梅辉等：2D C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征· 137 ·第35卷第2期
2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征
梅辉，成来飞，张立同，徐永东，孟志新，刘持栋
(西北工业大学，超高温结构复合材料国防科技重点实验室，西安 710072)
摘要：通过单向拉伸和分段式加载–卸载实验，研究了二维编织C/SiC复合材料的宏观力学特性和损伤的变化过程。用扫描电镜对样品进行微观结构分析，并监测了载荷作用下复合材料的声发射行为。结果表明：在拉伸应力低于50MPa时，复合材料的应力–应变为线弹性；随着应力的增加，材料模量减小，非弹性应变变大，复合材料的应力–应变行为表现为非线性直至断裂。复合材料的平均断裂强度和断裂应变分别为234.26MPa和0.6%。拉伸破坏损伤表现为：基体开裂，横向纤维束开裂，界面层脱粘，纤维断裂，层间剥离和纤维束断裂。损伤累积后最终导致复合材料交叉编织节点处纤维束逐层断裂和拔出，形成斜口断裂和平口断裂。
关键词：陶瓷基复合材料；碳纤维/碳化硅复合材料；力学性能；微结构
中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：0454–5648(2007)02–0137–07
DAMAGE EVOLUTION AND MICROSTRUCTURAL CHARACTERIZATION OF A
CROSS-WOVEN C/SiC COMPOSITE UNDER TENSILE LOADING
MEI Hui，CHENG Laifei，ZHANG Litong，XU Yongdong，MENG Zhixin，LIU Chidong
(National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)
Abstract: The damage evolution and the associated mechanical response of a 2 dimensional C/SiC composite were investigated under monotonic and stepwise incremental loadings and unloadings. The microstructures of the samples were observed by scanning electron microscopy and the damage behavior under mechanical loading was monitored by the acoustic emission technique. The results show that the stress-strain of the composite is linear at stress below 50MPa. The modulus of the material decreases and the inelastic strain increases with the increase of tension stress, and the composite exhibits a largely non-linear stress-strain behavior up to rupture. The mean fracture strength and failure strain of the composite are 234.26MPa and 0.6%, respectively. The tensile damage behavior in-volves: matrix microcracking, transverse bundle cracking, interfacial debonding, fiber fracture, ply delamination and bundle splitting. The damage accumulation eventually results in splitting and pull-outs of the fibers at the crossovers between the bundles, leading to two major rupture modes of the oblique and plain sections.
Key words: ceramic matrix composites; carbon fiber/silicon carbide composite; mechanical properties; microstructure
连续碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(carbon fiber reinforced silicon carbide, C/SiC)具有高强度、高硬度、耐高温、低密度等一系列优异性能，已成为航空航天领域极具发展前景的新一代高温热结构材料[1]。C/SiC广泛应用于航空发动机的热端部件，如：尾喷管调节片、密封片、航天飞行器的头锥、机翼前缘、以及火箭与动能武器的喷管及其扩张段等[2–3]。
力学性能表征对于了解结构材料的基础性能极为重要[4–6]。研究材料在外部载荷环境中的响应和破坏机理有助于改进材料的制备工艺，提高材料的服役性能。国际上对连续纤维增强陶瓷基复合材料基础力学行为的表征已经进行了较多的实验，并取得了一定的理论成果[7–8]。近年来，国内报道了三维编织C/SiC复合材料的拉压性能、断裂韧性和声发射响
收稿日期：2006–08–10。修改稿收到日期：2006–10–09。
基金项目：国家自然科学基金重大研究计划重点项目(90405015)资助；
国家杰出青年科学基金(50425208)资助；长江学者和创新团
队发展计划资助项目。
第一作者：梅辉(1977～)，男，博士研究生。
通讯作者：成来飞(1962～)，男，博士，教授。Received date:2006–08–10. Approved date: 2006–10–09.
First author: MEI Hui (1977—), male, postgraduate student for doctor degree. E-mail: phdhuimei@https://www.doczj.com/doc/6f4212821.html,
Correspondent author: CHENG Laifei (1962—), male, doctor, professor. E-mail: chenglf@https://www.doczj.com/doc/6f4212821.html,
第35卷第2期2007年2月
硅酸盐学报
JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
Vol. 35，No. 2
February，2007
硅酸盐学报
· 138 ·2007年
应等[9–11]，而对于二维(2 dimensional, 2D)编织C/SiC 材料力学性能的研究很少[12–14]，尚不能系统地表征具有非线性、各向异性、可损伤特性材料的力学行为。
为此，研究了2D C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下的宏观力学行为和微观结构，探讨了材料在这一过程中的损伤演变和失效机制。
1 实验
1.1 材料制备
采用日本东丽公司(Toray Ltd., Tokyo, Japan)生产的1k T300TM碳纤维束编织成(0°/90°)碳布，叠压得到二维编织预制体。经化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)工艺反应沉积适当厚度的热解碳界面相后再沉积碳化硅基体[1]，得到纤维体积分数约为40%的2D C/SiC复合材料板材。图1示出了复合材料中的纤维构造及其三大组成要素：基体、界面和纤维。用数控机床将复合材料平板精密加工成如图2所示的拉伸样品，样品尺寸见表1。为防止样品被试验机夹头压碎，样品的两端贴有硬铝加强片。用排水法测得样品体密度为2.18g/cm3，孔隙率为13%左右。
1.2 测试分析
为了得到应力–应变曲线、拉伸损伤机理、损伤的发展和拉伸断裂情况，对C/SiC复合材料采取单向和加载–卸载(分段式)两种拉伸试验。实验在INSTRON 8801(Instron Ltd., High Wycombe, Eng-land)实验机上通过控制位移加载，加载速度为0.001 mm/s。在单调拉伸试验过程中，使用MICRO–80D 型声发射仪(Physical Acoustic Corp., New Jersey, USA)监测样品损伤的变化。在加载–卸载实验中，应力每增加约20MPa，卸载一次，重复进行加载–卸载直至样品断裂。用日本产HITACHI S–4700型扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)观察样品的微结构。
图1 2D C/SiC复合材料预制体纤维构造
Fig.1 Fiber architectures and constitution of the 2 dimensional (2D) C/SiC composite
图2 拉伸实验样品示意图
Fig.2 Geometry and dimensions of the as-received
2D C/SiC composite sample
表1 2D C/SiC复合材料室温拉伸测试结果
Table 1 Tensile experimental results of the 2D C/SiC composites at room temperature
Dimension/mm
Sample
L L0W T Modulus /
GPa
Ultimate tensile strength /
MPa
Failure strain /
%
2D CSiCT1 120.1 40.0 8.00 4.33 78.4 252.45 0.74 2D CSiCT2 120.0 40.1 8.06 4.34 80.7 230.43 0.58 2D CSiCT3 120.2 39.9 8.00 4.32 84.5 232.01 0.63 2D CSiCT4 119.8 40.0 8.04 4.33 81.3 222.13 0.52 Mean value 120.0±0.1 40.00±0.07 8.03±0.03 4.33±0.01 81.2±2.5 234.26±12.80 0.60±0.09 L—Total length; L0—Tested length; W—Sample width; T—Sample thickness.
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2 结果与分析
2.1 单调拉伸行为
图3为典型的2D C/SiC复合材料样品的单调拉伸应力–应变曲线和声发射监测的样品弹性波累积能量与应变的关系。拉伸曲线大部分表现为明显的非线性，线弹性变形被限制在大约50MPa以下(通常称为“比例极限”)，之后表现为非线性。在50MPa 到150MPa之间，基体中由于制备工艺产生的初始裂纹开始扩展，曲线的斜率随着载荷的增大而减小；150MPa以上，应力–应变关系随着应力的增加，斜率有增大的趋势。在材料突然断裂之前，应力–应变曲线的斜率再次下降，大量的纤维束断裂拔出导致材料的最终失效。材料的极限拉伸强度(ultimate tensile strength，UTS)和断裂应变见表1所示，统计平均值分别为234.26MPa和0.60%。根据应力–应变曲线在0到50MPa之间线性阶段的斜率得出材料的Young′s模量约为81.2GPa。
图3 典型的2D C/SiC复合材料单调拉伸应力–应变曲线和实时的声发射信号
Fig.3 Typical tensile stress–strain curves of the 2D C/SiC composites with real-time acoustic emission signals
AE—Acoustic emission
由图3可见：声发射(acoustic emission, AE)监测到的试件损伤和破坏过程，分别提取的AE信号中直接表现材料损伤的弹性波累积能量和AE事件发生记数。50MPa以下的线弹性阶段，几乎没有损伤发生，AE能量趋近于0且出现较少的事件记数，卸载后样品完全可以恢复到原来的状态。当应力–应变曲线进入非线性段后，应力引起基体裂纹的扩展和延伸，材料损伤随着不可逆应变的增加而加剧，AE能量在基体开裂处(50MPa)突然加大，事件记数明显偏多。150MPa以后，随着应力–应变曲线斜率的增大损伤速度有所减缓，AE能量的增幅降低，事件记数减少。当应力达到230MPa，纤维束开始大量断裂并逐层拔出，伴随的AE能量再一次突然增大，事件记数增加，预示样品即将最终失效。在整个损伤监测过程中，声发射响应与材料中发生的损伤具有良好的对应关系，能够较好地反映材料损伤的实时变化。
C/SiC复合材料的应力–应变曲线的非线性表明：加载期间材料内部发生损伤并积累。图4a～图4c 的SEM观察中可以发现的损伤模式有：(1)基体开裂(M)；(2)横向纤维束开裂(T)；(3)界面层脱粘(I)；(4)纤维断裂(F)；(5) 层间剥离(P)和(6)纤维束断裂(B)。
图4 2D C/SiC复合材料在拉伸载荷下的SEM照片Fig. 4 Scanning electron microscope (SEM) photographs of 2D C/SiC composite under mechanical loading Damage modes: M—Matrix cracking; T—Transverse bundle
cracking; I—Interfacial debonding; F—Fiber breaking;
P—Ply delamination; B—Bundle splitting
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这些损伤模式随着外载荷应力水平的增加依次发生，造成材料宏观性能的下降，损伤累积到一定程度之后导致材料的最终破坏。陶瓷基复合材料正是由这些损伤产生非弹性应变从而达到增韧的目的[15]。另外，从图4a中还可以看出：在2D C/SiC 复合材料中，只有沿外力方向的纵向纤维能够有效地阻止裂纹的扩展，并尽量偏折这些裂纹，而另一半横向的纤维很容易被裂纹穿过。
2.2 损伤演变分析与评价
为了确定拉伸载荷对复合材料性能尤其是对复合材料模量的影响，进行加载–卸载实验(分段式实验)。图5为2D C/SiC复合材料在循环加载–卸载下的应力–应变曲线。从图5中可以看出：每个循环中的加载曲线直到前一循环应力水平时几乎都是线性的，然后变成非线性，这表明：只有载荷超过前面一次循环的最大应力时才会形成新的损伤，低于这一水平，材料中的裂纹只是宽度变大，不会有较大的扩展或延伸，材料表现为线弹性行为[16]。图5中加载–卸载循环曲线的外围轮廓线与图3中单调拉伸曲线一致。图5中迟滞回环的宽度并不是很宽，表明：材料在加载过程中不存在较大的滑移，在这种情况下可以利用每个加载–卸载迟滞回环割线模量(E n=tgθn)的变化，来粗略地评价材料在这一应力水
图5 2D C/SiC复合材料在循环加载和卸载下的应力–应变曲线Fig.5 Tensile stress–strain curves of the 2D C/SiC composites with interrupted unloading–reloading cycles
εr—Residual thermal strain; σr—Residual thermal stress;
σt—Unloading stress; εi—Inelastic strain; εe—Elastic strain;
E0—Initial modulus; E n—Secant modulus;θn—Tangent
angle 平下的性能衰变，这样在拉伸载荷下材料的损伤演变可以用损伤因子D来表征：
1
E
E
D n
n
?
=(1) 其中：n为加载–卸载次数；E0为材料的初始模量；
E n为第n次加载–卸载的模量。
图6为2D C/SiC复合材料在拉伸载荷下损伤因子与应力的关系曲线。由图6可以看出：材料的损伤随着应力的增大呈抛物线增大，而在50～150MPa 这一阶段增大得最快。150MPa以后损伤的增加逐渐
趋于平缓。
图6 2D C/SiC复合材料在拉伸载荷下损伤因子D与应力水平的关系
Fig.6 Relationship between damage factors (D) of 2D C/SiC composite and stress levels under mechanical loading
综合上述图3、图5和图6的实验结果，可以更为深入地了解陶瓷基复合材料在拉伸载荷下的损伤机制：在拉伸应力达到基体开裂应力50MPa之前，样品表现出线性特征，几乎没有损伤发生(见图3)。当应力超过50MPa，制备过程中产生的裂纹开始扩展，使应力–应变曲线表现为非线性(见图3)，材料模量开始下降(见图5)并出现损伤(见图6)。随着拉伸应力在50MPa到150MPa之间的持续上升，更多的初始裂纹开始扩展，同时产生新的基体裂纹，导致非弹性应变εi的增加(见图5)，模量E n的迅速下降和损伤的加剧(见图6)。当应力超过150MPa 后，虽然仍有少量新的基体裂纹继续产生，但大量初始裂纹的扩展已经完成，裂纹密度达到饱和，因此应力–应变曲线的斜率稍微回升(见图3)，模量降低的速率减小，损伤的增加逐渐趋于平缓(见图6)。另外，除了基体裂纹以外，其他的损伤模式在这一过程中开始出现并持续积累，例如：横向纤维束开裂，界面层脱粘和纤维断裂等，这些损伤模式也能
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引起应力–应变曲线的非线性特征和模量的下降。在高应力水平(>230 MPa)下，层间剥离和纤维束断裂发生(见图3)。因此，在基体裂纹密度饱和以后，其他损伤模式的继续发展，在纤维束最终断裂之前使应力–应变曲线的斜率再次下降。表1示出样品的平均最大拉伸强度σu 为234.26 MPa ，在图6中，该应力水平对应的损伤因子D =0.45，也就是说当材料性能的损伤达到45%，材料就会失效。实际工程应用中还应该考虑安全系数，实验误差以及具体服役环境的影响，设计的损伤因子必须大大低于这个理论值。
另一方面，将每个加载–卸载迟滞回环的割线反向延长后，交于一点O ′(见图5)，这一点可以被称为“无残余热应力原点”。陶瓷基复合材料高温制备后在室温下会导致内部热失配，形成残余热应力σr 和基体开裂应变εr 。如果没有σr 和εr 的存在，材料的性能必将会得到大大提高，拉伸应力–应变曲线的原点自然从O 被平移到了O ′。利用任何一个回环构成的两个相似三角形(△O ′RG ≌△FHG )可以得出如下关系：
e
i
r t r εεεσσ+= (2)
其中：σt ，εi ，εe 分别代表每个加载–卸载循环的应力水平，及所引起的非弹性应变和弹性应变。很明显，任意2个迟滞回环建立的关系式(2)，可以构成一组仅包含未知数σr 和εr 的二元一次方程组。计算出的平均残余热应力σr 和应变εr 分别为：134.85 MPa 和0.16%。基于以上分析，如果将外力作用的零点O ，平移到残余热应力零点O ′，不仅材料的断裂强度和断裂应变被大幅提高；而且此时在假想压应力(图5中横轴下方区域)的作用下基体裂纹会发生闭合，这样材料的应力–应变关系可以理解为一种可损伤的弹性行为。
需要指出的是，上述计算仅适用于材料的应力–应变迟滞回环宽度较窄，加载过程中滑移可以忽略的情况。相反，如果加载过程中的滑移偏大(如材料具有很厚的界面层)，导致较大的应力–应变迟滞回环宽度，“无残余热应力原点”将是每个循环中加载曲线尾部线性部分的反向延长线交点[7]，而且其位置的计算会更为复杂一些。 2.3 断口分析和失效模式
如上所述，在达到材料的极限拉伸强度234.26 MPa 之前，材料内部已经积累了大量的损伤。这些损伤最终将导致材料的断裂。图7为典型的复合材料拉伸断口的SEM 照片。从图7可以看出：大部分
图7 2D C/SiC 复合材料在拉伸载荷下断口形貌的SEM 照片
Fig.7 SEM photographs of fracture surfaces of 2D C/SiC
composite under mechanical loading
纵向纤维束在编织节点或靠近编织节点(见图7a)的地方断裂，样品断口不仅包含大量纵向纤维束逐层断裂，而且伴有明显的纤维拔出(见图7b)，拔出长度接近1 mm 左右。在二维(0°/90°)交叉编织叠层复合材料中，编织节点处由于纤维束之间的挤压作用，沉积了较少的SiC 基体，更为重要的是每个节点周围还均匀分布着4个编织孔(见图7a)，即使SiC 基体沉积较为致密，该处依然是材料中的薄弱点，容易引发基体裂纹汇聚，使之包围的编织节点纤维束产生应力集中，最终导致材料断裂。同时，这些裂纹产生后，内部热应力得到释放，引起模量下降，卸载后残余变形随之增加，所以基体裂纹是应力–应变呈非线性的主要原因。如图7所示，当纵向纤维束拉伸断裂拔出时，将横向纤维束带走，形成层状拔出，断口上形成一排孤立纤维束。较长的纤维拔出表明陶瓷基复合材料由于软质热解碳界面层(见图1b)的缓冲作用从而具备良好的增韧效果。
图8为2D C/SiC 复合材料在拉伸作用下断裂的SEM 照片。对2D C/SiC 复合材料试样拉伸断口特征进行统计分析，可以简单的分为两类断裂模式：斜口断裂和平口断裂。第一种类型的断口与外应力
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方向(纵向)呈明显角度，约为15°左右，特征为纤维从大的基体裂纹中拔出很长(见图8a)，具有较高的断裂强度和断裂应变。第二种类型纤维拔出较少，断口颇为平整，如图8b所示，断裂强度和断裂应变相对较低。形成这两类断裂模式的原因极其复杂，可能与复合材料中纤维对基体裂纹的偏折程度，残余热应力的分布以及材料中缺陷(如基体不连续区域)的存在状态有关。
图8 2D C/SiC复合材料在拉伸载荷下的断裂模式Fig.8 Fracture modes of 2D C/SiC composite under mechanical loading
S1—Oblique crack propagating path; S2—Plain crack propa-
gating path; δ—Waviness
图8c简单地示意了两类断裂模式的形成机制。在外部应力作用下，高温制备形成的初始裂纹开始垂直于应力方向扩展。图4a表明：裂纹可以容易地穿过横向(图8c中90°)纤维束，只有沿外应力方向的纵向(图8c中0°)纤维束才能有效阻止裂纹的扩展并偏折裂纹。当整个复合材料中残余热应力分布均匀，缺陷较少且分散的情况下，这种在外应力法面内传播的裂纹能够被最大程度地沿着纵向0°纤维束排布的δ方向(波纹度)偏折，直至偏折裂纹的纤维束断裂，外应力重新指向裂纹尖端的另一束纵向纤维，最后按照S1的路径到达材料的另一侧，形成第一类断裂模式。相反，当复合材料中残余热应力分布不均匀，缺陷较多且集中的情况下，裂纹总会沿着那些容易穿过的“薄弱地带”扩展和延伸，尽管纵向0°纤维束仍然沿δ方向偏折裂纹，但是“薄弱地带”的存在致使裂纹偏折很短的距离，纤维束就过早的发生断裂，裂纹最终沿着S2的路径形成较为平整的断口且纤维拔出较短。比较而言，第一类断裂模式裂纹扩展路程长，消耗更多的破坏能量，能够获得较高的极限拉伸强度和断裂应变，以及更长的纤维拔出。
3 结论
(1) 2D C/SiC复合材料在拉伸载荷下应力–应变曲线的弹性阶段被限制在大约50MPa以下，之后表现为多阶段损伤的非线性特性。基于假想的“无残余热应力原点”，材料的拉伸行为可以理解为一种可损伤的弹性变化。计算出的平均σr和εr分别为134.85 MPa和0.16%。
(2) 声发射对损伤的监测表明：声发射响应与材料中发生的损伤具有良好的对应关系，能够较好地反映材料损伤的实时变化。
(3) 随着应力增加材料中的损伤主要表现为：基体开裂，横向纤维束开裂，界面层脱粘，纤维断裂，层间剥离和纤维束断裂。这些损伤导致应力–应变曲线的非线性变化和材料模量的下降。损伤因子D随应力水平的增加呈抛物线增大，累积损伤达到约45%，材料就会失效。
(4) 材料的失效主要是二维交叉编织节点处的纤维束由于应力集中导致的逐层断裂和拔出。横向裂纹不同的扩展路径和偏折程度形成斜口和平口两类主要的断裂模式。裂纹扩展的路程越长，吸收的破坏能量就越多，纤维拔出也越长，断裂强度和断裂应变也越大。
梅辉等：2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征· 143 ·第35卷第2期
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composites subjected to constant load and thermal cycling in oxidizing atmosphere [J]. Scr Mater, 2006, 54: 163–168.
材料微观结构观察开放实验报告 学院：系：专业：年级： 姓名：学号：实验时间：注明日期和第几节课 指导教师签字：成绩： 一、实验目的和要求 1．了解材料微观结构观察与分析技术的实际应用； 2．了解光学金相显微镜的基本原理、主要部件的功能和显微镜的正确操作；3．了解制作金相试样的步骤； 4．观察工程材料典型的微观结构，了解微观结构与材料性能之间的关系。 二、实验原理 观察材料的微观结构时，首先对试样进行研磨和拋光，得到一平整镜面。然后对试样的抛光表面进行适当的化学浸蚀处理，由于不同微观结构的腐蚀程度不同，使得腐蚀后的试样抛光面对入射光线反射强弱不同，因此借助各部分的明暗差异，便可在光学显微镜下观察到材料内部的微观结构形貌。 不同材料具有不同的微观结构，同种材料经过不同加工处理后其微观结构也会发生变化，从而使材料具有不同的性能。 三、主要仪器设备及材料 光学金相显微镜、台虎钳、镶嵌机、预磨机、抛光机、金相砂纸、浸蚀剂、吹风机、金相试样（45钢、铸铁和铝合金等） 四、制备金相试样和观察试样微观结构的主要过程。 首先有专门的试件样品，将一平面稍微用力放在有磨砂纸的转盘上，同时磨砂纸转盘旋转，进行研磨，砂纸转盘上还有一些起润滑作用的液体，在试件表面和磨砂纸之间均匀分布。研磨要进行多次，并且砂纸也要更换，从最粗糙的砂纸开始磨起，一直到精细的砂纸。最后要将试件样品磨好的面在酸性液体里浸泡下，
残余杂质会被洗掉。最后可以在光学显微镜等观测仪器下进行观测了~ 五、实验后的收获。 材料是科技进步的核心，开发和使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术发展的尺度，材料就存在于我们的周围，生活中我们会接触或使用各种各样的材料。本实验通过真实事例介绍材料微观结构观察与分析技术在人们生活和工作中的重要应用，以及光学金相显微镜的原理和正确操作，动手制作金相试样，并在显微镜下观察材料的微观结构形象，将奇妙，变幻多端的材料微观实世界展现在我眼前，增加我对身边材料的了解，拓展和识面。
第二章微观孔隙结构类型划分及特点 2.1 微观孔隙结构类型的研究方法 随着油田开采技术的发张，从一开始单纯依靠天然能量驱油逐渐发展到用注水注气疯方法开采石油，于是开始出现了多相渗流，贝克莱—勒弗莱脱关于水驱油非活塞式驱替理论的提出，奠定了多相渗流的基础，拟压力方法的引入使油气两相渗流得到了有效的解决。 油气储集层是油气储集的场所和油气云翳的通道。它有着极其复杂的内部空间结构和不规则的外部集合形状，它是渗流的前提条件，所以必须对其进行了解。按其成因可分为：原生孔隙、次生孔隙、混合空隙。 （1）原生孔隙 指原始沉积物固有的空隙，如（陆源碎屑）粒间孔、（陆源碎屑）粒内孔等。原生粒间孔经机械压实作用改造后变小，习惯上称之为原生缩小粒间孔，此类孔隙在本区不甚发育（图2-5, 图2-6）。 图2-5少量原生缩小粒间孔；单偏光10×10 Fig. 2-5 Fine-grained arkose lithic sandstone 图2-6少量原生粒间孔；单偏光：10×10 Fig. 2-6 Fine-grained arkose lithic sandstone （2）次生孔隙 经次生作用（如淋滤、溶解、交代、重结晶等成岩作用）所形成的空隙称为次生孔隙。构成本区砂岩主要储集空间的次生孔隙由溶解成岩作用形成。主要包括粒内溶孔、铸模孔隙和胶结物内溶孔。
图 2-7长石粒内溶孔；单偏光10×10 Fig. 2-7 Arcosic intergranular dissolved pore, plainlight 10×10 图2-8岩屑粒内溶孔；单偏光10×10 Fig. 2-8Lithic intergranular dissolved pore， plainlight 10×10 粒内溶孔见于易溶的陆源长石颗粒、岩屑和内源介形虫骨壳。其中长石粒内溶孔常依长石颗粒的解理缝、双晶缝、裂隙外延伸展（图2-7）。陆源岩屑遭受部分溶蚀后形成岩屑粒内溶孔，粒内见有难溶组分（图2-8）。本区还可见介形虫化石，体腔内先期充填的碳酸盐胶结物后来发生溶解，形成溶蚀孔隙。特征是介形虫壳体基本完整，体内见有残余的碳酸盐矿物（图2-9）。 图2-9 介形虫体腔内溶孔；单偏光10×10 Fig. 2-9 Within mussel-shrimp dissolved porem plainlight 10×10 图2-10长石铸模孔隙., 单偏光10×20 Fig. 2-10 Arcosic matrix pore, plainlight 10×20 溶解作用强烈可使陆源碎屑、内源颗粒（如生物介壳、鲕粒等）被全部溶解掉，若该颗粒外形轮廓、解理缝、岩石结构等自身特征尚可辨识时，称此种空隙为铸模孔隙。本区的铸模孔隙有长石铸模孔隙和岩屑铸模孔隙，前者发育（图2-10）。
高分子部分 一、简答题 1、什么是高分子缩聚反应？ 缩合聚合反应（简称缩聚）： 由含有两种或两种以上单体相互缩合聚合而形成聚合物的反应称为缩聚反应，同时会析出水、氨、醇、氯化氢等小分子物质。 若缩聚反应的单体为一种，反应称为均缩聚反应，产品为均缩聚物；若缩聚反应的单体为多种，反应称为共缩聚反应，产品为共缩聚物。 2、什么是复合材料？复合材料区别于传统材料有什么特点？ 简单地说，复合材料是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。 复合材料区别于传统材料的一个重要特点是依靠不同的组分材料分散和承载负荷。 （1）特点 ①可设计性 ②材料与结构的同一性 ③发挥复合效应的优越性 ④材料性能对复合工艺的依赖性 （2）优点 ①比强度、比模量大 ②耐疲劳性能好 ③阻尼减震性好 ④破损安全性高 3、举例说明什么是超分子聚合物及其与传统聚合物的区别。 超分子聚合物和化学键联聚合物的最大区别：成键弱，可逆过程。 把单体结构组元之间由非共价键这种弱分子间相互作用组装而成的分子聚集体称为超分子聚合物。 之所以将其称为超分子聚合物, 一方面是因为这种聚集体中的长链或网络结构类似聚合物结构，另一方面是因为弱分子间作用力赋予这种材料各种软性的类聚合物性能。 如：氢键超分子聚合物（氢键型超分子聚合物是指重复单元通过与氢键相关的自组装生成的稳定超分子聚合物），配合物型超分子聚合物（金属- 超分子聚合物是由金属离子与配体之间的相互作用形成的, 是一类具有多样化几何构造和拓扑结构的新型功能高分子），∏-∏堆积超分子聚合物（∏-∏堆积又称∏-∏共轭、芳环堆积。当2个芳环平行或近似平行排列时，由于∏电子云相互排斥，相邻芳环平面间距小于芳香环的范德华厚度，这种想象就是∏-∏堆积），离子效应超分子聚合物。 4、简述有机发光二极管的工作过程。 OLED由以下各部分组成（自下而上）： 基层（透明塑料，玻璃，金属箔）——基层用来支撑整个OLED。 阳极（透明）——阳极在电流流过设备时消除电子（增加电子“空穴”）。 导电层——该层由有机塑料分子构成，这些分子传输由阳极而来的“空穴”。可采用聚苯胺作为OLED的导电聚合物。 发射层——该层由有机塑料分子（不同于导电层）构成，这些分子传输从阴极而来的电子；
高中物理-晶体的微观结构、固体新材料 A级抓基础 1．下列晶体中属于金属晶体的是( ) A．金刚石和氧化钠B．锗和锡 C．银和氯化钠D．镍和金 解析：根据晶体的结合类型可知氧化钠和氯化钠是离子晶体；锗、锡和金刚石是原子晶体；银、镍和金是金属晶体．故选D. 答案：D 2．(多选)晶体表现出各向异性是由于( ) A．晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同 B．晶体在不同方向上物质微粒的排列情况相同 C．晶体内部结构的无规则性 D．晶体内部结构的有规则性 解析：组成晶体的物质微粒是有规则排列的,由于在不同方向上物质微粒的排列情况不同,造成晶体在不同方向上的物理性质不同,选项A、D正确．答案：AD 3．(多选)纳米材料具有许多奇特效应,如( ) A．电光效应B．量子尺寸效应 C．高硬度D．表面和界面效应 解析：由纳米材料的良好性能表现知B、D项正确． 答案：BD 4．(多选)下列说法中正确的是( ) A．化学成分相同的物质只能生成同一种晶体 B．因为石英是晶体,所以由石英制成的玻璃也是晶体 C．普通玻璃是非晶体 D．一块铁虽然是各向同性的,但它是晶体 解析：一种元素可以生成多种晶体,因为其分子可能排成几种空间点阵结构．玻璃为非晶体,而石英为晶体,所有的金属都为多晶体,故C、D正确．答案：CD 5．下列说法正确的是( )
A．新材料特殊的性能不仅包括特殊的物理性能,也包括一些特殊的化学性能B．制作集成电路时,尽管对硅单晶片的完整性有很高的要求,但是可以允许单晶片内原子的规则排列出现微小的缺陷 C．纳米是长度单位,1 nm＝10－10 m D．金属薄膜可以配合读写磁头设计的改进,增大磁记录的密度 解析：新材料的特殊性能是指物理性能,A错；制作集成电路的硅单晶片是不允许硅单晶片内原子的规则排列出现微小的缺陷的,B错；1 nm＝10－9 m,C错；由于金属薄膜的晶粒尺寸小、晶粒各向异性大,晶粒间的相互交换作用弱,是可以配合读写磁头的改进增大磁记录的密度的,D正确． 答案：D B级提能力 6．(多选)下列新型材料中,可用作半导体材料的有( ) A．高分子合成材料B．新型无机非金属材料 C．复合材料D．光电子材料 解析：高分子合成材料有合成橡胶、塑料和化学纤维等：新型无机非金属材料有工业陶瓷、光导纤维、半导体材料；复合材料分为结构复合材料和功能复合材料；光电子材料有光电子半导体材料、光纤和薄膜材料、液晶显示材料等,故B、D正确． 答案：BD 7．纳米晶体材料在现代科技和国防中具有重要的应用．下列关于晶体的说法正确的是( ) A．晶体内的微观粒子在永不停息地做无规则热运动 B．晶体内的微观粒子间的相互作用很强,使各粒子紧紧地靠在一起 C．晶体的微观粒子在不同方向上排列情况不同 D．晶体的微观粒子在空间排列上没有顺序,无法预测 解析：
笔记之前： 1.这本书是译著。原著名：《CONCRETE Microstructure,Properties，and Materials》由库玛·梅塔（ Mehta）和保罗 .蒙特罗（Paulo ）合著。 2.本笔记所选摘的都是普通教材中可能忽略的地方，不体现混凝土科学的主要框架，只以本书的体色为主：细致，深入，全面。 3.作为思考混凝土某一方面研究的借鉴，目的是拓宽思路。 笔记： 第一篇硬化混凝土的微结构和性能 第一章绪论 第二章混凝土的微结构（提出了混凝土中过渡区的重要性） 第三章强度（见附图1影响混凝土强度各个因素的相互作用） 第四章尺寸稳定性 “需要注意，混凝土构件通常处于被约束的状态，约束有时来自路基的摩擦和端部的其他构件，但更多还是来自钢筋和混凝土内、外部的应变差。” “混凝土在约束状态下，干缩应变诱发的弹性拉应力和粘弹性行为带来的应力松弛之间的交互作用，是大多数结构变形和开裂的核心。” “不是所有变量都以同一种方式控制混凝土的强度和弹性模量（通常，粗骨料的弹性模量越高、用量越大，混凝土的弹性模量就越大。低强或中强 混凝土的强度不受骨料孔隙率正常变化的影响。）” （附图2 影响混凝土弹性模量的不同参数） 第五章耐久性 （附图3 混凝土劣化的物理原因） “在一种冻融环境中耐冻的混凝土在另一种组合条件下却可能被摧毁。” “经显微镜观测证实：当冰在气孔（而不是毛细孔道）中形成时，水泥浆体会收缩” “对一种骨料，临界尺寸（在一定的孔径分布、渗透性、饱和度与结冰速率条件下，大颗粒骨料可能会受冻害，但小颗粒的同种骨料则不会）并非 单一值，因为他还取决于结冰速率、饱和度和骨料的渗透性。” （附图4 化学反应引起混凝土劣化的模型） （附图5 常见环境条件下混凝土损伤的整体模型） “氯化物对硫酸盐膨胀的影响清楚地表明：我们在模拟材料行为时经常犯错误，即为了简单起见只考虑单一因素的影响，而没有充分考虑其他可能 会显著改变这种影响的因素的存在。” 第二篇混凝土原材料、配合比和早龄期性能 第六章水硬性水泥 区分水泥熟料的化学组成（氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、水等）与矿物组成（硅酸三钙、硅酸二钙、氯酸三钙、铁铝酸四钙等）； “任何化学反应的主要特征包括物质变化、能量变化和反应速率三个方面” “水化水泥浆体的电子显微研究表明，水泥早期，水化主要以完全溶解机理为主；水化后期，由于溶液中离子的迁移受阻，剩余水泥颗粒的水化则 主要按固相反应机理进行”
几种材料微观结构分析方法简介 Introduction to several materials microstructure analysis method 黑道梦境间谍 指导教师:XXX 摘要:材料的微观世界丰富多彩,处处蕴含着材料之美.然而如何分析材料的微观结构是一个很重要的问题.本文章将介绍几种分析材料微观结构的方法, 通过微观结构分析仪器来对微观材料结构进行探索 关键词:材料微观结构X射线激光拉曼光谱电子显微分析方法
1 引言 材料科学在21世纪的地位愈发重要,各种各样的材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。材料科技是未来高科技的基础, 而微观材料分析方法是材料科学中必不可少的实验手段。因此, 微观材料分析方法对材料科学甚至是整个科技的发展都具有重要的意义和作用. 2 X射线分析 X射线是一种波长很短的电磁波，这是1912年由劳埃M.von Laue指导下的著名的衍射实验所证实的。X射线衍射是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、不同结构相的含量及内应力的方法。这种方法是建立在一定晶体结构模型基础上的间接方法，即根据与晶体样品产生衍射后的X射线信号的特征去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数，并且可以达到很高的精度。然而由于它不是显微镜那样可以直接观察，因此也无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合起来。由于X射线聚焦的困难，所能分析样品的最小区域（光斑）在毫米数量级，因此对微米及纳米级的微观区域进行单独选择性分析也是无能为力的。 通常获得X射线是利用一种类似热阴极二极管的装置，用一定材料制作的板状阳极（A，称为靶）和阴极（C，灯丝）密封在一个玻璃-金属管壳内，阴极通电加热，在阳极和阴极间加以直流高压U（数千伏至数十千伏），则阴极产生的大量热电子e将在高压电场作用下飞向阳极，在它们与阳极碰撞的瞬间产生X射线，如图1.1所示。 因此，产生X射线的条件是： 1产生自由电子； 2使电子作定向的高速运动； 3在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。 用仪器检测此X射线的波长，发现其中包含两种类型的波谱，即连续X射线波谱和特征X射线波谱。 其中特征X射线是：当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值UK时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材料的标志或特征，故称为特征X射线谱。特征谱只取决于阳极靶材元素的原子序数。 3 激光拉曼光谱分析 拉曼散射的过程涉及光的弹性散射和非弹性散射，当一束频率为n。的单色光照射到样品上时，都会发生散射现象，产生散射光，将产生弹性散射 (Rayleighscattering)和非弹性散射(Raman scattering)。散射光的大部分具有与入射光(激发光)相同的频率，即散射光的光子能量与入射光的相同，这就是弹性散射，称为瑞利散射。当散射光的光子能量发生改变与入射光不同时，其频率高于和低于入射光即非弹性散射，称为拉曼散射。频率低于激发光的拉
高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是分子量很大的化合物，每个分子可含几千、几万甚至几十万个原子。 在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金属、亚金属元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子链。由于高聚物中常见的C、H、O、N等元素均为轻元素，所以高分子材料具有密度小的特点 （1）高分子链的几何形态 1）线型分子链由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料的典型结构。 2）支化型分子链在主链上带有支链。这类结构高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。 3）体型分子链分子链之间由许多链节相互横向交联。具有这类结构的高聚物硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性材料的典型结构。 （2）高分子链的构象及柔顺性 由于单链内旋转所产生的大分子链的空间形象称为大分子链的构象。由于构象变化获得不同卷曲程度的特性。这种能拉伸、回缩的性能称为分子链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。 （3）高聚物的聚集态结构 高分子化合物的聚集态结构是指高聚物内部高分子链之间的几何排列或堆砌结构,也称超分子结构。依分子在空间排列的规整
性可将高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型(非晶态)三类。 在实际生产中大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态。晶态结构在高分子化合物中所占的质量分数或体积分数称为结晶度。结晶度越高，分子间作用力越强，因此高分子化合物的强度、硬度、刚度和熔点越高，耐热性和化学稳定性也越好；而与键运动有关的性能，如弹性、伸长率、冲击韧性则降低。 陶瓷亦称无机非金属材料，是指用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化合物（、氧化物、碳化物、硅化物等）为原料，经粉碎、配置、成型和高温烧制而成的无机非金属材料。陶瓷的基本相结构主要有:晶相、玻璃相、气相等。 晶体相是陶瓷的主要组成相：主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物等。它们的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷的主要性能和应用。 玻璃相是一种非晶态物质。其作用：①粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；②降低烧成温度，加快烧结；③阻止晶体转变，抑制其长大；④获得透光性等玻璃特性；⑤不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。 气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影响因素多。陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。气孔对陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外）。普通陶瓷气孔率5%～10％，特种陶瓷气孔率5％以下，金属陶瓷气孔率低于0.5％。 工程材料的性能 金属材料的物理性能主要有密度、熔点、导热导电性、热膨胀性
工程材料的分类及性能 字体: 小中大 | 打印发表于: 2006-11-09 15:38 作者: xlktiancai 来源: 中国机械资讯网 材料的分类 材料的种类繁多，用途广泛。工程方面使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料等。在工程材料领域中，用于机械结构和机械零件并且主要要求机械性能的工程材料，又可分为以下四大类： 金属材料具有许多优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）和加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能等）。特别可贵的是，金属材料可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能。加之其矿藏丰富，因而在机械制造业中，金属材料仍然是应用最广泛、用量最多的材料。在机械设备中约占所用材料的百分之九十以上，其中又以钢铁材料占绝大多数。 随着科学技术的发展，非金属材料也得到迅速的发展。非金属材料除在某些机械性能上尚不如金属外，它具有金属所不具备的许多性能和特点，如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生产率高、成本低等。所以在工业中的应用日益广泛。作为高分子材料的主体——工程塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS塑料、环氧塑料等）已逐渐替代一些金属零件，应用于机械工业领域中。古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。 金属材料和非金属材料在性能上各有其优缺点。近年来，金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的出现，为集中各类材料的优异性能于一体开辟了新的途径，在机械工程中的应用将日益广泛。
9-1.gif 我也来说两句查看全部回复 最新回复 xlktiancai (2006-11-09 15:39:31) 材料的性能一、力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能 是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力ζ和应变ε，ζ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。描述材料力学性能的 主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度 量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸 收的能量的数值。设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例 如，对一种钢管，人们要求它有较高的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出 最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材 料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？ 答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判 据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描 述材料强度的指标至少就有两个以上。一般来说，描述材料力学性能的指 标有以下几项： 1．弹性和刚度图1-6是材料的应力—应变图（ζ—ε 图）。（a）无塑性变形的脆性材料（例如铸铁）；（b）有明显屈服 点的延性材料（例如低碳钢）；（c）没有明显屈服点的延性材料（例如纯铝）。在图中的ζ—ε曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，如卸去 载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形 的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限，记为ζe。材料在弹 性范围内，应力与应变成正比，其比值E=ζ/ε（MN/m2）称为弹性模量。
实用标准 完成时间：2016年XX月XX日
摘要 材料分析检测技术，是关于材料成分、结构、微观形貌的检测技术及相关理论基础的研究，在众多领域的研究和生产中被广泛应用。本报告以Mg/Al扩散焊接接头的检测分析为例，分别介绍了扫描电镜（SEM）、X光衍射技术（XRD）、电子探针（EPMA）等材料微结构表征手段和显微硬度、断裂强度测试等材料力学性能测试手段的具体应用。 关键词：材料分析；微观形貌；力学性能 Abstract Material analysis and testing technology are detection technologies and theoretical foundations about material composition, structure, microstructure. They are widely used in many fields of research and production. This report introduce the detection of Mg/Al diffusion bonding joint as an example, and discusses the application progress of X-ray diffraction technology in material analysis, such as SEM, XRD, EPMA which are used for material microstructure analysis and microhardness, breaking strength which are used for mechanical properties testing. Keywords: materials analysis; microstructure; mechanical properties
第一章XRD 1.X射线的定义、性质、连续X射线和特征X射线的产生、特点。 答：X射线定义：高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。性质：看不见；能使气体电离，使照相底片感光，具有很强的穿透能力，还能使物质发出荧光；在磁场和电场中都不发生偏转；当穿过物体时只有部分被散射；能杀伤生物细胞。 连续X射线产生：经典物理学解释——由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。量子力学解释——大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。特点：强度随波长连续变化 特征X射线产生：当管电压达到或高于某一临界值时，阴极发出的电子在电场的加速下，可以将物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。此时的原子处于激发态。处于激发态的原子有自发回到激发态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量降低。原子从高能态变为低能态时，多出的能量以X射线的形式释放出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能级差一定，故辐射出波长一定的特征X射线。特点：仅在特定的波长处有特别强的强度峰。 2.X射线与物质的相互作用 答：X射线与物质的相互作用，如图所示 一束X射线通过物体后，其强度因散射和吸收而被衰减，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。 散射分为两部分，即相干散射和不相干散射。当X射线照射到物质的某个晶面时可以产生反射线，当反射线与X射线的频率、位相一致时，在相同反射方向上的各个反射波相互干涉，产生相干散射；当X射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，产生波长比入射X射线波长长的X射线，且波长随着散射方向的不同而改变，这种现象称为不相干散射。其中相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。 物质对X射线的吸收是指X射线通过物质时，光子的能量变成了其它形式的能量，即产生了光电子、俄歇电子和荧光X射线。当X射线入射到物质的内层时，使内层的电子受激发而离开物质的壳层，则该电子就是光电子，与此同时产生内层空位。此时，外层电子将填充到内层空位，相应伴随着原子能量降低，放出的能量就是荧光X射线。当放出的荧光X射线回到外层时，将使外层电子受激发，从而产生俄歇电子而出去。产生光电子和荧光X射线的过程称为光电子效应，产生俄歇电子的过程称为俄歇效应。示意图见下：
材料结构与性能（珍藏版） 一、何为金属键？金属的性能与金属键有何关系？ 二、试说明金属结晶时，为什么会产生过冷？ 三、结合相关工艺或技术说明快速凝固的组织结构特点。 四、画出铁碳合金相图，并指出有几个基本的相和组织？说明它们的结构和 性能特点。 五、说明珠光体和马氏体的形成条件、组织形态特征和性能特点。 六、试分析材料导热机理。金属、陶瓷和玻璃导热机制有何区别？将铬、 银、Ni-Cr合金、石英、铁等物质按热导率大小排序，并说明理由。 七、从结构上解释，为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘？ 八、列举一些典型的非线性光学材料，并说明其优缺点。 九、什么是超疏水、超亲水？超疏水薄膜对结构与表面能有什么要求？ 十、导致铁磁性和亚铁磁性物质的离子结构有什么特征？ 答案自测 特别重要的名词解释 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径 （r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。
电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。
“材料研究方法与测试技术”课程练习题 第二章红外光谱法 1.为什么说红外光谱是分子振动光谱？分子吸收红外光的条件是什 么？双原子基团伸缩振动产生的红外光谱吸收峰的位置主要与哪些因素有关? 答案:这是由于红外光谱是由样品分子振动吸收特定频率红外光发生能级跃迁而形成的。分子吸收红外光的条件是：(1)分子或分子中基团振动引起分子偶极矩发生变化；(2)红外光的频率与分子或分子中基团的振动频率相等或成整数倍关系。双原子基团伸缩振动产生的红外光谱吸收峰的位置主要与双原子的折合质量（或质量)和双原子之间化学键的力常数(或键的强度；或键的离解能）有关。 2.用诱导效应、共轭效应和键应力解释以下酯类有机化合物的酯羰 基吸收峰所处位置的范围与饱和脂肪酸酯的酯羰基吸收峰所处位置范围（17３５~１75０cm-１）之间存在的差异。 芳香酸酯：１7１5~1730ｃm-１ α酮酯：1740～175５ｃm-1 丁内酯：～１82０cm-1 答案：芳香酸酯:苯环与酯羰基的共轭效应使其吸收峰波数降低;α酮酯：酯羰基与其相连的酮羰基之间既存在共轭效应，也存在吸电子的诱导效应，由于诱导效应更强一些，导致酯羰基吸收峰的波数上升；丁内酯：四元环的环张力使酯羰基吸收峰的波数增大。
3.从以下FTIR谱图中的主要吸收峰分析被测样品的化学结构中可能 存在哪些基团？分别对应哪些吸收峰? 答案:3４８6ｃｍ－1吸收峰:羟基（－OH）；3335cｍ-1吸收峰：胺基（－NH２或-NH-)；2971cm-1吸收峰和2８７0cｍ-1吸收峰：甲基(-C Ｈ3）或亚甲基(-ＣH２-)；２115ｃm－1吸收峰:炔基或累积双键基团(-N＝C＝Ｎ-);1７28cm-1吸收峰：羰基；１604ｃm-1吸收峰、15２6cm-１吸收峰和1458cｍ-１吸收峰:苯环;1１08cｍ-１吸收峰和11４8cm-1吸收峰：醚基（C-O-C)。1２３２ｃｍ-1吸收峰和1247cｍ－１吸收峰：C-N。 第三章拉曼光谱法 1. 影响拉曼谱峰位置(拉曼位移)和强度的因素有哪些？如果分子的同一种振动既有红外活性又有拉曼活性，为什么该振动产生的红外光谱吸收峰的波数和它产生的拉曼光谱峰的拉曼位移相等？
材料结构与表征 2017-2018复习整理 2018-1-4 暨南大学 ——D.S
2017-2018材料结构与表征重点整理 目录 绪论 (1) 第一章 X射线物理学基础 (2) 第二章 X射线衍射方向 (3) 第三章 X射线衍射强度 (3) 第四章多晶体分析方法 (4) 第五章物相分析及点阵参数精确测定 (5) 第六章（不考） (5) 第七章（不考） (5) 第八章电子光学基础 (5) 第九章透射电子显微镜 (6) 第十章电子衍射 (7) 第十一章晶体薄膜衍衬成像分析 (7) 第十二章（不考） (8) 第十三章扫描电子显微镜 (8) 第十四章（不考） (8) 第十五章电子探针显微镜分析 (8) 第十六章 (9) 参考文献 (10)
2017-2018材料结构与表征重点整理 绪论 1.组织结构与性能 本书主要介绍X射线衍射和电子显微镜分析材料的微观结构。 材料的组织结构与性能：a.结构决定性能；b.通过一定方法控制其显微组织形成条件。 加工齿轮实例： a.预先将钢材进行退火处理，使其硬度降低，以满足容易铣等加工工艺性能要求； b.加工好后再进行渗碳处理，使其强度、硬度提高，以满足耐磨损等使用性能的要求。 2. 显微组织结构分析表征： a.表面形貌观察（形态、大小、分布和界面状态等——光学显微镜、电子显微镜、原子力显微镜等； b.晶体结构分析（物相，晶体缺陷，组织结构等）——X射线衍射、电子衍射、热谱分析； c.化学成分分析（元素与含量、化学价态、分子量、分子式等）——光谱分析，能谱分析等。 3.传统测试方式 a.光学显微镜——分辨率200nm——只能观察表面形态而不能观察材料内部的组织结构，更不能进行对所观察的显微组织进行同位微区分析； b.化学分析——能给出试样的平均成分，不能给出元素分布，和光谱分析相同。 4.X射线衍射与电子显微镜 1.XRD——分辨率mm级——是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、不同结构相的含量及内应力的方法，可以计算样品晶体晶体结构与晶格参数。 2.电子显微镜 透射电子显微镜——分辨率0.1nm——通过透过样品的电子束成像，可以观察微观组织形态并对观察区域进行晶体结构鉴定； 扫描电子显微镜——分辨率1nm——利用电子束在样品表面扫描激发出的代表样品表面特征的信号成像，观察表面形貌（断口）和成分分布； 电子探针显微分析——利用聚焦很细的电子束打在样品微观区域，激发出特征X射线，可以确定样品微观区域的化学成分，可与扫描电镜同时使用进行化学成分同位分析。
硅藻土的微观结构特点及其应用 张 强1 周学东2 1（武汉理工大学硅酸盐工程中心教育部重点实验室，430070） 2（武汉理工大学硅酸盐工程中心教育部重点实验室，430070） E-mail: qzhang6@https://www.doczj.com/doc/6f4212821.html, 摘 要：本文对我国南方某地硅藻土矿物的微观结构进行了研究分析，并根据其微观结构特点综述了目前其在各个领域的主要应用。 关键词： 硅藻土 微观结构 SEM 应用 1.引 言 硅藻土是一种由古生物硅藻的含硅尸骸沉积而成的天然矿物原料，是大自然给予人类的宝贵财富。硅藻土矿的形成经历了上万年的地质变化。按形成硅藻土矿的硅藻体的来源，可分为湖相沉积型和海相沉积型或称为盐水沉积型和淡水沉积型两种。硅藻是一种个体很小的生物，一般为1－100um，硅藻土就是这种生物的残骸沉积物。由于硅藻富有多孔结构，可以吸附0.1-1.0um以上的颗粒或细菌，故具有过滤、除菌的功能。 硅藻的种属很多，常见的有圆筛藻、直链藻、冠盘藻、卵形藻、桅杆藻、小环藻等。由于硅藻土矿的形成经历了漫长的地质年代，除含有大量的硅藻体外，还含有很多杂质，其中常见的有石英、粘土、铁质矿物、碳酸盐、硫酸盐、火山灰等杂质矿物。 评价硅藻土矿品位的高低一般以其所含的无定形二氧化硅的含量，即硅藻体的含量为主，而目前我国以矿中二氧化硅的含量为评价标准，这样有时人们就不好区分其中无定形与结晶型矿物中的二氧化硅的相对比例是多少，给实际应用带来困难。而国外是以所含硅藻体的比例来判断矿床的品位。硅藻土矿在我国分布比较广，已在全国14个省份发现硅藻土矿床70余处[8]。总储量居世界第二。在我国北方地区，硅藻土矿主要分布在吉林长白地区、内蒙商都、山东临朐等地，而南方矿区主要有云南腾冲、先锋，浙江嵊县，广东徐闻和四川米易等。其中大的矿区在吉林、云南和浙江，也是我国较早开发利用的矿区。另发现高钙型硅藻土矿有两处[15].但我国天然硅藻土矿的品位普遍不高，主要是中低品位，硅藻体含量一般在30％－60％，二氧化硅的含量在60％－80％，只有少数矿在83％－90％左右，如吉林的浑江、长白地区的硅藻土矿[12][19]。 2.硅藻土的微观结构特点 硅藻土的化学成分主要是SiO2，但其在结构上是无定形的，即非晶态的。这种非晶态的SiO2又称蛋白石。其实是一种含水的无定形胶态SiO2，可以表示为SiO2?nH2O。由于产地不同，其所含水 1
1.材料的结构层次有哪些，分别在什么尺度，用什么仪器进行分析？ 现在,人们通过大量的科学研究和工程实践,已经充分认识到物质结构的尺度和层次是有决定性意义的。 在不同的尺度下,主要的,或者说起决定性的问题现象和机理都有很大的差异,因此需要我们用不同的思路和方法去研究解决这些问题。更值得注意的是空间尺度与时间尺度还紧密相关,不同空间尺度下事件发生及进行的时间尺度也很不相同。一般地讲,空间尺度越大的,则描述事件的时间尺度也应越长。不同的学科关注不同尺度的时空中发生的事件。现代科学则按人眼能否直接观察到,且是否涉及分子、原子、电子等的内部结构或机制,而将世界粗略地划分为宏观(Macro-scopic)世界和微观(Microscopic)世界。之后,又有人将可以用光学显微镜观察到的尺度范围单独分出,特别地称作/显微结构(世界)。随着近年来材料科学的迅速发展,材料科学家中有人将微观世界作了更细致地划分。而研究基本粒子的物理学家可能还会把尺度向更小的方向收缩,并给出另外的命名。对于宏观世界,根据尺度的不同,或许还可以细分为/宇宙尺度/太阳系尺度/地球尺度和/工程及人体尺度等。人类的研究尺度已小至基本粒子,大至全宇宙。但到目前为止,关于/世界的认识还在不断深化,因而对其划分也就还处于变动之中。即使是按以上的层次划分,其各界之间的边界也比较模糊,有许多现象会在几个尺度层次中发生。 在材料科学与工程领域中,对于材料结构层次的划分尚不统一,可以列举出许多种划分方法,例如:有的材料设计科学家按研究对象的空间尺度划分为三个 层次: (1)工程设计层次:尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。 (2)连续模型尺度:典型尺度在1Lm量级,这时材料被看作连续介质,不考虑其中单个原子、分子的行为。 (3)微观设计层次:空间尺度在1nm量级,是原子、分子层次的设计。 国外有的计算材料学家,按空间和时间尺度划分四个层次〔1〕,即 (1)宏观 这是人类日常活动的主要范围,即人通过自身的体力,或借助于器械、机械等所能通达的时空。人的衣食住行,生产、生活无不在此尺度范围内进行。其空间尺度大致在0.1mm(目力能辨力最小尺寸)至数万公里人力跋涉之最远距离),时间尺度则大致在0.01秒(短跑时人所能分辨的速度最小差异)至100年(人的寿命差不多都在百年以内)。现今风行的人体工程学就是以人体尺度1m上下为主要参照的。 (2)介观 介观的由来是说它介于/宏观与/微观之间。其尺度主要在毫米量级。用普通光学显微镜就可以观察。在材料学中其代表物是晶粒,也就是说需要注意微结构了,如织构,成分偏析,晶界效应,孔中的吸附、逾渗、催化等问题都已开始显现。现在,介观尺度范围的研究成果在材料工程领域,如耐火材料工业、冶金工业等行业中有许多直接而成功的应用。 (3)微观 其尺度主要在微米量级,也就是前面所说/显微结构(世界)0。多年以来借助于光学显微镜、电子显微镜、X)衍射分析、电子探针等技术对于晶态、非晶态材料在这一尺度范围的行为表现有较多的研究,许多方法已成为材料学的常规手段。在材料学中,这一尺度的代表物有晶须、雏晶、分相时产生的液滴等。 (4)纳观 其尺度范围在纳米至微米量级,即10-6~10-9m,大致相当于几十个至几百个原子集合体的尺寸。在这一尺度范围已经显现出量子性,已经不再能将研究对象作为/连续体0,不能再简单地
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。 3、层状结构材料的各向异性。 答：层状结构中范德华力起着重要的作用，陶瓷的层状结构间有较强的若键存在使得层与层之间连接在一起。蒙脱石和石墨的结构层内键合类型不同于层间键合类型，因此材料显示出较高的各向异性。所有的这些层状结构的层与层之间很容易滑移，粘土矿物中的这种层状结构使它在有水的情况下容易发生塑性变形。 4、影响陶瓷材料密度的因素。 答：密度是指单位体积的质量，陶瓷材料的密度有四种表示方式，分别是：结晶学密度、理论密度、体积密度、相对密度。前三种在制作过程中没有形成气孔，在结构内的原子间只有间隙。陶瓷材料的密度主要取决于元素的尺寸，元素的质量和结构堆积的紧密程度。相对原子质量大的元素构成的陶瓷材料显示出较高的密度，如碳化钨、氧化铪等。金属键合和离子键合陶瓷中的原子形成紧密堆积，会使其密度比共价键键合陶瓷（较开放的结构）的密度更奥一些，如锆石英。 5、硬度所反映的材料的能力；静载荷压入法测定硬度的原理。
关于新型材料结构与性能的关系相关文章读后感 通过阅读文献，我了解了关于新型材料的一些基础知识。 新型材料是指那些新近发展或正在发展的、具有优异性能和应 用前景的一类材料。新型材料的特征： （1）生产制备为知识密集、技术密集和资金密集； （2）与新技术和新工艺发展密切结合。如：大多新型材料通过 极端条（如超高压、超高温、超高真空、超高密度、超高频、 超高纯和超高速快冷等）形成。 （3）一般生产规模小，经营分散，更新换代快，品种变化频繁。 （4）具有特殊性能。如超高强度、超高硬度、超塑性，及超导 性、磁性等各种特殊物理性能。 （5）其发展与材料理论关系密切。 新型材料的分类，根据性能与用途分为新型结构材料和功能材料。新型结构材料是指以力学性能为主要要求，用以制造各种机器零件和工程结构的一类材料。新型结构材料具有更高力学性能（如强度、硬度、塑性和韧性等），能在更苛该介质或条件下工作。 功能材料指具有特定光、电、磁、声、热、湿、气、生物等性能的种类材料。广泛用于能源、计算机、通信、电子、激光、空间、生命科学等领域。根据材料本性或结合键分为金属材料、元机非金属材料、高分子材料、复合材料 新型材料，在国民经济中具有举足轻重的地位。对新一代材
料的要求是：（1）材料结构与功能相结合。（2）开发智能材料。 智能材料必须具备对外界反应能力达到定量的水平。目前的材料还停留在机敏材料水平上，机敏材料只能对外界有定性的反应。 （3）材料本身少无污染，生产过程少污染，且能再生。（4）制造材料能耗少，本身能创造新能源或能充分利用能源。 材料科学发展趋势：（1）研究多相复合材料。指两个或三个主相都在一个材料之中，如多相复合陶瓷材料，多相复合金属材料，多相复合高分子材料，金属—陶瓷、金属—有机物等。（2）研究并开发纳米材料。①把纳米级晶粒混合到材料中，以改善材料脆性。②利用纳米材料本身的独特性能。 基于材料结构和性能关系研究的材料设计,其核心科学问题有三: (l)寻找决定材料体系特性的关键功能基元； (2)材料微观结构和宏观功能特性的关系的研究； (3)基于功能基元材料体系的设计原理。 各种新型材料的开发研究越来越引起人们的重视,活性碳纤维(ACF)(或纤维状活性碳(FAC)是近几十年迅速发展起来的一种新颖的高效吸附材料。 ACF的吸附性能与其结构特征有密切关系.影响性能的结构因素可分为两个方面:其一为孔结构因素,如比表面积、孔径、孔容等。在通常情况下,比表面积与吸附量有正比关系;其二为表面官能团的种类和含量,例如含氮官能团的ACF对含硫化合物有优异的吸附能力.