概论第2章-组成结构与性能

材料概论各种材料(金属、高分子和无机非金属)不论其形状大小如何,其宏观性能都是由其化学组成和组织结构决定的。材料的性能与化学组成、工艺、结构的关系如下：

第二章材料的组成、结构与性能

2.1材料的组成

2.2材料的结构

2.3材料的性能只有从不同的微观层次上正确地了解材料的组成和组织结构特征与性能间的关系，才能有目的、有选择地制备和使用选用材料。化学组成工艺过程本征性能显微结构材料性能2.1材料的组成

材料通常都是由原子or分子结合而成的，也可以说是由各种物质组成的，而物质是由≥1种元素组成的。按原子or分子的结合与结构分布状态的不同，可分成3类：第二章材料的组成、结构与性能

组元、相和组织固溶体聚集体

复合体2.1.2材料的化学组成2.1.1材料组元的结合形式固溶体、聚集体和复合体第二章材料的组成、结构与性能材料的组元:金属材料多为纯元素，如普通碳钢

Fe&C；陶瓷材料多为化合物，如Y2O3–ZrO2Y2O3&ZrO2

组成材料最基本、独立的物质，或称组分。可以是纯元素or稳定化合物。相:具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分。1m图2-1.50%ZrO2/Al2O3复合材料的SEM照片*相与相之间有明显的分界面，可用机械的方法将其分离开。第二章材料的组成、结构与性能

ZrO2Al2O3*各晶粒间有界面隔开，但它们是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的材料，仍属于同一相。*在相界面上，性质的改变是突变的。*1个相必须在物理和化学性质上都是完全均匀的，但不一定只含有1种物质。例如：纯金属是单相材料，钢(非纯金属)在室温下由铁素体(含碳的Fe)和渗碳体(Fe3C为化合物)组成；普通陶瓷：由晶相(1种/几种)与非晶相(玻璃相)组成。*由成分、结构都不同的几种晶粒构成的材料，则它们属于几种不同的相。材料的组织第二章材料的组成、结构与性能材料内部的微观形貌。实际上是指由各个晶粒or各种相所形成的图案。在不同条件下，相的晶粒大小、形态及分布会有所不同，从而材料内部会呈现不同的显微组织。*组织是材料性能的决定性因素。*只含1种相的组织称为：单一或单相组织；*由多种相构成的组织称为：复合或多相组织。组织与相是两个有着密切联系的不同概念。铸铁组织a)普通铸铁;b)可锻铸铁;c)球墨铸铁acb球状石墨团絮状石墨片状/蠕虫状石墨铁素体(C溶于Fe)/铁素体+珠光体椭球形TiO2颗粒(轴比1.3、尺寸nm量级)构成的光子晶体（引自JiangP.,BertoneJ.F.,andColvinV.L.,Science2001,291:453）第二章材料的组成、结构与性能不同温度下水热电沉积制备的HA(磷酸钙盐类化合物)/TiO2复合涂层的环境扫描电镜照片可看出：团粒状的TiO2微粒较均匀地分散在HA或CDHA涂层中，随T，HA晶体由长针状(a)逐渐生长为长棒状(e)，晶体端面和长度呈增大趋势，从高倍率图(f)，可看出晶体端面呈六边形。但晶体生长很不均匀，长短大小相差较大，当200℃时，长度约15～50m，直径约0.5～6m。(a)100℃(c)160℃(b)140℃(d)180℃(e)200℃(f)200℃,(e)的放大20m20m20m20m20m5m2.宏观组织—是用肉眼可以观察到的粗大组织，有时是指用放大倍数≤20~100的放大镜可观察到组织。又可分为：单一和复合组织。这些组织还可细分见表2-1

第二章材料的组成、结构与性能*材料组织可分为：1.微观组织(结构)—也称微细组织、显微组织，由原子的种类及其排列状态决定的。又可分为：晶体结构与非晶态(无定形)结构。组织(结构)类型主要构成物实例微观组织晶体聚集金属、无机物、有机物金属、微晶玻璃、结晶高分子等非晶聚集无机物、有机物玻璃、玻璃态塑料、橡胶等宏观组织单一组织致密金属、无机物、有机物型钢、棒钢、钢板、石材、塑料板、塑料棒等纤维金属、无机物、有机物（链状高分子）金属、玻璃、石棉、羊毛、棉花、丝绢、尼龙、维尼纶等单纤维复合组织聚集组织纤维聚集无机、有机纤维的聚集体（+空气）毛毡、垫料、织布等多孔无机物、有机物+空气泡沫混凝土、加气混凝土、泡沫塑料、木材等复合聚集无机物、有机物复合聚集体灰砂浆、混凝土、纤维增强混凝土、木纤维水泥板、石棉水泥板、玻璃钢、涂料、金属陶瓷迭合组织两种以上材料的迭合胶合板、石膏板、蜂窝板、钢筋混凝土等表2-1材料组织的分类(p19)相同条件下，材料性能随其组织的不同而变，如：第二章材料的组成、结构与性能*通过控制和改变钢的组织，可以使硬度很低or很高；*胶合板是单片板用胶合剂粘合成使纤维方向互相垂直相交，以改善木材各向异性的缺点；热轧时钢的组织变化1、轧件2、轧前晶粒；3、上辊4、下辊5、变成细长晶粒；6、细晶粒出现；7、新晶粒长大；8、形成新晶粒。*泡沫塑料是在组织内引入气孔以减轻质量，增大弯曲刚性，同时降低其导热率；*钢筋混凝土和增强塑料，是以钢筋or纤维作为增强材料，以获得单一材料所不具备的优良性质。溶体：≥2种的原子or分子溶合在一起时的状态。一般是原子or分子的均匀混合物，不是化合物。溶液：液态溶体。第二章材料的组成、结构与性能固溶体固溶体：固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体。保持溶剂组元的晶格类型。如：C溶入Fe形成以Fe为基的固溶体，其晶格没变仍为体心立方结构。合金与陶瓷中有不少是属于固溶体。固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同可分成:第二章材料的组成、结构与性能置换型固溶体(或称取代型)：溶剂A晶格中的原子被溶质B的原子取代所形成的固溶体。原子A同B的大小要大致相同。填隙型固溶体(也称间隙型)：在溶剂A的晶格间隙内有溶质B的原子填入(溶入)所形成的固溶体。B原子必须是充分小的，如C和N等是典型的溶质原子。对同1种晶体，可同时存在这2种形式的固溶体，如普碳钢中，Mn在-Fe中是取代固溶，C是填隙固溶。

第二章材料的组成、结构与性能与纯金属相比，合金固溶体的物理、化学性能均发生了不同程度的变化：

*溶入溶质原子，将使固溶体的强度和硬度↗，称为固溶强化；*要求高导磁率、高塑性和高抗蚀性的合金，其金相组织多数由1种固溶体组成；第二章材料的组成、结构与性能*要求强韧兼备的结构材料：常采用以固溶体为基，而细小质点的第2相呈弥散分布的材料。*不少固溶元素可明显地改变基体的理化性能。如Si溶入-Fe中可↗导磁率、↗比电阻，含24%Si的硅钢片是1种应用广泛的软磁材料。聚集体

第二章材料的组成、结构与性能有的晶粒间呈连续变化牢固地结合在一起(如金属or固溶体等)；一般金属or无机材料，不论是由“单元素”、“固溶体”or由“≥两种元素的结晶相”构成的抑或是“结晶相&玻璃相的共存状态”，都是由无数的原子or晶粒聚集而成的固体，这类状态的材料称为聚集体。其中：有的晶粒间结合较微弱(如铸铁、花岗岩等)，受外力作用时，在晶粒的界面会发生破坏。*石棉&云母：链状&层状结构的晶体，因相互间结合力较弱，可将其分散成细纤维&薄片。第二章材料的组成、结构与性能*链状高分子材料：通过链的卷入、某些交联作用及部分析晶等可使键能有一定程度的增加。*纯金属：一般可看成是微细晶体的聚集体；*合金：可看作是母相金属原子的晶体与加入的合金晶体等聚合而成的聚集体。晶粒间的结合力＜晶粒内部的结合力。复合体(复合材料)：

第二章材料的组成、结构与性能

由≥2种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。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。其结构通常：一相为连续相，称为基体材料；另一相是不连续的，以独立的形态分布在整个连续相中，称为分散相。与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强材料。第二章材料的组成、结构与性能增强材料的种类有：颗粒增强、晶须和纤维增强、层板复合等，如先进复合材料是以碳纤维、芳纶、陶瓷纤维、晶须等高性能增强材料与耐高温树脂、金属、陶瓷和碳(石墨)等构成的复合材料，用于各种高技术领域量少而性能要求高的场合。三种最普通的复合材料中相的排列

第二章材料的组成、结构与性能聚合物/层状硅酸盐(PLS)纳米复合材料结构示意图（a）插层型（b）剥离型（a）（b）*胶合板——将纤维方向相互垂直迭合在一起的；*蜂窝结构材料——用蜂窝状的物质作为夹心材料，用强度大的平板作表面材料制成的轻质抗弯刚性大的材料。较粗大的骨料用结合材料结合而成的称为复合组合体，如混凝土、纤维板(将植物质纤维用树脂结合制成的)等。第二章材料的组成、结构与性能叠层材料：一般指将成型好的材料按一定方向迭合成层状胶合在一起做成的材料，如：思考题普通的混凝土中有几种相？请分别写出各种相的名称。若在其中加入钢筋，则钢筋起到什么作用？此时又有几种相？金属材料的化学组成:包括纯金属和以金属为基所构成的合金。特点是具有其他材料无法取代的强度、塑性、韧性、导热性、导电性以及良好的可加工性等。为获得需要的性能，须控制材料的成分与组织。

无机非金属材料的化学组成

高分子材料的化学组成2.1.2材料的化学组成

第二章材料的组成、结构与性能单质金属存在于自然界的94种元素中，72种是金属元素。大多数是以过渡金属为中心的纯金属状态使用。工业上习惯分为：第二章材料的组成、结构与性能黑色金属：铁、铬、锰3种；有色金属：其余的所有金属。又可分为：

重金属、轻金属、贵金属和稀有金属等4类。金属合金:由≥2种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。如黄铜—Cu+Zn的合金，硬铝—Al+Cu+Mg等组成的合金。第二章材料的组成、结构与性能合金元素：为形成合金所加入的元素。由2或3种元素构成的分别叫做二元或三元合金。一些主要合金的化学组成见p22表2-2。合金一般都是多晶体，有时可形成固溶体、共熔晶、金属间化合物，以及它们的聚集体。非晶态合金具有许多优异性能，如强韧性、抗侵蚀、导磁率高、超导性等。化学组分几乎涉及所有元素，原料处理和制备工艺的日新月异，使新产品层出不穷。一些代表性的无机非金属材料的组成及分类见p23表2-3。第二章材料的组成、结构与性能无机非金属材料的组成陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料和搪瓷等。由金属和非金属元素的化合物配料经一定工艺过程制得的。如:

SiO2、Ai2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等氧化物；Ca(OH)2、Mg(OH)2、KOH、Al(OH)3、NaOH等氢氧化物、SiC、B4C、TiC等碳化物、Si3N4、BN、AlN等氮化物。高分子材料的化学组成

有机化合物(简称碳氢化合物)：以C元素为主，多数是同氢(H)、氧(O)中的任1种or≥2种结合而成的，也有同氮(N)、硫(S)、磷(P)、氯(Cl)、氟(F)、硅(Si)等结合构成。第二章材料的组成、结构与性能高分子材料：以高分子化合物(亦称聚合物或树脂)为主要组分的材料。高分子化合物：指分子质量特别大的有机化合物，相对分子质量是一个平均值，通常104；低分子化合物的分子质量是均一的，一般500；主链中不含离子键和金属键。合成高分子化合物：由1种or几种简单的低分子化合物聚合而成，如由氯乙烯聚合得到聚氯乙烯，其化学反应式可写成：nCH2=CHCl[CH2-CHCl]n。根据不同的来源,可分为：天然高分子材料：木材、皮革、油脂、天然橡胶等合成高分子材料：各种塑料、合成橡胶、合成纤维等。第二章材料的组成、结构与性能单体：可聚合成高分子化合物的低分子化合物。重复单元：组成高分子化合物的相同结构单元。第二章材料的组成、结构与性能每个重复单元又称作大分子链的1个链节，1个高分子化合物中重复单元的数目n叫做链节数，在大多数场合下链节数可称为聚合度，记为DP。如：聚氯乙烯单体是氯乙烯，链节是如-CH2-CHCl-，聚合度为3002500，相对分子质量为216万。按应用功能，高分子材料可分为：第二章材料的组成、结构与性能*通用高分子：塑料、合成纤维和合成橡胶等；*特殊高分子：耐热、高强度聚碳酸酯、聚砜等；*功能高分子：指具有光、电、磁等物理功能的高分子材料*仿生高分子材料：高分子引发剂、模拟酶等。常见的高分子化合物见p24表2-4。指材料的组成单元(原子或分子)之间相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间排布，可分成不同的层次。2.2.1材料中的化学键合

2.2.2晶体结构基础2.2.3材料的结构2.2材料的结构第二章材料的组成、结构与性能微观结构：比显微组织结构更细的一层结构，包括原子、分子结构及原子和分子的排列结构。宏观组织结构：用肉眼or放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态。第二章材料的组成、结构与性能显微组织结构：或称亚微观结构。借助光学or电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，尺寸约为107104m。

不同温度热处理后的铁氧体空心微球的SEM照片SEMphotographsofferriteshollowmicrospheresaftercalcinedatdifferenttemperature基本组成为SiO2,Al2O3,CaO,MgO,K2O,Fe2O3,的瓷釉，将MgO并入CaO，并忽略KNaO和Fe2O3，可粗略地认为属于SiO2–Al2O3–CaO三元系统。样品横截面的SEM照片ABC（a）松散体，在瓷釉与坯体界面处有致密的钙长石晶体界面层和釉内部延伸的钙长石：(A)坯体(B)界面层(C)釉66m1m（b）在钙长石晶体之间富SiO2相的不连续分相（d）（c）中连续的液–液分相结构的放大100nm（c）在钙长石(CaAl2Si2O8)之间连续的液–液分相1m（e）在钙长石晶体之间富CaO(MgO,Fe2O3)相的不连续分相（f）（e）中不连续的液–液分相结构的放大100nm1m1m（g）多级分相结构的SEM照片不连续的富CaO(MgO,Fe2O3)相半连续的蠕虫结构连续结构钙长石晶体氢键范德华键多种键型化合物金属键

离子键

共价键2.2.1.材料中的化学键合各类材料，当键合方式不同时，便具有不同的结构和特性。∴金属材料、无机非金属材料、高分子材料的差异本质上是由不同的元素、以不同的键合方式造成的。第二章材料的组成、结构与性能金属键：金属原子形成金属晶体时，每个原子都提供少数价e，共用于整个晶体，这种自由e构成金属键，把各个原子吸引在一起，成为金属晶体。第二章材料的组成、结构与性能具有键作用的e并不固定在一定的原子上，而是可以在金属格子间自由活动。格子由离子化了的金属原子构成，e起到将它们结合成键的作用。金属键具有无方向性的球对称性质。金属的高电导率和高热导率都是其自由e运动的结果。此外，自由e能够吸收所有波长的能量以及这一吸收能量的辐射，解释了金属对光的非透明性和金属表面的高反射性。离子键：由阳、阴离子相互间的吸引力(库仑引力)所形成的一种键合。此引力同邻接的所有其他原子都相互发生作用构成一个整体。第二章材料的组成、结构与性能化学键中最简单的类型，∵在本质上，它完全可归结于静电引力。常发生在正电性元素(周期表左侧的金属)和负电性元素(周期表右侧的非金属)之间。NaCl和MgO是典型的离子键化合物。图2-1NaCl晶体中的离子排列

虚线勾画出这晶体结构的基本重复单元，即单位晶胞。每个阳离子(Na+)与6个阴离子(Cl)配位

一般来说，形成离子键的静电力来源于离子的过剩电荷，晶体中离子的电子云密度分布应是对称的，通常不应产生变形。∴离子键具有饱和性和无定向性的特点，也是离子化合物具有配位数(Z)高、堆积致密的一个重要的原因。

第二章材料的组成、结构与性能第二章材料的组成、结构与性能*离子键化合物中，总是V->V+，∴在考虑离子堆积时，要先考虑负离子R的堆积。一般R按立方堆积、立方密堆积和六方密堆积等方式进行，而正离子R则占据R堆积所形成的立方体、正八面体和正四面体间隙的中心。*虽然离子间作用力主要来源于过剩电荷，但在一定条件下也会通过电场互相作用产生极化，离子极化经常造成键力加强、键长缩短和配位反常；严重的极化还能使离子键向共价键过渡。离子键化合物构成整个固体无机化合物很大一部分。较重要的有：(A为正离子，B为负离子)AB型：碱金属的卤化物以及碱土金属的氧化物、硫化物、硒化物、碲化物等。AB2型：主要是氟化物和氧化物，其代表性的结构：萤石(CaF2)型、金红石(TiO2)型和碘化镉(CdI2)型。AB3型：主要有BiF3型、ScF3型和UCl3型。A2B3型：刚玉(-Al2O3)型是其代表性结构型式，金属氧化物大多为离子化合物。

第二章材料的组成、结构与性能多元化合物中，有相当一部分属于离子键化合物，同时也含有共价键甚至范德华键和氢键，较复杂。如：铵盐的卤化物，多以NaCl型、CsCl型结构存在。方解石结构可看成走了样的NaCl型结构。第二章材料的组成、结构与性能ABO3型：主要有FeTiO3型和CaTiO3型。其中FeTiO3型的结构可归为Al2O3型结构,都是离子结构。ABO4型:CaSO4和BaSO4型结构,CePO4,ZrSiO4,AlPO4,BPO4型结构,CaWO4,FeWO4型结构,络合负离子与金属之间都是典型的离子结构。

A2BO4型:尖晶石(Al2MgO4)型最有代表性,∵A与B的大小不相上下,甚至A-O与B-O的结合也都是离子键。共价键：由2个原子共有最外壳层电子的键合。其强度随着参与键合的e数增多而增强。第二章材料的组成、结构与性能最简单是单价共价键，出现在H2中。另一些元素组成的分子(如N2、O2、F2)和H2一样，也形成共价键。F2是共价单键，而O2和N2则分别具有双键和三键。∵3种原子的e结构分别为：1s22s22p5、1s22s22p4和1s22s22p3。不同原子间也可形成共价键，如：HF、H2O、NH3、CH4每个原子贡献出1个e形成e对。共价键形成时,∵能量原因,总是选择在合适的方向上成键,∴具有方向性。此外,共价键来源于e共享,原子形成共价键的数目要受到其e结构的限制,∴具有饱和性。∵上述本质,使得共价键晶体总具有很高的熔点和硬度、良好光学特性和不良的导电特性。金刚石是典型共价键晶体,自然界中最硬的物质第二章材料的组成、结构与性能另外一类共价键称配位共价键，特点是形成的共享电子对全由一个原子提供。所有非金属原子，惰性气体除外，都倾向于形成共价键。如硅晶体(见图2-2)

。第二章材料的组成、结构与性能Fig2-2硅晶体单位晶胞中的原子排列每个Si是以自旋相反的e对，分别与4个最近邻的Si键合形成4个共价键，如粗线所示。金刚石具有相同的结构。硅原子的三维排列是由具有方向性的共价键网络所决定的第二章材料的组成、结构与性能除单质外，共价键也大量存在于化合物中。如：AB型——ZnS型结构中每个原子均生成4个共价键从而形成共价键网；AB2型——FeS2式结构。多元化合物中也存在共价键。如在络合负离子中，内部的结合力虽说有离子键和共价键2种，但以共价键为主。以下面的络合负离子，其内部结合几乎均为共价键如：平面形：CO32，NO3；三角锥形：PO32，SO33，ClO3，AsO33；四面体形：PO43，SO42，ClO4，MnO4，SiO44；正方形：Ni(CN)42，PtCl42，PdCl42；八面体：AlF63，SiF62，TiCl62，ZrCl62等

H在2个高电负性的原子间形成一个桥，如图2-3表示的冰那样。分子有确定的几何形状，∴氢键有方向性。在高分子材料中氢键特别重要，是使尼龙之类的聚合物具有较大的分子间力的主要因素。图2-3冰晶体模型氢键用(----)表示，共价键用()表示.

第二章材料的组成、结构与性能氢键&范德华键

氢键是H在分子中与A原子键合时，还能形成与B原子的附加键，结合力较弱，比范德华键要强。发生于某些含H与高电负性原子(O、N、F等)共价键合极性分子之间，如H2O、HF、NH3和许多高分子化合物(包括蛋白质)中。范德华键：原子可看成是一个很小的偶极子。虽然对于平均时间来说，原子中e的空间分布，对原子核是对称的。但某一瞬间，整个原子正负电荷中心可能不重合，从而形成小的偶极子。这些小的偶极子之间的相互作用所造成的引力，就是范德华力。第二章材料的组成、结构与性能是1种相互吸引的永远存在于分子间or分子内非键结合的力。这类键一般很弱,只有不存在其他键时，才显示出来。例如，在具有稳定结构的原子之间,以及许多有机分子之间,都存在范德华键。范德华键在聚合物的分子之间作用比较明显,是长链高分子化合物内聚力的根源。

化学键合的产生，是由于几乎任何原子都倾向于获得更加稳定的e排布。各种化学键合都是直接来源于e。每个原子参加键合的e越多，键合能就越高。某些固体分解成原子气态所需要的能量列于p30表2-5。这些原子气化焓近似等于固体中原子之间的总结合能。第二章材料的组成、结构与性能键性与材料物性的关系→表2-6

表2-6

键性与材料物性的关系

键型金属键离子键共价键范德华键氢键结构特点无饱和性和方向性,高配位数,高密度有饱和性和无方向性或不明显,键能较大,结构稳定,高配位、中等密度有饱和性和方向性,低配位,低密度类似金属键有饱和性力学性能各不相同,强度有高低,有塑性强度高,劈裂性良好,坚固、硬度高强度高,坚固、硬度高

疏松，质软电学性能导电体绝缘体,熔体为导体绝缘体,熔体为非导体绝缘体热学性能熔点有高低,导热性好,液态的温度范围宽熔点高,膨胀系数小,熔体中有离子存在熔点高,膨胀系数小,熔体中有的含有分子熔点低、高膨胀性光学性能不透明,有金属光泽与各构成离子相同,对红外的吸收强,多是无色or浅色透明高折射率,同气体的吸收光谱很不同透明其它延展性良好除链状高分子外,延展性都较差

多种键型化合物：多元化合物一般具有几种键型。第二章材料的组成、结构与性能绝大多数有机化合物，分子的原子间由共价键连结，分子间靠范德华键联系；有机酸的金属盐中还有离子键。若原来分子中含有氢键，则同时具备四种键型。结构不太复杂的氢氧化物中，也能同时存在共价键、离子键和氢键等3种键型；酸和酸性盐中，除离子键和共价键外，还有大量氢键。硅酸盐：另一类多键型的复杂化合物，大量离子键和共价键，某些情况下也有氢键和范德华键。特别是某些天然的链状和层状硅酸盐结构更复杂。晶体结构的基本特征

晶体——原子or原子团、离子和分子按一定规律呈周期性的排列构成的物质,即从内部结构来看：晶体结构的基本特征是原子or分子在三维空间呈周期性的规则而有序地排列,即存在长程的几何有序。2.2.2晶体结构基础

结构的不完整性：实际上，极大多数晶体都有大量的与理想原子排列的轻度偏离存在，依据其几何形状而分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。结构的不完整性会对晶体的性能造成重大影响。第二章材料的组成、结构与性能单晶：由一块结构均匀的大晶体构成的固体，具有各向异性、一定的熔点，生长良好时外形规则。第二章材料的组成、结构与性能晶体排列状态：由构成原子or分子的几何形状和键型所决定，为无方向性的球状(单独的原子)时较简单；若为有机物分子类有方向性时，则相当复杂。构成原子or分子的吸引力与排斥力在达到均衡时相互保持稳定构成晶格。一般晶体外形有变化，晶格也不会改变。生长良好的晶体外形常呈现某种对称性，其宏观对称性是其内部结构微观对称性的表现，与晶体的性能有深刻的内在联系。按晶格边长,晶轴相交角度等可将晶体分为7大晶系晶系特征立方a=b=c，===90(3根轴互相正交,轴长相等)正方a=bc，===90(3根轴互相正交，2根轴长相等，1根轴不等)三方a=b=c，90，==90(3根轴长相等，2根轴正交，另1根轴向一个方向斜交)斜方abc，===90(3根轴互相正交，轴长均不相同)单斜abc，90，==90(2根轴正交，另1根轴向一个方向斜交，3根轴长均不相同)三斜abc，90(3根轴互相斜交，轴长各不相同)六方a=bc，==90，=120(2根轴等长,在同一面内互相以60相交,不等长的另1根轴同其正交)七大晶系的晶格特征结晶系示例见图2-4图2-4结晶系示例

晶体的结构定出了之后，如得知原子半径r即可求出表示晶格大小的晶格常数a。可借助于X射线衍射法确定结构，求出a。根据r和a可计算出晶体的密度。给出了两种结构的原子半径r与晶格常数a的关系。许多固体以多晶形式存在，常见金属及其合金、大多数陶瓷和矿物等均属于多晶体。多晶是许多单晶组成的聚集体，即由许多取向不同的晶粒组成。第二章材料的组成、结构与性能晶界：多晶体中，两个晶粒相遇时所产生的界面。晶粒大小相差极为悬殊，粒径可小至m(如粘土粒子)~nm(超细TiO2粒子)，大到cm(如黄铜粒子)。晶体中的原子总是在平衡位置附近进行热振动。晶体中又包含着种种缺陷如：点缺陷、线缺陷和体缺陷等，造成结构的不完整性。

(a)1200℃(b)1150℃(c)1100℃不同烧结温度所得Y2O2S:Eu3+产物的SEM照片SEMmicrographsforthephosphorfiredatdifferenttemperatures可看出：T烧结在1150℃和1200℃时,微观晶体颗粒生长得比较完整，基本上成六边形，尽管部分颗粒有团聚现象，但整体上看颗粒的大小比较均匀。在1100℃时生成的颗粒团聚现象很明显，而且大小不均，晶体结构不完整。4μm20μm结构的不完整性1.杂质原子与固溶体

一般所认为的纯材料实际上都溶有某些杂质。许多情况下,固溶体是有意制备的,目的在于改变某些性能—杂质的控制使用。有取代型和填隙型两类图2-6。溶质原子——杂质or有意添加的,都会使晶体基体发生局部的结构扰乱,形成固溶体。是1种相当重要的点缺陷。第二章材料的组成、结构与性能2.点缺陷

3.线缺陷

4.面缺陷

Fig2-6简单晶体中存在间隙杂质原子

和取代杂质原子的示意图置换(取代)杂质原子间隙杂质原子过渡金属中:添加的H、N、C、B都易处在间隙位置中,非常低的杂质%对其力学和电学性能也有显著的影响。添加原子的大小、晶格结构的空隙大小与形成间隙固溶体密切相关的。许多硅酸盐固溶体中，Be2+、Li+、或Na+等小半径正离子易进入到晶体晶格间隙中。晶格结构的空隙越大,也有利于形成固溶体。像面心结构的MgO，只有四面体空隙可以利用；反之在TiO2晶格中还有八面体空隙可以利用；在CaF2型结构中则有配位为8的较大空隙存在；再如架状硅酸盐片沸石结构中的空隙就更大了。∴形成填隙固溶体的次序必然是片沸石>CaF2>TiO2>MgO。固溶体对金属合金和特种陶瓷制备的作用很大：第二章材料的组成、结构与性能①结构位置缺陷:空位—晶体中没有被占据的原子位置;间隙原子—晶体本身的原子占据了间隙位置。间隙原子常比空位少得多,∵它在金属中所引起的结构畸变太大。空位的重要特点是能与相邻原子交换位置而运动。这使得原子高温时可在固态中进行迁移(即扩散)。T

平均热能原子振动的振幅也。②组成缺陷：前面已谈的杂质原子；③电荷缺陷。

理想晶体中一些原子被外界原子所代替,or晶格间隙中掺入原子,or留有原子空位,破坏了有规则的周期性排列,引起质点间势场的畸变,所造成晶体结构的不完整,仅仅局限在原子位置。可分为：点缺陷：第二章材料的组成、结构与性能∵热运动，晶体中总有一些原子要离开它的平衡位置，造成点缺陷。金属和共价固体中2种最常见的与杂质原子无关的结构点缺陷见图2-7。

①弗伦克尔缺陷：一些能量足够大的原子离开平衡位置后，挤到格子点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位。②肖特基缺陷：固体表面层的原子获得较大能量，但还不足够使它蒸发出去，只是移到表面外新的位置上，而留下原来位置形成空位，这样晶格深处的原子就依次填入→表面上的空位逐渐转移到内部去。一般，r+≈r-时以肖特基缺陷为主如NaCl，相差大时以弗伦克尔缺陷为主如AgBr。这两种缺陷都对离子晶体的导电性均有贡献。

刃位错：特性是滑移方向和位错线垂直，见图2-8。螺旋位错：由于剪应力的作用使晶面互相滑移，滑移部分的相交位错线和滑移方向平行。位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面。

第二章材料的组成、结构与性能线缺陷：

实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化or振动产生的应力作用or∵受到打击、切削、研磨等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行列间相互滑移，不再符合理想晶格的有序的排列，形成线状的缺陷，也称为位错。造成质点滑移面和未滑移面的交界线称为位错线。(a)为在剪应力作用下，使晶体的1个原子面相对其相邻原子面移动1个原子间距；(b)为在宏观尺度中，所引起的永久形变表现为晶体的一部分相对另一部分发生位移。第二章材料的组成、结构与性能多晶体是由许多结合得并不十分严密的微小晶粒构成的聚集体。如图2-9所示的构造就是1种面缺陷。晶界(晶粒之间的边界)是能量较高的结晶不完善的区域,其厚度等于12个原子直径。由于晶界的原子堆积不完善,所以杂质原子倾向于偏聚在晶界上。

第二章材料的组成、结构与性能面缺陷只有在一定条件下如有籽晶存在,才能形成单晶体。多数固体是多晶体,∵许多地点有晶核产生。如铸锭凝固时,形成许多晶粒。缓慢凝固的铸件,有时能用肉眼看到晶粒;凝固速率较快,晶粒尺寸就会小些,只有借助于光学显微镜才能够看见晶粒。每个单独的晶粒都是单晶体，在1个晶粒内，给定的1组原子面在空间具有相同的位向，但其相邻的晶粒具有不同的结晶学位向。晶粒之间不是公共面，而是公共棱的。原子面从1个晶粒到相邻的晶粒是不连续的。图2-9表示多晶体中各个晶粒位向的示意图

第二章材料的组成、结构与性能金属材料的结构

无机非金属材料的结构

高分子材料的结构多相复合材料的结构模式2.2.3材料的结构

当原子or分子结合成固体时，可能形成晶体，也可能形成非晶体。不具有明显晶体结构的状态统称为无定形结构or非晶质。液体、气体等均属于无定形结构，也有例外，如液晶。

第二章材料的组成、结构与性能金属材料的结构：一般都是晶体。∵金属键无方向性，晶体结构具有最致密的堆积方式，配位数Z(1个原子最邻近的、等距离的原子数)也特别高。金属晶体结构会随T发生变体转变，常温下金属元素晶体结构(见图2-10)第二章材料的组成、结构与性能体心立方结构BCC(body-centeredcubicstructure)在立方晶格的中心具有原子，如常温下的铁、铬、钨等(a)单位晶格(b)2个以上晶格(c)原子的堆积多数是体心立方、面心立方和紧密堆积六方结构。碱金属均为体心立方，Z=8；碱土金属多数为六方密堆积，Z=12；过渡金属先是六方密堆积和体心立方，最后完全过渡到面心立方结构。面心立方和六方密堆积一样，是最密的堆积方式，Z也是12。面心立方结构FCC(face-centeredcubicstructure)

在立方晶格的6个面上各有1个原子的结构，如常温下的镍、铝、铜、铅、银、金和9101400C之间的铁第二章材料的组成、结构与性能图2-12面心立方结构

(a)单位晶格(b)2个以上晶格(c)原子的堆积紧密堆积六方结构(hexagonalclose-packedstructure)

是在六方晶格的内部具有3个原子的结构，如常温下的钛、镁、锌等(图2-13)。

图2-13紧密六方结构

第二章材料的组成、结构与性能除单质外，合金一般都是多晶体，有时可形成固溶体、共溶晶、金属间化合物以及它们的聚集体。典型金属固溶体有Cu-Au、Cu-Ni、Fe-Ni等合金。组成合金的元素,可相互起化学作用形成化合物or可相互溶解形成固溶体。此外，还能形成另1种既不属于化合物也不属于固溶体的相—中间相。

金刚石型结构：极为复杂的结构(图2-14)，如金刚石、硅、锗等半金属。原子间以共价键结合，4个键互相呈109、280角度伸向正四面体的顶点。键的强度很牢固。

纯金属一般认为是微细晶粒的聚集体；合金则可看作母相金属原子的晶体与加入的合金晶体等聚合而成的聚集体。晶粒间的结合力要比晶粒内部的结合力小。软钢、铜、金、铝等之所以能经受大的塑性变形，是∵在发生滑移变形的同时，原子相互间的位置依次错开又形成了新的键，从整体看，是∵原子间的键难于断开的缘故。晶粒晶界上的结合是机械结合，即金属由高温熔体凝固析晶时，相互啮合牢固地结合在一起。晶粒间的接触面越大，结合力也越大。第二章材料的组成、结构与性能金属材料也可看成是由晶体的聚集体构成的：

无机非金属材料的结构1.金刚石型结构：金刚石、Si、Ge等。图2-15SiO4结构单元

2.硅酸盐结构：陶瓷的主要结构，其中Si-O为离子键和共价键的混合键。结构特征是Si+4位于由4个O-2组成的四面体中心，构成[SiO4]4-四面体(图2-15)，并通过共顶点的氧以不同形式相互连接形成岛状、链状(石棉)、层状(粘土、云母、滑石等)、立体网络状(石英)等不同结构。∵SiO44是离子化状态，可同其他金属离子结合成不同的结构。又∵每个O可同2个Si共有1对电子，∴能形成连续的结构。图2-16Mg(OH)2晶体的层状结构

Mg(OH)2可成为层状结构。Al(OH)3也有类似结构。高岭石SiO2∙Al2O3∙2H2O(简单的粘土)是1:1型结构，由1层[SiO4]与1层[Al2(OH)4]结合成单网层，在1边排列有O，另1边排列有OH，单网层间以氢键结合成片状整体。滑石是在2边都排列有O，在2层SiO2结构间夹在有Mg(OH)2结构的一种夹心型结构。

由6个OH将Mg2+围成八面体状3.玻璃结构：可看成是处在过冷状态的1种粘度极高的液体，整个结构不具有晶体的规则排列。特点是原子排列近程较有序，远程无序。键性有共价键和离子键。图2-17和图2-18是玻璃的结构示意图。

图2-17SiO2的原子排列

图2-18钠钙玻璃的原子排列

4.团簇及纳米材料：由几个至上千个原子、分子结合相对稳定的微观和亚微观聚集体叫做团簇，是介于原子、分子和宏观固体之间的1个新层次，许多物理、化学性质既不同与单个原子、分子，又不同与常规固体，成为凝聚态物质中的一种新结构。如果这样的团簇在1个、2个或3个方向上延伸，便成为1维、2维和3维材料。由于这样的3维材料是由纳米尺寸的微粒组成，通常把这类材料叫做纳米材料。广义的纳米材料是指微结构的特征长度在纳米量级的材料，可以是零维、一维、二维材料组成的块体材料，如由多层薄膜叠加而成的层状材料或由纳米纤维组成的材料等。这类材料又叫做纳米结构材料(NanostructuredMaterials)，或纳米相材料(NanophaseMaterials)。C60的结构：在大量的团簇中，最受重视的是团簇C60。以C60作为结构基元而形成的C60固体是除石墨、金刚石外，碳的第三种稳定的同素异构体。C60的结构可以这样来描述：将20等等边三角形组成的正20面体顶角截掉，截顶的20面体便成了由20个六边形、12个五边形组成的一个32面体，其形状类似于足球。球的直径为0.71nm，每三个面的交点处为一碳原子，共60个碳原子，球是空心的。碳团簇中，原子数为20、24、28、32、36、50、60、70……等团簇的稳定性高，其中以C60的丰度最高，C70次之。C70是由12个五边形、25个六边形组成的椭球。碳纳米管又叫做布基管，是一种由单层或多层石墨卷成的纳米微管，多层碳管各层之间的间隙为石墨的层间距。碳管两头可以是空的，碳悬键被氢原子饱和；也可被半个C60或更大的碳球所封闭。

高分子材料的结构第二章材料的组成、结构与性能单体链状结构交联网状结构高分子化合物的聚集态结构包括高分子链的结构及聚集态结构。通常按其结构层次，把链结构(构型)、高分子的形态(构象)和聚集态结构(包括织态结构)分别称为一次、二次和三次结构。三次以上又称高次结构。这些不同层次的结构，总称为高分子化合物的微观结构。

构成大分子的最基本组成单元。通常是C和H为主组成的较简单的低分子化合物，可通过反应生成高分子化合物，也可与O、N、S、P、Cl、F、Si等结合。常见的有：含有C-C双键的烯类，包括单烯类、共轭二烯烃，甚至炔烃：如乙烯、丙烯、氯乙烯、四氟乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈、苯乙烯、丁二烯、氯丁二烯等；羰基化合物：如甲醛、乙醛，甚至酮类；杂环化合物：碳-氧环、碳氮环,如环氧乙烷,环氧丙烷等；多官能团化合物：如多元酸、多元醇、多元胺、酚类、脲、醛类、多异氰酸酯、有机硅氧烷等。单体：第二章材料的组成、结构与性能链状结构：多数天然、合成和生物高分子都具有链式结构，即由多价原子彼此以主价键结合而成的长链状分子。长链中的结构单元数很大(103105数量级)，分子的直径:长度比可达1:1000以上。1个结构单元相当于1个小分子，具周期性。长链可由1种(均聚物)or几种(共聚物)结构单元组成。如图2-19所示，长链可采取伸展状、无规线团状、折叠状、螺旋状等形式。第二章材料的组成、结构与性能线型结构的高分子化合物：在适当的溶剂中可溶胀or溶解，升高温度时则软化、流动，∴易加工，可反复加工使用，并具有良好的弹性和塑性。(热塑性)图2-19链的构型和链的聚集态

大部分高分子主链由CC单键组成，每个单键都有一定的键长和键角，并能在保持它们不变的情况下任意旋转，称为单键的内旋转，结果导致原子排列方式的不断变换。这种能通过单键内旋转改变其构象的特性称为大分子链的柔顺性。一个高分子链中有许多单键，每个单键都能作内旋转，∴高分子在空间的形态可以无穷多个。H－C－……C－2H1HHHC－……C－3HnH4HCH3C－……C－4HnHCH33HH－C－……C－2H1HHHC－……C－3HnH4HCH3主链结构：全由单键组成时，分子链柔顺性最好。主链结构除由–C–C–键组成外，还可能有–Si–O–和–C–O–键，∵O周围无其它原子和基团，∴内旋转–Si–O–比–C–O–容易，–C–O–比–C–C–容易；另外，键长–Si–O–>–C–O–键角Si–O–Si>C–O–C，内旋转更容易柔顺性

–Si–O–>–C–O–>–C–C–，∴合成橡胶中多含有–Si–O–；含孤立双键时，虽双键本身不能内旋转，但∵2个C各减少了1个侧基orH，使与双键相连的单键内旋转阻力，∴柔顺性；含芳杂环时，∵不能内旋转柔顺性很低,但刚性较好,能耐高温。取代基的特性：具有极性时，使分子链间作用，内旋转受阻，柔顺性；V越大越笨重，对内旋转阻碍就越大，∴柔顺性就差；分布对称，有利单键的内旋转，∴柔顺性好。链的长度除T、外力等因素外，影响柔顺性的主要因素大分子链的结构？交联网状结构：高分子的构成按三维空间进行，分子链和链间发生交联(化学键互相联接)立体结构，象1张不规则的网称网状结构。这种结构是橡胶弹性体or热固性材料所特有，如三聚氰胺树脂、尿素树脂、环氧树脂等。比链状结构的分子自由度小，强度虽大，却硬而脆的。∴交联程度对力学性能影响大。不溶于任何溶剂or仅有一些溶胀。T时也不会熔融软化。性能特点：较好的耐热性、难溶剂性、尺寸稳定性和机械强度，但弹性、塑性低，脆性大。∴不能进行塑性加工，成型加工只能在网状结构形成前进行，材料不能反复加工使用。(热固性)高分子材料的聚集态结构第二章材料的组成、结构与性能大分子之间的结合力是范德华力和氢键，称为次价力，比主价力小得多(只有主价力110％)，但对高分子化合物的性能影响很大。如乙烯呈气态，而聚乙烯呈固态并有相当强度，∵后者的分子间力较前者大得多。1.大分子之间的相互作用：大分子链中原子间、链节间的相互作用是强大的共价键这种结合力称为主价力，大小取决于链的化学组成→键长和键能。对性能，特别是熔点、强度等有重要影响。分子间力的特点：小分子间作用力很小；有加和性；大小强烈依赖分子间距离，只有很靠近时才显现出来(为0.30.5nm)。分子链呈规则的有序排列时，分子间力充分显现表现为Tm高、强度高，而杂乱无序的分子间力就很小。第二章材料的组成、结构与性能2.大分子间的几何排列按排列是否有序？其聚集态结构可分为：晶态和非晶态(无定形)两种。晶态有序程度<<小分子晶态，但非晶态的有序程度>小分子物质液态。高分子链具有特征的堆砌方式，链空间形状可以是卷曲、折叠和伸直的，还可形成某种螺旋结构。若高分子链由≥2种不同化学结构单元组成，则化学结构不同的高分子链段,由于相容性的不同，可形成多种多样的微相结构。第二章材料的组成、结构与性能①非晶态高分子结构：玻璃态、橡胶态、熔融态、及结晶高分子中的非晶区的结构，分子排列无规则。线型大分子链很长，固化时，∵粘度↑，难以行规则排列，而多呈混乱无序地分布→无定形结构。网状结构高分子，∵分子链间存在大量交联，分子链不可能作有序排列，具有无定形结构。从结构形态来看，非晶态结构包括无规线团、链结和链球。②晶态高分子的结构：分子排列规整有序。线型、支链型和交联少的网状高分子有可能结晶，但∵分子链运动较困难，不能完全结晶。∴实际的结晶高分子都由晶区和非晶区所组成。结晶度—晶区所占的质量%。晶区和非晶区的尺寸<<分子链长度，故每个大分子链往往要穿过许多晶区和非晶区,∴使晶区和非晶区紧密相连，有利↑强度。结晶度↗→强度、硬度和刚度↗，且耐热性和耐化学腐蚀性也得到改善，而与链运动有关的性能如弹性、伸长率、冲击韧性等↘。大分子材料的结构设计方法为：改变链长、调整链中原子团的配置、链的分叉和交联、控制结晶度等方法。高分子材料晶体的形态有：单晶、片晶、纤维状晶体、球晶等。结构模型有：缨状胶束、折迭链、伸直链、串晶的结构模型和球晶的结构模型。

第二章材料的组成、结构与性能多相复合材料的结构模式

复合材料：由≥2个独立的物理相，包含粘结材料(基体)和粒料、纤维、晶须or片状材料所组成的1种固体产物。是复相组织，可以是1个连续相与1个分散相的复合，or≥2个连续相与≥1个分散相在多个连续相中复合的材料。以金属材料、无机非金属材料、高分子材料为基的复合材料中，分散相(增强介质)可以是零维、1维、2维、or3维等各类材料。通过复合工艺组合而成的多相材料包括：金属-金属、金属-陶瓷、金属-树脂、陶瓷-树脂、陶瓷-陶瓷or树脂-树脂的复合。复合材料的性能常与其组成相的几何排列直接相关。3种最普通的相排列方式—颗粒状、纤维状和层片状。在纤维增强的复合材料中，纤维可以是图(b)的混乱状态or沿某个方向整齐排列。体积分数少的相通常是复合材料中颗粒or纤维。图2-20各种类型的复合材料中相的排列

10-YSZ/20mol%Al2O3复合材料的SEM照片(a)颗粒;(b)片晶用CVD法合成的复合材料的结构在CVD-Si3N4(型)中复合TiN就能合成(A)型复合材料;在CVD-Si3N4中复合BN就能合成(F)型复合材料。化学性能力学性能热学性能电性能

光学性能磁性用于表征材料在给定外界条件下的行为，是材料微观结构特征的宏观反映。∵组成和制备工艺的差异→各类材料的性能存在很大差异。三大材料的特点见图221第二章材料的组成、结构与性能2.3材料的性能Fig2-21各类材料性能的特点第二章材料的组成、结构与性能氢键金属材料的化学稳定性

无机非金属材料的化学稳定性

高分子材料的化学稳定性2.3.1化学性能

第二章材料的组成、结构与性能材料抵抗各种介质作用的能力，随材料的组成、结构等而不同。包括：溶释性、耐腐蚀性、抗渗入性、抗氧化性等，可归结为化学稳定性。与此相关的还有催化性、离子交换性等。化学腐蚀：受周围介质作用引起的1种化学变化。发生腐蚀时不形成原电池，不产生电流。电化学腐蚀：与电解质接触时发生的1种腐蚀。在腐蚀过程中，金属表面形成许多微小的电流。电解质—在潮湿的环境中、溶液中或熔融状态下能形成正负离子，能导电的物质如酸、碱、盐等。金属材料的化学稳定性：

不同金属差别很大，金属腐蚀是1种常见现象，导致腐蚀的基本原因可分为：腐蚀速度：可用单位时间内单位面积的损失量or单位时间内的腐蚀深度表示。工业上常用6类10级的耐蚀性评级标准p48第二章材料的组成、结构与性能电化学腐蚀的原因：当2种或1种金属材料其内部有2种不同的组成物(如2种相)时，若处于同一电解质中，∵各自不同的电极电位，低→负极，e由低极→高极→金属表面→许多微小电流。∵低极失去e→氧化反应，而高得到e→还原反应，∴低的金属便不断地受到腐蚀。如阳极金属M的溶解可写为：MM＋e；铝的阳极氧化为：6OH＋2AlAl2O3＋3H2O＋6e。金属与氧化物不完全一样，有的金属(Al、Cr等)氧化后→Al2O3、Cr2O3等在表面→致密膜→空气中的O2不再与金属直接接触，防止了继续氧化→↗金属抗氧化能力。而铁所生成的FeO、Fe2O3组织疏松，O2可透过表层与Fe继续发生作用→金属遭受破坏。无机非金属材料的化学稳定性

第二章材料的组成、结构与性能侵蚀机理：由气相－固相反应的热力学和动力学所决定。

p49表29定性地列出了各种陶瓷材料的耐蚀性。陶瓷、混凝土、灰浆等的耐久性取决于材料的密度、气孔率，化学作用(溶解、溶出、氧化等)

，和物理作用(干湿作用、T变化、冻结融化等)等因素。陶瓷材料使用中也常遇到气体侵蚀问题(CO和H2等—还原性，O2—氧化性，Cl2和SO2等—反应性)。表29各种陶瓷材料的耐蚀性

种类酸及酸性气体碱液及碱性气体熔融金属Al2O3MgOBeOZrO2ThO2TiO2Cr2O3SnO2SiO2良好差尚可尚可差良好差尚可良好尚可良好差良好良好差差差差良好良好良好良好良好尚可差差尚可SiCSi3N4

良好良好尚可尚可尚可良好BNB4C尚可良好良好尚可良好－TiCTiN差尚可差尚可－－如聚四氟乙烯：不仅C-F结合很牢，且分子规整对称易于结晶，F原子组成了严密的保护层，包围了碳链→化学性质非常稳定。高分子材料的化学稳定性：大多数较稳定，有良好的抗腐蚀能力如。主要∵第二章材料的组成、结构与性能分子链上各原子是共价键结合，键能较高，结合很牢形态特殊，使得大分子链上能够参加化学反应的基团与化学反应介质的接触较困难。如高聚物大都是绝缘体，不会产生电化学腐蚀。聚四氟乙烯PTFE：有极好的化稳性，高温下也不与浓酸、浓碱、有机溶剂和强氧化剂等起反应，在沸腾的“王水”中也毫无损伤，可在-195250℃长期使用，∴获“塑料王”的美称；聚氯乙烯PVC：应用极广的重要塑料，耐酸、耐碱性好，且有一定的强度和刚度，可制成各种规格的管道、阀门、泵、容器以及各种防腐衬里；酚醛树脂等热固性塑料：∵具有化学键交联形成的网状结构，耐腐蚀性也很好。第二章材料的组成、结构与性能第二章材料的组成、结构与性能晶态高聚物：∵长链分子间堆砌紧密，有相当高的化稳性；无定形高聚物处于玻璃态时：∵大分子链不能自由运动，反应基团被固定，化学反应也难进行；在高弹性态和粘流态时：也∵大分子链杂乱无章，彼此缠结，许多基团被包裹起来，难与其他反应介质接触，∴与低分子物质相比，反应仍较缓慢。高分子材料的老化：指在加工、储存和使用过程中，受化学结构影响，在光、热、氧、高能辐射、气候、生物等因素的综合作用下，失去原有性能而丧失使用价值的过程(即物理化学性质和机械性能变坏的现象)。有2种情况：第二章材料的组成、结构与性能大分子链间产生交联：线型or支链型结构→体型结构，性能变僵、变脆，丧失弹性等。大分子链的降解：链长度↘→相对分子质量↓，即聚合度↘→性能变软、变粘、脱色、丧失机械强度等。

强度与塑性

硬度

断裂与韧性

疲劳特性和耐磨性等

2.3.2力学性能材料在使用过程中，都或多或少要经受力的作用。材料受外力作用时的变形行为及其抵抗破坏的能力，又称机械性能，是一系列物理性能的基础。通常包括：第二章材料的组成、结构与性能

材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。按作用力的方式不同，可分为：强度与塑性

1.强度：第二章材料的组成、结构与性能拉伸强度压缩强度弯曲强度冲击强度疲劳强度等。∵材料中一般都存在有晶格错乱、空隙、气孔、残余应力等，聚集体材料中又存在有不均匀性和各向异性等各种缺陷，∴多数情况下，实测的强度数据有较大的离散性，需尽量多测几个样品。通常材料中缺陷越少、分子间键合强度越大，材料的强度也越高。拉伸强度：是将试片在拉力机上施以静态拉伸负荷，使其破坏(断裂)时的载荷。拉伸强度越大，说明材料越不易断裂。不同的拉伸速度下，测得的拉伸强度值是不同的。一般，较慢拉伸速度下，材料的强度值较小。表2-10给出了一些材料的拉伸强度值。陶瓷材料金属材料高分子材料长石(KalSi3O8)45MgSiO368Al2O3270SiC350金刚石500Al689Cu1480Be552Mo2070Fe3450聚乙烯2239聚苯乙烯3563聚甲基丙烯酸甲酯4977尼龙67478

聚酰亚胺94表2-10一些材料的拉伸强度值/MPa弯曲强度(抗弯强度)：指采用简支梁法将试样放在两支点上，在两支点间的试样上试加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷。是材料韧性、脆性的度量。计算公式为：P——破坏载荷，l——试样在支点间的跨度，b、d——分别是试样的长度和厚度。b=3Pl/2bd2(N/m2)第二章材料的组成、结构与性能2.塑性：材料在载荷作用下，应力超过屈服点后能产生显著的残余变形而不即行断裂的性质。屈服强度—材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力。材料拉伸时延伸率较大，代表其塑性越好。陶瓷材料的塑性最差。3.应力－应变曲线：应力与应变的关系。在材料上作用以拉伸、压缩等外力时，会相应地发生内应力，按此应力的大小产生应变。＝P/A

＝(L-Lo)/LoP—载荷，A—横截面积，Lo—标距间的原始距离，L——施加P后标距间的距离。应力－应变曲线按材料的组成、组织有所不同，大体上可分为5种类型(图2-22)曲线1：开始为直线，随后表现出屈服现象，应力↗应变↗→断裂，如软钢；曲线2：接近于直线，但不出现屈服现象，曲线稍微向上凸出，突然断裂，如玻璃、硬石块、铸铁等;曲线3：开始时向上凸出(接近于指数变化)，在接近断裂时应变

，如软石块、蒸压轻质混凝土、木材的压缩曲线、质硬而脆的塑料等；曲线4：开始阶段接近于直线或有向上凸的趋势，随后应力出现极大值，一度屈服，然后应力再次而断裂，如硬而粘性大的塑料；曲线5：开始阶段稍许趋于向下凹，随后应变同应力的成正比，当应力再度时便断裂，如软质橡胶。第二章材料的组成、结构与性能弯曲屈服强度：指某些非脆性材料，当载荷达到某一值时，其变形继续增加而载荷不增加时的强度。压缩强度：也称抗压强度，是指在试样上施加压缩载荷至破裂(对脆性材料)或产生屈服现象(对非脆性材料)，原单位横截面积上所能承受的载荷。试样通常为圆柱形or正方形。冲击强度：是材料在高速冲击状态下发生断裂时单位面积上所需的能量。4.弹性与刚度：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。反映材料刚度的指标是弹性模量。

E表征物体变形的难易程度。纵向弹性模量也称杨氏模量。如把材料看成弹性体时，在应力-应变曲线弹性段的斜率即为弹性模量。代表性材料的E见表2-11。高分子材料E变化范围较宽，是应用多样性的原因之一。

E=5.弹性模量：指材料在弹性极限范围内，是应力与应变的比值，用E(Pa)表示：表2-11一些代表性材料的杨氏模量/N∙m-2

陶瓷材料金属材料高分子材料金刚石1.21×1012

<111>Al2O34.6×1011<001>MgO2.45×1011<100>NaCl4.4×1010<100>Si3N4(多晶)3.72×1011SiC(多晶)5.6×1011

W3.6×1011Sn5.5×1010Cu1.25×1011Zn3.5×1010Ag8.1×1010Al7.2×1010

聚乙烯0.121.05×109PMMA2.53.5×109橡胶2×105聚苯乙烯2.22.8×109尼龙62.84×109硬塑料5×1015

第二章材料的组成、结构与性能硬度PHB=(/2)D(DD2-d2)P：作用载荷，D：压头直径，d：压痕直径。

第二章材料的组成、结构与性能能抵抗其他较硬物体压入表面的能力。常用试验方法有布氏、维氏、和洛氏试验。布氏硬度试验：通常将Φ10mm的坚硬钢球压入材料的表面，测出表面上留下的压痕直径，并按下式算出布氏硬度值（HB或BHN）。洛氏试验：测软材料时用小钢球；测较硬材料时可用金刚钢石锥体。硬度计可自动测出压头穿透的深度，并将深度数值转换为洛氏硬度数值。

维氏试验：用不同载荷的金刚锥进行压痕，测量微观硬度常用材料的硬度