第3章 固体材料的结构

3.1 考点归纳

一、原子结构与键合

1．原子结构

（1）物质的组成

一切物质是由无数微粒按一定的方式聚集而成的，这些微粒可能是分子、原子或离子。

①分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒；

②原子具有复杂的结构，其结构直接影响原子间的结合方式。

（2）原子的结构

①原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的；

②原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷；

③一个质子的正电荷量正好与一个电子的负电荷量相等，它等于-e（e=1.6022×10-19C）。

（3）原子的电子结构

电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。

从薛定谔（SchrodingerE.）方程得到的波函数描述了电子的运动状态和在核外空间某处的出现几率，即原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：

①主量子数n——决定原子中电子能量以及与核的平均距离；

②轨道角动量量子数li——给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，取值为0,1,2, …, n-1。在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s, p, d, f, g的次序递增的；

③磁量子数mi——给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。每个li下的磁量子数的总数为2li+1。磁量子数决定了电子云的空间取向。

④自旋角动量量子数si——反映电子不同的自旋方向。si规定为+1/2和-1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。

在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：

a．能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；

b．泡利（Pauli）不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；

c．洪德（Hund）定则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。

电子排列并不总是按上述规则依次排列的，原子序数比较大时，d和f能级开始被填充的情况下，相邻壳层的能级有重叠现象。

（4）元素周期表

①元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。

②元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增而呈周期性的变化规律，称为元素周期律。

③元素周期表反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。

2．原子间的键合

结合键可分为化学键和物理键两大类：化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键；物理键即次价键，也称范德瓦耳斯力；此外，还有一种称为氢键的，其性质介于化学键和范德瓦耳斯力之间。

（1）金属键

①由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键，它的基本特点是电子的共有化；

②金属键既无饱和性又无方向性。

（2）离子键

离子键结合的实质是：

①金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子；

②非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起；

③离子键既无方向性又无饱和性。

（3）共价键

①共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键；

②共价键又分成非极性键和极性键两种；

③共价键具有方向性和饱和性。

（4）范德瓦耳斯力

范德瓦耳斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来具有稳定原子结构的原子或分子结合为一体的键合。范德瓦耳斯力属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。

它包括静电力、诱导力和色散力：

①静电力是由极性原子团或分子的永久偶极之间的静电相互作用所引起的；

②诱导力是当极性分（原）子和非极性分（原）子相互作用时，非极性分子中产生诱导偶极与极性分子的永久偶极间的相互作用力，其大小与温度无关；

③色散力是由于某些电子运动导致原子瞬时偶极间的相互作用力，其大小与温度无关；

（5）氢键

氢键是一种极性分子键，氢键具有饱和性和方向性。存在于HF, H2O, NF3等分子间。

①氢键的键能介于化学键与范德瓦耳斯力之间；

②氢键可以存在于分子内或分子间；

③化合物ab中离子键所占的比例IC可近似地用下式表示：

式中，xA和xB分别为a和b元素的电负性值。

二、金属的晶体结构

1．三种典型的金属晶体结构

最常见的金属晶体结构有面心立方结构Al或fcc、体心立方结构A2或bcc和密排六方结构A3或hcp三种。其刚性球模型及特点分别如图3-5、3-6、3-7所示。

（1）晶胞中的原子数

故三种典型金属晶体结构中每个晶胞所占有的原子数为：

面心立方结构：

体心立方结构：

密排六方结构：

（2）点阵常数与原子半径

面心立方结构：点阵常数为a，且

体心立方结构：点阵常数为a，且

密排六方结构：点阵常数由a和c表示。在理想的情况下，即把原子看作等径的刚球，

可算得c/a=1.633，此时，a=2R；但实际测得的轴比常偏离此值，即c/a≠l.633，这时。

（3）配位数和致密度

所谓配位数（CN）是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数；而致密度是指晶体结构中原子体积占总体积的百分数。三种典型金属晶体结构的配位数和致密度如表3-1所列。

2．晶体的原子堆垛方式和间隙

（1）堆垛方式：密排面在空间的堆垛方式可以有两种情况，一种是按ABAB…顺序堆垛，这就构成密排六方结构；另一种是按ABCABC…的顺序堆垛，这就是面心立方结构。

（2）间隙：其中位于6个原子所组成的八面体中间的间隙称为八面体间隙，而位于4个原子所组成的四面体中间的间隙称为四面体间隙。

3．多晶型性

有些固态金属在不同的温度和压力下具有不同的晶体结构，即具有多晶型性，转变的产物称为同素异构体。

三、合金相结构

合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成，并具有金属特性的物质。

1．固溶体

固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型；

（1）置换固溶体

当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。影响溶解度的因素：

①晶体结构：晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件；

②原子尺寸因素：Δr越大，溶入后点阵畸变程度越大，畸变能越高，结构的稳定性越低，溶解度则越小；

③化学亲和力（电负性因素）：溶质与溶剂元素之间的化学亲和力越强，即合金组元间电负性差越大，倾向于生成化合物而不利于形成固溶体；

④原子价因素：当原子尺寸因素较为有利时，在某些以一价金属为基的固溶体中，溶质的原子价越高，其溶解度越小，溶质原子价的影响实质上是“电子浓度”所决定的。

（2）间隙固溶体

溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体，而且溶解度很小。间隙固溶体的溶解度不仅与溶质原子的大小有关，还与溶剂晶体结构中间隙的形状和大小等因素有关。

（3）固溶体的微观不均匀性

（4）固溶体的性质

①点阵常数改变

a．对置换固溶体而言，当原子半径rB>rA时，溶质原子周围点阵膨胀，平均点阵常数增大；当rB＜rA时，溶质原子周围点阵收缩，平均点阵常数减小；

b．对间隙固溶体而言，点阵常数随溶质原子的溶人总是增大的，这种影响往往比置换固溶体大得多。

②产生固溶强化

固溶体中由于溶质原子的溶入，使固溶体的强度和硬度升高。这种现象称为固溶强化。

③物理和化学性能的变化

固溶体合金随着固溶度的增加，点阵畸变增大，一般固溶体的电阻率升高，同时降低电阻温度系数α。

2．中间相

两组元A和B组成合金时，可能形成晶体结构与A, B两组元均不相同的新相。中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体（称为第二类固溶体或称二次固溶体）。

中间相的形成及晶体结构的影响因素。

（1）正常价化合物

电负性差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结合；电负性差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合。

（2）电子化合物

电子化合物中原子间的结合方式以金属键为主，故具有明显的金属特性。

（3）与原子尺寸因素有关的化合物

①间隙相和间隙化合物

原子半径较小的非金属元素如C, H, N, B等可与金属元素（主要是过渡族金属）形成间隙相或间隙化合物。

a．间隙相

间隙相具有比较简单的晶体结构，它们与组元的结构均不相同。

b．间隙化合物

当非金属原子半径与过渡族金属原子半径之比rX/rM>0.59时所形成的相往往具有复杂的晶体结构，这就是间隙化合物。

②拓扑密堆相

a．由配位数（CN）为12,14,15,16的配位多面体堆垛而成；

b．呈层状结构。

③拉弗斯相

二元合金拉弗斯相的典型分子式为AB2，其形成条件为：

a．原子尺寸因素；

b．电子浓度。

④σ相

（4）超结构（有序固溶体）

四、离子晶体结构

1．离子晶体的结构规则

（1）负离子配位多面体规则；

（2）电价规则；

（3）负离子多面体共用顶、棱和面的规则；

（4）不同种类正离子配位多面体间连接规则；

（5）节约规则。

2．典型的离子晶体结构

（1）AB型化合物结构

①CsCl型结构：立方晶系，简单立方点阵，Pm3m空间群；

②NaCl型结构：立方晶系，面心立方点阵，Fm3m空间群；

③立方ZnS型结构（闪锌矿）：立方晶系，面心立方点阵，F43m空间群；

④六方ZnS型结构（纤锌矿）：六方晶系，P63mc空间群。

（2）AB2型化合物结构

①CaF2（萤石）型结构：立方晶系，面心立方点阵，Fm3m空间群；

②TiO2（金红石）型结构：四方晶系；正负离子半径比为0.45，其配位数分别为6和3；

③β-方石英（方晶石）型结构：SiO2高温时的同素异构体，立方晶系。

（3）A2B3型化合物结构

以α-Al2O3为代表的刚玉型结构，是A2B3型的典型结构。

（4）ABO3型化合物结构

①CaTiO3（钙钛矿）型结构：立方晶系，在低温时转变为正交晶系，PCmm空间群；

②方解石（CaCO3）型结构：菱方晶系，每个晶胞有4个Ca2+和4个[CO3]2-络合离子。

（5）AB2O4型化合物结构

AB2O4型化合物中最重要的化合物是尖晶石（MgAl2O4）。

3．硅酸盐的晶体结构

（1）构成硅酸盐的基本结构单元是硅和氧组成的[SiO4]4-四面体，在[SiO4]4-中，4个氧离子围绕位于中心的硅离子，每个氧离子有一个电子可以和其他离子键合；

（2）按电价规则，每个O2-最多只能为两个[SiO4]4-四面体所共有；

（3）按鲍林第三规则，[SiO4]4-四面体中未饱和的氧离子和金属正离子结合后，可以相互独立地在结构中存在，或者可以通过共用四面体顶点彼此连接成单链、双链或成层状、网状的复杂结构，但不能共棱和共面连接，否则结构不稳定，且同一类型硅酸盐中，[SiO4]4-四面体间的连接方式一般只有一种；

（4）[SiO4]4-四面体中的Si-O-Si结合键通常并不是一条直线，而是呈键角为145°的折线。

下面即来简单介绍孤岛状、组群状、链状、层状和架状硅酸盐的晶体结构。

①孤岛状硅酸盐

a．各[SiO4]4-四面体是单独存在的，其顶角相间地朝上朝下；

b．各[SiO4]4-四面体只通过O-Mg-O键连接在一起；

c．Mg2+离子周围有6个O2-离子位于几乎是正八面体的顶角，因此整个结构可以看成是由四面体和八面体堆积而成的；

d．O2-离子近似按照六方排列，这是由于氧离子与大多数其他离子相比尺寸较大的缘故，氧离子成密堆积结构是许多硅酸盐结构的一个特征。

②组群状硅酸盐晶体结构

组群状结构是指由[SiO4]4-通过共用1个或2个氧（桥氧）相连成的含成对、3节、4节或6节硅氧团组群，这些组群之间再由其他正离子按一定的配位形式构成硅酸盐结构。

③链状结构硅酸盐

[SiO4]4-四面体通过桥氧的连接，在一维方向伸长成单链或双链，而链与链之间通过其他正离子按一定的配位关系连接就构成了链状硅酸盐结构。

④层状结构硅酸盐

[SiO4]4-四面体的某一个面（由3个氧离子组成）在平面内以共用顶点的方式连接成六角对称的二维结构，即为层状结构。

⑤架状结构硅酸盐

当[SiO4]4-四面体连成无限六元环状，层中未饱和氧离子交替指向上或向下，把这样的层叠置起来，使每两个活性氧为一个公共氧所代替，就可以得到架状结构硅酸盐。这个结构的特点是每个[SiO4]4-四面体中的氧离子全部被共用。因此，架状结构的硅氧结构单元化学式为SiO2。

五、共价晶体结构

1．元素周期表中Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ族元素、许多无机非金属材料和聚合物都是共价键结合；

2．共价晶体的共同特点是配位数服从8-N法则，N为原子的价电子数，这一特点就使得共价键结构具有饱和性；

3．另外，共价键有着明显的方向性，这也导致共价晶体中原子的配位数要比金属型和离子型晶体的小。

六、金属间化合物（I）：价化合物

1．金属间化合物概念

金属间化合物是指金属与金属、金属与准金属形成的化合物。

2．金属间化合物分类

（1）由电负性决定的原子价化合物；

（2）由电子浓度决定的电子化合物；

（3）由原子尺寸决定的尺寸因素化合物。

3．价化合物

（1）概念

价化合物是指符合原子价规则的化合物，正负离子间通过电子的转移和（或）电子的共用而形成稳定的8电子组态ns2np6。

（2）分类

七、金属间化合物（II）：电子化合物

1．电子相概念

电子相是指具有一定的电子浓度值而结构相同或密切相关的相，决定这种相的结构的主要因素是电子浓度。

2．电子相的特点

（1）除贵金属外，铁族（W族）元素也与某些B族元素形成电子相；

（2）价电子浓度为3/2的电子相有三种可能的结构；

（3）大多数典型的电子相都出现在较宽的浓度范围内；

（4）电子相的主要结合键是金属键，具有明显的金属特性。

八、金属间化合物（Ⅲ）：尺寸因素化合物

1．概念

尺寸因素化合物是指晶体结构主要取决于组元原子的半径比的一些金属间化合物。

2．分类

（1）由金属与金属元素形成的密排相；

（2）金属与非金属元素形成的间隙相。

3．密排相中原子排列的几何原则

（1）空间填充原则

原子应尽可能致密地填满空间，应具有尽可能高的配位数。

（2）对称原则

晶体中原子的排列应形成高对称的结构。

（3）连接原则

如果将晶体中相距最近的每对原子逐一连接，那么由于晶体结构的不同，被连接的原子有可能形成孤立的原子对（零维）、原子链（一维）、平面原子网络（二维）和空间原子栅格（三维）。

4．几何密排相

（1）概念

几何密排相是由密排原子面按一定次序堆垛而成的结构。

（2）特点

GCP相中近邻原子彼此相切，配位数为12，结构中有两种间隙：四面体间隙和八面体间隙。

5．拓扑密排相

拓扑密排相是由密排四面体按一定次序堆垛而成的结构。主要有以下三种结构：

（1）Laves相；

（2）δ相；

（3）型结构。

九、间隙化合物

1．间隙化合物的分类

（1）简单间隙相

所有过渡族金属的氢化物、氮化物都满足因而都是简单间隙相，原子半径较大的过渡族元素的碳化物是简单的间隙相。

（2）复杂间隙相

所有过渡族金属的硼化物都是复杂间隙相。

2．间隙化合物的结构

（1）简单间隙化合物的结构

在简单间隙化合物中，金属原子几乎总是排成FCC或CPH结构。（2）复杂间隙化合物的结构

①型：典型的化合物就是；

②型：典型的化合物是；

③型：典型的化合物是。

（2）间隙化合物的特性

①这种化合物也可归为尺寸因素化合物，但价电子浓度因素对结构也有很大的影响；

②大多数间隙化合物的成分可以在一定的范围内变化；

③具有明显的金属性质；

④一般具有很高的熔点、极高的硬度和脆性；

⑤间隙化合物中的结合键是混合型的；

⑥某些间隙化合物具有超导性；

⑦过渡族金属的硼化物和磷化物可通过快冷而成为非晶态材料，其力学和电学性能类似于钢。

十、高分子材料

1．高分子材料概述

（1）高分子材料的基本概念

①高分子化合物

a．高分子化合物是指由一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物，所以又称聚合物或高聚物；

b．高分子化合物的相对分子质量一般在104以上，甚至达到几十万或几百万以上，它是由成千上万个原子以共价键相连接的大分子化合物；

c．通常把相对分子质量小于5,000的称为低分子化合物，大于5,000的则称为高分子化合物。

②单体

高分子化合物的每个分子都是由一种或几种较简单的低分子一个个连接起来组成的，单体也就是合成聚合物的起始原料，它是化合物独立存在的基本单元，是单个分子存在的稳定状态。

③链节

组成大分子链的特定的结构单元叫做链节。

④聚合度

a．大分子链中链节的重复次数叫做聚合度；

b．一个大分子链的相对分子质量M，等于它的链节的相对分子质量m与聚合度n的乘积，即M=n×m。

⑤官能度

官能度是指在一个单体上能与别的单体发生键合的位置数目。

⑥多分散性

a．高分子化合物中各个分子的相对分子质量不相等的现象叫做相对分子质量的多分散性；

b．多分散性在低分子化合物中是不存在的，它是高分子化合物的一大特点，高分子化合物的多分散性决定了它的物理和力学性能的大分散度。

⑦平均相对分子质量

由于多分散性，高分子化合物的相对分子质量通常用平均相对分子质量表示。

数均相对分子质量：

重均相对分子质量：

（2）高分子材料的合成

聚合高分子化合物最基本的化学反应分类，可分为加聚反应和缩聚反应两类。

①加聚反应

加聚反应是指由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应，其生成物叫做加聚物。

②缩聚反应

缩聚反应是指由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出（缩去）某种低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应，其生成物叫做缩聚物。

（3）高分子材料的分类

①按聚合反应的类型分类

聚合物的形成有加聚反应和缩聚反应两种方式，可将高分子材料分为加聚聚合物和缩聚聚合物两类；

②按高分子的几何结构分类

a．线型聚合物

线型聚合物的高分子为线型或支链型结构，它可以是加聚反应产生的，也可以是缩聚反应产生的。

b．体型聚合物

体型聚合物的高分子为网状或体型结构，通常这种结构是由缩聚反应产生的，有少数材料可由加聚反应形成。

③按聚合物的热行为分类

a．热塑性聚合物具有线型（或支链）分子结构

如热塑性塑料，受热时软化，可塑制成一定的形状，冷却后变硬，再加热时仍可软化或再成型。

b．热固性聚合物具有体型（或网状）分子结构

如热固性塑料，在初受热时也变软，这时可塑制成一定形状，但加热到一定时间或加入固化剂后，就硬化定型，重复加热时不再软化。

2．高分子链的结构及构象

（1）高分子链的化学组成

①碳链高分子

高分子主链是由相同的碳原子以共价键联结而成：—C—C—C—C—C—或—C—C=C—C—，前者主链中无双键，为饱和碳链；后者主链中有双键，为不饱和碳链。

②杂链高分子

高分子主链是由两种或两种以上的原子构成的，即除碳原子外，还含有氧、氮、硫、磷、氯、氟等原子。

③元素有机高分子

高分子主链一般由无机元素硅、钛、铝、硼等原子和有机元素氧原子等组成，它的侧基一般为有机基团。

（2）结构单元的键接方式和构型

①键接方式

a．由两种或两种以上单体共聚时，其连接的方式更为多样，即使以二元共聚物来说就有：无规共聚、交替共聚、嵌段共聚和接枝共聚等方式。

b．主要受能量和空间阻碍两个因素所控制，即聚合时力求使能量体系最稳定和所受的空间阻碍最小。

②空间构型

a．全同立构：取代基X全部处于主链的同侧。

b．间同立构：取代基X相间地分布在主链的两侧。

c．无规立构：取代基X在主链两侧作无规则地分布。

（3）高分子链的几何形状

由于聚合反应的复杂性，高分子链也会呈现出各种不同的形态，既有线型、支化、交联和体型（三维网状）等一般形态，也有星形、梳形、梯形等特殊形态。

①线型高分子的结构是整个分子链呈细长线条状，可有直线形、螺旋形、折迭形等不同形态；

②体型（网状）高分子的结构是高分子链之间通过化学键相互联结而形成的交联结构，在空间呈三维网状。

（4）高分子链的构象及柔顺性

①高分子链的构象

a．每一个单键围绕其相邻单键按一定角度进行的旋转运动称为单键的内旋转。

b．由于单键内旋转引起的原子在空间据不同位置所构成的分子链的各种形象，称为高分子链的构象。

②高分子链的柔顺性

a．高分子柔顺性的定义

高分子能由构象变化获得不同卷曲程度的特性，称为高分子链的柔顺性，它是聚合物许多基本性能不同于低分子物质，也不同于其他固体材料的根本原因。

b．高分子卷曲度的计算

第一，高分子链的卷曲程度一般采用其两端点间的直线距离—末端距h来衡量。末端距越短，则高分子链卷曲越厉害；

第二，末端距应是一种统计平均值，并常用均方末端距h2来表示。

c．影响高分子链柔顺性的因素

第一，主要因素

主链结构；主链全由单键组成时，分子链的柔顺性最好。

侧基性质

ⅰ侧基的极性及其强弱；

ⅱ侧基体积；

ⅲ侧基分布的对称性；

ⅳ侧基沿分子链分布的距离、分子间的化学键等结构因素。

第二，次要因素

单键内旋的难易程度；链段的长度。

3．高分子的聚集态结构

（1）晶态聚合物的结构

①缨状胶束结构模型；

②折迭链结构模型。

（2）非晶态聚合物的结构

①无序结构模型

②局部有序结构模型

该模型表示，非晶态聚合物中存在一定程度的有序，并主要包括两部分：

a．由高分子链折迭而成的粒子相；

b．粒子与粒子之间的粒间相。

（3）聚合物的结晶度与玻璃化温度

①结晶度

线结晶度就是结晶的程度，用结晶部分的重量或体积占整体重量或体积的百分数表示。

a．重量结晶度：

b．体积结晶度：

式中，W表示重量；V表示体积；下标c表示结晶；下标a表示非晶。

②分子结构对结晶能力的影响

a．结构简单、规整度高、对称性好的高分子容易结晶；

b．等规聚合物结晶能力强；

c．缩聚物都能结晶；

d．高分子链的支化不利于结晶。

③玻璃化温度Tg

当一块玻璃冷却到熔点温度以下时，在某一温度范围内它仍是塑性的，但冷却到某个温度时，发生玻璃硬化，该温度称之为玻璃化温度（Tg）。

4．高分子材料的性能与结构

（1）高分子材料的主要性能特点

①高分子材料的弹性模量和强度都较低，即使是工程塑料也不能用于受力较大的结构零件；

②高分子材料的力学性能对温度与时间的变化十分敏感，在室温下就有明显的蠕变和应力松弛现象；

③高分子材料从液态凝固后多数呈非晶态，只有少数结构简单、对称性高的分子结构可以得到晶体，但也不能达到100%的结晶；

④高分子材料的主要弱点是容易老化，即在长期使用或存放过程中，由于受各种因素的作用，其性能随时间的延长而不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程；

⑤高分子材料也有许多金属或陶瓷材料所不具备的优点：

a．原料丰富，成本低廉；

b．密度很小，多数在（0.95～1.4）g/cm3；

c．化学稳定性好；

d．有良好的电绝缘性能；

e．有优良的耐磨、减摩和自润滑性能，并能吸振和减小噪声，常用它们来代替金属；

f．有优良的光学性能。

（2）高分子材料的性能与结构的关系

①高分子材料的分类

通常将高分子材料分为热塑性塑料、热固性塑料和橡胶三种类型。

②性能与结构上的关系

a．热塑性塑料是线型链状结构；

b．橡胶是在线型链状结构中形成了少量的交联；

c．热固性塑料则为体型结构；

d．对橡胶，在结构上的要求是：

第一，要有很大的相对分子质量，分子链段很长，因而有最大的柔性，其玻璃化温度应比室温低得多；

第二，在使用条件下不结晶或结晶度很小；

第三，必须进行硫化处理，对纯线型结构的柔性链，受力时分子链间要能相对滑动，变形小时可以弹性恢复；变形大时分子链间如果没有一个较大的弹性恢复力存在，只会造成永久变形。

（3）改变高分子材料性能的途径

改变热塑性塑料性能（主要限于力学性能）的主要途径：

①改变结晶度；

②改变侧基的性质；

③改变主链的结构；

④共聚；

⑤拉拔强化。

十一、准晶态结构

准晶是指不符合晶体的对称条件、但呈一定的周期性有序排列的类似于晶态的固体。

十二、液晶态结构

1．液晶的定义

某些物质在熔融态或被溶剂溶解之后，保留着部分晶态物质分子的各向异性有序排列，形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态，这种由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体称为液晶。

2．液晶的分类

（1）按液晶原所处的位置：分为主链型液晶、侧链型液晶和不含刚性液晶原的液晶高分子；

（2）单体结构可分为双亲的和非双亲的两类；

（3）按照形成方式和性能：分为溶致型液晶和热致型液晶两类。

3．液晶的结构

（1）近晶型结构；

（2）向列型结构；

（3）胆甾型结构；

（4）柱状型结构。

十三、非晶态结构

1．非晶态的定义

固态物质除了上述讨论的各类晶体外，还有一大类称为非晶体。

2．非晶态的特点

从内部原子（或离子、分子）排列的特征来看，晶体结构的基本特征是原子在三维空间呈周期性排列，即存在长程有序；而非晶体中的原子排列却无长程有序的特点。

3．非晶态的分类

非晶态物质包括玻璃、凝胶、非晶态金属和合金、非晶态半导体、无定型碳及某些聚合物等。

（1）玻璃态：具有玻璃转变点（玻璃化温度）的非晶态固体，包括非晶态金属和合金。玻璃与其他非晶态的区别就在于有无玻璃转变点。

（2）其他非晶态

①高分子非晶态

高分子非晶态可以以液体、高弹性或玻璃体存在，它们共同的结构特点是只具有近程有序。

②陶瓷中存在的一些非晶态等。