材料化学导论第5章_材料的结构与物理性能

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1、第五章第五章 材料的结构与物理性能材料的结构与物理性能 材料应用的依据或基础是它们的一般物理性能材料应用的依据或基础是它们的一般物理性能（如力学性能）和特殊的物理性能（如光、电、磁（如力学性能）和特殊的物理性能（如光、电、磁等功能）等功能）. .结构材料：结构材料：以一般的物理性能作为应用基础的材料以一般的物理性能作为应用基础的材料往往起着承担力学负荷的结构件作用。往往起着承担力学负荷的结构件作用。功能材料：功能材料：以特殊的物理性能作为应用基础的材料，以特殊的物理性能作为应用基础的材料，应用的主要目标注重于光、电、磁等特殊性能。应用的主要目标注重于光、电、磁等特殊性能。 1n材料的宏观性能，

2、都取决于它们的微观结构特征。材料的宏观性能，都取决于它们的微观结构特征。n材料科学或工程研究的重要任务是了解材料的结材料科学或工程研究的重要任务是了解材料的结构与它们物理性能的关系。构与它们物理性能的关系。25.1 5.1 晶体材料的结构与物理性能晶体材料的结构与物理性能 组成晶体的分子、原子或离子在空间有一定规律组成晶体的分子、原子或离子在空间有一定规律的和周期性的重复排列，因此赋予了晶体材料一的和周期性的重复排列，因此赋予了晶体材料一些共同的和基本的特性。些共同的和基本的特性。 晶体中分子、原子或离子排列的周期很小，在晶体中分子、原子或离子排列的周期很小，在宏观上分辩不出这种微观上的不连续

3、性，晶体材宏观上分辩不出这种微观上的不连续性，晶体材料的各个部位所体现出来的宏观性能是相同的，料的各个部位所体现出来的宏观性能是相同的，也就是说材料总体体现出来的性能是均匀的，如也就是说材料总体体现出来的性能是均匀的，如密度、硬度密度、硬度等。等。1. 1. 均匀性均匀性3 组成材料的元素不同，以及制备、加工方法、组成材料的元素不同，以及制备、加工方法、加工工艺的不同，分子、原子或离子在晶体材料加工工艺的不同，分子、原子或离子在晶体材料中不同方向上的排列往往也是不同的，这使得晶中不同方向上的排列往往也是不同的，这使得晶体材料在不同方向上宏观性能也往往产生差异，体材料在不同方向上宏观性能也往往产

4、生差异，即即宏观的物理性能具有各向异性宏观的物理性能具有各向异性，如电导率、热，如电导率、热膨胀系数、折光率以及机械强度等。膨胀系数、折光率以及机械强度等。2. 2. 各向异性各向异性4 晶体材料在制备或加工过程中，晶体生长自发晶体材料在制备或加工过程中，晶体生长自发形成晶面，晶面相交成为晶棱，而晶棱相交又会形成晶面，晶面相交成为晶棱，而晶棱相交又会聚成晶体的顶点，这使得堆积的晶体总体也呈现聚成晶体的顶点，这使得堆积的晶体总体也呈现出出多面体的结构多面体的结构。3. 3. 多面体外形多面体外形5 由于每种晶体材料的微观结构具有其共同性和均由于每种晶体材料的微观结构具有其共同性和均匀性，于是这种

5、微观的结构的破坏都具有确定性匀性，于是这种微观的结构的破坏都具有确定性和很小的温度范围，即具有明显的熔点。和很小的温度范围，即具有明显的熔点。4. 4. 确定的和明显的熔点确定的和明显的熔点 由于组成晶体材料的周期性排列的晶体相当于由于组成晶体材料的周期性排列的晶体相当于三维光栅，能使波长相当的三维光栅，能使波长相当的X X射线、电子流或中子射线、电子流或中子流产生衍射效应，这就成为了解晶体材料内部结流产生衍射效应，这就成为了解晶体材料内部结构的重要实验方法。构的重要实验方法。5. 5. 衍射效应衍射效应65.2 5.2 非晶体材料的结构与物理性能非晶体材料的结构与物理性能 相对于晶体材料的结

6、构而言，非晶体材料其相对于晶体材料的结构而言，非晶体材料其组成分子、原子或离子在空间缺少周期性的排列组成分子、原子或离子在空间缺少周期性的排列规律特征，它们的微观结构千变万化十分复杂，规律特征，它们的微观结构千变万化十分复杂，这就赋予了非晶体材料多种多样的这就赋予了非晶体材料多种多样的丰富性丰富性。7 虽然非晶体材料的宏观基本性能也具有均匀性虽然非晶体材料的宏观基本性能也具有均匀性等特征，但它们与晶体材料有完全不同的微观结等特征，但它们与晶体材料有完全不同的微观结构形式，因此非晶体材料的宏观基本性能与晶体构形式，因此非晶体材料的宏观基本性能与晶体材料有着完全不同的原理。材料有着完全不同的原理。

7、 就均匀性而言，非晶体材料是由于分子、原子就均匀性而言，非晶体材料是由于分子、原子或离子杂乱无章的分布，基于无序分布的统计性或离子杂乱无章的分布，基于无序分布的统计性规律得到的，而不是晶体材料的周期性的排列规规律得到的，而不是晶体材料的周期性的排列规律得到的。律得到的。8 非晶体材料具有其本身的微观结构特征，因此也非晶体材料具有其本身的微观结构特征，因此也具有其特殊的物理性能和应用。具有其特殊的物理性能和应用。 玻璃体的结构特点是缺少长程周期性。重要的玻玻璃体的结构特点是缺少长程周期性。重要的玻璃体有：氧化物玻璃、金属玻璃、非晶半导体和璃体有：氧化物玻璃、金属玻璃、非晶半导体和聚合物。聚合物。

8、 9n 玻璃的性质有两大特点：透明和易碎。玻璃的性质有两大特点：透明和易碎。n 石英玻璃质地均匀，内部没有反射光的界面，石英玻璃质地均匀，内部没有反射光的界面，光线通过时，不发生反射和折射，所以是透明光线通过时，不发生反射和折射，所以是透明的。玻璃结构缺少能发生滑动或流动的平面，的。玻璃结构缺少能发生滑动或流动的平面，当超过允许的最大应变值时，就会发生键的断当超过允许的最大应变值时，就会发生键的断裂而破碎。裂而破碎。n 玻璃拉成纤维，力学性能就会发生极大的变化。玻璃拉成纤维，力学性能就会发生极大的变化。氧化物玻璃氧化物玻璃10 液晶：液晶：是介于晶体和液体之间的一种物质形态（流动的晶体），是介

9、于晶体和液体之间的一种物质形态（流动的晶体），各向异性流体，所以，有时又把它叫做各向异性流体，所以，有时又把它叫做介晶态介晶态。 液晶的发现打破了人们关于物质三态（固态、液态、气态）的液晶的发现打破了人们关于物质三态（固态、液态、气态）的常规概念。常规概念。 材料的液晶态只有在一定的温度区间内存在。液晶象液体，能材料的液晶态只有在一定的温度区间内存在。液晶象液体，能够流动；同时又象晶体，沿着分子长轴具有取向的长程有序性。够流动；同时又象晶体，沿着分子长轴具有取向的长程有序性。 从宏观性能看，液晶的介电常数、折射率、磁化率和电导率等从宏观性能看，液晶的介电常数、折射率、磁化率和电导率等象晶体，是

10、各向异性的。象晶体，是各向异性的。11用偏光显微镜来观察液晶，根据它们呈现的纹理结用偏光显微镜来观察液晶，根据它们呈现的纹理结构（一种图案），可把液晶分成三种类型三种相。构（一种图案），可把液晶分成三种类型三种相。n 近晶型液晶或近晶相近晶型液晶或近晶相n 向列型液晶或向列相向列型液晶或向列相n 胆甾型液晶或胆甾相胆甾型液晶或胆甾相近晶型液晶的分层排列，有同一方向，与晶体相近。近晶型液晶的分层排列，有同一方向，与晶体相近。向列型液晶的分子位置杂化，但方向一致。向列型液晶的分子位置杂化，但方向一致。胆甾型液晶，最早是从胆甾醇类物质中发现的。胆甾型液晶，最早是从胆甾醇类物质中发现的。 12n分子具

11、有一长的刚性中心，呈棒状分子具有一长的刚性中心，呈棒状, ,其一端或两其一端或两端具有柔性尾链。端具有柔性尾链。n分子取向是长程有序的，但分子的质心的分布分子取向是长程有序的，但分子的质心的分布是无规则的，因此只保存着一维有序性。是无规则的，因此只保存着一维有序性。n分子的长轴方向上到处都存在着连续的变化，分子的长轴方向上到处都存在着连续的变化，在外力作用下发生流动时，由于这些分子容易在外力作用下发生流动时，由于这些分子容易沿流动方向取向，并可在流动取向中互相穿越，沿流动方向取向，并可在流动取向中互相穿越，因此，向列型液晶都有相当大的因此，向列型液晶都有相当大的流动性流动性。 1. 1. 向列