建筑材料的结构与性质

材料的结构是指材料的微观组织状况，可分为微观结构和显微结构两个层次。

1.1.2.1　微观结构

微观结构是指能用电子显微镜观察到的材料组成及结构，如原子、分子的排列方式、结合状况等。材料的微观结构可分为晶体、非晶体。

（1）晶体。

晶体是由质点（原子、离子或分子）在三维空间作有规律的周期性重复排列 （远程有序）而形成的固体，具有特定的几何外形和固定的熔点。质点的这种规则排列构架称为晶格。构成晶格的最基本的几何单元称为晶胞。晶体就是由大量形状、大小和位向完全相同的晶胞堆砌而成，故晶体结构取决于晶胞的类型及尺寸。

晶体的物理力学性质除与其质点的本性及其晶体结构形态有关外，还与质点间结合力有关，这种结合力称为结合键，可分为离子键、共价键、金属键和分子键四种。不同种类的晶体所构成的材料表现出不同的性质。

按组成材料的晶体质点及结合键的不同，晶体可分为如下几种：

1）离子键和离子晶体。由正、负离子间的静电引力所形成的离子键构成的晶体称为离子晶体。离子键的结合力比较大，故离子晶体一般比较稳定，具有较高的强度、硬度和熔点，但较脆，其固体状态是电、热的不良导体，熔、溶状态时可导电。

2）共价键和原子晶体。共价键的特点是两个原子共享价电子对，由原子以共价键构成的晶体为共价晶体（或称原子晶体），如石英、金刚石等。共价键的结合力很大，故原子晶体具有高强度、高硬度和高熔点。但塑性变形能力很差，只有将共价键破坏才能使材料产生永久变形。通常为电、热的不良导体。

3）金属键和金属晶体。金属键结合的特点是价电子的“公有化”。由金属阳离子组成晶格，自由电子运动其间，阳离子与自由电子形成金属键，金属键的结合力较强。金属晶体的晶格一般是排列密集的晶体结构，如铁的体心立方体结构，故金属材料一般密度较大。金属晶体有较高的硬度和熔点，具有很好的塑性变形性能，并具有导电和传热性质。

4）分子键和分子晶体。分子键也称分子间范德华力，是存在于中性原子或分子之间的结合力，本质上是一种物理键。以分子键结合起来的晶体称为分子晶体，如合成高分子材料中长链分子之间由范德华力结合的晶体。分子键结合力很弱。分子晶体具有较大的变形性能，熔点很低，为电、热的不良导体。一般分子晶体大部分属于有机化合物。

分子键是普遍存在的，但当有前述其他化学键存在时，它会被遮盖而被忽略。对由数个分子或由多个分子组成的微细颗粒或超微细颗粒 （如纳米颗粒），其间范德华力的作用则是很重要的。

此外，还有一种特殊的分子键——氢键，它是由氢原子与O、F、N等原子相结合时形成的一种附加键。氢键是一种物理键，但比范氏键强。水、冰中都有氢键，硼酸为氢键晶体。

由于质点在各方向上的排列的规律和数量不同，单晶体具有各向异性的性质，但实际应用的材料是由细小的晶粒杂乱排列组成的，其宏观性质常表现为各向同性。无机非金属材料的晶体，其键的构成不是单一的，往往是由共价键、离子键等共同联结，其性质差异较大。

（2）非晶体。

非晶体结构又称无定形结构或玻璃体结构。它与晶体的区别在于质点排列没有一定规律性（或仅在局部存在规律性，也称近程有序）。非晶体没有特定的几何外形，是各向同性的，也没有固定的熔点，如石英玻璃等。

由于玻璃体凝固时没有结晶放热过程，在内部储积着大量内能，因此，它是一种不稳定的结构，可逐渐地发生结构转化。它具有较高的化学活性，在一定条件下容易与其他物质发生化学反应，这类材料如火山灰、粒化高炉矿渣等。

材料的微观结构形式与主要特征见表1.1。

表1.1　材料的微观结构形式与主要特征

1.1.2.2　显微结构(www.xing528.com)

显微结构是指用光学显微镜可以观察到的材料组成及结构。一般可分辨的范围是0.001～1mm。

材料在这一层次上的组成及其聚集状态对其性质有重要影响。例如，水泥混凝土材料可以分为水泥基体相、骨料分散相、界面相及孔隙等，它们的状态、数量及性质将决定水泥混凝土的物理力学性质；又如木材，可以分为木纤维、导管及髓线等，它们的分布、排列状况不同，使木材在宏观上形成年轮、弦向与径向、顺纹与横纹等性能的差异；钢铁材料在显微镜下可以观察到铁素体晶粒、不同状态的珠光体、渗碳体及石墨等，它们是决定钢铁性质的关键因素。

1.1.2.3　微粉、超微颗粒及胶体

（1）微粉。

微粉是指粒径在0.0001～0.1mm 之间的各种矿物或金属粉末，通常属散粒的显微层次。

将宏观物体破碎成微粉，其比表面积随粒径减小而增大，可加快颗粒溶解及表面化学反应速度，也可消除宏观物体裂纹、内部孔隙等构造缺陷，是进行材料密度测量的重要手段。

（2）超微颗粒。

超微颗粒是指粒径在10-6～10-4mm之间的各种微粒（金属或非金属、晶体或非晶体等）。它一般大于微观尺度的原子团，小于通常的微粉。其性质既不同于单个原子或分子，又不同于粗粒固体，称为纳米微粒，由它可构成各种纳米材料。

纳米微粒的内核为颗粒组元 （保持原晶格和微观结构），微粒表层为界面组元。在不饱和键或悬键作用下，物质表面原子的晶格排列、尺寸等都发生变化，致使界面组元的物理力学性质与颗粒组元不同。当微粒的尺寸进入纳米量级时，它有很大的比表面积，表面原子数增多，界面组元所占体积分数显著增大，表面能和表面张力显著增加，其本身和由它构成的各种材料，具有传统材料所不具备的许多优越物理力学性质。

由于用纳米微粒制成的固体材料具有很大的界面，且界面原子排列混乱，在外力作用下，这些原子容易迁移。因此，由纳米氧化物经压密和烧结制得的纳米陶瓷材料表现出很好的韧性和一定的延展性。

对于金属材料，随晶粒减小，其硬度明显提高。如纳米尺寸的铁，晶粒尺寸由100nm减到6nm时，硬度增大了4～5倍。

在石膏中掺入纳米氧化锌及金属过氧化物粒子后，可制成色彩鲜艳、不易褪色的石膏制品，并有优异的抗菌性能，是优良的装饰材料。

在陶瓷中掺入纳米氧化锌，可使制品的烧结温度下降，能耗降低，所得制品光亮如镜，并有抗菌除臭和分解有机物的自洁功能。掺有纳米氧化锌的玻璃，可抗紫外线、耐磨、抗菌和除臭。

在金属材料表面镀以非晶态纳米镍—磷合金薄膜，由于该镀层不存在晶界和晶界缺陷（位错、空穴、成分偏析等），使易于发生点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等的结构消失，从而使基体金属材料表面的性质得到改善。该镀层构成了具有极强防腐蚀性能的金属防护膜。

在塑料、橡胶和树脂中加入纳米矿物质第二相，可有效地改善其各种性能。如增加塑料的强度、表面硬度、改善阻燃性及热学性能等。

此外，纳米材料的热学、电学、光学及磁学等许多性能都不同于一般材料，具有优异的特殊性质。

（3）胶体。

胶体是指超微颗料在介质中形成的分散体系，一般属于非晶体。当胶体的物理力学性质取决于介质时，此种胶体称为溶胶。溶胶具有可流动的性质。

由于微粒具有很大的表面积和表面能，当其数量较多（胶体浓度大）或在其物理化学作用下，颗粒相互吸附凝聚会形成网状结构。此时，胶体反映出微粒的物理力学性质称为凝胶。

凝胶体中颗粒之间由范德华力结合。在搅拌、振动等剪切力的作用下，结合键很容易断裂，使凝胶变为溶胶，黏度降低，重新具有流动性。但静置一定时间后，溶胶又会慢慢地恢复成凝胶，这一转变过程可以反复多次。凝胶—溶胶这种互变的性质称为触变性。

上述有关胶体的各种性质，随微粒尺寸的减小而更为突出，粒径不十分小的微粉颗粒也会在一定程度上表现出胶体各种性质，如含水较多的水泥浆体具有溶胶性质，开始初凝的水泥浆具有凝胶性质及触变性。