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材料的结构与性能何素芹-高分子材料贾晓林-无机材料刘胜新-金属材料无机材料的结构与性能主讲：贾晓林E-mail:jiaxlin@zzu.edu.cn13523714166什么是结构?材料的组成是指构成材料的基本单元的成分及数目，材料的结构则是指材料的组成单元（即原子或分子）之间相互吸引和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。包括构成材料的原子的电子结构（决定化学键的类型）、分子的化学结构及聚集态结构（决定材料的基本类型及材料组成相的结构）以及材料的显微组织结构（组成材料的各相的形态、大小、数量和分布等）。材料结构从宏观到微观可分成不同的层次，即宏观组织结构、显微组织结构和微观结构。结构问题的理解从化学的侧面理解原子是如何建合成分子、晶态和非晶态物质。从晶体学的侧面来分析对称性在结构方面所起的作用。从统计热力学的侧面来认识对称破缺的重要性。从信息论的论点来阐述结构与信息的关系。什么是性能？材料的性能是一种用于表征材料在给定外界条件下的行为参量(力场作用下、电场作用下、温度场作用下、磁场作用下、电磁波作用下、功能换转性)。多是指材料所固有的性质。使用性能是指材料在使用条件下的表现的行为，环境对材料使用性能的影响很大，如受力状态、气氛、介质与温度等，而使用性能对材料的寿命有很大影响。对耐火材料包括：抗渣性、抗热震性、荷重软化温度、重烧线变化等。材料性能的分类力学性能：弹性、塑性、韧性、强度、硬度、耐磨性等物理性能：电学性能、热学性能、磁学性能、光学性能等化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性、抗老化等工艺性能：可铸性、可锻性、切削加工性等结构与性能材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识的产生及其运用。换言之，材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。组成与结构（composition-structure）、合成与生产过程（synthesis-processing）、性质（properties）及使用效能（performance）称之为材料科学与工程的四个基本要素（basicelements），四要素连续在一起，便形成一个四面体（tetrahedron）。组成与结构是决定材料性能的内因，加工与制备是决定材料性能的外因。金属材料：通常是指金属元素为连合体（combination）。它们含有大量的自由电子，这些自由电子不属于任何特定的原子，而金属材料的许多性能都来自这些电子的作用。化学键以金属键为主，无方向性、饱和性。常规方法生产的金属为晶体结构；金属在常温下一般为固体，熔点较高；具有金属光泽；纯金属范性大，展性、延性也大；强度较高；自由电子的存在，金属的导热和导电性好；多数金属在空气中易被氧化。无机非金属材料：是指金属元素和非金属元素的化合物（compound）。化学键为离子键、共价键的混合键。硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能；自由电子数目少、导热性和导电性能较小；耐化学腐蚀性好；耐磨损；成型方式为粉末制坯、烧结成型有机高分子材料：是以C、H、N、O等元素为基础，由许多结构相同的子单位（链节）重复连接组成的，含有成千上万个原子，分子量很大，并在某一范围内变化。结合键主要为共价键，有部分范德华键；分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度。并有热塑性和热固性两类；力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高；质量轻；良好的绝缘性；优越的化学稳定性；成型方法较多。1绪论1.1无机非金属材料简介1.2《无机材料的结构与性能》教学内容1.1无机非金属材料简介无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。传统的无机非金属材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。传统的无机非金属材料水泥、混凝土陶瓷、玻璃耐火材料工业废弃物综合利用传统的无机非金属材料之一：陶瓷陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。传统的无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。传统的无机非金属材料之三：水泥水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥等。通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。传统的无机非金属材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料。按制造方法分为天然矿石和人造制品；按形状分为块状制品和不定形耐火材料；按热处理方式分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品。又称为特种陶瓷、先进陶瓷、高技术陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类先进的无机非金属材料先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。A.结构陶瓷主要利用其力学性能(高强度.高硬度.耐磨性.及耐高温.耐腐蚀.低密度.抗氧化等)，作为结构材料而使用。结构陶瓷的组成：氧化物(铝.铍.镁.锆等)和非氧化物(碳.氮.硫.硅.硼及赛隆等).结构陶瓷的应用：高硬度—研磨材料，磨具，轴承，切削刀具，模具高强度—工程材料部件，机械零件高温强度--燃气轮机发动机部件，柴油发动机部件耐腐蚀—泵，阀门，化工机械等耐摩擦—各种滑动部件，密封件，耐磨件等耐热性—高温炉用壁材保温绝热--绝热材料，绝热发动机部件导热性好—热交换器等B.功能陶瓷功能陶瓷主要利用材料的声、光、热、电、磁等物理特性和生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技术中起关键作用的材料。功能陶瓷有以下几类：⑴高频绝缘零件瓷主要用作高频绝缘支柱、板、管等各种绝缘子及紧固件(2)电阻基体和电感基体瓷主要用作电阻器和电感器的基体(3)电真空瓷主要用于真空电子器件中的绝缘、耐热、支承件、密封件、集成电路管壳和基片等(4)电容器瓷用于高频电路的温度稳定的电容器瓷；用于高频电路起温度补偿作用的电容器瓷；用于高频高功率电路、高压电路和高脉冲电路的多种陶瓷；是电子陶瓷中产量最大、品种最多的一类陶瓷（5）铁电陶瓷是一种具有铁电性的陶瓷材料，其特点是在瓷体中存在自发的带电小区域，称为电畴，因而，它具有许多特殊的功能，除有极高的介电常数外，还有介电常数随温度、电场变化的非线形，对光的各向异性，双折射特性，电致应变以及相变引起的各种特性变化和偶合等性能（6）压电陶瓷经极化处理后的铁电陶瓷。是一种将变化的力转换为电或将电转换为振动的功能陶瓷。用做换能器、调节器、超声波发生器和微位移发生器等（7）半导体材料导电性介于金属和绝缘体之间的陶瓷，其电导率受控于外界条件。可用于制造敏感元件和传感器，如热敏、电压敏、光敏、气敏、湿敏等（8）导电材料电子电导有氧化物、碳化物半导体，离子电导有固体电介质陶瓷，可做高温发热体、微波吸收材料、大功率电阻器、SnO2系统薄膜可做透明电极，用于各种显示器材（9）磁性材料由铁离子、氧离子及其他金属离子所组成的复合氧化物。可代替低电阻的金属和合金磁性材料（10）生物陶瓷用作人造骨骼和牙齿等，与人体和生物组织有较好的相容性。惰性生物材料如Al2O3、ZrO2等一些氧化物和碳材及SiC等一些非氧化物陶瓷材料。活性生物材料（在生物体内发生分解、吸收、反应、析出）含有CaO和P2O5两种成分（11）环境保护用陶瓷用于清洁空气处理污水，如TiO2及其掺杂系列材料（12）薄膜材料•以金属，有机及无机化合物等为原料，采用特殊工艺在一定材料（又称衬底或底材）的表面上涂覆的厚度约为0.01μm至数μm的一层或多层涂层材•薄膜：膜厚小于1μm，厚膜：膜厚大于1μm•ZnO薄膜可用于制造压力传感器PbTiO3薄膜可用于制造超声传感器和红外传感器SiC、CoO-MnO等热敏陶瓷材料制造温度传感器ITO，ZAO膜可做透明电极，用于光电器件和显示器件等1.2《无机材料的结构与性能》课程简介是为材料科学与工程学院各专业硕士研究生开设的《材料的结构与性能》必修课的一个组成部分。本课程着重介绍了无机材料的结合能、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶体结构、固体的表面结构及其与材料性能的关系。主要参考教材：《无机材料科学》，杨久俊主编《无机材料的结构与性能》教学内容第一章绪论第二章固体的结合力、结合能与材料性能的关系第三章晶体结构及其与材料性能的关系第四章非晶体结构及其与材料性能的关系第五章晶体结构缺陷及其与材料性能的关系第六章固体的表面结构与行为下面以Zr02材料为例，说明结构对性能及使用的影响纯的氧化锆是从ZrSi04锆矿中以化学方法提取的。它具有三种晶体结构：单斜、四方和立方结构。在1170℃以下单斜晶体结构是稳定的。从1170℃到2370℃是四方晶体结构，从2370℃到熔点2680℃立方晶体结构是稳定的。通过加入低价离子代替部分锆可以把立方晶体结构稳定到室温。立方Zr02具有萤石的结构，02-离子排成简单立方，在点阵的1/2处占据着Zr4+间隙原子，具体结构如图所示。低价阳离子置换Zr4+导致02-离子空位的形成。空位稳定了结构，同样导致在氧的亚晶格中高的迁移率。Zr02中Vo¨的大量产生使高温下O2-容易移动。当Vo¨浓度比较小时，离子电导率与Vo¨的浓度成正比，当Vo¨浓度比较大时，离子电导率达