材料科学与工程四个基本要素

材料的化学组成
材料概论 Materials Conspectus
单质、合金。 Fe、Al、Cu、Ti、Zn、Mg、 金属 单质、合金。如Fe、Al、Cu、Ti、Zn、Mg、Ni 金属元素和非金属元素组成的化合物， 无机非金属 金属元素和非金属元素组成的化合物，通常 为氧化物、氮化物、碳化物等。 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 － 为主）结合H 有机高分子 C（为主）结合H、O 还结合N Cl、 Si等 还结合N、S、P、Cl、F、Si等 聚合度300 2500，分子量2 16万 300－ 聚合度300－2500，分子量2－16万
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宏观结构
材料概论 Materials Conspectus
• 涂层：汽车车身上的油漆等，不仅仅为了美 观，还提高了抗腐蚀性能。 • ～>10-6 m (1000,000 nm).
无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀， 无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀，并且使其更加 20 材料与化学化工学院 美观。 美观。
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显微结构
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• 大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响 很大， 很大，晶粒和晶界是晶态材料显微结构特征的一 部分。 部分。 • 通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度。材 通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度。 料很多重要的性质也受到显微结构显著的影响。 料很多重要的性质也受到显微结构显著的影响。 • 10-8 ～10-6 m (10～1000 nm)。 (10～ nm)。 不锈钢材料的 显微结构（晶 粒和晶界）
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2.2 材料的结构
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• 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。 包含形貌、化学成分、相组成、 包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等 内涵。 内涵。 • 材料的结构决定材料的性能。 材料的结构决定材料的性能。 • 材料结构的描述： 材料结构的描述： 宏观组织结构: 1. 宏观组织结构: >1000,000 nm 微观显微结构: 2. 微观显微结构: 10 ～1000 nm 3. 纳米结构: <100nm 纳米结构: 键合结构: 原子/ 4. 键合结构: 原子/离子间的化学键 原子结构: 5. 原子结构: 原子的电子结构 材料与化学化工学院
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第二章 材料科学与工程的四个基本要素
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• 总论
材料的使用依赖于材料的性能， 材料的使用依赖于材料的性能，而其性能都是由 性能 其化学组成和结构决定的。 化学组成和结构决定的。 决定的 只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的关 只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的关 组成 系，才能有效地选择制备和使用材料。 才能有效地选择制备和使用材料。
金刚石涂层刀具材料与化学化工学院
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原子排列： 原子排列：长程有序
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• 锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3 （PZT） 锆钛酸铅Pb(ZrxTi1PZT） Pb(ZrxTi1 • 当晶体结构中离子配位多面体以四面体和菱面体 的方式排列时，材料表现出压电性能。 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 陶瓷广泛地应用于点火装置、 及振动控制。 及振动控制。 • 10-10 ～ 10-9 m (1～10Å) 1010(1～
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地壳中的矿物组成：
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• 单质矿物：90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、Ag 、Au、 单质矿物：90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、 Au、 多种 0.1％。Cu Pt、Bi、Sb、 Pt、Bi、Sb、C、S。 • 硫化物类矿物：200多种，占地壳总重的75％。其中 硫化物类矿物：200多种，占地壳总重的75％。其中 多种 75％。 Sn和 75％。 FexSn和H2S 占75％。 • 氧化物类矿物：有200多种，占地壳总重的17％。Fe、 氧化物类矿物： 200多种 占地壳总重的17％。Fe 多种， 17％。Fe、 Cr、Mn、Al、Ti、Sn、Nb、Ta、 Re等元素的重要矿 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 卤化物类矿物：氢氟酸、盐酸、溴氢酸、 的盐，阳离子主要是K 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、 含氧盐类矿物：占已知矿物的2/3 硅酸盐、硫酸盐、 2/3。 9 材料与化学化工学院 磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等。 磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等。
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材料的相组成
• 金属：单相材料 金属：
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• 普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔多相材料。 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。 水泥： 多相材料。 、 、 、 • 玻璃：单相材料 玻璃： • 高分子：单相材料 高分子： • 复合材料：多相材料 复合材料：
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纳米结构
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• 纳米氧化铁(～5-10 nm) 颗粒分散在液体 纳米氧化铁( 制备铁磁流体和液态磁体， 中，制备铁磁流体和液态磁体，用于扩音 器的传热冷却。 器的传热冷却。 • 10-9 ～ 10-7 m (1～100 nm)。 (1～ nm)。
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• 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。 材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响。 14
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原子结构
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• 金刚石 • C-C共价键结合的金刚石硬度大、熔点高，其在 共价键结合的金刚石硬度大、熔点高， 共价键结合的金刚石硬度大 切割刀具上的薄膜涂层使其具有较好的抗磨损性 能。 • ～10-10 m （1Å）
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原子排列：短程有序 原子排列：
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• 硅玻璃 硅玻璃(SiO2) 中Si+4和O-2 形成四面体，四面体之间的 形成四面体， 连接是无序的，故而称为短程有序，即无定形结构。 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。 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) ～
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地壳中主要元素的储量
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其余90多种元素的重量加起来不到地壳总重的 ％。 其余 多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％。 多种元素的重量加起来不到地壳总重的
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地壳中主要元素的储量
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•自然界中的元素和物质 自然界中的元素和物质
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• 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 人类从天然材料的使用到人造材料的制备, 所孕含的元素和物质的存在形式密切相关。 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。 材料所用的原料均取自于地壳。
• Cu、Zn、Pb的含量分别为0.0006％、0.0009％、 Cu、Zn、Pb的含量分别为0.0006％、0.0009％、 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， ％，但这些元素有很强的富集能力 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。 达到百分之几、百分之几十。 2000－ 100多种 • 已知矿物约有2000－3000种，最常见的有100多种。 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 金属、玻璃、陶瓷、 • 矿物。 矿物。 • 在103种元素中，惰性元素6 种 103种元素中 惰性元素6 种元素中， • 非金属元素16 非金属元素16 种 • 金属元素81 金属元素81 种
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不同层次的结构
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• 原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的 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; 物质层次 • 键合结构 描述原子 离子间的化学键性质 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 纳米结构: • 显微组织（显微结构 Microstructure）指多晶材料的 显微组织（显微结构, ） 微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、 微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、 亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、 亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹 有序化等。 杂、有序化等。 • 宏观组织（Macrostructure）如材料的孔隙、岩石的 宏观组织（ ）如材料的孔隙、 木材的纹理（纤维状） 层 理、木材的纹理（纤维状）等。
2.2.1 原子结构
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• 原子的结构影响到原子之间的键合，并进一步影响到材 原子的结构影响到原子之间的键合， 料的力学性能和物理性质。 料的力学性能和物理性质。 • Atoms=nucleus (protons and neutrons) + electrons • 电荷: 电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷， 电荷: 电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷， 库仑。 1.6 ×10-19 库仑。 • 中子是电中性的。 中子是电中性的。 • 质量: 质子和中子具有相同的质量, 1.67 × 10-27 kg. 质量: 质子和中子具有相同的质量, • 电子的质量较小, 在计算原子的质量时往往可忽略9.11 电子的质量较小, 在计算原子的质量时往往可忽略9.11 × 10-31kg • 原子质量(A) = 质子质量+ 中子质量 原子质量(A) 质子质量+ 21 • 质子= atomic number (Z) 材料与化学化工学院 质子=
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• 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
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材料概论 Materials Conspectus • 2.1 材料的组成 • 材料由原子和分子组合而成。 材料由原子和分子组合而成。 化学组成： • 材料的化学组成：组成材料最基本、独立的物 材料的化学组成 组成材料最基本、 质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和 可为纯元素或稳定的化合物， 数量。 数量。 • 材料的相组成：材料中具有同一化学成分并且结 材料的相组成 相组成： 构相同的均匀部分称为相 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。可分为单相材料、 和数量称为相组成。可分为单相材料、多相材 相组成 料。
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地壳中主要元素的储量
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• 氧(O)：50%，存在于水、岩石和各种有机体 ： ，存在于水、 • 硅(Si)：25%，存在于 ： ，存在于800余种硅酸盐矿物中 余种硅酸盐矿物中 ： ， 90% • 铝(Al)：8.23%，存在于岩石矿物中 • 铁(Fe)：5.8%，存在于 ： ，存在于300余种矿物中 余种矿物中 • 钙(Ca)：5.2%， 以碳酸盐、硫酸盐和硅酸 ： ， 以碳酸盐、 • 盐等形式存在。 盐等形式存在。 • 此外，钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钛(Ti) 此外， 、 、 、 • 上述九种元素约占地壳总重量的 上述九种元素约占地壳总重量的99% 以上。 以上。