1.2　材料的組成

組成材料最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元，組元可以是金屬元素、非金屬元素、穩(wěn)定化合物。材料可由純金屬、Al₂O₃晶體等單一組元組成，也可由多種組元組成。化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同、聚集狀態(tài)和性質(zhì)均相同的均勻連續(xù)組成部分稱為相，不同相之間由界面分隔開，固態(tài)純金屬、聚乙烯等為單相，合金、普通陶瓷、共聚物等為多相。

1.2.1　金屬材料的組成

金屬材料包括純金屬和合金，合金是由2種或2種以上的金屬或非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。大多數(shù)情況下，金屬材料的組元就是元素，合金中既不分解也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可視為組元，組元間會產(chǎn)生復(fù)雜的物理、化學(xué)作用。組元種類相同，但含量（成分）不同的合金構(gòu)成一個合金系，根據(jù)組元數(shù)目分別稱為二元系、三元系、n元系合金。

在一定外界條件下，一定成分的合金可以由若干不同的相組成，根據(jù)合金相的多少分為單相合金、兩相合金、多相合金。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)，可以將合金相分為固溶體和化合物兩類，以含量較多的金屬組元作溶劑，加入含量較少的溶質(zhì)原子，通過溶解形成與溶劑晶體結(jié)構(gòu)相同的固相為固溶體，組元相互作用形成晶格類型不同于任一組元的新相為化合物。元素間形成固溶體還是化合物，主要取決于原子尺寸、晶格類型、電子結(jié)構(gòu)、電子濃度（價電子數(shù)與原子數(shù)之比）、電負性（從其他原子奪取電子變成負離子的能力）等因素。溶質(zhì)原子（元素）溶入固溶體的數(shù)量稱為固溶體濃度，可在一定范圍內(nèi)變化，溶質(zhì)可以任意比例溶入的固溶體稱為無限固溶體，反之稱為有限固溶體。溶質(zhì)原子在固溶體中的最大含量稱為極限溶解度或固溶度，元素間的電負性差值增加，有利于增大固溶度。溶質(zhì)原子含量超過其極限溶解度時，就會形成其他相，原子間電負性相差越大，越易形成較穩(wěn)定的化合物。金屬和非金屬間形成的化合物為普通化合物，主要通過離子鍵結(jié)合或含有一定比例的共價鍵，具有典型的非金屬性質(zhì)。擁有相當(dāng)程度的金屬鍵及金屬特性的化合物為金屬間化合物，大多數(shù)金屬間化合物由不同的金屬或金屬與亞金屬組成。圖1-1為Mg-Si二元合金相圖，Mg₂Si為金屬間化合物，在相圖中呈現(xiàn)1根垂直線，如果形成了以化合物為溶劑的固溶體，相圖中會出現(xiàn)一定成分范圍的單相區(qū)，也稱中間相。

　　

1.2.2　無機材料的組成

硅酸鹽、二氧化硅是重要的無機非金屬原料，廣泛用于玻璃、陶瓷、光導(dǎo)纖維、耐火材料、冶金材料及熔劑。新型無機材料的化學(xué)組成不局限于硅酸鹽，還包括氧化物、碳與碳化物、氮化物、硼化物、氟化物、硅化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽。

陶瓷一般由結(jié)晶相、玻璃相、氣相（氣孔）交織而成，微觀組織由各種形狀（顆粒狀、針狀、片狀、纖維狀）的晶粒、晶界、氣孔、包裹體組成。陶瓷可以只含1種結(jié)晶相，也可以含有多種結(jié)晶相，通常以主晶相來命名陶瓷，如以剛玉（α-Al₂O₃）為主晶相的稱為剛玉陶瓷。玻璃相為非晶態(tài)低熔物，對陶瓷的機械強度、耐熱性和絕緣性能不利，固相燒結(jié)的瓷料中幾乎不含玻璃相，有液相參與燒結(jié)的陶瓷中存在較多玻璃相，其主要作用是把分散的結(jié)晶相黏結(jié)在一起、抑制晶體長大、阻止多晶轉(zhuǎn)變、填充氣孔空隙、促使坯體致密化、降低燒成溫度。陶瓷坯料存在很多氣孔，燒結(jié)后通常還有5%～10%（體積分數(shù)）的殘留氣孔率，氣孔的含量、形狀、分布會影響陶瓷材料的性能，透明陶瓷要嚴格控制氣孔率，要求密度小、絕熱性能好的陶瓷，應(yīng)含有盡可能多的、大小一致的、分布均勻的氣孔。

玻璃的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)與其化學(xué)組成密切相關(guān)，可以通過成分和微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計來滿足不同性能要求。以SiO₂為主要成分的玻璃統(tǒng)稱為硅酸鹽玻璃，但是純SiO₂的熔點高達1730℃，用熔融法制作困難，在SiO₂中加入Na₂O、CaO等網(wǎng)絡(luò)修飾體（調(diào)整劑）可降低熔點。添加Al₂O₃、B₂O₃可制作耐熱玻璃，添加AgI、Ag₂O可以使P₂O₅、MgO系玻璃在室溫有高的電導(dǎo)率，而且其非晶態(tài)要比結(jié)晶態(tài)導(dǎo)電性能好。

玻璃陶瓷由玻璃相基體和大量均勻彌散分布的微小晶體（通常小于1μm）組成，又稱微晶玻璃，其結(jié)構(gòu)致密，基本無氣孔，為了促進微晶的成核和適度長大，通常在配料中加入一些成核劑。

1.2.3　聚合物材料的組成

聚合物是以有機高分子化合物為主要組分的材料，其高分子化合物是由結(jié)構(gòu)相同、組成相同的低分子化合物聚合而成的分子量很高的化合物。如果不是由簡單結(jié)構(gòu)單元（單體）重復(fù)連接而成，分子量很高的化合物也不能稱為聚合物。如果聚合物的重復(fù)單元數(shù)量不大，增減幾個單元會對其物理性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，這類聚合物為低聚物；如果重復(fù)單元數(shù)量很大，增減幾個單元并不影響其物理性質(zhì)，這類聚合物為高聚物。聚合物通常指的是高聚物。

單體通過聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)變成大分子的結(jié)構(gòu)單元，聚合反應(yīng)主要有縮聚反應(yīng)和加聚反應(yīng)。縮聚反應(yīng)由一種或幾種單體相互混合而連接成聚合物，同時析出（縮去）水、氨、醇、鹵化氫等低分子物質(zhì)，生成物稱為縮聚物，其成分與單體不同。大多數(shù)聚合物是利用加聚反應(yīng)合成的，由一種或幾種單體相互加成而形成聚合物，生成物稱為加聚物（X—A—A—A—…—A—A—A—Y，簡寫為X—［A］_n—Y或者［―A―］_n），與單體具有相同的成分，沒有副產(chǎn)物生成。聚乙烯就是由很多乙烯分子加聚反應(yīng)合成的。圖1-2為聚乙烯及其單體和鏈節(jié)， 1個乙烯分子CH₂=CH₂就是組成聚乙烯的單體，如圖1-2（a）所示；單體的碳原子以不飽和的雙鍵共價結(jié)合，還與2個H原子結(jié)合構(gòu)成穩(wěn)定的8電子層；結(jié)構(gòu)單元—CH₂—CH₂—為鏈節(jié)，如圖1-2（b）所示，在碳原子的兩端有自由基；由于價電子不滿足，鏈節(jié)趨于與其他鏈節(jié)結(jié)合，形成圖1-2（c）所示的聚乙烯大分子鏈，結(jié)構(gòu)式為［―CH₂―CH₂―］ _n，其中n為聚合度。

單體是穩(wěn)定的，并不能自動發(fā)生聚合反應(yīng)，通常加入引發(fā)劑破壞雙鍵，以形成不穩(wěn)定的鏈節(jié)。以引發(fā)劑H₂O₂為例，過氧化氫可分解為2個OH基團，破壞碳碳雙鍵，其中1個OH基團附在乙烯鏈節(jié)上，加聚反應(yīng)開始發(fā)生，如果反應(yīng)放出的能量大于破壞雙鍵需要的能量，加聚過程可以自發(fā)進行下去，一個個鏈節(jié)連接在引發(fā)后的乙烯碳鍵的自由基端，當(dāng)單體的供應(yīng)耗竭或鏈的活性端遇到OH基團時，或2個生長鏈相遇并連接時，反應(yīng)終止。

大多數(shù)聚合物材料還需加入其他輔助組分，起到改善制品性能或加工性能的作用。塑料要加入增塑劑、穩(wěn)定劑、填料、增強劑、顏料、潤滑劑、增韌劑等，橡膠要加入硫化劑、促進劑、防老劑、補強劑、填料、軟化劑等，涂料要加顏料、催干劑、增塑劑、潤濕劑、懸浮劑、穩(wěn)定劑等。