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1、北京科技大学 材料科学与工程学院 无机非金属材料系School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing无机材料物理性能无机材料物理性能第一章第一章第一章第一章 绪言绪言绪言绪言2011/3/20 Wenbin CAO2授课教师授课教师?曹文斌曹文斌Tel:010-6233 2457 E-Mail:Office:主楼主楼4252011/3/20 Wenbin CAO3主要研究方向主要研究方向?人工周期电磁材料人工周期电磁材料?纳米光功能材料纳米光功能材料?微波合成无机材料微
2、波合成无机材料2011/3/20 Wenbin CAO4用于表征材料在给定条件下所表现出的行为的参量。用于表征材料在给定条件下所表现出的行为的参量。材料的性能材料的性能?有多少行为，就对应多少性能。有多少行为，就对应多少性能。?外界条件不同，相同的材料也会具有不同的性能表现。外界条件不同，相同的材料也会具有不同的性能表现。?性能必须量化，多数性能都有量纲。性能必须量化，多数性能都有量纲。2011/3/20 Wenbin CAO5?物理性能物理性能?力学性能力学性能?化学性能化学性能?复杂性能复杂性能复合性能工艺性能使用性能抗氧化性耐腐蚀性抗渗入性强度延性韧性刚性热学性能声学性能光学性能电学性能
3、磁学性能辐照性能材料性能划分材料性能划分2011/3/20 Wenbin CAO6按材料性能（功能）分类按材料性能（功能）分类?机械性能：高强材料、超硬材料、耐磨材料、韧性材料、摩擦材料等。机械性能：高强材料、超硬材料、耐磨材料、韧性材料、摩擦材料等。?热学性能：耐火材料、绝热材料（隔热热学性能：耐火材料、绝热材料（隔热/保温材料）、传热材料、防火材料等。保温材料）、传热材料、防火材料等。?化学性能：耐腐蚀材料、防水材料、吸附材料、离子交换材料、催化剂载体、胶凝材料等。化学性能：耐腐蚀材料、防水材料、吸附材料、离子交换材料、催化剂载体、胶凝材料等。?光学性能：光电材料、导光材料、透光材料、荧光
4、材料、发光材料、感光材料、分光材料等。光学性能：光电材料、导光材料、透光材料、荧光材料、发光材料、感光材料、分光材料等。2011/3/20 Wenbin CAO7按材料性能（功能）分类按材料性能（功能）分类?电学性能：绝缘材料、压电材料、铁电材料、超导材料、半导体材料等。电学性能：绝缘材料、压电材料、铁电材料、超导材料、半导体材料等。?磁学性能：磁性材料。磁学性能：磁性材料。?声学性能：隔声材料、吸音材料等。声学性能：隔声材料、吸音材料等。?核物理性能：放射性材料、反应材料等。核物理性能：放射性材料、反应材料等。?生物性能：骨科材料、齿科材料、生物陶瓷等。生物性能：骨科材料、齿科材料、生物陶瓷
5、等。?复合性能：智能材料、梯度功能材料等。复合性能：智能材料、梯度功能材料等。为什么要研究材料的性能为什么要研究材料的性能2011/3/20 Wenbin CAO9材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性1.材料性能的研究，贯穿于整个人类文明史材料性能的研究，贯穿于整个人类文明史人类所使用的材料种类，决定了人类的文明程度。实质上，这里谈的主要是指材料的性能。人类所使用的材料种类，决定了人类的文明程度。实质上，这里谈的主要是指材料的性能。2011/3/20 Wenbin CAO10对于绝缘基板材料：对于绝缘基板材料：材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性2.材料的性能决定了材料的用途材料的性能
6、决定了材料的用途?具有一定的强度：具有一定的强度：以便能够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线。以便能够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线。?要有均匀而平滑的表面：要有均匀而平滑的表面：以便进行穿孔、开槽等精密加工，从而能够构成细微而精密的图形。以便进行穿孔、开槽等精密加工，从而能够构成细微而精密的图形。?应有优良的绝缘性能应有优良的绝缘性能(尤其是在高频下尤其是在高频下)。?要有充分的导热性：要有充分的导热性：以迅速散发电路上因电流产生的热。以迅速散发电路上因电流产生的热。?硅与基片的热膨胀系数之差应较小：硅与基片的热膨胀系数之差应较小：从而保证基片与电路间良好的匹
7、配性，电路与基片就不会剥离。从而保证基片与电路间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离。2011/3/20 Wenbin CAO11如：如：根据根据n=2dsin，利用晶体对，利用晶体对X-ray的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距d，进而就可以分析晶体的结构。，进而就可以分析晶体的结构。结构决定性能，性能则是内部结构某些方面的体现。结构决定性能，性能则是内部结构某些方面的体现。材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性3.材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构2040608010001k2k3k2/degree Inte
8、nsity/a.uAnatase2011/3/20 Wenbin CAO12石器石器：坚硬，但难成型：坚硬，但难成型陶器陶器：容易成型，但很不坚硬目标是：既要容易成型，又要具有坚硬的特征提高质量，这就是矛盾的统一体。解决改进的途径，由所要求的性能来决定。：容易成型，但很不坚硬目标是：既要容易成型，又要具有坚硬的特征提高质量，这就是矛盾的统一体。解决改进的途径，由所要求的性能来决定。材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性4.对陶瓷材料性能的要求，决定了陶瓷材料生产的工艺过程对陶瓷材料性能的要求，决定了陶瓷材料生产的工艺过程汉代陶器茧型壶汉代陶器茧型壶瓷器瓷器2011/3/20 Wenbin C
9、AO13材料性能研究目的材料性能研究目的?材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属。材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属。?材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。?对材料性能的要求，决定了材料生产工艺。对材料性能的要求，决定了材料生产工艺。2011/3/20 Wenbin CAO14材料性能研究注意问题材料性能研究注意问题?现象与本质：同一材料不同性能只是相同的内部结构在不同的外界条件下所表现出的不同行为。现象与本质：同一材料不同性能只是相同的内部结构在不同的外界条件下所表现出的不同行为。?一种材料有多种性能：在不同的外
10、界条件下，材料的性能是不同的。一种材料有多种性能：在不同的外界条件下，材料的性能是不同的。?材料性能的划分只是为了学习和研究的方便。要注意材料间的各种性能既有区别，又有联系。材料性能的划分只是为了学习和研究的方便。要注意材料间的各种性能既有区别，又有联系。?研究材料性能，要注意性能的复合与转换。研究材料性能，要注意性能的复合与转换。?研究材料性能，要注意性能的发展与改造。研究材料性能，要注意性能的发展与改造。2011/3/20 Wenbin CAO15材料科学与工程研究对象间的关系材料科学与工程研究对象间的关系陶 瓷 科 学与技术是研究无机非金属材料合成与制备、组成与结构、性能与使用效果四者关
11、系的科学。陶 瓷 科 学与技术是研究无机非金属材料合成与制备、组成与结构、性能与使用效果四者关系的科学。使用效能使用效能性能性能组成与结构组成与结构合成与制备工艺合成与制备工艺材料科学与工程研究对象间的关系材料科学与工程研究对象间的关系2011/3/20 Wenbin CAO16例：陶瓷科学与陶瓷工程例：陶瓷科学与陶瓷工程?陶瓷科学陶瓷科学偏重于研究材料的偏重于研究材料的:合成与制备组成与结构性能及使用效能各组元本身及其相互关系合成与制备组成与结构性能及使用效能各组元本身及其相互关系?陶瓷工程陶瓷工程则着重于研究如何利用这些规律性的研究成果去研制、开发有关生产新材料、新产品。则着重于研究如何利
12、用这些规律性的研究成果去研制、开发有关生产新材料、新产品。2011/3/20 Wenbin CAO17例：陶瓷科学与陶瓷工程例：陶瓷科学与陶瓷工程陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点：塑性差、硬度高、加工性能差：塑性差、硬度高、加工性能差制备特点：制备特点：不是生产大量不同品种与规格的原料材料，而是直接生产产品走向市场。不是生产大量不同品种与规格的原料材料，而是直接生产产品走向市场。要求更高：要求更高：具备材料的知识，还要具备机械设计与机械加工的知识。要强调跨学科。综合性的科学与工程方面的研究。具备材料的知识，还要具备机械设计与机械加工的知识。要强调跨学科。综合性的科学与工程方面的研究。2011/3/
13、20 Wenbin CAO18例：陶瓷科学与陶瓷工程例：陶瓷科学与陶瓷工程陶瓷材料在工程应用中应注意的问题：陶瓷材料在工程应用中应注意的问题：脆性大、塑韧性低脆性大、塑韧性低：要注意低应力下的失效，注意安全性与可靠性。：要注意低应力下的失效，注意安全性与可靠性。成本与应用成本与应用：仅数千元的铁质柴油机，若用全陶瓷，其价格要提高：仅数千元的铁质柴油机，若用全陶瓷，其价格要提高23个数量级。个数量级。强度设计与材料的合理使用强度设计与材料的合理使用：抗拉强度差，但抗压强度却很高。要尽可能地用其长处。：抗拉强度差，但抗压强度却很高。要尽可能地用其长处。各类无水冷陶瓷发动机用部件2011/3/20
14、Wenbin CAO19学习研究方法学习研究方法学习研究方法学习研究方法?理论方法理论方法从机理着手，即从反映本质的基本关系出发，按照性能的有关规律、建立物理模型，用数学方法求解，得到有关理论方程式。从机理着手，即从反映本质的基本关系出发，按照性能的有关规律、建立物理模型，用数学方法求解，得到有关理论方程式。?经验方法经验方法在大量占有实验数据的基础上，对数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的函数关系。在大量占有实验数据的基础上，对数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的函数关系。2011/3/20 Wenbin CAO20无机材料物理性能研究对象无机材料物理性能研究对象?晶体晶
15、体?陶瓷陶瓷?玻璃玻璃?耐火材料耐火材料?水泥等水泥等?各种物理性能不涉及化学性能。各种物理性能不涉及化学性能。真空反应烧结碳化硅脱硫喷嘴2011/3/20 Wenbin CAO21氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷?氧化铝陶瓷以氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分为主要成分,含有少量含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。的陶瓷，又称高铝陶瓷。?据据Al2O3含量不同分为含量不同分为75瓷瓷(含含75%Al2O3，又称刚玉，又称刚玉-莫来石瓷莫来石瓷)、95瓷和瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷瓷，后两者又称刚玉瓷.Al2O3化工、耐磨陶瓷配件化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件密封、气动陶瓷配件2011/
16、3/20 Wenbin CAO22氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷?氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管,淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。95瓷纺织件瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴2011/3/20 Wenbin CAO23氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷坩埚?氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到氧化铝陶瓷耐高温性能
17、好，可使用到1950,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石仅次于金刚石)。2011/3/20 Wenbin CAO24氮化硅氮化硅(Si3N4)陶瓷陶瓷?氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.10.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。?热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等热压烧结氮化硅用于形
18、状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等.?反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。Si3N4轴承轴承汽轮机转子汽轮机转子2011/3/20 Wenbin CAO25碳化硅碳化硅(SiC)陶瓷陶瓷?碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。2011/3/20 Wenbin CAO26装甲材料装甲材料?Al2O3?SiC
19、?B4C2011/3/20 Wenbin CAO27陶瓷刀具陶瓷刀具2011/3/20 Wenbin CAO28核聚变材料核聚变材料?SiC?B4C?W?ITER2011/3/20 Wenbin CAO29陶瓷发动机的研制：上台阶、升地位?20世纪70年代研究了将Si3N4陶瓷用作转子发动机气缸内的刮片，通过了600h的台架耐久考核和3万km的道路试验，解决了缸体径向密封问题。?1986年，国家组织全国17个单位，将Si3N4、SiC、ZrO2用作6105柴油机用陶瓷部件和进行整机车试验；研制的发动机部件有活塞顶气缸套、涡轮转子、气门导管、气门座、挺柱、摇臂镶块和陶瓷电热塞等。?1990年，我
20、国研制成功第一台无水冷陶瓷发动机，安装在一辆大客车上进行道路行车试验，往返路线为上海北京上海，行程3105km。?油田用救援车，内装有无水冷陶瓷发动机，在新疆油田的沙漠地区进行了油田用救援车，内装有无水冷陶瓷发动机，在新疆油田的沙漠地区进行了1900km和和11212km的行车试验，行车情况正常。的行车试验，行车情况正常。2011/3/20 Wenbin CAO30透明陶瓷：照明用透明陶瓷?Al2O3、Y2O3?1962年美国GE公司的Coble教授发明半透明多晶氧化铝陶瓷。?高压钠灯、卤化物灯2011/3/20 Wenbin CAO31透明陶瓷：激光器的关键?美国美国Lawrence Liv
21、ermore National Laboratory)研制的固体热容研制的固体热容激光激光器器(SSHCL)，所用基质材料即为，所用基质材料即为Nd3+:YAG透明陶瓷。透明陶瓷。?用用1块尺寸为块尺寸为10 10 2cm3的透明陶瓷，即实现了的透明陶瓷，即实现了25 kW的大功率激光输出的大功率激光输出(1s内开关内开关200次次)。其能量之高，可在。其能量之高，可在27秒钟内熔穿厚度秒钟内熔穿厚度25mm的钢板；用的钢板；用5块该系透明陶瓷板时，平均输出功率即可达块该系透明陶瓷板时，平均输出功率即可达67 kW。?整个整个SSHCL系统很小，以电池为激发电源，可方便地安装在车辆或直升飞机上
22、。系统很小，以电池为激发电源，可方便地安装在车辆或直升飞机上。2011/3/20 Wenbin CAO32透明陶瓷：透明装甲?既能保护人体又能随时观察敌情既能保护人体又能随时观察敌情,新一代功能与结构一体化的透明装甲陶瓷迅速发展起来新一代功能与结构一体化的透明装甲陶瓷迅速发展起来?主要为氮氧化铝主要为氮氧化铝(AlON)和镁铝尖晶石和镁铝尖晶石(MgAl2O3)?透过范围从紫外透过范围从紫外(0.2 m)一直到红外区域一直到红外区域(6.0 m)。?既可作透明装甲陶瓷，还可用于红外、可见窗口材料。既可作透明装甲陶瓷，还可用于红外、可见窗口材料。2011/3/20 Wenbin CAO33透明陶
23、瓷：窗口材料?透明红外陶瓷被广泛应用于红外窗口材料2011/3/20 Wenbin CAO34透明陶瓷：透明表盖?蓝宝石透明表盖蓝宝石透明表盖?Al2O3表盖表盖?ZrO2陶瓷表链陶瓷表链?Si3N4陶瓷表链陶瓷表链2011/3/20 Wenbin CAO35学习内容学习内容1.力学性能：受力形变与脆性断裂理论。力学性能：受力形变与脆性断裂理论。2.热学性能：热容、热膨胀、热传导、热稳定性等。热学性能：热容、热膨胀、热传导、热稳定性等。3.光学性能：透光性、反射性、颜色等。光学性能：透光性、反射性、颜色等。4.电学性能：导电性和介电性。电学性能：导电性和介电性。5.磁学性能：磁性理论和铁氧体的
24、磁性与结构。磁学性能：磁性理论和铁氧体的磁性与结构。涉及的性能基本上都是各个领域在研究和应用无机材料中，对它们提出来的一系列技术要求，即材料的本征参数，主要包括：涉及的性能基本上都是各个领域在研究和应用无机材料中，对它们提出来的一系列技术要求，即材料的本征参数，主要包括：2011/3/20 Wenbin CAO36课程目的课程目的?掌握上述各类参数的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所处的地位。掌握上述各类参数的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所处的地位。?搞懂这些性能参数的影响因素。包括：搞懂这些性能参数的影响因素。包括：?性能和材料组成、结构的关系。性能和材料组成、结构的关系。?
25、性能参数的物理本质，物理模型、变化规律、以及基本的性能测试方法，为判断材料优劣，正确选择和使用材料，改变材料性能，探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础。性能参数的物理本质，物理模型、变化规律、以及基本的性能测试方法，为判断材料优劣，正确选择和使用材料，改变材料性能，探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础。2011/3/20 Wenbin CAO37课程学习要求课程学习要求课堂要求课堂要求课堂上不允许影响他人学习教师开始授课后，未进入教室者视为自动缺席课堂上不允许影响他人学习教师开始授课后，未进入教室者视为自动缺席作业要求作业要求须以正确的格式提交作业作业提交截止日期一经发布，不许更改须以正确
26、的格式提交作业作业提交截止日期一经发布，不许更改教室要求教室要求课堂安静、准时出席、保持教室卫生和秩序课堂安静、准时出席、保持教室卫生和秩序2011/3/20 Wenbin CAO38要求：要求：要求：要求：1.课前预习，包括一些普通物理知识；课前预习，包括一些普通物理知识；2.要认真作笔记这也是一种能力；要认真作笔记这也是一种能力；3.及时复习、归纳，掌握科学真谛；及时复习、归纳，掌握科学真谛；4.自己完成作业，检验学习的效果。自己完成作业，检验学习的效果。5.注意复习，温故而知新。注意复习，温故而知新。2011/3/20 Wenbin CAO39参考书参考书?无机材料物理性能，宁青菊等，化
27、学工业出版社，无机材料物理性能，宁青菊等，化学工业出版社，2006.01?无机材料物理性能，关振铎，清华大学出版社，无机材料物理性能，关振铎，清华大学出版社，1992.032011/3/20 Wenbin CAO40参考书参考书?无机非金属材料性能贾德昌，科学出版社，无机非金属材料性能贾德昌，科学出版社，20082011/3/20 Wenbin CAO41前辈的教诲：三个前辈的教诲：三个“善于善于”要在科研工作中有所作为，真正做出点有价值的研究成果，要做到三个要在科研工作中有所作为，真正做出点有价值的研究成果，要做到三个“善于善于”：?要善于发现和提出问题。尤其是要提出在科学研究上有意义的问题
28、。要善于发现和提出问题。尤其是要提出在科学研究上有意义的问题。?善于提出模型或方法去解决问题。善于提出模型或方法去解决问题。?善于做出最重要、最有意义的结论。善于做出最重要、最有意义的结论。1959年，他和夫人李爱扶（英国人）游览北京长城。黄昆黄昆2011/3/20 Wenbin CAO42课程安排课程安排?课时：课时：32个学时个学时?上课：上课：15次课次课?考试：考试：1次次2011/3/20 Wenbin CAO43考核要求考核要求平时成绩（平时成绩（30%）1.课后作业（课后作业（20%）2.出勤（出勤（10%）最终测验（最终测验（70%）基于每次授课的内容。基于每次授课的内容。2011/3/20 Wenbin CAO44作业作业1.材料性能包含哪些方面？材料性能包含哪些方面？2.为什么要研究材料的性能？为什么要研究材料的性能？2011/3/20 Wenbin CAO45Thankshanks