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材料性能基础 王秀丽 材料科学与工程学系 [email protected] - PowerPoint PPT Presentation


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材料性能基础 王秀丽 材料科学与工程学系 [email protected] 材料科学与人类文明--材料性能基础. 材料性能基础. 物理性能 :密度、熔点、热、电、光、磁 化学性能 :抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性 力学性能 :弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、高温力学性能、耐磨性 改变材料力学性能的主要方法:金属材料强化方法(塑性变形、细化晶粒、合金化、热处理),无机非金属材料增强增韧、高分子材料增强与改性. 材料科学与人类文明--材料性能基础. 材料性能概述. 材料的性能:表征材料在给定外界条件下的行为. 成分. 化学键. 性能. 组织结构.

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Wangxl@zju edu cn
材料性能基础[email protected]

材料科学与人类文明--材料性能基础

材料科学与人类文明--材料性能基础


材料性能基础

  • 物理性能:密度、熔点、热、电、光、磁

  • 化学性能:抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性

  • 力学性能:弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、高温力学性能、耐磨性

  • 改变材料力学性能的主要方法:金属材料强化方法(塑性变形、细化晶粒、合金化、热处理),无机非金属材料增强增韧、高分子材料增强与改性

材料科学与人类文明--材料性能基础

材料科学与人类文明--材料性能基础


材料性能概述

材料的性能:表征材料在给定外界条件下的行为

成分

化学键

性能

组织结构

制备技术、加工过程等

Fe-0.45wt%C不同组织下表现完全不同的性能:

左边—F+P,较软、韧

右边—M,较硬、脆

材料科学与人类文明--材料性能基础

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三大材料一般性能特点

材料科学与人类文明--材料性能基础

材料科学与人类文明--材料性能基础


材料的物理性能

Chap3-1

  • 热学性能:热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性

  • 电学性能:导电、介电、铁电、压电

  • 光学性能:光的透过、吸收和反射;荧光性

  • 磁学性能:铁磁、顺磁、抗磁

材料科学与人类文明--材料性能基础

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1)热容

3R

0

0

D

T/K

热学性能:晶格热振动--晶格点阵中的质点(原子、离子)围着平衡位置做微小振动

热容表征材料从周围环境吸收热量的能力,用1 mol物质温度升高1 K是所吸收的热量来表示,有定压热容和定容热容两种。单位:J/(mol•K)

材料定容热容和温度之间的关系

德拜温度

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根据热容选材:

  • 材料升高一度,需吸收的热量不同,吸收热量小,热损耗小。同一组成,质量不同,热容也不同,质量轻,热容小。对于隔热材料,需使用轻质隔热砖,便于炉体快速升温,同时降低热量损耗。

材料科学与人类文明--材料性能基础

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2)热传导

T1

定义:

Q

T2

T1-T2=1 K

热传导本质:由于温差而发生的材料相邻部分间的能量迁移。

热传导表征——热导率 ,单位:W/(m • K)

q——单位时间单位面积(垂直于热流方向)内流过的热量,单位:W/m2

dT/dx——温度梯度,单位:K/m

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热传导机制

  • 热传导的三种方式:自由电子传导、晶格振动传导和分子或链段传导

  • 金属材料的热传导——自由电子传导

  • 金属的热导率较高(20-400 W/m-K),随温度的升高、缺陷的增多而下降。

  • 无机非金属材料的热传导——晶格振动传导

  • 热导率低,良好的绝热材料(一般陶瓷材料2-50 W/m-K),随温度升高略微减小;

  • 陶瓷中的孔洞明显降低热导率;

  • 玻璃的原子排列远程无序,不产生热弹性波,因此热导率更低;

  • 高分子材料的热导率——分子或链段传导

  • 热量通过分子或链段的传递,速度慢,因此其热导率低,可用作绝热材料;

  • 结晶度增大,热导率增大;

  • 孔洞降低热导率。

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3)热膨胀

热膨胀系数——温度变化1 K时材料单位长度(线膨胀系数l)或单位体积(体积膨胀系数v)变化量。对各向同性材料, v =3l

热膨胀系数主要取决于原子(或分子、链段)之间结合力。结合力越大,热膨胀系数越低。

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4)热应力

热应力——温度变化引入的材料内部的应力,导致断裂或塑性变形

约束热胀冷缩引起的热应力:

加热时,Tf>T0,<0,为压缩应力;冷却时,Tf < T0, >0,为拉伸应力。

材料内部温度梯度引入的热应力:

急冷急热时,材料内部产生温度梯度,其大小取决于材料的形状尺寸、热导率和外界温度变化。温度梯度也产生热应力。

例如,材料急冷时(假设不发生相变),外部冷得快,因而尺寸收缩得较快,被内部阻碍而在外部产生拉应力,在内部产生压应力;加热时应力状态相反。

实例:装热水的玻璃杯越厚越容易“烫破”!

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抗热冲击性

对塑性材料,热应力导致塑性变形;

对陶瓷类脆性材料,热应力直接导致脆性断裂。

抗热冲击性(Thermal Shock Resistance, TSR)

——材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力。

提高材料TSR值的最简单有效的方法是降低其热膨胀系数。

例如,

普通玻璃:l=910-6 K-1

耐热玻璃(石英玻璃,减少普通玻璃中的CaO、Na2O含量,添加一定量的B2O3,l=310-6 K-1

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电学性能

  • 导电性能:欧姆定理、电导率、固体的能带结构、材料导电性

  • 半导体:本征半导体、掺杂半导体

  • 超导

  • 其它电性能:铁电、压电、介电

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1)欧姆定理和电子导电

+

+

+

+

-

-

-

-

e-

欧姆定理:

电导率:

电子在电场E作用下沿x方向作漂移运动(即电场

作用下电子的运动),则动量px=mvx。

m——电子有效质量,vx——电子平均漂移速率。

当电子之间或电子与其他粒子碰撞时失去动量。二者平衡时,电场力=碰撞作用力:

eEx=mvx/

为二次碰撞之间的时间,称为驰豫时间。

因此,vx=eEx/m=Ex

——电子迁移率, =e/m,反应电子迁移的难易程度。

设电子密度为n,则电流密度Jx=nevx=neEx,

=Jx/Ex=ne=ne2 /m

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电子迁移率和载流子密度

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材料的电导率

=Jx/Ex=ne=ne2 /m

材料的电导率和载流子密度n,迁移率相关。

金属键结合的材料:载流子为价电子,密度高,迁移容易,电导率高。

共价键结合的材料:必须打开共价键后电子才能迁移,电导率低(半导体或绝缘体材料)。

离子键结合的材料:载流子为整个离子,通过离子扩散导电。(电解液)

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一些材料电导率

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金属导电性的影响因素

理想晶格

高温加热晶格

含缺陷晶格

  • 温度: ,——电阻温度系数;r——室温电阻率

  • 晶格缺陷: ,x——缺陷体积分数;b——常数

  • 强化方式:

  • 固溶强化——晶格畸变严重,极大缩短电子自由程,降低电导率;

  • 时效强化、弥散强化——降低导电性的作用不如固溶强化明显;

  • 形变强化、细晶强化——对导电性影响很小。

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导电功能材料的性能(金属材料)

电线、电缆所用材料主要是铜、铝及其合金。

铜导电材料大都采用电解铜,含铜量99.97~99.98%,含有少量金属杂质和氧

铜中杂质会降低电导率,氧也使产品性能大大下降

无氧铜性能稳定、抗腐蚀、延展性好、抗疲劳,可拉成很细的丝,适合于做海底同轴电缆的外部软线,也可用于太阳能电池

与铜导线相比,铝导线电导率低(纯铝为61%),但其重量轻,比重只有铜的1/3,是铝导线的一大优点

铝导线主要用做送电线和配电线。对于160KV以上的高压电线,往往用钢丝增强的铝电缆或铝合金线。

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离子晶体导电

ln

a

b

1/T

本征空位:离子晶体热激发引起的空位,随温度升高而增多

空位

非本征空位:离子晶体中杂质引起的空位,数量由杂质多少决定

固体电解质的导电机理——离子导电

载流子:离子

离子导电条件:

1)离子在晶格中运动需要克服周围势垒,迁移率可表达为,

因此,电导率和温度的关系为,

即,

2)附近有空位接纳离子。

高温段a——本征空位居主导,激活能大,由空位激活能和离子克服势垒激活能组成;

低温段b——非本征空位居主导,激活能小,只是离子克服势垒激活能。

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导电功能材料的性能

许多电阻元件是用无机非金属材料做的,其中包括高电导氧化物(σ在105-106S·m-1)如PdO、RuO2、Bi2Ru2O7、Bi2Ir2O7,有低的正温度系数。

一些陶瓷材料(如ZnO)的电阻随电压是变化的,在低电压时电阻大,当电压超过某个值后突然变小,这种电阻叫压敏电阻,可用于电路的暂态保护,避免高压脉冲进入要保护的电路。

ZnO晶粒大小不均匀,可相差10倍。在低压下,晶界电阻高,相当于绝缘势垒,使整体显示高电阻,但当电压大于某个值后,晶界处有的离子被激活可以参与导电,因而电阻值下降。

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能带理论

单原子电子占据不同的能级;

由N个原子组成的固体材料中,各能级扩展成能带。

碱金属最外层只有一个电子,ns能带半满。电场作用下,电子从价带跃迁到导带而使碱金属导电。

Na: 1s22s22p23s1

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导带

禁带

价带

绝缘体

半导体

导体

导体半导体绝缘体的能带结构

能带特征:

导体——由内部的满充带和外部的半填充带组成,价带和导带相连,无禁带

绝缘体——价带和导带之间有很宽的禁带

半导体——禁带宽度较小(本征半导体)或存在杂质能级(杂质半导体)

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不同金属的能带结构

Na: 1s22s22p23s1

Mg: 1s22s22p63s2

Al: 1s22s22p63s23p1

Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2

Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1

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本征半导体

半导体电阻介于导体和绝缘体之间,升高温度或掺入杂质可改变电阻值

Si、Ge禁带宽度较小(约1ev),一些电子可能有足够的热能从价带跳跃到导带,从而在价带留下一个空穴,在导带产生一个电子。在外加电压作用下,电子向正极,空穴向负极运动而导电。其电导率,

半导体电导率和温度之间的关系(与金属比较)

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掺杂半导体

n型半导体——Si、Ge中掺入少量五价元素P、Sb、Bi、As等,多出一个价电子,在导带附近形成一杂质能级(与导带能级之间的禁带宽度很小),电子可容易地跃迁到导带而导电。

p型半导体——Si、Ge中掺入少量低价元素Al等,在满带附近形成一杂质能级,电子从价带跃迁到杂质能级而在价带中留下空穴,靠空穴导电。

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半导体化合物

  • 化学计量比半导体化合物:通常为金属间化合物,晶体结构与能带结构与Si、Ge类似;

  • 非化学计量比半导体化合物:化合物中阳离子(n型)或阴离子(p型)过量。

表:一些半导体化合物的禁带宽度

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超导体的性能

1957年,美国物理学家巴丁-库柏-施里弗三人提出金属超导微观理论,即‘BCS’理论,获得了1972年的诺贝尔物理奖

BCS该理论认为,当材料处于超导态时(T<Tc),金属中的电子不再是单个地运动,而是通过与晶体振动离子的作用,结成一对对地存在(称为库柏对)。由于电子对结合紧密,运动过程不受晶格作用的阻碍,因而出现了超导态

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超导两个基本特征

零电阻效应(完全导电性)

超导的两个特征:

永磁环

超导体

迈斯纳效应(完全抗磁性)

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超导三个性能指标

一些金属Hc和T的关系

临界超导温度Tc:低于此温度时,材料出现零电阻效应和迈斯纳效应

临界磁场强度Hc:T< Tc时破坏超导态的最小磁场强度

临界电流密度Jc:保持超导态的最大输入电流密度

T< Tc时,输入电流产生的磁场和外加磁场之和超过Hc时也破坏超导态。此时的临界输入电流即为Jc。

三者关系

1)Hc增大,Jc变小;

2) T< Tc时,Hc随温度升高而下降。

表:一些材料的Tc值

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磁悬浮列车

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介电性能

  • 介电材料的价带和导带之间存在大的能隙,具有高电阻率。

  • 应用于绝缘材料和电容器。

  • 极化

  • 介电性能和电容器

  • 介电性能影响因素

  • 介电性能和绝缘体

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极化——产生介电作用的原因

电子极化

置于电场下的原子中,电子向接近正极的位置偏移产生极化。

离子极化

置于电场下的由离子键组成的材料中,在电场方向阳离子和阴离子相互靠近或分开产生极化。可引起材料形状变化。

分子极化

置于电场下的极性分子重新排列产生极化。电场去除后可永久存在。

空间极化

由于杂质等原因,材料相界面可能存在电荷,沿电场方向排列形成极化。不重要。

材料极化机制

极化率P=Zqd, Z—单位体积电荷数,q—电荷,d—偶极子间距

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介电性能和电容器

U

d

平板电容器

—电容率,表征材料极化和储存电荷的能力

= / 0,相对电容率,又称介电常数,单位:无。

0—真空的电容率, 0 =8.8510-12 F/m

介电常数取决于材料、温度和电场频率,与极化率P的关系为:

P=( -1) 0E

E—电场强度

介电强度(电容器击穿电压)—极板之间可以维持的最大电场强度E。单位:V/m

介电损耗—材料在每次交变电场中损失的能量占的分数(以热能形式消耗)。单位:无

介电损耗原因:1)电流泄漏。电阻大时,这部分损耗很小;2)偶极子重排时产生的内耗。偶极子移动较难,一定交变频率下内耗较大。

Q=CU,C=A/d

  • 电容器对材料介电性能的要求:

  • 高介电常数

  • 高介电强度

  • 低介电损耗

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电容器:瞬时大电流放电

超级电容器结构

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介电性能和绝缘体

绝缘体对介电性能的要求:

高电阻率——防止电流泄漏;

高介电强度——防止高电压下被击穿;

低介电损耗——避免能量损失;

低介电常数——避免电荷在绝缘体中积聚。

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压电性能

  • 一些材料受外界应力作用而变形时形成偶极矩,在相应的晶体表面产生与应力成比例的极化电荷;相反,将材料放在电场中,晶体产生与电场强度成比例的弹性变形。

  • 正压电效应:形变电压

  • 逆压电效应:电压形变

  • 材料压电性决定因素:

  • 晶体不对称,有极轴

  • 绝缘体

正压电效应

逆压电效应

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光学性能

光波:红外线(>800 nm)、可见光(400-800 nm)、紫外线(<400 nm)

不同材料对光的反射、吸收和透射

材料对光波的作用与能带结构有关。

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材料的发光

磷光材料:存在杂质,引入施主能级。价带受激发的电子跃迁到导带,先落入施主能级并停留一段时间以逃脱陷阱,而后返回价带,并同时释放出光子。发光时间长于10-8 s。

金属:价带与导带重叠,光吸收后发射的光子能量很小,对应的波长在可见光范围内,因此不发光。

荧光材料:价带受激发的电子跃迁到导带,但不稳定,很快返回价带,并同时释放出光子。发光时间短于10-8 s。

应用:荧光灯、夜光表、彩色电视机、数字显示管等。

激发源:电子射线、紫外线、X射线、光波等。

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物质的磁学性能

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物质的磁性和磁学基本量

磁化强度M:单位体积内的磁矩矢量和:

单位体积的总磁矩 M(安/米).M是描述磁质被磁化后其磁性强弱的一个物理量。

χ称为磁化率或磁化系数,反映物质磁化的难易程度。( χ 无量纲 )

磁性的分类:

抗磁性——约为-10-5,如Bi、Cu、Ag、Au;

顺磁性——=C/T,C为常数, 约为10-5 ,如Al、Pt、稀土元素等;

铁磁性——约为103,有Fe、Co、Ni三种,T> Tc时,=C/(T-Tc), Tc为居里温度。

磁感应强度: B (特斯拉)

磁场强度: H (安/米)

磁化强度: M (安/米)

物质磁化后的总磁场为B:

B = μ0 (1+ χ )H

B = μ H

磁导率:= B/H

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抗磁性

  • 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反时,固体表现为抗磁性。

    • 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱,磁化率χ 是甚小的负常数(M与H反向),一般约为~10-6 数量级。

    • 抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果.任何金属都具有抗磁性.

    • 金属中有一半是抗磁金属。Cu, Ag, Au, Hg, Zn, Bi等。(因抗磁性大于电子的顺磁性)

运动电子在外磁场作用下,受电磁感应而表现出的特性。所有物质都具有抗磁性,但只有满壳层电子的原子才能表现出抗磁性来。

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顺磁性

定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同时,固体表现为顺磁性。

  • 顺磁性物质的磁化率一般很小,室温下约为10-3~10-6数量级。

  • 原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层)。如过渡元素、稀土元素:3d-金属Ti,V; 4d-金属铌Nb, 锆Zr, 钼Mo,钯Pd;5d-金属(Hf, Ta, W, 铂Pt)。

  • 自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如:碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层,但Li,Na, K,Mg, Al是顺磁性金属。

  • 顺磁性物质的磁化率与温度的关系服从居里-外斯定律:

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铁磁性

  • 有一类物质如Fe,Co,Ni,室温下磁化率可达10 ~ 10 6 数量级,这类物质的磁性称为铁磁性。

  • 铁磁性物质即使在较弱的磁场内,也可得到极高的磁化强度,而且当外磁场移去后,仍可保留极强的磁性(有剩磁)。

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Thanks for your attention!磁性材料具有能量转换、存储等功能,被广泛应用于计算机、通讯自动化、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物以及医疗等技术领域,是重要的功能材料。

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