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1、材料的性能1Chapter 2Properties of Materials2General Characters of MaterialsGeneral Characters of Materials3本章主要内容本章主要内容材料的几类主要性能：材料的几类主要性能：化学性能化学性能力学性能力学性能热性能热性能电性能电性能磁性磁性光学性能光学性能学习目的：学习目的：1.了解材料的各类性能；了解材料的各类性能；2.学习一些材料性能的表征及测试方法；学习一些材料性能的表征及测试方法；3.加深理解材料结构与性能的关系。加深理解材料结构与性能的关系。4溶蚀性溶蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗渗透性抗氧化
2、性抗氧化性材料抵抗各种介质作用的能力材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性化学稳定性2.1 化学性能化学性能Chemical Performance5(1)Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生长生长氧溶解氧溶解氧化膜生长氧化膜生长内氧化内氧化缝隙缝隙孔洞孔洞微裂纹微裂纹宏观裂纹宏观裂纹吸附吸附（1）化学锈蚀）化学锈蚀3.1.1 耐氧化性耐氧化性金属氧化反应的金属氧化反应的主要过程示意图主要过程示意图几种金属的表面氧化膜对比几种金属的表面氧化膜对比多孔氧化膜多孔氧化膜致密氧化膜致密氧化膜松散氧化膜松散氧化膜6金属的氧化动力学曲线常常由于
3、发生氧化膜的开裂与剥落而金属的氧化动力学曲线常常由于发生氧化膜的开裂与剥落而偏离理论公式，并失去保护作用。偏离理论公式，并失去保护作用。氧比膜中的应力与松弛是决定氧化动力学的重要因素。氧比膜中的应力与松弛是决定氧化动力学的重要因素。生长应力与热应力生长应力与热应力生长应力与热应力生长应力与热应力10Electrochemistry corrosion（2）电化学腐蚀电化学腐蚀simple electrochemical cell corrosion cell between a steel water pipe and a copper fitting11Electrochemistry co
4、rrosionSO2气体对铁的侵蚀过程气体对铁的侵蚀过程（2）电化学腐蚀电化学腐蚀12Example海水对金属的侵蚀示意图海水对金属的侵蚀示意图Cathodic protection of a buried steel pipelineWhy Mg?How about Ca,Al,Zn?电化学防锈电化学防锈牺牲阳极法牺牲阳极法1314思考：思考：为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在空气中很稳定？空气中很稳定？为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？材料应用中有哪些防锈方法？材料应用中有哪些防锈方法？152.1.2 耐酸碱性耐酸
5、碱性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2为主为主耐耐碱碱材材料料 大多数金属氧化物都是碱性氧化大多数金属氧化物都是碱性氧化物，物，相应的材料相应的材料表现出较强的耐表现出较强的耐碱性，而易受酸侵蚀或溶解。碱性，而易受酸侵蚀或溶解。(2)Chemical stability of non-metal materials16金属的耐酸碱性金属的耐酸碱性主要是高温下浓碱液的腐蚀问题主要是高温下浓碱液的腐蚀问题镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。耐蚀机理：耐
6、蚀机理：碱蚀后稀土高镍铬铸铁碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的表面生成完整、致密的-(Fe,Cr)2O3氧化膜和氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物，等附着物，使材料本体受到保护。使材料本体受到保护。17(3)Chemical stability of polymers化学稳定性好，耐酸耐碱化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料：高分子材料：主链原子以共价键结合主链原子以共价键结合 长分子链对反应基团的保护长分子链对反应基团的保护 电绝缘性，无电化学腐蚀电绝缘性，无电化学腐蚀18(3)Chemical stability of polymers金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；
7、金属材料和无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；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；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；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。组织结构对耐溶剂性也有较大影响。例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难例如，作为结晶性聚合物
8、，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶，因而具有很好的耐溶剂性。溶，因而具有很好的耐溶剂性。2.1.3 耐有机溶剂性耐有机溶剂性19(3)Chemical stability of polymers光照下形成自由基：光照下形成自由基：2.1.4 耐老化性耐老化性高分子材料面临的问题高分子材料面临的问题 氧气的参与：氧气的参与：自由基形成后导致自由基形成后导致链的断裂（降解）：链的断裂（降解）：20(3)Chemical stability of polymers羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光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。照射下容易被氧化降解。聚四
9、氟乙烯有极好的耐老化性能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；氟原子与碳原子形成牢固的化学键；氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧包围住。包围住。分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键酰氨键酰氨键酰氨键、聚碳酸、聚碳酸酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等酯的酯键、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。等，都会降低高分子材料的耐老化性。结构与结构与耐老化性耐老化性21(3)Chemical stability of polymers改进聚合
10、物分子结构改进聚合物分子结构加入适当助剂加入适当助剂抗氧化剂抗氧化剂 光屏蔽剂光屏蔽剂 紫外线吸收剂紫外线吸收剂 淬灭剂淬灭剂 耐老化性耐老化性的提高的提高22材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力2.2 力学性能Mechanical Property23 拉伸强度拉伸强度Tensile strength 弯曲强度弯曲强度 Flexural strength 扭转强度扭转强度Torsional strength 抗压强度抗压强度 Compression strength 冲击强度冲击强度 Impact strength2.2.1 材料的强度(Strength)24应力应力stress应变
11、应变strain 1.1.弹性模量：弹性模量：E E2.2.强度：强度：p、e、s、b3.3.塑性塑性:k k、k k4.4.静力韧度静力韧度:1.拉伸性能拉伸性能25Experiment样品拉伸试验样品拉伸试验应力应力-应变曲线应变曲线 ultimate tensile strength yield strength 无明显屈服的塑性材料拉伸曲线无明显屈服的塑性材料拉伸曲线树脂材料拉伸曲线树脂材料拉伸曲线27102030(%)0100200300400500600700800900(MPa)低碳钢低碳钢锰钢锰钢硬铝硬铝退火球墨铸铁退火球墨铸铁延展性或塑性的表征延展性或塑性的表征延伸率延伸率
12、elongation断面收缩率断面收缩率 reduction of area 5%5%可承受冲击载荷，适合于可承受冲击载荷，适合于锻压和冷加工锻压和冷加工脆性材料脆性材料断裂前变形很小断裂前变形很小抗压能力远大于抗拉能力抗压能力远大于抗拉能力延伸率延伸率 5%5%适合于做基础构件或外壳适合于做基础构件或外壳2.扭转性能扭转性能扭转试验方法：GB/T 10128-1988GB/T 10128-1988试样：圆柱或圆管扭转性能指标扭转曲线3.弯曲性能弯曲性能弯曲试验方法：GB/T 10128-1988GB/T 10128-1988挠度s 弯曲应力f弯曲应变f 弯曲强度fMNiNi合金合金(板厚板厚
13、45mm)45mm)焊缝弯曲无裂纹焊缝弯曲无裂纹为合格为合格 例：焊接件弯曲工艺试验M 试样弯矩W 试样抗弯界面系数b 试样界面宽h 试样界面高a aE=tga aO1O2f1(f)低碳钢拉伸应低碳钢拉伸应力应变曲线力应变曲线D(s下下)(e)BC(s上上)A(p)E(b)g (MPa)200400 0.10.2O低碳钢压缩应低碳钢压缩应力应变曲线力应变曲线4.4.压缩性能压缩性能 e eO b灰铸铁的灰铸铁的拉伸曲线拉伸曲线 b灰铸铁的灰铸铁的压缩曲线压缩曲线 =45o剪应力引起剪应力引起断裂断裂典型材料压缩曲线典型材料压缩曲线1-1-高塑性材料；高塑性材料；2-2-低塑性材料低塑性材料(2
14、)压缩断裂形式切断:碳纤维增强镁基复合材料压缩断裂正断:纵向裂纹，如陶瓷材料注意:高塑性材料压扁而不破坏(3)压缩性能指标与拉伸试验相仿：强度指标：pc、ec、sc、bc塑性指标：相对压缩率ck、相对断面扩展率cka aE=tga aO1O2f1(f)低碳钢拉伸应低碳钢拉伸应力应变曲线力应变曲线D(s下下)(e)BC(s上上)A(p)E(b)g (MPa)200400 0.10.2O低碳钢压缩应低碳钢压缩应力应变曲线力应变曲线(4)材料拉伸与压缩力学行为对比塑性材料：e eO b灰铸铁的灰铸铁的拉伸曲线拉伸曲线 b灰铸铁的灰铸铁的压缩曲线压缩曲线 =45o剪应力引起剪应力引起断裂断裂低塑性及脆
15、性材料：46材料的一些力学性能特点：材料的一些力学性能特点：很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；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；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移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。目的。固溶体或合金的强度高于纯金属；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。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。多数无机非金属
16、材料延展性很差，屈服强度高。源于共价键的方向性源于共价键的方向性 472.2.2 材料的硬度（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材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度布氏硬度（布氏硬度（Brinell hardness）洛氏硬度（洛氏硬度（Rockwell hardness）HR=(K-h)/0.002维氏硬度（维氏硬度（Vickers hardness）HV=0.189F/d2 材料弹性、塑性、材料弹性、塑性、强度和韧性等力学强度和韧性等力学性能的综合指标性能的综合指标 划痕法（莫氏硬度），静压法，回跳法（肖氏硬度）划痕法（莫氏硬度），静压法，回跳法（肖氏硬
17、度）划痕法（莫氏硬度），静压法，回跳法（肖氏硬度）划痕法（莫氏硬度），静压法，回跳法（肖氏硬度）48维氏硬度测量维氏硬度测量49硬度试验硬度试验50各种材料的硬度特征：各种材料的硬度特征：由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这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；是因为共价键的强度较高；无机非金属材料有较高硬度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；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。强度较高（因静电引力较大），故
18、材料的硬度更高。金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。度。高分子材料硬度通常较低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，键力较弱分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱Chapter3 Properties of Materials511882年德国矿物学家莫尔年德国矿物学家莫尔列出10种矿物作为硬度标准。10种矿物的硬度从高至低依次排列如下：钻石10、刚玉9、水晶8、石英7、正长石6、磷灰石5、氟石4、方解石3、石膏2、滑石1 铁铁铁铁 则约是等级则约是等级则约是等级则约是等级56,56,人骨人骨人骨人骨的莫氏硬度为
19、3到4之间。牙釉质和牙骨质构成齿冠的外层齿冠的外层齿冠的外层齿冠的外层，莫氏硬度为67，主要成分为羟基磷灰石。522.2.3 疲劳性能疲劳性能材料抵抗疲劳破坏的能力材料抵抗疲劳破坏的能力疲劳（疲劳（fatigue）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪）：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。断裂的现象。疲劳曲线疲劳曲线(S-N曲线曲线)热容（热容（heat capacity）热膨胀（热
20、膨胀（thermal expansion）热传导（热传导（thermal conduction）532.3 热性能热性能Thermal Property54定压热容定压热容Cp晶体材料较高温度下：晶体材料较高温度下：Cp=3R=24.9 J mol-1 K-1。极低温度下：极低温度下：Cp T3定容热容定容热容CV2.3.1 热容（heat capacity）单位质量物质升高1K所需要的热量55膨胀系数膨胀系数：温度变化温度变化1K时材料尺度的变化量。时材料尺度的变化量。线膨胀系数线膨胀系数 l和体积膨胀系数和体积膨胀系数 V 2.3.2 热膨胀thermal expansion56Curve
21、势能一原子间距离曲线势能一原子间距离曲线假想的假想的实际的实际的热膨胀现象解释热膨胀现象解释57Curve金属和无机非金属材金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；料的线膨胀系数较小；聚合物材料则较大。聚合物材料则较大。键强与热膨胀键强与热膨胀膨胀的差异膨胀的差异原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。58Examples热量通量热量通量q：热导率热导率：表征物质热传导性能的物理量。：表征物质热传导性能的物理量。单单位：位：W m-1 K-1，或，或 cal cm-1 s-1 K-11 cal cm-1 s-1 K-1=4.2 102 W m-1 K-1 2.3
22、.2.3.3 3 热热传导（传导（thermal conductionthermal conduction）热量从系统的一部分传到另一部分或由一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个系统传到另一个系统的现象59各种材料的导热率各种材料的导热率金属材料有很高的热导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；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；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；晶格振动晶格振动无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。热传导依赖于晶格振动（声子）
23、的转播。热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。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。随温度升高而增大。半导体材料的热传导：半导体材料的热传导：电子与声子的共同贡献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。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。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。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
24、差。60Examples铜固态401 W m-1 K-110mm2 10mm 20oC 温差热导功率温差热导功率 61导电性导电性介电性介电性铁电性铁电性压电性压电性 材料被施加电场时所产生的响应行为材料被施加电场时所产生的响应行为2.4 电性能Electrical Property622.1.3.5 Electrical property2.4.1 导电性能导电性能Electrical Conductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体
25、其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）632.1.3.5 Electrical property电阻：电阻：电阻率：电阻率：电导率：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）和使载流子更易于流动（增大 值）值）。铜59.6E6 S/m 1.5方?米/欧银 100 铜 99 金 74 铝 61 锌 27 铁 17 铅 7.9642.1.3.5 Electrical property能带理论（能带理论（Band Theory）能带的形成能带的形成
26、65各种材料的能带结构各种材料的能带结构662.1.3.5 Electrical property2.4.2 介介电性能电性能 Dielectric Property电容电容C（capacitance）电荷量电荷量q与电压与电压V的比值：的比值：平板电容计算：平板电容计算：C=(A/L)：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力；相对介电常数相对介电常数 r：r=/0 (介质常数、介电系数或电容率)C=q/V0=8.85*10-12,F/m 电介质的定义与特征 电介质的极化 电介质的基本常数 电介质的应用1.电介质的定义与基本特征在电场作用下，束缚电荷起主要
27、作用的物质，称电介质。在电场作用下，能产生极化与偶极子，并存在有内电场物质电介质半导体导体是一类特殊的绝缘体。电介质导体高电场作用电介质的特征从电场特性来看（a）导体中：内部电场为零（平衡状态），电场终止于 导体表面并与表面垂直。（b）在电介质中：内部存在电场，表面会产生束缚电荷。载流子：导体的载流子为电子；半导体的载流子为电子和空穴；电介质的载流子主要为离子。在传导上，导体为自由电子，而电介质则以电极化。故对极化的研究是介质物理的主要任务。经典电介质科学丛书首批著作出版志贺 介质以极化为本质特征，衍生多种功能效应于一体，兼秉丰富深刻之物理内涵，前程无限。叹我介电学科，相对滞后，极化之类基本问
28、题，仍未彻底解开。更有心态浮燥，不重基础，回避难题，急功近利。诸多不足之处，吾人当自省。姚熹院士电介质的类型气体液体陶瓷玻璃离子晶体 NaCl等H2，空气，六氟化硫等水，石油等云母，瓷，橡胶，聚苯乙烯等钛酸钡、铁酸铋、钛酸铅等介电常数：是指以电极化的方式传递、存贮或 记录电的作用。电导：是指电介质在电场作用下存在泄露电流。介电损耗：是电介质在电场作用下存在电能的损耗。介电强度：是指在强电场下可能导致电介质的破坏。电介质的四大基本常数好的电介质要求较容易极化，具有较高的介电常数和介电强度，较低的电导和介电损耗。-+-+-插入电介质束缚电荷在电场作用下产生束缚电荷(bound charge)的现象
29、称为电介质的极化。2.电介质的极化(Polarize)与极化相关的物理量电偶极矩极化电荷（束缚电荷）电极化强度 P 电介质极化程度的量度由极化而引起的宏观电荷电介质极化的微观机理（类型）电介质极化的微观机理（类型）电子位移极化与电子位移极化率 在外电场作用下，电子云相对原子核的位移是弹性联系，其振动频率在光频范围，所以电子极化又称光极化，极化建立和消除的时间极短，约10-1510-16s。E电子位移极化在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移感应偶极矩：平衡建立后-QQxa以电子云中心为参考点，核沿电场方向移动x，使核移动的电场力为核移动后，受到电子云的库仑力为与温度无关-QQ
30、xa电偶极矩电子极化率：由电子产生的偶极矩与作用于该原子的电场强度之比。电子位移极化结论同族元素：由上到下增大；同周期元素：不定；电子位移极化率与温度无关；极化率为快极化：10-15 10-16s，该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：离子位移极化和极化率离子晶体的介电常数值比n2值大的多，如8.431.99CaF2110-1147.3TiO24.682.13KCl介电常数n2因此，必然存在电子极化外的其他极化机制。离子位移极化：离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionic polarization)。-q+qEK=?当位移不是很大时可将正负
31、离子间的恢复力看成为准弹性力根据正、负离子对的固有谐振频率用实验方法求解k值。E正负离子位移形成的偶极距离子极化率u离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级；u离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；u离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；u离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-1210-13秒。离子位移极化模型（一维）离子位移极化模型（一维）离子极化结论：偶极子转向极化和极化率当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的
32、宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化。E每一偶极子的势能Boltzman统计分布极性分子固有极距极化建立时间：10-610-2秒，为慢极化。极化形式发生极化的电介质极化的频率范围和温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷介质中直流-光频无关没有离子位移极化离子结构介质直流-红外温度升高，极化增强很微弱离子松弛极化离子结构的玻璃、结构不紧密的晶体及陶瓷直流-超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化钛质瓷、高价金属氧化物基陶瓷直流-超高频随温度变化有极大值有转向极化有机材料直流-超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的陶瓷介质直流-超高随温度升高而减弱有自发极化温度低于居里点的铁电体直
33、流-超高频随温度变化有显著极大值很大各种极化形式的综合比较电介质极性材料非极性材料只有位移极化的电介质有转向极化的电介质根据极化类型对电介质进行分类微观上，根据参加极化的微观粒子的种类，电介质的分子极化可分为三类：电子位移极化；离子位移极化；电偶极子转向极化。3.基本常数 静态介电常数 真空介电常数 相对介电常数介电常数介电常数可理解为在单位电场强度下，单位体积中所存储的能量。电容 介电常数（dielectric coefficient）介电强度击穿指当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质由介电状态变为导电状态的现象。介电强度填充电介质的目的是使极板间可承受的电位差能比空气介
34、质承受的更高些，即提高其介电强度。（一）热击穿（一）热击穿由于电介质内部由于电介质内部热的不稳定热的不稳定过程所造成的。过程所造成的。影响因素影响因素与材料的性能有关与材料的性能有关绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关 因此热击穿强度因此热击穿强度不能不能看作是电介质材料的本征特性参数看作是电介质材料的本征特性参数（二）电击穿（二）电击穿在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象。条件下，进行击穿试验时所观
35、察到的一种击穿现象。主要特性：主要特性：击穿场强高（大致在击穿场强高（大致在5 515MV/cm15MV/cm范围），实用绝缘系统是不可能达到的范围），实用绝缘系统是不可能达到的在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大 意义意义 反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特性参数之一，又称为仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特性参数之一，又称为耐电耐电 强度或电气强度强度或电气强度 （三）不均匀电介质的击穿包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种
36、包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式击穿形式。击穿往往是从耐电强度低的气体中开始，表现为局击穿往往是从耐电强度低的气体中开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。化损伤逐步扩大，致使介质击穿。固体介质击穿的一般规律：u 固体介质的击穿电场大于液体和气体介质 Eb（气体）=3106 V/m Eb（液体）=107108 V/m Eb（固体）=108109 V/mu 固体介质击穿是永久性的u 从击穿过程看：-电场的破坏变成导体电击穿；-介质本身的破坏：a）热破坏热击穿；b）机械破坏机械击穿 电
37、介质的电导电介质中的带电质点在电场作用下做定向迁移形成的。固体电导电子电导离子电导电子和空穴可移动的正负离子和离子空位低电场下高电场下体电导和表面电导体电导率：由材料的本质所决定，与试样尺寸无关。表面电导：表示介质抵抗沿表面漏电的性能。电介质表面的状况电介质表面的分子结构空气湿度 介电损耗在外电场作用下，由电导作用和极化作用引起的电介质内的能量损耗。介电损耗电导损耗介质极化损耗静电场中交变电场中电导损耗电导损耗电导损耗并联等效电路串联等效电路引起介电损耗的微观机制普通无机晶体介质(NaCl,SiO2等)只有位移极化，损耗来源：离子电导，与电导率成正比无定形玻璃介质电导损耗、松弛损耗和结构损耗（
38、Si-O网络变形）多晶陶瓷离子电导，松弛损耗和夹层损耗多相复合介质界面电荷积累“夹层极化”有损耗电容器的等效电路和向量图并联等效电路串联等效电路损耗角和损耗因素向量图向量图 损耗角tan 损耗因素理想（真空）电容器无损耗，=0；越大，说明介质损耗越大。电介质基本常数之间的关系n提高电介质的介电常数有利于提高电容器的存储电荷量，然而介电损耗也将随之增加，因而寻找一种兼具有高介电常数和低介电损耗的电介质是当前科学研究者的任务。n材料的介电常数越大，其介电强度不一定高；电介质的电导越大，介电损耗也越高。一些材料的介电性能材料相对介电常数介电强度/(kVcm-1)真空1水78纸3.51.4红宝石云母5
39、.416琥珀2.79.0瓷器6.50.4熔凝石英3.80.8玻璃4.51.3电木4.81.2聚乙烯2.35.0二氧化钛1000.6103(2)Dielectric Property某些介电材料的性能某些介电材料的性能104(3)Ferroelectricity2.4.3 铁电性与压电性铁电性与压电性Ferroelectricity and Piezoelectricity在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性铁电性铁电性铁电性。具有自发极化的晶体是一个永久带电体永久带电体永久带电体永久带电体，在晶体
40、内部及外部建立电场，电场强度取决于晶体的自发极化强度PsChapter3 Properties of Materials105铁电型电滞回线铁电型电滞回线106居里温度Tc Curie temperature 钛酸钡：是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一，被誉为”电子陶瓷工业的支柱压电材料压电材料压电材料压电材料是具有压电效应的物质。是具有压电效应的物质。石英表，电报，超声仪，石英表，电报，超声仪，耳机，录音机耳机，录音机l某些电介质某些电介质,外力的作用外力的作用变形变形内部内部极化极化表面正负电荷，外力去掉表面正负电荷，外力去掉恢复恢复到不带电的状态；到不带电的状态；正压电效应正压电效应。l相
41、反，电介质极化方向电场相反，电介质极化方向电场发生变发生变形，电场去掉后形，电场去掉后变形随之消失；变形随之消失；逆压逆压电效应电效应，或电致伸缩现象。，或电致伸缩现象。quartz电气石 高频震动高频震动高频电流高频电流；高频电信号高频电信号高频声信号（机械震动高频声信号（机械震动）压电性压电性Piezoelectricity 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面中性被破坏，从而
42、使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的。出现剩余电电荷而产生的。不受力不受力 石英晶体压电模型石英晶体压电模型压电效应的物理机制压电效应的物理机制天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形石英晶体切片及石英晶体切片及双面镀银双面镀银封装封装石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷未极
43、化处理无压电效应。未极化处理无压电效应。极化处理极化处理两端出现束缚电两端出现束缚电荷荷表面吸附外界自由电荷。施加外压表面吸附外界自由电荷。施加外压陶瓷片形变陶瓷片形变片内束缚电荷层间距变小，两端束缚电荷影响增强片内束缚电荷层间距变小，两端束缚电荷影响增强表面的自由电荷过剩放电。外力是拉力表面的自由电荷过剩放电。外力是拉力充电。充电。图图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷电极电极束缚电荷束缚电荷压电晶体压电晶体压电陶瓷压电陶瓷高分子压电高分子压电材料材料压电系数压电系数低低中中高高居里点居里点高高中中低低热稳定性热稳定性高高中中低低价格
44、价格高高低低低低在一定的温度范围之内,压电性质一直存在,温度超过这个范围之后,压电性质完全消失这个高温就是所谓的“居里点”1.1.压电常数压电常数d d3333 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。系数。当沿压电材料的极化方向（当沿压电材料的极化方向（z z轴）施加压应轴）施加压应力力T T3 3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：式：式中式中Q Q为产生电荷，为电极面积，为产生电荷，为电极面积，d d3333为压电常数，为压电常
45、数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；第二个数字指应力或应变方向；T T3 3为应力；为应力；D D3 3为电位为电位移。移。d d3333/=g=g33 33 压电电压常数压电电压常数压电材料性能指标压电材料性能指标2 2、机电耦合系数、机电耦合系数K Kp p 机电耦合系数机电耦合系数K K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机合关系的物理量，是压电材料进行机电能量转换能力的反映。电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是：机电
46、耦合系数的定义是：或或 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。相应的机电耦合系数。如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为K Kp p（平面耦合系数）；（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K K3131（横向耦合系数）；（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K K3333（纵向耦合系
47、数）等。（纵向耦合系数）等。3 3、机械品质因数、机械品质因数Q Qm m压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Q Qm m是反映能量消耗大小的一个参数。是反映能量消耗大小的一个参数。Q Qm m越大，能量消耗越小。机械品质越大，能量消耗越小。机械品质因数因数Q Qm m的定义式是：的定义式是：其中：其中：fr为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻）（谐振电阻）C0为压电振子的静电容为压电振子的静电容C1
48、为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容4 4、频率常数、频率常数N N对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即积为一个常数，即频率常数频率常数。N=frl其中：其中：f fr r为压电振子的谐振频率；为压电振子的谐振频率；l l为压电振子振动方向的长度。为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动薄圆片径向振动Np=frD薄板厚度伸缩振动薄板厚度伸缩振动Nt=frt细长棒细长棒K33振动振动N33=frl薄板切变薄板切变K15振动振动N15=frltD为圆片的直径为圆片的直径t为薄板的厚度为薄板的厚度l为棒的长度为棒的长度l
49、t为薄板的厚度为薄板的厚度无机压电材料无机压电材料有机压电材料有机压电材料压电陶瓷压电陶瓷压电晶体压电晶体通常为通常为PVDF及其共及其共聚物（薄膜）聚物（薄膜）2.压电材料的分类压电材料的分类压电晶体压电晶体:一般是指压电单晶体。例如水晶、镓酸锂(LiGaO2)、锗酸锂(Li2GeO3)、锗酸钛、酒石酸钾钠等。压电复合材料压电复合材料 压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷:泛指压电多晶体，也是铁电陶瓷。例如：钛酸钡BT(BaTiO3)、锆钛酸铅PZT(Pb(ZrTi)O3)、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN等半导体半导体ZnS,ZnO工艺性差工艺性差（粉化，（粉化，PbOPbO易挥发）
50、易挥发）工艺性好工艺性好g g3333=33(10=33(10-3-3伏伏米米/牛牛)g g3333=11.4(10=11.4(10-3-3伏伏米米/牛牛)d d3333=56(10=56(10-12-12库库/牛牛)d d3333=191(10=191(10-12-12库库/牛牛)K Kp p=0.095 =0.095 K Kp p=0.354 =0.354 难极化难极化 易极化易极化热稳定性好热稳定性好 热稳定性差热稳定性差 T Tc c=490=490 T Tc c=120=120工作温区宽工作温区宽工作温区窄工作温区窄PbTiOPbTiO3 3陶瓷陶瓷 BaTiOBaTiO3 3陶瓷陶