2A材料组成与结构(材料概论).ppt

2 材料组成与结构 2.1 材料组成 2.2 结合键 2.3 晶体结构 2.4 晶体结构缺陷 2.5 非晶态结构 2.6 材料结构层次及研究方法 教学目标及基本要求 掌握：材料的化学组成、矿物组成；结合键，离子键与离子晶体，共价键与共价晶体，金属键与金属晶体；固体结构类型，晶体结构基础，离子晶体结构，硅酸盐晶体结构，晶体结构缺陷；非晶态结构；材料结构层次，材料结构研究方法。 熟悉：物理键；典型无机化合物晶体结构；非化学计量化合物；非晶体类型。 2 材料组成与结构 材料的组成与结构、合成与制备、性能、使用效能是材料科学与工程的四要素。 材料的组成与结构既是特定的合成与制备条件的产物，又是决定材料性能和使用效能的内在因素，因而在材料科学与工程的四面体中占有独特的承先启后的地位，并起着指导性作用。 ①材料组成：构成材料的原子、分子及其分布。除主要组成以外，杂质以及对材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略。如窗户玻璃，硅和氧是其主要化学成分，钠和钙是其次要化学成分，非晶态二氧化硅是其矿物组成。 2 材料组成与结构 ②材料组织：由材料内部各个晶粒或各种相所形成的微观形貌，它能反映各组成相的形态、尺寸及分布(如图所示)。 只含一种相的组织为单相组织，由多种相构成的组织为复相组织或多相组织。 人眼及借助放大镜能观察到的组织为宏观组织，依靠显微镜才能观察的组织为微观组织。 2 材料组成与结构 ③材料结构：材料结构基元之间相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间排列方式，也就是组成原子、离子或分子等在不同结构层次上彼此结合的形式、状态和空间分布。 如，在聚苯乙烯微珠颗粒上生长出海胆形状的刺状(氧化锌纳米线)结构能提高光伏转化效率(如图所示)。 2 材料组成与结构 材料的组成与结构是材料的基本表征。大多数材料(非晶态及单晶材料除外)是由不同化学组成及矿物组成构成的多晶多相组织。随着材料使用条件的进一步特殊及特定化，其矿物组成将向两个方向发展，即矿物组成多元化(产品种类增加)和矿物组成单一化(高纯)，同时研究的对象也在向微观方向纵深发展。 材料的性能取决于材料的结构形式，即材料的相组成、排列方式及特性，最终取决于材料的化学组成和矿物组成。 材料的组成可以用化学组成和矿物组成两种方式来分析和描述。 2.1 材料组成 一、化学组成 化学组成：也就是材料的化学成分，是材料的最基本特征之一，一般用材料中元素或化合物的种类和数量来表征。通常用质量分数(w)和摩尔分数(x)表示。 按各个化学成分含量多少及其作用，材料的化学组成分为主要成分和次要成分。次要成分又分为添加剂和杂质成分。 2.1 材料组成 ①主要成分：占绝对多量，处于主体地位，构成材料基体，其数量和性质直接决定材料的性能。 ②次要成分：占少量，处于从属地位，其数量和性质对材料的性能有一定影响。 ③添加剂：为弥补主要成分在使用性能、生产性能、加工性能某方面的不足，或为提高材料某方面的性能而有意添加的成分。 2.1 材料组成 按其目的和作用，添加剂可分为结合剂、矿化剂、稳定剂、减水剂、抗水剂、抗氧化剂、促凝剂、缓凝剂、膨胀剂等。 添加剂是材料研究的重点对象之一，其特点是： Ⅰ.加入量很少甚至极微； Ⅱ.能明显改变材料的某种性能或工艺特性； Ⅲ.对材料的主要性能没有严重影响。 2.1 材料组成 ④杂质成分：由于原料不纯带入或生产过程中混入的无益或有害成分。不同的材料，其杂质的范围也不同。如刚玉(氧化铝)中的Fe、Ti、Cr，既可能是有害成分，也可能是有益成分(如图所示)。 研究杂质成分的种类、含量、聚散特性、存在状态、分布特征及其对材料性能的影响是材料研究的重要内容。 2.1 材料组成 二、矿物组成 材料的成分既不等同于材料的组元，也不等同于材料的相。 ①组元：构成材料最基本、独立的物质，可以是纯元素，也可以是稳定化合物。 如，钢是铁碳合金，Fe和C是构成钢的两个组元。 如，硅酸铝质耐火材料，SiO2、Al2O3是构成该耐火材料的两个组元，而莫来石(Al2O3含量约为72-78wt%)却不是。SiO2-Al2O3二元相图如图所示。 2.1 材料组成 SiO2-Al2O3相图 2.1 材料组成 ②相：材料中具有相同化学组成和结构的均匀部分。一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀的，但不一定只含有一种矿物组成。 如，珠光体是一种相，是由铁素体与渗碳体两种矿物组成构成的机械混合物(F+Fe3C)(如图所示)。 相与相之间有明显的界面(相界)，可以用机械方法将它们分离开。在相界上，性质是突变的。 如，水的一元相图中的液相(L)、固相(S)、气相(G)(如图所示)。 2.1 材料组成 材料大都是多晶多相的矿物集合体，因此，在分析原料和材料的组成与其性能之间的关系时，仅