材料结构与性能的关系

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通过阅读文献，我了解了关于新型材料的一些基础知识。

新型材料是指那些新近发展或正在发展的、具有优异性能和应

用前景的一类材料。新型材料的特征：

（1）生产制备为知识密集、技术密集和资金密集；

（2）与新技术和新工艺发展密切结合。如：大多新型材料通过

极端条（如超高压、超高温、超高真空、超高密度、超高频、

超高纯和超高速快冷等）形成。

（3）一般生产规模小，经营分散，更新换代快，品种变化频繁。

（4）具有特殊性能。如超高强度、超高硬度、超塑性，及超导

性、磁性等各种特殊物理性能。

（5）其发展与材料理论关系密切。

新型材料的分类，根据性能与用途分为新型结构材料和功能材料。新型结构材料是指以力学性能为主要要求，用以制造各种机器零件和工程结构的一类材料。新型结构材料具有更高力学性能（如强度、硬度、塑性和韧性等），能在更苛该介质或条件下工作。

功能材料指具有特定光、电、磁、声、热、湿、气、生物等性能的种类材料。广泛用于能源、计算机、通信、电子、激光、空间、生命科学等领域。根据材料本性或结合键分为金属材料、元机非金属材料、高分子材料、复合材料

新型材料，在国民经济中具有举足轻重的地位。对新一代材

料的要求是：（1）材料结构与功能相结合。（2）开发智能材料。

智能材料必须具备对外界反应能力达到定量的水平。目前的材料还停留在机敏材料水平上，机敏材料只能对外界有定性的反应。

（3）材料本身少无污染，生产过程少污染，且能再生。（4）制造材料能耗少，本身能创造新能源或能充分利用能源。

材料科学发展趋势：（1）研究多相复合材料。指两个或三个主相都在一个材料之中，如多相复合陶瓷材料，多相复合金属材料，多相复合高分子材料，金属—陶瓷、金属—有机物等。（2）研究并开发纳米材料。①把纳米级晶粒混合到材料中，以改善材料脆性。②利用纳米材料本身的独特性能。

基于材料结构和性能关系研究的材料设计,其核心科学问题有三:

(l)寻找决定材料体系特性的关键功能基元；

(2)材料微观结构和宏观功能特性的关系的研究；

(3)基于功能基元材料体系的设计原理。

各种新型材料的开发研究越来越引起人们的重视,活性碳纤维(ACF)(或纤维状活性碳(FAC)是近几十年迅速发展起来的一种新颖的高效吸附材料。

ACF的吸附性能与其结构特征有密切关系.影响性能的结构因素可分为两个方面:其一为孔结构因素,如比表面积、孔径、孔容等。在通常情况下,比表面积与吸附量有正比关系;其二为表面官能团的种类和含量,例如含氮官能团的ACF对含硫化合物有优异的吸附能力.

但是,表面官能团与吸附性能的关系较复杂,人们对这方面的了解还不多。

碳除了具有传统观念上的石墨和金刚石两种同素异形体外，还有C60。作为一种跨世纪的新型材料，C60被科学界评为“明星分子”。并被认为是变革材料工业的先头兵。

室温下，靠范德华力结合成固体的C60分子占据布拉格点阵位置, 在 C60分子的空隙内可以容纳各类原子或小分子形成所谓的 C60插入化合物。另外, 以 C60为骨架, 在其笼内或笼外连接其它原子或分子基团, 还可以形成具有各种不同物化性质的 C60络合物。日本丰桥大学的研究人员发现 C60络合物 C60Pd3具有高度的催化活性, 能在常压下催化二苯乙炔的反应, 此外人们还发现合成出来的Pt( pph3)2C60络合物也具有很高的催化活性。总之, 由C60所表现出的烯烃电子性质, 注定其具有较高的催化性能, 将其作为高效催化剂的原料无疑具有重大的现实意义。

C60特有的结构使之具有快速的非线性光学响应效应、较大的非共振的非线性系数、在较低的光能量下便能实现反饱和吸收、以及近共轭双光子吸收等特性, 是制成光开关、光学限制器以及各种光电子器件等非线性光学材料的基础。研究还发现, C60具有较强的光敏感性, 特别是紫外光辐射会对 C60晶体表面产生重要的影响, 使单晶表面分子聚合而出现龟裂, 其物理性质也发生了相应的改变, 这一性质为 C60在工业中的应用提供了新的途径, 也为 C60在照相制版与光刻蚀工艺中的应用奠定了基础。

近年来，人们已经在石墨烯的制备方面取得了积极的进展，发展了机械剥离、晶体外延生长、化学氧化、化学气相沉积和有机合成等多种制备方法。石墨烯制备技术的不断完善，为基于石墨烯的基础研究和应用开发提供了原料保障。但是，在石墨烯通往应用的道路上，还面临着两个重要的问题，如何实现可控功能化和有序组装。通常组装所用的

石墨烯氧化物是通过氧化石墨得到的层状材料，表征结果显示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能团，包括羟基、环氧官能团、羰基、羧基等，通过各种手段引入一些官能团和有机分子，对其表面进行修饰，使其具有一些新的功能，提升其分散和溶解性能。

通过阅读文献，我知道了材料的结构是影响其性能的主要因素，微观结构的不同，表现出来的性能也不同。材料的结构包括其晶体的结构、晶体大小以及晶体之间的相互作用力。材料的晶体结构虽然与它的化学成分、组成以及质点的大小等性质有关，但是，并非所有的化学组成不同的晶体，都有不同的结构。

镁钙系耐火材料具有热力学稳定性好、抗碱性渣侵蚀性强和独特的净化钢水能力，是冶炼特殊钢，尤其是洁净钢的优质耐火材料，一直是国内外备受关注的高性能耐火材料。但其易水化特性严重限制了其广泛应用。到目前为止消除镁钙系耐火材料的主要手段还是要提高其结构，使其致密，从而防止水蒸汽的进入。

MgO、CaO比Mg(OH)2、Ca(OH)2要致密，价键也不同，所表现出来的性能也不相同。众所周知，Mg(OH)2、Ca(OH)2的高温性能很差，

在高温下发生分解，变成MgO、CaO。而MgO、Cao的高温性能很好，在高温稳定存在。两者性能的不同主要是晶体结构的不同所导致。到目前为止，防止镁钙砂水化问题到现在还没有绝对有效的办法，主要是采取工艺因素的控制，提高其显微结构，使其结构致密化。通篇阅读全文后，发现钙镁系耐火材料的结构对其性能具有很大的影响，其结构越致密，烧结性能越好，抗水化能力越强。

MgO、CaO，都具有NaCl型的晶体结构，它们的离子配位数都为6，阳离子和阴离子都成面心配位，一个晶胞中含有四个分子。但镁离子较小，它可以完全被包围在氧离子之间，氧离子是互相接遇的，而钙离子半径比镁离子大，极化能力较氧离子弱，被氧离子略为推出，水化反应的自由函数变化亦表明，决定MgO-CaO材料水化的主要是CaO。水化时，CaO的结构单元瓦解，生成四个CaO(OH)2结构单元，可以说与多晶MgO水化相似。这四个结构单元大小所占的位置比CaO 最初的单元大得多。CaO这种水化作用不仅放出大量的热量，而且发生非常有害的体积变化，由计算得出CaO水化时体积增加96.5%，从而导致CaO耐火材料完全粉化而成粉末。有些通过采用稀土氧化物或CeF3、CrF3,因形成固溶体，活化了晶格，促进致密化，可显著增大镁钙熟料抗水化能力。有些向镁钙熟料中添加适量碱金属化合物，可降低CaSO4分解温度，显著提高其耐消化。

晶体的化学键反映晶体中各组成离子之间的相互作用,这种相互作用在一定程度上反映了晶体结构的综合特征晶体中的化学键行为和相关参数恰是这种相互作用的重要表征参量,因此晶体的化学键是