【正文】 集團(tuán)，如無規(guī)則鏈狀和密堆積狀集團(tuán)。 彌散顆粒結(jié)構(gòu)（ 2） ? 當(dāng)少相的含量不很低，但其顆?？奢^均勻分散在基體相中，像顆粒金屬膜、原位生長控制的非均質(zhì)材料，就具有這種較均勻的彌散結(jié)構(gòu)。 各向同性顯微結(jié)構(gòu)分類 ? 為了簡化論述，這里只以一個二相復(fù)合材料為例來闡述。 ? 在微米尺度上，它主要由 CSH凝膠相、夾雜晶粒和毛細(xì)孔構(gòu)成一個多相復(fù)合體系。 水泥硬化體 (混凝土 )的多尺度結(jié)構(gòu)特征 ? 在原子尺度上， CSH凝膠相是短程有序、長程無序的無定形結(jié)構(gòu)，而夾雜顆粒是晶體。 ? 即使是極為普通的材料，也會具有極為復(fù)雜的顯微結(jié)構(gòu)。 ? 在非均質(zhì)材料中，局部參數(shù)在不同位置可有不同取值。它們通常是靜態(tài)的(動力學(xué)意義上的 )，可由顆粒生長、相變、沉淀、組裝等方法產(chǎn)生。這種非均勻性主要是第一個尺度層次 (原子尺度 )上所要研究的。 ? 根據(jù)其特征，各種非均勻性可分為兩種： 微觀非均勻性 ? 這種非均勻性的尺度同結(jié)構(gòu)中某個重要的微觀尺度 (如晶胞常數(shù) )相當(dāng)。在宏觀上，人們常常的把材料看成是一種均勻體。 典型材料的顯微結(jié)構(gòu) ? 宏觀上，往往可以看到許多材料表面具有光澤或看上去是一個均一體。 ? （ 4）高矯頑力的 MnBi、 MnAl等； ? （ 5） IIIV族金屬化合物的半導(dǎo)體 ? （ 6）高臨界溫度的超導(dǎo)體， Nb3Sn、 NbC、NbN、 MoN、 ZrN等 中間相 ? （ 7）熒光材料 ZnS、 CdS等； ? （ 8） BaTiO3系半導(dǎo)體陶瓷，熱敏電阻材料 SiC、壓電陶瓷 BaTiO3，電光材料 CuCl、 ZnS，二次電子放射材料 GeCs、 MgO、 NaBr等； ? （ 9）鐵氧體磁性材料 (MFe2O4)、磁記錄材料?Fe2O正鐵氧體磁泡材料 REFeO3等 ? （ 10）紅外光學(xué)材料 Al2O MgO、 LiAl5O8，紅寶石、摻釹鋁石榴石等激光器材料等。 ? 由于金屬化合物中組元之間有著較固溶體的為大的化學(xué)交互作用，可以具備較固溶體更為廣泛的特殊的物理及化學(xué)性能。如溶劑為一價的金屬固溶體，晶格為面心立方時，穩(wěn)定固溶體的電子濃度極限值為 ,晶格是體心立方時則為 。當(dāng)電子濃度達(dá)到某一臨界值時，形成的固溶體晶格就不再穩(wěn)定。當(dāng)合金化后的固溶體中溶質(zhì)原子和溶劑原子的價電子貢獻(xiàn)數(shù)不同，因溶質(zhì)原子的溶入使晶格中的電子濃度及電子云結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。 ? 負(fù)電性因素的作用也是極為重要和普遍存在的，例如硫和鋁同鐵原子尺寸差別相近，但鋁在鐵中的溶解度卻比硫大得多，其主要原因在于它們之間的負(fù)電性較接近。 ? 最后會在溶質(zhì)原子的相對尺寸大于某一臨界數(shù)值時，使間隙固溶體的溶解度下降至零，即完全不能形成間隙固溶體。溶質(zhì)原子的尺寸越小，間隙固溶體就越容易形成，其溶解度也就越大。毫無疑問，固溶兩元素之間的尺寸相差越大，畸變就越大，固溶體晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就越差。 影響固溶體結(jié)構(gòu)形式 和溶解度的因素 ? 如果溶質(zhì)原子比溶劑原子大，那么固溶體形成后的結(jié)構(gòu)就會發(fā)生如下左圖的畸變，稱為正畸變。 ? 如果組成合金組元的原子尺寸超過 14％～ 15％時，其固溶度一定很小，當(dāng)相互的原子尺寸差小于 15％時，尺寸因素就成為影響固溶度的次要因素。 ? 根據(jù)溶質(zhì)原子在晶體中的位置可分為置換固溶體、間隙固溶體或缺位固溶體。 ? 固溶度的大小與多種因素有關(guān)。溶質(zhì)原子在固溶體中的量稱為溶解度，固溶體的性能隨溶解度的大小而變化。玻璃的溶解度是由化學(xué)相互作用決定的，所有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶體的溶解度。只有在理想情況下，可以用原子半徑的幾何學(xué)關(guān)系來說明溶解度。 固溶體的形成和結(jié)構(gòu) ? （ 4）間隙型固溶體是一種特殊固溶體，在這種固溶體中，尺寸很小的溶質(zhì)原子處于溶劑晶格的間隙，這種固溶體的前提條件是原子半徑比不超過一定值。 ? （ 2）晶體的固溶度很大的前提條件是，各成分的晶體類型必須相同。晶體原則上要有固溶度才能形成固溶體。 ? 形成固溶體是有條件的，最基本的條件是溶解焓要很小。 固溶體的形成和結(jié)構(gòu) ? 相的種類有： ? （ 1）單晶 幾乎都是金屬鍵結(jié)合的金屬晶體 ? （ 2）兩種以上原子結(jié)合的價電子晶體 其組成方式有離子結(jié)合或共價結(jié)合 ? （ 3）分子晶體 由范德瓦爾斯力結(jié)合而成 ? （ 4）玻璃 由原子或分子構(gòu)成的不規(guī)則網(wǎng) 固溶體的形成和結(jié)構(gòu) ? 在上述固相中溶入了其它種類的原子或分子就形成了固溶體或固溶玻璃，在溶劑中溶質(zhì)無序分布形成的是理想固溶體。 ? 主要的材料都存在多個相，如鋼、水泥、木材、時效硬化型鋁合金，幾乎所有的塑料和橡膠等都是多相材料。 ? 非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與陶瓷不同，它不是無規(guī)則的網(wǎng)目狀，原子雖然是不規(guī)則排列，但互相配置卻很緊密。 非晶質(zhì) ? 最近幾年，非晶態(tài)金屬作為一種材料被廣為開發(fā)，非晶態(tài)金屬是一種復(fù)雜的固溶體，例如有Fe80B Ni49Fe29P14B6Si2等。 非晶質(zhì) ? 高分子塑料非晶質(zhì)是最簡單地?zé)o序穿織而成，分子相互接觸處的結(jié)合力很弱。 ? 容易獲得非晶質(zhì)的材料是具有強(qiáng)共價結(jié)合晶體或者由非對稱性的線性分子組成的晶體，因此陶瓷材料、高分子材料容易形成非晶質(zhì)。 非晶質(zhì) ? 非晶質(zhì)可以看成是固體材料，含有大量的各種結(jié)構(gòu)缺陷。 ? 非晶質(zhì)與晶體之間還有準(zhǔn)晶體存在。 (c) 2維缺陷，亦稱面缺陷：晶界、層錯等。 晶格缺陷 ? 晶體中的各種缺陷可以歸納如下： (a) 0維缺陷，亦稱點(diǎn)缺陷：空位、晶格間隙原子、異種原子等。 上述三種材料不論哪一種均可以以晶體、非晶態(tài)，或兩者混合的方式存在。硅是一典型例子，這種鏈可以是－ C－ ,也可以是－ Si－ O－，還有以芳香環(huán)形成的鏈，由這種物質(zhì)形成的某一晶面，很容易將其剝離。除此，有不遵循價電子法則的金屬間化合物，如 Ni3Al、CuZn、 NiTi等，也有金屬與非金屬組成的化合物，如 Fe3C、 TiC、 Fe4N、 FeSi等。單元素晶體有金剛石、硼，化合物方式有 MgO、 SiOSi3N SiC等。 結(jié)晶 ? 液體，非晶態(tài)玻璃及晶體的共同特點(diǎn)是密度較高，原子與分子的相互影響較強(qiáng)，不同的是液體的原子與分子的排列從整體看是無序的，而晶體卻是排列規(guī)則性很強(qiáng)，同原子構(gòu)成的三維晶格周期性地一直排列到晶體表面。等離子體在材料技術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)有等離子體表面強(qiáng)化工藝及電焊弧工藝等應(yīng)用。高溫下，由于熱能的關(guān)系，容易形成無序態(tài)。 金屬結(jié)合（金屬鍵） ? 由于金屬晶體中的價電子彌散在整個體積中，可以自由運(yùn)動，于是就使金屬具有區(qū)別于其它晶體的特性，如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可塑性等。金屬結(jié)合的特點(diǎn)是金屬原子的價電子脫離原來的原子，為整個晶體所共有。 金屬結(jié)合（金屬鍵） ? 金屬的結(jié)合均為金屬鍵結(jié)合。 ? 大部分有機(jī)化合物的晶體及 CO H O2等在低溫下形成的晶體都是分子晶體，分子晶體的晶體結(jié)構(gòu)主要取決于幾何因素，所以趨向于密堆。 ? 完全由共價鍵結(jié)合的晶體具有高的熔點(diǎn)、高的硬度和強(qiáng)度，共價結(jié)合的結(jié)合力很強(qiáng)，全部外層電子被束縛于共價鍵。鍵合類型稱為共價鍵雙原子分子，如 O H N F Cl2等都是共價結(jié)合。兩個氯原子共享它們之間的兩個電子，形成氯分子。 共價結(jié)合（共價鍵） ? 穩(wěn)定的滿的 ns+np支殼層也可以通過兩個原子共享它們之間的電子來實(shí)現(xiàn)。 ? 例如 Na和 Cl反應(yīng)， Na的 3s軌道電子跑到 Cl的 3p軌道上，使兩元素的最外層軌道都成為填滿狀態(tài)。 ? 斥力來源于同性電荷之間的庫侖斥力和 Pauli排斥作用，前者是能項(xiàng)，后者是勢動能項(xiàng)，斥力是短程的，只有兩原子的距離在接近原子間距時，才能顯示其重要性，如果原子間距進(jìn)一步減小，斥力的增長速度將大于吸力。 原子的結(jié)合 ? 電子間的相互作用可以分成兩類，即吸引作用和排斥作用。 ? 如 26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2 ? 由于過渡族元素電子結(jié)構(gòu)的特殊性，表現(xiàn)出許多特殊的性能，例如強(qiáng)磁性、不規(guī)則的熔融溫度，彈性系數(shù)，化學(xué)結(jié)合能力等。 原子 ? 元素周期表總結(jié)了元素的原子價和性能隨原子序數(shù)的增加而表現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律，這種周期性變化規(guī)律又與原子的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 第二章 材料的結(jié)構(gòu) ? 單相材料的結(jié)構(gòu) ? 多相材料的結(jié)構(gòu) ? 典型材料的顯微結(jié)構(gòu) 單相材料的結(jié)構(gòu) ? 原子 ? 原子的結(jié)合 ? 結(jié)晶 ? 晶格缺陷 原子 ? 所有的物質(zhì)均由原子組成，原子是由帶正電荷的原子核和包圍在原子核周圍的電子云所組成，原子核的直徑約為 10－ 5 nm，電子距原子核為~ nm，原子核占據(jù)了原子的絕大部分質(zhì)量，其質(zhì)量體積比僅是原子的 10－ 10。 ? 相反，它們的大部分性能是由其顯微結(jié)構(gòu)層次上的特征所決定。 ? 例如，納米微球面心立方結(jié)構(gòu)光子晶體具有相當(dāng)弱的帶隙，它要求大的介電常數(shù)反差；而鉆石型結(jié)構(gòu)光子晶體則具有寬的帶隙。 ? 這類似于半導(dǎo)體中周期原子勢產(chǎn)生電子能隙。 SiO2微球自組裝而成的周期結(jié)構(gòu) ? 由 SiO2納米微球自組裝而成的蛋白石 (opal)結(jié)構(gòu)，形成三維 SiO2氣孔周期納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。 通過周期復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新材料 ? 與納米結(jié)構(gòu)復(fù)合相類似，周期結(jié)構(gòu)復(fù)合也已成為獲得 0+00復(fù)合效應(yīng)的有效途徑。 通過納米結(jié)構(gòu)復(fù)合獲得新功能 ? 例如，當(dāng)納米金粒子 (黃色的 Au)或納米銀粒子(白色 Ag)引入玻璃中，玻璃即分別被著色成為紅色玻璃或黃色玻璃，因此，在 Au/玻璃復(fù)合中發(fā)生了“黃色 +無色 ?紅色”轉(zhuǎn)變，而對 Ag/玻璃復(fù)合，發(fā)生了 “白色 +無色 ?黃色”轉(zhuǎn)變。 ? 一個經(jīng)典的實(shí)例是玻璃著色。甚至產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的、已知的磁電材料 (如 Cr2O3和復(fù)雜鈣鈦礦氧化物 )的巨磁電 (GME)效應(yīng)，使得這種新型多重鐵性復(fù)合材料特別具有技術(shù)應(yīng)用潛力。 ? 一個令人注目的實(shí)例是在由磁致伸縮－壓電材料組合的多重鐵性復(fù)合材料種產(chǎn)生的新型磁電性，而單純的磁致伸縮、或壓電材料是不具備磁電性的。 ? 因此， “ 0+00”復(fù)合效應(yīng)是利用已有物質(zhì)發(fā)現(xiàn)新型材料的獨(dú)特方法。 通過納米結(jié)構(gòu)復(fù)合獲得顯著增強(qiáng) 的熱電優(yōu)值 0+00復(fù)合效應(yīng)－無中生有： 產(chǎn)生新功能 ? “0+00”復(fù)合效應(yīng)比“ 1+12”復(fù)合效應(yīng)更富創(chuàng)意，因?yàn)橥ㄟ^“ 0+00”復(fù)合效應(yīng)可使復(fù)合材料呈現(xiàn)出兩個組成所沒有的新性能，著在一定意義上意味著發(fā)展出新材料。 通過納米結(jié)構(gòu)復(fù)合獲得顯著增強(qiáng) 的熱電優(yōu)值 ? 近年相繼在鐵磁 /非鐵磁 (如 Fe/Cu等 )多層復(fù)合材料、納米顆粒鐵磁復(fù)合材料 (如 Fe/Ag等 )中發(fā)現(xiàn)巨磁阻 (GMR)效應(yīng)，使得 GMR復(fù)合材料成為近些年來最激動人心的新材料領(lǐng)域之一。 ? 另一方面，大量的界面導(dǎo)致強(qiáng)的界面散射，使熱導(dǎo)率顯著降低。 ? 其中，最引人注目的是通過形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu) (如量子阱、量子線、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu) )，利用其中“量子限制”來獲得具有顯著增強(qiáng)的 ZT的新型熱電材料。 通過納米結(jié)構(gòu)復(fù)合獲得顯著增強(qiáng) 的熱電優(yōu)值 ? 盡管人們對熱電材料進(jìn)行了長期不懈的努力，但不幸的是，在近四十多年來， ZT約為 1的記錄一直未被顯著突破。衡量材料熱電性能優(yōu)劣的指標(biāo)是它的熱電優(yōu)值 (品質(zhì)因子 )即 ZT(=?2?T/ ? ，其中 ?是Seebeck系數(shù)、是 ?電導(dǎo)率、是 ?熱導(dǎo)率、 T是絕對溫度 )。 通過納米結(jié)構(gòu)復(fù)合獲得顯著增強(qiáng) 的熱電優(yōu)值 ? 通過納米結(jié)構(gòu)復(fù)合是獲得顯著 1+12復(fù)合效應(yīng)的另一個有效途徑。 利用組成物質(zhì)之間相互作用獲得顯著增強(qiáng)的離子電導(dǎo)率 ? 近年來，一個重要的趨勢是發(fā)展全固態(tài)聚合物電解質(zhì)，以取代目前的含液體的聚合物電解質(zhì)，即同樣加入惰性顆粒相 (如非活性、絕緣的Al2O SiO2顆粒 )。但是 PEO與鋰鹽形成的聚合物電解質(zhì)在室溫時有較高的結(jié)晶相，具有低的離子電導(dǎo)率 (107 (??cm)1)，限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。 ? 在它們中引入非活性的異相顆粒形成復(fù)合介質(zhì)后，兩種組成物質(zhì)之間相互作用導(dǎo)致在離子導(dǎo)體與活性顆粒之間形成了一個活性界面層 (缺陷富集、空間電荷層、和 /或無序?qū)?)，它是鋰離子傳導(dǎo)的快速通道，從而導(dǎo)致離子電導(dǎo)率發(fā)生異常增加，最大增幅可達(dá)近 104倍。 ? 最早的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)是由無機(jī)離子導(dǎo)體 (如鋰鹽 )基體和外加的惰性顆粒相 (如非活性、絕緣的 Al2O SiO2顆粒 )組成的。 ? 例如，近來 Solin等人在 Au和 InSb的一個簡單復(fù)合結(jié)構(gòu)中觀察到非常高的室溫磁阻，這個顯著增強(qiáng)的磁阻源于，在 Au/InSb簡單組合中， Au在磁場中產(chǎn)生的電流偏轉(zhuǎn)；在零磁場時， Au是短路的，但在高場時，它是斷路的。 ? 在這種新型高介電 NiO陶瓷