材料结构及其性能
高分子材料的结构及其性能PPT(36张)
B、高弹性 随着温度的升高，当T＞Tg 时，分子的动能增加，使链段的自由旋转成为可能，此时，试
样的形变明显增加，在这一区域中，试样变成柔软的弹性体，称为高弹态。 高弹态时，弹性模量显著降低，外力去除后，变形量可以回复，有明显的时间依赖性。由
如图16-7，在间同立构高聚物中， 原子或原子团会交替分布在主链两侧； 在全同立构高聚物中，原子或原子团 则全部排列在主链同一侧；而在无规立构高聚物中，主链两侧原子分布是随机的。
这种化学成分相同，但由于不对称取代基沿分子主链分布不同的现象，就叫做 高分子的立体异构现象。
2、大分子链的构象及柔性 高聚物结构单元是通过共价键重复连接形成线型大分子，共价键的特点是键能
2、单体 高分子化合物是由低分子化合物通过聚合反应获得。
组成高分子化合物的低分子 化合物称作单体。所以我们经 常说，高分子化合物是由单体 合成的，单体是高分子化合物 的合成原料。如图16-2，聚乙 烯是由乙烯（CH2＝CH2）单 体聚合而成的。 高分子化合物的相对分子质 量很大，主要呈长链形，因此 常称作大分子链或者分子链。 大分子链极长，可达几百纳米以上，而截面一般小于1nm。
物，简称高聚物材料，是以高分子化合物为主要组分的有机 材料，可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两大类。 天然高分子材料包括如蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡 胶、淀粉和蛋白质等。 人工合成高分子材料包括如塑料、合成橡胶、胶粘剂和涂料 等。工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。
一、高聚物的基本概念 1、高聚物和低聚物 高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其相对分子质量在5000
材料的结构和性能
材料的结构和性能
材料是构成一切物质的基础，其结构和性能直接影响着物体的使用和性能。
材
料的结构包括原子结构、晶体结构和微观结构等，而材料的性能则包括力学性能、热学性能、电学性能等。
本文将围绕材料的结构和性能展开讨论。
首先，材料的结构对其性能有着直接影响。
原子结构决定了材料的基本性质，
如原子的排列方式决定了材料的密度和硬度。
晶体结构则决定了材料的晶体形态和晶体缺陷，进而影响了材料的机械性能和导电性能。
微观结构则决定了材料的微观形貌和微观组织，对材料的热学性能和光学性能有着重要影响。
其次，材料的性能受到结构的影响。
力学性能包括材料的强度、韧性和硬度等，这些性能直接受到材料的晶体结构和晶体缺陷的影响。
热学性能包括材料的热膨胀系数和导热系数等，这些性能受到材料的微观结构的影响。
电学性能包括材料的导电性和介电常数等，这些性能受到材料的原子结构和晶体结构的影响。
最后，材料的结构和性能是相互关联的。
材料的结构决定了其性能，而材料的
性能又反过来影响了其结构。
例如，材料的力学性能受到晶体结构和晶体缺陷的影响，而材料的应力和应变又会影响其晶体结构。
因此，要全面理解材料的结构和性能，需要综合考虑其结构与性能之间的相互作用。
综上所述，材料的结构和性能是密不可分的。
只有深入理解材料的结构，才能
准确预测其性能；只有全面了解材料的性能，才能深刻认识其结构。
希望本文的讨论能够帮助读者更好地理解材料的结构和性能，为材料科学的发展贡献一份力量。
高分子材料的结构及其性能
高分子材料的结构及其性能1. 引言高分子材料是由大量重复单元构成的大分子化合物，具有重要的工程应用价值。
其结构和性能之间的关系对于材料科学和工程领域的研究至关重要。
本文将介绍高分子材料的结构特点，并探讨其与性能之间的关系。
2. 高分子材料的结构高分子材料的结构可以分为线性结构、支化结构、交联结构以及共聚物结构等。
不同结构的高分子材料具有不同的特点和应用领域。
线性结构是最简单的高分子材料结构，由一条长链构成，链上的重复单元按照一定的顺序排列。
线性结构的高分子材料具有较高的可拉伸性和延展性。
2.2 支化结构支化结构在线性结构的基础上引入了支链，可以增加高分子材料的分子间距离，提高其熔融性和热稳定性。
支化结构的高分子材料常用于塑料制品的生产。
2.3 交联结构交联结构是指高分子材料中分子之间通过共价键形成网络结构。
交联结构的高分子材料具有较高的强度和硬度，常用于橡胶制品的生产。
共聚物是指由两种或两种以上不同单体按照一定比例聚合而成的高分子化合物。
共聚物结构的高分子材料具有多种物化性质的综合优点，广泛应用于各个领域。
3. 高分子材料的性能高分子材料的性能与其分子结构密切相关，主要包括力学性能、热学性能、电学性能和光学性能等。
3.1 力学性能高分子材料的力学性能包括强度、韧性、硬度等指标。
线性结构的高分子材料通常具有较高的延展性和可拉伸性，而交联结构的高分子材料则具有较高的强度和硬度。
3.2 热学性能高分子材料的热学性能包括熔点、热膨胀系数、导热系数等指标。
分子结构的不同会对高分子材料的热学性能产生显著影响，如支化结构的高分子材料通常具有较低的熔点和较高的热膨胀系数。
3.3 电学性能高分子材料的电学性能主要包括导电性和介电性能。
共聚物结构的高分子材料常具有较高的导电性，而线性结构的高分子材料则通常具有较好的介电性能。
3.4 光学性能高分子材料的光学性能指材料对光的吸收、透过性和反射性等特性。
不同结构的高分子材料在光学性能上也会有所差异，如支化结构的高分子材料通常具有较高的透光性。
材料结构和性能解答(全)
1、离子键及其形成的离子晶体陶瓷材料的特征。
答：当一个原子放出最外层的一个或几个电子成为正离子，而另一个原子接受这些电子而成为负离子，结果正负离子由于库仑力的作用而相互靠近。
靠近到一定程度时两闭合壳层的电子云因发生重叠而产生斥力。
这种斥力与吸引力达到平衡的时候就形成了离子键。
此时原子的电中性得到维持，每一个原子都达到稳定的满壳层的电子结构，其总能量达到最低，系统处于最稳定状态。
因此，离子键是由正负离子间的库仑引力构成。
由离子键构成的晶体称为离子晶体。
离子晶体一般由电离能较小的金属原子和电子亲和力较大的非金属原子构成。
离子晶体的结构与特性由离子尺寸、离子间堆积方式、配位数及离子的极化等因素有关。
离子键、离子晶体及由具有离子键结构的陶瓷的特性有：A、离子晶体具有较高的配位数，在离子尺寸因素合适的条件下可形成最密排的结构；B、离子键没有方向性C、离子键结合强度随电荷的增加而增大，且熔点升高，离子键型陶瓷高强度、高硬度、高熔点；D、离子晶体中很难产生自由运动的电子，低温下的电导率低，绝缘性能优良；E、在熔融状态或液态，阳离子、阴离子在电场的作用下可以运动，故高温下具有良好的离子导电性。
F、吸收红外波、透过可见波长的光，即可制得透明陶瓷。
2、共价键及其形成的陶瓷材料具有的特征。
答：当两个或多个原子共享其公有电子，各自达到稳定的、满壳层的状态时就形成共价键。
由于共价电子的共享，原子形成共价键的数目就受到了电子结构的限制，因此共价键具有饱和性。
由于共价键的方向性，使共价晶体不密堆排列。
这对陶瓷的性能有很大影响，特别是密度和热膨胀性，典型的共价键陶瓷的热膨胀系数相当低，由于个别原子的热膨胀量被结构中的自由空间消化掉了。
共价键及共价晶体具有以下特点：A、共价键具有高的方向性和饱和性；B、共价键为非密排结构；C、典型的共价键晶体具有高强度、高硬度、高熔点的特性。
D、具有较低的热膨胀系数；E、共价键由具有相似电负性的原子所形成。
生物材料的结构与性能分析
生物材料的结构与性能分析生物材料是指由生命体制造的材料，如骨骼、牙齿、皮肤、毛发、角质等，以及由生命体或其组成部分分离出来的材料，如蛋白质、DNA、细胞膜等。
由于生物材料具有优异的结构和性能，近年来在工程材料领域的应用越来越广泛。
本文将对生物材料的结构及其对性能的影响进行分析。
一、生物材料的结构生物材料可以分为有机材料和无机材料两类。
有机材料主要由蛋白质、多糖、脂类等生物大分子构成，而无机材料主要由矿物质构成。
1.有机材料的结构蛋白质是生物材料中广泛存在的一种有机大分子。
蛋白质的结构包括四级结构，即原始结构、二级结构、三级结构和四级结构。
原始结构是蛋白质链上不断重复的氨基酸序列，二级结构是由α-螺旋、β-折叠等构成的一些规则结构，三级结构是由二级结构间的相互作用所形成的二面角、氢键、离子键等，四级结构是由多个蛋白质链相互叠合所形成的大分子。
多糖也是生物材料中常见的有机分子，其结构更为简单。
多糖由大分子葡萄糖组成，通过不同的连接方式构成不同的多糖。
常见的多糖有纤维素、壳聚糖等。
脂类是生物材料中的一种特殊有机分子。
其结构为长链脂肪酸和甘油分别通过酯键连接而成，形成三酰基甘油（甘油三酯），其余的脂类如胆固醇则存在于生物膜内。
2.无机材料的结构无机材料主要指钙质、磷酸盐等矿物质。
钙质和磷酸盐通过化学反应形成了多种复杂的化合物，如磷酸钙（含有磷酸钙二水合物和磷酸钙无水物）、羟磷灰石（由磷酸钙和矿物质组成）、骨基质等。
这些结构复杂的无机化合物中，矿物质的形态和分布对材料的性能有着非常重要的影响。
二、生物材料的性能聚合物材料晶体的结构、形态、分子量等均对聚合物材料的性能有重要影响。
类似地，生物材料的结构也会对其性能产生影响。
从力学性能、生物相容性、生物化学性能等方面来看，生物材料的性能主要表现在以下几个方面：1.力学性能骨骼、骨骼肌、牙齿和韧带等具有优异的力学性能。
这些材料大都是复合材料，由有机和无机材料组成。
陶瓷材料的结构与性能分析
陶瓷材料的结构与性能分析陶瓷材料是一类广泛应用于建筑、电子、航空等领域的材料，具有优异的物理和化学性质。
而想要深入了解陶瓷材料的性能表现，首先必须对其结构进行分析。
一、结晶结构陶瓷材料主要由氧化物组成，常见的有硅酸盐、氮化硅、氧化铝等。
在陶瓷材料中，原子或离子按照一定的几何排列方式组成结晶结构。
例如，硅酸盐陶瓷中的硅离子和氧离子以正方形或三角形的排列方式拼接成网络结构。
而氮化硅陶瓷则由氮离子和硅离子按照边长相等的正六边形排列形成具有大空隙的结构。
结晶结构的不同会导致陶瓷材料的性能差异，如硬度、热传导性等。
二、晶粒大小晶粒大小是陶瓷材料表面性能的重要指标之一。
晶粒的尺寸越小，材料的强度和硬度往往越高，因为小晶粒内部的晶界相对较多，在晶界上形成了许多阻碍位错运动的障碍点，从而提高了材料的抗变形能力。
因此，控制陶瓷材料的晶粒尺寸，对提高其力学性能具有重要意义。
三、杂质含量陶瓷材料中的杂质含量对其性能影响举足轻重。
杂质的存在会破坏材料的完整晶体结构，从而导致性能的下降。
例如，陶瓷材料中的铁、镉等金属离子会影响其电学性能，氮化硅材料中杂质的存在会导致其电阻率的变化。
因此，在制备陶瓷材料时，对原材料进行严格筛选和纯化，以及控制烧结工艺的条件，能够有效减少杂质含量，提高材料的性能。
四、孔洞结构孔洞是陶瓷材料中普遍存在的结构特征之一。
孔洞会影响材料的力学性能、热导率等。
例如，在陶瓷材料中，孔洞的存在可以减小材料的密度，从而提高其机械强度。
此外，孔洞还能影响热的传导、吸附等性质。
因此，对陶瓷材料的孔洞结构进行合理设计和控制，能够改善其性能，拓宽其应用范围。
五、晶界结构陶瓷材料中的晶界是由相邻晶粒之间的原子之间形成的。
晶界的存在会影响材料的力学性能、导电性能、疲劳寿命等。
在力学性能方面，晶界是位错移动的阻碍剂，增加了材料的塑性变形程度；在导电性能方面，晶界处存在能带偏移和电阻率增加现象，使材料的导电性能下降。
因此，控制晶界的结构，合理改善晶界的质量和数量，对提高陶瓷材料的性能至关重要。
新型金属材料的结构和性能
新型金属材料的结构和性能随着科技的发展和工业化的进步，人们对材料的需求越来越高。
传统的金属材料虽然有很好的强度和韧性，但是其密度较大、易锈蚀、无法轻便加工等缺点也制约了其进一步的应用。
为了解决这些问题，科学家们不断地研究和开发新型金属材料。
本文将介绍一些新型金属材料的结构和性能，以及其应用前景。
一、高强度低密度的金属材料高强度低密度的金属材料又被称为轻质金属材料，它包括铝、镁、钛等金属材料及其合金。
由于其密度低，可达传统钢铁的三分之一左右，故被广泛应用于飞船、火箭、航空航天器、汽车等领域。
例如，德国的宝马汽车使用铝合金材料制造汽车的车身和零部件，可以降低汽车的重量，提高燃油经济性和运动性能。
除了轻量化外，高强度低密度的金属材料还具有良好的力学性能和抗腐蚀性。
例如，铝合金具有高强度、良好的可加工性、耐腐蚀性和电导率。
而镁合金具有轻量、高强度、优异的真空密封性和较高的热稳定性，可用于制造航空航天器、汽车零部件、手机等产品。
二、仿生材料仿生材料是一种新型金属材料，它仿照动物或植物的结构和特性制造出来的材料。
例如，锯齿状结构的钢板可提高其抗弯曲性能，肌肉纤维状的材料可使其具有形变功能。
这种材料的研究不仅可以扩展金属材料的应用领域，同时也为生物医学领域的研究提供了新的方法和思路。
三、多级金属材料多级金属材料是将多种金属材料进行复合组合，形成新的高性能金属材料。
例如，用纳米金属粒子掺杂在高强度钢材料中，可以显著提高钢材料的强度和延展性；将铜和银复合可以提高电导率和抗氧化性能。
多级金属材料不仅具有优异的物理化学性能，而且具有良好的材料可塑性，可应用于电子、机械、船舶等领域。
四、新型合金材料新型合金材料是用传统的金属材料与其他元素混合而成的新型材料，与传统材料相比，在抗腐蚀性和耐磨性上有了更好的表现。
例如，钢中掺加Cr、Ni等元素，可提高其抗氧化性和抗腐蚀性；将铁、铜、炭、锡等元素复合，可制成高韧性的多元合金，应用于高压管道等领域。
材料的结构与性能
1 密度
材料的质量与体积之比， 影响其重量和浮力。
2 强度
材料的抗拉、抗压或抗弯 能力，决定其结构的稳定 性和可靠性。
3 硬度
材料的抗刮伤或压痕能力， 反映了其抗磨损性和耐久 性。
4 耐磨性
材料在受摩擦或磨削时的耐损伤能力，关系 到使用寿命和维护成本。
5 弹性
材料在受力后能恢复原状的能力，影响其应 变和变形性。
材料的结构决定其性能，在本节中将探讨不同结构对性能的影响。
材料选择的考量因素
功能要求
材料是否满足特定功能的要求，如强度、导电性 或隔热性。
可持续性
材料的环境影响和可再利用性，以及社会责任的 考虑。
经济性
材料的成本和可获得性，以及与其他选择相比的 性价比。
制造和加工
材料的可加工性和制造难度，影响生产效率和成 品质量。
材料的化学性能
1 腐蚀性
材料在接触某些化学物质时的化学反应能力 和稳定性。
2 可溶性
材料在特定溶剂中的溶解度和溶解速率，影 响其在溶液中的应用。
3 反应性
材料对其他物质的反应能力，可能产生新的 物质或改变其性能。
4 燃烧性
材料在受热或接触火焰时的燃烧特性，与安 全性和环境影响有关。
结构与性能之间的关系
材料的结构与性能
本节将介绍材料的基本结构和物理、化学性能，以及它们之间的关系。还将 讨论材料选择的考量因素。
结构与性能概述
材料的结构和性能是相互关联的，我们将在本节中了解材料的结构如何影响 其性能。
材料的基本结构
• 晶体结构 • 非晶态结构 • 晶界和微观缺陷 • 晶体与非晶态的差异
材料的物理性能
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➢性能的分析方法 ➢性能的分类
材料显微结构的分析与表征
➢显微结构的分析原理 ➢显微结构的表征 ➢材料性能与表征技术展望
材料的化学组成和显微结构是决定材 料性能及应用效果的本质因素，研究 材料的显微结构特征及其演变过程以 及它们与性能之间的关系，是现代材 料科学研究的中心内容之一。
➢ 晶粒的形状及大小对材料的性能影响很大。例如。 Si3N4陶瓷的晶粒呈针状，而Si3N4陶瓷晶粒呈粒状或 短 柱 状 ， 前 者 的 抗 折 强 度 (650 MPa) 要 比 后 者 (374MPa)几乎大一倍。象陶瓷这类材料，初始裂纹 尺寸与晶粒大小相当，所以晶粒越小，初始裂纹尺 寸就越小，这有利于强度的提高。
a. 行为：有多少行为，有多少性能 如用表征材料在外力作用下拉伸行为的应力—
应变曲线，采用屈服、缩颈、断裂等行为，便分别 有屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能。 b. 外界条件
在不同的外界条件下，相同的材料也会有不同 的性能，一般要指定条件。 c. 参量：性能必须量化，就是说定量表达其行为
➢ 晶界结构对材料性能影响也非常大。如陶瓷材料的 破坏大多是沿晶界断裂的。
➢ 外来杂质有向晶界富集的倾向。常利用这种现象， 有意地加入一些杂质，使其集中分布在晶界处以改 善材料性能。如在刚玉瓷生产中可掺人少量MgO， 使之在A1203晶粒之间的界面上形成镁铝尖品石薄层， 将A1203晶粒包围，防止其长大以制成细粒结构的制 品，改善制品性能。
“制造”---材料具有较好的“工艺性能”
材料的性能可分为使用性能和工艺性能。 各种材料在使用中会受到各种外力、温度、化学介
质等因素的作用，从而导致变形或破坏。为了保证 由材料制成的产品（或器件）能正常使用而应具备 的性能，称为材料的使用性能。 它包括材料的物理性能、化学性能和力学性能。
所谓材料的工艺性能是指材料在投入生产的过程 中，能承受各种加工制造工艺而不产生瑕疵或废 品所应具备的性能。
材料本身是一个系统，其性能是系统的功能， 即为材料系统的输出，影响材料性能的外界条件是系 统的输入，分析系统输入和输出的方法主要有三种： • 黑箱法——不考虑结构 • 相关法——建立结构、性能关系 • 过程法——从性能的过程去控制性能
制造有用器件的——性能判据
“有用”---材料具有较好为人类服务的“使用性 能”
✓ 工程技术界多用“性能”，隐含着“能力”之意，即 “能”够干什么；
✓ 自然科学界多用“性质”，似有“本质”之意； ✓ 自然界物体的（性能）并不意味这些物体本身所特有
的，而常常与这些物体以外的其他物体（包括我们感
这个定义对性能分析方法有三点启示： ✓ 性能必须定量化； ✓ 从行为的过程去深入理解性能； ✓ 重视环境对于性能的影响。
一般是制造缺陷或由于工艺过程不完善所产生的 缺陷(如陶瓷烧结和烧成中的残留气孔)。 ➢在服役条件下，工件也可能出现气孔，它是发 生断裂的“先兆”。 ➢某些材料则会大量引入气孔。
➢ 夹杂物是指那些由熔炼过程带来的各种杂质。 ➢ 弥散相则是指在某些基材中有意加人的细小固
体物相，例如在镍基合金基体中加入Y203粉末 以提高其高温强度；在塑料中加入胶颗粒以提 高韧性。
电子显微镜分辨率可提高到0.01μm，即 l0nm，观测的结构称为“超微结构”或 “亚显微结构”。
用高分辨率透射电镜则可观察到物质的分子、 原子，直接研究品格点阵，这种结构被称为 “微观结构”。
“显微结构”：在光学/电子显微镜下分辨出的试样 中所合相的种类及各相的数量，颗粒的形状、大小、 分布取向和它们相互之间的关系，称为显微结构。
晶中晶粒的大小、形状和取向。 对陶瓷材料和高分子材料还包括晶相及非晶相(玻璃
相)的分布；气孔的尺寸、数量与位置，各种杂质、 添加物、缺陷、微裂纹的存在形式及分布； 对金属材料还包括共晶组织、马氏体组织等。
1．晶粒及晶界
晶粒是多晶材料中晶相的存在形式和组成单元。 ➢通常，多晶是由随机取向的晶粒构成，晶粒之间由 晶界隔开。晶界具有无规多面体的截面图像。 ➢多晶材料中晶粒有时具有明显的择优取向，常常成 为织构。如金属材料在轧制过程中常会产生织构。 ➢单晶体就是一个大晶粒，所以其显微结构是均一的。
这里所称显微结构包括了亚显微结构，但不含宏观结 构和微观结构的内容。所以，通常所讲的显微结构， 实际上包含了亚显微结构。
显微结构的定义和尺度界定应以现代仪器的分辨力的 提高而延伸。
一级
二级
三级
四级
钢的晶粒度级别图
显微组织的组成类型及性状 显微组织是决定材料各种性能最本质的因素之—。 材料显微组织主要包括多晶材料中晶界的特征及多
➢ 析出相是一些弥散分布的小质点(球状、椭球状、片状、 针状等)。它们并非是在制造过程中有意加入的而是在 热处理过程中由材料本身析出的。钢中的碳化物，铸 铁中的石墨等。 除了上述微观结构组成类型外，还有各种不同的相 组织、 位错等结构类型
影响显微结构的主要因素
•原料 •制备/加工工艺 思考题：材料结构-性能-制备工艺之间的关系
一、显微结构的概念及组成类型
显微结构原始定义：显微镜下观察到的结构。
两个限定： 1. 所能分辨的尺度 2. 所能观察到的结构内容
材料的显微结构?
肉眼或借助放大镜和实体显微镜只能分辨大于 0.1mm，即大于100μm的物体，所观测到的结 构称为“宏观结构”或“大结构”。
光学显微镜的最大分辨率可达0.2μm左右，观测 到的结构称为“显微结构”。
材料的使用性能是人们判断材料优劣、并正确选 择和合理使用材料的重要依据，对探研新材料、 新性能和新的制备工艺也有着十分重要的意义。
材料： 可为人类社会接受而又能经济地制造有用器材
的物质。 材料属物质，不是所有的物质都是材料。
“材料”的判据： a. 可为人类社会接受地—资源、环保等判据 b. 经济地——经济判据 c. 制造有用器件的——性能判据
性能的内涵： 材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外
界条件下的行为。
✓ “性能”一词，译自英文“property”，也译为“性 质”；