版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡(jiǎn)介
材料概論各種材料(金屬、高分子和無機(jī)非金屬)不論其形狀大小如何,其宏觀性能都是由其化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)決定的。材料的性能與化學(xué)組成、工藝、結(jié)構(gòu)的關(guān)系如下:
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能
2.1材料的組成
2.2材料的結(jié)構(gòu)
2.3材料的性能只有從不同的微觀層次上正確地了解材料的組成和組織結(jié)構(gòu)特征與性能間的關(guān)系,才能有目的、有選擇地制備和使用選用材料。化學(xué)組成工藝過程本征性能顯微結(jié)構(gòu)材料性能2.1材料的組成
材料通常都是由原子or分子結(jié)合而成的,也可以說是由各種物質(zhì)組成的,而物質(zhì)是由≥1種元素組成的。按原子or分子的結(jié)合與結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)的不同,可分成3類:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能
組元、相和組織固溶體聚集體
復(fù)合體2.1.2材料的化學(xué)組成2.1.1材料組元的結(jié)合形式固溶體、聚集體和復(fù)合體第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能材料的組元:金屬材料多為純?cè)?,如普通碳?/p>
Fe&C;陶瓷材料多為化合物,如Y2O3–ZrO2Y2O3&ZrO2
組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì),或稱組分??梢允羌?cè)豲r穩(wěn)定化合物。相:具有同一化學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分。1m圖2-1.50%ZrO2/Al2O3復(fù)合材料的SEM照片*相與相之間有明顯的分界面,可用機(jī)械的方法將其分離開。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能
ZrO2Al2O3*各晶粒間有界面隔開,但它們是由成分、結(jié)構(gòu)均相同的同種晶粒構(gòu)成的材料,仍屬于同一相。*在相界面上,性質(zhì)的改變是突變的。*1個(gè)相必須在物理和化學(xué)性質(zhì)上都是完全均勻的,但不一定只含有1種物質(zhì)。例如:純金屬是單相材料,鋼(非純金屬)在室溫下由鐵素體(含碳的Fe)和滲碳體(Fe3C為化合物)組成;普通陶瓷:由晶相(1種/幾種)與非晶相(玻璃相)組成。*由成分、結(jié)構(gòu)都不同的幾種晶粒構(gòu)成的材料,則它們屬于幾種不同的相。材料的組織第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能材料內(nèi)部的微觀形貌。實(shí)際上是指由各個(gè)晶粒or各種相所形成的圖案。在不同條件下,相的晶粒大小、形態(tài)及分布會(huì)有所不同,從而材料內(nèi)部會(huì)呈現(xiàn)不同的顯微組織。*組織是材料性能的決定性因素。*只含1種相的組織稱為:?jiǎn)我换騿蜗嘟M織;*由多種相構(gòu)成的組織稱為:復(fù)合或多相組織。組織與相是兩個(gè)有著密切聯(lián)系的不同概念。鑄鐵組織a)普通鑄鐵;b)可鍛鑄鐵;c)球墨鑄鐵acb球狀石墨團(tuán)絮狀石墨片狀/蠕蟲狀石墨鐵素體(C溶于Fe)/鐵素體+珠光體橢球形TiO2顆粒(軸比1.3、尺寸nm量級(jí))構(gòu)成的光子晶體(引自JiangP.,BertoneJ.F.,andColvinV.L.,Science2001,291:453)第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能不同溫度下水熱電沉積制備的HA(磷酸鈣鹽類化合物)/TiO2復(fù)合涂層的環(huán)境掃描電鏡照片可看出:團(tuán)粒狀的TiO2微粒較均勻地分散在HA或CDHA涂層中,隨T,HA晶體由長(zhǎng)針狀(a)逐漸生長(zhǎng)為長(zhǎng)棒狀(e),晶體端面和長(zhǎng)度呈增大趨勢(shì),從高倍率圖(f),可看出晶體端面呈六邊形。但晶體生長(zhǎng)很不均勻,長(zhǎng)短大小相差較大,當(dāng)200℃時(shí),長(zhǎng)度約15~50m,直徑約0.5~6m。(a)100℃(c)160℃(b)140℃(d)180℃(e)200℃(f)200℃,(e)的放大20m20m20m20m20m5m2.宏觀組織—是用肉眼可以觀察到的粗大組織,有時(shí)是指用放大倍數(shù)≤20~100的放大鏡可觀察到組織。又可分為:?jiǎn)我缓蛷?fù)合組織。這些組織還可細(xì)分見表2-1
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能*材料組織可分為:1.微觀組織(結(jié)構(gòu))—也稱微細(xì)組織、顯微組織,由原子的種類及其排列狀態(tài)決定的。又可分為:晶體結(jié)構(gòu)與非晶態(tài)(無定形)結(jié)構(gòu)。組織(結(jié)構(gòu))類型主要構(gòu)成物實(shí)例微觀組織晶體聚集金屬、無機(jī)物、有機(jī)物金屬、微晶玻璃、結(jié)晶高分子等非晶聚集無機(jī)物、有機(jī)物玻璃、玻璃態(tài)塑料、橡膠等宏觀組織單一組織致密金屬、無機(jī)物、有機(jī)物型鋼、棒鋼、鋼板、石材、塑料板、塑料棒等纖維金屬、無機(jī)物、有機(jī)物(鏈狀高分子)金屬、玻璃、石棉、羊毛、棉花、絲絹、尼龍、維尼綸等單纖維復(fù)合組織聚集組織纖維聚集無機(jī)、有機(jī)纖維的聚集體(+空氣)毛氈、墊料、織布等多孔無機(jī)物、有機(jī)物+空氣泡沫混凝土、加氣混凝土、泡沫塑料、木材等復(fù)合聚集無機(jī)物、有機(jī)物復(fù)合聚集體灰砂漿、混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土、木纖維水泥板、石棉水泥板、玻璃鋼、涂料、金屬陶瓷迭合組織兩種以上材料的迭合膠合板、石膏板、蜂窩板、鋼筋混凝土等表2-1材料組織的分類(p19)相同條件下,材料性能隨其組織的不同而變,如:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能*通過控制和改變鋼的組織,可以使硬度很低or很高;*膠合板是單片板用膠合劑粘合成使纖維方向互相垂直相交,以改善木材各向異性的缺點(diǎn);熱軋時(shí)鋼的組織變化1、軋件2、軋前晶粒;3、上輥4、下輥5、變成細(xì)長(zhǎng)晶粒;6、細(xì)晶粒出現(xiàn);7、新晶粒長(zhǎng)大;8、形成新晶粒。*泡沫塑料是在組織內(nèi)引入氣孔以減輕質(zhì)量,增大彎曲剛性,同時(shí)降低其導(dǎo)熱率;*鋼筋混凝土和增強(qiáng)塑料,是以鋼筋or纖維作為增強(qiáng)材料,以獲得單一材料所不具備的優(yōu)良性質(zhì)。溶體:≥2種的原子or分子溶合在一起時(shí)的狀態(tài)。一般是原子or分子的均勻混合物,不是化合物。溶液:液態(tài)溶體。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能固溶體固溶體:固態(tài)溶體,即溶質(zhì)組元溶入溶劑組元的晶格中所形成的單相固體。保持溶劑組元的晶格類型。如:C溶入Fe形成以Fe為基的固溶體,其晶格沒變?nèi)詾轶w心立方結(jié)構(gòu)。合金與陶瓷中有不少是屬于固溶體。固溶體的分類:按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置不同可分成:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能置換型固溶體(或稱取代型):溶劑A晶格中的原子被溶質(zhì)B的原子取代所形成的固溶體。原子A同B的大小要大致相同。填隙型固溶體(也稱間隙型):在溶劑A的晶格間隙內(nèi)有溶質(zhì)B的原子填入(溶入)所形成的固溶體。B原子必須是充分小的,如C和N等是典型的溶質(zhì)原子。對(duì)同1種晶體,可同時(shí)存在這2種形式的固溶體,如普碳鋼中,Mn在-Fe中是取代固溶,C是填隙固溶。
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能與純金屬相比,合金固溶體的物理、化學(xué)性能均發(fā)生了不同程度的變化:
*溶入溶質(zhì)原子,將使固溶體的強(qiáng)度和硬度↗,稱為固溶強(qiáng)化;*要求高導(dǎo)磁率、高塑性和高抗蝕性的合金,其金相組織多數(shù)由1種固溶體組成;第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能*要求強(qiáng)韌兼?zhèn)涞慕Y(jié)構(gòu)材料:常采用以固溶體為基,而細(xì)小質(zhì)點(diǎn)的第2相呈彌散分布的材料。*不少固溶元素可明顯地改變基體的理化性能。如Si溶入-Fe中可↗導(dǎo)磁率、↗比電阻,含24%Si的硅鋼片是1種應(yīng)用廣泛的軟磁材料。聚集體
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能有的晶粒間呈連續(xù)變化牢固地結(jié)合在一起(如金屬or固溶體等);一般金屬or無機(jī)材料,不論是由“單元素”、“固溶體”or由“≥兩種元素的結(jié)晶相”構(gòu)成的抑或是“結(jié)晶相&玻璃相的共存狀態(tài)”,都是由無數(shù)的原子or晶粒聚集而成的固體,這類狀態(tài)的材料稱為聚集體。其中:有的晶粒間結(jié)合較微弱(如鑄鐵、花崗巖等),受外力作用時(shí),在晶粒的界面會(huì)發(fā)生破壞。*石棉&云母:鏈狀&層狀結(jié)構(gòu)的晶體,因相互間結(jié)合力較弱,可將其分散成細(xì)纖維&薄片。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能*鏈狀高分子材料:通過鏈的卷入、某些交聯(lián)作用及部分析晶等可使鍵能有一定程度的增加。*純金屬:一般可看成是微細(xì)晶體的聚集體;*合金:可看作是母相金屬原子的晶體與加入的合金晶體等聚合而成的聚集體。晶粒間的結(jié)合力<晶粒內(nèi)部的結(jié)合力。復(fù)合體(復(fù)合材料):
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能
由≥2種不同材料通過一定的方式復(fù)合而構(gòu)成的新型材料,各相之間存在著明顯的界面。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。其結(jié)構(gòu)通常:一相為連續(xù)相,稱為基體材料;另一相是不連續(xù)的,以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中,稱為分散相。與連續(xù)相相比,這種分散相的性能優(yōu)越,會(huì)使材料的性能顯著增強(qiáng),故常稱為增強(qiáng)材料。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能增強(qiáng)材料的種類有:顆粒增強(qiáng)、晶須和纖維增強(qiáng)、層板復(fù)合等,如先進(jìn)復(fù)合材料是以碳纖維、芳綸、陶瓷纖維、晶須等高性能增強(qiáng)材料與耐高溫樹脂、金屬、陶瓷和碳(石墨)等構(gòu)成的復(fù)合材料,用于各種高技術(shù)領(lǐng)域量少而性能要求高的場(chǎng)合。三種最普通的復(fù)合材料中相的排列
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能聚合物/層狀硅酸鹽(PLS)納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖(a)插層型(b)剝離型(a)(b)*膠合板——將纖維方向相互垂直迭合在一起的;*蜂窩結(jié)構(gòu)材料——用蜂窩狀的物質(zhì)作為夾心材料,用強(qiáng)度大的平板作表面材料制成的輕質(zhì)抗彎剛性大的材料。較粗大的骨料用結(jié)合材料結(jié)合而成的稱為復(fù)合組合體,如混凝土、纖維板(將植物質(zhì)纖維用樹脂結(jié)合制成的)等。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能疊層材料:一般指將成型好的材料按一定方向迭合成層狀膠合在一起做成的材料,如:思考題普通的混凝土中有幾種相?請(qǐng)分別寫出各種相的名稱。若在其中加入鋼筋,則鋼筋起到什么作用?此時(shí)又有幾種相?金屬材料的化學(xué)組成:包括純金屬和以金屬為基所構(gòu)成的合金。特點(diǎn)是具有其他材料無法取代的強(qiáng)度、塑性、韌性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性以及良好的可加工性等。為獲得需要的性能,須控制材料的成分與組織。
無機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成
高分子材料的化學(xué)組成2.1.2材料的化學(xué)組成
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能單質(zhì)金屬存在于自然界的94種元素中,72種是金屬元素。大多數(shù)是以過渡金屬為中心的純金屬狀態(tài)使用。工業(yè)上習(xí)慣分為:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能黑色金屬:鐵、鉻、錳3種;有色金屬:其余的所有金屬。又可分為:
重金屬、輕金屬、貴金屬和稀有金屬等4類。金屬合金:由≥2種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)。如黃銅—Cu+Zn的合金,硬鋁—Al+Cu+Mg等組成的合金。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能合金元素:為形成合金所加入的元素。由2或3種元素構(gòu)成的分別叫做二元或三元合金。一些主要合金的化學(xué)組成見p22表2-2。合金一般都是多晶體,有時(shí)可形成固溶體、共熔晶、金屬間化合物,以及它們的聚集體。非晶態(tài)合金具有許多優(yōu)異性能,如強(qiáng)韌性、抗侵蝕、導(dǎo)磁率高、超導(dǎo)性等?;瘜W(xué)組分幾乎涉及所有元素,原料處理和制備工藝的日新月異,使新產(chǎn)品層出不窮。一些代表性的無機(jī)非金屬材料的組成及分類見p23表2-3。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能無機(jī)非金屬材料的組成陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料和搪瓷等。由金屬和非金屬元素的化合物配料經(jīng)一定工藝過程制得的。如:
SiO2、Ai2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等氧化物;Ca(OH)2、Mg(OH)2、KOH、Al(OH)3、NaOH等氫氧化物、SiC、B4C、TiC等碳化物、Si3N4、BN、AlN等氮化物。高分子材料的化學(xué)組成
有機(jī)化合物(簡(jiǎn)稱碳?xì)浠衔?:以C元素為主,多數(shù)是同氫(H)、氧(O)中的任1種or≥2種結(jié)合而成的,也有同氮(N)、硫(S)、磷(P)、氯(Cl)、氟(F)、硅(Si)等結(jié)合構(gòu)成。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能高分子材料:以高分子化合物(亦稱聚合物或樹脂)為主要組分的材料。高分子化合物:指分子質(zhì)量特別大的有機(jī)化合物,相對(duì)分子質(zhì)量是一個(gè)平均值,通常104;低分子化合物的分子質(zhì)量是均一的,一般500;主鏈中不含離子鍵和金屬鍵。合成高分子化合物:由1種or幾種簡(jiǎn)單的低分子化合物聚合而成,如由氯乙烯聚合得到聚氯乙烯,其化學(xué)反應(yīng)式可寫成:nCH2=CHCl[CH2-CHCl]n。根據(jù)不同的來源,可分為:天然高分子材料:木材、皮革、油脂、天然橡膠等合成高分子材料:各種塑料、合成橡膠、合成纖維等。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能單體:可聚合成高分子化合物的低分子化合物。重復(fù)單元:組成高分子化合物的相同結(jié)構(gòu)單元。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能每個(gè)重復(fù)單元又稱作大分子鏈的1個(gè)鏈節(jié),1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),在大多數(shù)場(chǎng)合下鏈節(jié)數(shù)可稱為聚合度,記為DP。如:聚氯乙烯單體是氯乙烯,鏈節(jié)是如-CH2-CHCl-,聚合度為3002500,相對(duì)分子質(zhì)量為216萬。按應(yīng)用功能,高分子材料可分為:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能*通用高分子:塑料、合成纖維和合成橡膠等;*特殊高分子:耐熱、高強(qiáng)度聚碳酸酯、聚砜等;*功能高分子:指具有光、電、磁等物理功能的高分子材料*仿生高分子材料:高分子引發(fā)劑、模擬酶等。常見的高分子化合物見p24表2-4。指材料的組成單元(原子或分子)之間相互吸引和排斥作用達(dá)到平衡時(shí)的空間排布,可分成不同的層次。2.2.1材料中的化學(xué)鍵合
2.2.2晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2.2.3材料的結(jié)構(gòu)2.2材料的結(jié)構(gòu)第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能微觀結(jié)構(gòu):比顯微組織結(jié)構(gòu)更細(xì)的一層結(jié)構(gòu),包括原子、分子結(jié)構(gòu)及原子和分子的排列結(jié)構(gòu)。宏觀組織結(jié)構(gòu):用肉眼or放大鏡能觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能顯微組織結(jié)構(gòu):或稱亞微觀結(jié)構(gòu)。借助光學(xué)or電子顯微鏡可觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)或材料內(nèi)部的微區(qū)結(jié)構(gòu),尺寸約為107104m。
不同溫度熱處理后的鐵氧體空心微球的SEM照片SEMphotographsofferriteshollowmicrospheresaftercalcinedatdifferenttemperature基本組成為SiO2,Al2O3,CaO,MgO,K2O,Fe2O3,的瓷釉,將MgO并入CaO,并忽略KNaO和Fe2O3,可粗略地認(rèn)為屬于SiO2–Al2O3–CaO三元系統(tǒng)。樣品橫截面的SEM照片ABC(a)松散體,在瓷釉與坯體界面處有致密的鈣長(zhǎng)石晶體界面層和釉內(nèi)部延伸的鈣長(zhǎng)石:(A)坯體(B)界面層(C)釉66m1m(b)在鈣長(zhǎng)石晶體之間富SiO2相的不連續(xù)分相(d)(c)中連續(xù)的液–液分相結(jié)構(gòu)的放大100nm(c)在鈣長(zhǎng)石(CaAl2Si2O8)之間連續(xù)的液–液分相1m(e)在鈣長(zhǎng)石晶體之間富CaO(MgO,Fe2O3)相的不連續(xù)分相(f)(e)中不連續(xù)的液–液分相結(jié)構(gòu)的放大100nm1m1m(g)多級(jí)分相結(jié)構(gòu)的SEM照片不連續(xù)的富CaO(MgO,Fe2O3)相半連續(xù)的蠕蟲結(jié)構(gòu)連續(xù)結(jié)構(gòu)鈣長(zhǎng)石晶體氫鍵范德華鍵多種鍵型化合物金屬鍵
離子鍵
共價(jià)鍵2.2.1.材料中的化學(xué)鍵合各類材料,當(dāng)鍵合方式不同時(shí),便具有不同的結(jié)構(gòu)和特性?!嘟饘俨牧稀o機(jī)非金屬材料、高分子材料的差異本質(zhì)上是由不同的元素、以不同的鍵合方式造成的。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能金屬鍵:金屬原子形成金屬晶體時(shí),每個(gè)原子都提供少數(shù)價(jià)e,共用于整個(gè)晶體,這種自由e構(gòu)成金屬鍵,把各個(gè)原子吸引在一起,成為金屬晶體。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能具有鍵作用的e并不固定在一定的原子上,而是可以在金屬格子間自由活動(dòng)。格子由離子化了的金屬原子構(gòu)成,e起到將它們結(jié)合成鍵的作用。金屬鍵具有無方向性的球?qū)ΨQ性質(zhì)。金屬的高電導(dǎo)率和高熱導(dǎo)率都是其自由e運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。此外,自由e能夠吸收所有波長(zhǎng)的能量以及這一吸收能量的輻射,解釋了金屬對(duì)光的非透明性和金屬表面的高反射性。離子鍵:由陽、陰離子相互間的吸引力(庫侖引力)所形成的一種鍵合。此引力同鄰接的所有其他原子都相互發(fā)生作用構(gòu)成一個(gè)整體。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能化學(xué)鍵中最簡(jiǎn)單的類型,∵在本質(zhì)上,它完全可歸結(jié)于靜電引力。常發(fā)生在正電性元素(周期表左側(cè)的金屬)和負(fù)電性元素(周期表右側(cè)的非金屬)之間。NaCl和MgO是典型的離子鍵化合物。圖2-1NaCl晶體中的離子排列
虛線勾畫出這晶體結(jié)構(gòu)的基本重復(fù)單元,即單位晶胞。每個(gè)陽離子(Na+)與6個(gè)陰離子(Cl)配位
一般來說,形成離子鍵的靜電力來源于離子的過剩電荷,晶體中離子的電子云密度分布應(yīng)是對(duì)稱的,通常不應(yīng)產(chǎn)生變形?!嚯x子鍵具有飽和性和無定向性的特點(diǎn),也是離子化合物具有配位數(shù)(Z)高、堆積致密的一個(gè)重要的原因。
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能*離子鍵化合物中,總是V->V+,∴在考慮離子堆積時(shí),要先考慮負(fù)離子R的堆積。一般R按立方堆積、立方密堆積和六方密堆積等方式進(jìn)行,而正離子R則占據(jù)R堆積所形成的立方體、正八面體和正四面體間隙的中心。*雖然離子間作用力主要來源于過剩電荷,但在一定條件下也會(huì)通過電場(chǎng)互相作用產(chǎn)生極化,離子極化經(jīng)常造成鍵力加強(qiáng)、鍵長(zhǎng)縮短和配位反常;嚴(yán)重的極化還能使離子鍵向共價(jià)鍵過渡。離子鍵化合物構(gòu)成整個(gè)固體無機(jī)化合物很大一部分。較重要的有:(A為正離子,B為負(fù)離子)AB型:堿金屬的鹵化物以及堿土金屬的氧化物、硫化物、硒化物、碲化物等。AB2型:主要是氟化物和氧化物,其代表性的結(jié)構(gòu):螢石(CaF2)型、金紅石(TiO2)型和碘化鎘(CdI2)型。AB3型:主要有BiF3型、ScF3型和UCl3型。A2B3型:剛玉(-Al2O3)型是其代表性結(jié)構(gòu)型式,金屬氧化物大多為離子化合物。
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能多元化合物中,有相當(dāng)一部分屬于離子鍵化合物,同時(shí)也含有共價(jià)鍵甚至范德華鍵和氫鍵,較復(fù)雜。如:銨鹽的鹵化物,多以NaCl型、CsCl型結(jié)構(gòu)存在。方解石結(jié)構(gòu)可看成走了樣的NaCl型結(jié)構(gòu)。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能ABO3型:主要有FeTiO3型和CaTiO3型。其中FeTiO3型的結(jié)構(gòu)可歸為Al2O3型結(jié)構(gòu),都是離子結(jié)構(gòu)。ABO4型:CaSO4和BaSO4型結(jié)構(gòu),CePO4,ZrSiO4,AlPO4,BPO4型結(jié)構(gòu),CaWO4,FeWO4型結(jié)構(gòu),絡(luò)合負(fù)離子與金屬之間都是典型的離子結(jié)構(gòu)。
A2BO4型:尖晶石(Al2MgO4)型最有代表性,∵A與B的大小不相上下,甚至A-O與B-O的結(jié)合也都是離子鍵。共價(jià)鍵:由2個(gè)原子共有最外殼層電子的鍵合。其強(qiáng)度隨著參與鍵合的e數(shù)增多而增強(qiáng)。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能最簡(jiǎn)單是單價(jià)共價(jià)鍵,出現(xiàn)在H2中。另一些元素組成的分子(如N2、O2、F2)和H2一樣,也形成共價(jià)鍵。F2是共價(jià)單鍵,而O2和N2則分別具有雙鍵和三鍵?!?種原子的e結(jié)構(gòu)分別為:1s22s22p5、1s22s22p4和1s22s22p3。不同原子間也可形成共價(jià)鍵,如:HF、H2O、NH3、CH4每個(gè)原子貢獻(xiàn)出1個(gè)e形成e對(duì)。共價(jià)鍵形成時(shí),∵能量原因,總是選擇在合適的方向上成鍵,∴具有方向性。此外,共價(jià)鍵來源于e共享,原子形成共價(jià)鍵的數(shù)目要受到其e結(jié)構(gòu)的限制,∴具有飽和性?!呱鲜霰举|(zhì),使得共價(jià)鍵晶體總具有很高的熔點(diǎn)和硬度、良好光學(xué)特性和不良的導(dǎo)電特性。金剛石是典型共價(jià)鍵晶體,自然界中最硬的物質(zhì)第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能另外一類共價(jià)鍵稱配位共價(jià)鍵,特點(diǎn)是形成的共享電子對(duì)全由一個(gè)原子提供。所有非金屬原子,惰性氣體除外,都傾向于形成共價(jià)鍵。如硅晶體(見圖2-2)
。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能Fig2-2硅晶體單位晶胞中的原子排列每個(gè)Si是以自旋相反的e對(duì),分別與4個(gè)最近鄰的Si鍵合形成4個(gè)共價(jià)鍵,如粗線所示。金剛石具有相同的結(jié)構(gòu)。硅原子的三維排列是由具有方向性的共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)所決定的第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能除單質(zhì)外,共價(jià)鍵也大量存在于化合物中。如:AB型——ZnS型結(jié)構(gòu)中每個(gè)原子均生成4個(gè)共價(jià)鍵從而形成共價(jià)鍵網(wǎng);AB2型——FeS2式結(jié)構(gòu)。多元化合物中也存在共價(jià)鍵。如在絡(luò)合負(fù)離子中,內(nèi)部的結(jié)合力雖說有離子鍵和共價(jià)鍵2種,但以共價(jià)鍵為主。以下面的絡(luò)合負(fù)離子,其內(nèi)部結(jié)合幾乎均為共價(jià)鍵如:平面形:CO32,NO3;三角錐形:PO32,SO33,ClO3,AsO33;四面體形:PO43,SO42,ClO4,MnO4,SiO44;正方形:Ni(CN)42,PtCl42,PdCl42;八面體:AlF63,SiF62,TiCl62,ZrCl62等
H在2個(gè)高電負(fù)性的原子間形成一個(gè)橋,如圖2-3表示的冰那樣。分子有確定的幾何形狀,∴氫鍵有方向性。在高分子材料中氫鍵特別重要,是使尼龍之類的聚合物具有較大的分子間力的主要因素。圖2-3冰晶體模型氫鍵用(----)表示,共價(jià)鍵用()表示.
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能氫鍵&范德華鍵
氫鍵是H在分子中與A原子鍵合時(shí),還能形成與B原子的附加鍵,結(jié)合力較弱,比范德華鍵要強(qiáng)。發(fā)生于某些含H與高電負(fù)性原子(O、N、F等)共價(jià)鍵合極性分子之間,如H2O、HF、NH3和許多高分子化合物(包括蛋白質(zhì))中。范德華鍵:原子可看成是一個(gè)很小的偶極子。雖然對(duì)于平均時(shí)間來說,原子中e的空間分布,對(duì)原子核是對(duì)稱的。但某一瞬間,整個(gè)原子正負(fù)電荷中心可能不重合,從而形成小的偶極子。這些小的偶極子之間的相互作用所造成的引力,就是范德華力。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能是1種相互吸引的永遠(yuǎn)存在于分子間or分子內(nèi)非鍵結(jié)合的力。這類鍵一般很弱,只有不存在其他鍵時(shí),才顯示出來。例如,在具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的原子之間,以及許多有機(jī)分子之間,都存在范德華鍵。范德華鍵在聚合物的分子之間作用比較明顯,是長(zhǎng)鏈高分子化合物內(nèi)聚力的根源。
化學(xué)鍵合的產(chǎn)生,是由于幾乎任何原子都傾向于獲得更加穩(wěn)定的e排布。各種化學(xué)鍵合都是直接來源于e。每個(gè)原子參加鍵合的e越多,鍵合能就越高。某些固體分解成原子氣態(tài)所需要的能量列于p30表2-5。這些原子氣化焓近似等于固體中原子之間的總結(jié)合能。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能鍵性與材料物性的關(guān)系→表2-6
表2-6
鍵性與材料物性的關(guān)系
鍵型金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵范德華鍵氫鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)無飽和性和方向性,高配位數(shù),高密度有飽和性和無方向性或不明顯,鍵能較大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,高配位、中等密度有飽和性和方向性,低配位,低密度類似金屬鍵有飽和性力學(xué)性能各不相同,強(qiáng)度有高低,有塑性強(qiáng)度高,劈裂性良好,堅(jiān)固、硬度高強(qiáng)度高,堅(jiān)固、硬度高
疏松,質(zhì)軟電學(xué)性能導(dǎo)電體絕緣體,熔體為導(dǎo)體絕緣體,熔體為非導(dǎo)體絕緣體熱學(xué)性能熔點(diǎn)有高低,導(dǎo)熱性好,液態(tài)的溫度范圍寬熔點(diǎn)高,膨脹系數(shù)小,熔體中有離子存在熔點(diǎn)高,膨脹系數(shù)小,熔體中有的含有分子熔點(diǎn)低、高膨脹性光學(xué)性能不透明,有金屬光澤與各構(gòu)成離子相同,對(duì)紅外的吸收強(qiáng),多是無色or淺色透明高折射率,同氣體的吸收光譜很不同透明其它延展性良好除鏈狀高分子外,延展性都較差
多種鍵型化合物:多元化合物一般具有幾種鍵型。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能絕大多數(shù)有機(jī)化合物,分子的原子間由共價(jià)鍵連結(jié),分子間靠范德華鍵聯(lián)系;有機(jī)酸的金屬鹽中還有離子鍵。若原來分子中含有氫鍵,則同時(shí)具備四種鍵型。結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的氫氧化物中,也能同時(shí)存在共價(jià)鍵、離子鍵和氫鍵等3種鍵型;酸和酸性鹽中,除離子鍵和共價(jià)鍵外,還有大量氫鍵。硅酸鹽:另一類多鍵型的復(fù)雜化合物,大量離子鍵和共價(jià)鍵,某些情況下也有氫鍵和范德華鍵。特別是某些天然的鏈狀和層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。晶體結(jié)構(gòu)的基本特征
晶體——原子or原子團(tuán)、離子和分子按一定規(guī)律呈周期性的排列構(gòu)成的物質(zhì),即從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看:晶體結(jié)構(gòu)的基本特征是原子or分子在三維空間呈周期性的規(guī)則而有序地排列,即存在長(zhǎng)程的幾何有序。2.2.2晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
結(jié)構(gòu)的不完整性:實(shí)際上,極大多數(shù)晶體都有大量的與理想原子排列的輕度偏離存在,依據(jù)其幾何形狀而分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。結(jié)構(gòu)的不完整性會(huì)對(duì)晶體的性能造成重大影響。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能單晶:由一塊結(jié)構(gòu)均勻的大晶體構(gòu)成的固體,具有各向異性、一定的熔點(diǎn),生長(zhǎng)良好時(shí)外形規(guī)則。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能晶體排列狀態(tài):由構(gòu)成原子or分子的幾何形狀和鍵型所決定,為無方向性的球狀(單獨(dú)的原子)時(shí)較簡(jiǎn)單;若為有機(jī)物分子類有方向性時(shí),則相當(dāng)復(fù)雜。構(gòu)成原子or分子的吸引力與排斥力在達(dá)到均衡時(shí)相互保持穩(wěn)定構(gòu)成晶格。一般晶體外形有變化,晶格也不會(huì)改變。生長(zhǎng)良好的晶體外形常呈現(xiàn)某種對(duì)稱性,其宏觀對(duì)稱性是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀對(duì)稱性的表現(xiàn),與晶體的性能有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。按晶格邊長(zhǎng),晶軸相交角度等可將晶體分為7大晶系晶系特征立方a=b=c,===90(3根軸互相正交,軸長(zhǎng)相等)正方a=bc,===90(3根軸互相正交,2根軸長(zhǎng)相等,1根軸不等)三方a=b=c,90,==90(3根軸長(zhǎng)相等,2根軸正交,另1根軸向一個(gè)方向斜交)斜方abc,===90(3根軸互相正交,軸長(zhǎng)均不相同)單斜abc,90,==90(2根軸正交,另1根軸向一個(gè)方向斜交,3根軸長(zhǎng)均不相同)三斜abc,90(3根軸互相斜交,軸長(zhǎng)各不相同)六方a=bc,==90,=120(2根軸等長(zhǎng),在同一面內(nèi)互相以60相交,不等長(zhǎng)的另1根軸同其正交)七大晶系的晶格特征結(jié)晶系示例見圖2-4圖2-4結(jié)晶系示例
晶體的結(jié)構(gòu)定出了之后,如得知原子半徑r即可求出表示晶格大小的晶格常數(shù)a??山柚赬射線衍射法確定結(jié)構(gòu),求出a。根據(jù)r和a可計(jì)算出晶體的密度。給出了兩種結(jié)構(gòu)的原子半徑r與晶格常數(shù)a的關(guān)系。許多固體以多晶形式存在,常見金屬及其合金、大多數(shù)陶瓷和礦物等均屬于多晶體。多晶是許多單晶組成的聚集體,即由許多取向不同的晶粒組成。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能晶界:多晶體中,兩個(gè)晶粒相遇時(shí)所產(chǎn)生的界面。晶粒大小相差極為懸殊,粒徑可小至m(如粘土粒子)~nm(超細(xì)TiO2粒子),大到cm(如黃銅粒子)。晶體中的原子總是在平衡位置附近進(jìn)行熱振動(dòng)。晶體中又包含著種種缺陷如:點(diǎn)缺陷、線缺陷和體缺陷等,造成結(jié)構(gòu)的不完整性。
(a)1200℃(b)1150℃(c)1100℃不同燒結(jié)溫度所得Y2O2S:Eu3+產(chǎn)物的SEM照片SEMmicrographsforthephosphorfiredatdifferenttemperatures可看出:T燒結(jié)在1150℃和1200℃時(shí),微觀晶體顆粒生長(zhǎng)得比較完整,基本上成六邊形,盡管部分顆粒有團(tuán)聚現(xiàn)象,但整體上看顆粒的大小比較均勻。在1100℃時(shí)生成的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象很明顯,而且大小不均,晶體結(jié)構(gòu)不完整。4μm20μm結(jié)構(gòu)的不完整性1.雜質(zhì)原子與固溶體
一般所認(rèn)為的純材料實(shí)際上都溶有某些雜質(zhì)。許多情況下,固溶體是有意制備的,目的在于改變某些性能—雜質(zhì)的控制使用。有取代型和填隙型兩類圖2-6。溶質(zhì)原子——雜質(zhì)or有意添加的,都會(huì)使晶體基體發(fā)生局部的結(jié)構(gòu)擾亂,形成固溶體。是1種相當(dāng)重要的點(diǎn)缺陷。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能2.點(diǎn)缺陷
3.線缺陷
4.面缺陷
Fig2-6簡(jiǎn)單晶體中存在間隙雜質(zhì)原子
和取代雜質(zhì)原子的示意圖置換(取代)雜質(zhì)原子間隙雜質(zhì)原子過渡金屬中:添加的H、N、C、B都易處在間隙位置中,非常低的雜質(zhì)%對(duì)其力學(xué)和電學(xué)性能也有顯著的影響。添加原子的大小、晶格結(jié)構(gòu)的空隙大小與形成間隙固溶體密切相關(guān)的。許多硅酸鹽固溶體中,Be2+、Li+、或Na+等小半徑正離子易進(jìn)入到晶體晶格間隙中。晶格結(jié)構(gòu)的空隙越大,也有利于形成固溶體。像面心結(jié)構(gòu)的MgO,只有四面體空隙可以利用;反之在TiO2晶格中還有八面體空隙可以利用;在CaF2型結(jié)構(gòu)中則有配位為8的較大空隙存在;再如架狀硅酸鹽片沸石結(jié)構(gòu)中的空隙就更大了?!嘈纬商钕豆倘荏w的次序必然是片沸石>CaF2>TiO2>MgO。固溶體對(duì)金屬合金和特種陶瓷制備的作用很大:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能①結(jié)構(gòu)位置缺陷:空位—晶體中沒有被占據(jù)的原子位置;間隙原子—晶體本身的原子占據(jù)了間隙位置。間隙原子常比空位少得多,∵它在金屬中所引起的結(jié)構(gòu)畸變太大??瘴坏闹匾攸c(diǎn)是能與相鄰原子交換位置而運(yùn)動(dòng)。這使得原子高溫時(shí)可在固態(tài)中進(jìn)行遷移(即擴(kuò)散)。T
平均熱能原子振動(dòng)的振幅也。②組成缺陷:前面已談的雜質(zhì)原子;③電荷缺陷。
理想晶體中一些原子被外界原子所代替,or晶格間隙中摻入原子,or留有原子空位,破壞了有規(guī)則的周期性排列,引起質(zhì)點(diǎn)間勢(shì)場(chǎng)的畸變,所造成晶體結(jié)構(gòu)的不完整,僅僅局限在原子位置。可分為:點(diǎn)缺陷:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能∵熱運(yùn)動(dòng),晶體中總有一些原子要離開它的平衡位置,造成點(diǎn)缺陷。金屬和共價(jià)固體中2種最常見的與雜質(zhì)原子無關(guān)的結(jié)構(gòu)點(diǎn)缺陷見圖2-7。
①弗倫克爾缺陷:一些能量足夠大的原子離開平衡位置后,擠到格子點(diǎn)的間隙中,形成間隙原子,而原來位置上形成空位。②肖特基缺陷:固體表面層的原子獲得較大能量,但還不足夠使它蒸發(fā)出去,只是移到表面外新的位置上,而留下原來位置形成空位,這樣晶格深處的原子就依次填入→表面上的空位逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部去。一般,r+≈r-時(shí)以肖特基缺陷為主如NaCl,相差大時(shí)以弗倫克爾缺陷為主如AgBr。這兩種缺陷都對(duì)離子晶體的導(dǎo)電性均有貢獻(xiàn)。
刃位錯(cuò):特性是滑移方向和位錯(cuò)線垂直,見圖2-8。螺旋位錯(cuò):由于剪應(yīng)力的作用使晶面互相滑移,滑移部分的相交位錯(cuò)線和滑移方向平行。位錯(cuò)線周圍的一組原子面形成了一個(gè)連續(xù)的螺旋形坡面。
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能線缺陷:
實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)受到雜質(zhì)、溫度變化or振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力作用or∵受到打擊、切削、研磨等機(jī)械應(yīng)力的作用,使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形,原子行列間相互滑移,不再符合理想晶格的有序的排列,形成線狀的缺陷,也稱為位錯(cuò)。造成質(zhì)點(diǎn)滑移面和未滑移面的交界線稱為位錯(cuò)線。(a)為在剪應(yīng)力作用下,使晶體的1個(gè)原子面相對(duì)其相鄰原子面移動(dòng)1個(gè)原子間距;(b)為在宏觀尺度中,所引起的永久形變表現(xiàn)為晶體的一部分相對(duì)另一部分發(fā)生位移。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能多晶體是由許多結(jié)合得并不十分嚴(yán)密的微小晶粒構(gòu)成的聚集體。如圖2-9所示的構(gòu)造就是1種面缺陷。晶界(晶粒之間的邊界)是能量較高的結(jié)晶不完善的區(qū)域,其厚度等于12個(gè)原子直徑。由于晶界的原子堆積不完善,所以雜質(zhì)原子傾向于偏聚在晶界上。
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能面缺陷只有在一定條件下如有籽晶存在,才能形成單晶體。多數(shù)固體是多晶體,∵許多地點(diǎn)有晶核產(chǎn)生。如鑄錠凝固時(shí),形成許多晶粒。緩慢凝固的鑄件,有時(shí)能用肉眼看到晶粒;凝固速率較快,晶粒尺寸就會(huì)小些,只有借助于光學(xué)顯微鏡才能夠看見晶粒。每個(gè)單獨(dú)的晶粒都是單晶體,在1個(gè)晶粒內(nèi),給定的1組原子面在空間具有相同的位向,但其相鄰的晶粒具有不同的結(jié)晶學(xué)位向。晶粒之間不是公共面,而是公共棱的。原子面從1個(gè)晶粒到相鄰的晶粒是不連續(xù)的。圖2-9表示多晶體中各個(gè)晶粒位向的示意圖
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能金屬材料的結(jié)構(gòu)
無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)
高分子材料的結(jié)構(gòu)多相復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模式2.2.3材料的結(jié)構(gòu)
當(dāng)原子or分子結(jié)合成固體時(shí),可能形成晶體,也可能形成非晶體。不具有明顯晶體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)統(tǒng)稱為無定形結(jié)構(gòu)or非晶質(zhì)。液體、氣體等均屬于無定形結(jié)構(gòu),也有例外,如液晶。
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能金屬材料的結(jié)構(gòu):一般都是晶體?!呓饘冁I無方向性,晶體結(jié)構(gòu)具有最致密的堆積方式,配位數(shù)Z(1個(gè)原子最鄰近的、等距離的原子數(shù))也特別高。金屬晶體結(jié)構(gòu)會(huì)隨T發(fā)生變體轉(zhuǎn)變,常溫下金屬元素晶體結(jié)構(gòu)(見圖2-10)第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能體心立方結(jié)構(gòu)BCC(body-centeredcubicstructure)在立方晶格的中心具有原子,如常溫下的鐵、鉻、鎢等(a)單位晶格(b)2個(gè)以上晶格(c)原子的堆積多數(shù)是體心立方、面心立方和緊密堆積六方結(jié)構(gòu)。堿金屬均為體心立方,Z=8;堿土金屬多數(shù)為六方密堆積,Z=12;過渡金屬先是六方密堆積和體心立方,最后完全過渡到面心立方結(jié)構(gòu)。面心立方和六方密堆積一樣,是最密的堆積方式,Z也是12。面心立方結(jié)構(gòu)FCC(face-centeredcubicstructure)
在立方晶格的6個(gè)面上各有1個(gè)原子的結(jié)構(gòu),如常溫下的鎳、鋁、銅、鉛、銀、金和9101400C之間的鐵第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能圖2-12面心立方結(jié)構(gòu)
(a)單位晶格(b)2個(gè)以上晶格(c)原子的堆積緊密堆積六方結(jié)構(gòu)(hexagonalclose-packedstructure)
是在六方晶格的內(nèi)部具有3個(gè)原子的結(jié)構(gòu),如常溫下的鈦、鎂、鋅等(圖2-13)。
圖2-13緊密六方結(jié)構(gòu)
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能除單質(zhì)外,合金一般都是多晶體,有時(shí)可形成固溶體、共溶晶、金屬間化合物以及它們的聚集體。典型金屬固溶體有Cu-Au、Cu-Ni、Fe-Ni等合金。組成合金的元素,可相互起化學(xué)作用形成化合物or可相互溶解形成固溶體。此外,還能形成另1種既不屬于化合物也不屬于固溶體的相—中間相。
金剛石型結(jié)構(gòu):極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(圖2-14),如金剛石、硅、鍺等半金屬。原子間以共價(jià)鍵結(jié)合,4個(gè)鍵互相呈109、280角度伸向正四面體的頂點(diǎn)。鍵的強(qiáng)度很牢固。
純金屬一般認(rèn)為是微細(xì)晶粒的聚集體;合金則可看作母相金屬原子的晶體與加入的合金晶體等聚合而成的聚集體。晶粒間的結(jié)合力要比晶粒內(nèi)部的結(jié)合力小。軟鋼、銅、金、鋁等之所以能經(jīng)受大的塑性變形,是∵在發(fā)生滑移變形的同時(shí),原子相互間的位置依次錯(cuò)開又形成了新的鍵,從整體看,是∵原子間的鍵難于斷開的緣故。晶粒晶界上的結(jié)合是機(jī)械結(jié)合,即金屬由高溫熔體凝固析晶時(shí),相互嚙合牢固地結(jié)合在一起。晶粒間的接觸面越大,結(jié)合力也越大。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能金屬材料也可看成是由晶體的聚集體構(gòu)成的:
無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)1.金剛石型結(jié)構(gòu):金剛石、Si、Ge等。圖2-15SiO4結(jié)構(gòu)單元
2.硅酸鹽結(jié)構(gòu):陶瓷的主要結(jié)構(gòu),其中Si-O為離子鍵和共價(jià)鍵的混合鍵。結(jié)構(gòu)特征是Si+4位于由4個(gè)O-2組成的四面體中心,構(gòu)成[SiO4]4-四面體(圖2-15),并通過共頂點(diǎn)的氧以不同形式相互連接形成島狀、鏈狀(石棉)、層狀(粘土、云母、滑石等)、立體網(wǎng)絡(luò)狀(石英)等不同結(jié)構(gòu)?!逽iO44是離子化狀態(tài),可同其他金屬離子結(jié)合成不同的結(jié)構(gòu)。又∵每個(gè)O可同2個(gè)Si共有1對(duì)電子,∴能形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)。圖2-16Mg(OH)2晶體的層狀結(jié)構(gòu)
Mg(OH)2可成為層狀結(jié)構(gòu)。Al(OH)3也有類似結(jié)構(gòu)。高嶺石SiO2?Al2O3?2H2O(簡(jiǎn)單的粘土)是1:1型結(jié)構(gòu),由1層[SiO4]與1層[Al2(OH)4]結(jié)合成單網(wǎng)層,在1邊排列有O,另1邊排列有OH,單網(wǎng)層間以氫鍵結(jié)合成片狀整體?;窃?邊都排列有O,在2層SiO2結(jié)構(gòu)間夾在有Mg(OH)2結(jié)構(gòu)的一種夾心型結(jié)構(gòu)。
由6個(gè)OH將Mg2+圍成八面體狀3.玻璃結(jié)構(gòu):可看成是處在過冷狀態(tài)的1種粘度極高的液體,整個(gè)結(jié)構(gòu)不具有晶體的規(guī)則排列。特點(diǎn)是原子排列近程較有序,遠(yuǎn)程無序。鍵性有共價(jià)鍵和離子鍵。圖2-17和圖2-18是玻璃的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-17SiO2的原子排列
圖2-18鈉鈣玻璃的原子排列
4.團(tuán)簇及納米材料:由幾個(gè)至上千個(gè)原子、分子結(jié)合相對(duì)穩(wěn)定的微觀和亞微觀聚集體叫做團(tuán)簇,是介于原子、分子和宏觀固體之間的1個(gè)新層次,許多物理、化學(xué)性質(zhì)既不同與單個(gè)原子、分子,又不同與常規(guī)固體,成為凝聚態(tài)物質(zhì)中的一種新結(jié)構(gòu)。如果這樣的團(tuán)簇在1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)方向上延伸,便成為1維、2維和3維材料。由于這樣的3維材料是由納米尺寸的微粒組成,通常把這類材料叫做納米材料。廣義的納米材料是指微結(jié)構(gòu)的特征長(zhǎng)度在納米量級(jí)的材料,可以是零維、一維、二維材料組成的塊體材料,如由多層薄膜疊加而成的層狀材料或由納米纖維組成的材料等。這類材料又叫做納米結(jié)構(gòu)材料(NanostructuredMaterials),或納米相材料(NanophaseMaterials)。C60的結(jié)構(gòu):在大量的團(tuán)簇中,最受重視的是團(tuán)簇C60。以C60作為結(jié)構(gòu)基元而形成的C60固體是除石墨、金剛石外,碳的第三種穩(wěn)定的同素異構(gòu)體。C60的結(jié)構(gòu)可以這樣來描述:將20等等邊三角形組成的正20面體頂角截掉,截頂?shù)?0面體便成了由20個(gè)六邊形、12個(gè)五邊形組成的一個(gè)32面體,其形狀類似于足球。球的直徑為0.71nm,每三個(gè)面的交點(diǎn)處為一碳原子,共60個(gè)碳原子,球是空心的。碳團(tuán)簇中,原子數(shù)為20、24、28、32、36、50、60、70……等團(tuán)簇的穩(wěn)定性高,其中以C60的豐度最高,C70次之。C70是由12個(gè)五邊形、25個(gè)六邊形組成的橢球。碳納米管又叫做布基管,是一種由單層或多層石墨卷成的納米微管,多層碳管各層之間的間隙為石墨的層間距。碳管兩頭可以是空的,碳懸鍵被氫原子飽和;也可被半個(gè)C60或更大的碳球所封閉。
高分子材料的結(jié)構(gòu)第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能單體鏈狀結(jié)構(gòu)交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)包括高分子鏈的結(jié)構(gòu)及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。通常按其結(jié)構(gòu)層次,把鏈結(jié)構(gòu)(構(gòu)型)、高分子的形態(tài)(構(gòu)象)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)(包括織態(tài)結(jié)構(gòu))分別稱為一次、二次和三次結(jié)構(gòu)。三次以上又稱高次結(jié)構(gòu)。這些不同層次的結(jié)構(gòu),總稱為高分子化合物的微觀結(jié)構(gòu)。
構(gòu)成大分子的最基本組成單元。通常是C和H為主組成的較簡(jiǎn)單的低分子化合物,可通過反應(yīng)生成高分子化合物,也可與O、N、S、P、Cl、F、Si等結(jié)合。常見的有:含有C-C雙鍵的烯類,包括單烯類、共軛二烯烴,甚至炔烴:如乙烯、丙烯、氯乙烯、四氟乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈、苯乙烯、丁二烯、氯丁二烯等;羰基化合物:如甲醛、乙醛,甚至酮類;雜環(huán)化合物:碳-氧環(huán)、碳氮環(huán),如環(huán)氧乙烷,環(huán)氧丙烷等;多官能團(tuán)化合物:如多元酸、多元醇、多元胺、酚類、脲、醛類、多異氰酸酯、有機(jī)硅氧烷等。單體:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能鏈狀結(jié)構(gòu):多數(shù)天然、合成和生物高分子都具有鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),即由多價(jià)原子彼此以主價(jià)鍵結(jié)合而成的長(zhǎng)鏈狀分子。長(zhǎng)鏈中的結(jié)構(gòu)單元數(shù)很大(103105數(shù)量級(jí)),分子的直徑:長(zhǎng)度比可達(dá)1:1000以上。1個(gè)結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)于1個(gè)小分子,具周期性。長(zhǎng)鏈可由1種(均聚物)or幾種(共聚物)結(jié)構(gòu)單元組成。如圖2-19所示,長(zhǎng)鏈可采取伸展?fàn)睢o規(guī)線團(tuán)狀、折疊狀、螺旋狀等形式。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能線型結(jié)構(gòu)的高分子化合物:在適當(dāng)?shù)娜軇┲锌扇苊沷r溶解,升高溫度時(shí)則軟化、流動(dòng),∴易加工,可反復(fù)加工使用,并具有良好的彈性和塑性。(熱塑性)圖2-19鏈的構(gòu)型和鏈的聚集態(tài)
大部分高分子主鏈由CC單鍵組成,每個(gè)單鍵都有一定的鍵長(zhǎng)和鍵角,并能在保持它們不變的情況下任意旋轉(zhuǎn),稱為單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn),結(jié)果導(dǎo)致原子排列方式的不斷變換。這種能通過單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)改變其構(gòu)象的特性稱為大分子鏈的柔順性。一個(gè)高分子鏈中有許多單鍵,每個(gè)單鍵都能作內(nèi)旋轉(zhuǎn),∴高分子在空間的形態(tài)可以無窮多個(gè)。H-C-……C-2H1HHHC-……C-3HnH4HCH3C-……C-4HnHCH33HH-C-……C-2H1HHHC-……C-3HnH4HCH3主鏈結(jié)構(gòu):全由單鍵組成時(shí),分子鏈柔順性最好。主鏈結(jié)構(gòu)除由–C–C–鍵組成外,還可能有–Si–O–和–C–O–鍵,∵O周圍無其它原子和基團(tuán),∴內(nèi)旋轉(zhuǎn)–Si–O–比–C–O–容易,–C–O–比–C–C–容易;另外,鍵長(zhǎng)–Si–O–>–C–O–鍵角Si–O–Si>C–O–C,內(nèi)旋轉(zhuǎn)更容易柔順性
–Si–O–>–C–O–>–C–C–,∴合成橡膠中多含有–Si–O–;含孤立雙鍵時(shí),雖雙鍵本身不能內(nèi)旋轉(zhuǎn),但∵2個(gè)C各減少了1個(gè)側(cè)基orH,使與雙鍵相連的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)阻力,∴柔順性;含芳雜環(huán)時(shí),∵不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)柔順性很低,但剛性較好,能耐高溫。取代基的特性:具有極性時(shí),使分子鏈間作用,內(nèi)旋轉(zhuǎn)受阻,柔順性;V越大越笨重,對(duì)內(nèi)旋轉(zhuǎn)阻礙就越大,∴柔順性就差;分布對(duì)稱,有利單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn),∴柔順性好。鏈的長(zhǎng)度除T、外力等因素外,影響柔順性的主要因素大分子鏈的結(jié)構(gòu)?交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu):高分子的構(gòu)成按三維空間進(jìn)行,分子鏈和鏈間發(fā)生交聯(lián)(化學(xué)鍵互相聯(lián)接)立體結(jié)構(gòu),象1張不規(guī)則的網(wǎng)稱網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是橡膠彈性體or熱固性材料所特有,如三聚氰胺樹脂、尿素樹脂、環(huán)氧樹脂等。比鏈狀結(jié)構(gòu)的分子自由度小,強(qiáng)度雖大,卻硬而脆的?!嘟宦?lián)程度對(duì)力學(xué)性能影響大。不溶于任何溶劑or僅有一些溶脹。T時(shí)也不會(huì)熔融軟化。性能特點(diǎn):較好的耐熱性、難溶劑性、尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,但彈性、塑性低,脆性大?!嗖荒苓M(jìn)行塑性加工,成型加工只能在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成前進(jìn)行,材料不能反復(fù)加工使用。(熱固性)高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能大分子之間的結(jié)合力是范德華力和氫鍵,稱為次價(jià)力,比主價(jià)力小得多(只有主價(jià)力110%),但對(duì)高分子化合物的性能影響很大。如乙烯呈氣態(tài),而聚乙烯呈固態(tài)并有相當(dāng)強(qiáng)度,∵后者的分子間力較前者大得多。1.大分子之間的相互作用:大分子鏈中原子間、鏈節(jié)間的相互作用是強(qiáng)大的共價(jià)鍵這種結(jié)合力稱為主價(jià)力,大小取決于鏈的化學(xué)組成→鍵長(zhǎng)和鍵能。對(duì)性能,特別是熔點(diǎn)、強(qiáng)度等有重要影響。分子間力的特點(diǎn):小分子間作用力很??;有加和性;大小強(qiáng)烈依賴分子間距離,只有很靠近時(shí)才顯現(xiàn)出來(為0.30.5nm)。分子鏈呈規(guī)則的有序排列時(shí),分子間力充分顯現(xiàn)表現(xiàn)為Tm高、強(qiáng)度高,而雜亂無序的分子間力就很小。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能2.大分子間的幾何排列按排列是否有序?其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)可分為:晶態(tài)和非晶態(tài)(無定形)兩種。晶態(tài)有序程度<<小分子晶態(tài),但非晶態(tài)的有序程度>小分子物質(zhì)液態(tài)。高分子鏈具有特征的堆砌方式,鏈空間形狀可以是卷曲、折疊和伸直的,還可形成某種螺旋結(jié)構(gòu)。若高分子鏈由≥2種不同化學(xué)結(jié)構(gòu)單元組成,則化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的高分子鏈段,由于相容性的不同,可形成多種多樣的微相結(jié)構(gòu)。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能①非晶態(tài)高分子結(jié)構(gòu):玻璃態(tài)、橡膠態(tài)、熔融態(tài)、及結(jié)晶高分子中的非晶區(qū)的結(jié)構(gòu),分子排列無規(guī)則。線型大分子鏈很長(zhǎng),固化時(shí),∵粘度↑,難以行規(guī)則排列,而多呈混亂無序地分布→無定形結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子,∵分子鏈間存在大量交聯(lián),分子鏈不可能作有序排列,具有無定形結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)形態(tài)來看,非晶態(tài)結(jié)構(gòu)包括無規(guī)線團(tuán)、鏈結(jié)和鏈球。②晶態(tài)高分子的結(jié)構(gòu):分子排列規(guī)整有序。線型、支鏈型和交聯(lián)少的網(wǎng)狀高分子有可能結(jié)晶,但∵分子鏈運(yùn)動(dòng)較困難,不能完全結(jié)晶?!鄬?shí)際的結(jié)晶高分子都由晶區(qū)和非晶區(qū)所組成。結(jié)晶度—晶區(qū)所占的質(zhì)量%。晶區(qū)和非晶區(qū)的尺寸<<分子鏈長(zhǎng)度,故每個(gè)大分子鏈往往要穿過許多晶區(qū)和非晶區(qū),∴使晶區(qū)和非晶區(qū)緊密相連,有利↑強(qiáng)度。結(jié)晶度↗→強(qiáng)度、硬度和剛度↗,且耐熱性和耐化學(xué)腐蝕性也得到改善,而與鏈運(yùn)動(dòng)有關(guān)的性能如彈性、伸長(zhǎng)率、沖擊韌性等↘。大分子材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法為:改變鏈長(zhǎng)、調(diào)整鏈中原子團(tuán)的配置、鏈的分叉和交聯(lián)、控制結(jié)晶度等方法。高分子材料晶體的形態(tài)有:?jiǎn)尉?、片晶、纖維狀晶體、球晶等。結(jié)構(gòu)模型有:纓狀膠束、折迭鏈、伸直鏈、串晶的結(jié)構(gòu)模型和球晶的結(jié)構(gòu)模型。
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能多相復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模式
復(fù)合材料:由≥2個(gè)獨(dú)立的物理相,包含粘結(jié)材料(基體)和粒料、纖維、晶須or片狀材料所組成的1種固體產(chǎn)物。是復(fù)相組織,可以是1個(gè)連續(xù)相與1個(gè)分散相的復(fù)合,or≥2個(gè)連續(xù)相與≥1個(gè)分散相在多個(gè)連續(xù)相中復(fù)合的材料。以金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料為基的復(fù)合材料中,分散相(增強(qiáng)介質(zhì))可以是零維、1維、2維、or3維等各類材料。通過復(fù)合工藝組合而成的多相材料包括:金屬-金屬、金屬-陶瓷、金屬-樹脂、陶瓷-樹脂、陶瓷-陶瓷or樹脂-樹脂的復(fù)合。復(fù)合材料的性能常與其組成相的幾何排列直接相關(guān)。3種最普通的相排列方式—顆粒狀、纖維狀和層片狀。在纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中,纖維可以是圖(b)的混亂狀態(tài)or沿某個(gè)方向整齊排列。體積分?jǐn)?shù)少的相通常是復(fù)合材料中顆粒or纖維。圖2-20各種類型的復(fù)合材料中相的排列
10-YSZ/20mol%Al2O3復(fù)合材料的SEM照片(a)顆粒;(b)片晶用CVD法合成的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)在CVD-Si3N4(型)中復(fù)合TiN就能合成(A)型復(fù)合材料;在CVD-Si3N4中復(fù)合BN就能合成(F)型復(fù)合材料?;瘜W(xué)性能力學(xué)性能熱學(xué)性能電性能
光學(xué)性能磁性用于表征材料在給定外界條件下的行為,是材料微觀結(jié)構(gòu)特征的宏觀反映?!呓M成和制備工藝的差異→各類材料的性能存在很大差異。三大材料的特點(diǎn)見圖221第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能2.3材料的性能Fig2-21各類材料性能的特點(diǎn)第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能氫鍵金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性
無機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性
高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性2.3.1化學(xué)性能
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力,隨材料的組成、結(jié)構(gòu)等而不同。包括:溶釋性、耐腐蝕性、抗?jié)B入性、抗氧化性等,可歸結(jié)為化學(xué)穩(wěn)定性。與此相關(guān)的還有催化性、離子交換性等?;瘜W(xué)腐蝕:受周圍介質(zhì)作用引起的1種化學(xué)變化。發(fā)生腐蝕時(shí)不形成原電池,不產(chǎn)生電流。電化學(xué)腐蝕:與電解質(zhì)接觸時(shí)發(fā)生的1種腐蝕。在腐蝕過程中,金屬表面形成許多微小的電流。電解質(zhì)—在潮濕的環(huán)境中、溶液中或熔融狀態(tài)下能形成正負(fù)離子,能導(dǎo)電的物質(zhì)如酸、堿、鹽等。金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性:
不同金屬差別很大,金屬腐蝕是1種常見現(xiàn)象,導(dǎo)致腐蝕的基本原因可分為:腐蝕速度:可用單位時(shí)間內(nèi)單位面積的損失量or單位時(shí)間內(nèi)的腐蝕深度表示。工業(yè)上常用6類10級(jí)的耐蝕性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)p48第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能電化學(xué)腐蝕的原因:當(dāng)2種或1種金屬材料其內(nèi)部有2種不同的組成物(如2種相)時(shí),若處于同一電解質(zhì)中,∵各自不同的電極電位,低→負(fù)極,e由低極→高極→金屬表面→許多微小電流?!叩蜆O失去e→氧化反應(yīng),而高得到e→還原反應(yīng),∴低的金屬便不斷地受到腐蝕。如陽極金屬M(fèi)的溶解可寫為:MM+e;鋁的陽極氧化為:6OH+2AlAl2O3+3H2O+6e。金屬與氧化物不完全一樣,有的金屬(Al、Cr等)氧化后→Al2O3、Cr2O3等在表面→致密膜→空氣中的O2不再與金屬直接接觸,防止了繼續(xù)氧化→↗金屬抗氧化能力。而鐵所生成的FeO、Fe2O3組織疏松,O2可透過表層與Fe繼續(xù)發(fā)生作用→金屬遭受破壞。無機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能侵蝕機(jī)理:由氣相-固相反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)所決定。
p49表29定性地列出了各種陶瓷材料的耐蝕性。陶瓷、混凝土、灰漿等的耐久性取決于材料的密度、氣孔率,化學(xué)作用(溶解、溶出、氧化等)
,和物理作用(干濕作用、T變化、凍結(jié)融化等)等因素。陶瓷材料使用中也常遇到氣體侵蝕問題(CO和H2等—還原性,O2—氧化性,Cl2和SO2等—反應(yīng)性)。表29各種陶瓷材料的耐蝕性
種類酸及酸性氣體堿液及堿性氣體熔融金屬Al2O3MgOBeOZrO2ThO2TiO2Cr2O3SnO2SiO2良好差尚可尚可差良好差尚可良好尚可良好差良好良好差差差差良好良好良好良好良好尚可差差尚可SiCSi3N4
良好良好尚可尚可尚可良好BNB4C尚可良好良好尚可良好-TiCTiN差尚可差尚可--如聚四氟乙烯:不僅C-F結(jié)合很牢,且分子規(guī)整對(duì)稱易于結(jié)晶,F(xiàn)原子組成了嚴(yán)密的保護(hù)層,包圍了碳鏈→化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性:大多數(shù)較穩(wěn)定,有良好的抗腐蝕能力如。主要∵第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能分子鏈上各原子是共價(jià)鍵結(jié)合,鍵能較高,結(jié)合很牢形態(tài)特殊,使得大分子鏈上能夠參加化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)與化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)的接觸較困難。如高聚物大都是絕緣體,不會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。聚四氟乙烯PTFE:有極好的化穩(wěn)性,高溫下也不與濃酸、濃堿、有機(jī)溶劑和強(qiáng)氧化劑等起反應(yīng),在沸騰的“王水”中也毫無損傷,可在-195250℃長(zhǎng)期使用,∴獲“塑料王”的美稱;聚氯乙烯PVC:應(yīng)用極廣的重要塑料,耐酸、耐堿性好,且有一定的強(qiáng)度和剛度,可制成各種規(guī)格的管道、閥門、泵、容器以及各種防腐襯里;酚醛樹脂等熱固性塑料:∵具有化學(xué)鍵交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),耐腐蝕性也很好。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能晶態(tài)高聚物:∵長(zhǎng)鏈分子間堆砌緊密,有相當(dāng)高的化穩(wěn)性;無定形高聚物處于玻璃態(tài)時(shí):∵大分子鏈不能自由運(yùn)動(dòng),反應(yīng)基團(tuán)被固定,化學(xué)反應(yīng)也難進(jìn)行;在高彈性態(tài)和粘流態(tài)時(shí):也∵大分子鏈雜亂無章,彼此纏結(jié),許多基團(tuán)被包裹起來,難與其他反應(yīng)介質(zhì)接觸,∴與低分子物質(zhì)相比,反應(yīng)仍較緩慢。高分子材料的老化:指在加工、儲(chǔ)存和使用過程中,受化學(xué)結(jié)構(gòu)影響,在光、熱、氧、高能輻射、氣候、生物等因素的綜合作用下,失去原有性能而喪失使用價(jià)值的過程(即物理化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能變壞的現(xiàn)象)。有2種情況:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能大分子鏈間產(chǎn)生交聯(lián):線型or支鏈型結(jié)構(gòu)→體型結(jié)構(gòu),性能變僵、變脆,喪失彈性等。大分子鏈的降解:鏈長(zhǎng)度↘→相對(duì)分子質(zhì)量↓,即聚合度↘→性能變軟、變粘、脫色、喪失機(jī)械強(qiáng)度等。
強(qiáng)度與塑性
硬度
斷裂與韌性
疲勞特性和耐磨性等
2.3.2力學(xué)性能材料在使用過程中,都或多或少要經(jīng)受力的作用。材料受外力作用時(shí)的變形行為及其抵抗破壞的能力,又稱機(jī)械性能,是一系列物理性能的基礎(chǔ)。通常包括:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能
材料在載荷作用下抵抗明顯的塑性變形或破壞的最大能力。按作用力的方式不同,可分為:強(qiáng)度與塑性
1.強(qiáng)度:第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能拉伸強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度等?!卟牧现幸话愣即嬖谟芯Ц皴e(cuò)亂、空隙、氣孔、殘余應(yīng)力等,聚集體材料中又存在有不均勻性和各向異性等各種缺陷,∴多數(shù)情況下,實(shí)測(cè)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)有較大的離散性,需盡量多測(cè)幾個(gè)樣品。通常材料中缺陷越少、分子間鍵合強(qiáng)度越大,材料的強(qiáng)度也越高。拉伸強(qiáng)度:是將試片在拉力機(jī)上施以靜態(tài)拉伸負(fù)荷,使其破壞(斷裂)時(shí)的載荷。拉伸強(qiáng)度越大,說明材料越不易斷裂。不同的拉伸速度下,測(cè)得的拉伸強(qiáng)度值是不同的。一般,較慢拉伸速度下,材料的強(qiáng)度值較小。表2-10給出了一些材料的拉伸強(qiáng)度值。陶瓷材料金屬材料高分子材料長(zhǎng)石(KalSi3O8)45MgSiO368Al2O3270SiC350金剛石500Al689Cu1480Be552Mo2070Fe3450聚乙烯2239聚苯乙烯3563聚甲基丙烯酸甲酯4977尼龍67478
聚酰亞胺94表2-10一些材料的拉伸強(qiáng)度值/MPa彎曲強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度):指采用簡(jiǎn)支梁法將試樣放在兩支點(diǎn)上,在兩支點(diǎn)間的試樣上試加集中載荷,使試樣變形直至破裂時(shí)的載荷。是材料韌性、脆性的度量。計(jì)算公式為:P——破壞載荷,l——試樣在支點(diǎn)間的跨度,b、d——分別是試樣的長(zhǎng)度和厚度。b=3Pl/2bd2(N/m2)第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能2.塑性:材料在載荷作用下,應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后能產(chǎn)生顯著的殘余變形而不即行斷裂的性質(zhì)。屈服強(qiáng)度—材料在外力作用下發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力。材料拉伸時(shí)延伸率較大,代表其塑性越好。陶瓷材料的塑性最差。3.應(yīng)力-應(yīng)變曲線:應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。在材料上作用以拉伸、壓縮等外力時(shí),會(huì)相應(yīng)地發(fā)生內(nèi)應(yīng)力,按此應(yīng)力的大小產(chǎn)生應(yīng)變。=P/A
=(L-Lo)/LoP—載荷,A—橫截面積,Lo—標(biāo)距間的原始距離,L——施加P后標(biāo)距間的距離。應(yīng)力-應(yīng)變曲線按材料的組成、組織有所不同,大體上可分為5種類型(圖2-22)曲線1:開始為直線,隨后表現(xiàn)出屈服現(xiàn)象,應(yīng)力↗應(yīng)變↗→斷裂,如軟鋼;曲線2:接近于直線,但不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,曲線稍微向上凸出,突然斷裂,如玻璃、硬石塊、鑄鐵等;曲線3:開始時(shí)向上凸出(接近于指數(shù)變化),在接近斷裂時(shí)應(yīng)變
,如軟石塊、蒸壓輕質(zhì)混凝土、木材的壓縮曲線、質(zhì)硬而脆的塑料等;曲線4:開始階段接近于直線或有向上凸的趨勢(shì),隨后應(yīng)力出現(xiàn)極大值,一度屈服,然后應(yīng)力再次而斷裂,如硬而粘性大的塑料;曲線5:開始階段稍許趨于向下凹,隨后應(yīng)變同應(yīng)力的成正比,當(dāng)應(yīng)力再度時(shí)便斷裂,如軟質(zhì)橡膠。第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能彎曲屈服強(qiáng)度:指某些非脆性材料,當(dāng)載荷達(dá)到某一值時(shí),其變形繼續(xù)增加而載荷不增加時(shí)的強(qiáng)度。壓縮強(qiáng)度:也稱抗壓強(qiáng)度,是指在試樣上施加壓縮載荷至破裂(對(duì)脆性材料)或產(chǎn)生屈服現(xiàn)象(對(duì)非脆性材料),原單位橫截面積上所能承受的載荷。試樣通常為圓柱形or正方形。沖擊強(qiáng)度:是材料在高速?zèng)_擊狀態(tài)下發(fā)生斷裂時(shí)單位面積上所需的能量。4.彈性與剛度: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。反映材料剛度的指標(biāo)是彈性模量。
E表征物體變形的難易程度??v向彈性模量也稱楊氏模量。如把材料看成彈性體時(shí),在應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段的斜率即為彈性模量。代表性材料的E見表2-11。高分子材料E變化范圍較寬,是應(yīng)用多樣性的原因之一。
E=5.彈性模量:指材料在彈性極限范圍內(nèi),是應(yīng)力與應(yīng)變的比值,用E(Pa)表示:表2-11一些代表性材料的楊氏模量/N?m-2
陶瓷材料金屬材料高分子材料金剛石1.21×1012
<111>Al2O34.6×1011<001>MgO2.45×1011<100>NaCl4.4×1010<100>Si3N4(多晶)3.72×1011SiC(多晶)5.6×1011
W3.6×1011Sn5.5×1010Cu1.25×1011Zn3.5×1010Ag8.1×1010Al7.2×1010
聚乙烯0.121.05×109PMMA2.53.5×109橡膠2×105聚苯乙烯2.22.8×109尼龍62.84×109硬塑料5×1015
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能硬度PHB=(/2)D(DD2-d2)P:作用載荷,D:壓頭直徑,d:壓痕直徑。
第二章材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能能抵抗其他較硬物體壓入表面的能力。常用試驗(yàn)方法有布氏、維氏、和洛氏試驗(yàn)。布氏硬度試驗(yàn):通常將Φ10mm的堅(jiān)硬鋼球壓入材料的表面,測(cè)出表面上留下的壓痕直徑,并按下式算出布氏硬度值(HB或BHN)。洛氏試驗(yàn):測(cè)軟材料時(shí)用小鋼球;測(cè)較硬材料時(shí)可用金剛鋼石錐體。硬度計(jì)可自動(dòng)測(cè)出壓頭穿透的深度,并將深度數(shù)值轉(zhuǎn)換為洛氏硬度數(shù)值。
維氏試驗(yàn):用不同載荷的金剛錐進(jìn)行壓痕,測(cè)量微觀硬度常用材料的硬度
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 2025年度物業(yè)管理合同范本(含物業(yè)增值服務(wù))3篇
- 2025版新材料公司股權(quán)投資與市場(chǎng)推廣合作協(xié)議范本3篇
- 2024年運(yùn)輸企業(yè)掛靠經(jīng)營(yíng)協(xié)議范本
- 2024消防工程驗(yàn)收驗(yàn)收責(zé)任書模板6篇
- 2024版保管合同模板
- 二零二五年度創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型員工勞動(dòng)合同范本3篇
- 2024年標(biāo)準(zhǔn)化腳手架租賃服務(wù)協(xié)議范本版
- 二零二五年全國連鎖酒店客房及公共區(qū)域清潔服務(wù)合同3篇
- 新材料研發(fā)基地建設(shè)合同
- 辦公室改造合同
- 零星維修工程 投標(biāo)方案(技術(shù)方案)
- 護(hù)理基礎(chǔ)測(cè)試題+參考答案
- 副總經(jīng)理招聘面試題與參考回答(某大型國企)2024年
- 2024年SATACT家教培訓(xùn)合同
- 《ESPEN重癥病人營(yíng)養(yǎng)指南(2023版)》解讀課件
- 智慧茶園監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
- 2024年宜賓發(fā)展產(chǎn)城投資限公司第三批員工公開招聘高頻難、易錯(cuò)點(diǎn)500題模擬試題附帶答案詳解
- 2024年省宿州市“宿事速辦”12345政務(wù)服務(wù)便民熱線服務(wù)中心招考15名工作人員高頻考題難、易錯(cuò)點(diǎn)模擬試題(共500題)附帶答案詳解
- 2024年安徽省行政執(zhí)法人員資格認(rèn)證考試試題含答案
- 中國2型糖尿病運(yùn)動(dòng)治療指南 (2024版)
- 人教版初中九年級(jí)全冊(cè)英語單詞表
評(píng)論
0/150
提交評(píng)論