新型材料力学总结

新型材料力学总结 作者：18楼小豆五 提交日期：2008-1-10 14:32:00 新型材料力学总结 上交一个报告这样的考察方式的确是一个很好的想法，一来没有考试上的压力，二来可以自由发挥总结一下自己的。借上交新型材料力学报告的机会，我对材料的各个方面进行一番大概的概念上的了解，主要是参考一些概论性质的书籍，从中得到一些最基本的概念。 不仅材料的性质有许多方面的内容，单是其力学性能也包括各个方面的影响因素。有宏观的、微观的、细观的、纳观的，物理的、化学的、量子的考虑，有材料的组分、制备工艺、后处理、使用环境等的考虑。 用于处理微观尺度的最基本的模型，材料的原子结构起了明显作用，主要用于凝聚态物理和量子化学。 用于处理微米尺度的连续介质模型，在比较唯象的层次上进行分析时，不需要跟踪个别原子的位置，只需进行局部平均处理，且假定从原子尺度观察这些量时其变化极其缓慢。 在宏观尺度上材料的总体性质作为制造、使用过程的定量模型，用于材料性质的最优化和由原材料变为有用制品的整个加工过程的最优化。 我将分别从这些角度对影响材料力学性能的各个方面的相关内容进行一些粗浅的小结，以期获得一些最基本的常识，为今后更进一步的理解打下一个初步的基础。  1 材料的结构 材料的结构指的是材料的组成单元（原子或分子）之间互相吸引和互相排斥作用达到平衡时的空间分布，从宏观到微观可分为不同的层次，即宏观组织结构、显微组织结构、微观结构。 宏观组织结构是用肉眼或放大镜观察到的晶粒、相的集合状态。显微组织结构或称为亚微观结构是借助光学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，其尺寸约为10-7-10-4m。比显微组织结构更细的一层结构即微观结构包括原子及分子结构以及原子和分子的排列结构。因为一般的分子尺寸很小，故把分子结构排列列为微观结构。但对于高分子化合物，大分子本身的尺寸可达到亚微观的范围。  1.1 化学键 在材料的组成单元中，各个原子通过化学键结合在一起组成固体材料。各类材料，当键和方式不同，如为离子键、共价键、金属键或氢键时，便具有不同的结构和性质。因此，金属材料、无机非金属材料、高分子材料的差异本质上是由不同的元素、以不同的键和方式造成的。 几乎所有的元素都能以一定的方式结合构成物质。同一种或不同种类的原子通过化学键（离子键、共价键、金属键或氢键）结合在一起构成物质的分子。实际上，有的材料并不是由单纯的一种键构成的，可同时兼有几种键，如许多无机非金属材料的键性就是混杂型的，大多是离子键、共价键及金属键相互的杂交。 下面介绍这几种键型。  1.1.1 金属键 金属原子形成金属晶体时，每个原子都提供少数价电子，作为自由电子，共用于整个晶体，这种自由电子构成金属键，把各个原子吸引在一起，成为金属晶体，其特点是具有键的作用的电子并不固定在一定的原子上，而是多少可以在金属格子（有阳离子排成的有序晶格）之间自由活动。格子由离子化了的金属原子构成，电子就起到将它们结合成键的作用。这种键具有无方向性的球对称性质。金属的高导电率和高导热率都是由于金属中自由电子运动的结果。此外，自由电子能够吸收所有波长的能量，从而也解释了金属对光的非透明性；而这一吸收能量的辐射，又同样解释了金属表面的高反射性。  1.1.2 离子键 离子键是由原子释放出最外层的电子变成带正电荷的阳离子，同时能够接受其放出的电子的原子变成带负电荷的阴离子相互之间作用的吸引力（库仑力）所形成的一种键合。这个引力同邻近的所有其他原子都相互发生作用构成一个整体。离子键是化学键中最简单的类型，因为在本质上，它完全可以归结为静电力。 一般由于形成离子键的静电力来自于离子的过剩电荷，晶体中离子的电子云密度分布应该是对称的，通常不应该产生变形。因此离子键具有饱和性和无定向性的特点，这也是离子化合物具有配位数高、堆积致密的一个重要原因。  1.1.3 共价键 共价键是由两个原子共用最外壳层电子的键合。这时参与键合的两个原子相应轨道上的电子（各有一个）的自旋方向必须是相反的。其强度随着参与键合的电子数的增多而增强。 共价键最简单的形式是单价共价键，出现在H2分子中。另一些元素组成的分子如N2，O2等也可以和H2形成共价键。另外一类共价键称为配位共价键，其特点是形成的共享电子对全由一个原子提供。所有的非金属原子，除了惰性气体外，一般都倾向于形成共价键。 共价键形成时，由于能量上的原因，总是会选择在合适的方向上成键，这就是共价键具有方向性的原因。此外，由于共价键来源于电子共享，因此原子形成共价键的数目必然要受到其电子结构的限制，这就是共价键具有饱和性的原因。由于共价键的上述本质，使得典型的共价键晶体总是具有很高的熔点和硬度、具有良好的光学特性和不良的导电性。  1.1.4 氢键 氢键是氢原子在分子中与一个原子A键合时，还能形成与另一个原子B的附加键，是一类比较弱的键，但它比范德华键要强。氢键发生于某些含有氢与高负电性原子如O、N、F等共价键合的极性分子之间。氢键的产生主要是由于氢与电负性高的A原子形成共价键时，共有电子对（电荷中心）向A原子强烈偏移，这样氢原子几乎变成一个半径很小的带正电的核，因此这个氢原子还可以和另一个分子中高电负性的B原子吸引形成附加键。  1.1.5 范德华键 原子可以看成一个很小的偶极子。虽然对于平均时间来说，原子中电子的空间分布对原子核是对称的。但某一瞬间，整个原子正负电荷中心可能不重合，从而形成小的偶极子。这些小的偶极子之间的相互作用造成的引力，就是范德华力。 范德华健是永远存在于分子间或分子内非键结合的力，是一种相互吸引的力。不过，这类键一般很弱，只有不存在其他键时，它才显示出来。  1.1.6 多种键型 在一般多元化合物中，它们总是具有几种键型。众所周知，绝大多数的有机化合物，其分子的原子之间由共价键连接，而分子之间靠范德华力联系。在有机酸的金属盐结构中还引入了离子键。若原来分子中含有氢键，则是一个同时具备四种键型的复杂结构。  1.2 晶体结构 所谓晶体指原子或原子团、离子或分子按一定规律呈周期性地排列构成的物质，即从内部结构——原子（原子团）或分子排列的特征来看，晶体结构的基本特征是原子或分子在三维空间呈周期性的规则而有序地排列，即存在长程的几何有序。 固体也可能只有一块结构均匀的大晶体构成，称为单晶。单晶体是各向异性的均匀物体，具有一定的熔点，生长良好时呈现规则的外形。晶体的宏观形貌可以是一维、二维的或者三维的。 生长良好的晶体外形通常呈现某种对称性。对称性是自然界许多事物的基本属性之一，晶体外形的宏观对称性是其内部晶体结构微观对称性的表现，它与晶体的性能有深刻的内在联系。 如果将每一个可重复的单位用一个点来表示，就能形成一个有规则的三维点阵，称为空间点阵。空间点阵中的任何一点总是和点阵中其他点有相同的周围环境。所提到的原子团，在实际晶体中可能是一个原子，也可能有很多原子组成，像某些有机分子晶体那样。按晶格的边长、晶轴相交的角度等可将晶体分为几大类：立方晶系、正方晶系、三方晶系、斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系、六方晶系。 许多固体会以多晶形式存在，如常见的金属及其合金、大多数陶瓷和矿物等均属于多晶体。多晶体是许多单晶组成的聚集体，即由许多取向不同的晶粒组成。在多晶体中，两个晶粒相遇时所产生的界面，成为晶界。晶粒和晶界是多晶材料中一个十分重要的结构因素。多晶材料的晶粒大小相差极为悬殊。就其粒径而言可小至微米甚至纳米，大到厘米。 当原子或分子结合成固体时，它们可能形成晶体，也可能形成非晶体。一般，大多数金属属于晶体，陶瓷属于单晶或多晶体，玻璃、某些高分子化合物则属于非晶体。不具有明显晶体结构的状态统称为无定形结构或非晶质。  1.2.1 金属材料的结构 金属材料一般都是晶体，由于金属键无方向性，因而其能量最低的结构是每个原子的周围都有尽可能多的相邻原子。一个原子最邻近的、等距离的原子数称为配位数。金属结构的配位数高，结构紧密。若将原子视作为均匀的小球，它们组成紧密堆积结构。金属的晶体结构随温度变化会发生变体转变。金属的晶体结构大部分属于以下几种： 1 体心立方结构BCC，在立方晶格的中心具有原子的结构成为体心立方结构； 2 面心立方结构FCC，在立方晶格的六个面上各有一个原子的结构称为面心立方结构； 3 紧密堆积六方结构，是在六方晶格的内部具有三个原子的结构； 4 金刚石型结构，比较复杂。  金属材料也可以看作是由晶体的聚集体构成的。对纯金属一般认为是微细晶粒的聚集体；对合金可看作母相金属原子的晶体与加入的合金晶体等聚合而成的聚集体。晶粒间的结合力要比晶粒内部的结合力要小。 软钢、铜、金、铝等之所以能够承受较大的塑性变形，是由于在发生滑移变形的同时，原子相互间的位置依次错开又形成了新的键，从整体看，是由于原子间的键难于断开的缘故。晶粒晶界上的结合是机械结合，即金属由高温熔体凝固析晶时，相互啮合牢固地结合在一起。晶粒间的接触面越大，结合力也越大。  1.2.2 无机非金属的结构 无机非金属的结构可分为以下几种： 1.2.2.1 金刚石型结构 各原子间相互以共价键结合，四个键相互呈109度、280度角度伸向正四面体的顶点。键的强度很大，如金刚石、硅、Ge等。 1.2.2.2 硅酸盐结构 这是陶瓷的主要结构，其结构特征是硅总是位于由四个氧离子组成的四面体中心，构成[SO4]-4四面体。在硅氧四面体之间由通过共顶点的氧以不同形式相互连接，形成岛状、链状、层状、立体网络状等不同结构的硅酸盐。 1.2.3 玻璃结构 无机玻璃可以看成是处在过冷状态的一种粘度极高的液体，整个结构不具有晶体的规则排列。玻璃的结构特点是原子排列近程较有序，远程无序。可表现出各种模式，键型有共价键和离子键。  1.3 晶体结构的缺陷 对晶体结构描述时认为整个晶体都具有规则排列。而实际上，晶体中原子总是在平衡位置附近进行热振动。晶体中又包含着种种缺陷（如点缺陷、线缺陷、面缺陷）造成结构的不完整性。也就是说，极大多数晶体都有大量的与理想原子排列的轻度偏离存在，这类不完整性依据其几何形状分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。结构的不完整性会对晶体的性能造成重大的影响。  1.3.1 点缺陷 理想晶体中的一些原子被外界原子所代替，或者在晶格间隙中掺入原子，或者留有原子空位，破坏了有规则的周期性排列，引起质点间势场的畸变，这样造成晶体结构的不完整仅仅是局限在原子位置，称作点缺陷。一般可分为：结构位置缺陷，如空位和间隙原子；组成缺陷，如杂质原子；电荷缺陷。  1.3.2 线缺陷 实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化或者振动产生的应力作用，或由于晶体受到打击、切削、研磨等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行列间相互滑移，而不再符合理想晶格的有序的排列，形成线状的缺陷，习惯上也称为位错。位错又分为刃位错和螺旋位错。  1.3.3 面缺陷 固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只有在一定条件下，例如有籽晶存在时，才能形成单晶体。大多数固体是多晶体，因为许多地点有晶核产生。多晶体是由于许多结合得并不是分严密的微小晶粒构成的聚集体。每个单独的晶粒都是单晶体，在一个晶粒内，给定的一组原子面在空间具有相同的位相，但其相邻的晶粒具有不同的结晶学位相。这些晶粒的粒和粒之间不是公共面，而是公共棱。原子面从一个晶粒到相邻的晶粒是不连续的。很明显，这样的构造就是一种面缺陷。  2 材料的性能 具体来说，材料的化学性质： 对金属来说有，化学组成、微观结构、相结构、晶体尺寸、耐腐蚀性、杂质含量等；对聚合物来说有，化学组成及其分布、结晶度、分子量以及其分布、立体结构、耐腐蚀性；对陶瓷来说，化学组成、颗粒尺寸及其分布、晶体结构、孔隙度、耐腐蚀性。 材料的物理性质：有熔点、颜色、热性质、电性质、磁性质、光学性质、重力性质等。 材料的力学性质：拉伸性、韧性、塑性、耐疲劳性、硬度、蠕变性、延伸性、抗冲击性、压缩性、模量、硬度等。  2.1 材料的力学性能 评价一种材料和结构的力学性能无非主要是从以下三方面入手：强度、刚度、稳定性。 强度指的是材料抵抗破坏的能力，在实际中具体体现在应力分析上，更进一步的分析是弹塑性极限分析，考虑了材料的塑性以后，可提高材料的许用应力。疲劳与断裂也属于强度问题。疲劳问题主要出现在具有较高塑性的材料中，断裂在微观上是由于原子间或分子间的键断开而引起的，在宏观上是由于结构中裂纹的扩展，使得结构中出现的最大应力高于结构材料的破坏极限而引起断裂，断裂韧性用应力强度因子来表征。还有冲击强度问题，可以用应力波的一套理论来解释。 刚度指的是材料抵抗变形的能力，在实际中具体体现在变形分析上。 稳定性指的是结构抵抗外来扰动的能力。特别是梁、板、壳在压缩载荷下的稳定性问题，稳定性问题也有不同的理论来解释，如薄壳的稳定性就有弹性稳定性理论和塑性稳定性理论之分，弹性稳定性理论又有非线性大挠度理论、前屈曲一致理论、初始后屈曲理论等。稳定性的另一方面是振动分析，结构的固有频率、模态以及结构的动力相应。对结构固有频率的分析是为了避免外力的频率接近结构的固有频率而引起共振破坏。稳定性问题是结构分析与是极为重要的一个问题。  2.2 材料的电学性能 2.2.1 介电铁电陶瓷 陶瓷材料在电场作用下，其中电子、离子和空穴等带电粒子产生移动，并产生电流者为导体和半导体；而荷电粒子被束缚在固定位置上，仅发生微小位移，即形成电极化而不产生电流者为绝缘体。 荷电粒子在电场下作微小位移的性质即称为介电性。 一般的介电陶瓷材料在电场下产生的极化可分为四种，即电子极化、离子极化、偶极子趋向极化和空间电荷极化。电子极化是在电场作用下，原来处于平衡状态的原子正、负电荷重心改变位置，即原子核周围的电子云发生变形而引起电荷重心偏移，形成电极化；离子极化是处在电场中多晶陶瓷体内的正负离子分别沿电场方向位移，形成电极化；偶极子趋向极化是非对称结构的偶极子在电场作用下沿电场方向区域外电场一致的方向而产生的电极化；空间电荷极化是陶瓷多晶体在电场中，空间电荷在晶粒内和电畴中移动，聚集于边界和表面而产生的极化。通常极化是由以上四种极化叠加引起的，这四种极化的产生都不是在加电场的瞬间完成的，需要一定的时间，称为弛豫时间。 由于时间延迟而造成的能量损失称为介质色散。  介电陶瓷的铁电特性表现为本身具有自发极化。当施加外加电场时，自发极化沿电场方向趋于一致；当外电场倒向，且超过材料矫顽电场值时，自发极化随电场而极化；当电场移去后，陶瓷中保留的部分极化量，即剩余极化。 自发极化与电场间存在一定的滞后关系，由电滞回线来表示。铁电体同铁磁体类似，存在类似于磁畴的电畴。每个电畴由许多永久的电偶矩构成，它们之间相互作用，沿一定方向自发排列成行，形成电畴。无外界电场时，各电畴在晶体中杂乱分布，整个晶体对外显电中性，当外电场加于晶体时，电畴极化矢量转向电场方向。 铁电陶瓷薄膜具有良好的铁电、压电、热释电、电光和非线性光学特性，用于存储器、传感器、驱动器、红外探测器、超声探测、表面波器件、显示器和光波导等。 2.2.1 介电压电陶瓷 机械力激起晶体表面荷电的效应称为压电效应，材料的这种性质称为压电性。晶体在受机械力变形时，在晶体表面产生电荷的现象称为正压电现象；由于对晶体施加电压，警惕发生变形的现象称为逆压电效应。 具有对称中心的晶体不具有压电性。靠纯粹的机械力不能使它们的正负电荷重心之间发生不对称的相对位移，也就是不能使之极化。 若用电位移D和应力T来表示压电效应，有D=d*T，d为压电系数，压电常数g=d/ ， 为介电常数，同介电常数、弹性常数一样，压电常数也因晶轴而异，而且g还因机械、电学边界条件的改变而改变。 描述压电的另两个重要物理常数是，描述其弹性谐振时的力学性能的机械品质因数Qm和机械能与电能相互转换的机电耦合系数K。 压电材料用作滤波器、谐振换能器和标准频率振子等器件时，主要是利用压电晶片的谐振效应。当一个按一定取向和形状制成的有电极的压电晶片输入电讯号时，如果讯号频率与晶片的机械谐振频率fr一致，晶片就会由于逆压电效应而产生机械谐振。晶片的机械谐振也可以由正压电效应而输出电讯号，这种晶片即为压电振子。压电振子谐振时，要克服由于内摩擦而造成的损耗。 机械品质因数Qm反映压电振子在谐振时的能量损耗程度：  机电耦合系数K表示压电材料的机械能与电能间的耦合关系：   3 材料的表征 现代材料科学在很大程度上依赖于对材料性能与其组分及其显微组织关系的理解，因此对材料性能的各种测试技术，对材料组织及性能从宏观到微观不同层次的表征技术构成了材料科学与工程的一个重要部分。 材料的宏观表征如密度、弹性模量、泊松比、剪切模量、磁导率、电导率、热导率、电阻、折射率等已经比较熟悉了，故侧重于材料的微观结构的表征。 材料结构的表征的目的大概有三个，即成分分析、结构测定、形貌观察。  3.1 化学成分分析 对于一种新型材料，我们首先总是想知道其组分，以及各个组分的含量、分布，这就是化学成分分析。 材料的化学成分分析除了传统的化学分析方法外，还包括质谱、紫外、可见光、红外光谱分析，气液相色谱、核磁共振、电子自旋共振，电子探针、原子探针、激光探针等。 质谱仪可进行多种形态（气体、液体、固体，常温、高温，常量、微量。。。。。。）样品的快速分析，测量准确度与精密度较高，样品耗量少，是鉴定未知化合物的基本手段之一，可用来进行原子量测定、同位素分离与分析、有机物结构分析、原子与分子过程研究、固体表面研究等。 核磁共振波谱学识利用原子核的物理性质，采用现在电子学和计算机技术研究分子物理和化学结构的。超导核磁共振波谱仪NMR成像技术可以直接观察材料的空间里提构象和内部缺陷，为揭示固体大分子的结构与性能的关系起了重要作用。NMR方法粳米、准确、深入物质内部而不破坏被测样品。  3.2 结构测定 化学分析、光谱分析可以测定材料的成分，但是不能鉴别物相。对于单质元素或其混合物而言，物相指的是以某种状态存在的元素，但当元素相互组成化合物或者固溶体而非其组成元素。比如，由化学分析知某物质含有Al，O元素，但其结构如何就不得而知，目前已了解的各种结构的Al2O3就有14种以上，这就要靠结构分析了。 材料的结构的测定仪衍射方法为主。衍射方法主要有X射线衍射、电子衍射、中子衍射、穆斯堡谱、Gamma射线衍射等。应用最多最普遍的当数X射线衍射，这一技术包括德拜粉末照相分析，高温、常温、低温衍射仪，背反射和透射老厄照相，测定单晶结构的四联衍射仪等。 在X射线衍射仪中，一束平行的波长0.05-0.2nm的X射线照射到样品上时，将被样品中各种晶体相所衍射，衍射时遵循Bragg公式： ，d是晶面间距离，X射线衍射强度是晶胞参数、衍射角、样品取向度的函数。衍射图用以确定样品的晶体相和测量结构性质，包括应变、外延结构和晶粒的尺寸和取向。这从我所阅读的两篇文献中都可以看出X射线应用的一些端倪。X射线也能用于确定非晶体材料和多层膜的成分深度分析、膜的厚度和原子排列。 电子衍射用于测定细微晶体或材料的亚微米尺度结构，如电子衍射图可用来分析表面或涂层的结构，对衍射强度的分析可确定表面原子间的相对位置以及它们相对下层原子的位置，对不同的衍射束的分析可以提供表面无序程度的状态。 中子衍射用于材料（主要是金属、合金材料）的缺陷、空穴、位错、沉淀相、磁不均匀性的大小和分布，以及生物大分子在空间的构型。  3.3 形貌观察 主要是依靠显微镜。光学显微镜是在微米尺度上观察材料的普及方法。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜则把观察的尺度推进到亚微米和微米以下的层次。 扫描电镜在材料的断口分析上很有用，可以直接观察部分结晶高聚物的球晶大小完善程度、共混物中分散相的大小、分布与连续相（母体）的混溶关系。 顺便了解其他一些时髦的显微镜： 扫描隧道显微镜STM，是一种表面分析仪器，1982年由IBM的苏黎世研究所研制成功，STM具有极高的空间分辨能力（平行方向分辨率为0.04nm，垂直方向达0.01nm），在此之前，人类还无法直接观察物体表面上的原子和分子结构。 其基本原理是量子隧道效应。隧道效应指的是微观粒子所具有的穿越势垒的能力。它利用金属针尖在样品的表面进行扫描，并根据量子隧道效应来获得样品表面的图像。通常针尖与样品大约0.5-10nm，所以它们之间的电子云互相重叠，当在他们之间施加一偏置电压Vb，约2mV-2V时，电子因隧道效应由针尖转移到样品，或由样品转移到针尖，从而在针尖与样品之间形成隧道电流。由电流的大小获得距离的大小。STM只能用于观察导体和半导体等导电材料的表面结构。 原子力显微镜AFM，1986年发明成功，AFM是类似于STM的，它的许多元件与STM是共用的，如压电陶瓷系统和反馈控制器。其主要不同点是用一个对微弱力极其敏感的微悬臂针尖代替了STM的隧道针尖，其分辨率比STM稍低些。其工作原理是，对微弱力极其敏感的微悬臂一端被固定，另一端则有一微小针尖，AFM在图像扫描时，针尖与样品表面轻轻接触，而针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力约10-8-10-6N，会使悬臂产生微小偏转。这种偏转被检测出来并用作反馈来保持力的恒定，就可以获得微悬臂对应于扫描各点的变化，从而获得样品表面形貌的图像。  4 小结 用一句时髦的话说，材料科学是一个庞大复杂的系统工程，因此本文不可能面面俱到，就是对提到的方面而言，也只是一个极其泛泛的了解，况且只是对我感兴趣的一些方面做了一些粗浅的了解。主要放在了材料的结构及其缺陷、铁电压电材料、材料的表征上。 不仅如此，对材料的力学性能而言，也是极其复杂，名目繁多的。宏观的研究已趋于成熟，发展的趋势越来越向微观细观方向发展，最根本的是从量子力学、分子动力学的一套理论出发，在分子尺度上研究、解释材料的力学行为，但目前来看困难重重，再往大一点的尺度上考虑，就要关注材料的微观结构和力学性能的关系了。  5 参考书目 1 周达飞 主编 《材料概论》化学工业出版社 2001 2 冯端 师昌绪 刘治国 主编 《材料科学导论》 化学工业出版社 2002 3 余焜 主编《材料结构分析基础》科学出版社 2000 4 吴刚 主编 《材料结构表征及应用》 化学工业出版社 2002 5 马如璋 蒋民华 徐祖雄 主编 《功能材料学概论》 冶金工业出版社 1999    #日志日期：2008-1-10 星期四(Thursday) 晴 推荐指数： HYPERLINK "http://buaaldh.tianyablog.com/blogger/post_show.asp?BlogID=61970&PostID=12359201&idWriter=0&Key=0" \l "#" 复制连接 举报 _1262444396.unknown