一般分子链结构越分子链的结构还会影响结晶速度，一般分子链结构越简单、对称性越高、取

81、代基空间位阻越小、立体规整性越简单、对称性越高、取代基空间位阻越小、立体规整性越好，结晶速度越快。好，结晶速度越快。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 175（2）温度）温度：温度对结晶速度的影响极大，有时温度相差甚：温度对结晶速度的影响极大，有时温度相差甚微，但结晶速度常数可相差上千倍微，但结晶速度常数可相差上千倍（3）应力）应力：应力能使分子链沿外力方向有序排列，可提高：应力能使分子链沿外力方向有序排列，可提高结晶速度。结晶速度。（4）分子量）分子量：对同一聚合物而言，分子量对结晶速度有显：对同一聚合物而言，分子量对结晶速度有显著影响。在相同条件下，一般分子量低结晶速度

82、快，著影响。在相同条件下，一般分子量低结晶速度快，（5）杂质）杂质：杂质影响较复杂，有的可阻碍结晶的进行，有：杂质影响较复杂，有的可阻碍结晶的进行，有的则能加速结晶。能促进结晶的物质在结晶过程中往往起的则能加速结晶。能促进结晶的物质在结晶过程中往往起成核作用（晶核），称为成核剂。成核作用（晶核），称为成核剂。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 176 5. 结晶对聚合物性能的影响结晶对聚合物性能的影响 结晶使高分子链规整排列，堆砌紧密，因而增强了分结晶使高分子链规整排列，堆砌紧密，因而增强了分子链间的作用力，使聚合物的密度、强度、硬度、耐热性、子链间的作用力，使聚合物的密度

83、、强度、硬度、耐热性、耐溶剂性、耐化学腐蚀性等性能得以提高，从而改善塑料耐溶剂性、耐化学腐蚀性等性能得以提高，从而改善塑料的使用性能。的使用性能。 但结晶使高弹性、断裂伸长率、抗冲击强度等性能下降，但结晶使高弹性、断裂伸长率、抗冲击强度等性能下降，对以弹性、韧性为主要使用性能的材料是不利的。对以弹性、韧性为主要使用性能的材料是不利的。 如结晶会使橡胶失去弹性，发生爆裂。如结晶会使橡胶失去弹性，发生爆裂。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 177 8. 8.22聚合物的非晶态结构聚合物的非晶态结构 非晶态结构是一个比晶态更为普遍存在的聚集形态，非晶态结构是一个比晶态更为普遍存

84、在的聚集形态，不仅有大量完全非晶态的聚合物，而且即使在晶态聚合物不仅有大量完全非晶态的聚合物，而且即使在晶态聚合物中也存在非晶区。中也存在非晶区。 非晶态结构包括玻璃态、橡胶态、粘流态（或熔融态）非晶态结构包括玻璃态、橡胶态、粘流态（或熔融态）及结晶聚合物中的非晶区。及结晶聚合物中的非晶区。 由于对非晶态结构的研究比对晶态结构的研究要困难的由于对非晶态结构的研究比对晶态结构的研究要困难的多，因而对非晶态结构的认识还较粗浅。目前主要有两种多，因而对非晶态结构的认识还较粗浅。目前主要有两种理论模型，即两相球粒模型和无规线团模型，两者尚存争理论模型，即两相球粒模型和无规线团模型，两者尚存争议，无定论

85、。议，无定论。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 178 8.38.3聚合物的液晶态聚合物的液晶态 液晶态是晶态向液态转化的中间态，既具有晶态的有液晶态是晶态向液态转化的中间态，既具有晶态的有序性（导致序性（导致各向异性各向异性），又具有液态的连续性和流动性。），又具有液态的连续性和流动性。 根据形成条件的不同分为：根据形成条件的不同分为： 热致性液晶热致性液晶：受热熔融形成各向异性熔体；：受热熔融形成各向异性熔体； 溶致性液晶溶致性液晶：溶于某种溶剂而形成各向异性的溶液。：溶于某种溶剂而形成各向异性的溶液。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 179（1

86、）高分子液晶形成条件）高分子液晶形成条件 聚合物要形成液晶，必须满足以下条件：聚合物要形成液晶，必须满足以下条件： （i）分子链具有刚性或一定刚性，并且分子的长度与宽度分子链具有刚性或一定刚性，并且分子的长度与宽度之比之比R1，即分子是棒状或接近于棒状的构象。，即分子是棒状或接近于棒状的构象。（ii）分子链上含有苯环或氢键等结构；分子链上含有苯环或氢键等结构；（iii）若形成胆甾型液晶还必须含有不对称碳原子。若形成胆甾型液晶还必须含有不对称碳原子。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 180（2）高分子液晶的分类）高分子液晶的分类 高分子液晶有三种不同的结构类型：近晶型、向列

87、型和高分子液晶有三种不同的结构类型：近晶型、向列型和胆甾型。胆甾型。近晶型近晶型（i）近晶型）近晶型：棒状分子通过垂直于分子：棒状分子通过垂直于分子长轴方向的强相互作用，互相平行排列长轴方向的强相互作用，互相平行排列成层状结构，分子轴垂直于层面。棒状成层状结构，分子轴垂直于层面。棒状分子只能在层内活动。分子只能在层内活动。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 181向列型向列型（ii）向列型向列型： 棒状分子虽然也平行排列，但长棒状分子虽然也平行排列，但长短不一，不分层次，只有一维有序性，短不一，不分层次，只有一维有序性，在外力作用下发生流动时，棒状分子在外力作用下发生流动时

88、，棒状分子易沿流动方向取向，并在流动取向中易沿流动方向取向，并在流动取向中互相穿越。互相穿越。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 182（iii）胆甾型）胆甾型： 棒状分子分层平行排列，在每个单棒状分子分层平行排列，在每个单层内分子排列与向列型相似，相邻两层层内分子排列与向列型相似，相邻两层中分子长轴依次有规则地扭转一定角度，中分子长轴依次有规则地扭转一定角度，分子长轴在旋转分子长轴在旋转3600后复原。后复原。 两个取向相同的分子层之间的距两个取向相同的分子层之间的距离称为胆甾型液晶的离称为胆甾型液晶的螺距螺距。胆甾型胆甾型材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理

89、论基础 183 8.48.4聚合物的取向态聚合物的取向态取向取向(orientation)：在外力作用下，分子链沿外力方向平在外力作用下，分子链沿外力方向平行行 排列。排列。 聚合物的取向现象包括分子链、链段的取向以及结晶聚合物的取向现象包括分子链、链段的取向以及结晶聚合物的晶片等沿特定方向的择优排列。聚合物的晶片等沿特定方向的择优排列。 未取向的聚合物材料是各向同性的，即各个方向上的性未取向的聚合物材料是各向同性的，即各个方向上的性能相同。而取向后的聚合物材料是各向异性的，即方向不能相同。而取向后的聚合物材料是各向异性的，即方向不同，性能不同。同，性能不同。 材料化学材料化学 材料化学的理论

90、基础材料化学的理论基础 184聚合物的取向一般有两种方式：聚合物的取向一般有两种方式：单轴取向单轴取向：在一个轴向上施以外力，使分子链沿一个：在一个轴向上施以外力，使分子链沿一个 方向取向。方向取向。 如纤维纺丝：如纤维纺丝：再如薄膜的单轴拉伸再如薄膜的单轴拉伸材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 185双轴取向双轴取向：一般在两个垂直方向施加外力。如薄膜双轴拉：一般在两个垂直方向施加外力。如薄膜双轴拉 伸，使分子链取向平行薄膜平面的任意方向。伸，使分子链取向平行薄膜平面的任意方向。 在薄膜平面的各方向的性能相近，但薄膜平面在薄膜平面的各方向的性能相近，但薄膜平面 与平面之间

91、易剥离。与平面之间易剥离。薄膜的双轴拉伸取向：薄膜的双轴拉伸取向：材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 186 8.58.5共混聚合物共混聚合物共混聚合物共混聚合物(polymer blend) 通过简单的工艺过程把两种或两种以上的均聚物或共通过简单的工艺过程把两种或两种以上的均聚物或共聚物或不同分子量、不同分子量分布的同种聚合物混合而聚物或不同分子量、不同分子量分布的同种聚合物混合而成的聚合物材料，也称成的聚合物材料，也称聚合物合金聚合物合金。 通过共混可以获得原单一组分没有的一些新的综合性通过共混可以获得原单一组分没有的一些新的综合性能，并且可通过混合组分的调配（调节各组

92、分的相对含量）能，并且可通过混合组分的调配（调节各组分的相对含量）来获得适应所需性能的材料。来获得适应所需性能的材料。 共混与共聚的作用相类似，共混是通过物理的方法把共混与共聚的作用相类似，共混是通过物理的方法把不同性能的聚合物混合在一起；而共聚则是通过化学的方不同性能的聚合物混合在一起；而共聚则是通过化学的方法把不同性能的聚合物链段连在一起。法把不同性能的聚合物链段连在一起。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 187 通过共混可带来多方面的好处：通过共混可带来多方面的好处：（1）改善高分子材料的机械性能；）改善高分子材料的机械性能；（2）提高耐老化性能；）提高耐老化性能；

93、（3）改善材料的加工性能；）改善材料的加工性能；（4）有利于废弃聚合物的再利用。）有利于废弃聚合物的再利用。 共混与共聚相比，工艺简单，但共混时存在相容性问题共混与共聚相比，工艺简单，但共混时存在相容性问题,若若两种聚合物共混时相容性差，混合程度（相互的分散程度）很差，两种聚合物共混时相容性差，混合程度（相互的分散程度）很差，易出现宏观的相分离，达不到共混的目的，无实用价值。易出现宏观的相分离，达不到共混的目的，无实用价值。通过加入相容剂（增容剂）来提高聚合物共混的相容性。通过加入相容剂（增容剂）来提高聚合物共混的相容性。材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 188聚合物强度

94、的影响因素聚合物强度的影响因素（1）有利因素）有利因素 （i）聚合物自身的结构）聚合物自身的结构：主链中引入芳杂环，可增加链的：主链中引入芳杂环，可增加链的刚性，分子链易于取向，强度增加；适度交联，有利于强度刚性，分子链易于取向，强度增加；适度交联，有利于强度的提高。的提高。（iiii）结晶和取向）结晶和取向：结晶和取向可使分子链规整排列，增加强：结晶和取向可使分子链规整排列，增加强度，但结晶度过高，可导致抗冲强度和断裂伸长率降低，使度，但结晶度过高，可导致抗冲强度和断裂伸长率降低，使材料变脆。材料变脆。 材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 189（iii）共聚和共混）共聚

95、和共混：共聚和共混都可使聚合物综合两种以上：共聚和共混都可使聚合物综合两种以上 均聚物的性能，可有目的地提高聚合物的性能。均聚物的性能，可有目的地提高聚合物的性能。（iv）材料复合）材料复合：聚合物的强度可通过在聚合物中添加增强：聚合物的强度可通过在聚合物中添加增强 材料得以提高。如纤维增强复合材料之一材料得以提高。如纤维增强复合材料之一玻璃钢。玻璃钢。（2）不利因素）不利因素 （i）应力集中）应力集中：若材料中存在某些缺陷，受力时，缺陷附：若材料中存在某些缺陷，受力时，缺陷附 近局部范围内的应力会急剧增加，称为应力集中。近局部范围内的应力会急剧增加，称为应力集中。材料化学材料化学 材料化学的

96、理论基础材料化学的理论基础 190 应力集中首先使其附近的高分子链断裂和相对位移，然后应力集中首先使其附近的高分子链断裂和相对位移，然后应力再向其它部位传递。应力再向其它部位传递。 缺陷的产生原因多种，如聚合物中的小气泡、生产过程中缺陷的产生原因多种，如聚合物中的小气泡、生产过程中混入的杂质、聚合物收缩不均匀而产生的内应力等。混入的杂质、聚合物收缩不均匀而产生的内应力等。 （ii）惰性填料）惰性填料：有时为了降低成本，在聚合物中加入一些只：有时为了降低成本，在聚合物中加入一些只起稀释作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉状碳酸钙。惰性起稀释作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉状碳酸钙。惰性填料往往使聚合物材料的强度降低。填料往往使聚合物材料的强度降低。 （iii）增塑）增塑：增塑剂的加入可使材料强度降低，只适于对弹：增塑剂的加入可使材料强度降低，只适于对弹性、韧性的要求远甚于强度的软塑料制品。性、韧性的要求远甚于强度的软塑料制品。 （iv）老化）老化材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 191材料化学材料化学 材料化学的理论基础材料化学的理论基础 192