固体中的相结构.课件

1、第二章 固体中的相结构基 本 概 念合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本的物质。（如一元、二元、三元合金，可以是元素，也可以是化合物。合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。相：任一给定的物质系统中，具有同一化学成分、同一原子聚集态和性质的均匀连续组成部分。 相的分类：固溶体、化合物、陶瓷晶体相、玻璃相、 分子相。2固体中的相结构2.1.1 什么是固溶体固溶体：固态下一种组元溶解在另一种组元中形成的新相。晶格与溶剂晶格类型相同。 溶剂：晶格与固溶体相同的组元。 溶质：固溶度：溶质原子在

2、溶剂中的最大含量（极限溶解度）。固溶体基本特征：保持原溶剂的晶体结构；有一定的成份范围；具有比较明显的金属性质。具有一定的导电和导热性和一定的塑性等等。这表明，固溶体中的结合键主要是金属键。第一节 固溶体2.1.1 什么是固溶体固溶体分类：按溶质原子在溶剂点阵中的位置分： 置换固溶体、间隙固溶体按溶解度分：无限固溶体、有限固溶体按原子在点阵中排列的秩序性分： 无序固溶体、有序固溶体第一节 固溶体置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。Hume-Rothery三大经验规律： 溶剂、溶质原子半径之差与溶剂原子半径比超过14%15%时，固溶度极为有限。溶剂和溶质的电化学性质相近。固溶度与元素的

3、原子价有关。影响固溶度的因素原子尺寸因素：原子半径差越小，固溶度越大。(表2-1)晶体结构因素：结构相同，溶解度大；间隙原子在FCC中溶解度大于BCC中溶解度。负电性因素(化学亲和力)：负电性差越大，溶解度大。（负电性差很大时，形成化合物）电子浓度因素：电子浓度e/a越大，溶解度越小。c=e/a=xu +(1-x)v（电子浓度：合金中两个组元的价电子总数和原子总数之比。）第一节 固溶体2.1.2 置换固溶体第一节 固溶体2.1.2 置换固溶体当溶剂为一价面心立方金属时，不同溶质的最大固溶度对应的电子浓度具有一定的极限值；溶质元素原子价愈高，固溶度愈小。间隙固溶体：原子半径小于0.1nm的非金属

4、元素溶入到溶剂金属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。非金属元素：H, N, C , B, O溶解度一般都很小，只能形成有限固溶体。典型间隙固溶体： 碳溶于-Fe（八面体间隙）、-Fe形成固溶体第一节 固溶体2.1.3 间隙固溶体固溶体宏观上均匀，微观上不均匀出现偏聚，部分有序，完全有序等情况。取决于同类原子结合能(EAA ， EBB)和异类原子间结合能(EAB)的相对大小。第一节 固溶体2.1.4 有序固溶体若EAA ， EBB EAB时，则有同类原子的偏聚区; 若 EAA ，EBB EAA或EBB物理性能的变化： 随溶质原子的增多，电阻升高。例题2.1.1：p59第一节 固溶体2.1.5 固溶体

5、的性能金属间化合物（中间相）：金属与金属或金属与类金属之间所形成的化合物。影响因素：电负性，电子浓度，原子尺寸类型：正常价化合物：符合原子价规则的化合物，AmBn电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成。间隙化合物：受原子尺寸因素控制。第二节 金属间化合物2.2 金属间化合物符合原子价规则的化合物。AmBn，mec=n(8-eA)有一定成分，可用化学分子式表示， 一般表示为AB或AB2（A2B）。电负性差对其形成其主要作用，差值越大，稳定性越高。键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。形成元素：金属元素与A、A、A族元素。结构：不同于组元。NaCl结构，CaF2结构2.2.

6、1 正常价化合物第二节 金属间化合物 性能特点：熔点、硬度及脆性较高。不遵守化合价规律，按一定电子浓度值形成。电子浓度不同，晶格类型不同。 相： 电子浓度： 3/2 21/13 21/12 结构： bcc 复杂立方 密排六方 键型：金属键（金属金属），有金属特性。可用化学式表示，但成分可在一定范围内变化，可以形成以化合物为基的固溶体。形成元素：B族或过渡族金属元素与B、A、 A族元素。2.2.2 电子化合物第二节 金属间化合物对含过渡族元素的电子化合物，计算电子浓度时，过渡族元素的价电子数常视为零。受原子尺寸因素控制形成元素：过渡族金属与原子半径很小的非金属元素。 简单间隙化合物（间隙相）：R

7、x/RM0.59, 结构复杂。主要是铁、钴、铬、锰的化合物，如Fe3C。2.2.3 间隙化合物第二节 金属间化合物力学性能：高硬度、高熔点、低塑性特殊的物理化学性质：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。 例题2.2.2：p632.2.4 金属化合物的特性第二节 金属间化合物2.3 陶瓷晶体相按用途可分为： 结构陶瓷（利用其力学性能）：强度（叶片、活塞）、 韧性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。 功能陶瓷（利用其物理性能） 精细功能陶瓷：导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等。 功能转换陶瓷：压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等。 按结构可分为： 氧化物陶瓷、 硅酸盐

8、陶瓷特点：结合键：以离子键为主，可含有一定比例的共价键。成 分：确定，可用分子式表示。性 质：具有典型的非金属性质。第三节 陶瓷晶体相2.3.1 氧化物结构(1) AB型化合物的结构：NaCl结构、闪锌矿结构、硫锌矿结构。第三节 陶瓷晶体相 (2) AB2型化合物的结构: 面心立方（萤石等）, 金红石型结构2.3.1 氧化物结构(3) A2B3型化合物的结构：简单六方，刚玉(-Al2O3）、 - Fe2O3、 Cr2O3、 Ti2O3、 V2O3。(4) ABO3型化合物的结构：简单立方；钙钛矿（CaTiO3）、 BaTiO3、 PbTiO3第三节 陶瓷晶体相2.3.1 氧化物结构(5) AB

9、2O4型结构：尖晶石（MgAl2O4），面心立方第三节 陶瓷晶体相2.3.2 硅酸盐结构的特点及分类硅酸盐结构的特点a 基本结构单元：SiO4。b 结合键与结构：主要是离子键结合，含一定比例的共价键。硅位于氧四面体的间隙。c 每个氧最多被两个多面体共有。氧在两个四面体之间充当桥梁作用，称为氧桥。第三节 陶瓷晶体相2.3.2 硅酸盐结构的特点及分类硅酸盐结构分类a岛状硅酸盐：含有限Si-O团的硅酸盐，包括含孤立Si-O团和含成对或环状Si-O团两类。b 链状硅酸盐：Si-O团共顶连接成一维结构，又含单链和双链两类。c 层状硅酸盐：Si-O团底面共顶连接成二维结构。d 骨架状硅酸盐：Si-O团共顶

10、连接成三维结构。第三节 陶瓷晶体相2.3.2 硅酸盐结构的特点及分类例题：第三节 陶瓷晶体相2.4 玻璃相玻璃：从液态凝固下来的、结构与液态连续的非晶态固体。形成玻璃的条件：内部条件：黏度外部条件：冷却速度结构：长程无序、短程有序 （1）连续无轨网络模型。 （2）无规密堆模型。 （3）无轨则线团模型。性能： （1）各向同性。 （2）无固定熔点。 （3）高强度、高耐蚀性、高导磁率（金属）。 第四节 玻璃相2.5.1 大分子及其构成高分子化合物：由一种或多种化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物。又称聚合物或高聚物。分类： 按相对分子质量：低分子聚合物（5000）。 按组成物质：分为有机聚合物和

11、无机聚合物。化学组成：（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯为例）（1）单体：组成高分子化合物的低分子化合物。（2）链节：组成大分子的结构单元。（3）聚合度n：大分子链中链节的重复次数。第五节 分子相2.5.1 大分子及其构成合成（1）加聚反应a 概念：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。（其产物为聚合物）b 组成：与单体相同。反应过程中没有副产物。c 分类 均加聚反应：由一种单体参与的加聚反应。生成均聚物。 共加聚反应：由两种或两种以上单体参与的加聚反应，生成共聚物。(2)缩聚反应a 概念：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出某种低分子化合物的反应。b 分类 均缩聚反应：由一种单体参加的缩聚反应。生成均缩聚物。 共缩聚反应：由两种或两种以上单体参加的缩聚反应。生成共缩聚物。第五节 分子相2.5.2 高聚物的结构结构单元的化学组成 表2-11结构单元的键接方式和构型 均聚物中单体的连接方式：头尾连接、头头或尾尾相连、无轨连接。共聚物中单体的连接方式： 无轨共聚：ABBABBABA 交替共聚：ABABABAB 嵌段共聚：AAAABBAAAABB 接枝共聚：AAAAAAAAAAA B B B B B B第五节