【文章內(nèi)容簡介】 熱性好 ,液態(tài)的溫度范圍寬 熔點(diǎn)高 ,膨脹系數(shù)小 ,熔體中有離子存在 熔點(diǎn)高 ,膨脹系數(shù)小 ,熔體中有的含有分子 熔點(diǎn)低、高膨脹性 光學(xué)性能 不透明 , 有金屬光澤 與各構(gòu)成離子相同 ,對紅外的吸收強(qiáng) ,多是無色 or淺色透明 高折射率 ,同氣體的吸收光譜很不同 透明 其它 延展性良好 除鏈狀高分子外 ,延展性都較差 ?多種鍵型化合物： 多元化合物一般具有幾種鍵型。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?絕大多數(shù)有機(jī)化合物 ， 分子的原子間由共價鍵連結(jié) ，分子間靠范德華鍵聯(lián)系； 有機(jī)酸的金屬鹽 中還有離子鍵 。 若原來分子中含有氫鍵 ， 則同時具備四種鍵型 。 ?結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的氫氧化物 中 ， 也能同時存在共價鍵 、離子鍵和氫鍵等 3種鍵型； 酸和酸性鹽 中 ， 除離子鍵和共價鍵外 ， 還有大量氫鍵 。 ?硅酸鹽： 另一類多鍵型的復(fù)雜化合物，大量離子鍵和共價鍵，某些情況下也有氫鍵和范德華鍵。特別是某些天然的鏈狀和層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)更復(fù)雜 。 ?晶體結(jié)構(gòu)的基本特征 ?晶體 ——原子 or原子團(tuán)、離子和分子按一定規(guī)律呈周期性的排列構(gòu)成的物質(zhì) , 即從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看：晶體結(jié)構(gòu)的基本特征 是 原子 or分子 在三維空間呈周期性的規(guī)則而有序地排列 ,即存在長程的幾何有序 。 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) ?結(jié)構(gòu)的不完整性 ： 實(shí)際上，極大多數(shù)晶體都有大量的與理想原子排列的輕度偏離存在， 依據(jù)其幾何形狀而分為 點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷 。結(jié)構(gòu)的不完整性 會對 晶體的性能造成重大影響 。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 單晶： 由一塊結(jié)構(gòu)均勻的大晶體構(gòu)成的固體，具有各向異性、一定的熔點(diǎn)，生長良好時外形規(guī)則。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?晶體排列狀態(tài)：由構(gòu)成原子 or分子的幾何形狀和鍵型所決定，為無方向性的球狀 (單獨(dú)的原子 )時較簡單；若為有機(jī)物分子類有方向性時，則相當(dāng)復(fù)雜。 ?構(gòu)成原子 or分子的吸引力與排斥力在達(dá)到均衡時相互保持穩(wěn)定構(gòu)成晶格。一般晶體外形有變化，晶格也不會改變。生長良好的晶體外形常呈現(xiàn)某種對稱性，其宏觀對稱性是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀對稱性的表現(xiàn)，與晶體的性能有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。 按晶格邊長 ,晶軸相交角度等可將晶體分為 7大晶系 晶系 特征 立方 a=b=c， ?=?=?=90?(3根軸互相正交 ,軸長相等 ) 正方 a=b?c， ?=?=?=90?(3根軸互相正交， 2根軸長相等， 1根軸不等 ) 三方 a=b=c， ??90?， ?=?=90? (3根軸長相等， 2根軸正交，另 1根軸向一個方向斜交 ) 斜方 a?b?c， ?=?=?=90? (3根軸互相正交，軸長均不相同 ) 單斜 a?b?c， ??90?， ?=?=90? (2根軸正交，另 1根軸向一個方向斜交， 3根軸長均不相同 ) 三斜 a?b?c， ??????90? (3根軸互相斜交，軸長各不相同 ) 六方 a=b?c， ?=?=90?， ?=120?(2根軸等長 ,在同一面內(nèi)互相以 60?相交 ,不等長的另 1根軸同其正交 ) 七大晶系的晶格特征 結(jié)晶系示例見 圖 24 圖 24 結(jié)晶系示例 晶體的結(jié)構(gòu)定出了之后，如得知原子半徑 r即可求出表示晶格大小的晶格常數(shù) a。可借助于 X射線衍射法確定結(jié)構(gòu)，求出 a。根據(jù) r和 a可計算出晶體的密度。 給出了兩種結(jié)構(gòu)的原子半徑r與晶格常數(shù) a的關(guān)系。 許多固體以多晶形式存在，常見金屬及其合金、大多數(shù)陶瓷和礦物等均屬于多晶體。 多晶是許多單晶組成的聚集體，即由許多取向不同的晶粒組成。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?晶界：多晶體中，兩個晶粒相遇時所產(chǎn)生的界面。 ?晶粒大小相差極為懸殊，粒徑可小至 ?m(如粘土粒子 )~nm(超細(xì) TiO2粒子 )，大到 cm(如黃銅粒子 )。 ?晶體中的原子總是在平衡位置附近進(jìn)行熱振動。晶體中又包含著種種缺陷如： 點(diǎn)缺陷、線缺陷和體缺陷 等，造成結(jié)構(gòu)的不完整性。 (a) 1200℃ (b) 1150℃ (c) 1100℃ 不同燒結(jié)溫度所得 Y2O2S:Eu3+產(chǎn)物的 SEM照片 SEM micrographs for the phosphor fired at different temperatures 可看出： T燒結(jié) 在 1150℃ 和 1200℃ 時 ,微觀晶體顆粒生長得比較完整 ， 基本上成六邊形 ， 盡管部分顆粒有團(tuán)聚現(xiàn)象 ， 但整體上看顆粒的大小比較均勻 。 在1100℃ 時生成的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象很明顯 ， 而且大小不均 ， 晶體結(jié)構(gòu)不完整 。 4μm 20μm 結(jié)構(gòu)的不完整性 一般所認(rèn)為的純材料實(shí)際上都溶有某些雜質(zhì)。許多情況下 , 固溶體是有意制備的 , 目的在于改變某些性能 —雜質(zhì)的控制使用。有取代型和填隙型兩類 圖 26 。 溶質(zhì)原子 ——雜質(zhì) or有意添加的 , 都會使晶體基體發(fā)生局部的結(jié)構(gòu)擾亂 , 形成固溶體。是 1種相當(dāng)重要的點(diǎn)缺陷。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 Fig26 簡單晶體中存在間隙雜質(zhì)原子 和取代雜質(zhì)原子的示意圖 置換 (取代 )雜質(zhì)原子 間隙雜質(zhì)原子 ?過渡金屬中 : 添加的 H、 N、 C、 B都易處在間隙位置中 ,非常低的雜質(zhì) %對其力學(xué)和電學(xué)性能也有顯著的影響。 ?添加原子的大小、晶格結(jié)構(gòu)的空隙大小與形成間隙固溶體密切相關(guān)的。 許多硅酸鹽固溶體中， Be2+、 Li+、或 Na+等小半徑正離子易進(jìn)入到晶體晶格間隙中。 ?晶格結(jié)構(gòu)的空隙越大 , 也有利于形成固溶體 。像面心結(jié)構(gòu)的 MgO，只有四面體空隙可以利用；反之在 TiO2晶格中還有八面體空隙可以利用；在 CaF2型結(jié)構(gòu)中則有配位為 8的較大空隙存在；再如架狀硅酸鹽片沸石結(jié)構(gòu)中的空隙就更大了。 ∴ 形成填隙固溶體的次序必然是片沸石 CaF2TiO2MgO。 固溶體對金屬合金和特種陶瓷制備的作用很大： 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ① 結(jié)構(gòu)位置缺陷 :空位 —晶體中沒有被占據(jù)的原子位置 。間隙原子 —晶體本身的原子占據(jù)了間隙位置。 間隙原子常比空位少得多 , ∵ 它在金屬中所引起的結(jié)構(gòu)畸變太大。 空位的 重要特點(diǎn) 是能與相鄰原子交換位置而運(yùn)動。這使得原子高溫時可在固態(tài)中進(jìn)行遷移 (即擴(kuò)散 )。 T ? ?平均熱能 ? ? 原子振動的振幅也 ?。 ②組成缺陷：前面已談的雜質(zhì)原子；③電荷缺陷。 理想晶體中一些原子被外界原子所代替 , or晶格間隙中摻入原子 , or留有原子空位 , 破壞了有規(guī)則的周期性排列 , 引起質(zhì)點(diǎn)間勢場的畸變 , 所造成晶體結(jié)構(gòu)的不完整 , 僅僅局限在原子位置?？煞譃椋? ?點(diǎn)缺陷： 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ∵ 熱運(yùn)動，晶體中總有一些原子要離開它的平衡位置，造成點(diǎn)缺陷。金屬和共價固體中 2種最常見的與雜質(zhì)原子無關(guān)的結(jié)構(gòu)點(diǎn)缺陷見圖 27 。 ① 弗倫克爾缺陷： 一些能量足夠大的原子離開平衡位置后，擠到格子點(diǎn)的間隙中，形成間隙原子，而原來位置上形成空位。② 肖特基缺陷： 固體表面層的原子獲得較大能量，但還不足夠使它蒸發(fā)出去，只是移到表面外新的位置上，而留下原來位置形成空位，這樣晶格深處的原子就依次填入 →表面上的空位逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部去。 一般， r+≈r時以肖特基缺陷為主如 NaCl，相差大時以弗倫克爾缺陷為主如 AgBr。這兩種缺陷都 對離子晶體的導(dǎo)電性 均有貢獻(xiàn)。 ?刃位錯 ：特性是滑移方向和位錯線垂直，見 圖 28。 ?螺旋位錯 ：由于剪應(yīng)力的作用使晶面互相滑移，滑移部分的相交位錯線和滑移方向平行。位錯線周圍的一組原子面形成了一個連續(xù)的螺旋形坡面。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?線缺陷： 實(shí)際晶體在結(jié)晶時受到雜質(zhì)、溫度變化 or振動產(chǎn)生的應(yīng)力作用 or∵ 受到打擊、切削、研磨等機(jī)械應(yīng)力的作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形，原子行列間相互滑移，不再符合理想晶格的有序的排列，形成線狀的缺陷，也稱為 位錯 。造成質(zhì)點(diǎn)滑移面和未滑移面的交界線稱為位錯線。 (a) 為在剪應(yīng)力作用下，使晶體的 1個原子面相對其相鄰原子面移動 1個原子間距； (b)為在宏觀尺度中，所引起的永久形變表現(xiàn)為晶體的一部分相對另一部分發(fā)生位移。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?多晶體是由許多結(jié)合得并不十分嚴(yán)密的微小晶粒構(gòu)成的聚集體 。 如 圖 29所示的構(gòu)造就是 1種面缺陷 。 ?晶界 (晶粒之間的邊界 )是能量較高的結(jié)晶不完善的區(qū)域 , 其厚度等于 1?2個原子直徑 。 由于晶界的原子堆積不完善 , 所以雜質(zhì)原子傾向于偏聚在晶界上 。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?面缺陷 ?只有在一定條件下如有籽晶存在 ,才能形成單晶體。多數(shù)固體是多晶體 , ∵ 許多地點(diǎn)有晶核產(chǎn)生。如鑄錠凝固時 , 形成許多晶粒。緩慢凝固的鑄件 , 有時能用肉眼看到晶粒 。 凝固速率較快 , 晶粒尺寸就會小些 , 只有借助于光學(xué)顯微鏡才能夠看見晶粒。 每個單獨(dú)的晶粒都是單晶體，在 1個晶粒內(nèi)，給定的 1組原子面在空間具有相同的位向，但其相鄰的晶粒具有不同的結(jié)晶學(xué)位向。晶粒之間不是 公共面 ，而是 公共棱 的。原子面從 1個晶粒到相鄰的晶粒是 不連續(xù)的 。 圖 29 表示多晶體中各個晶粒位向的示意圖 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?金屬材料的結(jié)構(gòu) ?無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu) ?高分子材料的結(jié)構(gòu) ?多相復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模式 材料的結(jié)構(gòu) 當(dāng)原子 or分子結(jié)合成固體時， 可能形成晶體 ，也可能形成非晶體 。不具有明顯晶體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)統(tǒng)稱為 無定形結(jié)構(gòu) or非晶質(zhì) 。液體、氣體等均屬于無定形結(jié)構(gòu)，也有例外，如液晶。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?金屬材料的結(jié)構(gòu)： 一般都是晶體。 ∵ 金屬鍵無方向性，晶體結(jié)構(gòu)具有最致密的堆積方式， 配位數(shù) Z(1個原子最鄰近的、等距離的原子數(shù) )也特別高。 金屬晶體結(jié)構(gòu)會隨 T發(fā)生變體轉(zhuǎn)變，常溫下金屬元素晶體結(jié)構(gòu) (見 圖 210) 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?體心立方結(jié)構(gòu) BCC(bodycentered cubic structure)在立方晶格的中心具有原子 ，如常溫下的 鐵、鉻、鎢 等 (a)單位晶格 (b)2個以上晶格 (c)原子的堆積 ?多數(shù)是體心立方、面心立方和緊密堆積六方結(jié)構(gòu)。堿金屬均為體心立方， Z=8；堿土金屬多數(shù)為六方密堆積， Z=12；過渡金屬先是六方密堆積和體心立方，最后完全過渡到面心立方結(jié)構(gòu)。面心立方和六方密堆積一樣，是最密的堆積方式， Z也是 12。 ?面心立方結(jié)構(gòu) FCC(facecentered cubic structure) 在立方晶格的 6個面上各有 1個原子的結(jié)構(gòu)， 如常溫下的 鎳、鋁、銅、鉛、銀、金和 910?1400?C之間的鐵 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 圖 212 面心立方結(jié)構(gòu) (a)單位晶格 (b)2個以上晶格 (c)原子的堆積 ?緊密堆積六方結(jié)構(gòu) (hexagonal closepacked structure) 是在六方晶格的內(nèi)部具有 3個原子的結(jié)構(gòu)，如常溫下的鈦、鎂、鋅等 (圖 213)。 圖 213 緊密六方結(jié)構(gòu) 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 除單質(zhì)外，合金一般都是多晶體，有時可形成固溶體、共溶晶、金屬間化合物以及它們的聚集體。典型金屬固溶體有 CuAu、 CuNi、 FeNi等合金。組成合金的元素 ,可相互起化學(xué)作用形成化合物 or可相互溶解形成固溶體。此外，還能形成另1種既不屬于化合物也不屬于固溶體的相 —中間相。 ? 金剛石型結(jié)構(gòu)： 極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu) (圖 214)， 如金剛石 、 硅 、 鍺等半金屬 。 原子間以共價鍵結(jié)合 ， 4個鍵互相呈 109?、 280?角度伸向正四面體的頂點(diǎn) 。鍵的強(qiáng)度很牢固 。 ?純金屬一般認(rèn)為是微細(xì)晶粒的聚集體； ?合金則可看作母相金屬原子的晶體與加入的合金晶體等聚合而成的聚集體。 ?晶粒間的結(jié)合力要比晶粒內(nèi)部的結(jié)合力小 。 軟鋼、銅、金、鋁等之所以能經(jīng)受大的塑性變形，是 ∵ 在發(fā)生滑移變形的同時，原子相互間的位置依次錯開又形成了新的鍵，從整體看，是 ∵ 原子間的鍵難于斷開的緣故。 ?晶粒晶界上的結(jié)合是機(jī)械結(jié)合 ， 即金屬由高溫熔體凝固析晶時，相互嚙合牢固地結(jié)合在一起 。 晶粒間的接觸面越大，結(jié)合力也越大 。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 金屬材料也可看成是由晶體的聚集體構(gòu)成的： 無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu) ：金剛石、 Si、 Ge等。 圖 215 SiO4結(jié)構(gòu)單元 ：陶瓷的主要結(jié)構(gòu)，其中