材料结构与性能基材料结构与能基性能基.ppt

材料结构与性能基础 材料的性能和使用效能与其结构，包括微观结构和显微组织，密切相关。而组成和性质相同的原料通过不同的合成方法可以得到不同结构的材料，因而其性质和使用效能也不同。所以材料的结构是材料科学的核心问题之一。 按研究尺度的不同，材料的结构一般分为微观结构、显微结构和宏观结构三个层次。其中微观结构的尺度上限为晶胞常数；宏观结构的下限为日常生活所接触的尺度，约为0.1毫米以上；显微结构位于两者之间，约为1nm～100μm。 微观结构 ——由原子到结构单元 在晶胞常数尺度以内，原子按一定的原则来排列，原子之间以化学键相结合，因此化学键的种类以及原子的排列方式是决定晶体结构的主要因素，同时二者也决定了材料的性质以及其应用。 显微结构——从结构单元到材料 我们实际使用的材料很多属于非均质材料，非均质材料是由许多具有不同几何特性和性质的均匀微域（单相颗粒）所组成。典型的非均质材料包括陶瓷、复合材料等。非均质材料的宏观性质强烈依赖于其显微结构。 固体材料分类及结构特征 按结构特征分类 晶体：短程有序，长程有序 非晶体（玻璃体）：短程有序，长程无序 本课程主要内容： （1）理想晶体结构； （2）结构缺陷 （3）玻璃结构 晶体结构 晶体按键型分类 离子晶体 共价晶体 金属晶体 分子晶体 离子键与离子晶体 离子键是释放外层电子的正离子和接受电子的负离子之间的静电引力。 离子周围的力场是球形对称的，离子键没有方向性。在结构上表现为离子力求使其周围有较多的带相反电荷的离子配位。 在离子晶体中正负离子作相间排列，整个晶体呈现电中性，且不可能分出单个分子，可以把整个晶体看成是一个庞大的“分子”。 离子晶体是良好的绝缘体（如云母、刚玉等）。离子晶体由于键能较高（约200 kcal/mol），因此熔点高、硬度大，但其弱点是脆，在受力发生滑移时，容易引起同号离子相斥而破碎。 晶格能 晶格能是指将一摩尔的离子晶体中各离子拆散至气态时所需的能量 离子键和共价键的杂化 在实际晶体中，往往是几种键型同时存在，很少或根本不单独存在某种键型。混合键也称为键的杂化。陶瓷材料中没有纯粹的离子键和共价键，大多数是这两种键型的过渡。这种过渡状态是连续的。根据元素电负性的不同，可以大致估计原子之间离子键和共价键的成分。 决定离子晶体结构的基本因素 一、内在因素对晶体结构的影响 1.质点的相对大小 2.晶体中质点的堆积 3.配位数与配位多面体 4.离子极化 二、外在因素对晶体结构的影响──同质多晶与类质同晶及晶型转变 晶体中质点的堆积 最紧密堆积原理： 晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。 根据质点的大小不同，球体最紧密堆积方式分为等径球和不等径球两种情况。 球体在平面上的最紧密堆积 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。 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。 两种最紧密堆积中，每个球体周围同种球体的个数均为12。 最紧密堆积的空隙： 由于球体之间是刚性点接触堆积，最紧密堆积中仍然有空隙存在。从形状上看，空隙有两种：一种是四面体空隙，由4个球体所构成，球心连线构成一个正四面体；另一种是八面体空隙，由6个球体构成，球心连线形成一个正八面体。 显然，由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙。 最紧密堆积中空隙的分布情况 每个球体周围有8个四面体空隙和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为2n个，八面体空隙数为n个。 采用空间利用率（原子堆积系数）来表征密堆系统总空隙的大小。其定义为：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。两种最紧密堆积的空间利用率均为74.05%，空隙占整个空间的25.95%。 不等径球堆积 不等径球进行堆积时，较大球体作紧密堆积，较小的球填充在大球紧密堆积形成的空隙中。其中稍小的球体填充在四面体空隙，稍大的则填充在八面体空隙，如果更大，则会使堆积方式稍加改变，以产生更大的空隙满足填充的要求。这对许多离子化合物晶体是适用的。 配位数与配位多面体 配位数：一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目称为原子（或离子）的配位数，用CN来表示。 晶体结构中正、负离子的配位数的大小由结构中正、负离子半径的比值来决定，根据几何关系可以计算出正离