无机材料化学

2.材料的组成、结构、

性能和制备

材料通常是由原子或分子结合而成的，也可以说是由物质组成的，而物质是由一种或一种以上的元素组成的。按原子或分子的结合及其在空间排列的不同，材料的组成可分成固溶体、聚集体和复合体三大类。

2.1材料的组成组元、相和组织

a．组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元（或称组分）。

可以是纯单质或化合物。

b．材料中具有相同的化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。

一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀的。

c．材料内部的微观形貌称为材料的组织。它实际上是指由各个晶粒或各种相所形成的图案。在不同条件下，材料的组织又可以分为微观组织(结构)和宏观组织。

2.1.1材料组元的结合形式钢：铁素体（含c的α-Fe）+渗碳体（Fe3C）普通陶瓷：晶相+玻璃相+气孔多相材料复合材料：多相材料纯金属、高分子、玻璃：单相材料

2.1.1材料组元的结合形式

人类从天然材料的使用到人造材料的制备，材料的发展与地球孕含的元素和存在形式密切相关。所用原料均取自于地壳。

碳钢：Fe、C;Y2O3-ZrO2陶瓷：Y2O3

、ZrO2

2.1.1材料组元的结合形式2.1.1材料组元的结合形式2.1.1材料组元的结合形式组织：

材料内部的微观形貌，指由各个晶粒或各种相所形成的图案，与材料所含相的种类、数量、大小、形态和分布方式相关，是材料性能的决定性因素。材料的组织分为微观组织与宏观组织，微观组织也叫做微细组织、显微组织，是由原子的种类及其排列状态决定的，又分为晶态结构与非晶态（无定形）结构。不锈钢材料的显微结构（晶粒和晶界）2.1.1材料组元的结合形式影响组织的因素

组织取决于化学成分和工艺过程。(1)化学成分

不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后的室温组织不一样。●图(a)为纯铁的组织，叫铁素体。

●图(c)是碳质量分数为0.77%的铁碳合金的组织,叫珠光体。

(a)0.01%C(b)0.45%C(c)0.77%C(d)1.2%C铁碳合金的室温平衡组织2.1.1材料组元的结合形式(2)工艺

金属材料的化学成分一定时,工艺过程是组织最重要的影响因素。纯铁经冷拔后,等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。片状珠光体

球状珠光体

碳质量分数为0.77%的铁碳合金,室温平衡组织为片状珠光体,球化退火后组织为球状珠光体。表2-1材料组织的分类

两种以上的原子或分子溶合在一起时的状态统称为溶体。溶体一般是原子或分子的均匀混合物，不是化合物。液态溶体称为溶液；固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的主晶格中所形成的单相固体称固溶体。按溶质在溶剂中的位置不同，固溶体可分为：

置换型（取代型）固溶体：溶剂A晶格中的原子被溶质B的原子所取代形成的固溶体（A与B的原子大小大致相同）；

填充型（间隙型）固溶体：溶剂A晶格间隙内由B的原子填入所形成的固溶体（B原子要比A原子小）。●固溶体

由无数原子或晶粒聚集而成的固体称为聚集体。一般的材料都是宏观上的聚集体。其中有的是晶粒间呈连续变化牢固地结合在一起（如合金或固溶体）；有的是晶粒间的结合较微弱（如花岗石等）●聚集体

复合体（复合材料）是指由两种及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。各相之间存在明显的界面。复合材料中各相不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料相的特性，并赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体材料，而另一个相是不连续相的，以独立的形态分布在连续相中，也称为分散相。与连续相相比，分散相的性能优越，会使材料的性能得到明显的增强，故常称为增强材料。

●复合体例：纤维板、导电橡胶、钢筋混凝土●金属材料的化学组成

金属材料是以纯金属和以金属为基所构成的合金。A．单质金属：如有色金属、黑色金属、稀有金属等；B．金属合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金

属元素构成的具有金属性质的物质叫金属合金。2.1.2材料的化学组成

无机非金属材料包括陶瓷、耐火材料、黏土制品、搪瓷、玻璃和水泥等。

在许多西方国家，陶瓷实际上是各种无机非金属材料的通称。同金属材料、高分子材料并称为现代工程材料的三大柱。从化学角度看，无机非金属材料都是由金属元素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制得的。通常由金属氧化物、非金属氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物等以不同的方式组合而成的。化学组分几乎涉及到元素周期表中的所有元素。●无机非金属材料的化学组成金属元素和非金属元素组成的化合物，通常包括：氧化物（Al、Ca、Mg、Na、K、Fe、Si….的氧化物）、碳化物（SiC、B4C3）和氮化物（Si3N4、BN、AlN）陶瓷：Al2O3、TiO2、ZnO、SiO2、SiC、Si3N4、BN水泥：SiO2–CaO-Al2O3-Fe2O3；玻璃：SiO2–CaO-Na2O

●高分子材料的化学组成

高分子材料是以高分子化合物（亦称高聚物、聚合物、树脂）为主要组分的材料。

高分子化合物主要是指相对分子量特别大的有机物，分子量一般在104以上；另一个特点是其链中不含离子键和金属键。高分子材料按来源分为天然高分子材料（天然纤维、橡胶、皮革等）、合成高分子材料（聚乙烯、聚氯乙烯等）。高分子化合物一般由一种或几种简单的低分子化合物（单体和链节）聚合而成。一个高分子化合物中重复单元的数目n叫做链节数，又称为聚合度。高分子材料按功能分为通用高分子、特殊高分子、功能高分子和仿生高分子材料（高分子引发剂、模拟酶等）。2.2.1材料的结构及其层次

材料的内部因素一般包括物质的组成和结构。所谓结构是指材料系统内各组分之间的相互联系和相互作用方式。材料的结构从形式上讲，包括晶体结构、非晶体结构、孔结构及它们不同形式且错综复杂的组合和复合；从尺寸上讲，可分为微观结构、亚微观结构、显微结构和宏观结构四个层次。2.2材料的结构表2-2材料结构层次的划分及所用观察设备

仪器分析按信息形式分为图象分析法和非图象分析法。按工作原理前者主要是显微术，后者主要是衍射法和成分谱分析。显微术和衍射法基于物理方法，其工作原理是以电磁波（可见光、电子、离子和X-射线等）轰击样品激发产生特征物理信息，这些信息包括电磁波的透射信息、反射信息和吸收信息。将这些信息收集并加以分析从而确定物相组成和结构特征。2.2.2材料的研究方法2.2.2材料的研究方法

材料中的化学键有金属键、离子键、共价键（配位键）、氢键和范德华力。实际上有的材料并不是由单一的化学键组成，可同时兼有几种键。

金属材料：金属键；

无机非金属材料：离子键、共价键和金属键等；

高分子材料：共价键、氢键和范德华力。2.2.3材料中的化学键合2.2.3材料中的化学键合金属键：

金属离子与自由电子相互吸引形成的化学键。

特征：

电子属于所有原子，可在晶格内自由运动；

无饱和性和方向性；

强度较高(略低于共价键和离子键100~1000

kJ/mol);

在低电负性的原子间形成。

金属的导电率和导热率高；

金属对光的非透明性和表面高反射性。2.2.3材料中的化学键合离子键

带正电的阳离子和带负电的阴离子之间借助静电相互作用（吸引和排斥）形成的化学键，本质为静电力。

特征：无方向性、无饱和性、配位数高、堆积致密；强度高（晶格能，600-1600kJ/mol）；

在电负性相差较大的原子间形成。

一般认为离子晶体是通过由负离子按一定方式（立方、六方等）堆积、正离子占据负离子堆积形成的间隙（立方体、正八面体、正四面体）形成的。

离子极化→键长变短、键强增大、配位反常→共价键2.2.3材料中的化学键合离子型化合物：

AB型：碱金属M+X-、碱土金属M2+O2-、M2+S2-等；

AB2型：氟化物、氧化物，萤石（CaF2）型、金红石（TiO2）型、碘化镉（CdI2）型；………..

在部分离子型化合物中，还含有其它化学键或范德华力等弱相互作用，结构复杂。2.2.3材料中的化学键合共价键：

两个或多个原子相互吸引、共用若干电子所形成的化学键。键级越大，键能越高。特征：相邻两原子共用电子；有方向性和饱和性、配位数低、堆积密度低；强度高（略低于离子键，500-1200kJ/mol）；在两个电负性较大的原子（稀有气体外的其他非金属元素）间形成。共价键晶体熔点和硬度高、导电性差。2.2.3材料中的化学键合氢键：

氢原子在分子中与一个电负性大的原子键合时，还能形成与另一个电负性大的原子的附加键。

特征：仅F、O、N原子可参与形成氢键；

有方向性和饱和性；强度较低（略高于范德华力，≤40kJ/mol）。

氢键在高分子材料、生物大分子中十分重要。2.2.3材料中的化学键合范德华力：

取向力、诱导力和色散力的总和，是分子间的偶极作用造成的引力。

特征：无方向性，受分子大小影响；分子间可能存在微量电荷；强度非常弱（<40kJ/mol）；

广泛存在于分子晶体、高分子材料中。

在多元化合物中，通常含有几种健型，如有机酸的金属盐中，存在离子键、共价键、范德华力等，而硅酸盐除了上述键型外，还可能存在氢键。

原子间电负性相差越大，键的离子型越强；共价键成分越多，化学键的方向性越强，离子的堆积密度越低。2.2.3材料中的化学键合A．晶体的基本特征：规则的几何构型、固定的熔点、各向异性。B．七大晶系：立方（3）、四方（2）、三方（1）、单斜（2）、三斜（1）、六方（1）、正交（4）。C．晶体结构的不完整性a．杂原子与固溶体：杂质原子与主晶体原子形成固溶体（置换和填隙）b．点缺陷：弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷c．线缺陷：刃位错和螺位错d．面缺陷：晶面缺陷

2.2.4晶体结构基础

2.2.4晶体结构基础布拉菲点阵的结构特征晶体结构的基本特征：

晶体：是内部质点（原子、原子团、离子或分子）在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。包括：单晶体，多晶体….晶体的特征：自范性(自限性)：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质。(面F+顶点V=棱E+2)均匀性：指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征。如：密度、化学组成…各向异性：在晶体的不同方向上具有不同的性质。如：电导率、热膨胀系数、折光率、机械强度…对称性：指晶体的物理化学性质能够在不同方向或位置上有规律地出现,也称周期性。确定且明显的熔点；最小内能和最大稳定性；对X射线的衍射。（后面介绍）金刚石方解石同质多晶——碳Graphene材料的晶体结构金属材料：大多数为晶体（Hg除外），多为立方、六方晶系。无机非金属材料：由Si、O等元素组成的四面体以不同形式（链状、层状等）连接形成的晶态、非晶态的材料，以及其他结构（金刚石型等）的晶态材料等。高分子材料：由大量重复的结构单元连接成链状、网状、聚集体。主要为非晶体结构，次要为晶体。空间点阵：把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架即空间点阵，简称晶格.这里的质点可以是原子或分子、原子团、离子、多个分子等，被称为结构基元，是晶体中重复周期的具体内容。晶体结构=结构基元+空间点阵。点阵需满足：连接其中任意两点可得一向量，将各点按此向量平移能使它复原。晶体结构与空间点阵NaCl石墨NaCl伸展聚乙烯NaCl金刚石晶体结构与空间点阵晶体中质点排列具有周期性和对称性整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向按一定间距重复出现形成的，结点间的距离称为该方向上晶体的周期。同一晶体不同方向的周期不一定相同。可以从晶体中取出一个单元，表示晶体结构的特征。晶胞是从晶体结构中取出来的平行六面体，能反映晶体周期性和对称性的最小重复单元。晶胞参数：晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。包括：

棱边的长度a、b、c；（对于金属：0.1-0.7nm）

棱边的夹角、、。晶胞坐标及晶胞参数某些物质的晶体因晶格形式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。

晶胞参数确定之后，晶胞和由它表示的晶格也随之确定，方法是将该晶胞沿三维方向平行堆积即构成晶格。

空间点阵中所有阵点（结点）的周围环境都是相同的，或者说，所有阵点都具有等同的晶体学位置。布拉菲(Bravais)依据晶胞参数之间关系的不同，把所有晶体划归为7类，即7个晶系。按照阵点（结点）在空间排列方式不同，有的只在晶胞的顶点，有的还占据上下底面的面心、各面的面心或晶胞的体心等位置，7个晶系共包括14种点阵，称为布拉菲点阵（Bravaislattice）。晶面：晶体点阵在任何方向上可分解为相互平行的结点平面，这样的结点平面称为晶面。晶面上的结点，在空间构成一个二维点阵。同一取向上的晶面，不仅相互平行、间距相等，且结点的分布也相同。不同取向的结点平面其特征各异。任何一个取向的一系列平行晶面，都可以包含晶体中所有的质点。晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。晶面立方晶系晶面指数的标注acb(100)aabbcc(110)(111)晶体的缺陷金属材料的结构：

一般为晶体；配位数高，结构紧密。配位数是指与某一原子最临近且等距离的原子个数。常见结构类型（原子堆积方式）：体心立方BBC、面心立方FCC、紧密堆积六方、….2.2.5材料的结构需要关注不同晶体结构中的几个参数：

球半径r与晶胞常数（a,b,c）的关系

晶胞中的原子数每个晶胞所含的原子数（N）可用下式计算：N=Ni+Nf/2+Nr/mNi、Nf、Nr分别表示位于晶胞内部、面心和角顶处的原子数；m为晶胞类型参数，立方晶系的m=8，六方晶系的m=6。

配位数晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数（CN）。

致密度

晶体结构中原子体积占总体积的百分数（K），如以一个晶胞来计算，则致密度就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比值，即

K=nυ/V

式中，n是一个晶胞中的原子数；υ是一个原子的体积，υ=(4/3)πr³；V是晶胞的体积。晶体结构中的间隙半径

在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。四面体间隙、八面体间隙最紧密堆积的空隙：四面体空隙八面体空隙等径球质点堆积a.体心立方晶格(胞)(BCC晶格)

8个原子处于立方体的角上，1个原子处于立方体的中心,角上8个原子与中心原子紧靠。

具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁(α-Fe,<912℃)等。

体心立方晶胞特征：（1）晶格常数

a=b=c,α=β=γ=90°（2）晶胞原子数

角上的原子属于8个相邻的晶胞，中心的原子属于这个晶胞。一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。

（3）原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。体心立方晶胞中原子半径与晶格常数a之间的关系为：（4）致密度(也称密排系数，空间占有率)

致密度越大，原子排列紧密程度越大。

体心立方晶胞的致密度为：（5）配位数

配位数越大，原子排列紧密程度就越大。

体心立方晶格的配位数为8。

（6）空隙半径

体心立方晶胞中有两种空隙：

●四面体空隙：由4个球体所构成，球心连线构成一个正四面体；

●八面体空隙：由6个球体构成，球心连线形成一个正八面体。

四面体空隙半径八面体空隙半径b.面心立方晶格(胞)(FCC晶格)

金属原子分布在立方体的8个角上和6个面的中心。面中心的原子与该面4个角上的原子紧靠。

具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ-铁(γ-Fe,912℃～1394℃)等。

面心立方晶胞的特征：

（1）晶格常数

a=b=c,α=β=γ=90°

（2）晶胞原子数

4

（3）原子半径

（4）致密度

0.74(74%)（6）空隙半径

●四面体空隙半径:r四=0.225r原子

●八面体空隙半径:r八=0.414r原子（5）配位数

12

四面体空隙半径八面体空隙半径c.密排六方晶格(胞)(HCP晶格)

12个金属原子分布在六方体的12个角上,在上下底面的中心各分布1个原子,上下底面之间均匀分布3个原子。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。

密排六方晶胞特征：

（1）晶格常数

正六边形的边长a

两底面之间的距离c

相邻侧面夹角120°

侧面与底面夹角90°

（2）晶胞原子数

6

（3）原子半径（4）致密度

0.74(74%)

（5）配位数

12（6）空隙半径

●四面体空隙半径为:

r四=0.225r原子●八面体空隙半径为:

r八=0.414r原子

面心立方FCC和紧密堆积六方HCP是最密堆积方式，堆积密度最大。

等径球最紧密堆积时，在平面上每个球与6个球相接触，形成第一层（球心位置标记为A），如下图所示。此时，每3个彼此相接触的球体之间形成1个弧线三角形空隙，每个球周围有6个弧线三角形空隙，其中3个空隙的尖角指向图的下方（其中心位置标记为B），另外3个空隙的尖角指向图的上方（其中心位置标记为C），这两种空隙相间分布。

等径球质点堆积等径球体在平面上的最紧密堆积等径球质点堆积AAAAAAAAAAAAAAAAAAABC

面心立方最紧密堆积和六方最紧密堆积球体在空间的堆积是按照ABAB……的层序来堆积。这样的堆积中可以取出一个六方晶胞，称为六方最紧密堆积（A3型）。另一种堆积方式是按照ABCABC……的堆积方式。这样的堆积中可以取出一个面心立方晶胞，称为面心立方最紧密堆积。面心立方堆积中，ABCABC……重复层面平行于（111）晶面（A1型）。两种最紧密堆积中，每个球体周围同种球体的个数均为12。

ABCABC……层序堆积—面心立方密堆积A1ABAB……的层序堆积—六方密堆积A3等径球质点堆积AAAAAAAAAAAAAAAAAAABCAAAAAAAAAAAAAAAAAAABC123456123456123456ABC面心立方最紧密堆积ABCAABC面心立方最紧密堆积ABCABC……,即每三层重复一次123456面心立方最紧密堆积六方最紧密堆积123456ABAB……的层序堆积ABABA六方最紧密堆积ABABAB……每两层重复一次AAAABB密排面六方晶胞——六方密堆积最紧密堆积中空隙的分布情况：

每个球体周围有多少个四面体空隙？每个球体周围有多少个八面体空隙？

等径球质点堆积1个球的周围有8个四面体空隙1个球的周围有6个八面体空隙n个等径球最紧密堆积时，整个系统四面体空隙数2n个；八面体空隙数n个。无机非金属材料的结构

晶态：

共价晶体（C、SiC、BN）

离子晶体（MgO、Al2O3）

非晶态：玻璃相（无机玻璃）

气相：陶瓷中的气孔….a.金刚石型结构：

共价键结合的晶体即为共价晶体。共价晶体具有强度高、硬度高、脆性大、熔点和沸点高、挥发性低、导电能力较差和结构稳定等特性。金刚石、Si、Ge等b.硅酸盐结构

特征结构单元：[SiO4]4-四面体；

价键类型：含有离子键和共价键

连接方式：共用顶点氧相互连接，形成岛状、

链状、层状、立体网络结构等。

例如：石棉纤维——链状结构；

云母、滑石——层状结构，层间范德华力结合；

石英——网状结构。b.硅酸盐结构b.硅酸盐结构

c.玻璃结构

结构特征：一种原子结构排列近程有序、远程无序的结构；

价键类型：含有离子键和共价键。陶瓷材料

结构：结晶相+固溶体相+玻璃相+气孔；

结晶相是陶瓷最主要的相，其结构、形态、数量和分布决定了陶瓷材料的特性，包括主晶相、次晶相及第三晶相。

氧化物：很多陶瓷中的主要成分和结晶相，如MgO、Fe2O3，相当于由氧离子骨架和填隙得的金属离子构成。非氧化物：金属碳化物、氮化物、硅化物及硼化物，是一些特种陶瓷中的主要成分和结晶相，如WC、BN、Si3N4。●几种典型的离子晶体的晶体结构

玻璃相：陶瓷材料中原子不规则排列组成部分，结构类似于玻璃，以长石熔融液相为主体。积极作用：填充晶体间的空隙，提高材料的致密度；降低烧结温度；阻止晶型转变、抑制晶粒长大。不利因素：陶瓷强度、介电常数、耐热性能。

气相：坯体中各成分在加热过程中发生物理、化学作用所产生的空隙。不利影响：降低材料的强度，是造成裂纹的根源。应用：多孔瓷。

高分子化合物是由大量重复的结构单元连接而成。高分子材料的结构包括高分子链的结构及聚集态的结构。a．单体：构成高聚物的最基本的组成单元；b．链状结构：许多高分子是由多价原子彼此以共价键结合而成的长链状分子。它可以由一种（均聚物）或多种（共聚物）结构单元组成。热塑性材料。可反复加工。c．交联网状结构：三维空间的网状结构。不溶于任何溶剂（仅有一些溶胀），热固性材料，不能反复加工使用。d．聚集态结构：大分子与大分子之间的相互作用和几何排列等。是范德华力和氢键。包括：非晶态结构和晶态结构。●高分子材料的结构

高分子链的形态链状结构：

高分子链可以由一种（均聚）或几种（共聚）结构单元组成，呈现伸展状、无规线团状、折叠状、螺旋状等形式；

这类化合物在合适的溶剂中可以溶胀或溶解，受热易软化、流动，易加工，弹性和塑性好。支化型结构：

在主链的两侧以共价键连接的支链。体型(交联、网状型)结构：

在线型或支化型分子链之间以共价键连接,形成空间网状大分子。这类化合物不溶于任何溶剂，仅会发生一些溶胀，受热时不会发生熔融软化。具有较好的耐热性、耐溶剂性和机械强度，塑型低，脆性大。加工成型在网状结构形成前完成，不能那个反复加工使用。以上性质与其交联度关系密切。支化型交联型大分子链的柔顺性内旋转：单键以一定角度旋转。内旋转使大分子链的空间形象（构象）变化，这种性质称为大分子链的柔顺性。

温度较高柔顺性好。在拉力作用下，线型大分子链伸展拉直；外力去除后，缩回卷曲状和线团状，表现为聚合物具有弹性。

影响柔顺性的主要因素：(1)主链结构全单键的分子链柔顺性好；孤立双键--柔顺性增加，含芳杂环--柔顺性降低；(2)取代基特性极性取代基--柔顺性降低；体积大--柔顺性降低；分布对称--柔顺性好

高分子化合物的聚集态结构大分子之间的相互作用：

高分子链中原子之间、链节之间——共价键，称为主价力，大小取决于链的化学组成，影响熔点、强度等性质；

次价力，包括范德华力和氢键，存在于大分子之间，对材料的熔点、强度等性质也有很大影响，如分子链排列规则时，分子间作用力明显，熔点和强度较高。大分子间的几何排列：

有序排列——晶态；无序排列——非晶态（无定形）。

共聚型高分子链中化学结构不同的部分可能形成多种多样的微区结构。非晶态高分子化合物

玻璃态、橡胶态、熔融态及其他非晶区

含线型链的高分子化合物固化时粘度大，难以规则排列；

网状结构的高分子化合物因交联导致分子链无法有序排列。晶态高分子化合物

线型、支链型和低交联度的网状高分子化合物可能部分结晶，存在晶区和非晶区，其中结晶区具有纳米尺度薄片或球粒的特征。每条高分子链通常穿过许多晶区和非晶区。

晶区所占质量分数称为结晶度。结晶度越大，材料的强度、硬度和刚度越大，耐热和耐化学腐蚀性能提高，但弹性、冲击韧性等链运动相关性能降低。影响高分子结晶的因素

内在因素：

大分子链的结构——结构简单、规整、纸化程度小、侧基体积小、对称性高的容易结晶；

分子间力；

相对分子质量；

外界因素：

温度；冷却速度；

溶剂；杂质和填料…

复合材料可定义为由两种或两种以上独立的物理相组合而成。包括粘结材料（基体）和粒料，纤维晶须或片状材料所组成的一种固体产物。复合材料的组织是具有单一组织所不具备的特征复相组织。可以是一个连续的物理相与一个分散相的复合。也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在两个连续相中复合的材料。可以组成零维、一维、二维或三维的各类复合材料。●复合材料的结构模式零维(富勒烯)一维(碳纳米管）二维(石墨烯)(单层石墨)三维(金刚石）

材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为，它是材料微观结构特征的宏观反映。

无机非金属材料：是由离子键和共价键结合而成。其性能一般是晶态或非晶态的、坚硬、耐热、多数绝缘。部分有导电性，脆性大，韧性差，但一般都有较好的光学性能。

金属材料：由金属键结合而成。晶态、延展性好、不透明、高断裂韧性、电和热的良导体、一般不透明。

高分子材料：由共价键和范德华力结合而成。一般是非晶态（少量区域晶态）、较软、质轻、强度较低、中等韧性、易加工，电、热绝缘。2.3材料的性能金属材料常温为固体（Hg除外），熔点一般较高，少数很低，如碱金属等；密度一般较大；固有的金属光泽，纯金属延展性好，导热性和导电性好；空气中易氧化；合金的性质取决于母相金属的性质和合金的组成，一般合金较硬、较脆，延展性变小、导电性也变小。无机非金属材料导电性和导热性均小，在常温下多为电的绝缘体，但在高温下表现出导电性；质坚硬，抗压强度高，但抗拉强度小，且呈脆性；熔点都较高，耐热性好，且化学稳定性较强；

（特例：CaSO4·2H2O在120℃发生热解；长石、石英等氧化硅系统的结晶质矿物在约560℃发生相变；石灰石900℃热分解）高分子材料随聚合度增大，熔融态的粘度增大，固态时的强度增大；可分为热塑性树脂（加热时软化，温度降低时凝固，可反复进行）和热固性树脂（加热时发生反应固化，且不熔不溶）；具有较高的比强度（强度除以材料的密度所得到的比值）；一般耐水性和耐化学试剂侵蚀性较优良；耐热性、耐老化性较差，易蠕变，热膨胀率大；易燃烧，有的会产生有害气体。2.3.1化学性能定义

是指材料抵抗各种介质作用的能力，包括溶蚀性、耐腐蚀性、抗渗入性、抗氧化性等，又称为材料的化学稳定性。

不同种类材料因对各种破坏性因素的响应不同，因而表现出不同的化学稳定性。如金属容易被氧化腐蚀，高分子容易因光照而老化降解。金属材料的化学稳定性金属的化学稳定性以金属对周围介质侵蚀的抵抗能力来衡量。不同金属的化学稳定性有很大差别。金属的腐蚀是一种常见的现象，从腐蚀原因上可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀是指金属材料受周围介质作用引起的一种化学变化。如金属与SO2等氧化物的反应。电化学腐蚀指金属与电解质接触时发生的一种腐蚀，在腐蚀过程中，金属表面会形成微小的电流。发生原因在于：当两种金属材料或者一种金属材料其内部有两种不同的组成物（不同的相）时，如果它们同处于一电解质中，由于它们各自的电极电位不同，电极电位低的一极形成阴极，电极电位高的一极作阳极，二者间便形成微电流。产生的基本条件：必须是两种不同的金属、或者含不同化学成分、金相组织的同一金属处于电解质中，且二者的电极电位值不同。部分金属表面被氧化后发生钝化，这与形成氧化物薄膜的结构致密度和稳定性有关。腐蚀速度可用单位时间内单位面积金属材料的损失量来表示，也可用单位时间内金属材料的腐蚀深度来表示。工业上常用6类10级的耐蚀性评级标准：I类1级表示完全耐蚀，VI类10级为不耐蚀。材料的内在特征：密度、气孔率…化学作用：溶解、溶出、氧化…物理作用：干湿作用、温度变化、冻结融化…无机非金属材料的化学稳定性总体上稳定性较好，抗腐蚀能力较好。聚四氟乙烯：抗浓酸和碱、有机溶剂、氧化剂，使用温度范围宽；聚氯乙烯：管道、阀门、容器等。原因：共价键键能高；分子链排列的特殊形态，反应性基团基本被固定在材料内部；绝缘体，不会发生电化学腐蚀；通常含氯、氟的高分子的耐腐蚀性较强。高分子材料的化学稳定性高分子老化

由于受各种因素（光、热、高能辐射、氧化、气候、生物降解等）的作用，高聚物性能随时间不断恶化，逐渐丧失原有性能和使用价值的过程。表现为：橡胶变脆，龟裂或变软，发粘；塑料退色，失去光泽和开裂。高分子老化是不可逆的。老化结果：交联度增加——材料变脆、丧失弹性；高分子链降解，聚合度减少——材料变软、变粘、机械强度降低等。材料的力学（机械）性能，即是指材料在外力（载荷）作用时表现出来的变形行为及其抵抗破坏的能力。

如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、弹性与刚性等。2.3.2力学性能载荷的形式

强度

材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的最大能力.缺陷少、键合强度大，则材料强度高。测试结果受晶格错乱、气孔、残余应力等因素影响往往有较大离散性。

材料的拉伸强度用静态拉伸试验测定，结果与材料类型、拉伸速度有关。

金属材料拉伸强度较高。(a)原始试样

（b)拉伸后试样

圆形拉伸试样塑性

材料在载荷作用下断裂前产生永久变形的能力称为塑性。材料拉伸时延伸率较大，代表材料的塑性越好。陶瓷材料的塑性最差。弹性

材料在载荷作用下产生变形，当载荷除去后能恢复原状的能力。刚度指材料在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。

硬度

指材料抵抗另一硬物体压入其表面的能力，即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。

化学键较强时，材料的硬度一般都高。对于一价的键，硬度：共价键≥离子键＞金属键＞氢键＞范德华键。离子晶体的硬度由离子键强决定。金属的原子结构对其硬度影响明显。布氏硬度(HB)

：一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用下压入试样表面，测量压痕直径,计算硬度值。布氏硬度计的使用洛氏硬度(HR):

采用金刚石压头(或钢球压头)，硬度直接从硬度计表盘上读得,根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用表示方式有

HRA、HRB、HRC.洛氏硬度计的使用韧性

是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。度量的指标包括：冲击韧性：是用材料受冲击而断裂的过程所吸收的冲击功的大小来表征材料的韧性，可用于评价高分子材料的韧性；断裂韧性：常用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值来表征材料的韧性，表示材料阻抗断裂的能力。桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，原因在于构件或零件存在裂纹，裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。热容

1mol物质温度升高1K时所吸收的热量（即摩尔热容），包括定容热容和定压热容，常温下二者数值上接近。热膨胀

用线膨胀系数（或体积膨胀系数）来表示，指温度变化时材料单位长度（单位体积）的变化量。

膨胀系数与材料的键合作用方式、温度有关；通常，膨胀系数大小顺序：

高分子材料>金属材料>陶瓷。2.3.3热学性能热传导

处于较高温度下热振动状态的质点，将外部能量以更大的热振动方式引起邻接质点的热振动状态升高，将热振动状态高的波峰以质点为媒介向低温方向传递和移动的现象，是由于温差而发生的能量迁移。热导率（导热系数）：表示材料导热能力的常数，其单位为W·m-1·K-1，即单位时间内在1K温差的1m3或1cm3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量。传导机制：金属材料的热传导——自由电子的传导，温度升高和杂质会影响传导。

无机非金属材料的热传导——晶格振动的传导，在晶体中以热弹波的形式传导，玻璃体的热导率比晶体小。

高分子材料的热传导——分子或链段的传导，以其振动波及邻近分子激励的形式进行。耐热性

可以用材料的熔点Tm反映。分子间作用力大，熔点高；柔性大，熔点低。导电性能

电阻率ρ（Ω·m）：与单位体积载流子（电子、空穴、正（负）离子）数目、载流子的电荷量和迁移率有关，其中迁移率取决于原子结合类型、晶体缺陷、掺杂剂类型和离子在离子化合物中的扩散速率。

用电阻率或电导率表示：R=ρ(L/S),σ=1/ρ根据电阻率ρ的大小，将材料可分为超导体(ρ=0)、导体（ρ=10-8～10-5）、半导体（ρ=10-5～107）和绝缘体（ρ=107～1020）金属的电导率随温度的升高而降低，通常杂质原子使纯金属的电导率下降;半导体、绝缘体、离子导电材料的电导率随温度的升高而增加。杂质原子常常会使陶瓷的电导率增大。2.3.4电学性能半导体的导电

价带电子受激后跃迁到导带，价带留下空穴，电流通过电子和空穴的运动得以实现，其中空穴起着正电子的作用。

材料的电导率取决于电子-空穴对的数量和温度的这类材料称为本征半导体。另一类所谓的非本征半导体指的是通过加入杂质即掺杂剂而制备的半导体，杂质的多少决定了电荷载流子的数量。超导性

当温度一旦低于超导体材料的某一特征温度（临界温度）时，其电阻率就跃变为零。临界温度依赖于作用于导体的磁场强度。ResistanceofMercuryOnnes(1911)ResistanceTemperatureNormalMetalMercury4K

如果将这种导线做成闭合电路，电流就可以永无休止地流动下去。确实也有人做了：将一个铅环冷却到7.25K以下，用磁铁在铅环中感应出几百安培的电流，从1954年3月16日直到1956年9月5日，铅环中的电流不停流动，数值也没有变化。MeissnerEffect(1933)

1933年迈斯纳和奥克森费尔特发现：超导态下，超导体内的磁场强度H总为零，即具有完全抗磁性，这种现象就是迈斯纳效应。这是因为外磁场的磁化使超导体表面产生感应电流，感应电流在超导体内产生的磁场正好和外磁场相抵消，导致超导体内部磁场为零。迈斯纳效应

零电阻现象和完全抗磁性是超导体两个最基本、互相独立的特性。

超导体的应用

输电线路我国目前约有15％的电能损耗在输电线路上，超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍，可以传输几万安培的电流，电能消耗仅为所输送电能的万分之几。磁悬浮列车

永磁体悬浮磁悬浮列车工作原理

磁悬浮列车利用“同极相斥，异极相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。

由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。介电性能

包括介电常数、介电损耗、节电强度等。

在外电场作用下，不导电的物体，即电介质，在紧靠带电体的一端会出现异号的过剩电荷，另一端则出现同号的过剩电荷，这种现象称为电介质的极化。如果将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之间，则由于电介质的极化，将使电容器的电容量比真空为介质时的电容量增加若干倍。物体的这一性质称为介电性，其使电容量增加的倍数即为该物体的介电常数，用以表示物体介电性的大小。

电容器的电容和电容器极板间材料和器件的结构有关。介电强度是板极之间可以维持的最大电场强度。为了制造在强电场中储存大量电荷而且尺寸小的电容器，必须选用具有高介电常数和高介电强度的材料。介电损耗

是指电介质在交变电场中,由于消耗部分电能而使电介质本身发热的现象。是表示绝缘材料（如绝缘油料）质量的指标之一，介电损耗愈小，绝缘材料的质量愈好，绝缘性能也愈好。

压电性

由于形变而产生的电效应（机械能转换为电能的现象）称压电效应。对材料施加一电场而产生形变，称逆压电效应。

材料的压电性取决于晶体结构的对称性，材料需有极轴（不对称或无对称中心）且为绝缘体，具有各向异性的结构。如BaTiO3、a-石英

、聚偏二氟乙烯等。

压电效应的大小用压电常数来表示。压电材料用于点火装置、扩音器、振动计、超声波器件等。一百多年前，压电现象理论最早是李普曼(Lippmann)在研究热力学原理时就已发现，居里兄弟皮尔(P·Curie)与杰克斯(J·Curie)实验中发现压电效应(piezoelectriceffect)及几类压电材料，福克特(W.Voigt)提出晶体结构与压电性的关系。一战时，盟军军舰受到德国潜艇的攻击大量受损，因为电磁波无法有效穿透海水，而声波则能容易地在海里行进，为了寻找有效侦测潜艇的方法，蓝杰文(P.Langevin)发展出利用石英压晶体管作为声波产生器。石英两面各贴一钢片，使其振荡频率降到50KHz，外加一电脉波讯号，则经换能器转换成声波传至海底；过一段时间后，换能器接收到由海底反射之回波，由来回时间及波在海中行进的速度，可决定换能器到海底的距离。这个原理同样可测潜艇的位置。声纳系统压电效应的历史及应用哈佛大学的皮尔士教授（G.W.Pierce）用石英晶体制作超声波干涉仪；1927年，伍德（R.W.Wood）与鲁密斯（A.L.Loomis）首先使用高功率超声波。使用蓝杰文型的石英换能器配合高功率真空管，在液体中产生高能量，使液体引起所谓的空腔（cavitation）现象；石英晶体并不是很好的换能器材料，但是它的振荡频率却不随温度而变，亦即所谓的具有低的温度系数。这种频率对温度的高稳定性，用在控制振荡器的频率，及某些滤波器上最有用。1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英当作频率控制器.在第二次世界大战中，大约使用了一千万个晶体振荡器，用以建立坦克与坦克之间及地面和飞机之间的通讯.（石英电子表中的核心部件——石英振子）石英晶体构成的滤波器常用在有线通讯系统、微波通讯系统等。

铁电性

介电常数大的物质，如BaTiO3，当电场增强时，极化程度开始增大，接着突然增大，在电场强度很大时增加的速度又减小而趋向于极限。除去电场后剩余一部分极化状态，必须加上相反的电场才能完全消除极化状态，即出现滞后现象。与铁磁体类似，因而称为铁电性。在较强的交变电场作用下，铁电体的极化强度P随外电场呈非线性变化,而且在一定的温度范围内，P表现为电场E的双值函数，呈现出滞后现象，这个P—E回线就称为电滞回线

2.3.4电性能2.3.4电性能2.3.5光学性能光的透过、吸收和反射

折射率n是光波在物体中的传输速度v与在真空中的速度v0的比值。反射率R

金属：不透明、高反射率。吸收——电子被光激发到空的高能级；

反射——激发态电子退激、释放能量产生光线。

高分子：大部分（非晶态、晶粒较小的晶态）透光性好；晶粒尺寸较大时，对光散射较强，不透明呈白色，如尼龙。

无机非金属：能带宽、可见光不能激发电子时，透明，如玻璃；降低晶粒尺寸有助于陶瓷透明。荧光性

物质在吸收光能或电能后，通过电子跃迁和退激再释放出光的现象。一些半导体、陶瓷、导电聚合物等材料可以发出荧光。非线性光学性能

事实上，介质在光场中极化时，极化强度P并不与

光波电场E成正比,尤其当光强较大时更是如此,这时称

介质产生了非线性极化。2.3.5光学性能物质的磁性来源于原子的磁矩

原子磁矩原子核磁矩电子磁矩物质磁矩一般不等同于孤立原子的磁矩。原子核磁矩电子磁矩量子力学的分析：

在填满电子的壳层中，总轨道磁矩和总自旋磁矩均为零；轨道磁矩自旋磁矩

矢量和电子磁矩2.3.6磁学性能磁畴：物质中所包含的许多自发磁化的小区域，相当于一个小磁针。磁场强度H：描述空间某一点磁场的大小和方向，用H表示。磁化强度M：指磁体内部单位体积的磁矩矢量和，反映出磁体的磁性强弱程度。磁感应强度B：B=m0(H+M)，其中m0是一个系数，叫做真空磁导率。磁导率m：导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。磁导率的定义是m=B/m0H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。2.3.6磁学性能

物质磁性可分为：

抗磁性：使磁场减弱；

顺磁性：使磁场略有增强；铁磁性及亚铁磁性：使磁场强烈增强。材料的磁性取决于电子的自旋磁矩以及轨道的运动磁矩，用磁导率或磁化率表示。抗磁性是某些材料放入磁场内，沿磁场的反方向被磁场微弱磁化，当撤去外磁场后，磁化呈可逆消失的现象；顺磁性材料放入磁场内，沿磁场的方向被磁场微弱磁化，而当撤去外磁场后，磁化可逆消失的性质。顺磁性物质不能被磁场吸引；

2.3.6磁学性能

铁磁性是一种材料的磁导率非常大，能沿磁场方向被强烈磁化的性质，这是因为铁磁质放入到磁场时，磁矩平行于磁场方向排列，形成了自发磁化。铁磁性物质又分硬磁性物质、软磁性物质。亚铁磁性是一种材料中部分阳离子的原子磁矩与磁场反向平行，而另一部分则平行取向所致的磁性行为，亚铁磁性常出现在一些氧化物材料，特别是铁氧体。MOFe2O3、MFe12O19等。2.3.6磁学性能2.3.6磁学性能

材料的制备方法主要涉及到原料的选用与合成和制备工艺流程与方法两方面的内容。另外，选用合适的设备，也是制备优良材料的关键之一。2.4材料的制备方法

原材料的选用与合成是材料制备的一个重要环节.

原材料包括天然材料和化工原料。天然材料：天然矿物岩石与动植物原料化工原料（人工合成原料）：采用化学或物理方法将天然原料加工，又分为无机化工原料和有机化工原料。在选择原料时，除了考虑化学组成，纯度，颗粒度等主要因素外，成本也必须考虑。天然原料杂质较多，但价格低；人工合成原料纯度较高，但价格也高。2.4.1原料的选用与合成

金属矿：如铁矿石、铝土矿、方铅矿、黄铜矿等。天然硅酸盐矿物：石英砂、砂岩、石灰石、长石、粘土等。合成高分子化合物的基本原料：石油、天然气，煤，化石以及某些农副产品等。

●天然矿物原料★矿石的开采和还原

矿物是指地壳中的化学元素，经过各种地质作用形成的，并在一定条件下相对稳定的单质或化合物。是组成矿石和岩石的基本单元。

选矿方法有：

重选法、浮选法、磁选法。

●天然矿物原料重选法：根据矿物密度的不同，在水、空气或密度大于水的悬浮液等介质中具有不同的沉降速度进行分选的方法，是目前最重要的选矿方法之一，广泛应用于选别含金、钨、锡的矿石；特点：具有设备结构简单、选矿成本低廉等优点。浮选法：浮游选矿的简称，现代工业上广为应用的是泡沫浮选法，依据不同的矿物表面具有不同的润湿性（即疏水性和亲水性），使粉碎后的矿石卷入由有机溶液与空气形成的泡沫中，然后令其沉降。此类液体对含金属的矿物的润湿性一般较差，因此含金属的矿物将悬置于气泡中并富集于泡沫区，而液体对脉石（如石英颗粒）有良好的润湿性，将使其沉降到槽底。特点：应用广泛，分选效果好，效率高，成本较高，废水污染环境。磁选法：分选黑色金属矿石，特别是磁铁矿和锰矿石的主要选矿方法，也比较广泛应用在稀有金属矿石的选矿。对于磁性大小不同的矿物，强磁性矿物（如磁铁矿、钛磁铁矿）、弱磁性矿物（如赤铁矿、褐铁矿、钛铁矿、水锰矿）和非磁铁性矿物（如方解石、石英黄铁矿），可用磁场强度不同的磁选机，如弱磁场、强磁场和中磁场磁选机。

可当材料使用的天然矿物：石棉（不可燃的天然纤维）云母和页岩（可撕成薄片），天然岩石（砂岩、花岗岩、大理石等），蓝宝石，红宝石和金刚石等。

天然材料：木材，天然橡胶，天然纤维等。●天然矿物原料

粘土类：主要成分是SiO2、Al2O3及H2O，还含有Na2O、K2O、CaO、MgO及有色氧化物Fe2O3、TiO2等。

石英类：主要成分是SiO2，少量杂质，主要形态有水晶

（最纯）、脉石英、砂岩、石英砂、硅藻土、燧

石、硅石等。

长石类：主要是不含水的碱金属和ⅡA的铝硅酸盐。钾长

石，钙长石，钠长石，钡长石等。

碳酸盐类：白云石、方解石、菱镁石、石灰石、硅质、灰

岩、白垩和贝壳等。

其他原料：滑石、蛇纹石、硅灰石、透辉石、透闪石、骨

灰、磷灰石和萤石等。●硅酸盐矿物原料

常见的工业废渣有：粉煤灰，石煤，炉渣，铝渣，电石渣，糖滤泥，磷矿渣，萤石矿渣，碎玻璃及其它。●工业废渣的利用（1）氧化物原料

单一氧化物和复合氧化物（2）非氧化物原料

类金属难熔化合物、非金属难熔化合物和金属互化物.（3）其它化工原料：碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、磷酸盐、卤化物、硫化物等。●无机合成原料

氧化铝:氧化物精细陶瓷的代表性原料之一，具有一系列优良

性能，也是高温耐火材料、磨料、磨具、激光材料及氧化铝宝石等的重要原料，包含普通氧化铝、低钠氧化铝、易烧结氧化铝、高纯氧化铝、烧结氧化铝和电熔氧化铝等。氧化钛：俗称钛白粉，细分散的白色到微黄色粉末，有三种不同的晶型，即板钛矿、锐钛矿和金红石，是制造钛酸钡电容器陶瓷、热敏陶瓷和压电陶瓷等电子材料的重要原料。纯度为95%的也广泛用作为涂料、印刷油墨、橡胶、纸张等的颜料。氧化钛制备氧化钛通常用天然钛铁矿（FeO·TiO2），经化学方法处理制得，制备方法有硫酸法、氯化法、熔融法和还原法等。钛酸盐：主要有钛酸钡、钛酸锶、钛酸钙、和钛酸铅等，BaTiO3是压电、铁电陶瓷的重要原料，电容器陶瓷一般使用钛酸钡居多。氧化物原料

大多为难熔化合物，作为原料用来制造非氧化物陶瓷。主要有三类：①类金属难熔化合物，金属与非金属结合的化合物，如碳化物、氮化物、硼化物等。普遍熔点高，硬度高，有良好的化学稳定性，很高的导电性和传热性，甚至有的在真空中或在电场和热的作用下有发射电子的能力，某些还具有半导体性质。②非金属难熔化合物，即非金属与非金属结合的化合物，如SiC、BN等和其他多组元化合物等。具有半导体性，室温下有高的电阻及非常高的化学稳定性。③金属间互相结合的金属互化物如，Al、Be等系统的金属互化物，钴-铬-钨系统的互化物。非氧化原料

碳化物

很高的熔点（软化点普遍在3000℃以上，TaC和HfC分别为3880℃和3890℃）、良好的导电性和导热性、高硬度，如B4C是仅次于金刚石的最硬材料，其粉末可直接用来研磨加工硬质陶瓷、宝石、铸模、车刀、轴承等，也可以做成制品作为人工研磨工具。

高抗氧化能力，所有碳化物在高温下都会氧化，但抗氧化性比高熔点金属要强一些，大多数碳化物都比碳和石墨具有较高的抗氧化能力；

良好的化学稳定性，许多碳化物在常温下不与酸反应，个别金属碳化物即使在加热时也不与酸作用，最稳定的碳化物甚至不受硝酸与氢氟酸混合酸的强烈侵蚀。制备方法：化合法（金属与炭在加热时直接化合）还原化合法（金属氧化物与炭通过气象反应得到）气相沉积法（气态金属卤化物、碳氢化物及氢的反应）

熔点高、硬度高、密度小、热稳定性好、热膨胀系数小。

氮化硼BN：可用作削切工具，各种熔融体的加工材料，轴承材料，飞行器构件的材料。

氮化硅Si3N4：可用作燃气涡轮叶片、导弹的尾喷管材料，坩埚、热电偶保护管、炉材、金属熔炼炉或热处理的内衬材料；其薄膜作为电绝缘体和介电体可用于集成电路工业；在原子能工业不仅用来作为高温反应堆中的支承体与隔离体，而且可作为中子吸收剂的载体。

制备方法：化合法（金属粉与氮气在900-1300℃时直接化合）

还原化合法（金属氧化物与炭等还原并同时氮化还原）

化学气相沉积法（卤（氯）化物蒸气与氢、氮反应）氮化物（1）天然纤维：植物纤维、动物纤维、矿物纤维（2）天然树脂：由植物或动物的分泌物再加工而成，包括松香、虫胶、火漆、琥珀等。（3）天然橡胶：异戊二烯聚合物（4）生物胶

植物胶：阿拉伯树胶、山达胶、桃胶、淀粉等；动物胶：虫胶、鱼胶、蛋白质、明胶等。●天然高分子化合物

合成高分子化合物主要指合成树脂、合成橡胶和合成纤维三大类，还包括粘合剂、涂料及功能性高分子。高分子材料的单体可以从煤、石油、天然气和农副产品中制取。塑料的原料是合成树脂和助剂。助剂包括稳定剂、润滑剂、着色剂、增塑剂、填料以及防静电剂、抗老化剂和防霉剂等。合成橡胶制品的原料是合成橡胶和助剂。助剂包括补强剂、填充剂、硫化剂、硫化促进剂、助促进剂、防老化剂、软化剂和着色剂等。合成纤维制品的原料是合成纤维和助剂。助剂包括消光剂、防静电剂和溶剂等。●有机合成原料●有机合成原料

合成高分子化合物的主要原料叫单体。A．石油化工路线

石脑油裂解生成芳烃、低碳烃和裂解汽油等

以石油合成的基本有机原料为基础合成的单体和高分子化合物（1）生产单体的原料路线

合成高分子化合物的主要原料叫单体。A．石油化工路线（a)石脑油裂解生成芳烃、低碳烃和裂解汽油等

以石油裂解的基本有机原料为基础合成的单体和高分子化合物（1）生产单体的原料路线（1）生产单体的原料路线（1）生产单体的原料路线(b)以石油合成的基本有机原料（乙烯、丙烯、丁二烯等）为基础合成的单体和高分子化合物B．煤炭原料路线

煤通过干馏得到煤气、焦碳和煤焦油（1）生产单体的原料路线C．其它原料路线

从植物和农副产品中得到合成高分子的单体原料a淀粉、b糠醛、c糠醇、d木糖和木糖醇、e羧甲基纤维素、f人造棉、g甲壳素和壳聚糖、（1）生产单体的原料路线①加聚反应：自由基型(活性中心为自由基)和离子型聚合。

单体通过加成聚合反应形成的产物称为加聚物。A．加聚反应的原理：链引发、链增长、链终止和链转移.B．加聚反应的分类：均聚和共聚C．加聚反应的特点a.加聚反应的单体一般都具有不饱和结构或环状结构。

b.加聚反应属于连锁反应，生成的高分子的相对分子量与时间无关，单体的转化率随时间而增加。

c.高聚物的链节与单体具有相同的化学组成。

d.加聚反应过程中无小分子副产物生成。（2）高分子化合物的合成②缩聚反应(缩合聚合反应)：由具有两个以上官能团的低分子化合物聚合成高分子化合物，同时析出小分子物质A．分类：均缩聚、混缩聚和共缩聚。a.均缩聚：含两种及以上官能团的一种单体进行的缩聚反应。b.混缩聚：又叫杂缩聚。两种不同单体分子间的缩聚反应。c.共缩聚：在均缩聚或混缩聚中加入其它种类的单体。B．特点：a.单体含两个以上的官能团。b.可逆逐步反应，转化率与时间无关，M与t有关。c.链节的化学组成与单体的不相同。d.伴有小分子副产物析出。（2）高分子化合物的合成（一）气相法(物理气相法、化学气相法)（1）物理气相沉积法（PVD）：利用电弧、高压电场或等离子体等高温源将物料加热到高温使之气化或形成等离子体，然后通过骤冷，使之凝聚成各种形态的材料

PVD法包括三个步骤：a.蒸发、升华或用阴极溅射等方法产生蒸气；b.减小大气压强而使之气化，材料从供给源转移到衬底；c.凝结发生在衬底上，通过异相成核作用和膜生长形成一种沉积膜。PVD法制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物，特别适用于用液相法或固相法难以直接合成的非氧化物系列(合金、氮化物、碳化物等)的超细粉。2.4.2制造工艺过程及方法2.4.2制造工艺过程及方法2.4.2制造工艺过程及方法（2）化学气相沉积法（CVD）：利用气相反应制备材料的重要合成方法。①CVD原理：涉及反应化学、热力学、动力学、转移机理、膜生长现象和反应工程。反应类型：a.热分解反应：制备外延生长薄膜、多晶硅薄膜等；b.化学合成反应：两种或两种以上气体之间的相互反应。②CVD的工艺流程与设备③影响CVD的参数：反应体系成分、气体的组成、压力和温度等。2.4.2制造工艺过程及方法④CVD法的特点：合成温度低（低于材料熔点）、组分可调、控制晶体结构沿特定方向排列、控制材料的形态、不需烧结助剂、合成高纯高密度材料、控制晶粒大小（最小可达0.1nm）；制备复杂形状品、进行多层涂覆、合成亚稳态物质和新材料。2.4.2制造工艺过程及方法用于化学气相沉积的反应类型大体包括：简单热分解和复杂热分解反应沉积氧化还原反应沉积其它合成反应沉积化学输运反应沉积其它能源增强的反应沉积2.4.2制造工艺过程及方法历史：

古人类取暖或烧烤时熏在岩洞壁或岩石上的黑色碳层.→中国古代炼丹术中的“升炼”（最早的记载）。→20世纪50年代现代CVD技术用于刀具涂层（碳化钨为基材经CVD氧化铝、碳化钛、氮化钛处理）→20世纪60、70年代半导体和集成电路技术、超纯多晶硅（9个9）。→1990年以来我国在激活低压CVD金刚石生长热力学方面，根据非平衡热力学原理，开拓了非平衡定态相图及其计算的新领域，第一次真正从理论和实验对比上定量化地证实逆自发方向的反应可以通过热力学反应耦合依靠另一个自发反应提供的能量控动来完成。2.4.2制造工艺过程及方法

“升炼银朱，用石亭脂二斤，新锅内熔化。次下水银一斤，炒作青砂头，炒不见星，研末，罐盛。石板盖住，铁线缚定，盐泥固济，大火锻之，待冷取出。贴罐者为银朱，贴口者为丹砂。”——《本草纲目》引自《丹药秘诀》银朱：乃硫黄同汞升炼而成HgS

（火力猛，炼时较短，含Hg杂质）。石亭脂:颜色发红的硫磺；丹砂：HgS（火力缓，炼时较长，比银朱纯，几乎不含Hg杂质）

2.4.2制造工艺过程及方法简单热分解和热分解反应沉积

最简单的沉积反应是化合物的热分解。热解法一般在简单的单温区炉中，于真空或惰性气氛下加热衬底至所需温度后，导入反应剂气体使之发生热分解，最后在衬底上淀积出固体材料层。

这类反应体系的主要问题是源物质和热解温度的选择。在选择源物质时，既要考虑其蒸气压与温度的关系，又要特别注意在不同热解温度下的分解产物，保证固相仅仅为所需要的淀积物质，而没有其它夹杂物。比如，用金属有机化合物淀积半导体材料时，就不应夹杂碳的淀积。氢化物