材料科學與工程基礎教案第一章

1、材料科學與工程基礎材料科學與工程基礎The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science & Engineering An Introduction to Materials Science材料科學系：劉天模緒論Introduction材料(Materials)是國民經(jīng)濟的物質(zhì)基礎。廣義的材料包括人們的思想意識之外的所有物質(zhì)(substance)工工農(nóng)農(nóng)業(yè)業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)國國防防科科學學技技術術人人民民生生活活材料品種材料品種數(shù)量國家現(xiàn)代化程度標志之一數(shù)量國家現(xiàn)代化程度標志之一質(zhì)量質(zhì)量材料材料能源 現(xiàn)代技術的三大支柱能源 現(xiàn)代技術的三大

2、支柱信息信息材料無處不在，無處不有簡單復雜簡單復雜單一性能綜合性能單一性能綜合性能結構材料功能材料結構材料功能材料單一材料復合材料單一材料復合材料材料發(fā)展過程我國材料的歷史進程(Historical perspective)漫長而又曲折的歷程漫長而又曲折的歷程：（Stone Age）（Stone Age） 石器時代：石器時代： 石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、 紡輪、缽等（西安半坡遺址）紡輪、缽等（西安半坡遺址）石斧 （Bronze Age)（Bronze Age)巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安陽晚商遺址）（河南安陽晚商遺址）青銅器時代: 青銅器時代: 湖北江陵楚墓出土越王勾

3、踐寶劍中國古代鐵器的金相組織湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤ron Age（I）鐵時 器代器代古代科技名著：古代科技名著：“考工記考工記”（先秦）、（先秦）、“夢溪筆談夢溪筆談”（宋代沈（宋代沈 括）、括）、“天工開物天工開物”（明代宋應星）（明代宋應星）明代后：封建統(tǒng)治、帝國主義侵略束縛了材料的發(fā)展明代后：封建統(tǒng)治、帝國主義侵略束縛了材料的發(fā)展 停滯狀態(tài)停滯狀態(tài)解放后：材料科學受到重視和發(fā)展，被列為現(xiàn)代技術三大支柱之一。解放后：材料科學受到重視和發(fā)展，被列為現(xiàn)代技術三大支柱之一。 一整套材料體系一整套材料體系 門類全齊門類全齊 數(shù)量數(shù)量 質(zhì)量質(zhì)量 鋼鐵突破鋼鐵突破2 2億噸大關億噸大關 世界第一世

4、界第一 原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、火箭原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、火箭長征三號運載火箭在發(fā)射架上的圖片長征三號運載火箭在發(fā)射架上的圖片寶鋼高爐寶鋼高爐材料分類(Classification of Materials)氯2334223342金屬材料（Metallic Materials):鋼鐵、鋁、銅、鈦合金金屬材料（Metallic Materials):鋼鐵、鋁、銅、鈦合金陶瓷材料（Ceramics）：Al O 、SiC、Si N 、SiO 、TiN陶瓷材料（Ceramics）：Al O 、SiC、Si N 、SiO 、TiN或無機非金屬材料（Inorganic Materials)或無機非金屬材

5、料（Inorganic Materials)高分子材料（High Polymers)：纖維、蛋白質(zhì)、聚乙烯、聚乙烯高分子材料（High Polymers)：纖維、蛋白質(zhì)、聚乙烯、聚乙烯Matel- MatrixMatel- Matrix復合材料（Composites)：Composites復合材料（Composites)：CompositesPolymer- MatrixPolymer- Matrix金屬材料金屬學金屬材料金屬學陶瓷材料陶瓷學材料科學基礎 突出材料共性教學陶瓷材料陶瓷學材料科學基礎 突出材料共性教學高分子材料高分子物理高分子材料高分子物理 材料科學與工程基礎是研究材料的成分、材

6、料科學與工程基礎是研究材料的成分、組織結構與性能之間關系組織結構與性能之間關系非非金金屬屬材材料料、復復合合材材料料：材材料料學學：金金屬屬材材料料、變變形形與與再再結結晶晶：材材料料變變形形學學：材材料料的的相相圖圖、熱熱處處理理：材材料料相相變變學學：凝凝固固、晶晶體體缺缺陷陷構構與與鍵鍵合合、固固體體結結構構、：材材料料結結構構學學：原原子子結結VIIII II I綜綜合合實實驗驗常常用用材材料料組組織織觀觀察察察察鐵鐵碳碳合合金金非非平平衡衡組組織織觀觀鐵鐵碳碳合合金金平平衡衡組組織織觀觀察察材材料料電電阻阻溫溫度度系系數(shù)數(shù)測測定定材材料料密密度度測測定定驗驗材材料料科科學學與與工工程

7、程基基礎礎實實學習方法： 培養(yǎng)能力為主，學習知識為輔 要掌握正確的思維方式，不要死記硬背 認真記好筆記，課后短時復習 抓住主線條，不鉆牛角尖 考試前及早復習，不要臨陣磨槍 積極參加答疑，不要閉門復習第一章 材料的結構Structure of Materialv材料的性能取決于材料的成分、加工工藝和結構。材料的性能取決于材料的成分、加工工藝和結構。v材料結構學是材料科學體系中最重要的學科之一。材料結構學是材料科學體系中最重要的學科之一。第一節(jié) 結合鍵Binding Bond一、結合力與結合能雙原子模型： d0dcAB結合力排斥力吸引力原子間距d排斥力FF吸引力d0dcAB結合能排斥能吸引能原子間

8、距d排斥能吸引能EAB （a） （b）圖11 雙原子作用模型二、結合鍵離子鍵氯鈉 NaCl的晶體結構 Si形成的四面體109金屬離子 金屬鍵模型電子氣共價鍵金屬鍵分子鍵和氫鍵三、材料的鍵性 金屬材料 金屬材料的結合鍵主要是金屬鍵。 金屬特性：導電性、導熱性好；正電阻溫度系數(shù)；好的延展 性；金屬光澤等。陶瓷村料 陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結合鍵主要是離子鍵和共價鍵，大多數(shù)是離子鍵。離子鍵賦予陶瓷材料相當高的穩(wěn)定性，所以陶瓷材料通常具有極高的熔點和硬度，但同時陶瓷材料的脆性也很大。高分子材料 高分子材料的結合鍵是共價鍵、氫鍵和分子鍵。其中，組成分子的結合鍵是共價鍵和氫鍵，而分子間的

9、結合鍵是范德華鍵。盡管范德華鍵較弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子間的作用力也相應較大，這使得高分子材料具有很好的力學性能 第二節(jié) 晶體學基礎 Fundamentals of crystallogphy一、晶體的概念晶體的特性 晶體的三大特征： 原子排列有序；有固定的熔點；各向異性?？臻g點陣和晶胞caX b YZ （a） （b） （c）簡單立方晶體（a） 晶體結構 （b） 晶格 （c） 晶胞二、配位數(shù)和致密度配位數(shù) 所謂配位數(shù)是指晶體中與任一個原子最近鄰、等距離的原子數(shù)目。 致密度 若把原子看成剛性球，則原子之間必有空隙存在，可用原子剛球所占體積與晶體體積之比來表示晶體結構排列的緊密程度

10、，稱為致密度或密集系數(shù)?？捎孟率奖硎荆?VnVK0例：計算簡單立方晶體的致密度解：簡單立方：晶格常數(shù)為a，原子半徑為一個晶胞內(nèi)所含的原子數(shù) ； ；所以：致密度a211881n330612134aaV3aV 61633aaK三、晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面，任意兩個原子之間連線所指的方向稱為晶向。為了確定晶向、晶面在晶體中的空間位向，就需要引入一個統(tǒng)一的規(guī)則來標志它們，這種統(tǒng)一的標志，叫做晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。國際上通用的是密勒（Miller）指數(shù)。晶向指數(shù)晶向指數(shù)的確定步驟如下：（1）以晶胞中的某一陣點為原點，以三條棱邊為X、Y、Z軸，并以晶胞棱邊的長度為單位長

11、度；（2）如果所求晶向未通過坐標原點，過原點引一條平行于所求晶向的有向直線；（3）在所引直線上取離原點最近的那個原子，求出其在X、Y、Z軸上的坐標；（4）將三個坐標值按比例化為最小整數(shù)，依次記入方括號 中，即得所求晶向指數(shù)。 通常以uvw表示晶向指數(shù)的普遍形式，若其中某數(shù)為負值，應將負號標注在該數(shù)的上方，例如 。 111110110111100 XYZ圖17 立方晶系中的三個重要晶向如圖給出了立方晶系中的一些主要晶向的晶向指數(shù)。 對于一個晶向指數(shù)，表示的不是一個具體的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果兩個晶向指數(shù)數(shù)值大小相等，符號相反，則這兩組晶向相互平行但是方向相反。 晶向族 在立

12、方晶系中：111、111、111、111、111、111、111、111八個晶向，指的是立方體中四個對角線的方向。從晶體的對稱關系來看，這一組晶向在性質(zhì)上是等同的，故總稱之為晶向族。原子排列情況相同，但空間位向不同的所有晶向稱為晶向族，用表示，上述八個晶向即可用表示。 同理，代表：100、010、001、100、010、001 六個晶向。 應當指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指數(shù)可以通過改變指數(shù)和正負號的排列組合方式求出。對于其他晶系并不一定適用。 晶面指數(shù) 晶面指數(shù)的一般表達式為（hkl），其確定步驟如下： （1）與確定晶面指數(shù)類似建立坐標系，但坐標原點應位于待定晶面之外，以避免出現(xiàn)零截距

13、。 （2）以晶格常數(shù)為長度單位求出待定晶面在各軸上的截距。若晶面與某軸平行，則認為該晶面在該軸上的截距為無窮大，其倒數(shù)為零。 （3）取截距的倒數(shù)，將其化為最小整數(shù)，置于圓括號內(nèi)，寫成（hkl）的形式，即得晶面指數(shù)。 如圖給出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指數(shù)。 XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中的三種重要晶面 與晶向指數(shù)類似，如果有截距為負值，應將負號記在相應的指數(shù)上面。晶面指數(shù)（hkl）不是指一個晶面，而是代表一組相互平行的晶面。當兩個晶面指數(shù)的數(shù)字和順序完全相同而符號相反時，則這兩個晶面相互平行。 晶面族 在同一晶體結構中，有些晶面上的原子排列和晶面間距完全相

14、同，但具有不同的空間位向，這些晶面均歸并為一個晶面族，用表示。例如，在立方晶系中： 100包括（100）,（010）,（001） 110包括（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011） 111包括（111）,（111）,（111）,（111） 晶面族不僅包括了相互平行的一組晶面，而且也包括了位向不同，但晶面間距相等、原子排列相同的若干組平行晶面。 在立方晶系中，hkl晶面族所包括的晶面可用改變h、k、l的正負號及數(shù)字的排列組合來求得。但是這種方法不適用于其他晶系。 晶面指數(shù)的幾何意義 XYZNO晶面指數(shù)與晶面位向間的關系ABCD；haOA ；kaOB ；laOC ；O

15、AODcos；OBODcos；OCODcosOCOBOA1:1:1cos:cos:coslkh:cos:cos:cos即：從立體幾何可知，在正交晶系中： 1coscoscos222所以，只要晶面指數(shù)一旦確定，晶面位向即可求得。因此，晶面（hkl）的法線矢量為： )(1222k lj ki hlkhON即晶面（hkl）的法線與晶向hkl的方向平行，這就是晶面指數(shù)的幾何意義。 如圖：ON為晶面（hkl）的法線，ON與該晶面交于D點；OA、OB、OC分別為（hkl）在X、Y、Z軸上的截距；ON與X、Y、Z軸之間的夾角分別為、；cos、cos、cos就是法線ON的方向余弦。立方點陣中晶胞的三個基矢相等

16、，設其為a，則根據(jù)晶面指數(shù)的確定方法可知：晶帶 平行或相交于同一直線的一組晶面組成一個晶帶。這一組晶面叫做共帶面，而該直線（用晶向指數(shù)表示）叫做晶帶軸。同一晶帶中各晶面的法線均與晶帶軸垂直。 在立方晶系中，晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的數(shù)字和順序相同時，該晶向垂直于該晶面，則有hkl(hkl)，就是說該晶向即為該晶面的法線。若晶帶軸的指數(shù)為uvw，由矢量代數(shù)可以證明，該晶帶軸中的任一晶面（hkl）與晶帶軸指數(shù)間具有下列關系：0lwkvhu該式又稱為晶帶方程。第三節(jié) 金屬及合金的結構特點Structure Characteristic of Metal & Alloy 一、常見純金屬的晶格類型 體心立方晶

17、格：記為BCC姓名語文數(shù)學英語物理李小紅85939094劉兵8394曾小玲8189 （a） （b） （c）體心立方晶胞（a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子數(shù)屬于這種晶格類型的金屬有-Fe、Cr、W、Mo、V等 致密度：晶格常數(shù)為a，原子半徑為 ； ； ； 所以：致密度 a4321881n3301634334aaV3aV 68. 08311632330aaVnVK配位數(shù)為8面心立方晶格：記為FCC 屬于這種晶格類型的金屬有Fe、Cu 、Al 、Ag、Au、Pb、Ni等。 （a） （b） （c）面心立方晶胞（a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子數(shù) 配位數(shù)12；致密度0.74密

18、排六方晶格：記為HCP 密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，由六個呈長方體的側面和兩個呈六邊形的底面所組成，如圖所示。屬于這種晶格類型的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。 （a） （b） （c）密排六方晶胞（a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子數(shù)配位數(shù)：12；致密度：0.74（與面心立方相同）晶胞中的間隙 由致密度計算結果可知，晶體中應存在一定數(shù)量的間隙。例如，對于體心立方，致密度k0.68，說明僅有68的體積被原子占有，存在32的間隙。這些間隙對金屬的性能，合金的相結構，擴散以及相變等都有重要的影響。從幾何形狀上看，晶格中有兩種間隙：八面體間隙和四面體間隙。 金屬原子八面體間隙金屬原子

19、四面體間隙(a)(b)體心立方結構中的間隙(a) 八面體間隙(b) 四面體間隙 面心立方晶格中也有八面體間隙與四面體間隙兩種，如圖所示，它們分別是正八面體間隙和正四面體間隙 金屬原子八面體間隙金屬原子四面體間隙(a)(b)面心立方結構中的間隙(a) 八面體間隙(b) 四面體間隙原子的堆垛方式 前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度與配位數(shù)完全一致，均屬于最密排列晶格，但是晶格類型卻不同，為了搞清這個問題，就需要了解原子的堆垛方式。 面心立方結構的原子堆垛方式 密排六方的原子堆垛方式 A層B層C層A層B層C層 面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式二、實際金屬的晶體結構單晶體

20、與多晶體 晶體中原子排列規(guī)律相同，晶格位向一致的晶體，稱為單單晶體晶體。在實際應用中金屬材料中較少的用單晶體金屬，工程上使用的金屬材料，幾乎都是多晶體材料。 通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內(nèi)部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規(guī)則的顆粒狀小晶體稱為晶粒晶粒。每一個晶粒相當于一個單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體多晶體。 點缺陷 點缺陷是指在晶體空間中，其長、寬、高尺寸都很?。ㄏ喈斢谠映叽纾┑囊环N缺陷。晶體的點缺陷主要包括三種形式：晶體空位、間隙原子和置換原子，如圖所示。 晶體中的點缺陷 空位； 間隙原

21、子； 置換原子線缺陷 線缺陷是指在三維空間中兩維方向的尺寸較小，在另一維方向的尺寸相對較大的缺陷，所以又稱為一維缺陷。晶體中最普通的線缺陷就是位錯。 位錯是晶格中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了某些有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。這種錯排現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的，根據(jù)局部滑移的方式不同，可以形成不同類型的位錯，最簡單、最基本的類型有刃型位錯刃型位錯和螺型位錯螺型位錯兩種，由它們組合可以構成混合位錯和不全位錯等線缺陷。 刃型位錯 （a)立體模型 （b）平面圖 刃型位錯示意圖 G H E F晶體局部滑移造成的刃型位錯位錯運動示意位錯運動示意螺型位錯CBAD(b)（a）立體模型 ；（b）平面圖 螺型位錯示意圖A

22、BCD(a )螺型位錯示意圖螺型位錯示意圖柏氏矢量 柏氏矢量是描述位錯幾何特性最重要的參數(shù)之一。柏氏矢量由柏氏回路確定。bllb柏氏矢量的物理意義： 柏氏矢量代表晶體的滑移方向。面缺陷 晶體中的面缺陷是指在兩個方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面狀分布的缺陷。這類缺陷主要是晶粒邊界和亞晶界。 晶界 晶界是兩相鄰晶粒間的過渡界面。由于相鄰晶粒間彼此位向各不相同，故晶界處的原子排列與晶內(nèi)不同，它們因同時受到相鄰兩側晶粒不同位向的綜合影響，而做無規(guī)則排列或近似于兩者取向的折衷位置的排列，這就形成了晶體中的重要的面缺陷。 晶界是晶體中的一種重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不規(guī)則，脫離平衡位置，所以晶界

23、具有較高的能量，使其具有一系列不同于晶粒內(nèi)部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蝕，熔點較低；原子沿晶界擴散速度快；在常溫下晶界對金屬的塑性變形起阻礙作用。因此，金屬材料晶粒愈細小，則晶粒愈多，其室溫強度愈高。亞晶界 實驗表明，在實際金屬的一個晶粒內(nèi)部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位向差一般不超過2），如圖127所示。這些小晶塊稱為亞結構，。亞結構之間的界面稱為亞晶界。亞晶界實際上是由一系列的位錯所組成。亞晶界上原子排列也不規(guī)則，具有較高的能量，與晶界類似的特征，故細化亞結構，可顯著提高金屬的強度。 晶界示意圖 亞晶界示意圖固溶體 固溶體是指固態(tài)下以某一合金組元為溶劑，在其

24、晶格中溶入其他組元原子（溶質(zhì)）后形成的一種合金相，其特點是固溶體具有溶劑組元的晶格類型。 置換固溶體 溶劑原子 溶質(zhì)原子 置換固溶體示意圖固溶體中溶質(zhì)原子引起的晶格畸變示意圖 （a）正畸變 （b）負畸變(a)(b) 間隙固溶體 當溶質(zhì)與溶劑原子半徑的比值rb/ra0.59時，形成間隙固溶體。溶質(zhì)原子填充到溶劑晶格的間隙中形成間隙固溶體，如圖所示。形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常都是一些原子半徑小的非金屬元素，如氫（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm）、硼（0.097nm），溶劑則大多數(shù)是過渡族元素。 溶劑原子溶質(zhì)原子 間隙固溶體示意圖金屬間化合物 在合

25、金中，溶質(zhì)原子濃度超過固溶體的固溶極限時，將會形成一種晶格結構，特性完全不同任一組元的新相，因其具有金屬性質(zhì)，稱之為金屬間化合物。由于它們常處在相圖的中間位置，所以又被稱為中間相。中間相分為正常價化合物、電子化合物和間隙化合物三種。 正常價化合物 正常價化合物就是符合原子價規(guī)律的，受電負性控制的一種金屬化合物。如MnS、MgS、Mg2Si 等。正常價化合物的熔點，硬度及脆性均較高。 電子化合物 電子化合物通常是IB族或過渡族元素與B、A、A和A族元素所組成，它們不遵守化合價規(guī)律而是按照一定電子濃度比值形成金屬間化合物。電子濃度不同，晶體結構類型也不同。 間隙相 間隙相具有比較簡單的晶體結構，如

26、面心立方、密排六方和簡單六方等。金屬占據(jù)晶格中的正常結點位置，而非金屬位于晶格的間隙之中。 間隙化合物 間隙化合物主要是過渡族元素和碳原子所形成的碳化物。在合金鋼中常見的主要是M3C型（如F3C），M7C3型（如Cr7C3）等。間隙化合物的晶體結構都很復雜，部分金屬元素往往會被另外一種或幾種元素所置換，而形成更為復雜的化合物，如(Fe、Mn)3C等。V原子C原子 (a) (b)間隙相和間隙化合物的晶體結構（a）間隙相VC （b）間隙化合物第四節(jié)第四節(jié) 高分子材料的結構特點高分子材料的結構特點 Polymer Structures一、高分子材料概述一、高分子材料概述高分子的含義 高分子化合物是經(jīng)

27、常用到和見到的各種塑料、橡膠、纖維等非金屬材料的總稱。所謂高分子是是指分子量特別大的有機化合物，是由一種或者多種單體，通過聚合反應形成的相對分子質(zhì)量很大的化合物，它是相對于低分子而言。 一般地說，低分子化合物沒有什么強度和彈性，而高分子化合物則具有一定的強度和彈性。高分子的組成 由一種或幾種簡單的低分子有機化合物結以重復的方式連接而成，就像一根鏈條由眾多鏈環(huán)連接在一起一樣。 大分子鏈中的重復結構單元稱之為“鏈節(jié)”。組成大分子鏈時，鏈節(jié)的數(shù)目（n）叫做聚合度。聚合度和高分子的分子量有如下關系：M=mn M-高分子的分子量 n-高分子的聚合度 m-鏈節(jié)的分子量高分子的基本特點 高分子具有和低分子截

28、然不同的結構特征： （1）大分子的可分割性：低分子物質(zhì)的分子不能用一般的機械方法把它分開。如果把它分開，它就改變性質(zhì)（即分解）成另外的物質(zhì)。高分子則不然，因為它分子很大。一個分子量很大的分子用外力把它拉斷或切開，變成兩個分子后，高分子化合物的性質(zhì)一般沒有明顯的改變。高分子結構的這種特征稱為可分割性。 （2）具有彈性：高分子化合物在外力作用下容易發(fā)生變形，當外力解除，這種變形就可以恢復到原狀。 （3）具有可塑性：高分子化合物受熱以后先是經(jīng)過一個較長的軟化過程，而后才能變?yōu)榭闪鲃拥囊后w。因為高分子化合物是由很長的大分子鏈所構成，當鏈的某一部分受熱時，這一部分鏈的運動能量增加，但由于大分子鏈不易傳熱

29、，因此，除了這一部分受熱外，鏈的其他部分則受熱不多，這些部分的運動能量就不大。只有經(jīng)過一個較長的時間和溫度間隔，分子鏈受熱部分不斷擴大，整個大分子鏈才會變軟?？傊?，高分子化合物不可能一下子達到由固體狀態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)。這是高分子化合物具有可塑性的原因。 （4）具有絕緣性：高分子化合物對電、熱、聲具有良好的絕緣性能。從結構上看這是因為高分子化合物大都是有機化合物，分子中的化學鍵都是共價鍵，不能電離，因此不能傳遞電子，又因為大分子呈蜷曲狀態(tài)，互相糾纏在一起，在受熱，受聲作用之后，分子不易振動起來，因而它對熱、聲也具有絕緣性。 二、大分子鏈的分子量及其分布二、大分子鏈的分子量及其分布高聚物分子量的多分

30、散性 高聚物的分子量有兩個特點，一是分子量很大，二是分子量多分散性。對于低分子化合物而言，每種分子都有確定的分子量，分子大小一樣，所以都有固定的分子量。而絕大多數(shù)高分子聚合物都是分子量不等的同系物的混合物。例如通常所說分子量10萬的聚乙烯，可能是由分子量2萬20萬大小不同的聚乙烯分子組成的，這種現(xiàn)象稱為分子量的多分散性多分散性。 高聚物材料是數(shù)量眾多的大分子鏈的聚集體，由于大分子鏈長短不同，每根大分子鏈的分子量也不同。高聚物的分子量用“平均分子量平均分子量”表示，高聚物分子量不是一個確定值，而是一個數(shù)值范圍。根據(jù)統(tǒng)計平均方法不同，其分子量的表示也不同。如果按高聚物中各級分的分子數(shù)平均叫“數(shù)均分

31、子量數(shù)均分子量”，以表示；如果按高聚物中各級分的重量平均，得到的是“重均分子量重均分子量”，用表示。此外還有粘均分子量和Z均分子量等。 常用統(tǒng)計平均分子量的表示 數(shù)均分子量 按分子數(shù)的統(tǒng)計平均，定義為： 式中：Mi：第i組分子的單分子質(zhì)量；Ni：第i組分子的分子數(shù)。 重均分子量 按重量的統(tǒng)計平均，定義為： 式中：Wi：第i組分子的總質(zhì)量。iiiiinNMNMiiiiiwWMWM分子量的分布 若要確切地描繪高聚物試樣的分子量，除了給出分子量的統(tǒng)計平均值外，還應給出試樣的分子量分布，最理想的是能知道該試樣的分子量分布曲線。如圖所示為高聚物的分子量分布，它表示該高聚物中具有各種分子量的大分子鏈的重量

32、是不同的。 高聚物重量W 分子量M高聚物分子量分布及重均分子量三、大分子鏈的組成和構造三、大分子鏈的組成和構造組成大分子鏈的元素（1）碳鏈聚合物 主鏈由碳原子一種元素組成。其主鏈結構如下：CCCCCC乙烯基聚合物就是屬于碳鏈聚合物的一種。其鏈節(jié)結構如下： 其中，R叫做官能團或側基，官能團不同，得到的聚合物也不同。如R換為Cl，得到氯乙烯；R換為OH（羥基），得到乙烯醇；R換為CH3，得到丙烯。 H HC CH R （2）雜鏈聚合物 主鏈除碳外，還有其它元素。如： CCOC CCHC CCSC 聚酯就是一種典型的雜鏈聚合物，其特征是在碳主鏈中嵌入一個酯鍵： O CO （3）元素有機聚合物 主鏈由

33、氧和其它元素組成，如： OSiOSiO 在大分子鏈中常見的C、H、O、N等元素都是原子量較小的輕元素。這就決定了高聚物材料比重較?。ㄒ话阒挥?.92.0），只有鋼鐵的1/41/7。高分子鏈結構單元的鍵接方式和構型 大分子鏈形成后，由共價鍵固定的鏈內(nèi)原子和原子團的幾何排列即固定不變。任何大分子鏈都是由鏈節(jié)按一定的方式連接而成的。 鍵接方式鍵接方式：結構單元在鏈中的連接方式和順序決定于單體及合成反應的性質(zhì)。 空間構型：空間構型：高分子中結構單元由化學鍵所固定的原子在空間的幾何排列稱為分子鏈的構型構型。即使分子鏈組成相同，但由于取代基的位置不同，也可有不同的立體構型。如乙烯類高分子鏈一般有以下三種立

34、體構型： 1）全同立構 取代基R全部處于主鏈的同一側。 2）間同立構 取代基R相間地分布在主鏈的兩側。 3）無規(guī)立構 取代基R在主鏈的兩側作不規(guī)則的分布。 高分子鏈的構象及柔順性 （1）高分子鏈的構象 單鍵內(nèi)旋轉 由于單鍵內(nèi)旋轉所引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構成的分子鏈的各種形象，稱為高分子鏈的構象。（2）高分子鏈的柔順性 由構象變化獲得不同卷曲程度的特性，稱為高分子鏈的柔順性。高分子鏈的柔順性與單鍵內(nèi)旋轉難易程度有關。 C1 109o28， C2 C3C4碳鏈CC鍵的內(nèi)旋轉示意圖伸展鏈無規(guī)線團鏈折疊鏈螺旋鏈 單個大分子鏈的幾種構象示意圖高分子鏈的幾何形狀 由于聚合反應的復雜性，在合成聚合物

35、的過程中，可以發(fā)生各種各樣的反應形式，所以高分子鏈也會呈現(xiàn)出各種不同的形態(tài)。一般說來，高分子鏈的幾何形狀有以下三種： （1）線型高分子線型高分子：由許多鏈節(jié)組成的長鏈，通常是卷曲成線團狀。這類高聚物的特點是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性高聚物。此類材料加熱后軟化，冷卻后又硬化成型，隨溫度變化可以反復進行。聚乙烯、聚氯乙烯等烯類聚合物都屬于典型的熱塑性高聚熱塑性高聚物物。 （2）支鏈型高分子 在主鏈上帶有支鏈。這類高聚物的性能和加工都接近于線型高分子，也屬于熱塑性高聚物熱塑性高聚物。 （3）體型(網(wǎng)狀)高分子 分子鏈之間有許多鏈節(jié)互相交聯(lián)，呈三維網(wǎng)狀結構。這類高聚物的硬度高、脆性大、無彈性和塑性

36、，是熱固性高聚物熱固性高聚物。此類材料受熱發(fā)生化學變化而固化成型，成型后再受熱也不會軟化變形，如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。 三、高分子材料的聚集態(tài)結構三、高分子材料的聚集態(tài)結構 組成物質(zhì)的分子聚集在一起的狀態(tài)稱為物質(zhì)的聚集態(tài)。一般物質(zhì)的聚集態(tài)可分為氣體、液體和固體。高分子的聚集態(tài)結構，是指高分子材料內(nèi)部高分子鏈之間的幾何排列和堆砌結構，也稱為超分子結構，它是在高分子材料加工成型過程中形成的。高分子鏈之間以范德瓦爾斯鍵或氫鍵結合，鍵雖弱，但因分子鏈很長，故鏈間總作用力為各鏈節(jié)作用力與聚合度之積，因而大大超過鏈內(nèi)共價鍵。顯然，高分子的聚集態(tài)結構與高分子材料的性能有著直接關系。 第五節(jié) 無機非金屬材料的

37、結構特點Structures of Inorganic Nonmetallic Materials (Ceramics)陶瓷是由金屬和非金屬的無機化合物所構成的多晶多相固體物質(zhì)，它實際上是各種無機非金屬材料的統(tǒng)稱。傳統(tǒng)上“陶瓷”是陶器與瓷器的總稱。后來，發(fā)展到泛指整個硅酸鹽材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。 一、陶瓷材料的結構特點一、陶瓷材料的結構特點 陶瓷材料在熱和化學環(huán)境中比它們的組元更穩(wěn)定，通常比相應的金屬或聚合物更硬。陶瓷和金屬類似，具有晶體構造，但與金屬不同的是其結構中并沒有大量的自由電子。這是因為陶瓷是以離子鍵或共價鍵為主的離子晶體(如MgO、Al2O3等)或共價晶體(如Si

38、C、Si3N4等)。 在室溫下，陶瓷材料的典型組織是由晶體相、玻璃相和氣相組成。二、陶瓷晶體相二、陶瓷晶體相 晶體相是組成陶瓷的基本相，也稱主晶相。它往往決定著陶瓷的力學、物理、化學性能。例如由離子鍵結合的氧化鋁晶體組成的剛玉陶瓷，具有機械強度高、耐高溫及抗腐蝕等優(yōu)良性能。氧化物結構和硅酸鹽結構是陶瓷晶體中最重要的兩類結構。它們的共同特點是：結合鍵主要是離子鍵，或含有一定比例的共價鍵；有確定的成分，可以用準確的分子式表示。 氧化物結構 氧化物結構的特點是較大的氧離子緊密排列成晶體結構，較小的正離子填充在它們的空隙內(nèi)。根據(jù)正離子所占空隙的位置和數(shù)量的不同，形成各種不同結構的氧化物，如下表所示。

39、結構類型晶體結構 陶瓷中主要化合物 AX型面心立方堿土金屬氧化物MgO、BaO等，堿金屬鹵化物，堿土金屬硫化物AX2型面心立方CaF2(螢石)、ThO2、VO2等簡單四方TiO2(金紅石)、SiO2(高溫方石英)等A2X3型菱形晶體-Al2O3(剛玉)ABX3型簡單立方CaTiO3(鈣鈦礦)、BaTiO3等菱形晶系FeTiO3(鈦鐵礦)、LiNbO3等AB2X4型面心立方MgAl2O4(尖晶石)等100多種硅酸鹽結構 硅酸鹽材料在自然界中大量存在，約占已知礦物的三分之一。許多陶瓷材料都包含硅酸鹽，一方面是因為硅酸鹽豐富和便宜，另一方面則是因為它們具有在工程上有用的某些獨特性能。普通水泥是人們最