第三章材料组成与结构

第三章材料组成与结构CompanyLogo

材料组成和结构的基本内容主要内容3.1

金属材料的组成与结构3.2无机非金属材料的组成与结构3.3高分子材料的组成与结构3.4复合材料的组成与结构3.53.1材料的组成和结构的基本内容材料的组成：构成材料的基本单元的成分和数目材料的结构：材料的组成单元之间相互吸引和相互排斥作

用达到平衡时在空间的几何排列。包括：构成材料的原子的电子结构

（决定化学键的类型）

分子的化学结构及聚集态结构（决定材料的基本类型及材料组成相的结构）

材料的显微组织结构（组成材料的各相的形态、大小、数量和分布等）从宏观到微观可分为：

宏观组织结构、显微组织结构和微观结构中南民族大学3.2金属材料的组成和结构3.2.1金属材料3.2.1.2

金属材料的组成（1）原子结构金属元素的原子结构区别于其他元素的一些共性：外层电子较少，且与原子核的结合的结合力较弱;很容易脱离核，而成为自由电子，同时形成电子层结构稳定的正离子状态。最典型的金属：碱金属，碱土金属等；过渡金属：ns层电子能量低于（n-1)d层，从而使d层电子数处于1～10之间未填满的状态。（2）金属键：金属内部的自由电子与失去价电子的正离子之间的静电引力而产生的。中南民族大学金属键的模型如图所示：

金属原子全部或部分地使其外层的价电子脱离原来的原子，失去价电子的原子形成正离子。而正离子和部分中性原子按一定的几何规则排列起来，并在固定的点上做热振动。脱离原子的价电子为整个正离子所共有。这种公有化的电子称之为自由电子。因此，金属键的结合是靠公有化的自由电子与离子间的静电引力而产生的。3.2.1.2金属的晶体结构体心立方面心立方密排六方晶格参数a=b=cα=β=γ=90oa=b=cα=β=γ=90oc/a=1.633α=β=90oγ=60o性质较高强度、硬度和熔点高具有良好塑性和韧性强度低，塑性和韧性差原子数246中南民族大学最典型、最常见的金属晶体结构有三种：P106元素晶体结构点阵常数最近的原子间距ac铝铍镉铬钴铜金铁铅锂镁钼镍铌铂钾铑铷银钠钽钍钛钨铀钒锌锆面心立方密排六方密排六方体心立方密排六方面心立方面心立方体心立方面心立方体心立方密排立方体心立方面心立方体心立方面心立方体心立方面心立方体心立方面心立方体心立方体心立方面心立方密排六方体心立方正交体心立方密排六方密排六方4.04962.28562.97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.20943.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.1650

3.02822.66493.2312

3.58325.6167

4.069

5.2105

4.6788

4.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.1723.2.1.3金属材料的理论密度根据金属晶体的晶胞，可以计算金属材料的理论密度：

理论密度=金属晶胞中所有原子的总质量与晶胞

体积之比n为一个晶胞中原子个数，Am为金属原子量，Vc为一个晶胞的体积，NA为阿伏伽德罗常数中南民族大学例：铜的原子半径是0.128nm，原子量是63.5g/mol，计算铜fcc晶体的理论密度，并与实验测得的密度8.94g/cm3进行比较。解：所计算的理论密度小于实验值，说明实验用铜中含有少量更高原子量的其他元素中南民族大学3.2.2合金材料3.2.2.1合金由两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质称为合金。组元：组成合金最基本的，独立的物质称为组元。中南民族大学

合金分类：按组成合金的元素数量

按组分

按组成方式二元合金三元合金多元合金铁基合金又称铁合金或合金钢，碳钢非铁基合金有色金属固溶体单相金属间化合物单相机械混合物多相3.2.2.2合金的相结构中南民族大学相：合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分。大多数合金的组元在液态下能相互溶解，成为均匀的液体，因此只具有一个液相。在凝固以后，由于各组元之间相互作用不同，在固态合金中可能会出现不同的相结构。根据合金中元素之间相互作用的不同，合金中的相基本上可以分为两类：固溶体和金属间化合物。金属间化合物：

有固溶体和化合物两方面的特性，又称为中间相。形成的晶格与组成元素的晶格不同。(正常价化合物、电子化合物和间隙化合物）（1）正常价化合物金属元素和IVA

、VA

、VIA非金属元素按化合价的比例构成电负性越大的元素和正电性越强的金属所组成的化合物越稳定。中南民族大学正常价化合物硬度高，但较脆。NaCl型，如MgSeCaF2型，如Mg2Si闪锌矿型，如立方ZnS（2）电子化合物贵金属（Au,Ag,Cu）/金属（Zn,Al,Sn）组成合金时，随合金组元成分的改变，合金相的结构与电子浓度具有一定对应关系。电子化合物（电子相）的特点：可以用一定分子式来表示，但组元间不符合化学价的规律，而是按照一定的电子浓度比值形成一定晶格类型的化合物。所谓的电子浓度是指化合物中价电子数与原子数之比。电子化合物一般具有很高的熔点和硬度，并有导电性。中南民族大学在Cu-Zn合金中，根据合金成分的不同，可以分别形成具有不同点阵类型的电子化合物。电子化合物的点阵结构和稳定性主要取决于电子浓度因素。对应一定的电子浓度，不同合金所形成的电子化合物具有相同的晶体点阵类型。（3）间隙化合物过渡金属（如Fe、Mn等）与原子半径很小的非金属（如C,N等）形成稳定性较高的化合物，其组元之间原子半径之比大于0.59时，就形成具有复杂晶格的间隙化合物。铁碳合金中很重要的强化相渗碳体（Fe3C）就属于间隙化合物，其晶体结构为复杂的正交结构。中南民族大学

间隙化合物具有高硬度和高熔点。3.2.3铁碳合金的基本知识

钢和铸铁的基本组元是铁和碳两个元素，故称之为铁碳合金。它是现代工业中应用最为广泛的金属材料。1）铁素体（F:ferrite)：碳溶于在-铁中的固溶体。-铁是体心立方晶胞，碳在-铁中的溶解度很小，C%＝0.02%（727℃），C%＝0.006%（室温）。硬度和强度低，但塑性和韧性好。2）奥氏体(A:austenite)：碳溶于在-铁中的间隙固溶体。-铁是面心立方结构，碳在-铁中的溶解度比在-铁中大，C%2.11%（1148℃）。塑性和可锻性好3）渗碳体：铁和碳以稳定化合物形态Fe3C出现的碳化铁,含碳量为6.67％，晶体结构很复杂。熔点高，硬度高，塑性和冲击韧性几乎为零，脆性极大。中南民族大学。3.2.3.2铁碳合金的基本相4）马氏体（Martensite）：钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到碳在铁中的过饱和固溶体，称为马氏体。马氏体和奥氏体具有同样的化学成分。在马氏体转变过程中，只发生铁的晶格重构，由面心立方晶格变成体心立方晶格。马氏体是非平衡组织，具有很高的硬度和强度。钢在淬火时之所以会强化和硬化，其原因是由于形成了马氏体。5）珠光体（P:pearlitic)铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物6）莱氏体奥氏体和渗碳体的共晶混合物（机械混合）中南民族大学中南民族大学铁素体奥氏体马氏体3.2.3.2铁碳合金状态图铁碳合金状态图是用实验方法做出的温度-成分作标图，它不仅表明平衡状态下任一铁碳合金的成分、温度和组织之间的关系，而且能推断其性能与成分或温度的关系。铁与碳能形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。由于钢和铸铁的含碳量不超过5％，是在Fe-Fe3C（6.67％）的成分范围内，因此，在研究铁碳合金时，只研究Fe-Fe3C部分三条水平线:HJB：包晶线。在这条线上发生包晶反应：

包晶反应的结果形成了奥氏体，包晶反应只在含0.1％～0.5％碳的铁碳合金中发生。ECF：共晶线。在这条线上发生共晶反应：

共晶反应的产物奥氏体和渗碳体组成的混合物称为莱氏体(Le)，共晶反应发生在含碳为2.11～6.67％的铁碳合金中。PSK：共析线。在这条线上发生共析反应：

共析反应的产物铁素体和渗碳体组成的混合物称为珠光体（常用P表示）。含碳量超过0.02％的铁碳合金，都有共析反应。典型铁碳合金结晶过程分析根据铁碳合金含碳量和室温组织的不同，可以将铁碳合金分为三大类：纯铁：含碳量<0.0218％，其显微组织为铁素体。钢：含碳量在0.0218％～2.11％之间。又可分为三种：亚共析钢:含碳量<0.77％共析钢:含碳量为0.77％过共析钢:含碳量在0.77％和2.11％之间白口铁：含碳量在2.11％～6.67％之间。又可分为三种：亚共晶白口铁:含碳量在2.11％～4.3％之间共晶白口铁:含碳量为4.3％过共晶白口铁:含碳量在4.3％～6.67％之间中南民族大学共析钢（0.77%C）的结晶过程分析在温度1～2之间，按匀晶方式析出奥氏体，在温度2～3之间形成单相奥氏体，奥氏体冷却到727oC度（3点）时，将会发生共析转变，形成珠光体，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。当温度由727oC度继续降低时，珠光体中的铁素体要析出三次渗碳体（Fe3CⅢ)，Fe3CⅢ与共析渗碳体混在一起，很难分辨。钢：碳含量低于2.11%的铁碳合金。钢不仅有良好塑性，而且钢制品具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良物化应用性能。分类碳素钢低碳钢：含碳量<0.25%中碳钢：含碳量0.25%~0.6%高碳钢：含碳量>0.6%合金钢低合金钢：合金量<5%中合金钢：合金量5%~10%高合金钢：合金量>10%3.2.3.3钢铸铁

碳含量高于2.11%的铁碳合金。它还含有硅、锰、磷、硫及某些合金元素。与钢相比，主要区别在于铸铁含碳、硅较高，含硫、磷杂质元素较多，所以，铸铁与钢的组织和性能差别较大。

铸铁具有广泛的应用，是因为它的生产设备和工艺简单、价格低廉。铸铁还具有优良的铸造性能，良好的减磨性、耐磨性和切削加工性及缺口敏感性等一系列优点。工业上常用的铸铁有灰色铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。中南民族大学3.2.3.4铸铁灰铸铁（因断口呈灰色而得名）化学成分一般为：2.5~3.6%C，1.1~2.5％Si，0.6~1.2％Mn，P<0.5%,S<0.15%灰铸铁的五大元素C、Si、Mn、P、S的含量都要控制在一定的范围内，其中，C、Si、Mn是调节组织的元素，P是控制使用元素，S是限制元素。组织特点：钢基体上分布着片状石墨灰铸铁的组织按其基体的不同，可分为以下几种：中南民族大学灰铸铁的性能，主要取决于基体的性能和石墨的数量、形状、大小和分布情况。可锻铸铁（韧性）铁素体（珠光体）+团絮状石墨因其塑性比灰铸铁好，故又称为韧性铸铁或展性铸铁。按热处理条件的不同，可分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。黑心可锻铸铁：由白口铸铁经高温石墨化退火制成，其组织为铁素体（或珠光体）基体上分布着团絮状石墨；白心可锻铸铁：由白口铸铁经氧化脱碳制成，其组织为铁素体和珠光体及少量渗碳体。球墨铸铁，3.6—3.8C%，基体+球状石墨

由于石墨呈球状，对基体的分割作用，引起应力集中的作用大为减少。球状石墨的数量越少，越细，分布越均匀，机械性能越高而且，同样具有灰铸铁的一系列优点，如铸造性能、减磨性、可切削性及低的缺口敏感性等。中南民族大学蠕墨铸铁一种新型铸铁，其强度接近于球墨铸铁，并具有一定韧性和较高的耐磨性，同时它还具有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁中的石墨是介于片状和球状之间的一种中间形状的石墨。蠕墨铸铁的生产是在一定成分的铁水中加入适量蠕化剂（稀土镁钙合金等）处理而成，其生产方法与球墨铸铁生产工艺大致相同。特殊性能铸铁铸铁中加入一定量的合金元素，便获得特殊性能的合金铸铁。1）耐磨铸铁在灰铸铁的基础上加入适量的Cr、Mo、W、Cu等，改善组织，提高耐磨性。2）耐热铸铁向铸铁中加入Si、Al、Cr等元素，使铸铁在高温下表面形成一层致密的氧化膜，如SiO2、Al2O3等，保护铸铁内层不被继续氧化。3）耐蚀铸铁加入大量的Si、Al、Cr、Ni、Cu等合金元素提高基体组织电位，并使铸铁表面形成一层致密的保护膜。中南民族大学3.2.4.1铜及其合金1）纯铜（紫铜）面心立方，mp1083℃，ρ：8.96塑性好微量杂质：Pb、Bi、O、S、P2）黄铜（Cu-Zn合金）固溶体、面心立方3.2.4非铁金属与合金中南民族大学黄铜普通黄铜特殊黄铜单相黄铜（Zn含量:≤39%）双相黄铜（Zn含量:39~45%）3)青铜（Cu-Sn合金及含Al、Si、Pb、Mn、Be）

Sn：<5~6%单相α固溶体

>6%α+δ（共析体）

Cu31Sn8共析体，硬而脆中南民族大学3.2.4.2铝及其合金Al

面心立方

Mp：660℃，ρ：2.7，属于轻金属低强度，不宜作结构材料导电、导热性略低于银和铜，被广泛用于制造导电材料和热传到器件。

Al合金：加Si、Cu、Mg、Mn等，以提高其强度，而且仍然具有密度小、耐腐蚀性、导热性等特殊性能。中南民族大学3.3无机非金属材料的结构和组成3-3-1组成和结合键1.

组成广义：除有机物、金属和金属合金以外。常见的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料四大类

组分：硅酸盐类氧化物类，氮化物、碳化物等2.

结合键

离子键：正负离子、键强度高、紧密堆积、无方向性，金属氧化物如氧化镁、氧化铝

共价键：共用电子对、有方向性，如金钢石

混合键（离子、共价）：在种类繁多的无机矿物中，

混合键的存在及键合的多样性是其显著的特征。混合键（即晶体结构中既存在共价键，又存在离子键，甚至存在范德华键）：如：白云母KAl2[AlSi3O10](OH,F)2:层片内为共价键合，层间由K＋离子键合，其键合形式为典型的离子－共价混合键；在滑石结构中，层片内为共价键合及包含OH-、二价正离子和三价正离子的离子键合，层间却为范德华键，其键合形式为典型的离子－共价－范德华混合键。混合键

-----

离子键和共价键之间的过渡;与元素电负性的大小相关.

属于无机非金属材料范畴的物质种类繁多，形式各异。从其结构中基本粒子间的键合来讲，包含了离子键、共价键、氢键和范德华键；从其晶体结构中基本粒子的空间排布来看，则涉及到晶体结构中所有7个晶系（立方晶系、四方晶系、正交晶系、三方晶系、六方晶系、单斜晶系及三斜晶系）。此外，在构成无机非金属材料的众多物质中，除少数单质外，绝大多数无机化合物由两种或两种以上的元素组成。因此，在无机非金属材料的晶体结构中，除涉及晶体结构的7个基本晶系外，还包括不同质点空间点阵的相互嵌合，这将使无机非金属材料的晶体结构趋于复杂化。3.3.2无机非金属材料中的简单晶体结构AXAmXpAmBnXp3.3.2.1单晶硅

单晶硅属于立方晶系，为典型的共价晶体（原子晶体）。硅的外层电子（3s23p2）发生sp3杂化，分别与4个最邻近的硅原子以共价键相键合，故其配位数为4，在空间形成立方结构。中南民族大学几种典型晶体结构单晶硅的单位晶胞3.3.2.2氯化钠与氯化铯AX-TYPE氯化钠晶体与氯化铯晶体均属于立方晶系，均为典型的离子晶体。

正负离子半径比配位数（P55）

Na+/Cl-0.5246呈正八面体配位

Cs+/Cl-0.9338呈立方体配位

3.3.2.3面心立方ZnS和六方ZnSAX-TYPE中南民族大学

极性共价键Zn-S，两者均属于共价晶体[ZnS4]

面心立方ZnSS配位数4、位于面心立方点上

Zn配位数4、位于四面体间隙中

P543.3.2.4氟化钙晶体中南民族大学氟化钙—立方晶系

AmXp-TYPE每个Ca2+周围最邻近的F－有8个，Ca2+的配位数为8。每个F－周围最邻近的Ca2+有4个，F－的配位数是4。在CaF2晶体中，Ca2+和F－个数比为1：2，F-Ca2+3.3.2.5钙钛矿晶体中南民族大学

CaTiO3

AmBnXp-TYPE

标准钙钛矿晶体结构属于立方晶系，单位晶胞包含一个分子单位，其中：

Ca2+立方体顶角配位数12（与O2-相键合）

O2-面心配位数6（分别与4个Ca2＋和2个Ti4＋相键合）

Ti4+

体心配位数6（与O2-相键合）

CaTiO3晶体的单位晶胞在无机非金属矿物中，有许多物质的结构与钙钛矿结构非常相似，统称为钙钛矿型晶体结构，组成通式为ABO3。其中，A为与Ca2＋相近的大阳离子，如Ba2＋、Cd2＋、Y3+及La3＋等，称为A位离子；B为与Ti4＋相近的小阳离子，如Fe3＋、Al3＋、Mn4＋及Zr4＋等，称为B位离子。A位离子和B位离子的电价总和应等于6。中南民族大学

AB2O4

O2-

面心立方密堆

立方晶系

A2+

填充在四面体间隙

B3+

填充在八面体间隙单位晶胞包含8个分子，即A8B16O32，标记尖晶石晶胞可看作由8个小块拼合而成，每个小块中的氧离子点阵为一个标准的面心立方密堆，其中共棱小块的结构相同而共面小块结构不同，分别为A块和B块，单位晶胞中A块和B块各占4块，如图所示。

A块中A2+填充1/4的四面体间隙共2个、单位晶胞中A2＋为4*2=8个

B块中B3+填充八面体间隙共4个、单位晶胞中B3＋为4*4=16个A2+和B3＋按此规律填充得到的晶体结构称为正尖晶石结构。3.3.2.6尖晶石晶体

(MgAl2O4)中南民族大学反尖晶石

B(AB)O4Al(MgAl)O4

若单位晶胞4个A块中A2＋占据的8个四面体空隙被8个B3＋填充，而另外8个B3+与8个A2＋填充到16个八面体空隙中，则形成反尖晶石型晶体结构。

尖晶石型晶体是无机矿物中一个非常重要的种类，在陶瓷的相组成中经常出现尖晶石相，对陶瓷的机械性能和电性能、磁性能具有较大的影响。尖晶石型铁氧体晶体也是一种重要的铁氧体磁性材料。3.3.3硅酸盐结构

结构基础：[SiO4]4-四面体，Si4+

中心，O2-

顶。硅极易与氧形成牢固的键合，与氧结合后，成为硅氧烷聚合物和硅酸盐矿物的基础。由于氧的电负性大于硅，所以Si－O键具有极性，电子偏向氧原子，故Si原子上产生正电荷。两个邻近四面体之间通常共顶相连，偶尔共棱，从不共面。

中南民族大学硅酸盐是含氧盐矿物中品种最多的一类矿物，其结晶形态呈现出极大的差别。根据[SiO4]硅氧四面体与相邻硅氧四面体共顶情况，衍变成不同结构的络阴离子团，在空间排列而形成岛状结构、环状结构、链状结构、层状结构和架状结构5个亚类的硅酸盐结构形式。中南民族大学3.3.3.1岛状结构硅酸盐孤岛状结构：硅氧四面体间不共顶，相互不联接而各自孤立存在，此时络阴离子团以[SiO4]4-

形式存在。联岛状结构：两个硅氧四面体共用一顶，则形成联岛状结构，此时络阴离子团以[Si2O7]6-

形式存在。中南民族大学3.3.3.2环状结构硅酸盐环状：硅氧四面体共用两顶，在空间不断延伸形成环

状。典型的环状结构可分为三节环和六节环，其络阴离子团分别为[Si3O9]6-和[Si6O18]12-。环状结构的络阴离子团依靠引入的阳离子进行联系而得到环状结构硅酸盐。3.3.3.3链状结构硅酸盐单链硅氧四面体共用两顶，并在一维方向无限延伸，其络阴离子团为1∞[Si2O6]4-双链在两个相邻联接的硅氧四面体中，其中一个四面体有两个顶角被共用，而另一个四面体有3个顶角被共用，称为平均共用两个半顶角，并在一维方向无限延伸，其络阴离子团为1∞[Si4O11]6-单链和双链：链间均是依赖引入的阳离子来维系，链上是键合很强的极性共价键，链间是离子键。相对而言，链上的键合较强而链间键合较弱。因此，链状结构硅酸盐在不同方向的性质是不同的，受外力作用时解离易在链间发生，并且解离面间有一定的角度。3.3.3.4层状结构硅酸盐硅氧四面体中有3个顶角氧分别与其他四面体共用，得到二维方向无限延伸的硅氧负离子片，用2∞[Si2O5]2-

表示。负离子片内是键合较强的极性共价键，而负离子片间可通过结构中引入的阳离子以离子键相联接，也可依靠负离子片间的范德华键相联接而形成层状结构硅酸盐。硅氧层间不同的键合形式将会对层状结构硅酸盐的性质产生非常大的影响。例如：1）白云母结构中，负离子片间由K＋离子结合，层内及层间均为较强的化学键合，因而解理难以进行；2）滑石结构中层间依靠范德华键结合，层内键合强而层间键合弱，易沿层间发生解理。

固体润滑剂3.3.3.5架状结构硅氧四面体的所有四个顶角氧均分别与其他硅氧四面体共用，则在三维空间形成规则的架状网络，通常将其表示为3∞[SiO2]

，这即为纯晶态二氧化硅的晶体结构。中南民族大学3.3.4无机非金属材料的非晶体结构非晶态材料是相对晶态材料而言，是原子不规则排列的固体材料的总称。主要特征：远程无序和亚稳态包括：无机玻璃、凝胶、非晶态半导体和无定型碳等。中南民族大学1.无机玻璃广义的玻璃包括整个固体非晶态物质。主要成份：SiO2、Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3。键合形式：离子键、共价键，及其混合键。慢冷结晶急冷(粘度大)无定形（玻璃结构），无规网络SilicaCrystalSilicaGlass2.凝胶及凝胶材料

(1)凝胶的特性

凝胶：是指胶体质点在一定的条件下相互联接所形成的空间网状结构，其网状结构的间隙填充满分散介质（液体或气体）。凝胶与溶胶的不同：溶胶中的胶体质点是独立的运动单位，可以自由运动而具有良好的流动性；凝胶的分散相质点相互联接，在整个体系内形成结构，不仅失去流动性，而且显示出固体的性质，具有一定的弹性、强度、屈服值等。凝胶与真正的固体也不同：它由分散相及分散介质两相构成，其结构强度有限，改变条件往往能使结构破坏。中南民族大学(2)凝胶的结构凝胶内部呈现三维网状结构，可分为四种类型：（a）球形质点相互联接形成一定的线性排列；（b）板状或棒状质点搭接成网状结构；（c）线性大分子构成的网架中部分长链有序排列成微晶区；（d）线性大分子间通过化学桥键而形成网状结构。中南民族大学（3）胶凝材料凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚硬固体，并能胶结其他物料，具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料，又称为胶结材料。胶凝材料可分为有机和无机两大类。无机胶凝材料按照其硬化条件又能分为水硬性胶凝材料和气硬性胶凝材料。水硬性胶凝材料在拌水后能在空气中硬化，也可以在水中硬化，通常称为水泥，如硅酸盐水泥等；而气硬性胶凝材料不能在水中硬化，只能在气体介质中硬化，如石灰、石膏等。中南民族大学3.3.5陶瓷陶瓷史由金属（类金属）和非金属元素之间形成的化合物，这些化合物中的原子（离子）主要以共价键（离子键）键合。构成：晶相、玻璃相、气相和晶界构成。中南民族大学3.3.6碳化合物1.炭黑Carbonblack炭黑——烃类化合物经气相不完全燃烧或热解而生成的黑色粉末。其主成分为碳，并含有少量的氧、氢和硫等，含碳纯度在83～99.5％之间。炭黑聚集体间有较大的空隙，因此炭黑具有较强的吸附能力。按用途分类：橡胶用炭黑：轮胎补强色素用炭黑：颜料和着色剂2.石墨

Graphite碳的同素异构体六方晶体——粒晶几到几十微米的片状结构。结构示意图：面内C-C1.42埃，共价结合

层间C-C3.40埃，物理键合应用：润滑、导电。人造石墨：焦油胶粘剂，石油焦炭成型后，粘接，在2000C以上的高温下处理制成石墨。3.碳纤维

CarboneFiber结构的基本单元为石墨层片。乱层石墨微晶，微晶（头---头）连接形成碳纤维。制备：

原料：PAN纤维粘胶纤维沥青纤维（主要）空气中预氧化200~300C碳化（惰性气体）脱氢

石墨化碳纤维

4、金刚石：钻石碳同素异构体，立方晶系晶胞中8个碳原子，sp3杂化高硬度物理性能天然金刚石硬度，kgf/mm210000体积模量，Gpa440-590杨氏模量，Gpa1200热导率，W/cm.K(300K)20纵波声速，m/s18000密度，g/cm33.6折射率(590nm)2.41透光性225nm－25μm电阻率，Ω.cm10165.C60：巴基球，富勒烯碳同素异构体60（或70）个碳原子组成的空心圆球，如同足球，12个正五边形碳环和20个正六边形碳环构成的32面体正五边形的C-C键长：1.455埃正六边形的C-C键长：1.391埃直径约7.1---10埃C60的球形分子结构，使其堆砌缝隙和空芯中可掺杂其他原子或分子，从而表现出超导性、强磁性等特殊性质，如Rb、Ce等碱金属掺杂的C60所具有的超导性已引起人们的关注。中南民族大学6、碳纳米管：巴基管

BuckTube

碳同素异构体在结构上与巴基球C60属于同一类，都是碳气化成单个的原子后在真空或惰性气体中凝聚而自然形成的。全部由碳六边形组成的无缝的中空管体，两端由半球形的富勒烯罩住，形成一维的管状分子。单层与多层（同轴套）直径，0.6（10个六边形围成）～几十纳米长度，10～1000纳米3.5复合材料的组成与结构3-5-1复合材料定义及分类1.定义

(1)种类不同，性质差异很大的几种材料及其界面相

（层）所组成（组成上）

(2)多相固体材料（结构上）

(3)经设计复合而成（制备上）

(4)通过复合效应获得原组份材料所不具备的性能，或

产生性能协同作用，与简单混合有本质的区别（性

能上）简言之：复合材料由连续基体相(matrixphase)和分散增强相(dispersephase)及界面相(interfacephase)所构成.2.复合材料分类及命名中南民族大学分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属

材料金属纤维(丝)纤维金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料

金属片材

金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料

晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶基复合材料

颗粒弥散强化合金材料

粒子填充塑料玻璃纤维

纤维/树脂基复合材料粒子

碳纤维碳纤维/金属基复合材料纤维/陶基复合材料纤维/树脂基复合材料炭黑

颗粒/橡胶or颗粒/树脂基复合材料有机高分子材料有机纤维

纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料

橡胶

分类：(1)应用：结构、功能、智能复合材料等(2)基体：聚合物基、金属基、无机非金属基复合材料等(3)增强纤维：玻纤、碳纤、有机纤维复合材料等(4)分散相形态：颗粒增强、连续纤维增强、短纤或晶须增强、片状材料增强、三维编织复合材料等(5)特定含义：通用、先进、现代、近代、混杂、纳米、原位、分子、宏观复合材料等中南民族大学3.5.2

复合材料的组成3.5.2.1概述

组成：复合材料由基体和增强材料两组元组成聚合物基复合材料(polyme-matrixcomposites,PMC)金属基复合材料(metal-matrixcomposites,MMC)陶瓷基复合材料(ceramicsMatrixComposition,CMC)碳/碳复合材料(carbon-carboncomposites,C/C)无机胶凝基复合材料