工程材料第二章材料的結(jié)構(gòu)

工程材料第二章材料的結(jié)構(gòu)第一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體的基本概念：第二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日晶胞的表示方法：第三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日二、常見(jiàn)的金屬晶格：1.體心立方晶格：BCC（bodycentredcubic）

第四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日體心立方晶胞的原子半徑、原子數(shù)及致密度：aa原子半徑:晶胞原子數(shù):n=1/8×8+1=2配位數(shù):Z＝8(體心的原子與8個(gè)頂角原子等距且最近鄰)致密度:

第五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.面心立方晶格：FCC（facecentredcubic）

第六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)面心立方晶格aa原子半徑:晶胞原子數(shù):n=1/8×8+1/2×6=4配位數(shù):Z＝12致密度:

第七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日3.密排六方晶格：HCP（hexagonalclose-packed

）第八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)密排六方晶格兩個(gè)簡(jiǎn)單六方晶格穿插在一起構(gòu)成密排六方晶格原子半徑:晶胞原子數(shù)：n=1/6×12+1/2×2+3=6配位數(shù):Z＝12致密度:

軸比：c/a

1.633

第九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日三、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)：晶向指數(shù)[uvw]或<uvw>；晶向指數(shù)的確定：晶面指數(shù)(hkl)或{hkl}

晶面指數(shù)的確定：第十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)實(shí)際金屬的組織結(jié)構(gòu)1.多晶體結(jié)構(gòu)：第十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.晶體缺陷：（1）點(diǎn)缺陷：第十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日（2）線缺陷：第十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日高溫合金中位錯(cuò)線的TEM像：第十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日鈦合金中位錯(cuò)線的TEM像:第十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)ττ位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)示意第十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日（3）面缺陷：第十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日工業(yè)純鐵的晶界:第十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日晶界和孿晶界TEM衍襯像：第十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日界面原子排列的TEM像：第二十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)（一）固溶體：1.置換固溶體：2.間隙固溶體：第二十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日形成固溶體時(shí)的晶格畸變：第二十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日3.固溶體的性能：通過(guò)形成固溶體，使得材料的強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)是提高材料的強(qiáng)度和硬度，但塑性和韌性有所降低。固溶強(qiáng)化強(qiáng)度指標(biāo)有限，不能滿足生產(chǎn)上的需要。固溶體的物理性能有所變化。第二十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日合金元素對(duì)α-Fe的固溶強(qiáng)化：第二十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日（二）金屬化合物：金屬化合物能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而通常會(huì)降低其塑性和韌性。當(dāng)金屬化合物以細(xì)小的顆粒均勻分布在固溶體基體上，使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性大大提高的方法稱為彌散強(qiáng)化。Fe3C的晶格結(jié)構(gòu)（圖2-18）。第二十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)間隙相VC的晶體結(jié)構(gòu)間隙化合物Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)第二十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)§3.3

高分子材料的結(jié)構(gòu)StructureofPolymerMaterials

一、高分子材料的基本概念1．高分子化合物高分子化合物是指由一種或多種簡(jiǎn)單低分子化合物聚合而成的相對(duì)分子質(zhì)量很大的化合物，所以又稱為聚合物或高聚物。高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量一般在104以上，甚至達(dá)到幾十萬(wàn)或幾百萬(wàn)以上，它是由成千上萬(wàn)個(gè)原子以共價(jià)鍵相連接的大分子化合物。通常把相對(duì)分子質(zhì)量小于5000的稱為低分子化合物；而大于5000的則稱為高分子化合物。第二十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)2．單體與鏈節(jié)單體用于聚合形成大分子鏈的簡(jiǎn)單低分子化合物稱為單體，它是化合物獨(dú)立存在的基本單元，鏈節(jié)高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量很大，主要呈長(zhǎng)鏈形，因此常稱為大分子鏈或分子鏈。大分子鏈極長(zhǎng)，是由許許多多結(jié)構(gòu)相同的基本單元重復(fù)連接構(gòu)成的，組成大分子鏈的這種特定的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)。鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)和成分代表了高分子化合物的結(jié)構(gòu)和成分。第二十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)3．高分子材料的分類及命名通常高分子材料采用習(xí)慣命名法，在原料單體名稱前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯等。由兩種單體縮聚而成的聚合物，如果結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜或不太明確，則往往在單體名稱后加上“樹(shù)脂”二字來(lái)命名，如由苯酚和甲醛合成的聚合物叫做“酚醛樹(shù)脂”。只用一種單體成分合成的聚合物稱為均聚物；使用兩種或多種不同單體成分合成的聚合物稱為共聚物。有時(shí)為了簡(jiǎn)化，往往采用英文縮寫名稱，如聚乙烯用PF，聚氯乙烯用PVC等。

第二十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)第三十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)二、高分子材料的分子鏈結(jié)構(gòu)高分子材料的分子鏈結(jié)構(gòu)是指組成高分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成、鍵接方式、空間構(gòu)型，高分子鏈的幾何形狀及構(gòu)象等。1．分子鏈的化學(xué)組成根據(jù)鏈節(jié)中主鏈化學(xué)組成的不同，高分子鏈主要有以下幾種類型。第三十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)碳鏈高分子高分子主鏈?zhǔn)怯上嗤奶荚右怨矁r(jià)鍵連接而成。如：—C—C—C—C—或—C—C＝C—C—

雜鏈高分子

高分子主鏈?zhǔn)怯蓛煞N或兩種以上的原子構(gòu)成的，即除碳原子外，還含有氧、氮、硫、磷、氯、氟等原子。如：—C—C—O—C—C—、—C—C—N—C—C—

元素有機(jī)高分子

高分子主鏈一般由無(wú)機(jī)元素硅、鈦、鋁、硼等原子和有機(jī)元素氧原子等組成。如：

—O—Si—O—Si—O—第三十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)2．高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和構(gòu)型大分子鏈形成后，由共價(jià)鍵固定的鏈內(nèi)原子和原子團(tuán)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

結(jié)構(gòu)單元在鏈中的連接方式和順序決定于單體及合成反應(yīng)的性質(zhì)。空間構(gòu)型高分子中結(jié)構(gòu)單元由化學(xué)鍵所固定的原子在空間的幾何排列稱為分子鏈的構(gòu)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(gòu)型。

第三十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)3．高分子鏈的幾何形狀

在合成聚合物的過(guò)程中，可以發(fā)生各種各樣的反應(yīng)形式，所以高分子鏈也會(huì)呈現(xiàn)出各種不同的形態(tài)。一般說(shuō)來(lái)，高分子鏈的幾何形狀有以下三種：

線形高分子由許多鏈節(jié)組成的長(zhǎng)鏈，通常是卷曲成線團(tuán)狀。這類高聚物的特點(diǎn)是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性高聚物。

第三十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)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。

體形（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(jié)構(gòu)。這類高聚物的硬度高、脆性大、無(wú)彈性和塑性，是熱固性高聚物。

第三十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)4．高分子鏈的構(gòu)象及柔順性高分子鏈的構(gòu)象

由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象，稱為高分子鏈的構(gòu)象。高分子鏈的柔順性由構(gòu)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(zhuǎn)難易程度有關(guān)。C1

109o28，ˊ

C2

C3C4碳鏈C—C鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)示意圖伸展鏈無(wú)規(guī)線團(tuán)鏈折疊鏈螺旋鏈

單個(gè)大分子鏈的幾種構(gòu)象示意圖第三十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)三、高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)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)。高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，也稱為超分子結(jié)構(gòu)，它是在高分子材料加工成型過(guò)程中形成的。顯然，高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與高分子材料的性能有著直接關(guān)系。第三十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)§3.4無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)StructureofInorganicNonmetallicMaterials(Ceramics)

陶瓷材料一般由三部分組成：晶體相、玻璃相、氣相一、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(xué)、物理、化學(xué)性能。第三十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)

1.氧化物結(jié)構(gòu)氧化物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是較大的氧離子緊密排列成晶體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的氧化物。結(jié)構(gòu)類型晶體結(jié)構(gòu)

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(jiǎn)單四方TiO2(金紅石)、SiO2(高溫方石英)等A2X3型菱形晶體α-Al2O3(剛玉)ABX3型簡(jiǎn)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多種第三十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)

2.硅酸鹽結(jié)構(gòu)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。普通水泥是人們最熟悉的硅酸鹽，它最明顯的優(yōu)勢(shì)是能將巖石骨料結(jié)合成整塊材料。硅酸鹽四面體單元硅氧四面體單元按照不同的連接方式構(gòu)建起來(lái)，就形成各種各樣的硅酸鹽材料。O2－Si4+硅氧四面體結(jié)構(gòu)第四十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)硅氧四面體的各種連接方式第四十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)二、玻璃相

玻璃相是陶瓷高溫?zé)Y(jié)時(shí)各組成物和雜質(zhì)產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)后形成的一種非晶態(tài)物質(zhì)。它的結(jié)構(gòu)是由離子多面體（如硅氧四面體）構(gòu)成短程有序排列的空間網(wǎng)絡(luò)。玻璃相在陶瓷組織中的作用是：粘結(jié)分散的晶體相，降低燒結(jié)溫度，抑制晶粒長(zhǎng)大和填充氣孔使陶瓷致密等。玻璃相的熔點(diǎn)低、熱穩(wěn)定性差，使陶瓷在高溫下容易產(chǎn)生蠕變，從而降低高溫下的強(qiáng)度。第四十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)三、氣相

氣相是指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔，是在陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中形成，并被保留下來(lái)的。陶瓷中的氣孔有開(kāi)放氣孔和封閉氣孔兩種。氣孔對(duì)陶瓷性能有顯著影響。因此生產(chǎn)上要控制氣孔數(shù)量、大小及分布。陶瓷材料的氣孔量是衡量陶瓷材料質(zhì)量的重要標(biāo)志。普通陶瓷的氣孔率為5％～10％，特種陶瓷在5％以下，金屬陶瓷要求在0.5％以下。第四十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)§3.5液晶態(tài)結(jié)構(gòu)StructureofLiquidCrystal一、晶體和液體間的過(guò)渡態(tài)

液晶是晶體、液體和非晶態(tài)固體之間的一種過(guò)渡態(tài)。液晶有液體的流動(dòng)性，又具有晶體的某些各向異性。F．Reinitzer在1888年首先觀察到液晶現(xiàn)象，他在測(cè)定有機(jī)物熔點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某些有機(jī)物熔化后，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)不透明的渾濁液態(tài)階段，只有繼續(xù)加熱，才成為透明的各向同性液體。翌年，O.Lehmann也觀察到同樣現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)渾濁狀液體中間相具有和晶體相似的性質(zhì)，故稱為“液晶”（Liquidcrystals）。第四十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)二、液晶的分類1．按形成條件分類（1）熱致性液晶指材料通過(guò)升溫至熔點(diǎn)或玻璃化溫度（Tg）以上才進(jìn)入液晶狀態(tài)的液晶。目前在技術(shù)中直接應(yīng)用的液晶都是屬于熱致性液晶。（2）溶致性液晶是由符合一定結(jié)構(gòu)要求的化合物與溶劑組成液晶體系，由兩種以上化合物組成。這類分子需要形成一定的溶液后，方顯現(xiàn)出液晶的性質(zhì)，故又稱溶變型液晶。第四十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)

2．按結(jié)構(gòu)分類從液晶的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特征來(lái)看，可將液晶分為三類：（1）向列相液晶（Nematic）這類液晶的薄膜在偏光顯微鏡下觀察時(shí)，呈現(xiàn)絲狀組織。其特點(diǎn)是桿狀分子廣泛的平行排列，沿縱向容易移動(dòng)。向列相液晶分子取向有序，位置則是隨機(jī)的。第四十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)（2）膽甾相液晶（Cholesteric）這類液晶實(shí)際上是向列相液晶的一種特例情況（一種畸變態(tài)），它由相互重疊的“向列相”平面堆積而成。這是一種扭曲的結(jié)構(gòu)，具有特殊的光學(xué)性質(zhì)，如特別高的旋光性，對(duì)圓偏振光有特殊的選擇型反射。（3）近晶相液晶（Smectic）這類液晶在濃肥皂水溶液中，顯現(xiàn)出特有的偏光顯微鏡像（皂相）。這類液晶分子排列分層，且有同一方向排列的特征，比較接近晶體。近晶相液晶除了取向有序外，它們的分子重心組成層狀結(jié)構(gòu)，故又稱層型液晶。第四十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)三、液晶分子排列結(jié)構(gòu)

液晶分子主要有三種排列結(jié)構(gòu)，即向列相、膽甾相、近晶相。隨著溫度的升高，液晶會(huì)從有序程度高的狀態(tài)，逐步變?yōu)闊o(wú)序的各向同性液相狀態(tài)。（a）向列相（b）膽甾相（c）近晶相液晶分子的排列情況示意圖第四十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日材料學(xué)基礎(chǔ)四、聚合物液晶

要形成聚合物液晶的首要條件是聚合物中有生成液晶態(tài)分子結(jié)構(gòu)單元或液晶基元，也就是說(shuō)要有棒狀或條狀分子存在。

聚合物液晶是有機(jī)分子液晶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上再引入高分子而成。根