高分子材料学课件

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1、高分子材料学（三）材料结构简述1、材料结构层次2、原子结构3、结合键4、固体材料中的原子排列5、晶体结构6、结构缺陷1、材料结构层次宏观组织结构（能用肉眼或放大镜观察到的晶粒、相的集合状态）显微组织结构（借助光学显微镜、电子显微镜观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构）微观结构（包括原子和分子的结构以及原子和分子的排列结构）亚微观（主要针对于高聚物而言，大分子本身的尺寸可达到亚微观的范围）2、原子结构原子是由原子核及围绕原子核的电子组成。原子核由中子及带正电的质子组成。电子通过静电吸引被束缚于原子核周围。原子核内的结合是非常牢固的，这

2、种结合力称为核力，它比万有引力大40个数量级，但其作用范围很小，不超过10-6nm。在材料科学中，原子结构一般指原子的电子结构。电子的分布泡利不相容原理能量最低原理洪特规则3、结合键（也称价键，是指原子之间或分子之间的系结力）离子键化学键共价键金属键偶极力物理键诱导力（范德华键）色散力氢键结合键4、固体材料中的原子排列1）短程有序原子仅在很小的范围（几个原子的尺度）内呈一定的规则排列，即材料中原子的规则排列只延伸到原子最近邻区域。[实例1]在非晶玻璃中，硅的四个价电子与四个氧原子共价。由于共价键的方向性，因而硅与氧之间呈规则排列，形成短程有序

3、。硅原子与氧原子之间形成109°夹角，并构成四面体。但四面体与四面体之间的排列却是无序的。原子排列近程有序而远程无序的结构称为非晶态结构或无定形结构。最典型的是玻璃，所以非晶态结构又称为玻璃态结构。2）长程有序原子在很大范围内均是按一定规则排列的，即原子排列的有序性遍及整个材料。具有长程有序排列的材料即为晶体（原子、分子或离子在空间呈规则排列的固体）材料。金属、半导体、大部分陶瓷均为晶体材料，某些高分子材料如等规聚丙烯、尼龙等也是晶体材料。NOTES◎晶体中原子排列是短程和长程都有序◎液体是短程有序而长程无序原子、分子或离子在空间呈规则排列的

4、固体。5、晶体结构①单晶：若晶体内部的质点排列既有近程有序又有远程有序且贯穿于整个晶体中，则称此晶体为单晶。单晶具有规则的几何外形和显著的各向异性。晶体的近程有序是指围绕某一质点（分子、原子或离子）的最近邻质点的配置有一定秩序；晶体的远程有序是指质点在一定方向上，每隔一定距离周期性出现的规律。②多晶：在许多晶体中，远程有序只能保持在几千甚至几百的范围内，整个晶体是由许多个取向方向不同的晶粒（微小的单晶）组成，这种晶体称为多晶。多晶具有不规则的多面体外形，其宏观物料也是各向同性的。③非晶：仅具有近似的近程有序而不具有远程有序的固体。④准晶：近程

5、和远程都有一定的有序性，但都不够完整。假设通过原子（分子或离子）的中心划出许多空间直线，构成空间格架。这种假想的格架称为晶格。晶格上的节点是原子（分子或离子）平衡中心的位置。晶格中能够反映晶格几何特征的最小几何组成单元是晶胞。在三维空间中，晶胞的几何特征可用晶胞的三条棱边长度和三条棱边之间的夹角六个参数来描述。这六个参数晶胞常数。关于晶体结构的几个重要概念1.晶格2.晶胞3.晶胞常数晶胞中原子所占体积的百分数。排列最为紧密的面向立方晶体的致密度为74%，其余26%为空隙。4、致密度5、配位数晶格中与任意一个原子处于相等距离并相距最近的原子数目

6、称为配位数。配位数与致密度同为描述晶体原子排列致密程度的参数，配位数越大，致密度越高。在晶体中由原子组成的任一平面称为晶面。由原子组成的任一直线称为晶向。6、晶面和晶向7、同素异构转变改变温度或压力等条件，可使固体从一种晶体结构转变为另一种晶体结构，这种现象称为同素异构转变。缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。缺陷对材料性能的影响6、结构缺陷按照晶体缺陷的几何特征，可将其分如下四种类型：点缺陷（零维缺陷，热缺陷）线缺陷（位错）面缺陷（

7、二维缺陷）体缺陷（三维缺陷）1）点缺陷（零维缺陷，热缺陷）指在三维尺度上都很小（不超过几个原子直径）的缺陷，是涉及一个或几个原子范围的点称结构局部扰乱。包括：空位（vacancy）、间隙质点（interstitialparticle）、杂质质点（foreignparticle），如图1-1所示。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关，对力学性能影响更普遍，将间隙原子或置换原子有意地加入材料结构中是材料固溶强化的基础。点缺陷的产生是热运动引起的。图1-1晶体中的点缺陷(a)空位(b)杂质质点(c)间隙质点2）线缺陷（一维缺

8、陷）指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislocation），如图1-2所示