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1、无机非金属材料的性能综述1.传统无机非金属材料的特性（1）优点：具有抗腐蚀、耐高温的优点。（2）缺点：质脆、经不起热冲击的弱点。传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相比，有许多独特的优势，这使得很多行业的科学家都对它情有独钟，然而，它的弱点的存在，又使它的应用范围受到了一定的限制。为此，科学家们进行深入的研究和探索，并进行了反复的实验，随之而来的便是多种多样具有特殊性能的新型无机非金属材料的问世。第1页/共82页2.2.新型无机非金属材料的特性新型无机非金属材料的特性（1）耐高温、强度高。氧化铝陶瓷（人造刚玉）氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性主要特性高熔点；高熔点；高硬度；高硬度；可制成透
2、明可制成透明陶瓷；陶瓷；无毒、不溶于水，强度高；无毒、不溶于水，强度高；对人体有较好的适应性对人体有较好的适应性 主要用途主要用途高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等瓣膜、人造关节等第2页/共82页 高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色金白，在它的灯光下看物清晰，不刺眼。平均寿命长达1万小时2万小时，比高压汞灯寿命长2倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命最长的灯。早在30年代初，人们就已经知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源，但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经不断发展
3、改进，才得以实际应用。为什么从知道钠蒸气放电到高压钠灯的使用经过了二十几个年头呢?钠蒸气放电会产生超过1000的高温；钠蒸气有强烈的腐蚀作用，所以普通玻璃灯管承受不了钠蒸气放电产生的高温，此时普通玻璃要软化。但氧化铝材料陶瓷能承受高温，又耐腐蚀，透明氧化铝陶瓷的熔点高达2050，能在1600的环境里不受钠蒸气腐蚀，因此用氧化铝陶瓷。第3页/共82页材料的热学性能主要包括材料的热容、热膨胀、热传导、热电势和热稳定性等。同学们知道一些应用热学性能的实例吗？热学性能第4页/共82页热学性能被子第5页/共82页声 子什么是声子？第6页/共82页 非金属材料 自由电子很少 离子晶体（离子构成）共价晶体（
4、原子构成）这些质点可以在平衡位置上振动，形成格波，格波可以在整个材料中传播。声 子第7页/共82页电磁波光 子晶格原子热振动波声 子声 子第8页/共82页 固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现 热容：物体温度升高1K所需要增加的热量。（J/K）热 容第9页/共82页恒压热容：加热条件在恒压下进行恒容热容：加热条件在恒容下进行热 容第10页/共82页实际材料中：高温时：CV为常量3R(杜隆珀替定律)。低温时：CV 的实验值并不是一个恒量.与T3成比例，渐趋于零。T/K Cv0 常数热 容第11页/共82页铝挤塞铜制作工艺，将铜材导热速度快和铝材单位质量热容更高的优点结合。你知道生活
5、中材料热容的应用吗？热 容第12页/共82页热膨胀：物体体积或长度随温度升高而增大的现象l线膨胀系数材料：热膨胀第13页/共82页V体膨胀系数各向异性的材料：各晶轴方向的线膨胀系数不同，假如分别为a、b、c，则有 各项同性的材料：热膨胀第14页/共82页热膨胀第15页/共82页原子势能原子间距关系由于原子间作用力是非简谐的，使得原子势能呈非对称。热膨胀第16页/共82页 r0是能量的最低处，T,质点振动幅度质点振动能量质点离开平衡位置r0出现两个偏离间距，最终离开平衡位置的平均距离增加。因此：T，质点距离 体积热膨胀第17页/共82页如何省力地开启玻璃罐头？热膨胀第18页/共82页砂锅热传导第
6、19页/共82页t时间内通过S截面上的热量为Q 傅里叶定律：热流q的物理意义：指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位为J/(m2Sk)或W/(mK)。导热系数热传导第20页/共82页 当存在温度差是，高温端，质点动能增加，和邻近温度低的质点碰撞程度增加，热量开始传递给温度低的质点，依次结果，热量就从高温端传到低温端。低温高温第21页/共82页气体材料导热分子间直接碰撞（导热性差），金属材料导热主要是自由电子间碰撞，无机非金属材料导热晶格振动（格波），热辐射光子（电磁波）固体材料中热量是由自由电子、质点振动、热辐射所传递的热传导机制相应的分为三种(二)声子热导(三)光子热导(一
7、)电子热导第22页/共82页无机非金属材料，自由电子很少。主要通过质点振动形成格波，格波在材料中传播，来导热。热传导第23页/共82页声子：质点热振动能量是量子化的，声频波的间隔能级hv,hv是这种量子化弹性波的最小单位，称为量子或声子。声子能量:hv值大小声子数：忽略零点能1/2hv，热传导第24页/共82页温度平衡时：同样多的振动模式 同样多的振动振幅 同样多的声子数T1低:较少的振动模式较小的振动振幅较少的声子被激发较少的声子数T高:较多的振动模式较大的振动振幅较多的声子被激发较多的声子数低温高温声子浓度梯度（扩散）第25页/共82页热阻：声子扩散过程中的各种散射。从晶格格波的声子理论可
8、知：热传导过程是声子从高浓度区域到低浓度区的扩散 过程。如果声子不发生碰撞，声子的扩散速度就是 热量的传播速度。但事实上，声子在扩散过程中肯定要发生碰撞。从而 产生热阻。热传导第26页/共82页热传导多孔耐火砖：热膨胀系数小；热导率低。第27页/共82页第二章 无机非金属材料的性能第二节 力学性能第28页/共82页孩子吃饭用瓷碗吗？不用！用不锈钢碗或塑料碗！瓷本身易碎！第29页/共82页硬度大、耐磨损高压钠灯氧化铝陶瓷制品熔点高透明、耐高压第30页/共82页星式氧化铝陶瓷球磨机 氧化铝陶瓷 球磨罐第31页/共82页材料的力学性能第32页/共82页弹性变形胡克定律：材料应力-应变关系，在弹性限度
9、内，成正比关系，其比例系数E就是弹性模量。第33页/共82页小变形近似，简谐近似；原子间共振频率与原子折合质量以及弹性常数间的关系为弹性变形第34页/共82页弹性变形理想弹性：在振动条件下，应力和应变之间的关系完全遵从胡克定律，应力与应变随时保持同相位。滞弹性：是指在弹性范围内出现的非弹性现象。应变不仅与应力有关，而且与时间有关。第35页/共82页弹性变形蠕变：固体材料在恒定荷载下，变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平衡到平衡的过程。当外力除去后，蠕变变形不能立即消失。例如：沥青、水泥混凝土、玻璃和各种金属等在持续外力作用下，除初始弹性变形外，都会出现不同程度的随时
10、间延续而发展的缓慢变形（蠕变）。第36页/共82页弹性后效：当外力除去后，应变只消失一部分，另一部分随时间慢慢消失，其实不能立即消失的应变是蠕变应变，不能立即消失。弹性变形第37页/共82页弹性变形第38页/共82页无机非金属材料：硬度高；应用最广泛之测硬度方法：维氏硬度（HV）；温度上升，硬度下降。硬度与强度第39页/共82页硬度与强度第40页/共82页脆性断裂（低温，常温下无机非金属材料）；延性断裂（金属材料）；蠕变断裂（高温下合金与陶瓷）。材料的断裂第41页/共82页材料的理论断裂强度材料的断裂第42页/共82页材料的理论断裂强度高达E/5到E/10；除很细的石英玻璃纤维和氧化铝晶须而外
11、，大部分材料实际断裂强度仅仅只有E/100到E/1000！材料的断裂第43页/共82页材料的断裂为何断裂强度的理论值与实际值差别如此之大？第44页/共82页材料的断裂第45页/共82页无机非金属材料缺陷，萌生出微裂纹；微裂纹应力集中，微裂纹扩展。材料的断裂第46页/共82页第二章 无机非金属材料的性能第三节 其他物理与化学性能第47页/共82页介电陶瓷第48页/共82页锂离子电池 快离子导体第49页/共82页收音机喇叭吸铁石第50页/共82页收音机喇叭上的吸铁石不是铁磁体！第51页/共82页车窗玻璃第52页/共82页第53页/共82页电学性能磁学性能光学性能化学性能其他物理与化学性能第54页/
12、共82页其他物理与化学性能 导 体：10 。其中 纯金属：10 10 合金：10 10 。半导体：在10 10 。绝缘体：10 。58775599m mmmmm除快离子导体外，无机非金属材料一般属于绝缘体与半导体。m第55页/共82页离子导电性其他物理与化学性能除了常见的自由电子导电而外，离子能否贡献电导？第56页/共82页肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷AgBr中的Frenkel缺陷 KCl中的Schottky缺陷Br-Ag+Cl-K+其他物理与化学性能第57页/共82页离子迁移所需活化能；无序的热运动；如果是由大半径的阴离子构成骨架，并且对阳离子束缚能力弱，有大量空隙，阳离子可在空隙自由移动快离子
13、导体。其他物理与化学性能第58页/共82页三、能带理论 晶体中，由于原子之间的相互作用，原子中的能级将“展开”，电子也可以从一个原子移到另一个原子上，从而不断的在晶体中运动。电子的这种运动叫做共有化。其能量是量子化的，每个能级只能容纳两个自旋方向相反的电子。由于晶体中电子能级间的间隙很小，可以把能级分布看成是准连续的，称为能带。其他物理与化学性能第59页/共82页能量是“量子化”的，n为量子数；能带是整个晶体的性质，不是个别原子的性质。其他物理与化学性能第60页/共82页能 带固体中原子的能级展成能带以后，原子中原有的电子也就填充在能带中；（对应于原子中电子由低能级向高能级排布，固体中电子也是
14、由低能带向高能带填充的）对于半导体与绝缘体，是刚好填满低能量的几个能带，而被填满的最高能带上方是禁带，禁带上方则是一个电子也没有的空能带。而导体则是有半空半满的非满能带。第61页/共82页其他物理与化学性能只有非满带的电子才参与导电。第62页/共82页其他物理与化学性能介电性：绝缘体又叫电介质。绝缘体 绝缘 存储电能如同水坝拦水，有水位差而无水流，存储水能一样，绝缘体相当于一道“电的堤坝”，能够存储电能。第63页/共82页Q:电介质不同的电容器，电位相同时，所存储的电荷是否相同？其他物理与化学性能+-+-+平板电容器的电容量：称静态介电常数极板间为真空时的电容：0为真空介电常数 当两极板间放入
15、电介质，相同电位差时由于电介质极化产生的表面感应电荷部分屏蔽了极板产生的静电场，使极板上的电荷增多，电容增大（根据C=Q/U)。r称相对介电常数。第64页/共82页其他物理与化学性能第65页/共82页其他物理与化学性能第66页/共82页研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化强度M与外磁场强度H和温度T的关系，在一定温度下，定义：MH 称为物质的磁化率，即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也是物质磁性分类的主要依据。其他物理与化学性能第67页/共82页因此物质内部的磁感应强度可以确定为磁矩p在磁感应强度为B的磁场中，所受力矩为
16、所具有的静磁能为其他物理与化学性能第68页/共82页顺磁体；抗磁体；铁磁体；亚铁磁体（铁氧体磁性）；反铁磁体。其他物理与化学性能第69页/共82页其他物理与化学性能M铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料H0第70页/共82页收音机喇叭上的吸铁石的化学成分是Fe3O4，并不是铁磁体！Fe3O4是亚铁磁体。其他物理与化学性能第71页/共82页其他物理与化学性能红宝石蓝宝石钻石第72页/共82页n1n2i1入射束i2折射束v 入射角、折射角、材料的折射率、光在材料中的传播速度有下述关系：其他物理与化学性能第73页/共82页其他物理与化学性能空玻璃杯有水玻璃杯第74页/共82页n2/
17、n1越接近1，反射率就越小。光学透镜系统中，透镜与透镜之间存在空气，反射率高；一般设计时，在透镜之间粘有透明的胶，胶折射率与透镜折射率相近，因而相对折射率n21=n2/n1接近1，从而反射率损失大大降低。其他物理与化学性能第75页/共82页其他物理与化学性能为什么有些固体材料是透明的？第76页/共82页如果材料不吸收可见光区的任何光，则材料是透明的；实际制造玻璃时，还有减少散射的考虑。其他物理与化学性能第77页/共82页无机非金属材料抵御外界物质侵蚀的能力称为耐蚀性或化学稳定性。食盐在水中的溶解，生石灰变为熟石灰。其他物理与化学性能第78页/共82页其他物理与化学性能石英石墨第79页/共82页其他物理与化学性能无机非金属材料大多数由氧化物所组成，键合力越强，则该氧化物的酸性越强，碱性越弱。第80页/共82页作 业教材第58页，第1、5、9题。第81页/共82页感谢您的观看！第82页/共82页