無(wú)機(jī)材料化學(xué)

2.材料的組成、結(jié)構(gòu)、

性能和制備

材料通常是由原子或分子結(jié)合而成的，也可以說(shuō)是由物質(zhì)組成的，而物質(zhì)是由一種或一種以上的元素組成的。按原子或分子的結(jié)合及其在空間排列的不同，材料的組成可分成固溶體、聚集體和復(fù)合體三大類。

2.1材料的組成組元、相和組織

a．組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì)稱為材料的組元（或稱組分）。

可以是純單質(zhì)或化合物。

b．材料中具有相同的化學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分叫做相。

一個(gè)相必須在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上都是完全均勻的。

c．材料內(nèi)部的微觀形貌稱為材料的組織。它實(shí)際上是指由各個(gè)晶粒或各種相所形成的圖案。在不同條件下，材料的組織又可以分為微觀組織(結(jié)構(gòu))和宏觀組織。

2.1.1材料組元的結(jié)合形式鋼：鐵素體（含c的α-Fe）+滲碳體（Fe3C）普通陶瓷：晶相+玻璃相+氣孔多相材料復(fù)合材料：多相材料純金屬、高分子、玻璃：?jiǎn)蜗嗖牧?/p>

2.1.1材料組元的結(jié)合形式

人類從天然材料的使用到人造材料的制備，材料的發(fā)展與地球孕含的元素和存在形式密切相關(guān)。所用原料均取自于地殼。

碳鋼：Fe、C;Y2O3-ZrO2陶瓷：Y2O3

、ZrO2

2.1.1材料組元的結(jié)合形式2.1.1材料組元的結(jié)合形式2.1.1材料組元的結(jié)合形式組織：

材料內(nèi)部的微觀形貌，指由各個(gè)晶?；蚋鞣N相所形成的圖案，與材料所含相的種類、數(shù)量、大小、形態(tài)和分布方式相關(guān)，是材料性能的決定性因素。材料的組織分為微觀組織與宏觀組織，微觀組織也叫做微細(xì)組織、顯微組織，是由原子的種類及其排列狀態(tài)決定的，又分為晶態(tài)結(jié)構(gòu)與非晶態(tài)（無(wú)定形）結(jié)構(gòu)。不銹鋼材料的顯微結(jié)構(gòu)（晶粒和晶界）2.1.1材料組元的結(jié)合形式影響組織的因素

組織取決于化學(xué)成分和工藝過(guò)程。(1)化學(xué)成分

不同碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金在平衡結(jié)晶后的室溫組織不一樣?！駡D(a)為純鐵的組織，叫鐵素體。

●圖(c)是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%的鐵碳合金的組織,叫珠光體。

(a)0.01%C(b)0.45%C(c)0.77%C(d)1.2%C鐵碳合金的室溫平衡組織2.1.1材料組元的結(jié)合形式(2)工藝

金屬材料的化學(xué)成分一定時(shí),工藝過(guò)程是組織最重要的影響因素。純鐵經(jīng)冷拔后,等軸形狀的鐵素體晶粒變成拉長(zhǎng)了的鐵素體晶粒。片狀珠光體

球狀珠光體

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%的鐵碳合金,室溫平衡組織為片狀珠光體,球化退火后組織為球狀珠光體。表2-1材料組織的分類

兩種以上的原子或分子溶合在一起時(shí)的狀態(tài)統(tǒng)稱為溶體。溶體一般是原子或分子的均勻混合物，不是化合物。液態(tài)溶體稱為溶液；固態(tài)溶體，即溶質(zhì)組元溶入溶劑組元的主晶格中所形成的單相固體稱固溶體。按溶質(zhì)在溶劑中的位置不同，固溶體可分為：

置換型（取代型）固溶體：溶劑A晶格中的原子被溶質(zhì)B的原子所取代形成的固溶體（A與B的原子大小大致相同）；

填充型（間隙型）固溶體：溶劑A晶格間隙內(nèi)由B的原子填入所形成的固溶體（B原子要比A原子?。！窆倘荏w

由無(wú)數(shù)原子或晶粒聚集而成的固體稱為聚集體。一般的材料都是宏觀上的聚集體。其中有的是晶粒間呈連續(xù)變化牢固地結(jié)合在一起（如合金或固溶體）；有的是晶粒間的結(jié)合較微弱（如花崗石等）●聚集體

復(fù)合體（復(fù)合材料）是指由兩種及兩種以上的不同材料通過(guò)一定的方式復(fù)合而構(gòu)成的新型材料。各相之間存在明顯的界面。復(fù)合材料中各相不但保持各自的固有特性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料相的特性，并賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，稱為基體材料，而另一個(gè)相是不連續(xù)相的，以獨(dú)立的形態(tài)分布在連續(xù)相中，也稱為分散相。與連續(xù)相相比，分散相的性能優(yōu)越，會(huì)使材料的性能得到明顯的增強(qiáng)，故常稱為增強(qiáng)材料。

●復(fù)合體例：纖維板、導(dǎo)電橡膠、鋼筋混凝土●金屬材料的化學(xué)組成

金屬材料是以純金屬和以金屬為基所構(gòu)成的合金。A．單質(zhì)金屬：如有色金屬、黑色金屬、稀有金屬等；B．金屬合金：由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金

屬元素構(gòu)成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)叫金屬合金。2.1.2材料的化學(xué)組成

無(wú)機(jī)非金屬材料包括陶瓷、耐火材料、黏土制品、搪瓷、玻璃和水泥等。

在許多西方國(guó)家，陶瓷實(shí)際上是各種無(wú)機(jī)非金屬材料的通稱。同金屬材料、高分子材料并稱為現(xiàn)代工程材料的三大柱。從化學(xué)角度看，無(wú)機(jī)非金屬材料都是由金屬元素和非金屬元素的化合物配合料經(jīng)一定工藝過(guò)程制得的。通常由金屬氧化物、非金屬氧化物、氫氧化物、碳化物、氮化物等以不同的方式組合而成的。化學(xué)組分幾乎涉及到元素周期表中的所有元素?！駸o(wú)機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成金屬元素和非金屬元素組成的化合物，通常包括：氧化物（Al、Ca、Mg、Na、K、Fe、Si….的氧化物）、碳化物（SiC、B4C3）和氮化物（Si3N4、BN、AlN）陶瓷：Al2O3、TiO2、ZnO、SiO2、SiC、Si3N4、BN水泥：SiO2–CaO-Al2O3-Fe2O3；玻璃：SiO2–CaO-Na2O

●高分子材料的化學(xué)組成

高分子材料是以高分子化合物（亦稱高聚物、聚合物、樹(shù)脂）為主要組分的材料。

高分子化合物主要是指相對(duì)分子量特別大的有機(jī)物，分子量一般在104以上；另一個(gè)特點(diǎn)是其鏈中不含離子鍵和金屬鍵。高分子材料按來(lái)源分為天然高分子材料（天然纖維、橡膠、皮革等）、合成高分子材料（聚乙烯、聚氯乙烯等）。高分子化合物一般由一種或幾種簡(jiǎn)單的低分子化合物（單體和鏈節(jié)）聚合而成。一個(gè)高分子化合物中重復(fù)單元的數(shù)目n叫做鏈節(jié)數(shù)，又稱為聚合度。高分子材料按功能分為通用高分子、特殊高分子、功能高分子和仿生高分子材料（高分子引發(fā)劑、模擬酶等）。2.2.1材料的結(jié)構(gòu)及其層次

材料的內(nèi)部因素一般包括物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)。所謂結(jié)構(gòu)是指材料系統(tǒng)內(nèi)各組分之間的相互聯(lián)系和相互作用方式。材料的結(jié)構(gòu)從形式上講，包括晶體結(jié)構(gòu)、非晶體結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)及它們不同形式且錯(cuò)綜復(fù)雜的組合和復(fù)合；從尺寸上講，可分為微觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)四個(gè)層次。2.2材料的結(jié)構(gòu)表2-2材料結(jié)構(gòu)層次的劃分及所用觀察設(shè)備

儀器分析按信息形式分為圖象分析法和非圖象分析法。按工作原理前者主要是顯微術(shù)，后者主要是衍射法和成分譜分析。顯微術(shù)和衍射法基于物理方法，其工作原理是以電磁波（可見(jiàn)光、電子、離子和X-射線等）轟擊樣品激發(fā)產(chǎn)生特征物理信息，這些信息包括電磁波的透射信息、反射信息和吸收信息。將這些信息收集并加以分析從而確定物相組成和結(jié)構(gòu)特征。2.2.2材料的研究方法2.2.2材料的研究方法

材料中的化學(xué)鍵有金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵（配位鍵）、氫鍵和范德華力。實(shí)際上有的材料并不是由單一的化學(xué)鍵組成，可同時(shí)兼有幾種鍵。

金屬材料：金屬鍵；

無(wú)機(jī)非金屬材料：離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵等；

高分子材料：共價(jià)鍵、氫鍵和范德華力。2.2.3材料中的化學(xué)鍵合2.2.3材料中的化學(xué)鍵合金屬鍵：

金屬離子與自由電子相互吸引形成的化學(xué)鍵。

特征：

電子屬于所有原子，可在晶格內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；

無(wú)飽和性和方向性；

強(qiáng)度較高(略低于共價(jià)鍵和離子鍵100~1000

kJ/mol);

在低電負(fù)性的原子間形成。

金屬的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率高；

金屬對(duì)光的非透明性和表面高反射性。2.2.3材料中的化學(xué)鍵合離子鍵

帶正電的陽(yáng)離子和帶負(fù)電的陰離子之間借助靜電相互作用（吸引和排斥）形成的化學(xué)鍵，本質(zhì)為靜電力。

特征：無(wú)方向性、無(wú)飽和性、配位數(shù)高、堆積致密；強(qiáng)度高（晶格能，600-1600kJ/mol）；

在電負(fù)性相差較大的原子間形成。

一般認(rèn)為離子晶體是通過(guò)由負(fù)離子按一定方式（立方、六方等）堆積、正離子占據(jù)負(fù)離子堆積形成的間隙（立方體、正八面體、正四面體）形成的。

離子極化→鍵長(zhǎng)變短、鍵強(qiáng)增大、配位反?！矁r(jià)鍵2.2.3材料中的化學(xué)鍵合離子型化合物：

AB型：堿金屬M(fèi)+X-、堿土金屬M(fèi)2+O2-、M2+S2-等；

AB2型：氟化物、氧化物，螢石（CaF2）型、金紅石（TiO2）型、碘化鎘（CdI2）型；………..

在部分離子型化合物中，還含有其它化學(xué)鍵或范德華力等弱相互作用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2.2.3材料中的化學(xué)鍵合共價(jià)鍵：

兩個(gè)或多個(gè)原子相互吸引、共用若干電子所形成的化學(xué)鍵。鍵級(jí)越大，鍵能越高。特征：相鄰兩原子共用電子；有方向性和飽和性、配位數(shù)低、堆積密度低；強(qiáng)度高（略低于離子鍵，500-1200kJ/mol）；在兩個(gè)電負(fù)性較大的原子（稀有氣體外的其他非金屬元素）間形成。共價(jià)鍵晶體熔點(diǎn)和硬度高、導(dǎo)電性差。2.2.3材料中的化學(xué)鍵合氫鍵：

氫原子在分子中與一個(gè)電負(fù)性大的原子鍵合時(shí)，還能形成與另一個(gè)電負(fù)性大的原子的附加鍵。

特征：僅F、O、N原子可參與形成氫鍵；

有方向性和飽和性；強(qiáng)度較低（略高于范德華力，≤40kJ/mol）。

氫鍵在高分子材料、生物大分子中十分重要。2.2.3材料中的化學(xué)鍵合范德華力：

取向力、誘導(dǎo)力和色散力的總和，是分子間的偶極作用造成的引力。

特征：無(wú)方向性，受分子大小影響；分子間可能存在微量電荷；強(qiáng)度非常弱（<40kJ/mol）；

廣泛存在于分子晶體、高分子材料中。

在多元化合物中，通常含有幾種健型，如有機(jī)酸的金屬鹽中，存在離子鍵、共價(jià)鍵、范德華力等，而硅酸鹽除了上述鍵型外，還可能存在氫鍵。

原子間電負(fù)性相差越大，鍵的離子型越強(qiáng)；共價(jià)鍵成分越多，化學(xué)鍵的方向性越強(qiáng)，離子的堆積密度越低。2.2.3材料中的化學(xué)鍵合A．晶體的基本特征：規(guī)則的幾何構(gòu)型、固定的熔點(diǎn)、各向異性。B．七大晶系：立方（3）、四方（2）、三方（1）、單斜（2）、三斜（1）、六方（1）、正交（4）。C．晶體結(jié)構(gòu)的不完整性a．雜原子與固溶體：雜質(zhì)原子與主晶體原子形成固溶體（置換和填隙）b．點(diǎn)缺陷：弗倫克爾缺陷和肖特基缺陷c．線缺陷：刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)d．面缺陷：晶面缺陷

2.2.4晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

2.2.4晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)布拉菲點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)特征晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：

晶體：是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、原子團(tuán)、離子或分子）在三維空間成周期性重復(fù)排列的固體，即晶體是具有格子構(gòu)造的固體。包括：?jiǎn)尉w，多晶體….晶體的特征：自范性(自限性)：晶體具有自發(fā)地形成封閉的凸幾何多面體外形能力的性質(zhì)。(面F+頂點(diǎn)V=棱E+2)均勻性：指晶體在任一部位上都具有相同性質(zhì)的特征。如：密度、化學(xué)組成…各向異性：在晶體的不同方向上具有不同的性質(zhì)。如：電導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、折光率、機(jī)械強(qiáng)度…對(duì)稱性：指晶體的物理化學(xué)性質(zhì)能夠在不同方向或位置上有規(guī)律地出現(xiàn),也稱周期性。確定且明顯的熔點(diǎn)；最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性；對(duì)X射線的衍射。（后面介紹）金剛石方解石同質(zhì)多晶——碳Graphene材料的晶體結(jié)構(gòu)金屬材料：大多數(shù)為晶體（Hg除外），多為立方、六方晶系。無(wú)機(jī)非金屬材料：由Si、O等元素組成的四面體以不同形式（鏈狀、層狀等）連接形成的晶態(tài)、非晶態(tài)的材料，以及其他結(jié)構(gòu)（金剛石型等）的晶態(tài)材料等。高分子材料：由大量重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元連接成鏈狀、網(wǎng)狀、聚集體。主要為非晶體結(jié)構(gòu)，次要為晶體。空間點(diǎn)陣：把晶體中質(zhì)點(diǎn)的中心用直線聯(lián)起來(lái)構(gòu)成的空間格架即空間點(diǎn)陣，簡(jiǎn)稱晶格.這里的質(zhì)點(diǎn)可以是原子或分子、原子團(tuán)、離子、多個(gè)分子等，被稱為結(jié)構(gòu)基元，是晶體中重復(fù)周期的具體內(nèi)容。晶體結(jié)構(gòu)=結(jié)構(gòu)基元+空間點(diǎn)陣。點(diǎn)陣需滿足：連接其中任意兩點(diǎn)可得一向量，將各點(diǎn)按此向量平移能使它復(fù)原。晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣NaCl石墨NaCl伸展聚乙烯NaCl金剛石晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣晶體中質(zhì)點(diǎn)排列具有周期性和對(duì)稱性整個(gè)晶體可看作由結(jié)點(diǎn)沿三個(gè)不同的方向按一定間距重復(fù)出現(xiàn)形成的，結(jié)點(diǎn)間的距離稱為該方向上晶體的周期。同一晶體不同方向的周期不一定相同?？梢詮木w中取出一個(gè)單元，表示晶體結(jié)構(gòu)的特征。晶胞是從晶體結(jié)構(gòu)中取出來(lái)的平行六面體，能反映晶體周期性和對(duì)稱性的最小重復(fù)單元。晶胞參數(shù)：晶胞的形狀和大小可以用6個(gè)參數(shù)來(lái)表示，此即晶格特征參數(shù)，簡(jiǎn)稱晶胞參數(shù)。包括：

棱邊的長(zhǎng)度a、b、c；（對(duì)于金屬：0.1-0.7nm）

棱邊的夾角、、。晶胞坐標(biāo)及晶胞參數(shù)某些物質(zhì)的晶體因晶格形式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。晶體結(jié)構(gòu)可用X射線結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。

晶胞參數(shù)確定之后，晶胞和由它表示的晶格也隨之確定，方法是將該晶胞沿三維方向平行堆積即構(gòu)成晶格。

空間點(diǎn)陣中所有陣點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）的周圍環(huán)境都是相同的，或者說(shuō)，所有陣點(diǎn)都具有等同的晶體學(xué)位置。布拉菲(Bravais)依據(jù)晶胞參數(shù)之間關(guān)系的不同，把所有晶體劃歸為7類，即7個(gè)晶系。按照陣點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）在空間排列方式不同，有的只在晶胞的頂點(diǎn)，有的還占據(jù)上下底面的面心、各面的面心或晶胞的體心等位置，7個(gè)晶系共包括14種點(diǎn)陣，稱為布拉菲點(diǎn)陣（Bravaislattice）。晶面：晶體點(diǎn)陣在任何方向上可分解為相互平行的結(jié)點(diǎn)平面，這樣的結(jié)點(diǎn)平面稱為晶面。晶面上的結(jié)點(diǎn)，在空間構(gòu)成一個(gè)二維點(diǎn)陣。同一取向上的晶面，不僅相互平行、間距相等，且結(jié)點(diǎn)的分布也相同。不同取向的結(jié)點(diǎn)平面其特征各異。任何一個(gè)取向的一系列平行晶面，都可以包含晶體中所有的質(zhì)點(diǎn)。晶面指數(shù)：結(jié)晶學(xué)中經(jīng)常用（hkl）來(lái)表示一組平行晶面，稱為晶面指數(shù)。數(shù)字hkl是晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸（晶軸）上截距的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比。晶面立方晶系晶面指數(shù)的標(biāo)注acb(100)aabbcc(110)(111)晶體的缺陷金屬材料的結(jié)構(gòu)：

一般為晶體；配位數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊密。配位數(shù)是指與某一原子最臨近且等距離的原子個(gè)數(shù)。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類型（原子堆積方式）：體心立方BBC、面心立方FCC、緊密堆積六方、….2.2.5材料的結(jié)構(gòu)需要關(guān)注不同晶體結(jié)構(gòu)中的幾個(gè)參數(shù)：

球半徑r與晶胞常數(shù)（a,b,c）的關(guān)系

晶胞中的原子數(shù)每個(gè)晶胞所含的原子數(shù)（N）可用下式計(jì)算：N=Ni+Nf/2+Nr/mNi、Nf、Nr分別表示位于晶胞內(nèi)部、面心和角頂處的原子數(shù)；m為晶胞類型參數(shù)，立方晶系的m=8，六方晶系的m=6。

配位數(shù)晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最鄰近且等距離的原子數(shù)（CN）。

致密度

晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù)（K），如以一個(gè)晶胞來(lái)計(jì)算，則致密度就是晶胞中原子體積與晶胞體積之比值，即

K=nυ/V

式中，n是一個(gè)晶胞中的原子數(shù)；υ是一個(gè)原子的體積，υ=(4/3)πr3；V是晶胞的體積。晶體結(jié)構(gòu)中的間隙半徑

在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。四面體間隙、八面體間隙最緊密堆積的空隙：四面體空隙八面體空隙等徑球質(zhì)點(diǎn)堆積a.體心立方晶格(胞)(BCC晶格)

8個(gè)原子處于立方體的角上，1個(gè)原子處于立方體的中心,角上8個(gè)原子與中心原子緊靠。

具有體心立方晶格的金屬有鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、α-鐵(α-Fe,<912℃)等。

體心立方晶胞特征：（1）晶格常數(shù)

a=b=c,α=β=γ=90°（2）晶胞原子數(shù)

角上的原子屬于8個(gè)相鄰的晶胞，中心的原子屬于這個(gè)晶胞。一個(gè)體心立方晶胞所含的原子數(shù)為2個(gè)。

（3）原子半徑晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半稱為原子半徑(r原子)。體心立方晶胞中原子半徑與晶格常數(shù)a之間的關(guān)系為：（4）致密度(也稱密排系數(shù)，空間占有率)

致密度越大，原子排列緊密程度越大。

體心立方晶胞的致密度為：（5）配位數(shù)

配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。

體心立方晶格的配位數(shù)為8。

（6）空隙半徑

體心立方晶胞中有兩種空隙：

●四面體空隙：由4個(gè)球體所構(gòu)成，球心連線構(gòu)成一個(gè)正四面體；

●八面體空隙：由6個(gè)球體構(gòu)成，球心連線形成一個(gè)正八面體。

四面體空隙半徑八面體空隙半徑b.面心立方晶格(胞)(FCC晶格)

金屬原子分布在立方體的8個(gè)角上和6個(gè)面的中心。面中心的原子與該面4個(gè)角上的原子緊靠。

具有這種晶格的金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、γ-鐵(γ-Fe,912℃～1394℃)等。

面心立方晶胞的特征：

（1）晶格常數(shù)

a=b=c,α=β=γ=90°

（2）晶胞原子數(shù)

4

（3）原子半徑

（4）致密度

0.74(74%)（6）空隙半徑

●四面體空隙半徑:r四=0.225r原子

●八面體空隙半徑:r八=0.414r原子（5）配位數(shù)

12

四面體空隙半徑八面體空隙半徑c.密排六方晶格(胞)(HCP晶格)

12個(gè)金屬原子分布在六方體的12個(gè)角上,在上下底面的中心各分布1個(gè)原子,上下底面之間均勻分布3個(gè)原子。具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。

密排六方晶胞特征：

（1）晶格常數(shù)

正六邊形的邊長(zhǎng)a

兩底面之間的距離c

相鄰側(cè)面夾角120°

側(cè)面與底面夾角90°

（2）晶胞原子數(shù)

6

（3）原子半徑（4）致密度

0.74(74%)

（5）配位數(shù)

12（6）空隙半徑

●四面體空隙半徑為:

r四=0.225r原子●八面體空隙半徑為:

r八=0.414r原子

面心立方FCC和緊密堆積六方HCP是最密堆積方式，堆積密度最大。

等徑球最緊密堆積時(shí)，在平面上每個(gè)球與6個(gè)球相接觸，形成第一層（球心位置標(biāo)記為A），如下圖所示。此時(shí)，每3個(gè)彼此相接觸的球體之間形成1個(gè)弧線三角形空隙，每個(gè)球周圍有6個(gè)弧線三角形空隙，其中3個(gè)空隙的尖角指向圖的下方（其中心位置標(biāo)記為B），另外3個(gè)空隙的尖角指向圖的上方（其中心位置標(biāo)記為C），這兩種空隙相間分布。

等徑球質(zhì)點(diǎn)堆積等徑球體在平面上的最緊密堆積等徑球質(zhì)點(diǎn)堆積AAAAAAAAAAAAAAAAAAABC

面心立方最緊密堆積和六方最緊密堆積球體在空間的堆積是按照ABAB……的層序來(lái)堆積。這樣的堆積中可以取出一個(gè)六方晶胞，稱為六方最緊密堆積（A3型）。另一種堆積方式是按照ABCABC……的堆積方式。這樣的堆積中可以取出一個(gè)面心立方晶胞，稱為面心立方最緊密堆積。面心立方堆積中，ABCABC……重復(fù)層面平行于（111）晶面（A1型）。兩種最緊密堆積中，每個(gè)球體周圍同種球體的個(gè)數(shù)均為12。

ABCABC……層序堆積—面心立方密堆積A1ABAB……的層序堆積—六方密堆積A3等徑球質(zhì)點(diǎn)堆積AAAAAAAAAAAAAAAAAAABCAAAAAAAAAAAAAAAAAAABC123456123456123456ABC面心立方最緊密堆積ABCAABC面心立方最緊密堆積ABCABC……,即每三層重復(fù)一次123456面心立方最緊密堆積六方最緊密堆積123456ABAB……的層序堆積ABABA六方最緊密堆積ABABAB……每?jī)蓪又貜?fù)一次AAAABB密排面六方晶胞——六方密堆積最緊密堆積中空隙的分布情況：

每個(gè)球體周圍有多少個(gè)四面體空隙？每個(gè)球體周圍有多少個(gè)八面體空隙？

等徑球質(zhì)點(diǎn)堆積1個(gè)球的周圍有8個(gè)四面體空隙1個(gè)球的周圍有6個(gè)八面體空隙n個(gè)等徑球最緊密堆積時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)四面體空隙數(shù)2n個(gè)；八面體空隙數(shù)n個(gè)。無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)

晶態(tài)：

共價(jià)晶體（C、SiC、BN）

離子晶體（MgO、Al2O3）

非晶態(tài)：玻璃相（無(wú)機(jī)玻璃）

氣相：陶瓷中的氣孔….a.金剛石型結(jié)構(gòu)：

共價(jià)鍵結(jié)合的晶體即為共價(jià)晶體。共價(jià)晶體具有強(qiáng)度高、硬度高、脆性大、熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高、揮發(fā)性低、導(dǎo)電能力較差和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特性。金剛石、Si、Ge等b.硅酸鹽結(jié)構(gòu)

特征結(jié)構(gòu)單元：[SiO4]4-四面體；

價(jià)鍵類型：含有離子鍵和共價(jià)鍵

連接方式：共用頂點(diǎn)氧相互連接，形成島狀、

鏈狀、層狀、立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

例如：石棉纖維——鏈狀結(jié)構(gòu)；

云母、滑石——層狀結(jié)構(gòu)，層間范德華力結(jié)合；

石英——網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。b.硅酸鹽結(jié)構(gòu)b.硅酸鹽結(jié)構(gòu)

c.玻璃結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特征：一種原子結(jié)構(gòu)排列近程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序的結(jié)構(gòu)；

價(jià)鍵類型：含有離子鍵和共價(jià)鍵。陶瓷材料

結(jié)構(gòu)：結(jié)晶相+固溶體相+玻璃相+氣孔；

結(jié)晶相是陶瓷最主要的相，其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、數(shù)量和分布決定了陶瓷材料的特性，包括主晶相、次晶相及第三晶相。

氧化物：很多陶瓷中的主要成分和結(jié)晶相，如MgO、Fe2O3，相當(dāng)于由氧離子骨架和填隙得的金屬離子構(gòu)成。非氧化物：金屬碳化物、氮化物、硅化物及硼化物，是一些特種陶瓷中的主要成分和結(jié)晶相，如WC、BN、Si3N4?！駧追N典型的離子晶體的晶體結(jié)構(gòu)

玻璃相：陶瓷材料中原子不規(guī)則排列組成部分，結(jié)構(gòu)類似于玻璃，以長(zhǎng)石熔融液相為主體。積極作用：填充晶體間的空隙，提高材料的致密度；降低燒結(jié)溫度；阻止晶型轉(zhuǎn)變、抑制晶粒長(zhǎng)大。不利因素：陶瓷強(qiáng)度、介電常數(shù)、耐熱性能。

氣相：坯體中各成分在加熱過(guò)程中發(fā)生物理、化學(xué)作用所產(chǎn)生的空隙。不利影響：降低材料的強(qiáng)度，是造成裂紋的根源。應(yīng)用：多孔瓷。

高分子化合物是由大量重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元連接而成。高分子材料的結(jié)構(gòu)包括高分子鏈的結(jié)構(gòu)及聚集態(tài)的結(jié)構(gòu)。a．單體：構(gòu)成高聚物的最基本的組成單元；b．鏈狀結(jié)構(gòu)：許多高分子是由多價(jià)原子彼此以共價(jià)鍵結(jié)合而成的長(zhǎng)鏈狀分子。它可以由一種（均聚物）或多種（共聚物）結(jié)構(gòu)單元組成。熱塑性材料?？煞磸?fù)加工。c．交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)：三維空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。不溶于任何溶劑（僅有一些溶脹），熱固性材料，不能反復(fù)加工使用。d．聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：大分子與大分子之間的相互作用和幾何排列等。是范德華力和氫鍵。包括：非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和晶態(tài)結(jié)構(gòu)?！窀叻肿硬牧系慕Y(jié)構(gòu)

高分子鏈的形態(tài)鏈狀結(jié)構(gòu)：

高分子鏈可以由一種（均聚）或幾種（共聚）結(jié)構(gòu)單元組成，呈現(xiàn)伸展?fàn)?、無(wú)規(guī)線團(tuán)狀、折疊狀、螺旋狀等形式；

這類化合物在合適的溶劑中可以溶脹或溶解，受熱易軟化、流動(dòng)，易加工，彈性和塑性好。支化型結(jié)構(gòu)：

在主鏈的兩側(cè)以共價(jià)鍵連接的支鏈。體型(交聯(lián)、網(wǎng)狀型)結(jié)構(gòu)：

在線型或支化型分子鏈之間以共價(jià)鍵連接,形成空間網(wǎng)狀大分子。這類化合物不溶于任何溶劑，僅會(huì)發(fā)生一些溶脹，受熱時(shí)不會(huì)發(fā)生熔融軟化。具有較好的耐熱性、耐溶劑性和機(jī)械強(qiáng)度，塑型低，脆性大。加工成型在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成前完成，不能那個(gè)反復(fù)加工使用。以上性質(zhì)與其交聯(lián)度關(guān)系密切。支化型交聯(lián)型大分子鏈的柔順性內(nèi)旋轉(zhuǎn)：?jiǎn)捂I以一定角度旋轉(zhuǎn)。內(nèi)旋轉(zhuǎn)使大分子鏈的空間形象（構(gòu)象）變化，這種性質(zhì)稱為大分子鏈的柔順性。

溫度較高柔順性好。在拉力作用下，線型大分子鏈伸展拉直；外力去除后，縮回卷曲狀和線團(tuán)狀，表現(xiàn)為聚合物具有彈性。

影響柔順性的主要因素：(1)主鏈結(jié)構(gòu)全單鍵的分子鏈柔順性好；孤立雙鍵--柔順性增加，含芳雜環(huán)--柔順性降低；(2)取代基特性極性取代基--柔順性降低；體積大--柔順性降低；分布對(duì)稱--柔順性好

高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)大分子之間的相互作用：

高分子鏈中原子之間、鏈節(jié)之間——共價(jià)鍵，稱為主價(jià)力，大小取決于鏈的化學(xué)組成，影響熔點(diǎn)、強(qiáng)度等性質(zhì)；

次價(jià)力，包括范德華力和氫鍵，存在于大分子之間，對(duì)材料的熔點(diǎn)、強(qiáng)度等性質(zhì)也有很大影響，如分子鏈排列規(guī)則時(shí)，分子間作用力明顯，熔點(diǎn)和強(qiáng)度較高。大分子間的幾何排列：

有序排列——晶態(tài)；無(wú)序排列——非晶態(tài)（無(wú)定形）。

共聚型高分子鏈中化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的部分可能形成多種多樣的微區(qū)結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)高分子化合物

玻璃態(tài)、橡膠態(tài)、熔融態(tài)及其他非晶區(qū)

含線型鏈的高分子化合物固化時(shí)粘度大，難以規(guī)則排列；

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物因交聯(lián)導(dǎo)致分子鏈無(wú)法有序排列。晶態(tài)高分子化合物

線型、支鏈型和低交聯(lián)度的網(wǎng)狀高分子化合物可能部分結(jié)晶，存在晶區(qū)和非晶區(qū)，其中結(jié)晶區(qū)具有納米尺度薄片或球粒的特征。每條高分子鏈通常穿過(guò)許多晶區(qū)和非晶區(qū)。

晶區(qū)所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱為結(jié)晶度。結(jié)晶度越大，材料的強(qiáng)度、硬度和剛度越大，耐熱和耐化學(xué)腐蝕性能提高，但彈性、沖擊韌性等鏈運(yùn)動(dòng)相關(guān)性能降低。影響高分子結(jié)晶的因素

內(nèi)在因素：

大分子鏈的結(jié)構(gòu)——結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)整、紙化程度小、側(cè)基體積小、對(duì)稱性高的容易結(jié)晶；

分子間力；

相對(duì)分子質(zhì)量；

外界因素：

溫度；冷卻速度；

溶劑；雜質(zhì)和填料…

復(fù)合材料可定義為由兩種或兩種以上獨(dú)立的物理相組合而成。包括粘結(jié)材料（基體）和粒料，纖維晶須或片狀材料所組成的一種固體產(chǎn)物。復(fù)合材料的組織是具有單一組織所不具備的特征復(fù)相組織?？梢允且粋€(gè)連續(xù)的物理相與一個(gè)分散相的復(fù)合。也可以是兩個(gè)或多個(gè)連續(xù)相與一個(gè)或多個(gè)分散相在兩個(gè)連續(xù)相中復(fù)合的材料。可以組成零維、一維、二維或三維的各類復(fù)合材料?！駨?fù)合材料的結(jié)構(gòu)模式零維(富勒烯)一維(碳納米管）二維(石墨烯)(單層石墨)三維(金剛石）

材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定外界條件下的行為，它是材料微觀結(jié)構(gòu)特征的宏觀反映。

無(wú)機(jī)非金屬材料：是由離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合而成。其性能一般是晶態(tài)或非晶態(tài)的、堅(jiān)硬、耐熱、多數(shù)絕緣。部分有導(dǎo)電性，脆性大，韌性差，但一般都有較好的光學(xué)性能。

金屬材料：由金屬鍵結(jié)合而成。晶態(tài)、延展性好、不透明、高斷裂韌性、電和熱的良導(dǎo)體、一般不透明。

高分子材料：由共價(jià)鍵和范德華力結(jié)合而成。一般是非晶態(tài)（少量區(qū)域晶態(tài)）、較軟、質(zhì)輕、強(qiáng)度較低、中等韌性、易加工，電、熱絕緣。2.3材料的性能金屬材料常溫為固體（Hg除外），熔點(diǎn)一般較高，少數(shù)很低，如堿金屬等；密度一般較大；固有的金屬光澤，純金屬延展性好，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好；空氣中易氧化；合金的性質(zhì)取決于母相金屬的性質(zhì)和合金的組成，一般合金較硬、較脆，延展性變小、導(dǎo)電性也變小。無(wú)機(jī)非金屬材料導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均小，在常溫下多為電的絕緣體，但在高溫下表現(xiàn)出導(dǎo)電性；質(zhì)堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度高，但抗拉強(qiáng)度小，且呈脆性；熔點(diǎn)都較高，耐熱性好，且化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)；

（特例：CaSO4·2H2O在120℃發(fā)生熱解；長(zhǎng)石、石英等氧化硅系統(tǒng)的結(jié)晶質(zhì)礦物在約560℃發(fā)生相變；石灰石900℃熱分解）高分子材料隨聚合度增大，熔融態(tài)的粘度增大，固態(tài)時(shí)的強(qiáng)度增大；可分為熱塑性樹(shù)脂（加熱時(shí)軟化，溫度降低時(shí)凝固，可反復(fù)進(jìn)行）和熱固性樹(shù)脂（加熱時(shí)發(fā)生反應(yīng)固化，且不熔不溶）；具有較高的比強(qiáng)度（強(qiáng)度除以材料的密度所得到的比值）；一般耐水性和耐化學(xué)試劑侵蝕性較優(yōu)良；耐熱性、耐老化性較差，易蠕變，熱膨脹率大；易燃燒，有的會(huì)產(chǎn)生有害氣體。2.3.1化學(xué)性能定義

是指材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力，包括溶蝕性、耐腐蝕性、抗?jié)B入性、抗氧化性等，又稱為材料的化學(xué)穩(wěn)定性。

不同種類材料因?qū)Ω鞣N破壞性因素的響應(yīng)不同，因而表現(xiàn)出不同的化學(xué)穩(wěn)定性。如金屬容易被氧化腐蝕，高分子容易因光照而老化降解。金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性金屬的化學(xué)穩(wěn)定性以金屬對(duì)周圍介質(zhì)侵蝕的抵抗能力來(lái)衡量。不同金屬的化學(xué)穩(wěn)定性有很大差別。金屬的腐蝕是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，從腐蝕原因上可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種。化學(xué)腐蝕是指金屬材料受周圍介質(zhì)作用引起的一種化學(xué)變化。如金屬與SO2等氧化物的反應(yīng)。電化學(xué)腐蝕指金屬與電解質(zhì)接觸時(shí)發(fā)生的一種腐蝕，在腐蝕過(guò)程中，金屬表面會(huì)形成微小的電流。發(fā)生原因在于：當(dāng)兩種金屬材料或者一種金屬材料其內(nèi)部有兩種不同的組成物（不同的相）時(shí)，如果它們同處于一電解質(zhì)中，由于它們各自的電極電位不同，電極電位低的一極形成陰極，電極電位高的一極作陽(yáng)極，二者間便形成微電流。產(chǎn)生的基本條件：必須是兩種不同的金屬、或者含不同化學(xué)成分、金相組織的同一金屬處于電解質(zhì)中，且二者的電極電位值不同。部分金屬表面被氧化后發(fā)生鈍化，這與形成氧化物薄膜的結(jié)構(gòu)致密度和穩(wěn)定性有關(guān)。腐蝕速度可用單位時(shí)間內(nèi)單位面積金屬材料的損失量來(lái)表示，也可用單位時(shí)間內(nèi)金屬材料的腐蝕深度來(lái)表示。工業(yè)上常用6類10級(jí)的耐蝕性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：I類1級(jí)表示完全耐蝕，VI類10級(jí)為不耐蝕。材料的內(nèi)在特征：密度、氣孔率…化學(xué)作用：溶解、溶出、氧化…物理作用：干濕作用、溫度變化、凍結(jié)融化…無(wú)機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性總體上穩(wěn)定性較好，抗腐蝕能力較好。聚四氟乙烯：抗?jié)馑岷蛪A、有機(jī)溶劑、氧化劑，使用溫度范圍寬；聚氯乙烯：管道、閥門(mén)、容器等。原因：共價(jià)鍵鍵能高；分子鏈排列的特殊形態(tài)，反應(yīng)性基團(tuán)基本被固定在材料內(nèi)部；絕緣體，不會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕；通常含氯、氟的高分子的耐腐蝕性較強(qiáng)。高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性高分子老化

由于受各種因素（光、熱、高能輻射、氧化、氣候、生物降解等）的作用，高聚物性能隨時(shí)間不斷惡化，逐漸喪失原有性能和使用價(jià)值的過(guò)程。表現(xiàn)為：橡膠變脆，龜裂或變軟，發(fā)粘；塑料退色，失去光澤和開(kāi)裂。高分子老化是不可逆的。老化結(jié)果：交聯(lián)度增加——材料變脆、喪失彈性；高分子鏈降解，聚合度減少——材料變軟、變粘、機(jī)械強(qiáng)度降低等。材料的力學(xué)（機(jī)械）性能，即是指材料在外力（載荷）作用時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的變形行為及其抵抗破壞的能力。

如強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度、彈性與剛性等。2.3.2力學(xué)性能載荷的形式

強(qiáng)度

材料在載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的最大能力.缺陷少、鍵合強(qiáng)度大，則材料強(qiáng)度高。測(cè)試結(jié)果受晶格錯(cuò)亂、氣孔、殘余應(yīng)力等因素影響往往有較大離散性。

材料的拉伸強(qiáng)度用靜態(tài)拉伸試驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果與材料類型、拉伸速度有關(guān)。

金屬材料拉伸強(qiáng)度較高。(a)原始試樣

（b)拉伸后試樣

圓形拉伸試樣塑性

材料在載荷作用下斷裂前產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性。材料拉伸時(shí)延伸率較大，代表材料的塑性越好。陶瓷材料的塑性最差。彈性

材料在載荷作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)載荷除去后能恢復(fù)原狀的能力。剛度指材料在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。

硬度

指材料抵抗另一硬物體壓入其表面的能力，即材料受壓時(shí)抵抗局部塑性變形的能力。布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度。

化學(xué)鍵較強(qiáng)時(shí)，材料的硬度一般都高。對(duì)于一價(jià)的鍵，硬度：共價(jià)鍵≥離子鍵＞金屬鍵＞氫鍵＞范德華鍵。離子晶體的硬度由離子鍵強(qiáng)決定。金屬的原子結(jié)構(gòu)對(duì)其硬度影響明顯。布氏硬度(HB)

：一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球在一定載荷作用下壓入試樣表面，測(cè)量壓痕直徑,計(jì)算硬度值。布氏硬度計(jì)的使用洛氏硬度(HR):

采用金剛石壓頭(或鋼球壓頭)，硬度直接從硬度計(jì)表盤(pán)上讀得,根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小洛氏硬度常用表示方式有

HRA、HRB、HRC.洛氏硬度計(jì)的使用韌性

是指材料抵抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力。度量的指標(biāo)包括：沖擊韌性：是用材料受沖擊而斷裂的過(guò)程所吸收的沖擊功的大小來(lái)表征材料的韌性，可用于評(píng)價(jià)高分子材料的韌性；斷裂韌性：常用材料裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值來(lái)表征材料的韌性，表示材料阻抗斷裂的能力。橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時(shí)會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷，原因在于構(gòu)件或零件存在裂紋，裂紋在應(yīng)力作用下失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件破斷。熱容

1mol物質(zhì)溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量（即摩爾熱容），包括定容熱容和定壓熱容，常溫下二者數(shù)值上接近。熱膨脹

用線膨脹系數(shù)（或體積膨脹系數(shù)）來(lái)表示，指溫度變化時(shí)材料單位長(zhǎng)度（單位體積）的變化量。

膨脹系數(shù)與材料的鍵合作用方式、溫度有關(guān)；通常，膨脹系數(shù)大小順序：

高分子材料>金屬材料>陶瓷。2.3.3熱學(xué)性能熱傳導(dǎo)

處于較高溫度下熱振動(dòng)狀態(tài)的質(zhì)點(diǎn)，將外部能量以更大的熱振動(dòng)方式引起鄰接質(zhì)點(diǎn)的熱振動(dòng)狀態(tài)升高，將熱振動(dòng)狀態(tài)高的波峰以質(zhì)點(diǎn)為媒介向低溫方向傳遞和移動(dòng)的現(xiàn)象，是由于溫差而發(fā)生的能量遷移。熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）：表示材料導(dǎo)熱能力的常數(shù)，其單位為W·m-1·K-1，即單位時(shí)間內(nèi)在1K溫差的1m3或1cm3正方體的一個(gè)面向其所對(duì)的另一個(gè)面流過(guò)的熱量。傳導(dǎo)機(jī)制：金屬材料的熱傳導(dǎo)——自由電子的傳導(dǎo)，溫度升高和雜質(zhì)會(huì)影響傳導(dǎo)。

無(wú)機(jī)非金屬材料的熱傳導(dǎo)——晶格振動(dòng)的傳導(dǎo)，在晶體中以熱彈波的形式傳導(dǎo)，玻璃體的熱導(dǎo)率比晶體小。

高分子材料的熱傳導(dǎo)——分子或鏈段的傳導(dǎo)，以其振動(dòng)波及鄰近分子激勵(lì)的形式進(jìn)行。耐熱性

可以用材料的熔點(diǎn)Tm反映。分子間作用力大，熔點(diǎn)高；柔性大，熔點(diǎn)低。導(dǎo)電性能

電阻率ρ（Ω·m）：與單位體積載流子（電子、空穴、正（負(fù)）離子）數(shù)目、載流子的電荷量和遷移率有關(guān)，其中遷移率取決于原子結(jié)合類型、晶體缺陷、摻雜劑類型和離子在離子化合物中的擴(kuò)散速率。

用電阻率或電導(dǎo)率表示：R=ρ(L/S),σ=1/ρ根據(jù)電阻率ρ的大小，將材料可分為超導(dǎo)體(ρ=0)、導(dǎo)體（ρ=10-8～10-5）、半導(dǎo)體（ρ=10-5～107）和絕緣體（ρ=107～1020）金屬的電導(dǎo)率隨溫度的升高而降低，通常雜質(zhì)原子使純金屬的電導(dǎo)率下降;半導(dǎo)體、絕緣體、離子導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加。雜質(zhì)原子常常會(huì)使陶瓷的電導(dǎo)率增大。2.3.4電學(xué)性能半導(dǎo)體的導(dǎo)電

價(jià)帶電子受激后躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶留下空穴，電流通過(guò)電子和空穴的運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，其中空穴起著正電子的作用。

材料的電導(dǎo)率取決于電子-空穴對(duì)的數(shù)量和溫度的這類材料稱為本征半導(dǎo)體。另一類所謂的非本征半導(dǎo)體指的是通過(guò)加入雜質(zhì)即摻雜劑而制備的半導(dǎo)體，雜質(zhì)的多少?zèng)Q定了電荷載流子的數(shù)量。超導(dǎo)性

當(dāng)溫度一旦低于超導(dǎo)體材料的某一特征溫度（臨界溫度）時(shí)，其電阻率就躍變?yōu)榱?。臨界溫度依賴于作用于導(dǎo)體的磁場(chǎng)強(qiáng)度。ResistanceofMercuryOnnes(1911)ResistanceTemperatureNormalMetalMercury4K

如果將這種導(dǎo)線做成閉合電路，電流就可以永無(wú)休止地流動(dòng)下去。確實(shí)也有人做了：將一個(gè)鉛環(huán)冷卻到7.25K以下，用磁鐵在鉛環(huán)中感應(yīng)出幾百安培的電流，從1954年3月16日直到1956年9月5日，鉛環(huán)中的電流不停流動(dòng)，數(shù)值也沒(méi)有變化。MeissnerEffect(1933)

1933年邁斯納和奧克森費(fèi)爾特發(fā)現(xiàn)：超導(dǎo)態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H總為零，即具有完全抗磁性，這種現(xiàn)象就是邁斯納效應(yīng)。這是因?yàn)橥獯艌?chǎng)的磁化使超導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在超導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好和外磁場(chǎng)相抵消，導(dǎo)致超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零。邁斯納效應(yīng)

零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性是超導(dǎo)體兩個(gè)最基本、互相獨(dú)立的特性。

超導(dǎo)體的應(yīng)用

輸電線路我國(guó)目前約有15％的電能損耗在輸電線路上，超導(dǎo)輸電電纜比普通的地下電纜容量大25倍，可以傳輸幾萬(wàn)安培的電流，電能消耗僅為所輸送電能的萬(wàn)分之幾。磁懸浮列車

永磁體懸浮磁懸浮列車工作原理

磁懸浮列車?yán)谩巴瑯O相斥，異極相吸”的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約1厘米處，騰空行駛，創(chuàng)造了近乎“零高度”空間飛行的奇跡。

由于磁鐵有同性相斥和異性相吸兩種形式，故磁懸浮列車也有兩種相應(yīng)的形式：一種是利用磁鐵同性相斥原理而設(shè)計(jì)的電磁運(yùn)行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它利用車上超導(dǎo)體電磁鐵形成的磁場(chǎng)與軌道上線圈形成的磁場(chǎng)之間所產(chǎn)生的相斥力，使車體懸浮運(yùn)行的鐵路；另一種則是利用磁鐵異性相吸原理而設(shè)計(jì)的電動(dòng)力運(yùn)行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它是在車體底部及兩側(cè)倒轉(zhuǎn)向上的頂部安裝磁鐵，在T形導(dǎo)軌的上方和伸臂部分下方分別設(shè)反作用板和感應(yīng)鋼板，控制電磁鐵的電流，使電磁鐵和導(dǎo)軌間保持10—15毫米的間隙，并使導(dǎo)軌鋼板的排斥力與車輛的重力平衡，從而使車體懸浮于車道的導(dǎo)軌面上運(yùn)行。介電性能

包括介電常數(shù)、介電損耗、節(jié)電強(qiáng)度等。

在外電場(chǎng)作用下，不導(dǎo)電的物體，即電介質(zhì)，在緊靠帶電體的一端會(huì)出現(xiàn)異號(hào)的過(guò)剩電荷，另一端則出現(xiàn)同號(hào)的過(guò)剩電荷，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。如果將某一均勻的電介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)而置于其兩極之間，則由于電介質(zhì)的極化，將使電容器的電容量比真空為介質(zhì)時(shí)的電容量增加若干倍。物體的這一性質(zhì)稱為介電性，其使電容量增加的倍數(shù)即為該物體的介電常數(shù)，用以表示物體介電性的大小。

電容器的電容和電容器極板間材料和器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。介電強(qiáng)度是板極之間可以維持的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。為了制造在強(qiáng)電場(chǎng)中儲(chǔ)存大量電荷而且尺寸小的電容器，必須選用具有高介電常數(shù)和高介電強(qiáng)度的材料。介電損耗

是指電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中,由于消耗部分電能而使電介質(zhì)本身發(fā)熱的現(xiàn)象。是表示絕緣材料（如絕緣油料）質(zhì)量的指標(biāo)之一，介電損耗愈小，絕緣材料的質(zhì)量愈好，絕緣性能也愈好。

壓電性

由于形變而產(chǎn)生的電效應(yīng)（機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象）稱壓電效應(yīng)。對(duì)材料施加一電場(chǎng)而產(chǎn)生形變，稱逆壓電效應(yīng)。

材料的壓電性取決于晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，材料需有極軸（不對(duì)稱或無(wú)對(duì)稱中心）且為絕緣體，具有各向異性的結(jié)構(gòu)。如BaTiO3、a-石英

、聚偏二氟乙烯等。

壓電效應(yīng)的大小用壓電常數(shù)來(lái)表示。壓電材料用于點(diǎn)火裝置、擴(kuò)音器、振動(dòng)計(jì)、超聲波器件等。一百多年前，壓電現(xiàn)象理論最早是李普曼(Lippmann)在研究熱力學(xué)原理時(shí)就已發(fā)現(xiàn)，居里兄弟皮爾(P·Curie)與杰克斯(J·Curie)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)(piezoelectriceffect)及幾類壓電材料，福克特(W.Voigt)提出晶體結(jié)構(gòu)與壓電性的關(guān)系。一戰(zhàn)時(shí)，盟軍軍艦受到德國(guó)潛艇的攻擊大量受損，因?yàn)殡姶挪o(wú)法有效穿透海水，而聲波則能容易地在海里行進(jìn)，為了尋找有效偵測(cè)潛艇的方法，藍(lán)杰文(P.Langevin)發(fā)展出利用石英壓晶體管作為聲波產(chǎn)生器。石英兩面各貼一鋼片，使其振蕩頻率降到50KHz，外加一電脈波訊號(hào)，則經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成聲波傳至海底；過(guò)一段時(shí)間后，換能器接收到由海底反射之回波，由來(lái)回時(shí)間及波在海中行進(jìn)的速度，可決定換能器到海底的距離。這個(gè)原理同樣可測(cè)潛艇的位置。聲納系統(tǒng)壓電效應(yīng)的歷史及應(yīng)用哈佛大學(xué)的皮爾士教授（G.W.Pierce）用石英晶體制作超聲波干涉儀；1927年，伍德（R.W.Wood）與魯密斯（A.L.Loomis）首先使用高功率超聲波。使用藍(lán)杰文型的石英換能器配合高功率真空管，在液體中產(chǎn)生高能量，使液體引起所謂的空腔（cavitation）現(xiàn)象；石英晶體并不是很好的換能器材料，但是它的振蕩頻率卻不隨溫度而變，亦即所謂的具有低的溫度系數(shù)。這種頻率對(duì)溫度的高穩(wěn)定性，用在控制振蕩器的頻率，及某些濾波器上最有用。1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英當(dāng)作頻率控制器.在第二次世界大戰(zhàn)中，大約使用了一千萬(wàn)個(gè)晶體振蕩器，用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機(jī)之間的通訊.（石英電子表中的核心部件——石英振子）石英晶體構(gòu)成的濾波器常用在有線通訊系統(tǒng)、微波通訊系統(tǒng)等。

鐵電性

介電常數(shù)大的物質(zhì)，如BaTiO3，當(dāng)電場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，極化程度開(kāi)始增大，接著突然增大，在電場(chǎng)強(qiáng)度很大時(shí)增加的速度又減小而趨向于極限。除去電場(chǎng)后剩余一部分極化狀態(tài)，必須加上相反的電場(chǎng)才能完全消除極化狀態(tài)，即出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。與鐵磁體類似，因而稱為鐵電性。在較強(qiáng)的交變電場(chǎng)作用下，鐵電體的極化強(qiáng)度P隨外電場(chǎng)呈非線性變化,而且在一定的溫度范圍內(nèi)，P表現(xiàn)為電場(chǎng)E的雙值函數(shù)，呈現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，這個(gè)P—E回線就稱為電滯回線

2.3.4電性能2.3.4電性能2.3.5光學(xué)性能光的透過(guò)、吸收和反射

折射率n是光波在物體中的傳輸速度v與在真空中的速度v0的比值。反射率R

金屬：不透明、高反射率。吸收——電子被光激發(fā)到空的高能級(jí)；

反射——激發(fā)態(tài)電子退激、釋放能量產(chǎn)生光線。

高分子：大部分（非晶態(tài)、晶粒較小的晶態(tài)）透光性好；晶粒尺寸較大時(shí)，對(duì)光散射較強(qiáng)，不透明呈白色，如尼龍。

無(wú)機(jī)非金屬：能帶寬、可見(jiàn)光不能激發(fā)電子時(shí)，透明，如玻璃；降低晶粒尺寸有助于陶瓷透明。熒光性

物質(zhì)在吸收光能或電能后，通過(guò)電子躍遷和退激再釋放出光的現(xiàn)象。一些半導(dǎo)體、陶瓷、導(dǎo)電聚合物等材料可以發(fā)出熒光。非線性光學(xué)性能

事實(shí)上，介質(zhì)在光場(chǎng)中極化時(shí)，極化強(qiáng)度P并不與

光波電場(chǎng)E成正比,尤其當(dāng)光強(qiáng)較大時(shí)更是如此,這時(shí)稱

介質(zhì)產(chǎn)生了非線性極化。2.3.5光學(xué)性能物質(zhì)的磁性來(lái)源于原子的磁矩

原子磁矩原子核磁矩電子磁矩物質(zhì)磁矩一般不等同于孤立原子的磁矩。原子核磁矩電子磁矩量子力學(xué)的分析：

在填滿電子的殼層中，總軌道磁矩和總自旋磁矩均為零；軌道磁矩自旋磁矩

矢量和電子磁矩2.3.6磁學(xué)性能磁疇：物質(zhì)中所包含的許多自發(fā)磁化的小區(qū)域，相當(dāng)于一個(gè)小磁針。磁場(chǎng)強(qiáng)度H：描述空間某一點(diǎn)磁場(chǎng)的大小和方向，用H表示。磁化強(qiáng)度M：指磁體內(nèi)部單位體積的磁矩矢量和，反映出磁體的磁性強(qiáng)弱程度。磁感應(yīng)強(qiáng)度B：B=m0(H+M)，其中m0是一個(gè)系數(shù)，叫做真空磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率m：導(dǎo)磁率實(shí)際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說(shuō)是材料對(duì)外部磁場(chǎng)的靈敏程度。磁導(dǎo)率的定義是m=B/m0H，是磁化曲線上任意一點(diǎn)上B和H的比值。2.3.6磁學(xué)性能

物質(zhì)磁性可分為：

抗磁性：使磁場(chǎng)減弱；

順磁性：使磁場(chǎng)略有增強(qiáng)；鐵磁性及亞鐵磁性：使磁場(chǎng)強(qiáng)烈增強(qiáng)。材料的磁性取決于電子的自旋磁矩以及軌道的運(yùn)動(dòng)磁矩，用磁導(dǎo)率或磁化率表示?？勾判允悄承┎牧戏湃氪艌?chǎng)內(nèi)，沿磁場(chǎng)的反方向被磁場(chǎng)微弱磁化，當(dāng)撤去外磁場(chǎng)后，磁化呈可逆消失的現(xiàn)象；順磁性材料放入磁場(chǎng)內(nèi)，沿磁場(chǎng)的方向被磁場(chǎng)微弱磁化，而當(dāng)撤去外磁場(chǎng)后，磁化可逆消失的性質(zhì)。順磁性物質(zhì)不能被磁場(chǎng)吸引；

2.3.6磁學(xué)性能

鐵磁性是一種材料的磁導(dǎo)率非常大，能沿磁場(chǎng)方向被強(qiáng)烈磁化的性質(zhì)，這是因?yàn)殍F磁質(zhì)放入到磁場(chǎng)時(shí)，磁矩平行于磁場(chǎng)方向排列，形成了自發(fā)磁化。鐵磁性物質(zhì)又分硬磁性物質(zhì)、軟磁性物質(zhì)。亞鐵磁性是一種材料中部分陽(yáng)離子的原子磁矩與磁場(chǎng)反向平行，而另一部分則平行取向所致的磁性行為，亞鐵磁性常出現(xiàn)在一些氧化物材料，特別是鐵氧體。MOFe2O3、MFe12O19等。2.3.6磁學(xué)性能2.3.6磁學(xué)性能

材料的制備方法主要涉及到原料的選用與合成和制備工藝流程與方法兩方面的內(nèi)容。另外，選用合適的設(shè)備，也是制備優(yōu)良材料的關(guān)鍵之一。2.4材料的制備方法

原材料的選用與合成是材料制備的一個(gè)重要環(huán)節(jié).

原材料包括天然材料和化工原料。天然材料：天然礦物巖石與動(dòng)植物原料化工原料（人工合成原料）：采用化學(xué)或物理方法將天然原料加工，又分為無(wú)機(jī)化工原料和有機(jī)化工原料。在選擇原料時(shí)，除了考慮化學(xué)組成，純度，顆粒度等主要因素外，成本也必須考慮。天然原料雜質(zhì)較多，但價(jià)格低；人工合成原料純度較高，但價(jià)格也高。2.4.1原料的選用與合成

金屬礦：如鐵礦石、鋁土礦、方鉛礦、黃銅礦等。天然硅酸鹽礦物：石英砂、砂巖、石灰石、長(zhǎng)石、粘土等。合成高分子化合物的基本原料：石油、天然氣，煤，化石以及某些農(nóng)副產(chǎn)品等。

●天然礦物原料★礦石的開(kāi)采和還原

礦物是指地殼中的化學(xué)元素，經(jīng)過(guò)各種地質(zhì)作用形成的，并在一定條件下相對(duì)穩(wěn)定的單質(zhì)或化合物。是組成礦石和巖石的基本單元。

選礦方法有：

重選法、浮選法、磁選法。

●天然礦物原料重選法：根據(jù)礦物密度的不同，在水、空氣或密度大于水的懸浮液等介質(zhì)中具有不同的沉降速度進(jìn)行分選的方法，是目前最重要的選礦方法之一，廣泛應(yīng)用于選別含金、鎢、錫的礦石；特點(diǎn)：具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、選礦成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。浮選法：浮游選礦的簡(jiǎn)稱，現(xiàn)代工業(yè)上廣為應(yīng)用的是泡沫浮選法，依據(jù)不同的礦物表面具有不同的潤(rùn)濕性（即疏水性和親水性），使粉碎后的礦石卷入由有機(jī)溶液與空氣形成的泡沫中，然后令其沉降。此類液體對(duì)含金屬的礦物的潤(rùn)濕性一般較差，因此含金屬的礦物將懸置于氣泡中并富集于泡沫區(qū)，而液體對(duì)脈石（如石英顆粒）有良好的潤(rùn)濕性，將使其沉降到槽底。特點(diǎn)：應(yīng)用廣泛，分選效果好，效率高，成本較高，廢水污染環(huán)境。磁選法：分選黑色金屬礦石，特別是磁鐵礦和錳礦石的主要選礦方法，也比較廣泛應(yīng)用在稀有金屬礦石的選礦。對(duì)于磁性大小不同的礦物，強(qiáng)磁性礦物（如磁鐵礦、鈦磁鐵礦）、弱磁性礦物（如赤鐵礦、褐鐵礦、鈦鐵礦、水錳礦）和非磁鐵性礦物（如方解石、石英黃鐵礦），可用磁場(chǎng)強(qiáng)度不同的磁選機(jī)，如弱磁場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)和中磁場(chǎng)磁選機(jī)。

可當(dāng)材料使用的天然礦物：石棉（不可燃的天然纖維）云母和頁(yè)巖（可撕成薄片），天然巖石（砂巖、花崗巖、大理石等），藍(lán)寶石，紅寶石和金剛石等。

天然材料：木材，天然橡膠，天然纖維等?！裉烊坏V物原料

粘土類：主要成分是SiO2、Al2O3及H2O，還含有Na2O、K2O、CaO、MgO及有色氧化物Fe2O3、TiO2等。

石英類：主要成分是SiO2，少量雜質(zhì)，主要形態(tài)有水晶

（最純）、脈石英、砂巖、石英砂、硅藻土、燧

石、硅石等。

長(zhǎng)石類：主要是不含水的堿金屬和ⅡA的鋁硅酸鹽。鉀長(zhǎng)

石，鈣長(zhǎng)石，鈉長(zhǎng)石，鋇長(zhǎng)石等。

碳酸鹽類：白云石、方解石、菱鎂石、石灰石、硅質(zhì)、灰

巖、白堊和貝殼等。

其他原料：滑石、蛇紋石、硅灰石、透輝石、透閃石、骨

灰、磷灰石和螢石等?！窆杷猁}礦物原料

常見(jiàn)的工業(yè)廢渣有：粉煤灰，石煤，爐渣，鋁渣，電石渣，糖濾泥，磷礦渣，螢石礦渣，碎玻璃及其它。●工業(yè)廢渣的利用（1）氧化物原料

單一氧化物和復(fù)合氧化物（2）非氧化物原料

類金屬難熔化合物、非金屬難熔化合物和金屬互化物.（3）其它化工原料：碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、鹵化物、硫化物等。●無(wú)機(jī)合成原料

氧化鋁:氧化物精細(xì)陶瓷的代表性原料之一，具有一系列優(yōu)良

性能，也是高溫耐火材料、磨料、磨具、激光材料及氧化鋁寶石等的重要原料，包含普通氧化鋁、低鈉氧化鋁、易燒結(jié)氧化鋁、高純氧化鋁、燒結(jié)氧化鋁和電熔氧化鋁等。氧化鈦：俗稱鈦白粉，細(xì)分散的白色到微黃色粉末，有三種不同的晶型，即板鈦礦、銳鈦礦和金紅石，是制造鈦酸鋇電容器陶瓷、熱敏陶瓷和壓電陶瓷等電子材料的重要原料。純度為95%的也廣泛用作為涂料、印刷油墨、橡膠、紙張等的顏料。氧化鈦制備氧化鈦通常用天然鈦鐵礦（FeO·TiO2），經(jīng)化學(xué)方法處理制得，制備方法有硫酸法、氯化法、熔融法和還原法等。鈦酸鹽：主要有鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鈣、和鈦酸鉛等，BaTiO3是壓電、鐵電陶瓷的重要原料，電容器陶瓷一般使用鈦酸鋇居多。氧化物原料

大多為難熔化合物，作為原料用來(lái)制造非氧化物陶瓷。主要有三類：①類金屬難熔化合物，金屬與非金屬結(jié)合的化合物，如碳化物、氮化物、硼化物等。普遍熔點(diǎn)高，硬度高，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，很高的導(dǎo)電性和傳熱性，甚至有的在真空中或在電場(chǎng)和熱的作用下有發(fā)射電子的能力，某些還具有半導(dǎo)體性質(zhì)。②非金屬難熔化合物，即非金屬與非金屬結(jié)合的化合物，如SiC、BN等和其他多組元化合物等。具有半導(dǎo)體性，室溫下有高的電阻及非常高的化學(xué)穩(wěn)定性。③金屬間互相結(jié)合的金屬互化物如，Al、Be等系統(tǒng)的金屬互化物，鈷-鉻-鎢系統(tǒng)的互化物。非氧化原料

碳化物

很高的熔點(diǎn)（軟化點(diǎn)普遍在3000℃以上，TaC和HfC分別為3880℃和3890℃）、良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、高硬度，如B4C是僅次于金剛石的最硬材料，其粉末可直接用來(lái)研磨加工硬質(zhì)陶瓷、寶石、鑄模、車刀、軸承等，也可以做成制品作為人工研磨工具。

高抗氧化能力，所有碳化物在高溫下都會(huì)氧化，但抗氧化性比高熔點(diǎn)金屬要強(qiáng)一些，大多數(shù)碳化物都比碳和石墨具有較高的抗氧化能力；

良好的化學(xué)穩(wěn)定性，許多碳化物在常溫下不與酸反應(yīng)，個(gè)別金屬碳化物即使在加熱時(shí)也不與酸作用，最穩(wěn)定的碳化物甚至不受硝酸與氫氟酸混合酸的強(qiáng)烈侵蝕。制備方法：化合法（金屬與炭在加熱時(shí)直接化合）還原化合法（金屬氧化物與炭通過(guò)氣象反應(yīng)得到）氣相沉積法（氣態(tài)金屬鹵化物、碳?xì)浠锛皻涞姆磻?yīng)）

熔點(diǎn)高、硬度高、密度小、熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小。

氮化硼B(yǎng)N：可用作削切工具，各種熔融體的加工材料，軸承材料，飛行器構(gòu)件的材料。

氮化硅Si3N4：可用作燃?xì)鉁u輪葉片、導(dǎo)彈的尾噴管材料，坩堝、熱電偶保護(hù)管、爐材、金屬熔煉爐或熱處理的內(nèi)襯材料；其薄膜作為電絕緣體和介電體可用于集成電路工業(yè)；在原子能工業(yè)不僅用來(lái)作為高溫反應(yīng)堆中的支承體與隔離體，而且可作為中子吸收劑的載體。

制備方法：化合法（金屬粉與氮?dú)庠?00-1300℃時(shí)直接化合）

還原化合法（金屬氧化物與炭等還原并同時(shí)氮化還原）

化學(xué)氣相沉積法（鹵（氯）化物蒸氣與氫、氮反應(yīng)）氮化物（1）天然纖維：植物纖維、動(dòng)物纖維、礦物纖維（2）天然樹(shù)脂：由植物或動(dòng)物的分泌物再加工而成，包括松香、蟲(chóng)膠、火漆、琥珀等。（3）天然橡膠：異戊二烯聚合物（4）生物膠

植物膠：阿拉伯樹(shù)膠、山達(dá)膠、桃膠、淀粉等；動(dòng)物膠：蟲(chóng)膠、魚(yú)膠、蛋白質(zhì)、明膠等。●天然高分子化合物

合成高分子化合物主要指合成樹(shù)脂、合成橡膠和合成纖維三大類，還包括粘合劑、涂料及功能性高分子。高分子材料的單體可以從煤、石油、天然氣和農(nóng)副產(chǎn)品中制取。塑料的原料是合成樹(shù)脂和助劑。助劑包括穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、著色劑、增塑劑、填料以及防靜電劑、抗老化劑和防霉劑等。合成橡膠制品的原料是合成橡膠和助劑。助劑包括補(bǔ)強(qiáng)劑、填充劑、硫化劑、硫化促進(jìn)劑、助促進(jìn)劑、防老化劑、軟化劑和著色劑等。合成纖維制品的原料是合成纖維和助劑。助劑包括消光劑、防靜電劑和溶劑等。●有機(jī)合成原料●有機(jī)合成原料

合成高分子化合物的主要原料叫單體。A．石油化工路線

石腦油裂解生成芳烴、低碳烴和裂解汽油等

以石油合成的基本有機(jī)原料為基礎(chǔ)合成的單體和高分子化合物（1）生產(chǎn)單體的原料路線

合成高分子化合物的主要原料叫單體。A．石油化工路線（a)石腦油裂解生成芳烴、低碳烴和裂解汽油等

以石油裂解的基本有機(jī)原料為基礎(chǔ)合成的單體和高分子化合物（1）生產(chǎn)單體的原料路線（1）生產(chǎn)單體的原料路線（1）生產(chǎn)單體的原料路線(b)以石油合成的基本有機(jī)原料（乙烯、丙烯、丁二烯等）為基礎(chǔ)合成的單體和高分子化合物B．煤炭原料路線

煤通過(guò)干餾得到煤氣、焦碳和煤焦油（1）生產(chǎn)單體的原料路線C．其它原料路線

從植物和農(nóng)副產(chǎn)品中得到合成高分子的單體原料a淀粉、b糠醛、c糠醇、d木糖和木糖醇、e羧甲基纖維素、f人造棉、g甲殼素和殼聚糖、（1）生產(chǎn)單體的原料路線①加聚反應(yīng)：自由基型(活性中心為自由基)和離子型聚合。

單體通過(guò)加成聚合反應(yīng)形成的產(chǎn)物稱為加聚物。A．加聚反應(yīng)的原理：鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移.B．加聚反應(yīng)的分類：均聚和共聚C．加聚反應(yīng)的特點(diǎn)a.加聚反應(yīng)的單體一般都具有不飽和結(jié)構(gòu)或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

b.加聚反應(yīng)屬于連鎖反應(yīng)，生成的高分子的相對(duì)分子量與時(shí)間無(wú)關(guān)，單體的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間而增加。

c.高聚物的鏈節(jié)與單體具有相同的化學(xué)組成。

d.加聚反應(yīng)過(guò)程中無(wú)小分子副產(chǎn)物生成。（2）高分子化合物的合成②縮聚反應(yīng)(縮合聚合反應(yīng))：由具有兩個(gè)以上官能團(tuán)的低分子化合物聚合成高分子化合物，同時(shí)析出小分子物質(zhì)A．分類：均縮聚、混縮聚和共縮聚。a.均縮聚：含兩種及以上官能團(tuán)的一種單體進(jìn)行的縮聚反應(yīng)。b.混縮聚：又叫雜縮聚。兩種不同單體分子間的縮聚反應(yīng)。c.共縮聚：在均縮聚或混縮聚中加入其它種類的單體。B．特點(diǎn)：a.單體含兩個(gè)以上的官能團(tuán)。b.可逆逐步反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率與時(shí)間無(wú)關(guān)，M與t有關(guān)。c.鏈節(jié)的化學(xué)組成與單體的不相同。d.伴有小分子副產(chǎn)物析出。（2）高分子化合物的合成（一）氣相法(物理氣相法、化學(xué)氣相法)（1）物理氣相沉積法（PVD）：利用電弧、高壓電場(chǎng)或等離子體等高溫源將物料加熱到高溫使之氣化或形成等離子體，然后通過(guò)驟冷，使之凝聚成各種形態(tài)的材料

PVD法包括三個(gè)步驟：a.蒸發(fā)、升華或用陰極濺射等方法產(chǎn)生蒸氣；b.減小大氣壓強(qiáng)而使之氣化，材料從供給源轉(zhuǎn)移到襯底；c.凝結(jié)發(fā)生在襯底上，通過(guò)異相成核作用和膜生長(zhǎng)形成一種沉積膜。PVD法制備單一氧化物、復(fù)合氧化物、碳化物，特別適用于用液相法或固相法難以直接合成的非氧化物系列(合金、氮化物、碳化物等)的超細(xì)粉。2.4.2制造工藝過(guò)程及方法2.4.2制造工藝過(guò)程及方法2.4.2制造工藝過(guò)程及方法（2）化學(xué)氣相沉積法（CVD）：利用氣相反應(yīng)制備材料的重要合成方法。①CVD原理：涉及反應(yīng)化學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)移機(jī)理、膜生長(zhǎng)現(xiàn)象和反應(yīng)工程。反應(yīng)類型：a.熱分解反應(yīng)：制備外延生長(zhǎng)薄膜、多晶硅薄膜等；b.化學(xué)合成反應(yīng)：兩種或兩種以上氣體之間的相互反應(yīng)。②CVD的工藝流程與設(shè)備③影響CVD的參數(shù)：反應(yīng)體系成分、氣體的組成、壓力和溫度等。2.4.2制造工藝過(guò)程及方法④CVD法的特點(diǎn)：合成溫度低（低于材料熔點(diǎn)）、組分可調(diào)、控制晶體結(jié)構(gòu)沿特定方向排列、控制材料的形態(tài)、不需燒結(jié)助劑、合成高純高密度材料、控制晶粒大小（最小可達(dá)0.1nm）；制備復(fù)雜形狀品、進(jìn)行多層涂覆、合成亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)和新材料。2.4.2制造工藝過(guò)程及方法用于化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)類型大體包括：簡(jiǎn)單熱分解和復(fù)雜熱分解反應(yīng)沉積氧化還原反應(yīng)沉積其它合成反應(yīng)沉積化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)沉積其它能源增強(qiáng)的反應(yīng)沉積2.4.2制造工藝過(guò)程及方法歷史：

古人類取暖或燒烤時(shí)熏在巖洞壁或巖石上的黑色碳層.→中國(guó)古代煉丹術(shù)中的“升煉”（最早的記載）?！?0世紀(jì)50年代現(xiàn)代CVD技術(shù)用于刀具涂層（碳化鎢為基材經(jīng)CVD氧化鋁、碳化鈦、氮化鈦處理）→20世紀(jì)60、70年代半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)、超純多晶硅（9個(gè)9）?！?990年以來(lái)我國(guó)在激活低壓CVD金剛石生長(zhǎng)熱力學(xué)方面，根據(jù)非平衡熱力學(xué)原理，開(kāi)拓了非平衡定態(tài)相圖及其計(jì)算的新領(lǐng)域，第一次真正從理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)比上定量化地證實(shí)逆自發(fā)方向的反應(yīng)可以通過(guò)熱力學(xué)反應(yīng)耦合依靠另一個(gè)自發(fā)反應(yīng)提供的能量控動(dòng)來(lái)完成。2.4.2制造工藝過(guò)程及方法

“升煉銀朱，用石亭脂二斤，新鍋內(nèi)熔化。次下水銀一斤，炒作青砂頭，炒不見(jiàn)星，研末，罐盛。石板蓋住，鐵線縛定，鹽泥固濟(jì)，大火鍛之，待冷取出。貼罐者為銀朱，貼口者為丹砂?！薄侗静菥V目》引自《丹藥秘訣》銀朱：乃硫黃同汞升煉而成HgS

（火力猛，煉時(shí)較短，含Hg雜質(zhì)）。石亭脂:顏色發(fā)紅的硫磺；丹砂：HgS（火力緩，煉時(shí)較長(zhǎng)，比銀朱純，幾乎不含Hg雜質(zhì)）

2.4.2制造工藝過(guò)程及方法簡(jiǎn)單熱分解和熱分解反應(yīng)沉積

最簡(jiǎn)單的沉積反應(yīng)是化合物的熱分解。熱解法一般在簡(jiǎn)單的單溫區(qū)爐中，于真空或惰性氣氛下加熱襯底至所需溫度后，導(dǎo)入反應(yīng)劑氣體使之發(fā)生熱分解，最后在襯底上淀積出固體材料層。

這類反應(yīng)體系的主要問(wèn)題是源物質(zhì)和熱解溫度的選擇。在選擇源物質(zhì)時(shí)，既要考慮其蒸氣壓與溫度的關(guān)系，又要特別注意在不同熱解溫度下的分解產(chǎn)物，保證固相僅僅為所需要的淀積物質(zhì)，而沒(méi)有其它夾雜物。比如，用金屬有機(jī)化合物淀積半導(dǎo)體材料時(shí)，就不應(yīng)夾雜碳的淀積。氫化物