材料的组成结构性能与应用之间的关系

材料的组成结构性能与应用之间的关系一、前言
材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。

是人类赖以生存和发展的物质基础。

20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。

80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。

这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。

材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。

由于材料多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。

二、材料的分类与组成
2.1从物理化学属性来分
材料可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。

广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和
稀土金属等。

有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。

其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。

无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。

是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。

无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。

在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。

具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。

这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。

高分子是由一种或几种结构单元多次（103～105）重复连接起来的化合物。

它们的组成元素不多，主要是碳、氢、氧、氮等，但是相对分子质量很大，一般在10000以上，可高达几百万。

因此才叫做高分子化合物。

复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。

2.2从用途来分
材料又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。

2.3更常见的两种分类方法则是结构材料与功能材料；传统材料与新型材料。

结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。

功能材料则主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。

一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如铁、铜、铝等。

传统材料是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。

这类材料由于其量大、产值高、涉及面广泛，又是很多支柱产业的基础，所以又称为基础材料。

新型材料(先进材料)是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。

新型材料与传统材料之间并没有明显的界限，传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。

传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。

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二、材料的结构与组成
2.1材料的组成与结构状态
2.1.1材料的组成与结构
材料是由原子、分子或分子团以不同结合形式构成的物质。

材料的组成或构成方式不同，其性质可能有很大的差别.组成或构成方式相近的材料，其性质多具有相近之处。

由上面知道，材料包括有机材料、金属材料、无机非金属材料等，由于其组成的不同.使其各自分别具有不同的特性。

此外，即使属于相同类别的材料，由于其中原子或分子之间的结合方式及缺陷状态不同.其性质也可能有显著的差别。

依据不同的层次，材料的组成与结构可分为以下几类：
(1)材料的微观组成与结构
①原子晶体由中性原子直接构成的晶体。

原子晶体组成的材料，其质点(原子)之间主要依靠原子间的共价健相互结合为整体。

这类材料通常具有较高的强度
和硬度，在一般使用环境条件下的稳定性较好。

②金属晶体金属原子团依靠自由电子的库仑引力所构成的晶体。

在金属晶体材料中，不同的晶格或晶格间不同的组合方式，可构成不同的晶体结构，从而使其性质也有所差别.金属晶体类材料也具有较高的强度和硬度.有些还具有较好的韧性与可加工性;但在某些使用环境条件下的稳定性不及原子晶体材料，如耐高温性、耐腐蚀性等较差。

③离子晶体正、负离子间依靠离子键的结合引力构成的晶体。

离子晶体中质点(离子)间不同的离子键特性决定了离子晶体材料的性质.
④分于晶体分子或分子团间依靠非对称的电子极化引力而形成的晶体。

分子晶体结构材料中质点间的结合键(也称为范德华分子键)较弱，只能在某些环境条件下才具有较可靠的物理力学性能一般环境中其强度、硬度较低，温度敏感性强，密度较小。

（2)细观组成与结构
材料的细观结构是指以利用显微镜可以观察到的质点所构成的结构。

材料的细观结构差别往往是因为构成材料的细观粒子类型不同，或粒子间结合方式不同所造成的结果。

由于大部分材料都是多种类型的粒子所构成，且粒子间的结合又是由多种结合力共同作用的结果，因此，材料的细观结构差别情况十分复杂，从细观层次上分析研究材料的性质具有重要的实际意义。

根据构成方式的不同，材料的细观结构主要有以下几种:
①结晶体材料结晶体质点间以不同结合力相互连接构成的细观结构材料.其性质与质点(晶粒)的晶型结构、质点间的排列方式、晶格中存在的缺陷状况有关。

有些结晶体材料是由单一结晶休构成的(也称为单晶体)，它们具有较规则的排列方式和明显的界面特征，从而表现为明显的各向异性。

大部分结晶体材料是由多种结晶体以无序形式排列的(也称为多晶体)，如花岗岩等天然石材。

这种无序的排列使其难以根据质点结合键预测材料的性质。

多结晶体材料的性质通常取决
于质点间的排列方式及缺陷情况.而它们又与材料的形成条件有关，因此，可以通过改变其
形成条件来优化材料的细观结构状态，从而获得所需要的技术性质。

多晶体材料在宏观状态下通常具有各向同性的性质。

②非结晶体材料质点粒子的排列和分布处于随机无序状态的细观结构材料，也称为无定形体或玻璃体结构材料。

非结晶体结构通常是高温熔融物质急速冷却造成的结果，其化学能未能充分释放.这种现象导致其结构具有较明显的化学不德定性。

这种材料一旦遇到适当的环境就可能产生化学反应或产生重新结晶.这一性质也称为材料的潜在化学活性。

③胶体结构材抖细小颗粒质点分散于介质中形成的结构。

通常分散于流休介质中的细小颗粒的总表面积很大，且具有很强的吸附能力冬当介质减少到一定程度后，粒子间容易自行凝聚而产生授胶结构，并具有固体的性质。

因此。

这类材料也称为胶凝材料。

此外某些高分子聚合物材料，在不同条件下还会表现为不同的细观结构状态这些高分子团可能以环状、线状或链状的不同单元构成聚集休，该聚集休在较高温度时多为粘流态或高弹态的易变形体，而在较低温度下则表现为较脆的非结晶态。

其中，由高弹态向非结晶态转变的温度则称为高分子材料的玻璃化温度。

(3)材料的宏观组成与结构材料的宏观结构是指断面用裸眼或放大镜可直接观察到的组织构造。

土木工程实际中，经常在这一层次上描述与评价材料的结构状态。

根据材料的组织构成特征不同，其宏观结
构形式主要有以下几种：
①致密结构用裸眼难以直接观察出构成材料组织质点的材料结构。

通常，在10μ级以上的尺度上难以分辨出致密结构材料内部结构的孔隙、界面及其他缺陷。

②多孔结构断面可观察到较多分布孔隙的材料组织结构。

这种材料内孔隙的多少、孔尺寸大小及分布均匀程度等结构状态，对其性质具有重要的影响。

③纤维结构材料某一断面方向上表现为平行纤维间的相互粘接所构成的结构。

纤维结构材料内部细观质点间的排列具有单向排列的方向性，使其同一细纤维沿轴线方向上各质点间的连接紧密‘而相邻纤维间的横向连接疏松，从而表现为不同方向上物理力学性质有明显的各向异性。

④层状结构材料以不同薄层间的相互粘结而构成的结构。

在层状结构材料中，同一层中的质点之间连接紧密，其连接强度及传导性较强;而相邻层间的连接疏松，其连接强度及传导性较弱，也表现为明显的各向异性。

⑤堆聚结构材料内部以宏观颗粒间的相互粘结而形成的结构。

这种材料的许多性质除了与其中各颗粒本身的性质有关外，还与颗粒间的接触程度、粘结性质等有关。

三、材料的性质
3.1材料的力学性质
力学性质是指材料抵抗外力的能力及其在外力作用下的表现，通常以材料在外力作用下所表现的强度或变形特性来表示。

可分为：（1）材料的强度和比强度；（2）材料的弹性和塑形；（3）材料的脆性和韧性；（4）材料的硬度和耐磨性。

3.2材料的基本物理性质
材料的物理性质包括：（1）材料的亲水性与憎水性；（2）材料的吸湿性；（3）材料的吸水性；（4）材料的耐水性；（5）材料的抗渗性；（6）材料的抗冻性；（7）与热有关的性质等。

3.3材料的化学性质
材料的化学性质范畴很广，而就其应用主要考虑材料的化学变化和稳定性。

化学稳定性是指在工程使用环境中材料化学组成和结构能否保持稳定的性质。

不同类别材料的性质对其化学组成的依赖程度不同。

无机材料通常具有较稳定的化学组分，不会产生老化;由于其组分或化学结构的不同，其抗风化能力、耐水性、耐腐蚀性等有较大差别。

有机材料的化学组成对其物理力学性能及耐老化性能具有重要的影响，其化学组成与结构的差别往往决定了材料在使用过程中的化学稳定性(抗老化能力)、阻燃或耐热性、抗污染性、强度与刚度、耐磨
性等。

因此，根据有机材料的化学组成及结构就可以确定其能否适用于某一环境条件。

四、材料的应用
材料的应用非常广泛，且对于人类的生活影响也非常深远。

4.1在日常生活方面：
生活中和我们所使用的材料有着很大的关系。

如衣服的原料原本是取之于天然的丝棉，但是由于尼龙及人造纤维等的发明使得衣服更加丰富。

在房屋建筑上，防火建材的研发使得我们住得更安心。

未来磁浮列车的开发可让我们的交通更安全与快速。

在娱乐方面，视听产品光盘CD、影碟LD等不断地发展，使得我们的生活更享受。

4.2在家电用品方面：
由于半导体工业的发展，使电子材料从原本体积大的真空管时代经过了晶体管到现在的IC化时代，体积缩小的同时，附加的功能也随之提高。

轻薄化、小型化、速度快及易于携带等功能，改善了以前笨重、功能少且不易搬运等问题。

4.3在环境保护方面：
环境材料的发展可以减轻由于人口与日俱增带来的土地及资源紧张的压力。

所以废弃物的回收再利用更是值得开发，如再生纸，铝制
汽车……等。

至于环境质量检测上，如气体传感器可用来测定有毒气体和汽机车废气排放量及工厂的排气，另外水质污染传感器及噪音分贝机的发明，都能使我们迅速得知周遭环境的质量。

4.4在能源方面：
预计到二十一世纪末，将会出现石油、天然气等石化燃料的枯竭。

而如何去找寻一个替代品是目前相当重要的课题，所以现在正极力开发运用太阳能、水力、风力来发电以获得能源。

而太阳电池便是利用非晶硅之类的材料做成的，太阳光电能所提供的不仅是能源，并且对环保颇有贡献，在有限的传统能源及环境污染问题日趋严重的情况下，开发并使用无污染的太阳光电能乃势在必行。

另外在通讯、军事国防、太空发展等各个方面无不依赖于材料高性能化、高功能化、高智能化、复合化。