【正文】 旋轉(zhuǎn)示意圖 伸展鏈 無規(guī)線團鏈 折疊鏈 螺旋鏈 單個大分子鏈的幾種構(gòu)象示意圖 高分子鏈的幾何形狀 由于聚合反應(yīng)的復(fù)雜性 ， 在合成聚合物的過程中 ， 可以發(fā)生各種各樣的反應(yīng)形式 ， 所以高分子鏈也會呈現(xiàn)出各種不同的形態(tài) 。一般說來 ， 高分子鏈的幾何形狀有以下三種： （ 1） 線型高分子 ：由許多鏈節(jié)組成的長鏈 ， 通常是卷曲成線團狀 。這類高聚物的特點是彈性 、 塑性好 ， 硬度低 ， 是熱塑性高聚物 。此類材料加熱后軟化 ， 冷卻后又硬化成型 ， 隨溫度變化可以反復(fù)進行 。 聚乙烯 、 聚氯乙烯等烯類聚合物都屬于典型的 熱塑性高聚物 。 （ 2） 支鏈型高分子 在主鏈上帶有支鏈 。 這類高聚物的性能和加工都接近于線型高分子 ， 也屬于 熱塑性高聚物 。 （ 3）體型 (網(wǎng)狀 )高分子 分子鏈之間有許多鏈節(jié)互相交聯(lián)，呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這類高聚物的硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是熱固性高聚物 。此類材料受熱發(fā)生化學(xué)變化而固化成型，成型后再受熱也不會軟化變形，如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。 三、高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 組成物質(zhì)的分子聚集在一起的狀態(tài)稱為物質(zhì)的聚集態(tài)。一般物質(zhì)的聚集態(tài)可分為氣體、液體和固體。高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，是指高分子材料內(nèi)部高分子鏈之間的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu)，也稱為超分子結(jié)構(gòu)，它是在高分子材料加工成型過程中形成的。高分子鏈之間以范德瓦爾斯鍵或氫鍵結(jié)合，鍵雖弱，但因分子鏈很長，故鏈間總作用力為各鏈節(jié)作用力與聚合度之積，因而大大超過鏈內(nèi)共價鍵。顯然，高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與高分子材料的性能有著直接關(guān)系。 第五節(jié) 無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)特點 Structures of Inanic Nonmetallic Materials (Ceramics) 陶瓷是由金屬和非金屬的無機化合物所構(gòu)成的多晶多相固體物質(zhì)，它實際上是各種無機非金屬材料的統(tǒng)稱。傳統(tǒng)上 “ 陶瓷 ” 是陶器與瓷器的總稱。后來，發(fā)展到泛指整個硅酸鹽材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。 一、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點 陶瓷材料在熱和化學(xué)環(huán)境中比它們的組元更穩(wěn)定，通常比相應(yīng)的金屬或聚合物更硬。陶瓷和金屬類似，具有晶體構(gòu)造，但與金屬不同的是其結(jié)構(gòu)中并沒有大量的自由電子。這是因為陶瓷是以離子鍵或共價鍵 為主的離子晶體 (如 MgO、 Al2O3等 )或共價晶體(如 SiC、 Si3N4等 )。 在室溫下，陶瓷材料的典型組織是由晶體相、玻璃相和氣相組成。 二、陶瓷晶體相 晶體相是組成陶瓷的基本相，也稱主晶相。它往往決定著陶瓷的力學(xué)、物理、化學(xué)性能。例如由離子鍵結(jié)合的氧化鋁晶體組成的剛玉陶瓷，具有機械強度高、耐高溫及抗腐蝕等優(yōu)良性能。氧化物結(jié)構(gòu)和硅酸鹽結(jié)構(gòu)是陶瓷晶體中最重要的兩類結(jié)構(gòu)。它們的共同特點是：①結(jié)合鍵主要是離子鍵，或含有一定比例的共價鍵；②有確定的成分，可以用準(zhǔn)確的分子式表示。 氧化物結(jié)構(gòu) 氧化物結(jié)構(gòu)的特點是較大的氧離子緊密排列成晶體結(jié)構(gòu)，較小的正離子填充在它們的空隙內(nèi)。根據(jù)正離子所占空隙的位置和數(shù)量的不同，形成各種不同結(jié)構(gòu)的氧化物，如下表所示。 結(jié)構(gòu)類型 晶體結(jié)構(gòu) 陶瓷中主要化合物 AX型 面心立方 堿土金屬氧化物 MgO、 BaO等 ， 堿金屬鹵化物 ， 堿土金屬硫化物 AX2型 面心立方 CaF2(螢石 )、 ThO VO2等 簡單四方 TiO2(金紅石 )、 SiO2(高溫方石英 )等 A2X3型 菱形晶體 αAl2O3(剛玉 ) ABX3型 簡單立方 CaTiO3(鈣鈦礦 )、 BaTiO3等 菱形晶系 FeTiO3(鈦鐵礦 )、 LiNbO3等 AB2X4型 面心立方 MgAl2O4(尖晶石 )等 100多種 硅酸鹽結(jié)構(gòu) 硅酸鹽材料在自然界中大量存在，約占已知礦物的三分之一。許多陶瓷材料都包含硅酸鹽，一方面是因為硅酸鹽豐富和便宜，另一方面則是因為它們具有在工程上有用的某些獨特性能。普通水泥是人們最熟悉的硅酸鹽，它最明顯的優(yōu)勢是能將巖石骨料結(jié)合成整塊材料。 （ 1）硅酸鹽四面體單元 O2－ Si4+ 硅氧四面體結(jié)構(gòu) （ 2）硅酸鹽結(jié)構(gòu)分類 硅氧四面體的四個頂點均分布有 O2， 所以它能與周圍其它陽離子或另一個硅氧四面體連接起來。當(dāng)整個硅氧四面體連接時由于 O2的排斥作用，使得各頂點只能以共有的形式相連接。但一個頂點最多只能兩個四面體共有，連接方式不同，硅酸鹽化合物的形式也就不同。 硅酸鹽具有下列結(jié)構(gòu)特點： ① 結(jié)構(gòu)中 Si4+間沒有直接的鍵 ， 而它們是通過 O2–連接起來的 。 ② 結(jié)構(gòu)是以硅氧四面體為基礎(chǔ)的 。 ③ 每一個 O2–只能連接 2個硅氧四面體 。 ④ 硅氧四面體間只能共頂連接，而不能共棱和共面連接。 陶瓷晶體相中的缺陷 陶瓷材料是多晶體，同金屬一樣，有晶粒、晶界，有亞晶粒、亞晶界。在一個晶粒內(nèi)，也有線缺陷（位錯）和點缺陷（空位和間隙原子），這些晶體缺陷的作用亦類同金屬晶體中的缺陷。如果陶瓷的晶粒細小，晶界總面積大，則陶瓷材料的強度大；空位和間隙原子可加速陶瓷工藝過程中燒結(jié)時的擴散，并且也影響物理性能。但是，陶瓷晶體中的位錯，卻不像金屬中的位錯對變形和強化起著那樣重要的作用，因為陶瓷晶體的晶格常數(shù)比合金的晶格常數(shù)大得多，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位錯運動極為困難，同時還很難產(chǎn)生新的位錯。所以陶瓷在常溫下幾乎沒有塑性變形能力，即脆性大。 三、玻璃相 陶瓷制品 ， 在燒結(jié)過程中 ， 有些物質(zhì) ， 如作為主要原料的 SiO2已處在熔化狀態(tài) 。 但在熔點附近 ， SiO2的粘度很高 ， 原子遷移困難 ， 所以當(dāng)液態(tài) SiO2冷卻到熔點以下時 ， 原子不能排列成長為有序 （ 晶體 ） 狀態(tài) ， 而形成過冷液體 。 當(dāng)過冷液體繼續(xù)冷卻到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg時 ， 則凝固為非晶態(tài)的玻璃相 。 因此 ， 玻璃相就是陶瓷高溫?zé)Y(jié)時各組成物和雜質(zhì)產(chǎn)生一系列物理 、 化學(xué)反應(yīng)后形成的一種非晶態(tài)物質(zhì) 。 它的結(jié)構(gòu)是由離子多面體 （ 如硅氧四面體 ）構(gòu)成短程有序排列的空間網(wǎng)絡(luò) 。 玻璃相在陶瓷組織中的作用是：粘結(jié)分散的晶體相，降低燒結(jié)溫度，抑制晶粒長大和填充氣孔使陶瓷致密等。 玻璃相的熔點低、熱穩(wěn)定性差，使陶瓷在高溫下容易產(chǎn)生蠕變，從而降低高溫下的強度。此外，由于玻璃相結(jié)構(gòu)疏松，空隙中常有金屬離子填充，因而降低了陶瓷的電絕緣性，增加介電損耗。所以工業(yè)陶瓷必須控制玻璃相的含量，一般為 20％～ 40％，特殊情況下可達 60％。 四、氣相 氣相是指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔，是在陶瓷生產(chǎn)過程中形成，并被保留下來的。陶瓷中的氣孔有開放氣孔和封閉氣孔兩種。 氣孔對陶瓷性能有顯著影響 。 如果是表面開口的 ， 會使陶瓷質(zhì)量下降 。 如果存在于陶瓷內(nèi)部 （ 閉孔 ） ， 不易被發(fā)現(xiàn) ， 這常常是產(chǎn)生裂紋的原因 ， 使陶瓷性能大幅下降 ， 如組織致密性下降 ， 應(yīng)力集中 ， 脆性增加 ， 介電損耗增大 ， 電擊穿強度下降 ， 絕緣性降低等等 。 因此生產(chǎn)上要控制氣孔數(shù)量 、 大小及分布 。 陶瓷材料的氣孔量用氣孔的相對體積（氣孔率）來表示，它是衡量陶瓷材料質(zhì)量的重要標(biāo)志。開放氣孔和封閉氣孔在材料中的總相對體積稱為真氣孔率；開放氣孔的相對體積稱為顯氣孔率。普通陶瓷的氣孔率為 5％～ 10％，特種陶瓷在 5％以下，金屬陶瓷要求在 ％以下。若要求陶瓷材料密度下，絕緣性好時，則希望有一定量氣相存在。