材料科學(xué)-材料性能與指標(biāo)

1、整理課件1整理課件2General Characters of Materials整理課件3本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容材料的幾類主要性能：材料的幾類主要性能：化學(xué)性能化學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能熱性能熱性能電性能電性能磁性磁性光學(xué)性能光學(xué)性能學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的：了解材料的各類性能；了解材料的各類性能；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。整理課件4溶蝕性溶蝕性耐腐蝕性耐腐蝕性抗?jié)B透性抗?jié)B透性抗氧化性抗氧化性材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性2.1 化學(xué)性能化學(xué)性能Chemi

2、cal Performance整理課件5(1) Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生長(zhǎng)生長(zhǎng)氧溶解氧溶解氧化膜生長(zhǎng)氧化膜生長(zhǎng)內(nèi)氧化內(nèi)氧化縫隙縫隙孔洞孔洞微裂紋微裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋吸附吸附（1）化學(xué)銹蝕）化學(xué)銹蝕3.1.1 耐氧化性耐氧化性金屬氧化反應(yīng)的金屬氧化反應(yīng)的主要過程示意圖主要過程示意圖整理課件6幾種金屬的表面氧化膜對(duì)比幾種金屬的表面氧化膜對(duì)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整理課件金屬的氧化動(dòng)力學(xué)曲線常常由于發(fā)生氧化膜的開裂與剝落而金屬的氧化動(dòng)力學(xué)曲線常常由于發(fā)生氧化膜的開裂與剝落而偏離理論公式，

3、并失去保護(hù)作用。偏離理論公式，并失去保護(hù)作用。氧比膜中的應(yīng)力與松弛是決定氧化動(dòng)力學(xué)的重要因素。氧比膜中的應(yīng)力與松弛是決定氧化動(dòng)力學(xué)的重要因素。整理課件整理課件整理課件10Electrochemistry corrosion（2）電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕simple electrochemical cell corrosion cell between a steel water pipe and a copper fitting整理課件11Electrochemistry corrosionSO2氣體對(duì)鐵的侵蝕過程氣體對(duì)鐵的侵蝕過程（2）電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕整理課件12Example海水對(duì)金屬的侵

4、蝕示意圖海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖整理課件13Cathodic protection of a buried steel pipelineWhy Mg? How about Ca, Al, Zn?電化學(xué)防銹電化學(xué)防銹犧牲陽極法犧牲陽極法整理課件14思考：思考： 為什么有的金屬（如鋁）比較活潑，但在為什么有的金屬（如鋁）比較活潑，但在空氣中很穩(wěn)定？空氣中很穩(wěn)定？ 為什么在潮濕環(huán)境下金屬材料容易生銹？為什么在潮濕環(huán)境下金屬材料容易生銹？ 材料應(yīng)用中有哪些防銹方法？材料應(yīng)用中有哪些防銹方法？整理課件152.1.2 耐酸堿性耐酸堿性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2為主為主耐耐堿堿材材料料

5、 大多數(shù)金屬氧化物都是堿性氧化大多數(shù)金屬氧化物都是堿性氧化物，物，相應(yīng)的材料相應(yīng)的材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐堿性，而易受酸侵蝕或溶解。堿性，而易受酸侵蝕或溶解。(2) Chemical stability of non-metal materials整理課件16金屬的耐酸堿性金屬的耐酸堿性 主要是高溫下濃堿液的腐蝕問題主要是高溫下濃堿液的腐蝕問題 鎳鉻鑄鐵中加入稀土，降低鎳含量，可以降低材料成鎳鉻鑄鐵中加入稀土，降低鎳含量，可以降低材料成本，又可以保證合金鑄鐵良好的耐堿蝕性。本，又可以保證合金鑄鐵良好的耐堿蝕性。 耐蝕機(jī)理：耐蝕機(jī)理：堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵表面生成完整、

6、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等附著物，等附著物，使材料本體受到保護(hù)。使材料本體受到保護(hù)。 整理課件17(3) Chemical stability of polymers化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿高分子材料：高分子材料： 主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合 長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù) 電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕整理課件18(3) Chemical stability of polymers 金屬材料和無機(jī)非金屬材料有好的耐有機(jī)溶劑性能；金屬材料和無機(jī)非金屬材料有好的耐

7、有機(jī)溶劑性能； 熱塑性高分子材料一般由線形高分子構(gòu)成，很多有機(jī)熱塑性高分子材料一般由線形高分子構(gòu)成，很多有機(jī)溶劑都可以將其溶解；溶劑都可以將其溶解； 交聯(lián)型高分子在有機(jī)溶劑中不溶解，但能溶脹，使材交聯(lián)型高分子在有機(jī)溶劑中不溶解，但能溶脹，使材料體積膨脹，性能變差；料體積膨脹，性能變差； 不同的高分子材料，其分子鏈以及側(cè)基不同，對(duì)各種不同的高分子材料，其分子鏈以及側(cè)基不同，對(duì)各種有機(jī)溶劑表現(xiàn)出不同的耐受性；有機(jī)溶劑表現(xiàn)出不同的耐受性； 組織結(jié)構(gòu)對(duì)耐溶劑性也有較大影響。組織結(jié)構(gòu)對(duì)耐溶劑性也有較大影響。 例如，作為結(jié)晶性聚合物，聚乙烯在大多數(shù)有機(jī)溶劑中都難例如，作為結(jié)晶性聚合物，聚乙烯在大多數(shù)有機(jī)溶

8、劑中都難溶，因而具有很好的耐溶劑性。溶，因而具有很好的耐溶劑性。 2.1.3 耐有機(jī)溶劑性耐有機(jī)溶劑性整理課件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臨的問題高分子材料面臨的問題 CH2CCHCH2CH3hCH2CCHCH3CH-H+ 氧氣的參與：氧氣的參與：RH2(1) RH + OOR + OOH(2) R + OOROO ROOH+R(3) ROOH+RHRO + OH(4) RO + OH ROH + R(5) HO + RH R + H O 自由基形成后導(dǎo)致自由基形成后導(dǎo)致鏈

9、的斷裂（降解）：鏈的斷裂（降解）：CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2+整理課件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陽光羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽光照射下容易被氧化降解。照射下容易被氧化降解。 聚四氟乙烯有極好的耐老化性能聚四氟乙烯有極好的耐老化性能 氟原子與碳原子形成牢固的化學(xué)鍵；氟原子與碳原子形成牢固的化學(xué)鍵； 氟原子的尺寸大小適中，一個(gè)緊挨一個(gè)，能把碳鏈緊緊氟原子的尺寸大小適中，一個(gè)緊挨一個(gè)，能把碳鏈緊緊包圍住。包圍

10、住。 分子鏈中含有不飽和雙鍵、聚酰氨的分子鏈中含有不飽和雙鍵、聚酰氨的、聚碳酸、聚碳酸酯的酯鍵、聚砜的碳硫鍵、聚苯醚的苯環(huán)上的甲基等酯的酯鍵、聚砜的碳硫鍵、聚苯醚的苯環(huán)上的甲基等等，都會(huì)降低高分子材料的耐老化性。等，都會(huì)降低高分子材料的耐老化性。 結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)與耐老化性耐老化性整理課件21(3) Chemical stability of polymers 改進(jìn)聚合物分子結(jié)構(gòu)改進(jìn)聚合物分子結(jié)構(gòu) 加入適當(dāng)助劑加入適當(dāng)助劑 抗氧化劑抗氧化劑 光屏蔽劑光屏蔽劑 紫外線吸收劑紫外線吸收劑 淬滅劑淬滅劑 耐老化性耐老化性的提高的提高整理課件22材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力FFFFFF拉伸壓

11、縮彎折剪切2.2 力學(xué)性能Mechanical Property整理課件23 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度Tensile strength 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度 Flexural strength 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度Torsional strength 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 Compression strength 沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度 Impact strength2.2.1 材料的強(qiáng)度(Strength)整理課件24 應(yīng)力應(yīng)力stress 應(yīng)變應(yīng)變strain 0/FA1.1.彈性模量：彈性模量：E E2.2.強(qiáng)度：強(qiáng)度： p、 e、 s、 b3.3.塑性塑性: : k k、 k k4.4.靜力韌度靜力韌度: :1

12、.拉伸性能拉伸性能整理課件25Experiment樣品拉伸試驗(yàn)樣品拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 (Hookes Law)Eultimate tensile strength yield strength 整理課件無明顯屈服的塑性材料拉伸曲線無明顯屈服的塑性材料拉伸曲線樹脂材料拉伸曲線樹脂材料拉伸曲線整理課件27102030 (%)0100200300400500600700800900 (MPa)低碳鋼低碳鋼錳鋼錳鋼硬鋁硬鋁退火球墨鑄鐵退火球墨鑄鐵整理課件整理課件29延展性或塑性的表征延展性或塑性的表征 延伸率延伸率 elongation 斷面收縮率斷面收縮率 reduction o

13、f area00100%flll00100%fAAA 5% 5%可承受沖擊載荷，適合于可承受沖擊載荷，適合于鍛壓和冷加工鍛壓和冷加工脆性材料脆性材料斷裂前變形很小斷裂前變形很小抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力延伸率延伸率 5% 5%適合于做基礎(chǔ)構(gòu)件或外殼適合于做基礎(chǔ)構(gòu)件或外殼整理課件2.扭轉(zhuǎn)性能扭轉(zhuǎn)性能扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法：GB/T 10128-1988GB/T 10128-1988試樣：圓柱或圓管扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)WT切應(yīng)力：002Ld切應(yīng)變：40032/dTLG切變模量：WTpp扭轉(zhuǎn)比例極限：WT3 . 03 . 0扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度：WTbb條件抗扭強(qiáng)度：整理課件整理課件3.彎曲性能彎曲性能彎曲

14、試驗(yàn)方法：GB/T 10128-1988GB/T 10128-1988撓度s 彎曲應(yīng)力f彎曲應(yīng)變f 彎曲強(qiáng)度fM整理課件整理課件 例：焊接件彎曲工藝試驗(yàn)bbbbWM抗彎強(qiáng)度：62bhW 矩形試樣截面系數(shù)：M 試樣彎矩W 試樣抗彎界面系數(shù)b 試樣界面寬h 試樣界面高整理課件a aE=tga aO1O2f1(f)低碳鋼拉伸應(yīng)低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線力應(yīng)變曲線D( s下下)( e) BC( s上上)A( p)E( b) ga a (MPa)200400 0.10.2O低碳鋼壓縮應(yīng)低碳鋼壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線力應(yīng)變曲線4.4.壓縮性能壓縮性能整理課件 O b灰鑄鐵的灰鑄鐵的拉伸曲線拉伸曲線 b灰鑄鐵的灰鑄鐵的

15、壓縮曲線壓縮曲線a a = 45o剪應(yīng)力引起剪應(yīng)力引起斷裂斷裂整理課件(2)壓縮斷裂形式切斷:碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料壓縮斷裂正斷:縱向裂紋，如陶瓷材料注意:高塑性材料壓扁而不破壞(3)壓縮性能指標(biāo)與拉伸試驗(yàn)相仿：強(qiáng)度指標(biāo)：pc、ec、sc、bc塑性指標(biāo)：相對(duì)壓縮率ck、相對(duì)斷面擴(kuò)展率ck整理課件a aE=tga aO1O2f1(f)低碳鋼拉伸應(yīng)低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線力應(yīng)變曲線D( s下下)( e) BC( s上上)A( p)E( b) ga a (MPa)200400 0.10.2O低碳鋼壓縮應(yīng)低碳鋼壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線力應(yīng)變曲線(4)材料拉伸與壓縮力學(xué)行為對(duì)比塑性材料：整理課件 O b灰鑄鐵的灰

16、鑄鐵的拉伸曲線拉伸曲線 b灰鑄鐵的灰鑄鐵的壓縮曲線壓縮曲線a a = 45o剪應(yīng)力引起剪應(yīng)力引起斷裂斷裂低塑性及脆性材料：整理課件46材料的一些力學(xué)性能特點(diǎn)：材料的一些力學(xué)性能特點(diǎn)： 很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良好的延展性；很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良好的延展性； 多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料；多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料； 這是因?yàn)槎嗑Р牧现械木Ы缈芍袛辔诲e(cuò)的滑移，改變滑這是因?yàn)槎嗑Р牧现械木Ы缈芍袛辔诲e(cuò)的滑移，改變滑移的方向。通過控制晶粒的生長(zhǎng)，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的移的方向。通過控制晶粒的生長(zhǎng)，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。目的。 固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；

17、雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。 多數(shù)無機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。多數(shù)無機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。 源于共價(jià)鍵的方向性源于共價(jià)鍵的方向性 整理課件472.2.2 材料的硬度（材料的硬度（hardness)材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力的量度材料局部抵抗硬物壓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 維氏硬度（維氏硬度（Vickers hardness）HV=0.189F/d2 22(/ 2)()iFD DDD

18、材料彈性、塑性、材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)性能的綜合指標(biāo) 整理課件48維氏硬度測(cè)量維氏硬度測(cè)量整理課件49硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn)整理課件50各種材料的硬度特征：各種材料的硬度特征： 由共價(jià)鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這由共價(jià)鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這是因?yàn)楣矁r(jià)鍵的強(qiáng)度較高；是因?yàn)楣矁r(jià)鍵的強(qiáng)度較高； 無機(jī)非金屬材料有較高硬度無機(jī)非金屬材料有較高硬度 離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度均較高；離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度均較高； 當(dāng)含有價(jià)態(tài)較高而半徑較小的離子時(shí)，所形成的離子鍵當(dāng)含有價(jià)態(tài)較高而半徑較小的離子時(shí)，所形成的離子鍵強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。

19、強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。 金屬材料形成固溶體或合金時(shí)可顯著提高材料的硬金屬材料形成固溶體或合金時(shí)可顯著提高材料的硬度。度。 高分子材料硬度通常較低高分子材料硬度通常較低 分子鏈之間主要以范德華力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱分子鏈之間主要以范德華力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱整理課件511882年德國礦物學(xué)家莫爾年德國礦物學(xué)家莫爾列出10種礦物作為硬度標(biāo)準(zhǔn)。10種礦物的硬度從高至低依次排列如下： 鉆石10、剛玉9、水晶8、石英7、正長(zhǎng)石6、磷灰石5、氟石4、方解石3、石膏2、滑石1的莫氏硬度為3到4之間。牙釉質(zhì)和牙骨質(zhì)構(gòu)成，莫氏硬度為67，主要成分為羥基磷灰石。 整理課件522.2.3 疲

20、勞性能疲勞性能材料抵抗疲勞破壞的能力材料抵抗疲勞破壞的能力 疲勞（疲勞（fatigue）：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、）：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并剪切等）下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。全斷裂的現(xiàn)象。 疲勞曲線疲勞曲線 (S-N曲線曲線)整理課件53熱容（熱容（heat capacity）熱膨脹（熱膨脹（thermal expansion）熱傳導(dǎo)（熱傳導(dǎo)（thermal conduction） 2.3 熱性

21、能熱性能Thermal Property整理課件54 定壓熱容定壓熱容Cp 晶體材料較高溫度下：晶體材料較高溫度下：Cp=3R=24.9 J mol-1 K-1。 極低溫度下：極低溫度下： Cp T3 定容熱容定容熱容CVdTdQC 2.3.1 熱容（heat capacity）單位質(zhì)量物質(zhì)升高1K所需要的熱量整理課件55 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)a a：溫度變化溫度變化1K時(shí)材料尺度的變化量。時(shí)材料尺度的變化量。 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)a al和體積膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)a aV 1 lpllTa 1VpVVTa2.3.2 熱膨脹thermal expansion整理課件56Curve勢(shì)能一原子間距離

22、曲線勢(shì)能一原子間距離曲線假想的假想的實(shí)際的實(shí)際的熱膨脹現(xiàn)象解釋熱膨脹現(xiàn)象解釋整理課件57Curve 金屬和無機(jī)非金屬材金屬和無機(jī)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較?。涣系木€膨脹系數(shù)較?。?聚合物材料則較大。聚合物材料則較大。鍵強(qiáng)與熱膨脹鍵強(qiáng)與熱膨脹膨脹的差異膨脹的差異原子間的鍵合力越強(qiáng)，則熱膨脹系數(shù)越小原子間的鍵合力越強(qiáng)，則熱膨脹系數(shù)越小。整理課件58Examples 熱量通量熱量通量q ： 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 ：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。單位：?jiǎn)挝唬篧 m-1 K-1，或，或 cal cm-1 s-1 K-1 1 cal cm-1 s-1 K-1=4.2 102 W m-1

23、K-1 2.3.3 熱熱傳導(dǎo)（傳導(dǎo)（thermal conduction）熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象dTqdx 整理課件59各種材料的導(dǎo)熱率各種材料的導(dǎo)熱率 金屬材料有很高的熱導(dǎo)率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率 自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色； 金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性有影響；金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性有影響； 晶格振動(dòng)晶格振動(dòng) 無機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。無機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。 熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動(dòng)（聲子）的

24、轉(zhuǎn)播。熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。 高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。隨溫度升高而增大。 半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)： 電子與聲子的共同貢獻(xiàn)電子與聲子的共同貢獻(xiàn) 低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。 較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。 高分子材料熱導(dǎo)率很低高分子材料熱導(dǎo)率很低 熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞的效果較差。熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量

25、傳遞的效果較差。 整理課件60Examples銅固態(tài)401 W m-1 K-110mm2 10mm 20oC 溫差熱導(dǎo)功率溫差熱導(dǎo)功率 整理課件61導(dǎo)電性導(dǎo)電性介電性介電性鐵電性鐵電性壓電性壓電性 材料被施加電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)行為材料被施加電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)行為2.4 電性能Electrical Property整理課件622.1.3.5 Electrical property2.4.1 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能Electrical Conductivity金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體

26、、導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）整理課件632.1.3.5 Electrical property電阻：電阻：lRA電阻率：電阻率： 電導(dǎo)率：電導(dǎo)率： = 1/ 要增加材料的導(dǎo)電性，關(guān)鍵是增大單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目要增加材料的導(dǎo)電性，關(guān)鍵是增大單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目（n）和使載流子更易于流動(dòng)（增大）和使載流子更易于流動(dòng)（增大 值）值）。 銅59.6E6 S/m 1.5方 ?米/歐銀 100 銅 99 金 74 鋁 61 鋅 27 鐵 17 鉛 7.9整理課件642.1.3.5 Electrical property能

27、帶理論（能帶理論（Band Theory）能帶的形成能帶的形成整理課件65各種材料的能帶結(jié)構(gòu)各種材料的能帶結(jié)構(gòu)整理課件662.1.3.5 Electrical property2.4.2 介介電性能電性能 Dielectric Property電容電容C（capacitance）電荷量電荷量q與電壓與電壓V的比值：的比值： 平板電容計(jì)算：平板電容計(jì)算： C = (A/L) ：介電常數(shù)，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力介電常數(shù)，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力； 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) r： r= / 0 (介質(zhì)常數(shù)、介電系數(shù)或電容率)C=q/V0=8.85*10-12,F/m整理課件 電介質(zhì)的定義與

28、特征 電介質(zhì)的極化 電介質(zhì)的基本常數(shù) 電介質(zhì)的應(yīng)用整理課件1. 電介質(zhì)的定義與基本特征在電場(chǎng)作用下，束縛電荷起主要作用的物質(zhì)，稱電介質(zhì)。在電場(chǎng)作用下，能產(chǎn)生極化與偶極子，并存在有內(nèi)電場(chǎng)物質(zhì)電介質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)體是一類特殊的絕緣體。電介質(zhì)導(dǎo)體高電場(chǎng)作用整理課件電介質(zhì)的特征從電場(chǎng)特性來看（a）導(dǎo)體中：內(nèi)部電場(chǎng)為零（平衡狀態(tài)），電場(chǎng)終止于 導(dǎo)體表面并與表面垂直。（b）在電介質(zhì)中：內(nèi)部存在電場(chǎng)，表面會(huì)產(chǎn)生束縛電荷。載流子： 導(dǎo)體的載流子為電子；半導(dǎo)體的載流子為電子和空穴；電介質(zhì)的載流子主要為離子。在傳導(dǎo)上，導(dǎo)體為自由電子，而電介質(zhì)則以電極化。故對(duì)極化的研究是介質(zhì)物理的主要任務(wù)。整理課件 經(jīng)典電介質(zhì)科學(xué)叢書首

29、批著作出版志賀 介質(zhì)以極化為本質(zhì)特征，衍生多種功能效應(yīng)于一體，兼秉豐富深刻之物理內(nèi)涵，前程無限。嘆我介電學(xué)科，相對(duì)滯后，極化之類基本問題，仍未徹底解開。更有心態(tài)浮燥，不重基礎(chǔ)，回避難題，急功近利。諸多不足之處，吾人當(dāng)自省。 姚熹院士整理課件電介質(zhì)的類型氣體液體陶瓷玻璃離子晶體 NaCl等H2，空氣，六氟化硫等水，石油等云母，瓷，橡膠，聚苯乙烯等鈦酸鋇、鐵酸鉍、鈦酸鉛等整理課件介電常數(shù)：是指以電極化的方式傳遞、存貯或 記錄電的作用。 電導(dǎo)：是指電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在泄露電流。 介電損耗：是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在電能的損耗。 介電強(qiáng)度：是指在強(qiáng)電場(chǎng)下可能導(dǎo)致電介質(zhì)的破壞。 電介質(zhì)的四大基本常數(shù)好的

30、電介質(zhì)要求較容易極化，具有較高的介電常數(shù)和介電強(qiáng)度，較低的電導(dǎo)和介電損耗。整理課件-+ +0r+ +-0+-000/V d AQCA dVV0rCC插入電介質(zhì)束縛電荷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷(bound charge)的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。2. 電介質(zhì)的極化(Polarize)整理課件與極化相關(guān)的物理量電偶極矩極化電荷（束縛電荷）電極化強(qiáng)度 P 電介質(zhì)極化程度的量度qlPV由極化而引起的宏觀電荷整理課件整理課件 電子位移極化與電子位移極化率 在外電場(chǎng)作用下，電子云相對(duì)原子核的位移是彈性聯(lián)系，其振動(dòng)頻率在光頻范圍，所以電子極化又稱光極化，極化建立和消除的時(shí)間極短，約10-1510-16s。E電

31、子位移極化在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移eqd感應(yīng)偶極矩：整理課件平衡建立后ZeE332043()()()4134xZeZeax304axEZe-QQxaE以電子云中心為參考點(diǎn)，核沿電場(chǎng)方向移動(dòng)x，使核移動(dòng)的電場(chǎng)力為核移動(dòng)后，受到電子云的庫侖力為整理課件304Zexa E與溫度無關(guān)-QQxaE電偶極矩304eaa電子極化率：由電子產(chǎn)生的偶極矩與作用于該原子的電場(chǎng)強(qiáng)度之比。整理課件電子位移極化結(jié)論同族元素：由上到下增大； 同周期元素：不定； 電子位移極化率與溫度無關(guān)； 極化率為快極化：10-15 10-16s，該極化無損耗。在光頻下，只有電子極化，介質(zhì)的光折射率為：21

32、nn 光在真空中的速度光在介質(zhì)中的速度為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，對(duì)介質(zhì)材料一般，ea整理課件 離子位移極化和極化率離子晶體的介電常數(shù)值比n2值大的多，如8.431.99CaF2110-1147.3TiO24.682.13KCl介電常數(shù)n2因此，必然存在電子極化外的其他極化機(jī)制。離子位移極化：離子晶體中正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移而形成的極化，稱為離子（位移）極化(Ionic polarization)。整理課件x-q+qEK = ?當(dāng)位移不是很大時(shí)可將正負(fù)離子間的恢復(fù)力看成為準(zhǔn)彈性力qEkx根據(jù)正、負(fù)離子對(duì)的固有諧振頻率用實(shí)驗(yàn)方法求解k值。E整理課件iqEqxqEka正負(fù)離子位移形成的偶極距2iqka離子極化

33、率整理課件u離子位移極化率與電子位移極化率幾乎有相同的數(shù)量級(jí)；u離子位移極化只可能在離子晶體中存在，液體或氣體介質(zhì)中不存在離子極化；u離子位移極化只與離子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與溫度無關(guān)；u離子位移極化建立或消除時(shí)間與離子晶格振動(dòng)周期有相同數(shù)量級(jí)，10-1210-13秒。離子位移極化模型（一維）離子位移極化模型（一維）離子極化結(jié)論：整理課件 偶極子轉(zhuǎn)向極化和極化率當(dāng)極性分子受外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電場(chǎng)方向相同時(shí)具有最小位能，于是就電介質(zhì)整體來看，偶極矩不再等于零，而出現(xiàn)沿電場(chǎng)方向的宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子轉(zhuǎn)向極化。E整理課件203dkTa0cosEE 每一偶極子的

34、勢(shì)能Boltzman統(tǒng)計(jì)分布203pEkT極性分子固有極距0極化建立時(shí)間：10-610-2秒，為慢極化。整理課件極化形式發(fā)生極化的電介質(zhì)極化的頻率范圍和溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷介質(zhì)中直流-光頻無關(guān)沒有離子位移極化離子結(jié)構(gòu)介質(zhì)直流-紅外溫度升高，極化增強(qiáng)很微弱離子松弛極化離子結(jié)構(gòu)的玻璃、結(jié)構(gòu)不緊密的晶體及陶瓷直流-超高頻隨溫度變化有極大值有電子松弛極化鈦質(zhì)瓷、高價(jià)金屬氧化物基陶瓷直流-超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機(jī)材料直流-超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷介質(zhì)直流-超高隨溫度升高而減弱有自發(fā)極化溫度低于居里點(diǎn)的鐵電體直流-超高頻隨溫度變化有顯著極大值很

35、大各種極化形式的綜合比較整理課件整理課件電介質(zhì)極性材料非極性材料只有位移極化的電介質(zhì)有轉(zhuǎn)向極化的電介質(zhì)根據(jù)極化類型對(duì)電介質(zhì)進(jìn)行分類微觀上，根據(jù)參加極化的微觀粒子的種類，電介質(zhì)的分子極化可分為三類：電子位移極化；離子位移極化；電偶極子轉(zhuǎn)向極化。整理課件3. 基本常數(shù)dSCdSC000 靜態(tài)介電常數(shù) 真空介電常數(shù)r0r 相對(duì)介電常數(shù)介電常數(shù)介電常數(shù)可理解為在單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，單位體積中所存儲(chǔ)的能量。電容 介電常數(shù)（dielectric coefficient）整理課件 介電強(qiáng)度擊穿指當(dāng)施加于電介質(zhì)上的電場(chǎng)強(qiáng)度或電壓增大到一定程度時(shí)，電介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象。dUEbb介電強(qiáng)度填充電介質(zhì)的目

36、的是使極板間可承受的電位差能比空氣介質(zhì)承受的更高些，即提高其介電強(qiáng)度。整理課件（一）熱擊穿（一）熱擊穿由于電介質(zhì)內(nèi)部由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的不穩(wěn)定熱的不穩(wěn)定過程所造成的。過程所造成的。 電場(chǎng)散熱條件不利介質(zhì)損耗發(fā)熱溫度升高介質(zhì)分解、炭化擊穿影響因素影響因素與材料的性能有關(guān)與材料的性能有關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)（電極的配置與散熱條件）及電壓種類、環(huán)境溫度等有關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)（電極的配置與散熱條件）及電壓種類、環(huán)境溫度等有關(guān) 因此熱擊穿強(qiáng)度因此熱擊穿強(qiáng)度不能不能看作是電介質(zhì)材料的本征特性參數(shù)看作是電介質(zhì)材料的本征特性參數(shù) （二）電擊穿（二）電擊穿在較低溫度下，采用了消除邊緣效應(yīng)的電極裝置等嚴(yán)格控制的在較低溫度下，采用了消除

37、邊緣效應(yīng)的電極裝置等嚴(yán)格控制的條件下，進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。條件下，進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。 整理課件主要特性：主要特性： 擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（大致在擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（大致在5 515MV/cm15MV/cm范圍），實(shí)用絕緣系統(tǒng)是不可能達(dá)到的范圍），實(shí)用絕緣系統(tǒng)是不可能達(dá)到的在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大 意義意義 反映了固體介質(zhì)耐受電場(chǎng)作用能力的最大限度反映了固體介質(zhì)耐受電場(chǎng)作用能力的最大限度僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，材料的特性參數(shù)之一，又稱為僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，材料的特性參數(shù)之一，又

38、稱為耐電耐電 強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度 （三）不均勻電介質(zhì)的擊穿包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種擊穿形式擊穿形式 。擊穿往往是從耐電強(qiáng)度低的氣體中開始，表現(xiàn)為局擊穿往往是從耐電強(qiáng)度低的氣體中開始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快或慢地隨時(shí)間發(fā)展至固體介質(zhì)劣部放電，然后或快或慢地隨時(shí)間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿。化損傷逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿。 整理課件固體介質(zhì)擊穿的一般規(guī)律：u 固體介質(zhì)的擊穿電場(chǎng)大于液體和氣體介質(zhì) Eb（氣體）=3106 V/m Eb（液體）=107108 V/m Eb（固體）=108109 V/mu 固

39、體介質(zhì)擊穿是永久性的u 從擊穿過程看：-電場(chǎng)的破壞變成導(dǎo)體電擊穿；-介質(zhì)本身的破壞：a）熱破壞熱擊穿；b）機(jī)械破壞機(jī)械擊穿整理課件 電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下做定向遷移形成的。固體電導(dǎo)電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)電子和空穴可移動(dòng)的正負(fù)離子和離子空位低電場(chǎng)下高電場(chǎng)下整理課件體電導(dǎo)和表面電導(dǎo)dSGVVdLGSs體電導(dǎo)率：由材料的本質(zhì)所決定，與試樣尺寸無關(guān)。表面電導(dǎo)：表示介質(zhì)抵抗沿表面漏電的性能。整理課件電介質(zhì)表面的狀況電介質(zhì)表面的分子結(jié)構(gòu)空氣濕度整理課件 介電損耗在外電場(chǎng)作用下，由電導(dǎo)作用和極化作用引起的電介質(zhì)內(nèi)的能量損耗。介電損耗電導(dǎo)損耗介質(zhì)極化損耗2EP靜電場(chǎng)中交變電場(chǎng)中電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗電

40、導(dǎo)損耗并聯(lián)等效電路串聯(lián)等效電路整理課件引起介電損耗的微觀機(jī)制普通無機(jī)晶體介質(zhì)(NaCl, SiO2等)只有位移極化，損耗來源：離子電導(dǎo)，與電導(dǎo)率成正比無定形玻璃介質(zhì)電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗（Si-O網(wǎng)絡(luò)變形）多晶陶瓷離子電導(dǎo)，松弛損耗和夾層損耗多相復(fù)合介質(zhì)界面電荷積累“夾層極化”整理課件有損耗電容器的等效電路和向量圖并聯(lián)等效電路串聯(lián)等效電路整理課件損耗角和損耗因素向量圖向量圖 損耗角tan 損耗因素理想（真空）電容器無損耗，=0；越大，說明介質(zhì)損耗越大。整理課件電介質(zhì)基本常數(shù)之間的關(guān)系n提高電介質(zhì)的介電常數(shù)有利于提高電容器的存儲(chǔ)電荷量，然而介電損耗也將隨之增加，因而尋找一種兼具有高介電常數(shù)

41、和低介電損耗的電介質(zhì)是當(dāng)前科學(xué)研究者的任務(wù)。n材料的介電常數(shù)越大，其介電強(qiáng)度不一定高； 電介質(zhì)的電導(dǎo)越大，介電損耗也越高。整理課件一些材料的介電性能材料相對(duì)介電常數(shù)介電強(qiáng)度/(kVcm-1)真空1水78紙3.51.4紅寶石云母5.416琥珀2.79.0瓷器6.50.4熔凝石英3.80.8玻璃4.51.3電木4.81.2聚乙烯2.35.0二氧化鈦1000.6整理課件103(2) Dielectric Property某些介電材料的性能某些介電材料的性能整理課件104(3) Ferroelectricity2.4.3 鐵電性與壓電性鐵電性與壓電性Ferroelectricity and Piezo

42、electricity在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強(qiáng)度，使晶體具有自發(fā)極化，晶體的這種性質(zhì)叫。具有自發(fā)極化的晶體是一個(gè)，在晶體內(nèi)部及外部建立電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度取決于晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度Ps整理課件105鐵電型電滯回線鐵電型電滯回線整理課件106居里溫度Tc Curie temperature 鈦酸鋇：是電子陶瓷中使用最廣泛的材料之一，被譽(yù)為”電子陶瓷工業(yè)的支柱整理課件是具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)。是具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)。石英表，電報(bào)，超聲儀，石英表，電報(bào)，超聲儀，耳機(jī)，錄音機(jī)耳機(jī)，錄音機(jī)l某些電介質(zhì)某些電介質(zhì),外力的作用外力的作用變形變形內(nèi)部?jī)?nèi)部極化極

43、化表面正負(fù)電荷，外力去掉表面正負(fù)電荷，外力去掉恢復(fù)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；到不帶電的狀態(tài)；正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)。l相反，電介質(zhì)極化方向電場(chǎng)相反，電介質(zhì)極化方向電場(chǎng)發(fā)生變發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后形，電場(chǎng)去掉后變形隨之消失；變形隨之消失；逆壓逆壓電效應(yīng)電效應(yīng)，或電致伸縮現(xiàn)象。，或電致伸縮現(xiàn)象。quartz電氣石 高頻震動(dòng)高頻震動(dòng)高頻電流高頻電流；高頻電信號(hào)高頻電信號(hào)高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)）壓電性壓電性Piezoelectricity整理課件 ：如圖示，晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外：如圖示，晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電力的作用下由于晶體的形變

44、而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。1P2P3Pxy1P2P3Pxy xFxF1P2P3Pxy yFyF不受力不受力 石英晶體壓電模型石英晶體壓電模型壓電效應(yīng)的物理機(jī)制壓電效應(yīng)的物理機(jī)制整理課件天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形石英晶體切片及石英晶體切片及雙面鍍銀雙面鍍銀封裝封裝整理課件石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力

45、變?yōu)殪o態(tài)壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。整理課件未極化處理無壓電效應(yīng)。未極化處理無壓電效應(yīng)。極化處理極化處理兩端出現(xiàn)束縛電兩端出現(xiàn)束縛電荷荷表面吸附外界自由電荷。施加外壓表面吸附外界自由電荷。施加外壓陶瓷片形變陶瓷片形變片內(nèi)束縛電荷層間距變小，兩端束縛電荷影響增強(qiáng)片內(nèi)束縛電荷層間距變小，兩端束縛電荷影響增強(qiáng)表面的自由電荷過剩放電。外力是拉力表面的自由電荷過剩放電。外力是拉力充電。充電。圖圖5 束縛電荷和自由電荷排列示意圖束縛電荷和自由電荷排列示意圖 自由電荷自由電荷自由電荷自由電荷電極電極束縛電荷束

46、縛電荷整理課件壓電晶體壓電晶體壓電陶瓷壓電陶瓷高分子壓電高分子壓電材料材料壓電系數(shù)壓電系數(shù)低低中中高高居里點(diǎn)居里點(diǎn)高高中中低低熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性高高中中低低價(jià)格價(jià)格高高低低低低在一定的溫度范圍之內(nèi),壓電性質(zhì)一直存在,溫度超過這個(gè)范圍之后,壓電性質(zhì)完全消失這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”整理課件1.1.壓電常數(shù)壓電常數(shù)d d3333 壓電常數(shù)是反映力學(xué)量（應(yīng)力或應(yīng)變）與電壓電常數(shù)是反映力學(xué)量（應(yīng)力或應(yīng)變）與電學(xué)量（電位移或電場(chǎng)）間相互耦合的線性響應(yīng)學(xué)量（電位移或電場(chǎng)）間相互耦合的線性響應(yīng)系數(shù)。系數(shù)。 當(dāng)沿壓電材料的極化方向（當(dāng)沿壓電材料的極化方向（z z軸）施加壓應(yīng)軸）施加壓應(yīng)力力T T3 3時(shí)，在電

47、極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關(guān)系時(shí)，在電極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關(guān)系式：式：333 3=Q/ADd T 式中式中Q Q為產(chǎn)生電荷，為電極面積，為產(chǎn)生電荷，為電極面積，d d3333為壓電常數(shù)，為壓電常數(shù)，足標(biāo)中第一個(gè)數(shù)字指電場(chǎng)方向或電極面的垂直方向，足標(biāo)中第一個(gè)數(shù)字指電場(chǎng)方向或電極面的垂直方向，第二個(gè)數(shù)字指應(yīng)力或應(yīng)變方向；第二個(gè)數(shù)字指應(yīng)力或應(yīng)變方向；T T3 3為應(yīng)力；為應(yīng)力；D D3 3為電位為電位移。移。d d3333/ /=g=g33 33 壓電電壓常數(shù)壓電電壓常數(shù)壓電材料性能指標(biāo)壓電材料性能指標(biāo)整理課件2 2、機(jī)電耦合系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)K Kp p 機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)K K是一個(gè)綜合

48、反映壓電陶瓷的機(jī)械能與電能之間耦是一個(gè)綜合反映壓電陶瓷的機(jī)械能與電能之間耦合關(guān)系的物理量，是壓電材料進(jìn)行機(jī)合關(guān)系的物理量，是壓電材料進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換能力的反映。電能量轉(zhuǎn)換能力的反映。機(jī)電耦合系數(shù)的定義是：機(jī)電耦合系數(shù)的定義是：轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的總電能得的機(jī)械能通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換所2K轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的總機(jī)械能得的電能通過正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換所2K或或 壓電陶瓷振子（具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶壓電陶瓷振子（具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶瓷體）的機(jī)械能與其形狀和振動(dòng)模式有關(guān)，不同的振動(dòng)模式將有瓷體）的機(jī)械能與其形狀和振動(dòng)模式有關(guān)，不同的振動(dòng)模式將有相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)。相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)。如對(duì)

49、薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為如對(duì)薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為K Kp p（平面耦合系數(shù)）；（平面耦合系數(shù)）；薄形長(zhǎng)片長(zhǎng)度伸縮模式的耦合系數(shù)為薄形長(zhǎng)片長(zhǎng)度伸縮模式的耦合系數(shù)為K K3131（橫向耦合系數(shù)）；（橫向耦合系數(shù)）；圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為K K3333（縱向耦合系數(shù)）等。（縱向耦合系數(shù)）等。整理課件3 3、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m是反映能量消耗大小的一個(gè)參數(shù)。是反映能量消耗大小的一個(gè)參數(shù)。Q Qm m越大，

50、能量消耗越小。機(jī)械品越大，能量消耗越小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)質(zhì)因數(shù)Q Qm m的定義式是：的定義式是：耗的機(jī)械能每一諧振周期振子所消能諧振時(shí)振子儲(chǔ)存的機(jī)械2mQ)(222102raramffCCRffQ其中：其中：fr為壓電振子的諧振頻率為壓電振子的諧振頻率fa為壓電振子的反諧振頻率為壓電振子的反諧振頻率R為諧振頻率時(shí)的最小阻抗為諧振頻率時(shí)的最小阻抗Zmin（諧振電阻）（諧振電阻）C0為壓電振子的靜電容為壓電振子的靜電容C1為壓電振子的諧振電容為壓電振子的諧振電容整理課件4 4、頻率常數(shù)、頻率常數(shù)N N對(duì)某一壓電振子，其諧振頻率和振子振動(dòng)方向長(zhǎng)度的乘對(duì)某一壓電振子，其諧振頻率和振子振動(dòng)方向長(zhǎng)度的乘積為

51、一個(gè)常數(shù)，即積為一個(gè)常數(shù)，即頻率常數(shù)頻率常數(shù)。N=frl其中：其中：f fr r為壓電振子的諧振頻率；為壓電振子的諧振頻率；l l為壓電振子振動(dòng)方向的長(zhǎng)度。為壓電振子振動(dòng)方向的長(zhǎng)度。薄圓片徑向振動(dòng)薄圓片徑向振動(dòng)Np=frD薄板厚度伸縮振動(dòng)薄板厚度伸縮振動(dòng)Nt=frt細(xì)長(zhǎng)棒細(xì)長(zhǎng)棒K33振動(dòng)振動(dòng)N33=frl薄板切變薄板切變K15振動(dòng)振動(dòng)N15=frltD為圓片的直徑為圓片的直徑t為薄板的厚度為薄板的厚度l為棒的長(zhǎng)度為棒的長(zhǎng)度lt為薄板的厚度為薄板的厚度整理課件無機(jī)壓電材料無機(jī)壓電材料有機(jī)壓電材料有機(jī)壓電材料壓電陶瓷壓電陶瓷壓電晶體壓電晶體通常為通常為PVDF及其共及其共聚物（薄膜）聚物（薄膜）

52、壓電晶體壓電晶體: 一般是指壓電單晶體。例如水晶、鎵酸鋰(LiGaO2 )、鍺酸鋰(Li2GeO3) 、鍺酸鈦、酒石酸鉀鈉等。壓電復(fù)合材料壓電復(fù)合材料 泛指壓電多晶體，也是鐵電陶瓷。例如：鈦酸鋇BT(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛PZT (Pb(ZrTi)O3) 、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN等半導(dǎo)體半導(dǎo)體ZnS, ZnO整理課件工藝性差工藝性差（粉化，（粉化，PbOPbO易揮發(fā)）易揮發(fā)） 工藝性好工藝性好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=5

53、6(10-12-12庫庫/ /牛牛) ) d d3333=191(10=191(10-12-12庫庫/ /牛牛) ) K Kp p =0.095 =0.095 K Kp p =0.354 =0.354 難極化難極化 易極化易極化熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性好 熱穩(wěn)定性差熱穩(wěn)定性差 T Tc c=490=490 T Tc c=120=120工作溫區(qū)寬工作溫區(qū)寬工作溫區(qū)窄工作溫區(qū)窄PbTiOPbTiO3 3陶瓷陶瓷 BaTiOBaTiO3 3陶瓷陶瓷 整理課件我們生活在磁的世界里我們生活在磁的世界里任何地方都有磁現(xiàn)象（磁性、磁場(chǎng)）！任何地方都有磁現(xiàn)象（磁性、磁場(chǎng)）！宏觀世界到微觀世界宏觀世界到微觀世界地球到

54、其它天體和宇宙空間地球到其它天體和宇宙空間2.5 磁性Magnetic Property整理課件1202.5.1 磁性基本概念磁性基本概念 Hm：磁化強(qiáng)度：磁化強(qiáng)度magnetization m：磁化率：磁化率magnetic susceptibility整理課件物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性核磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級(jí)核磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級(jí)物質(zhì)磁性具有普遍性物質(zhì)磁性具有普遍性宏觀物質(zhì)的磁性都源于原子的磁性宏觀物質(zhì)的磁性都源于原子的磁性原子的磁性電子的磁性原子核的磁性原子的磁性電子的磁性原子核的磁性原子核的磁性質(zhì)子的磁性中子的磁性原子核的磁性質(zhì)子的磁性中子的磁性整理課件12212/5/2021 4

55、:37:00 PM122磁性的來源磁性的來源磁偶極子磁偶極子magnetic dipolesThe spin of the electron produces a magnetic field with a direction dependent on the quantum number ms Electrons orbiting around the nucleus create a magnetic field around the atom 整理課件電子的軌道磁矩電子的軌道磁矩電子的自旋磁矩電子的自旋磁矩原子磁矩原子磁矩物質(zhì)磁性物質(zhì)磁性原子磁矩原子磁矩物質(zhì)表現(xiàn)何種磁性物質(zhì)表現(xiàn)何種磁性原

56、子磁矩間相互作用原子磁矩間相互作用外加磁場(chǎng)的作用外加磁場(chǎng)的作用整理課件弱磁物質(zhì)弱磁物質(zhì)抗磁物質(zhì)抗磁物質(zhì)順磁物質(zhì)順磁物質(zhì)反鐵磁物質(zhì)反鐵磁物質(zhì)超導(dǎo)物質(zhì)超導(dǎo)物質(zhì)強(qiáng)磁物質(zhì)強(qiáng)磁物質(zhì)鐵磁物質(zhì)鐵磁物質(zhì)亞鐵磁物質(zhì)亞鐵磁物質(zhì)磁性材料：磁性材料：有實(shí)際工程意義有實(shí)際工程意義 磁性較強(qiáng)的材料磁性較強(qiáng)的材料2.5.2 磁性的種類 整理課件125 抗磁性（抗磁性（diamagnetism） m 0 含有非零角動(dòng)量原子（例如過渡金屬）的材料。含有非零角動(dòng)量原子（例如過渡金屬）的材料。 m T-1（居里定理）（居里定理） 一些非過渡金屬（例如一些非過渡金屬（例如Al）。）。 m與與T無關(guān)無關(guān)磁場(chǎng)撤去后磁場(chǎng)撤去后磁效應(yīng)消失磁

57、效應(yīng)消失 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料-臨界溫度下電阻為零，特殊的抗磁性狀態(tài)臨界溫度下電阻為零，特殊的抗磁性狀態(tài) 巨抗磁性（磁化率比一般抗磁物質(zhì)的大巨抗磁性（磁化率比一般抗磁物質(zhì)的大100倍）倍）整理課件弱磁性材料弱磁性材料超導(dǎo)物質(zhì)超導(dǎo)物質(zhì)室溫下導(dǎo)電性為正常態(tài)，可為任何磁性狀態(tài)室溫下導(dǎo)電性為正常態(tài)，可為任何磁性狀態(tài)臨界溫度下電阻為零，特殊的抗磁性狀態(tài)臨界溫度下電阻為零，特殊的抗磁性狀態(tài) 巨抗磁性（磁化率比一般抗磁物質(zhì)的大巨抗磁性（磁化率比一般抗磁物質(zhì)的大100倍）倍） 臨界溫度下，外加臨界溫度下，外加B能破壞超導(dǎo)性能破壞超導(dǎo)性整理課件127 鐵磁性（鐵磁性（ferromagnetism） 在不太強(qiáng)的磁場(chǎng)中

58、，就可以磁化到飽和狀態(tài)在不太強(qiáng)的磁場(chǎng)中，就可以磁化到飽和狀態(tài) 。 鐵磁居里溫度鐵磁居里溫度ferromagnetic Curie temperature 整理課件128 反鐵磁性（反鐵磁性（antiferromagnetism） 在外電場(chǎng)作用下，相鄰磁矩反向排列。在外電場(chǎng)作用下，相鄰磁矩反向排列。 Mn、Cr 鐵氧體磁性（鐵氧體磁性（ferrimagnetism） 不同的磁矩反平行排列時(shí)，在一個(gè)方向呈現(xiàn)出凈磁矩。不同的磁矩反平行排列時(shí)，在一個(gè)方向呈現(xiàn)出凈磁矩。 代表：磁鐵礦代表：磁鐵礦Fe3O4 整理課件129反鐵磁性（反鐵磁性（MnO）整理課件130磁疇磁疇Magnetic Domain磁疇

59、壁磁疇壁Magnetic Domain Wall磁疇磁疇自旋磁矩在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)自旋磁矩在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地自發(fā)地”整齊排列整齊排列起起來而形成的磁化小區(qū)域。來而形成的磁化小區(qū)域。 2.5.3 磁疇和磁化曲線整理課件131磁滯回線磁滯回線hysteresis loop整理課件132軟磁材料軟磁材料硬磁材料硬磁材料 整理課件整理課件磁參量磁參量?jī)?nèi)稟磁參量?jī)?nèi)稟磁參量: : MS、Tc外稟磁參量外稟磁參量: : Hc、Mr或或Br、磁、磁導(dǎo)率、損耗、磁導(dǎo)率、損耗、磁能積能積主要取決于材主要取決于材料的化學(xué)成分料的化學(xué)成分對(duì)材料結(jié)構(gòu)（如晶對(duì)材料結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶體缺陷、粒尺寸、晶體缺陷、晶粒

60、取向等）敏感，晶粒取向等）敏感，可以通過適當(dāng)?shù)墓た梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)墓に嚫淖兯嚫淖冋碚n件主要磁性材料分類軟磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc1000A/m(12.5Oe)整理課件136光的吸收和透過光的吸收和透過光的反射和折射光的反射和折射材料的顏色材料的顏色材料發(fā)光材料發(fā)光2.6 光學(xué)性能Optical Property整理課件電電磁磁波波光光譜譜整理課件 透射，吸收和反射透射，吸收和反射RATIIII00IIRR0IITT0IIAA透射率吸收率反射率 1RAT整理課件 從從微觀上微觀上分析，光子與固體材料相互作用，實(shí)際上是光子與固體材料分析，光子與固體材料相互作用，實(shí)際上是光子與固體材料中的原