《材料四要素》PPT课件

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1、第二章材料科学与工程的四个基本要素总论材料的使用依赖于材料的性能，而其性能都是由其化学组成和结构决定的。只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的关系，才能有效地选择制备和使用材料。2本章主要内容一．材料的组成二．材料的结构三．材料的合成与加工四．材料的性质与使用性能32.1材料的组成材料由原子和分子组合而成。材料的化学组成：组成材料最基本、独立的物质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和数量。材料的相组成：材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分称为相。组成材料的相的种类和数量称为相组成。可

2、分为单相材料、多相材料。4人类从天然材料的使用到人造材料的制备,材料的发展与地球中所孕含的元素和物质的存在形式密切相关。材料所用的原料均取自于地壳。自然界中的元素和物质5地壳中主要元素的储量氧(O)：50%，存在于水、岩石和各种有机体硅(Si)：25%，存在于800余种硅酸盐矿物中铝(Al)：8.23%，存在于岩石矿物中铁(Fe)：5.8%，存在于300余种矿物中钙(Ca)：5.2%，以碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐等形式存在。此外，钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钛(Ti)上述九种元素约占地壳总重量的

3、99%以上。90%6地壳中主要元素的储量其余90多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％。7地壳中主要元素的储量Cu、Zn、Pb的含量分别为0.0006％、0.0009％、0.000001％，但这些元素有很强的富集能力，经富集可达到百分之几、百分之几十。已知矿物约有2000－3000种，最常见的有100多种。金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自矿物。在103种元素中，惰性元素6种非金属元素16种金属元素81种8地壳中的矿物组成：单质矿物：90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、Ag、Au、Pt

4、、Bi、Sb、C、S。硫化物类矿物：200多种，占地壳总重的75％。其中FexSn和H2S占75％。氧化物类矿物：有200多种，占地壳总重的17％。Fe、Cr、Mn、Al、Ti、Sn、Nb、Ta、U、Re等元素的重要矿物。卤化物类矿物：氢氟酸、盐酸、溴氢酸、氢碘酸所形成的盐，阳离子主要是K+、Na+、Ca2+、Mg２+等。含氧盐类矿物：占已知矿物的2/3。硅酸盐、硫酸盐、磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等。9材料的化学组成金属单质、合金。如Fe、Al、Cu、Ti、Zn、Mg、Ni无机非金属金属元素和非金属元

5、素组成的化合物，通常为氧化物、氮化物、碳化物等。陶瓷Al2O3、TiO2、ZnO、SiO2、SiC、Si3N4、BN水泥SiO2－CaO－Al2O3－Fe2O3玻璃SiO2－CaO－Na2O有机高分子C（为主）结合H、O还结合N、S、P、Cl、F、Si等聚合度300－2500，分子量2－16万10材料的相组成金属：单相材料普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔多相材料。水泥：C2S、C3S、C3A、C4AF多相材料。玻璃：单相材料高分子：单相材料复合材料：多相材料112.2材料的结构材料的结构是指材料的组元

6、及其排列和运动方式。包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等内涵。材料的结构决定材料的性能。材料结构的描述：1.宏观组织结构:>1000,000nm2.微观显微结构:10～1000nm3.纳米结构:<100nm4.键合结构:原子/离子间的化学键5.原子结构:原子的电子结构12不同层次的结构原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的物质层次;键合结构:描述原子/离子间的化学键性质纳米结构:纳米尺度上的结构显微组织（显微结构,Microstructure）指多晶材料的微观形貌、晶体学结构和取向

7、、晶界、相界、界面相、亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹杂、有序化等。宏观组织（Macrostructure）如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理（纤维状）等。13金的(111)晶面结构（原子力显微镜）材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响。14原子结构金刚石C-C共价键结合的金刚石硬度大、熔点高，其在切割刀具上的薄膜涂层使其具有较好的抗磨损性能。～10-10m（1Å）金刚石涂层刀具15原子排列：长程有序锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3（PZT）当晶体结构中离子配位多面体以四面

8、体和菱面体的方式排列时，材料表现出压电性能。PZT陶瓷广泛地应用于点火装置、超声波发生器及振动控制。10-10～10-9m(1～10Å)16原子排列：短程有序硅玻璃(SiO2)中Si+4和O-2形成四面体，四面体之间的连接是无序的，故而称为短程有序，即无定形结构。无定形的硅玻璃构成了光学通信工业的基础。10-10～10-9m(1～10Å)17纳米结构纳米氧化铁(～5-10nm)颗粒分散在液体中，制备铁磁流体和液态磁体，用于扩音器的传热冷却。10-9～10-7m(1～100nm)。1