固体中的相结构.课件.ppt

1、2022-8-2(1)176532894第二章第二章 固体中的相结构固体中的相结构2022-8-2(2)176532894基基 本本 概概 念念 合金合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的一定方法合成的具有金属特性具有金属特性的物质。的物质。组元组元：组成合金：组成合金最基本的最基本的物质。（如一元、二元、物质。（如一元、二元、三元合金，可以是元素，也可以是化合物。三元合金，可以是元素，也可以是化合物。合金系合金系：给定合金以不同的比例而合成的：给定合金以不同的比例而合成的一系列一系列不不同成分合金的同成分合金的总称总称。如。如Fe-

2、CFe-C，Fe-CrFe-Cr等。等。相相：任一给定的物质系统中，具有：任一给定的物质系统中，具有同一化学成分同一化学成分、同一原子聚集态和性质同一原子聚集态和性质的的均匀连续均匀连续组成部分。组成部分。相的分类相的分类：固溶体、化合物、陶瓷晶体相、玻璃相、：固溶体、化合物、陶瓷晶体相、玻璃相、分子相。分子相。2固体中的相结构2022-8-2(3)1765328942.1.1 什么是固溶体l 固溶体固溶体：固态下一种组元溶解在另一种组元中形成的：固态下一种组元溶解在另一种组元中形成的新相。新相。晶格与溶剂晶格类型相同晶格与溶剂晶格类型相同。溶剂：晶格与固溶体相同的组元。溶剂：晶格与固溶体相同

3、的组元。溶质：溶质：l 固溶度固溶度：溶质原子在溶剂中的最大含量（：溶质原子在溶剂中的最大含量（极限溶解极限溶解度度）。）。l 固溶体固溶体基本特征基本特征：保持原溶剂的晶体结构；保持原溶剂的晶体结构；有一定的成份范围；有一定的成份范围；具有比较明显的金属性质。具有比较明显的金属性质。具有一定的导电和导热性和一定的塑性等等。这表明，固溶体中的结合键主要是金属键。第一节 固溶体2022-8-2(4)1765328942.1.1 什么是固溶体l 固溶体分类：固溶体分类：按溶质原子在溶剂点阵中的位置分：按溶质原子在溶剂点阵中的位置分：置换固溶体、间隙固溶体置换固溶体、间隙固溶体按溶解度分：按溶解度分

4、：无限固溶体、有限固溶体无限固溶体、有限固溶体按原子在点阵中排列的秩序性分：按原子在点阵中排列的秩序性分：无序固溶体、有序固溶体无序固溶体、有序固溶体第一节 固溶体2022-8-2(5)176532894 置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。Hume-RotheryHume-Rothery三大经验规律：三大经验规律：v 溶剂、溶质原子半径之差与溶剂原子半径比超过溶剂、溶质原子半径之差与溶剂原子半径比超过14%14%15%15%时，固溶度极为有限。时，固溶度极为有限。v溶剂和溶质的电化学性质相近。溶剂和溶质的电化学性质相近。v固溶度与元素的

5、原子价有关。固溶度与元素的原子价有关。影响固溶度的因素影响固溶度的因素v原子尺寸因素原子尺寸因素：原子半径差越小，固溶度越大。：原子半径差越小，固溶度越大。(表表2-1)2-1)v晶体结构因素晶体结构因素：结构相同，溶解度大；间隙原子在结构相同，溶解度大；间隙原子在FCCFCC中中溶解度大于溶解度大于BCCBCC中溶解度。中溶解度。v负电性因素负电性因素(化学亲和力化学亲和力)：负电性差越大，溶解度大。负电性差越大，溶解度大。（负电性差很大时，形成化合物）（负电性差很大时，形成化合物）v电子浓度因素电子浓度因素：电子浓度：电子浓度e/ae/a越大，溶解度越小。越大，溶解度越小。c=e/a=xu

6、c=e/a=xu+(1-x)v+(1-x)v（电子浓度：合金中两个组元的价电子电子浓度：合金中两个组元的价电子总数和原子总数之比总数和原子总数之比。）。）第一节 固溶体2.1.2 置换固溶体2022-8-2(6)176532894第一节 固溶体2.1.2 置换固溶体当溶剂为一价面心立方金当溶剂为一价面心立方金属时，不同溶质的最大固属时，不同溶质的最大固溶度对应的电子浓度具有溶度对应的电子浓度具有一定的极限值；一定的极限值；溶质元素原子价愈高，固溶质元素原子价愈高，固溶度愈小溶度愈小。以 Cu 为 基 以 Ag 为 基 加入元素 化合价 固熔度 Zn Gn Ge As 2 3 4 5 38.4

7、19.3 11.8 7 Cd In Sn Sb 2 3 4 5 42 20 12 7 2022-8-2(7)176532894间隙固溶体间隙固溶体：原子半径小于：原子半径小于0.1nm的的非金属元素非金属元素溶溶入到入到溶剂金属晶体点阵溶剂金属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。的间隙中形成的固溶体。非金属元素：非金属元素：H,N,C,B,O溶解度一般都很小，只能形成溶解度一般都很小，只能形成有限固溶体有限固溶体。典型间隙固溶体：典型间隙固溶体：碳溶于碳溶于-Fe-Fe（八面体间隙）、（八面体间隙）、-Fe-Fe形成固溶体形成固溶体第一节 固溶体2.1.3 间隙固溶体2022-8-2(8)17653

8、2894固溶体固溶体宏观宏观上均匀，上均匀，微观微观上上不均匀不均匀出现出现偏聚偏聚，部分有序部分有序，完全完全有序有序等情况。等情况。取决于取决于同类原子结合能同类原子结合能(EAA，EBB)和异类原子间结合能和异类原子间结合能(EAB)的相对大小。的相对大小。第一节 固溶体2.1.4 有序固溶体若若EAA，EBB EAB时，则有同时，则有同类原子的类原子的偏聚区偏聚区;若若 EAA，EBB EEAAAA或或E EBBBB 物理性能的变化：物理性能的变化：随溶质原子的增多，随溶质原子的增多，电阻升高电阻升高。例题例题2.1.1：p59第一节 固溶体2.1.5 固溶体的性能2022-8-2(1

9、1)176532894 金属间化合物（中间相）金属间化合物（中间相）：金属与金属金属与金属或或金属与类金金属与类金属属之间所形成的化合物。之间所形成的化合物。影响因素：电负性，电子浓度，原子尺寸影响因素：电负性，电子浓度，原子尺寸 类型：类型：正常价化合物：符合原子价规则的化合物，正常价化合物：符合原子价规则的化合物，AmBn电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成。电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成。间隙化合物：受原子尺寸因素控制。间隙化合物：受原子尺寸因素控制。第二节 金属间化合物2.2 金属间化合物2022-8-2(12)176532894 符合原子价规则的化合物。符合原子

10、价规则的化合物。AmBn，mec=n(8-eA)有一定成分，可用化学分子式表示，有一定成分，可用化学分子式表示，一般表示为一般表示为AB或或AB2（A2B）。电负性差电负性差对其形成其主要作用，差值越大，稳定性越对其形成其主要作用，差值越大，稳定性越高。高。键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。金属键。形成元素：金属元素与形成元素：金属元素与A、A、A族元素。族元素。结构：不同于组元。结构：不同于组元。NaCl结构，结构，CaF2结构结构2.2.1 正常价化合物第二节 金属间化合物 性能特点：熔点、硬性能特点：熔点、硬度及脆性较

11、高。度及脆性较高。2022-8-2(13)176532894 不遵守化合价规律，按一定不遵守化合价规律，按一定电子浓度电子浓度值形成。电子浓值形成。电子浓度不同，晶格类型不同。度不同，晶格类型不同。相：相：电子浓度：电子浓度：3/2 21/13 21/12 结构：结构：bcc 复杂立方复杂立方 密排六方密排六方 键型：金属键（金属金属），有金属特性。键型：金属键（金属金属），有金属特性。可用化学式表示，但成分可在一定范围内变化，可以可用化学式表示，但成分可在一定范围内变化，可以形成以化合物为基的固溶体。形成以化合物为基的固溶体。形成元素：形成元素：B族或过渡族金属元素与族或过渡族金属元素与B、

12、A、A族元素。族元素。2.2.2 电子化合物第二节 金属间化合物对含过渡族元素的电子化合物，计算电子浓度时，过对含过渡族元素的电子化合物，计算电子浓度时，过渡族元素的价电子数常视为零。渡族元素的价电子数常视为零。2022-8-2(14)176532894 受受原子尺寸原子尺寸因素控制因素控制 形成元素：过渡族金属与原子形成元素：过渡族金属与原子半径很小的半径很小的非金属元素非金属元素。简单间隙化合物（间隙简单间隙化合物（间隙相相）：）：Rx/RM0.59,Rx/RM0.59,Rx/RM0.59,结构复杂。主结构复杂。主要是铁、钴、铬、锰的化要是铁、钴、铬、锰的化合物，如合物，如FeFe3 3C

13、 C。2.2.3 间隙化合物第二节 金属间化合物2022-8-2(15)176532894 力学性能：高硬度、高熔点、低塑性力学性能：高硬度、高熔点、低塑性 特殊的物理化学性质：特殊的物理化学性质：具有电学、磁学、声学性质等，具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。例题例题2.2.2：p632.2.4 金属化合物的特性第二节 金属间化合物2022-8-2(16)1765328942.3 陶瓷晶体相 按用途可分为：按用途可分为：结构陶瓷（利用其力学性能）：强度（叶片、活塞）、结构陶瓷（利用其力学性能）：强度（叶片、活塞）

14、、韧性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。韧性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。功能陶瓷（利用其物理性能）功能陶瓷（利用其物理性能）精细功能陶瓷：导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等。精细功能陶瓷：导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等。功能转换陶瓷：压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等。功能转换陶瓷：压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等。按结构可分为：按结构可分为：氧化物陶瓷、氧化物陶瓷、硅酸盐陶瓷硅酸盐陶瓷 特点：特点：结合键：以离子键为主，可含有一定比例的共价键。结合键：以离子键为主，可含有一定比例的共价键。成成 分：确定，可用分子式表示。分：确定，可用分子式表示。性性 质：具有典型的非金属性质。质：具

15、有典型的非金属性质。第三节 陶瓷晶体相2022-8-2(17)1765328942.3.1 氧化物结构(1)AB型化合物的结构型化合物的结构：NaCl结构、闪锌矿结构、硫锌矿结构。第三节 陶瓷晶体相 (2)AB2型化合物的结构型化合物的结构:面心立方（萤石等）,金红石型结构2022-8-2(18)1765328942.3.1 氧化物结构(3)A2B3型化合物的结构：型化合物的结构：简单六方，刚玉(-Al2O3）、-Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3。(4)ABO3型化合物的结构：型化合物的结构：简单立方；钙钛矿（CaTiO3）、BaTiO3、PbTiO3第三节 陶瓷晶体相2022-8

16、-2(19)1765328942.3.1 氧化物结构(5)AB2O4型结构：尖晶石（MgAl2O4），面心立方第三节 陶瓷晶体相2022-8-2(20)1765328942.3.2 硅酸盐结构的特点及分类 硅酸盐结构的特点a 基本结构单元：SiO4。b 结合键与结构：主要是离子键结合，含一定比例的共价键。硅位于氧四面体的间隙。c 每个氧最多被两个多面体共有。氧在两个四面体之间充当桥梁作用，称为氧桥。第三节 陶瓷晶体相2022-8-2(21)1765328942.3.2 硅酸盐结构的特点及分类 硅酸盐结构分类a岛状硅酸盐岛状硅酸盐：含有限Si-O团的硅酸盐，包括含孤立Si-O团和含成对或环状Si

17、-O团两类。b 链状硅酸盐链状硅酸盐：Si-O团共顶连接成一维结构，又含单链和双链两类。c 层状硅酸盐层状硅酸盐：Si-O团底面共顶连接成二维结构。d 骨架状硅酸盐骨架状硅酸盐：Si-O团共顶连接成三维结构。第三节 陶瓷晶体相2022-8-2(22)1765328942.3.2 硅酸盐结构的特点及分类例题：第三节 陶瓷晶体相2022-8-2(23)1765328942.4 玻璃相 玻璃：从液态凝固下来的、结构与液态连续的非晶态固体。形成玻璃的条件：内部条件：黏度外部条件：冷却速度 结构：长程无序、短程有序（1）连续无轨网络模型。（2）无规密堆模型。（3）无轨则线团模型。性能：（1）各向同性。（

18、2）无固定熔点。（3）高强度、高耐蚀性、高导磁率（金属）。第四节 玻璃相2022-8-2(24)1765328942.5.1 大分子及其构成 高分子化合物：由一种或多种化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物。又称聚合物或高聚物。分类：按相对分子质量：低分子聚合物（5000）。按组成物质：分为有机聚合物和无机聚合物。化学组成：（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯为例）（1）单体：组成高分子化合物的低分子化合物。（2）链节：组成大分子的结构单元。（3）聚合度n：大分子链中链节的重复次数。第五节 分子相2022-8-2(25)1765328942.5.1 大分子及其构成合成（1）加聚反应a 概念：由一种或多种

19、单体相互加成而连接成聚合物的反应。（其产物为聚合物）b 组成：与单体相同。反应过程中没有副产物。c 分类 均加聚反应：由一种单体参与的加聚反应。生成均聚物。共加聚反应：由两种或两种以上单体参与的加聚反应，生成共聚物。(2)缩聚反应a 概念：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出某种低分子化合物的反应。b 分类 均缩聚反应：由一种单体参加的缩聚反应。生成均缩聚物。共缩聚反应：由两种或两种以上单体参加的缩聚反应。生成共缩聚物。第五节 分子相2022-8-2(26)1765328942.5.2 高聚物的结构 结构单元的化学组成 表2-11 结构单元的键接方式和构型 均聚物中单体的连接方式：

20、头尾连接、头头或尾尾相连、无轨连接。共聚物中单体的连接方式：无轨共聚：ABBABBABA 交替共聚：ABABABAB 嵌段共聚：AAAABBAAAABB 接枝共聚：AAAAAAAAAAA B B B B B B第五节 分子相2022-8-2(27)1765328942.5.2 高聚物的结构 结构单元的键接方式和构型分子链的构型：大分子结构单元由化学键所构成的空间排列。全同立构：取代基R全部处于主链一侧。间同立构：取代基R相间分布在主链两侧。无轨立构；取代基R在主链两侧不规则分布。大分子链的几何形状：线型、支化型、体型（网状）第五节 分子相2022-8-2(28)1765328942.5.2 高聚物的结构 大分子链的构象 大分子的聚集态结构 无定形：晶态：第五节 分子相