材料的结构与性能2.ppt

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1、第2章 材料的结构与性能,（Structure and Property of Materials）,2,2.2 材料的性能,3,各类材料的一般性能：,4,材料的几类主要性能：,化学性能 力学性能 热性能 电性能 磁性 光学性能,5,2.1.3.2 Chemical performance,2.2.1 化学性能（Chemical Performance）,材料抵抗各种介质作用的能力,6,(1) Chemical stability of metal materials,（1）化学锈蚀,1. 耐氧化性,金属氧化反应的 主要过程示意图,化学锈蚀是指金属与非电解质相接触时，介质中的分子被金属表面所吸

2、附，并分解为原子，然后与金属原子化合，生成锈蚀产物。,7,（2）电化学锈蚀,电化学锈蚀的原理和金属原电池的原理是相同的。即当两种金属材料在电介质溶液中构成原电池时，作为原电池负极的金属就会锈蚀。这种能导致金属锈蚀的原电池为腐蚀电池。只要形成腐蚀电池，阳极金属就会发生氧化反应而遭到电化学锈蚀。,SO2气体对铁的侵蚀过程,8,海水对金属的侵蚀 （牺牲阳极保护法）,形成腐蚀电池的三个基本条件：电位差的存在、电解质溶液、具有不同电位的两部分金属间有导线连接或直接接触。,9,2. 耐酸碱性,金属材料：高温下不耐浓碱 高分子材料：化学稳定性好，对酸碱都有较好的耐受性,10,3. 耐有机溶剂性,金属材料和无

3、机非金属材料有好的耐有机溶剂性能。 热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机溶剂都可以将其溶解； 交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差； 不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种有机溶剂表现出不同的耐受性； 组织结构对耐溶剂性也有较大影响。,11,光照下形成自由基：,高分子材料面临的问题,氧气的参与：,自由基形成后导致链的断裂（降解）：,4. 耐老化性,12,高分子的化学结构和物理状态对其老化变质有极其重要的影响，如羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光照射下容易被氧化降解。 聚四氟乙烯有极好的耐老化性能 氟原子与碳原子形成牢固的化学键； 氟原

4、子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧包围住。 分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键、聚碳酸酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等等，都会降低高分子材料的耐老化性。,结构与耐老化性,13,很多高分子材料在太阳光照射下容易老化，主要是因为聚合物分子链吸收太阳光中的紫外线能量而发生光化学降解反应。 耐老化性的提高： 改进聚合物分子结构 加入适当助剂 抗氧化剂 光屏蔽剂 紫外线吸收剂 光稳定剂 淬灭剂,14,2.2.2 力学性能（ Mechanical Property ）,材料抵受外力作用的能力,15,Experiment,样品拉伸试验,应力stress: 应变strain:,1.

5、 材料的强度材料受力时的形变情况,16,弹性形变：材料受力发生变形，当外力去除后，可以恢复原状，属非永久性形变。应力与应变成线性关系：,= E（虎克定律） 式中：E弹性模量或杨氏模量，反映材料的坚硬程度或抵抗弹性变 形的能力 应力，单位面积上所承受的负荷 应变，样品受力时发生的相对长度变化,塑性变形：超过弹性极限后，应力与应变之间的直线关系被破坏，当除去外力后，试样的变形只能部分恢复，而保留一部分残余变形。,17,屈服强度（s，yield strength） ：应力随应变增加继续增大，达到某一个值之后反而下降，该值称为材料的屈服强度，表示材料开始发生明显塑性变形的抗力。 拉伸强度（ b，ten

6、sile strength）或极限拉伸强度（ultimate tensile strength ）：过了屈服点，应力有时会稍下降，然后继续增大，试样发生明显而均匀的塑性变形，当应力达到最大值b时，试样的均匀变形阶段中止。 材料发生最大均匀塑形变形的抗力，是材料受拉伸时所能承受的最大载荷的应力。 b之后试样开始发生不均匀塑性变形并形成颈缩，应力下降，最后应力达k时，试样断裂。k称为材料的断裂应力（fracture stress），表示材料对塑性变形的极限抗力。,18,延展性或塑性（ductility）,延伸率（ ，elongation）： 试样拉断后长度的相对伸长量。 断面收缩率（，reduct

7、ion of area）：试样拉伸后截面积减小， 是试样拉断后横截面的相对收缩值。, 5%： 脆性材料,19,材料的一些强度特点：,很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性； 多晶材料的强度高于单晶材料； 这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。 固溶体或合金的强度高于纯金属； 杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。 多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。 源于共价键的方向性，原子间的相对位置不容易改变，位错很难运动。,20,2. 材料的硬度（hardness),材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度,21,各种材料的硬度特征

8、：,由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高； 无机非金属材料有较高硬度 离子键和共价键的强度均较高； 当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。 金属材料的硬度主要受金属晶体结构的影响，形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。 高分子材料硬度通常较低 分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱,22,3. 疲劳性能材料抵抗疲劳破坏的能力,疲劳（fatigue）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。 疲劳

9、性能就是材料抵抗疲劳破坏的能力。高循环疲劳的裂纹形成阶段的疲劳性能即在循环加载下，产生疲劳破坏所需的应力或应变循环数。,23,疲劳强度：S-N曲线上，对应某一寿命值的最大应力。 疲劳极限：经过无限多次循环应力作用而材料不发生断裂的最大应力。鉴于疲劳极限存在较大的分散性，把疲劳极限定义为制定循环基数下的中值（50%存活率）疲劳强度。,24,2.2.3 热性能（ Thermal Property）,1. 热容 热容（heat capacity）：1mol物质升高1K所需要的热量,定压热容Cp 晶体材料较高温度下： Cp=3R=24.9 Jmol-1K-1。 极低温度下： CpT3 定容热容CV,2

10、5,2.热膨胀,热膨胀（thermal expansion）：材料的尺寸随温度变化的程度，用膨胀系数表示：温度变化1K时材料尺度的变化量。 线膨胀系数l和体积膨胀系数V,26,Curve,势能一原子间距离曲线,热膨胀现象解释,27,金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小； 聚合物材料则较大。,键强与热膨胀,膨胀的差异 原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。,组织结构对热膨胀也有影响,28,3.热传导,热传导（thermal conduction）：热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象。 一维定态热传导：,热量通量q ： 热导率：表征物质热传导性能的物理量。,29,各种材

11、料的导热率,金属材料有很高的热导率 自由电子在热传导中担当主要角色； 金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响； 晶格振动 无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低 电子能隙宽，电子难以激发至导带，电子对传导贡献小，热导率较低 高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大。 半导体材料的热传导 电子与声子的共同贡献 低温时，声子是热能传导的主要载体。 较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。 高分子材料热导率很低 热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。,30,2.2.4 电性能（Electrical Property）,材料被

12、施加电场时所产生的响应行为,导电性 介电性 铁电性 压电性,31,1. 导电性能（Electrical Conductivity）,对材料两端施加电压V，则材料中的可移动的带电粒子从一端移动到另一端，V=IR（欧姆定律） 电阻： 电导率 ：材料导电性能的量度，单位 S/m,电阻率： 电导率： = 1/, = nZe,要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目（n）和使载流子更易于流动（增大 值）。,32,能带理论（Band Theory）,能带的形成,33,2.1.3.5 Electrical property,能带结构,34,2.1.3.5 Electrical property,

13、各种材料的能带结构,35,金属：导体、半导体（准金属砷、碲等） 陶瓷：绝缘体、半导体 高分子材料：绝缘体、半导体（改性）、导体（改性）,各种材料的导电性：,36,2. 介电性能（Dielectric Property）,介电性：在电场作用下，材料表现出对静电能的储蓄和损耗的性质。 电容（C）：对相距L的平衡金属板施加电压V，撤去电压后所产生的电荷基本保留在平板上，这一储存电荷的特性称为电容， C=q/V 电容：C = (A/L),：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力； 相对介电常数r： r=/0,37,介电强度：一定间隔的平板电容器的极板间可以维持的最大电场强度，也称击穿电压。 介电损耗：

14、电介质在电压作用下所引起的能量损耗。介电损耗越小，绝缘材料的质量越好，绝缘性能也越好。,38,3. 铁电性与压电性（Ferroelectricity and Piezoelectricity）,铁电性材料在除去外电场后仍保持部分极化状态,39,居里温度Tc (Curie temperature),40,压电性（压电效应）：对铁电材料施加压力，导致极化发生改变，会引起表面带电的现象（材料两侧产生小电压）,压电效应,41,电致伸缩（逆压电效应）：反之，在材料上施加电场，会产生机械变形（材料尺寸发生变化）。,压电效应,逆压电效应,42,2.2.5 磁性（ Magnetic Property ）,磁性

15、：物质放在不均匀磁场中所受到磁力的作用。,Hm：磁化强度 m：磁化率,43,磁性的种类,1. 反磁性（diamagnetism） ：当外磁场作用于材料中的原子时，将使其轨道电子产生轻微的不平衡，在原子内形成细小的磁偶极，其方向与外磁场方向相反，当磁场撤去后磁效应可逆的消失（ m0）。 Hg、Cu、Ag、Pb 金刚石、MgO 、NaCl 绝大多数高分子材料,2. 顺磁性（paraamagnetism） ：感应磁化的方向与外磁场方向相同，当磁场撤去后磁效应可逆的消失（ m0） 。,44,3. 铁磁性（ferromagnetism）：一些固体材料即使在没有外磁场的情况下也能自发磁化，而在外磁场作用下

16、能沿磁场方向被强烈磁化（Fe、Co、Ni等）。,4. 反铁磁性（antiferromagnetism）：施加外磁场时，反铁磁性材料的相邻原子磁偶极反方向排列（Mn、Cr）。,5. 铁氧体磁性（ferrimagnetism）：一些无机陶瓷中，不同离子具有不同磁矩行为，当不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩（磁铁矿Fe3O4）。,铁磁性 反铁磁性铁氧体磁性,45,2.1.3.7 Magnetic property,磁畴和磁化曲线,磁畴 Magnetic Domain,磁畴壁 Magnetic Domain Wall,磁畴自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成的磁化小区域。

17、,46,2.1.3.7 Magnetic property,磁滞回线 hysteresis loop,47,在较弱的磁场下易于磁化，也易于退磁的材料称为软磁材料。 磁导率大，矫顽力小(Hc100A/m)，滞损耗低，磁滞回线呈细长条形。,软磁材料,适用于作各种电感元件、磁记录的磁头与介质、交流线圈的铁芯。,48,磁化后不易退磁，而能长期保留磁性的铁氧体材料称为硬磁材料，因而也称永磁材料或恒磁材料。 磁滞回线包围面积大，(Hc400A/m) 矫顽力大。 适用于作永久磁铁等。,硬磁材料,49,矩磁材料的磁滞回线为矩形，基本上只有两种磁化状态，可用作磁性记忆元件。,矩磁材料,50,2.2.6 光学性质

18、（ Optical Property ）,1. 光的吸收和透过 金属材料：不透明（厚度100nm）； 半导体和其它非金属材料：取决于能隙Eg： 高分子材料：无定形透明，结晶影响透明性（晶粒对光的散射）,380nm 3.26eV （Eg3.26eV，无吸收，透明） 780nm 1.59eV （Eg 1.59eV ，吸收，不透明）,51,几种无机材料的光透过曲线,52,2.光的反射和折射,金属材料：强反射（金属光泽）； 电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态 无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响； 当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差别越大，反射就越强。 材料的折射率受其结构影响 单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波传播受影响越大，从而折射率越大。 原子半径越大(极化率大），折射率就越大。,53,几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线,由于金属的反射率随光波的波长变化，因而呈现出各种反射颜色。,54,3.材料的颜色,金属材料：颜色取决于其反射光的波长；,55,无机非金属材料：颜色通常与光吸收特性有关； 引进在价带和导带之间产生能级的结构缺陷，可以影响离子材料和共价材料的颜色。透明无机材料可以通过改变成分而呈现不同的颜色。,蓝宝石和红宝石的光透过曲线,红宝石中铬离子的颜色,