材料概论-第二章.ppt

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1、第二章材料科学与工程的四个基本要素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。第二章材料科学与工程的四个基本要素合成与加工性质/使用性能结构（化学）（工程）（物理学）组成第二章材料科学与工程的四个基本要素MSE四要素组成结构合成与加工性质和使用性能两个重要内容仪器与设备分析与建模工艺的影响2.1材料的组成地壳中各元素的储量材料所用的原料均取自于地壳，地壳的90％是由O、Si、Al、Fe、Ca五种主要元素构成。1、

2、地壳中主要元素储量名次名称含量％主要存在形式占地壳总重％1O49.13H2O、岩石、有机体90.03>992Si26SiO2、800种矿物1/33Al7.45岩石（长石、云母）4Fe4.2300种矿物5Ca3.25CaCO3、CaSO4、CaSiO49.56Na2.47K2.358Mg2.359Ni2.24其余90多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％。地壳中主要元素储量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

3、。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种地壳中矿物组成可分为5类：单质矿物90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、Ag、Au、Pt、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

4、形成的盐，阳离子主要是K+、Na+、Ca++、Mg++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。2、材料的化学组成金属单质、合金如Fe、Al、Cu、Ti陶瓷MOx、M(OH)x、非金属氧化物如Al2O3、MgO、TiO2、ZnO、SiO2、SiC、BN水泥SiO2－CaO－Al2O3－Fe2O3玻璃SiO2－CaO－Na2CO3有机高分子C（为主）结合H、O还结合N、SP、Cl、F、Si等聚合度300－2500，分子量2－16万2.2、材料的结构定义:组成材料的原子或分子之

5、间的空间分布。材料的结构决定材料的性能。内涵：包含化学成分、晶体结构和缺陷、相组成、形貌等。材料的结构键合结构晶体结构组织结构电负性：不同元素的原子在分子中吸引电子的能力,与原子的亲合能和第一电离能之和成正比电负性与键性的关系▲电负性小的原子结合形成金属键；▲电负性大的原子结合形成共价键；▲电负性相差大的不同原子结合形成离子键；▲电负性相差小的不同原子结合形成共价键和离子键的混合键。2.2.1、材料中的化学键金属键－金属离子与自由电子相互吸引所形成的结合力。无方向性和饱和性－电子可在晶格之间自由活动。2.2.

6、1、材料中的化学键离子键－正负离子之间的引力所形成的键力。无方向性有饱和性，配位数高、紧密堆积2.2.1、材料中的化学键共价键－两个或多个原子相互吸引、共用若干电子所形成的键力。有方向性和饱和性配位数低、堆积密度低。2.2.1、材料中的化学键范德华键－分子之间的作用力。较弱，作用能在几十kj/mol以下。（化学键120－600kj/mol）氢键－氢原子在分子中与一个原子A结合时，还与另一个原子B结合的附加键。比范德华键略强。如H2O、HCl金属金属键无机非金属离子键/共价键高分子共价键、范德华键、氢键键型共价

7、键离子键金属键范德华键氢键两个相邻原子共享一对电子电子迁移，形成离子所有原子共享电子极化使分子之间产生作用力结构特点有饱和性，有方向性；低配位，低密度有饱和性,无方向性高配位，中等密度无饱和性,无方向性；配位数很高，高密度有饱和性无方向性有饱和性热学性质熔点高、热膨胀系数小熔点高、热膨胀系数小熔点有高有低、导热性良好熔点低、高膨胀性光学性质高折射率多无色或浅色透明，对红外线吸收强不透明、有金属光泽透明力学性质强度高、坚固、硬度高强度高、坚固、硬度高强度有高有低、有塑性疏松、质软导电性不导电固体不导电,熔化或溶

8、解后导电良不导电其它除链状高分子材料外,大多数延展性较差延展性良好键型特点与物质物性的关系▲实际上的凝聚态物质的键合情况往往不是单一的，而是混合的▲电负性是一个非常有用的概念，可用来定性判断形成凝聚态所采取的结合类型。▲物质的键合方式决定其性能。在熔点、硬度上反映明显。结合能大的材料，具有高强度、高熔点。键合结构对材料性能的影响键合结构对材料性能的影响2.2.2、晶体结构1、晶体结构2、晶体的缺陷。