1、1 1 土木工程材料的基础知识土木工程材料的基础知识n1.1 材料的组成材料的组成、结构与性质、结构与性质 n1.2 1.2 材料的基本性质材料的基本性质1.1 材料的组成材料的组成、结构与性质、结构与性质n1.1.1 1.1.1 材料的组成与性质材料的组成与性质n化学组成化学组成n矿物组成矿物组成n相组成相组成n组成的含义组成的含义:构成材料的构成材料的成分成分及其及其含量含量(1)(1)化学组成化学组成 化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类与数量类与数量。习惯上，金属材料的化学组成以主要元素的含量习惯上，金属材料的化学组成以主要元素的含量来
2、表示来表示(如钢材如钢材:Fe,C,Mn,Si,S,P等等)；无机非金属；无机非金属材料则以各种氧化物含量来表示材料则以各种氧化物含量来表示(如水泥如水泥:CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3、MgO等等)。化学组成对材料的性质有很大的影响。化学组成对材料的性质有很大的影响。当材料与自然环境或各类物质接触时，它们之当材料与自然环境或各类物质接触时，它们之间必定按化学规律发生作用。如混凝土受到酸、碱、间必定按化学规律发生作用。如混凝土受到酸、碱、盐类物质的侵蚀作用，钢材的锈蚀、木材的燃烧等盐类物质的侵蚀作用，钢材的锈蚀、木材的燃烧等都属于化学作用。都属于化学作用。材料在各种化学作用下
3、表现出来材料在各种化学作用下表现出来的性质是由其化学组成决定的的性质是由其化学组成决定的。(2)矿物组成矿物组成n 矿物矿物是指在是指在无机非金属材料无机非金属材料中具有特定的晶体结中具有特定的晶体结构、物理力学性能的组织结构构、物理力学性能的组织结构(如硅酸盐水泥如硅酸盐水泥熟料熟料主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙四种矿物所组成四钙四种矿物所组成)。n矿物组成矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。是指构成材料的矿物种类和数量。n化学组成相同的材料其矿物组成可以不同。对某化学组成相同的材料其矿物组成可以不同。对某些土木工程材料，其矿物组成
4、是决定其性质的主些土木工程材料，其矿物组成是决定其性质的主要因素。例如硅酸盐水泥中硅酸三钙含量高，则要因素。例如硅酸盐水泥中硅酸三钙含量高，则其凝结硬化速度较快，水化放热较大，强度较高。其凝结硬化速度较快，水化放热较大，强度较高。(3)(3)相组成相组成n材料中具有相同的物理、力学性质的均匀部分称为材料中具有相同的物理、力学性质的均匀部分称为相相.自然界中的物质有气相、液相、固相之分。材料自然界中的物质有气相、液相、固相之分。材料的的相组成是指组成材料的相种类、数量及分布状况相组成是指组成材料的相种类、数量及分布状况。土木工程材料大多数是多相固体，可看成复合材料。土木工程材料大多数是多相固体，
5、可看成复合材料。n复合材料不同相之间存在复合材料不同相之间存在界面界面，材料的性质与材料，材料的性质与材料的相组成和界面特性有密切关系。实际材料中，相的相组成和界面特性有密切关系。实际材料中，相与相之间的这一过渡面是一个薄弱区，它的成分与与相之间的这一过渡面是一个薄弱区，它的成分与结构与其两侧的相都不相同，是不均匀的结构与其两侧的相都不相同，是不均匀的 ，可将其，可将其作为作为“界面相界面相”来处理。因此，通过改变和控制材来处理。因此，通过改变和控制材料的相组成，可改善和提高材料的技术性能。料的相组成，可改善和提高材料的技术性能。1.1.2 1.1.2 材料的结构材料的结构(构造构造)与性质与
6、性质n1 1）土木工程材料的结构层次）土木工程材料的结构层次n宏观结构宏观结构n亚微观结构（或称细观结构）亚微观结构（或称细观结构）n微观结构微观结构(1)(1)宏观结构宏观结构 材料的宏观结构是指用材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织（其尺寸约为毫米级大小），分辨的粗大组织（其尺寸约为毫米级大小），以及更大尺寸的构造情况以及更大尺寸的构造情况。因此，这个层次。因此，这个层次的结构也可以称为宏观构造。宏观结构有如的结构也可以称为宏观构造。宏观结构有如下六种类型：下六种类型：（1 1）散粒结构；（）散粒结构；（2 2）聚集结构）聚集结构 ；（；（3 3）多孔结构）多
7、孔结构 ；(4)(4)致密结构致密结构 ；(5)(5)纤维结构纤维结构 ；(6)(6)层状结构。层状结构。(1)(1)宏观结构宏观结构n（1 1）散粒结构）散粒结构n 散粒结构是由单独的颗散粒结构是由单独的颗粒组成，不与其他颗粒相结粒组成，不与其他颗粒相结合，如砂、石子以及用于涂合，如砂、石子以及用于涂料及塑料中的粉状填料。料及塑料中的粉状填料。（2 2）聚集结构）聚集结构 聚集结构材料中的颗粒聚集结构材料中的颗粒通过通过胶结材料胶结材料彼此牢固地结彼此牢固地结合在一起，如各种混凝土。合在一起，如各种混凝土。(1)(1)宏观结构宏观结构n（3 3）多孔结构）多孔结构n多孔材料中含有大量的、粗大
8、或多孔材料中含有大量的、粗大或微小的（微小的（1010-3-3mm mm 1mm1mm）、均匀分）、均匀分布的孔隙，这些孔隙或者连通，布的孔隙，这些孔隙或者连通，或者封闭。这是加气混凝土、泡或者封闭。这是加气混凝土、泡沫混凝土、发泡塑料、石膏制品沫混凝土、发泡塑料、石膏制品等材料所特有的结等材料所特有的结构。构。n(4)(4)致密结构致密结构 具有致密结构的材料在外观具有致密结构的材料在外观上和内部结构上都是致密的上和内部结构上都是致密的(无孔无孔隙的隙的)，金属、玻璃等材料即具有，金属、玻璃等材料即具有这种结构特性。这种材料的体积这种结构特性。这种材料的体积密度大，导热性强，强度硬度大，密度
9、大，导热性强，强度硬度大，抗渗性和抗冻性好。抗渗性和抗冻性好。(1)(1)宏观结构宏观结构(5)(5)纤维结构纤维结构 纤维结构是木材、纤维制纤维结构是木材、纤维制品所特有的结构，其在平行纤品所特有的结构，其在平行纤维和垂直纤维方向上的强度、维和垂直纤维方向上的强度、导热性及其他一些性质明显不导热性及其他一些性质明显不同，即具有各向异性。同，即具有各向异性。(6)(6)层状结构层状结构 层状结构或称叠合结构，层状结构或称叠合结构，是板材常见的结构。它是将材是板材常见的结构。它是将材料叠合成层状，用胶结材料或料叠合成层状，用胶结材料或其他方法将它们结合成整体，其他方法将它们结合成整体，如木材胶合
10、板等。叠合结构可如木材胶合板等。叠合结构可以改善单层材料的性质。以改善单层材料的性质。n 亚微观结构一般是指用光学显微镜所能观察到的、亚微观结构一般是指用光学显微镜所能观察到的、具有具有微米级微米级的材料组织结构。的材料组织结构。仪器的放大倍数可达仪器的放大倍数可达一千倍左右，能有几千分之一毫米的分辨能力，可一千倍左右，能有几千分之一毫米的分辨能力，可仔细分析天然岩石的矿物组织、金属材料晶粒的粗仔细分析天然岩石的矿物组织、金属材料晶粒的粗细及其金相组织，如钢材中的铁素体、珠光体、渗细及其金相组织，如钢材中的铁素体、珠光体、渗碳体等组织；混凝土中的孔隙及裂缝、木材的木纤碳体等组织；混凝土中的孔隙
11、及裂缝、木材的木纤维、导管、髓线等组织也属于亚微观结构层次。维、导管、髓线等组织也属于亚微观结构层次。n 材料内部各种组织的性质是各不相同的，这些材料内部各种组织的性质是各不相同的，这些组织的特征、数量、分布以及界面之间的结合情况组织的特征、数量、分布以及界面之间的结合情况都对材料的整体性质起着重要的影响作用。都对材料的整体性质起着重要的影响作用。(2)(2)亚微观结构亚微观结构（或细观结构）（或细观结构）n层片状层片状珠光体珠光体是一种双相结构的是一种双相结构的组织组织，是一，是一层层铁素体铁素体和一层和一层渗碳体渗碳体的混合物的混合物(3)(3)微观结构微观结构n 微观结构是指材料分子、原
12、子层次的结构。微观结构是指材料分子、原子层次的结构。可可用电子显微镜、扫描电子显微镜和用电子显微镜、扫描电子显微镜和X X射线衍射仪等射线衍射仪等手段分析研究手段分析研究。其尺寸范围为其尺寸范围为1010-6-61010-10-10m m。材料的许多。材料的许多物理、力学性质，如强度、硬度、弹塑性、熔点、导热性、物理、力学性质，如强度、硬度、弹塑性、熔点、导热性、导电性等都是由其微观结构所决定的。导电性等都是由其微观结构所决定的。n 固体材料的微观结构基本上固体材料的微观结构基本上可分为晶体可分为晶体和非晶体和非晶体（包括玻璃体、固溶体等）。（包括玻璃体、固溶体等）。固体中，由原子、分子或离子
13、作固体中，由原子、分子或离子作三向规则排列成有序的结构，称为三向规则排列成有序的结构，称为晶体晶体。而原子、分子或离子本身沿三维空间作而原子、分子或离子本身沿三维空间作不规则排列的，称为不规则排列的，称为非晶体非晶体。2 2）晶体的种类及性质）晶体的种类及性质n 按质点及结合键的特性，晶体可分为以下按质点及结合键的特性，晶体可分为以下4 4种：种：n（1 1）原子晶体）原子晶体n 原子晶体是由中性原子构成的晶体，其原子之间原子晶体是由中性原子构成的晶体，其原子之间是由是由共价键共价键来联系的。原子之间靠数个共用电子来来联系的。原子之间靠数个共用电子来结合，具有很大的结合能，结合比较牢固，因而结
14、合，具有很大的结合能，结合比较牢固，因而此此种晶体的强度、硬度与熔点都是较高的种晶体的强度、硬度与熔点都是较高的。石英、金。石英、金刚石、碳化硅等属于原子晶体。刚石、碳化硅等属于原子晶体。n（2 2）离子晶体）离子晶体n 离子晶体是由正负离子所构成的晶体。离子之间离子晶体是由正负离子所构成的晶体。离子之间是靠静电吸引力所形成的是靠静电吸引力所形成的离子键离子键来结合。离子晶体来结合。离子晶体一般是比较稳定的，一般是比较稳定的，其强度、硬度、熔点也是较高其强度、硬度、熔点也是较高的。的。2 2）晶体的种类及性质）晶体的种类及性质n（3 3）分子晶体）分子晶体n 中性的分子由于电荷的非对称分布而产
15、生的分子中性的分子由于电荷的非对称分布而产生的分子极化，或是由于电子运动而发生的短暂极化所形成极化，或是由于电子运动而发生的短暂极化所形成的一种结合力，即范德华力。分子晶体是由分子通的一种结合力，即范德华力。分子晶体是由分子通过过范德华力范德华力结合起来的，分子晶体大部分属于有机结合起来的，分子晶体大部分属于有机化合物。化合物。n（4 4）金属晶体）金属晶体n 金属晶体是由金属阳离子排成一定形式的晶格，金属晶体是由金属阳离子排成一定形式的晶格，在晶格间隙中有自由运动的电子，这些电子称为自在晶格间隙中有自由运动的电子，这些电子称为自由电子。由电子。金属键金属键是通过自由电子的库仑引力而结合是通过
16、自由电子的库仑引力而结合的。的。自由电子可使金属具有良好的导热性及导电性自由电子可使金属具有良好的导热性及导电性。晶体结合形式与材料性质晶体结合形式与材料性质 晶体结合晶体结合形式形式 离子晶体离子晶体共价键共价键晶体晶体金属金属晶体晶体分子分子晶体晶体构造构造方向性小方向性小 方向性大方向性大 方向性小方向性小 方向性小方向性小 密度密度密度中等密度中等 密度小密度小 密度大密度大密度小密度小 强度与强度与硬度硬度强度大强度大硬度大硬度大 强度大强度大硬度大硬度大 强度与硬度变化强度与硬度变化范围大范围大 强度小强度小质软质软 热学性质热学性质熔点高熔点高 熔点高熔点高 熔点范围大熔点范围大
17、热传导性大热传导性大熔点高熔点高 电学性质电学性质导电性一般较小 导电性小 导电性大 导电性小 晶体结构（构造）晶体结构（构造）晶体的结构形式采用晶体的结构形式采用X X射线衍射或射线衍射或电子射线扫描等方法来确定。电子射线扫描等方法来确定。在晶体内部，可细分为完全相等在晶体内部，可细分为完全相等单位的构造在三维空间重复着，如单位的构造在三维空间重复着，如右图所示。右图所示。立方晶体沿三个垂直方向有相同立方晶体沿三个垂直方向有相同的排列：的排列：a a1 1=a=a2 2=a=a3 3,大部分金属和相大部分金属和相当数量的陶瓷材料是立方晶系的。当数量的陶瓷材料是立方晶系的。非立方晶体的重复排列
18、沿三个坐标非立方晶体的重复排列沿三个坐标轴方向不一样或者其三个晶轴间的轴方向不一样或者其三个晶轴间的夹角不全等于夹角不全等于90900 0。自然界中共有自然界中共有7 7种可能的晶系。种可能的晶系。这七种晶系的名称这七种晶系的名称和它们的几何特征列于下表。和它们的几何特征列于下表。晶体结构晶体结构立方晶系中的点阵常数立方晶系中的点阵常数a在三个坐标方向上都是在三个坐标方向上都是相同的相同的 各种晶系的几何特征各种晶系的几何特征 晶系晶系轴间夹角轴间夹角立方立方a a1 1=a=a2 2=a=a3 3所有的夹角都等于所有的夹角都等于90900 0正方正方a a1 1=a=a2 2cc所有的夹角都
19、等于所有的夹角都等于90900 0正交正交abcabc所有的夹角都等于所有的夹角都等于90900 0单斜单斜abcabc其中有两个夹角是其中有两个夹角是90900 0；另一个不等；另一个不等于于90900 0三斜三斜abcabc三夹角都不相同，且都不为三夹角都不相同，且都不为90900 0六方六方a a1 1=a=a2 2=a=a3 3cc夹角为夹角为90900 0和和1201200 0菱方菱方a a1 1=a=a2 2=a=a3 3所有的夹角都相等，但不为所有的夹角都相等，但不为90900 0晶体结构（构造）晶体结构（构造）正方晶系和正交晶系的几何特征见下图。正方晶系和正交晶系的几何特征见下
20、图。a)a)正方晶系：正方晶系：a a1 1=a=a2 2cc；各个夹角都为；各个夹角都为90900 0；b)b)正交晶系：正交晶系：abcabc；各个夹角都是；各个夹角都是90900 0；c)c)六方晶系：六方晶系：a a1 1=a=a2 2cc；夹角为；夹角为90900 0及及1201200 0晶体结构（构造）晶体结构（构造）以岩石矿物为主的硅酸盐以岩石矿物为主的硅酸盐有很多种类，其晶体构造也是有很多种类，其晶体构造也是多种多样的，见下图所示。如多种多样的，见下图所示。如果以果以4 4个个O O2-2-离子包围一个离子包围一个SiSi4+4+离离子所组成的子所组成的SiOSiO4 44-4
21、-作为基本单位，作为基本单位，则它们既可以成为独立体，也则它们既可以成为独立体，也可以成为链状构造（例如辉石可以成为链状构造（例如辉石类）、二维网状构造（例如高类）、二维网状构造（例如高岭土、云母）或三维网状构造岭土、云母）或三维网状构造（例如硅石（例如硅石SiOSiO2 2、长石类），、长石类），其中其中SiSi4+4+与与O O2-2-的结合是半离子的结合是半离子性、半共价性的。性、半共价性的。a a）基本单位；）基本单位；b b）链状连）链状连结；结；c c）二维网状结构）二维网状结构 晶体结构（构造）晶体结构（构造）n 某些有机化合物中，高分子某些较为规则构造部分称为某些有机化合物中，
22、高分子某些较为规则构造部分称为结晶性的，而不规则构造部分则称为非结晶性的，如下图所结晶性的，而不规则构造部分则称为非结晶性的，如下图所示。结晶性部分所占比例随着分子的化学构造、延伸度和温示。结晶性部分所占比例随着分子的化学构造、延伸度和温度等条件的改变而变化。度等条件的改变而变化。n 晶体晶体非晶体共聚物非晶体共聚物n1-1-非结晶性区域；非结晶性区域；2-2-结晶性区域结晶性区域 3）玻璃体）玻璃体n 玻璃体是由于熔融物冷却较快而形成的。玻璃玻璃体是由于熔融物冷却较快而形成的。玻璃是无机非晶态固体中最重要的一族。当达到凝固是无机非晶态固体中最重要的一族。当达到凝固温度时，它还具有很大的粘度，
23、致使原子来不及温度时，它还具有很大的粘度，致使原子来不及按照一定的规则排列起来，就已经凝固成固体，按照一定的规则排列起来，就已经凝固成固体，从而形成玻璃体结构。从而形成玻璃体结构。n 一般无机玻璃的外部特征是有很高的硬度，较一般无机玻璃的外部特征是有很高的硬度，较大的脆性，对可见光具有一定的透明度，并在开大的脆性，对可见光具有一定的透明度，并在开裂时具有贝壳及蜡状断裂面。裂时具有贝壳及蜡状断裂面。n 玻璃体具有以下物理通性。玻璃体具有以下物理通性。玻璃体的特性玻璃体的特性1 1、各向同性、各向同性 玻璃体内部任何方向的性质（如折射率、导电性、硬度、玻璃体内部任何方向的性质（如折射率、导电性、硬
24、度、热膨胀系数等）都是相同的。这与晶体一般具有各向异性热膨胀系数等）都是相同的。这与晶体一般具有各向异性的特性是不同的，却与液体有类似性。的特性是不同的，却与液体有类似性。2 2、介稳性、介稳性 当熔体冷却成玻璃体时，这种状态并不是处于能量最低的当熔体冷却成玻璃体时，这种状态并不是处于能量最低的状态。它能较长时间在低温下保留了高温时的结构而不变状态。它能较长时间在低温下保留了高温时的结构而不变化，因而称介稳状态。化，因而称介稳状态。从热力学观点看，玻璃态是一种高能量状态，它必然有从热力学观点看，玻璃态是一种高能量状态，它必然有向低能量状态转化的趋势，也即有析晶的可能。然而从动向低能量状态转化的
25、趋势，也即有析晶的可能。然而从动力学观点看，由于常温下玻璃粘度很大，由玻璃态转变为力学观点看，由于常温下玻璃粘度很大，由玻璃态转变为晶态的速率是十分小的，因此它又是稳定的。晶态的速率是十分小的，因此它又是稳定的。玻璃体的特性玻璃体的特性n3 3、固熔转化过程的可逆固熔转化过程的可逆性与渐变性性与渐变性 n 当熔体向固体转变时，若是结当熔体向固体转变时，若是结晶过程，当温度降至晶过程，当温度降至TM（熔点）（熔点）时（见右图），由于出现新相，时（见右图），由于出现新相，同时伴随体积、内能的突然下降同时伴随体积、内能的突然下降与粘度的剧烈上升；若是熔融物与粘度的剧烈上升；若是熔融物凝固成玻璃的过程
26、，开始时熔体凝固成玻璃的过程，开始时熔体体积和内能曲线以与体积和内能曲线以与TM以上大致以上大致相同的速率下降直至相同的速率下降直至F F点（对应温点（对应温度度Tg），熔体开始固化。这时的），熔体开始固化。这时的温度称玻璃形成温度温度称玻璃形成温度Tg。物质内能与体积随物质内能与体积随温度的变化而变化温度的变化而变化 玻璃体的特性玻璃体的特性 当玻璃组成一定时，当玻璃组成一定时，Tg应该是一个随冷却速度应该是一个随冷却速度而变化的温度范围。低于而变化的温度范围。低于Tg时的固体称为玻璃，而时的固体称为玻璃，而高于此温度范围它就是熔体。因而高于此温度范围它就是熔体。因而玻璃体无固定的玻璃体无固
27、定的熔点，而只有熔体熔点，而只有熔体玻璃体可逆转的温度范围玻璃体可逆转的温度范围。常见的玻璃体有硅酸盐玻璃，如石英玻璃是将常见的玻璃体有硅酸盐玻璃，如石英玻璃是将熔化的二氧化硅（熔化的二氧化硅（SiOSiO2 2）经过急速冷却所得的产物。）经过急速冷却所得的产物。这种熔融体冷却时形成较大的网状构造而使粘性增这种熔融体冷却时形成较大的网状构造而使粘性增大，在不产生规则整齐排列的大，在不产生规则整齐排列的SiOSiO4 4晶体的情况下，晶体的情况下，直接转变为非晶质固体，也可称为无定形晶体。玻直接转变为非晶质固体，也可称为无定形晶体。玻璃就属于这类非晶质固体，此外，还有合成树脂和璃就属于这类非晶质
28、固体，此外，还有合成树脂和橡胶等。橡胶等。4）固溶体固溶体 n 固体中也有纯晶体和含有外来杂质原子的固体固体中也有纯晶体和含有外来杂质原子的固体溶液之分。溶液之分。把含有外来杂质原子的晶体称为固体溶把含有外来杂质原子的晶体称为固体溶液，简称固溶体液，简称固溶体。n 固溶体普遍存在于无机固体材料中，材料的物固溶体普遍存在于无机固体材料中，材料的物理化学性质，会随着固溶体的生成，在一个更大范理化学性质，会随着固溶体的生成，在一个更大范围内变化。因此，无论对功能材料，还是结构材料，围内变化。因此，无论对功能材料，还是结构材料，都可通过生成固溶体的条件，提高材料的性能。都可通过生成固溶体的条件，提高材
29、料的性能。n 当溶剂和溶质的原子大小相近，电子结构相仿当溶剂和溶质的原子大小相近，电子结构相仿时，便容易形成固溶体。固溶体按其溶剂原子被溶时，便容易形成固溶体。固溶体按其溶剂原子被溶质原子所取代的情况不同，又分为质原子所取代的情况不同，又分为置换固溶体置换固溶体、有有序固溶体序固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。4）固溶体固溶体n(1)(1)置换固溶体置换固溶体n 晶体结构中一种原子对另一种原子的无规则晶体结构中一种原子对另一种原子的无规则置换所形成的固溶体称为置换所形成的固溶体称为置换固溶体置换固溶体。铜和锌。铜和锌的溶体就称为置换固溶体。的溶体就称为置换固溶体。此种固溶体在许多此种固溶体在许多
30、金属中是相当常见的金属中是相当常见的。置换固溶体溶解度主要。置换固溶体溶解度主要取决于几何上和化学上的限制。如果溶质原子取决于几何上和化学上的限制。如果溶质原子和溶剂原子具有相近的原子尺寸，则溶解度大。和溶剂原子具有相近的原子尺寸，则溶解度大。要得到很高的固溶度，还要求溶剂的化学性质要得到很高的固溶度，还要求溶剂的化学性质相似。相似。4）固溶体固溶体n 在离在离子相中子相中也会产生置换也会产生置换固溶体。在离子固溶体中，原固溶体。在离子固溶体中，原子和离子的大小是很重要的。子和离子的大小是很重要的。右图表示了一个简单的离子固右图表示了一个简单的离子固溶体的例子。在此溶体的例子。在此MgOMgO
31、结构结构（见右图）中，（见右图）中，MgMg2+2+离子被离子被FeFe2+2+所取代。由于两个离子的半径所取代。由于两个离子的半径分别为分别为0.066nm0.066nm和和0.074nm,0.074nm,故故可以完全地取代。另一方面，可以完全地取代。另一方面，CaCa2+2+离子则不能用来取代离子则不能用来取代MgMg2+2+，因其半径为因其半径为0.099nm0.099nm，相对较，相对较大。大。化合物中的置换固溶体化合物中的置换固溶体（FeFe+离子置换了离子置换了MgOMgO结结构中的构中的MgMg2+2+4）固溶体固溶体n2 2、有序固溶体、有序固溶体n 在置换固溶体中，溶质原在置
32、换固溶体中，溶质原子在溶剂中的分布是随机的，子在溶剂中的分布是随机的，故又称为无序固溶体，当其故又称为无序固溶体，当其从高温缓冷到某一温度以下从高温缓冷到某一温度以下时，溶质原子会从统计随机时，溶质原子会从统计随机分布状态过渡到占有一定位分布状态过渡到占有一定位置的规则排列状态，即发生置的规则排列状态，即发生“有序化有序化”过程，形成有序过程，形成有序固溶体（如右图）。固溶体（如右图）。有序固溶体（大多数原有序固溶体（大多数原子之间，如果有序化是子之间，如果有序化是完全的就会形成化合物）完全的就会形成化合物）（三）（三）固溶体固溶体n3 3、间隙固溶体、间隙固溶体n 一个小原子位于较大原子的间
33、隙中一个小原子位于较大原子的间隙中（见右图），这种固溶体称为间隙溶（见右图），这种固溶体称为间隙溶体体。铁中的碳原子就是一例。当温度。铁中的碳原子就是一例。当温度低于低于9129120 0C C时，纯铁呈体心立方结构。时，纯铁呈体心立方结构。当温度高于当温度高于9129120 0C C的某一范围内，铁呈的某一范围内，铁呈面心立方结构。在面心立方点阵的晶面心立方结构。在面心立方点阵的晶胞 中 心 存 在 着 较 大 的 间 隙（或 称胞 中 心 存 在 着 较 大 的 间 隙（或 称“洞洞”）。由于碳原子非常小，它能）。由于碳原子非常小，它能够运动到这个够运动到这个“洞洞”中，形成铁和碳中，形成
34、铁和碳的固溶体。但在低温时，铁具有体心的固溶体。但在低温时，铁具有体心立方体结构，其原子间的间隙小得多，立方体结构，其原子间的间隙小得多，因此，碳在体心立方体中的溶解度是因此，碳在体心立方体中的溶解度是有限的。有限的。间隙固溶体（碳在间隙固溶体（碳在面心立方体铁中）面心立方体铁中）5 5）胶体）胶体n 胶体是由高分散度的粒子作为胶体是由高分散度的粒子作为分散相分散相，分散于分散于分散介质分散介质中所形成的中所形成的体系体系。高度分散。高度分散性和多相性是胶体最显著的特点。性和多相性是胶体最显著的特点。n 胶体体系表面能数值很大，因此在热力学胶体体系表面能数值很大，因此在热力学上是不稳定的体系。
35、上是不稳定的体系。胶体的吸附现象胶体的吸附现象n 吸附是指物质（主要指固体）表面吸住周围介质吸附是指物质（主要指固体）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子的现象。（液体或气体）中的分子或离子的现象。n 固体所以具有吸附能力，是由于固体表面层上的粒子和固体所以具有吸附能力，是由于固体表面层上的粒子和固体内部的粒子所处情况不同。在表面层上的每个粒子向内固体内部的粒子所处情况不同。在表面层上的每个粒子向内的吸引力没有平衡，这就在固体物质表面上产生吸附力，把的吸引力没有平衡，这就在固体物质表面上产生吸附力，把周围介质中的某些离子或分子吸附在它的表面上。周围介质中的某些离子或分子吸附在它的表面上
36、。n 被吸附的离子或分子由于振动可以脱离表面而解吸，同时被吸附的离子或分子由于振动可以脱离表面而解吸，同时另有一些粒子又会被固体物质的表面所吸附，而另有一些粒子又会被固体物质的表面所吸附，而形成的吸附形成的吸附和解吸的动态平衡，实际上这是一个可逆过程。和解吸的动态平衡，实际上这是一个可逆过程。n 吸附作用和物质的表面积有关吸附作用和物质的表面积有关，表面积越大，吸附能力，表面积越大，吸附能力越强。胶体是一个高度分散体系，其总表面积非常大，因而越强。胶体是一个高度分散体系，其总表面积非常大，因而胶体具有高度的吸附能力。胶体具有高度的吸附能力。胶体的结构胶体的结构n 胶体粒子的吸附性与其内部胶体粒
37、子的吸附性与其内部结构有关。现以硅胶为例，说明结构有关。现以硅胶为例，说明胶体的结构（见右图）。胶体的胶体的结构（见右图）。胶体的中心部分叫胶核，硅酸溶胶中的中心部分叫胶核，硅酸溶胶中的胶核可以看作是胶核可以看作是SiOSiO2 2的聚集体，的聚集体，有很强的吸附性。硅酸溶胶中存有很强的吸附性。硅酸溶胶中存在着弱电解质在着弱电解质H H2 2SiOSiO3 3，在水中有着，在水中有着下列电离平衡：下列电离平衡：nH H2 2SiOSiO3 32H2H+SiO+SiO3 32-2-n电离出电离出n n个个SiOSiO3 32+2+被胶核所吸附，被胶核所吸附，同时有同时有2n2n个个H H+离子电
38、离出来。其离子电离出来。其中中2 2（n-xn-x）个）个H H+又被吸附在又被吸附在SiOSiO3 32-2-周围，这些就组成胶粒。周围，这些就组成胶粒。胶体的稳定性和聚沉作用胶体的稳定性和聚沉作用n 胶体粒子在体系中不断进行着无规则的布朗运动，粒子越胶体粒子在体系中不断进行着无规则的布朗运动，粒子越小，运动得越快。但一般在一定的条件下同一种胶粒带同号的小，运动得越快。但一般在一定的条件下同一种胶粒带同号的电荷，因而互相排斥，阻止了它们互相接近，使胶粒很难聚集电荷，因而互相排斥，阻止了它们互相接近，使胶粒很难聚集成较大的粒子而沉降，所以成较大的粒子而沉降，所以溶胶具有较大的稳定性溶胶具有较大
39、的稳定性。此外，在。此外，在胶粒的吸附层中，此相反电荷离子（如硅酸溶胶的结构式中胶粒的吸附层中，此相反电荷离子（如硅酸溶胶的结构式中H H+离子）都能水化，从而在胶粒周围形成了一个水化层，阻止了离子）都能水化，从而在胶粒周围形成了一个水化层，阻止了胶粒之间的聚集；同时，在一定的程度上也阻止了胶粒和带相胶粒之间的聚集；同时，在一定的程度上也阻止了胶粒和带相反电荷的离子相结合，增加了溶胶的稳定性。反电荷的离子相结合，增加了溶胶的稳定性。n 溶胶的稳定性是相对的、有条件的，而不稳定则是绝对的溶胶的稳定性是相对的、有条件的，而不稳定则是绝对的。只要减弱或消除使它稳定的因素，就能使胶粒聚集成较大的颗只要
40、减弱或消除使它稳定的因素，就能使胶粒聚集成较大的颗粒而沉降，从而达到破坏胶体的目的。这种粒而沉降，从而达到破坏胶体的目的。这种使胶粒聚集成较大使胶粒聚集成较大的颗粒而沉降的过程叫做聚沉。的颗粒而沉降的过程叫做聚沉。6)6)凝凝胶胶n 在在溶胶溶胶聚沉过程中得到聚沉过程中得到的产物中常有一种叫的产物中常有一种叫凝凝胶。凝胶并不是一般的沉淀，而是一种相当稠厚胶。凝胶并不是一般的沉淀，而是一种相当稠厚的物质。的物质。凝胶从外貌上看，既不像液体，也不像凝胶从外貌上看，既不像液体，也不像固体，它是由溶胶凝结成无流动性的半固体状。固体，它是由溶胶凝结成无流动性的半固体状。通过冷却、加热和加入电解质便可形成
41、凝胶。通过冷却、加热和加入电解质便可形成凝胶。n 凝胶具有由分散介质形成的凝胶具有由分散介质形成的蜂窝状蜂窝状或由细纤维或由细纤维集合而成的集合而成的毛细管状结构毛细管状结构，在其空隙中包含有液，在其空隙中包含有液体。液体部分经逐渐蒸发干燥固化了的称为体。液体部分经逐渐蒸发干燥固化了的称为干凝干凝胶胶。水泥的水化物便是干凝胶的一种。水泥的水化物便是干凝胶的一种。凝凝胶的特性胶的特性n 凝胶的溶胀凝胶的溶胀n 干燥凝胶吸取溶媒膨胀的现象称为溶胀。溶胀对弹性凝胶干燥凝胶吸取溶媒膨胀的现象称为溶胀。溶胀对弹性凝胶较为明显。例如，橡胶由苯、四氯化碳等有机溶剂作用而膨较为明显。例如，橡胶由苯、四氯化碳等
42、有机溶剂作用而膨胀（溶胀），混凝土也会由于吸水而稍许膨胀。胀（溶胀），混凝土也会由于吸水而稍许膨胀。n 凝胶的触变性凝胶的触变性n 溶胶在静置时变为凝胶，在施加外力振动搅拌等刺激时变溶胶在静置时变为凝胶，在施加外力振动搅拌等刺激时变为溶胶的现象称为触变性为溶胶的现象称为触变性。触变性多发生在杆状和片状颗粒。触变性多发生在杆状和片状颗粒的胶体。这些粒子在静置时，在有些部位上互相接触连结起的胶体。这些粒子在静置时，在有些部位上互相接触连结起来，从整体来看形成为具有网状结构的凝胶，如由外部给予来，从整体来看形成为具有网状结构的凝胶，如由外部给予刺激（振动、搅拌），则遭破坏又变为溶胶。刺激（振动、搅拌
43、），则遭破坏又变为溶胶。n 溶胶化了的胶体静放一段时间，到变为凝胶所需要的时间溶胶化了的胶体静放一段时间，到变为凝胶所需要的时间叫做叫做固化时间固化时间，是衡量触变性的指标。粘结剂、水泥浆等均，是衡量触变性的指标。粘结剂、水泥浆等均表现有触变性。表现有触变性。7 7）材料的表面及界面）材料的表面及界面 n (1)1)表面张力和表面自由能表面张力和表面自由能n 众所周知，如果没有外力的约束，液体将倾向于形成小滴。众所周知，如果没有外力的约束，液体将倾向于形成小滴。这是因为在各种几何形状中，以球形的比表面积与体积的比值这是因为在各种几何形状中，以球形的比表面积与体积的比值为最小。而且，经常可看到，
44、当两个球形的水滴或水银珠互相为最小。而且，经常可看到，当两个球形的水滴或水银珠互相接触时，会合并成一个较大的球滴。这种使总的表面积尽可能接触时，会合并成一个较大的球滴。这种使总的表面积尽可能减小的倾向是由于总表面能趋向于最低的结果。减小的倾向是由于总表面能趋向于最低的结果。n 总表面能是表面能与比表面积的乘积。总表面能是表面能与比表面积的乘积。表面能是增加单位表面能是增加单位面积的表面所需要做的功，其单位为面积的表面所需要做的功，其单位为J/mJ/m2 2。表面能和表面张力表面能和表面张力具有相同的数值和量纲，不过后者的单位是用单位长度上的力具有相同的数值和量纲，不过后者的单位是用单位长度上的
45、力来表示的（例如来表示的（例如N/mN/m），），表面能与表面张力等值表面能与表面张力等值，这是同于，这是同于产产生单位面积新表面所消耗的能量与扩张该表面时单位长度上所生单位面积新表面所消耗的能量与扩张该表面时单位长度上所需要的力相等。需要的力相等。(2)(2)界面界面n 在固相、液相、气相之间，两种相接触的面称为在固相、液相、气相之间，两种相接触的面称为界面界面。二相中任何一相的变化都会影响到界面的性质。二相中任何一相的变化都会影响到界面的性质。n 形式上可将界面以物质三态形式上可将界面以物质三态固态、液态和气态划分，固态、液态和气态划分，即：气即：气液、气液、气固、液固、液液、液液、液固、
46、固固、固固。固。n 二相间界面稳定存在的普遍的先决条件是界面产生的自二相间界面稳定存在的普遍的先决条件是界面产生的自由能是正值；若为零或负值，则偶然的起伏即可导致表面区由能是正值；若为零或负值，则偶然的起伏即可导致表面区不断扩大，最后使一种物质完全分散在另一物质之中不断扩大，最后使一种物质完全分散在另一物质之中。例如。例如两种气体之间或两种能互溶的液体或固体之间的界面，单位两种气体之间或两种能互溶的液体或固体之间的界面，单位面积的自由能对分散力并无抵消作用，就是这种情形。甚至面积的自由能对分散力并无抵消作用，就是这种情形。甚至对于互不混溶的液体，在有合适的第三种组分存在时，也会对于互不混溶的液
47、体，在有合适的第三种组分存在时，也会因显著影响界面自由能而导致自动乳化。因显著影响界面自由能而导致自动乳化。(3)(3)吸附吸附n 固体或液体表面吸引外来原子、离子或分子而造固体或液体表面吸引外来原子、离子或分子而造成吸附。通常，将结合微弱的外来原子或分子薄膜成吸附。通常，将结合微弱的外来原子或分子薄膜归之为物理吸附。在降低压力或升高基底温度时，归之为物理吸附。在降低压力或升高基底温度时，固体对气体的物理吸附将迅速降低。固体对气体的物理吸附将迅速降低。物理吸附膜的物理吸附膜的厚度为几个单分子层，而化学吸附膜与其不同，它厚度为几个单分子层，而化学吸附膜与其不同，它通常是单原子或单分子的。通常是单
48、原子或单分子的。n高温时比低温时更易发生化学吸附。洁净金属发生高温时比低温时更易发生化学吸附。洁净金属发生的相与相之间的化学反应，多数是从化学吸附开始的相与相之间的化学反应，多数是从化学吸附开始的，然后在位错和晶界之类的优先位置上发生稳定的，然后在位错和晶界之类的优先位置上发生稳定反应产物的生核和长大。反应产物的生核和长大。n (4)(4)浸润浸润n 液体在与固体相接触时所采取的形态液体在与固体相接触时所采取的形态，取决于表面能的大，取决于表面能的大小。由于液滴可以自由流动直至达到平衡。因此，在固体表面小。由于液滴可以自由流动直至达到平衡。因此，在固体表面这一平面上，各种表面张力之间必然存在着
49、力的平衡。对于部这一平面上，各种表面张力之间必然存在着力的平衡。对于部分浸润，当接触角为分浸润，当接触角为时时,根据表面张力在水平方向的平衡根据表面张力在水平方向的平衡,得得到：到：n PSV=PLVCOS+PSLn式中：式中：P PSVSV、P PLVLV和和P PSLSL分别为固分别为固气、液气、液气和固气和固液的液的表面张力。表面张力。(4)(4)浸润浸润n 如果所形成的两个新界面的能量低于初始固如果所形成的两个新界面的能量低于初始固气气界面的能量（即界面的能量（即P PSLSL+P+PLVLVP PSVSV），则液体将完全浸润），则液体将完全浸润固体的表面（固体的表面（=0=00 0）
50、；如果固）；如果固液界面能大于初始液界面能大于初始的固的固气和液气和液气界面能（即气界面能（即P PSLSLP PSVSV+P+PLVLV）,完全不浸润（完全不浸润（=180=1800 0）。）。n 由于固由于固液界面上未满足的结合键比较少，因液界面上未满足的结合键比较少，因此经常发现固此经常发现固液表面能低于相应的固液表面能低于相应的固气或气或液液气表面能。实际上，如果固体和液体在化学气表面能。实际上，如果固体和液体在化学上是相容的，且没有表面吸附的污染，则通常是有上是相容的，且没有表面吸附的污染，则通常是有利于浸润的。利于浸润的。(5)(5)粘附粘附n 表面能对于固体之间的粘附有重要的作用
