材料性能基础王秀丽材料科学与工程学系 wangxl@zju

材料性能基础王秀丽材料科学与工程学系wangxl@zju.edu.cn材料性能基础王秀丽材料科学与工程学系wangxl@zju.edu.cn 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--材料性能基础材料科学与人类文明--材料性能基础

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--材料性能基础材料科学与人类文明--材料性能基础

（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

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--材料性能基础材料科学与人类文明--材料性能基础

（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 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

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。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

（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。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

（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”！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

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 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

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

（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 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

电子迁移率和载流子密度 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）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

一些材料电导率 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

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。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

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。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

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。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

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。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

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 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

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）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

不同金属的能带结构 Na: 1s22s22p23s1 Mg: 1s22s22p63s2 Al: 1s22s22p63s23p1 Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2 Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1 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

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）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

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。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

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

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

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）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

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

磁悬浮列车 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

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

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

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

电容器：瞬时大电流放电 超级电容器结构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

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。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

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

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。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。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

物质的磁学性能 材料科学与人类文明--材料性能基础

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 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

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。材料科学与人类文明--材料性能基础

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：材料科学与人类文明--材料性能基础

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）。材料科学与人类文明--材料性能基础

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。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。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

Thanks for your attention! 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

材料性能基础王秀丽材料科学与工程学系 wangxl@zju