材料化学导论Chapter2

Chapter2

StructureandPropertyofMaterials材料的结构与性能2/4/20231ChemistryofMaterials2004,Chapter2化学组成组织结构材料性能材料应用合成与加工2/4/20232ChemistryofMaterials2004,Chapter22.1概述2.2晶体与非晶体2.3晶体的结构与性能2.4晶体缺陷及其对性能的影响2.5非晶态材料的结构与性能JJJJJ2/4/20233ChemistryofMaterials2004,Chapter22.1概述2.1.1材料组元的结合形式2.1.2材料的结构基础2.1.3材料性能简介JJJ2/4/20234ChemistryofMaterials2004,Chapter22.1概述2.1.1材料组元的结合形式2.1.1.1基本概念组元组成材料最基本、独立的物质

相材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分组织材料内部的微观形貌2/4/20235ChemistryofMaterials2004,Chapter2phaseatom

组织是材料性能的决定性因素Relationofcomponent，phaseandtextureFigure2-1chemicalelementchemicalsubstancemoleculecomponenttexturesimplex

texturemultiple

texture2/4/20236ChemistryofMaterials2004,Chapter220nm×20nmSi(111)—7×7surface2/4/20237ChemistryofMaterials2004,Chapter2PhotonicCrystal2/4/20238ChemistryofMaterials2004,Chapter21DPhotonicCrystal3DPhotonicCrystal2DPhotonicCrystal2/4/20239ChemistryofMaterials2004,Chapter2溶液2.1.1.2Solidsolution（1）定义2/4/202310ChemistryofMaterials2004,Chapter2Solvent溶剂Solute溶质

一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。固溶体2/4/202311ChemistryofMaterials2004,Chapter2①溶质和溶剂原子占据一个共同的晶体点阵，点阵类型和溶剂的点阵类型相同。

②

有一定的成分范围③具有比较明显的金属性质（2）基本特征solidsolubility结合键主要是金属键2/4/202312ChemistryofMaterials2004,Chapter2按溶质原子在点阵中的位置SubstitutionalsolidsolutionInterstitialsolidsolution（3）分类按各组元原子分布的规律性

DisorderedsolidsolutionOrderedsolidsolution按固溶度FinitesolidsolutionInfinitesolidsolution

2/4/202313ChemistryofMaterials2004,Chapter2A、置换型固溶体——由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组成。2/4/202314ChemistryofMaterials2004,Chapter2结构Ni:1s22s22p63s23p63d84s2Cu:1s22s22p63s23p63d94s2半径Ni：0.1246nmCu：0.1278nm

2/4/202315ChemistryofMaterials2004,Chapter2MgO的结构中Mg2+离子被Fe2+离子所取代。条件：1.半径相近 2.电荷数相同Ca2+能取代Mg2+吗？Li+能取代Mg2+吗？Ionicsolidsolution2/4/202316ChemistryofMaterials2004,Chapter22/4/202317ChemistryofMaterials2004,Chapter2晶格结构的空隙越大，越有利于形成固溶体。形成填隙型固溶体的次序？片沸石、CaF2、TiO2、MgO

为什么高温下碳易于填入铁晶格的空隙？2/4/202318ChemistryofMaterials2004,Chapter2确定固溶体的点阵类型和点阵常数，由此推出一个晶胞内的原子数n和晶胞体积V利用X射线衍射或电子衍射

置换型还是填隙型？根据该固溶体的平均原子量A及阿弗伽德罗常数NA即可算出固溶体的理论密度通过实验直接测出该固溶体的实际密度

比较和

若<：填隙式若=：置换式

若>：缺位式2/4/202319ChemistryofMaterials2004,Chapter2在热力学处于平衡状态的固溶体中，溶质原子的分布宏观上是均匀的。C、无序固溶体——各组元原子的分布是随机的。2/4/202320ChemistryofMaterials2004,Chapter2D、有序固溶体——组元原子在晶体点阵中不是随机分布的，而是出现某种倾向性排列，如异类原子互相吸引形成有规则的排列结构。Ordering固溶体的有序化2/4/202321ChemistryofMaterials2004,Chapter2铁—铬、铁—铜、铁—镍F、有限固溶体——固溶度小于100%。E、无限固溶体（又称连续固溶体）——是由两个（或多个）晶体结构相同的组元形成的，任一组元的成分范围均为0～100%。铜—锌、铜—锡2/4/202322ChemistryofMaterials2004,Chapter2无限置换固溶体中两组元素原子置换2/4/202323ChemistryofMaterials2004,Chapter2

固溶强化溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高。（4）应用碳原子溶入-Fe

硅原子溶入-Fe

2/4/202324ChemistryofMaterials2004,Chapter2石英和云母2.1.1.3Aggregate纯金属和合金聚集体——由无数的原子或晶粒聚集而成的固体。

2/4/202325ChemistryofMaterials2004,Chapter22.1.1.4Composite复合体由两种或两种以上的不同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料，各相之间存在着明显的界面。2/4/202326ChemistryofMaterials2004,Chapter2骨骼——天然的纳米复合材料2/4/202327ChemistryofMaterials2004,Chapter2特点保持各相的固有特性；各相原有特性的强化（协同效应）；赋予单一材料所不具备的特殊性能。J2/4/202328ChemistryofMaterials2004,Chapter22.1.2TheStructureofMaterials宏观组织结构亚微观组织结构微观结构2/4/202329ChemistryofMaterials2004,Chapter2应用角度2.1.2.1材料结构的重要性

理论角度

材料科学中最基本、最重要的知识。2/4/202330ChemistryofMaterials2004,Chapter2钻石薄膜在放大1000倍下显示的亚微观结构2/4/202331ChemistryofMaterials2004,Chapter2Fe原子在Cu基板上原子像(IBM)2/4/202332ChemistryofMaterials2004,Chapter2Co原子在Pt基板上原子像(IBM)2/4/202333ChemistryofMaterials2004,Chapter2Xe原子在Ni基板上原子像(IBM)2/4/202334ChemistryofMaterials2004,Chapter22.1.2.2材料中的化学键合MetallicbondIonicbondCovalentbondHydrogenbondVanderWaalsbond2/4/202335ChemistryofMaterials2004,Chapter2（1）Metallicbond2/4/202336ChemistryofMaterials2004,Chapter2高导电率和高导热率不透明性金属表面的高反射性延展性金属键的特点金属的特性电子的离域性键的球对称性质2/4/202337ChemistryofMaterials2004,Chapter2（2）Ionicbond离子键的特点饱和性和无定向性

离子化合物的特性配位数高、堆积致密

本质上可以归结于静电引力2/4/202338ChemistryofMaterials2004,Chapter2氯化钠的离子键2/4/202339ChemistryofMaterials2004,Chapter2离子键的形成2/4/202340ChemistryofMaterials2004,Chapter22/4/202341ChemistryofMaterials2004,Chapter2离子键CsCl结构示意图2/4/202342ChemistryofMaterials2004,Chapter2库仑引力与离子间距离的关系2/4/202343ChemistryofMaterials2004,Chapter22/4/202344ChemistryofMaterials2004,Chapter2（3）Covalentbond两个原子共有最外壳层电子的键合共价键的特点方向性和饱和性共价键晶体的特性

很高的熔点和硬度良好的光学特性不良的导电性2/4/202345ChemistryofMaterials2004,Chapter22/4/202346ChemistryofMaterials2004,Chapter2金刚石中的共价键2/4/202347ChemistryofMaterials2004,Chapter2甲烷的电子层结构2/4/202348ChemistryofMaterials2004,Chapter2（4）Hydrogenbond两个条件

分子中必须含氢

另一个元素必须是显著的非金属元素

有方向性2/4/202349ChemistryofMaterials2004,Chapter2水分子之间的氢键2/4/202350ChemistryofMaterials2004,Chapter2（5）VanderWaals

bond电中性的分子之间的长程作用力

JohannesDiderikVanderWaals1837–1923TheNobelPrizeinPhysics1910“forhisworkontheequationofstateforgasesandliquids”2/4/202351ChemistryofMaterials2004,Chapter2氩原子间的范德华键形成示意图2/4/202352ChemistryofMaterials2004,Chapter2碘晶体结构示意图2/4/202353ChemistryofMaterials2004,Chapter2范德华键范德华键分子链受力滑动聚氯乙烯分子间的范德华键2/4/202354ChemistryofMaterials2004,Chapter2（5）Comparison物理键化学键离子键共价键金属键范德华键氢键2/4/202355ChemistryofMaterials2004,Chapter2表2-1.各种结合键主要特点比较类型作用力来源键合强弱形成晶体的特点离子键原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力最强无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电共价键相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力强有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、在熔态也不导电金属键自由电子气与正离子实之间的库仑引力较强无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性范德华键原子间瞬时电偶极矩的感应作用最弱无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘氢键氢原子核与极性分子间的库仑引力弱

2/4/202356ChemistryofMaterials2004,Chapter2实际材料中的结合键2/4/202357ChemistryofMaterials2004,Chapter2原子能够结合为晶体的根本原因，是原子或分子结合起来后，体系的能量可以降低，即在分散的原子结合成晶体过程中，会有一定的能量释放出来。BindingEnergy结合能晶体的结合能等于它的升华热2/4/202358ChemistryofMaterials2004,Chapter2AttractiveforceRepulsiveforce式中a，b，m，n均为常数，其中m<n

净作用力原子间2/4/202359ChemistryofMaterials2004,Chapter2E-r和f-r曲线

J2/4/202360ChemistryofMaterials2004,Chapter22.1.3PropertyofMaterials2.1.3.1各类材料的一般特性

Figure2-2GeneralCharactersofMaterials2/4/202361ChemistryofMaterials2004,Chapter2溶蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗氧化性2.1.3.2ChemicalPerformance材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性2/4/202362ChemistryofMaterials2004,Chapter2氧化物成核生长氧溶解氧化膜生长内氧化缝隙孔洞微裂纹宏观裂纹吸附A.化学腐蚀（1）金属材料的化学稳定性金属氧化反应的主要过程示意图2/4/202363ChemistryofMaterials2004,Chapter2SO2气体对铁的侵蚀过程B.电化学腐蚀2/4/202364ChemistryofMaterials2004,Chapter2海水对金属的侵蚀示意图2/4/202365ChemistryofMaterials2004,Chapter2A.材斜的化学成分和矿物组成（2）无机非金属材料的化学稳定性耐酸材料

以酸性氧化物SiO2为主耐碱材料

含有大量碱性氧化物如CaO、MgO2/4/202366ChemistryofMaterials2004,Chapter2B.材料孔隙和结构结晶的二氧化硅（石英）和无定形二氧化硅（普通玻璃）C.腐蚀介质2/4/202367ChemistryofMaterials2004,Chapter2化学稳定性好，耐酸耐碱（3）高分子材料的化学稳定性主链原子以共价键结合长分子链对反应基团的保护电绝缘性，无电化学腐蚀2/4/202368ChemistryofMaterials2004,Chapter22.1.3.3MechanicalProperty材料受外力作用时的变形行为及其抵抗破坏的能力（1）IntensityandPlasticity2/4/202369ChemistryofMaterials2004,Chapter2样品拉伸实验示意图2/4/202370ChemistryofMaterials2004,Chapter2冲击实验装置2/4/202371ChemistryofMaterials2004,Chapter2（2）硬度（3）断裂与韧性脆性断裂和韧性断裂（4）疲劳特性与耐磨性材料抵抗其他较硬物体压入表面的能力2/4/202372ChemistryofMaterials2004,Chapter2HeatCapacityThermalExpansion2.1.3.4ThermalProperty2/4/202373ChemistryofMaterials2004,Chapter2势能一原子间距离曲线实际的假想的2/4/202374ChemistryofMaterials2004,Chapter2热传导耐热性由材料熔融或分解所需温度的高低反映出来2/4/202375ChemistryofMaterials2004,Chapter2（1）ElectricalConductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）2.1.3.5ElectricalProperty2/4/202376ChemistryofMaterials2004,Chapter2电导率σ/S·m-12/4/202377ChemistryofMaterials2004,Chapter2氧化物超导体YBa2Cu3O7：92KBi2Sr2Ca2Cu3O10：110KTl2Ba2Ca2Cu3O10：125KHgBa2Cu2O8：153K

2/4/202378ChemistryofMaterials2004,Chapter2（2）DielectricProperty介电性质表2-2.某些介电材料的性能2/4/202379ChemistryofMaterials2004,Chapter22/4/202380ChemistryofMaterials2004,Chapter2（3）Ferroelectricity铁电性铁电滞后现象温度对介电常数的影响2/4/202381ChemistryofMaterials2004,Chapter2BaTiO3PbTiO3PbZrO3NH4H2PO4（4）Piezoelectricity压电性外力→极化→电场2/4/202382ChemistryofMaterials2004,Chapter22.1.3.6OpticalProperty表2-3.光的反射、吸收和透过的特征2/4/202383ChemistryofMaterials2004,Chapter2磁化曲线2.1.3.7MagneticPropertyJ2/4/202384ChemistryofMaterials2004,Chapter2非晶体2.2晶体与非晶体2.2.1结构和特点2.2.1.1晶体与非晶体的结构和特点固态物质原子或分子聚集状态不同

晶体2/4/202385ChemistryofMaterials2004,Chapter2长程有序（1）晶体（2）非晶体原子或原子团、离子或分子在空按一定规律呈周期性地排列构成原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成长程无序短程有序2/4/202386ChemistryofMaterials2004,Chapter2（3）Comparison方石英石英玻璃石英凝胶2θ(°)衍射强度CurveofX-rayDiffraction2/4/202387ChemistryofMaterials2004,Chapter22.2.1.2晶界GrainBoundary

多晶由许多取向不同的晶粒组成两个晶粒相遇时产生的界面称为晶界多晶由单晶组成的聚集体单晶只有一块结构均匀的大晶体构成的固体2/4/202388ChemistryofMaterials2004,Chapter2多晶材料的光学显微组织2/4/202389ChemistryofMaterials2004,Chapter2多晶铅碇2/4/202390ChemistryofMaterials2004,Chapter22.2.2TransformationJ晶态非晶态？2/4/202391ChemistryofMaterials2004,Chapter22.3晶体的结构与性能2.3.1晶体结构基础

2.3.2金属和无机非金属材料的晶体结构2.3.3晶体材料的结构与物理性能JJJ2/4/202392ChemistryofMaterials2004,Chapter22.3晶体的结构与性能多孔Al2O3多晶Al2O3单晶纤维Al2O3多晶

立方氮化硼六方氮化硼2/4/202393ChemistryofMaterials2004,Chapter22.3.1CrystalStructure2.3.1.1Lattice&CrystalSystem空间点阵SpaceLattice点阵点2/4/202394ChemistryofMaterials2004,Chapter2晶格CrystalLattice三维空间点阵2/4/202395ChemistryofMaterials2004,Chapter2空间点阵和实际晶体结构之间的关系2/4/202396ChemistryofMaterials2004,Chapter2a、b、c:确定晶胞大小、、:确定晶胞形状晶格常数晶胞UnitCell2/4/202397ChemistryofMaterials2004,Chapter2表2-4.7种晶系和14种点阵类型

CrystalSystem点阵参数间的关系LatticetypeCubica=b=c,===90°P、I、FTetragonala=bc,===90°P、IHexaganola=bc,==90°,=120°PRhombohedrala=b=c,==90°P、(R)Orthorhombicabc,===90°P、C、I、FMonoclinicabc,==90°,90°P、CTriclinicabc,90°P2/4/202398ChemistryofMaterials2004,Chapter22.3.1.2CrystalSymmetry晶系特征对称元素立方4个3次轴六方1个6次轴四方1个4次轴三方1个3次轴正交3个互相垂直2次轴，或2个互相垂直对称面单斜1个2次轴，或1个对称面三斜无表2-5.7大晶系及其特征对称元素J2/4/202399ChemistryofMaterials2004,Chapter22.3.2TheStructureofMaterials金属陶瓷玻璃沥青塑料液晶2/4/2023100ChemistryofMaterials2004,Chapter2金属材料2.3.2.1MetallicCrystalMaterials合金多晶体、固溶体、金属间化合物、中间相等金属单质金属晶体2/4/2023101ChemistryofMaterials2004,Chapter2金属晶体的结构CoordinationNumberAtomicPackingFactor

2/4/2023102ChemistryofMaterials2004,Chapter2（1）bccbody-centeredcubicstructure碱金属、α-Fe、难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等2/4/2023103ChemistryofMaterials2004,Chapter2a：晶格单位长度R：原子半径单位晶胞原子数n

=22/4/2023104ChemistryofMaterials2004,Chapter2（2）fccface-centeredcubicstructureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，贵金属以及奥氏体不锈钢等

2/4/2023105ChemistryofMaterials2004,Chapter2n

=42/4/2023106ChemistryofMaterials2004,Chapter2（3）hcphexagonalclose-packedstructureα-Ti，α-Co，α-Zr，Zn，Mg等

2/4/2023107ChemistryofMaterials2004,Chapter2n

=62/4/2023108ChemistryofMaterials2004,Chapter2表2-6.常见晶体结构的几何参数StructureCNnξbcc820.68fcc1240.74hcp1260.742/4/2023109ChemistryofMaterials2004,Chapter22.3.2.2InorganicNonmetallicCrystalMaterials（1）DiamondTypeStructureDiamond2/4/2023110ChemistryofMaterials2004,Chapter2Graphite2/4/2023111ChemistryofMaterials2004,Chapter2C602/4/2023112ChemistryofMaterials2004,Chapter2正二十面体32面体2/4/2023113ChemistryofMaterials2004,Chapter2（2）SilicateStructure2/4/2023114ChemistryofMaterials2004,Chapter2多面体的排列方式2/4/2023115ChemistryofMaterials2004,Chapter2硅酸盐结构类型岛状

链状

层状

网络状

2/4/2023116ChemistryofMaterials2004,Chapter2镁橄榄石(Mg2SiO4)的理想结构岛状结构A、简单硅酸盐2/4/2023117ChemistryofMaterials2004,Chapter2含成对有限硅氧团和环状有限硅氧团的硅酸盐

2/4/2023118ChemistryofMaterials2004,Chapter2B、链状结构(SiO3)n2n-(Si4O11)n6n-2/4/2023119ChemistryofMaterials2004,Chapter2C、层状结构滑石叶蜡石2/4/2023120ChemistryofMaterials2004,Chapter2石英结构D、网状结构J2/4/2023121ChemistryofMaterials2004,Chapter2Gemstones

ScapoliteTourmaline2/4/2023122ChemistryofMaterials2004,Chapter22.3.3晶体材料的结构与物理性能（1）均匀性（2）各向异性（3）自发地形成多面体外形（4）晶体具有明显确定的熔点周期性2/4/2023123ChemistryofMaterials2004,Chapter2（5）晶体的对称性

石英晶体的形状与对称元素2/4/2023124ChemistryofMaterials2004,Chapter2BaTiO3晶体结构2/4/2023125ChemistryofMaterials2004,Chapter2X射线J（6）晶体对X射线的衍射

晶体透过(绝大部分)非散射能量转化散射2/4/2023126ChemistryofMaterials2004,Chapter22.4晶体缺陷及其对性能的影响2.4.1缺陷的分类2.4.2缺陷对晶体性质的影响2.4.3非整比化合物

JJJ2/4/2023127ChemistryofMaterials2004,Chapter22.4晶体缺陷及其对性能的影响？理想晶体2/4/2023128ChemistryofMaterials2004,Chapter2平移对称性的破坏平移对称性示意图2/4/2023129ChemistryofMaterials2004,Chapter2点缺陷结构缺陷(本征缺陷)线缺陷体缺陷面缺陷2.4.1缺陷的分类2/4/2023130ChemistryofMaterials2004,Chapter22.4.1.1PointDefect（1）概念2/4/2023131ChemistryofMaterials2004,Chapter2电子空穴电子性缺陷

空位间隙原子位错原子或离子外来原子或离子原子或离子缺陷

2/4/2023132ChemistryofMaterials2004,Chapter2肖特基缺陷弗仑克尔缺陷2/4/2023133ChemistryofMaterials2004,Chapter2NaClAgBr肖特基缺陷or弗仑克尔缺陷?阴阳离子半径差异2/4/2023134ChemistryofMaterials2004,Chapter2空位的迁移空位的复合2/4/2023135ChemistryofMaterials2004,Chapter2（2）成因热致缺陷

掺杂造成缺陷

与环境介质交换引起缺陷

外部作用引起缺陷

2/4/2023136ChemistryofMaterials2004,Chapter2晶体滑移示意图2.4.1.2Dislocation2/4/2023137ChemistryofMaterials2004,Chapter2A、刃型位错EdgeDislocation2/4/2023138ChemistryofMateria