固體中的相結(jié)構(gòu).課件

1、第二章 固體中的相結(jié)構(gòu)基 本 概 念合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金最基本的物質(zhì)。（如一元、二元、三元合金，可以是元素，也可以是化合物。合金系：給定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的總稱。如Fe-C，F(xiàn)e-Cr等。相：任一給定的物質(zhì)系統(tǒng)中，具有同一化學(xué)成分、同一原子聚集態(tài)和性質(zhì)的均勻連續(xù)組成部分。 相的分類：固溶體、化合物、陶瓷晶體相、玻璃相、 分子相。2固體中的相結(jié)構(gòu)2.1.1 什么是固溶體固溶體：固態(tài)下一種組元溶解在另一種組元中形成的新相。晶格與溶劑晶格類型相同。 溶劑：晶格與固溶體相同的組元。 溶質(zhì)：固溶度：溶質(zhì)原子在

2、溶劑中的最大含量（極限溶解度）。固溶體基本特征：保持原溶劑的晶體結(jié)構(gòu)；有一定的成份范圍；具有比較明顯的金屬性質(zhì)。具有一定的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性和一定的塑性等等。這表明，固溶體中的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。第一節(jié) 固溶體2.1.1 什么是固溶體固溶體分類：按溶質(zhì)原子在溶劑點(diǎn)陣中的位置分： 置換固溶體、間隙固溶體按溶解度分：無限固溶體、有限固溶體按原子在點(diǎn)陣中排列的秩序性分： 無序固溶體、有序固溶體第一節(jié) 固溶體置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點(diǎn)陣位置的固溶體。Hume-Rothery三大經(jīng)驗(yàn)規(guī)律： 溶劑、溶質(zhì)原子半徑之差與溶劑原子半徑比超過14%15%時(shí)，固溶度極為有限。溶劑和溶質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)相近。固溶度與元素的

3、原子價(jià)有關(guān)。影響固溶度的因素原子尺寸因素：原子半徑差越小，固溶度越大。(表2-1)晶體結(jié)構(gòu)因素：結(jié)構(gòu)相同，溶解度大；間隙原子在FCC中溶解度大于BCC中溶解度。負(fù)電性因素(化學(xué)親和力)：負(fù)電性差越大，溶解度大。（負(fù)電性差很大時(shí)，形成化合物）電子濃度因素：電子濃度e/a越大，溶解度越小。c=e/a=xu +(1-x)v（電子濃度：合金中兩個(gè)組元的價(jià)電子總數(shù)和原子總數(shù)之比。）第一節(jié) 固溶體2.1.2 置換固溶體第一節(jié) 固溶體2.1.2 置換固溶體當(dāng)溶劑為一價(jià)面心立方金屬時(shí)，不同溶質(zhì)的最大固溶度對應(yīng)的電子濃度具有一定的極限值；溶質(zhì)元素原子價(jià)愈高，固溶度愈小。間隙固溶體：原子半徑小于0.1nm的非金屬

4、元素溶入到溶劑金屬晶體點(diǎn)陣的間隙中形成的固溶體。非金屬元素：H, N, C , B, O溶解度一般都很小，只能形成有限固溶體。典型間隙固溶體： 碳溶于-Fe（八面體間隙）、-Fe形成固溶體第一節(jié) 固溶體2.1.3 間隙固溶體固溶體宏觀上均勻，微觀上不均勻出現(xiàn)偏聚，部分有序，完全有序等情況。取決于同類原子結(jié)合能(EAA ， EBB)和異類原子間結(jié)合能(EAB)的相對大小。第一節(jié) 固溶體2.1.4 有序固溶體若EAA ， EBB EAB時(shí)，則有同類原子的偏聚區(qū); 若 EAA ，EBB EAA或EBB物理性能的變化： 隨溶質(zhì)原子的增多，電阻升高。例題2.1.1：p59第一節(jié) 固溶體2.1.5 固溶體

5、的性能金屬間化合物（中間相）：金屬與金屬或金屬與類金屬之間所形成的化合物。影響因素：電負(fù)性，電子濃度，原子尺寸類型：正常價(jià)化合物：符合原子價(jià)規(guī)則的化合物，AmBn電子化合物（電子相）：按照一定電子濃度值形成。間隙化合物：受原子尺寸因素控制。第二節(jié) 金屬間化合物2.2 金屬間化合物符合原子價(jià)規(guī)則的化合物。AmBn，mec=n(8-eA)有一定成分，可用化學(xué)分子式表示， 一般表示為AB或AB2（A2B）。電負(fù)性差對其形成其主要作用，差值越大，穩(wěn)定性越高。鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵。形成元素：金屬元素與A、A、A族元素。結(jié)構(gòu)：不同于組元。NaCl結(jié)構(gòu)，CaF2結(jié)構(gòu)2.2.

6、1 正常價(jià)化合物第二節(jié) 金屬間化合物 性能特點(diǎn)：熔點(diǎn)、硬度及脆性較高。不遵守化合價(jià)規(guī)律，按一定電子濃度值形成。電子濃度不同，晶格類型不同。 相： 電子濃度： 3/2 21/13 21/12 結(jié)構(gòu)： bcc 復(fù)雜立方 密排六方 鍵型：金屬鍵（金屬金屬），有金屬特性?？捎没瘜W(xué)式表示，但成分可在一定范圍內(nèi)變化，可以形成以化合物為基的固溶體。形成元素：B族或過渡族金屬元素與B、A、 A族元素。2.2.2 電子化合物第二節(jié) 金屬間化合物對含過渡族元素的電子化合物，計(jì)算電子濃度時(shí)，過渡族元素的價(jià)電子數(shù)常視為零。受原子尺寸因素控制形成元素：過渡族金屬與原子半徑很小的非金屬元素。 簡單間隙化合物（間隙相）：R

7、x/RM0.59, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。主要是鐵、鈷、鉻、錳的化合物，如Fe3C。2.2.3 間隙化合物第二節(jié) 金屬間化合物力學(xué)性能：高硬度、高熔點(diǎn)、低塑性特殊的物理化學(xué)性質(zhì)：具有電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)性質(zhì)等，可用于半導(dǎo)體材料、形狀記憶材料、儲(chǔ)氫材料等。 例題2.2.2：p632.2.4 金屬化合物的特性第二節(jié) 金屬間化合物2.3 陶瓷晶體相按用途可分為： 結(jié)構(gòu)陶瓷（利用其力學(xué)性能）：強(qiáng)度（葉片、活塞）、 韌性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。 功能陶瓷（利用其物理性能） 精細(xì)功能陶瓷：導(dǎo)電、氣敏、濕敏、生物、超導(dǎo)陶瓷等。 功能轉(zhuǎn)換陶瓷：壓電、光電、熱電、磁光、聲光陶瓷等。 按結(jié)構(gòu)可分為： 氧化物陶瓷、 硅酸鹽

8、陶瓷特點(diǎn)：結(jié)合鍵：以離子鍵為主，可含有一定比例的共價(jià)鍵。成 分：確定，可用分子式表示。性 質(zhì)：具有典型的非金屬性質(zhì)。第三節(jié) 陶瓷晶體相2.3.1 氧化物結(jié)構(gòu)(1) AB型化合物的結(jié)構(gòu)：NaCl結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)、硫鋅礦結(jié)構(gòu)。第三節(jié) 陶瓷晶體相 (2) AB2型化合物的結(jié)構(gòu): 面心立方（螢石等）, 金紅石型結(jié)構(gòu)2.3.1 氧化物結(jié)構(gòu)(3) A2B3型化合物的結(jié)構(gòu)：簡單六方，剛玉(-Al2O3）、 - Fe2O3、 Cr2O3、 Ti2O3、 V2O3。(4) ABO3型化合物的結(jié)構(gòu)：簡單立方；鈣鈦礦（CaTiO3）、 BaTiO3、 PbTiO3第三節(jié) 陶瓷晶體相2.3.1 氧化物結(jié)構(gòu)(5) AB

9、2O4型結(jié)構(gòu)：尖晶石（MgAl2O4），面心立方第三節(jié) 陶瓷晶體相2.3.2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及分類硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)a 基本結(jié)構(gòu)單元：SiO4。b 結(jié)合鍵與結(jié)構(gòu)：主要是離子鍵結(jié)合，含一定比例的共價(jià)鍵。硅位于氧四面體的間隙。c 每個(gè)氧最多被兩個(gè)多面體共有。氧在兩個(gè)四面體之間充當(dāng)橋梁作用，稱為氧橋。第三節(jié) 陶瓷晶體相2.3.2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及分類硅酸鹽結(jié)構(gòu)分類a島狀硅酸鹽：含有限Si-O團(tuán)的硅酸鹽，包括含孤立Si-O團(tuán)和含成對或環(huán)狀Si-O團(tuán)兩類。b 鏈狀硅酸鹽：Si-O團(tuán)共頂連接成一維結(jié)構(gòu)，又含單鏈和雙鏈兩類。c 層狀硅酸鹽：Si-O團(tuán)底面共頂連接成二維結(jié)構(gòu)。d 骨架狀硅酸鹽：Si-O團(tuán)共頂

10、連接成三維結(jié)構(gòu)。第三節(jié) 陶瓷晶體相2.3.2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及分類例題：第三節(jié) 陶瓷晶體相2.4 玻璃相玻璃：從液態(tài)凝固下來的、結(jié)構(gòu)與液態(tài)連續(xù)的非晶態(tài)固體。形成玻璃的條件：內(nèi)部條件：黏度外部條件：冷卻速度結(jié)構(gòu)：長程無序、短程有序 （1）連續(xù)無軌網(wǎng)絡(luò)模型。 （2）無規(guī)密堆模型。 （3）無軌則線團(tuán)模型。性能： （1）各向同性。 （2）無固定熔點(diǎn)。 （3）高強(qiáng)度、高耐蝕性、高導(dǎo)磁率（金屬）。 第四節(jié) 玻璃相2.5.1 大分子及其構(gòu)成高分子化合物：由一種或多種化合物聚合而成的相對分子質(zhì)量很大的化合物。又稱聚合物或高聚物。分類： 按相對分子質(zhì)量：低分子聚合物（5000）。 按組成物質(zhì)：分為有機(jī)聚合物和

11、無機(jī)聚合物?；瘜W(xué)組成：（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯為例）（1）單體：組成高分子化合物的低分子化合物。（2）鏈節(jié)：組成大分子的結(jié)構(gòu)單元。（3）聚合度n：大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)。第五節(jié) 分子相2.5.1 大分子及其構(gòu)成合成（1）加聚反應(yīng)a 概念：由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)。（其產(chǎn)物為聚合物）b 組成：與單體相同。反應(yīng)過程中沒有副產(chǎn)物。c 分類 均加聚反應(yīng)：由一種單體參與的加聚反應(yīng)。生成均聚物。 共加聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參與的加聚反應(yīng)，生成共聚物。(2)縮聚反應(yīng)a 概念：由一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時(shí)析出某種低分子化合物的反應(yīng)。b 分類 均縮聚反應(yīng)：由一種單體參加的縮聚反應(yīng)。生成均縮聚物。 共縮聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參加的縮聚反應(yīng)。生成共縮聚物。第五節(jié) 分子相2.5.2 高聚物的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成 表2-11結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和構(gòu)型 均聚物中單體的連接方式：頭尾連接、頭頭或尾尾相連、無軌連接。共聚物中單體的連接方式： 無軌共聚：ABBABBABA 交替共聚：ABABABAB 嵌段共聚：AAAABBAAAABB 接枝共聚：AAAAAAAAAAA B B B B B B第五節(jié)