新型材料力學(xué)總結(jié)

1、新型材料力學(xué)總結(jié) 18樓小豆五 提交日期：2021-1-10 14:32:00新型材料力學(xué)總結(jié)上交一個(gè)報(bào)告這樣的考察方式確實(shí)是一個(gè)很好的想法，一來(lái)沒(méi)有考試上的壓力，二來(lái)可以自由發(fā)揮總結(jié)一下自己的心得體會(huì)。借上交新型材料力學(xué)報(bào)告的時(shí)機(jī)，我對(duì)材料的各個(gè)方面進(jìn)行一番大概的概念上的了解，主要是參考一些概論性質(zhì)的書籍，從中得到一些最根本的概念。不僅材料的性質(zhì)有許多方面的內(nèi)容，單是其力學(xué)性能也包括各個(gè)方面的影響因素。有宏觀的、微觀的、細(xì)觀的、納觀的，物理的、化學(xué)的、量子的考慮，有材料的組分、制備工藝、后處理、使用環(huán)境等的考慮。用于處理微觀尺度的最根本的模型，材料的原子結(jié)構(gòu)起了明顯作用，主要用于凝聚態(tài)物理和

2、量子化學(xué)。用于處理微米尺度的連續(xù)介質(zhì)模型，在比較唯象的層次上進(jìn)行分析時(shí)，不需要跟蹤個(gè)別原子的位置，只需進(jìn)行局部平均處理，且假定從原子尺度觀察這些量時(shí)其變化極其緩慢。在宏觀尺度上材料的總體性質(zhì)作為制造、使用過(guò)程的定量模型，用于材料性質(zhì)的最優(yōu)化和由原材料變?yōu)橛杏弥破返恼麄€(gè)加工過(guò)程的最優(yōu)化。我將分別從這些角度對(duì)影響材料力學(xué)性能的各個(gè)方面的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行一些粗淺的小結(jié)，以期獲得一些最根本的常識(shí)，為今后更進(jìn)一步的理解打下一個(gè)初步的根底。1 材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)指的是材料的組成單元原子或分子之間互相吸引和互相排斥作用到達(dá)平衡時(shí)的空間分布，從宏觀到微觀可分為不同的層次，即宏觀組織結(jié)構(gòu)、顯微組織結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)。

3、宏觀組織結(jié)構(gòu)是用肉眼或放大鏡觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)。顯微組織結(jié)構(gòu)或稱為亞微觀結(jié)構(gòu)是借助光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡可觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)或材料內(nèi)部的微區(qū)結(jié)構(gòu)，其尺寸約為10-7-10-4m。比顯微組織結(jié)構(gòu)更細(xì)的一層結(jié)構(gòu)即微觀結(jié)構(gòu)包括原子及分子結(jié)構(gòu)以及原子和分子的排列結(jié)構(gòu)。因?yàn)橐话愕姆肿映叽绾苄?，故把分子結(jié)構(gòu)排列列為微觀結(jié)構(gòu)。但對(duì)于高分子化合物，大分子本身的尺寸可到達(dá)亞微觀的范圍。1.1 化學(xué)鍵在材料的組成單元中，各個(gè)原子通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合在一起組成固體材料。各類材料，當(dāng)鍵和方式不同，如為離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵或氫鍵時(shí)，便具有不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因此，金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料的差異本質(zhì)

4、上是由不同的元素、以不同的鍵和方式造成的。幾乎所有的元素都能以一定的方式結(jié)合構(gòu)成物質(zhì)。同一種或不同種類的原子通過(guò)化學(xué)鍵離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵或氫鍵結(jié)合在一起構(gòu)成物質(zhì)的分子。實(shí)際上，有的材料并不是由單純的一種鍵構(gòu)成的，可同時(shí)兼有幾種鍵，如許多無(wú)機(jī)非金屬材料的鍵性就是混雜型的，大多是離子鍵、共價(jià)鍵及金屬鍵相互的雜交。下面介紹這幾種鍵型。 金屬鍵金屬原子形成金屬晶體時(shí)，每個(gè)原子都提供少數(shù)價(jià)電子，作為自由電子，共用于整個(gè)晶體，這種自由電子構(gòu)成金屬鍵，把各個(gè)原子吸引在一起，成為金屬晶體，其特點(diǎn)是具有鍵的作用的電子并不固定在一定的原子上，而是多少可以在金屬格子有陽(yáng)離子排成的有序晶格之間自由活動(dòng)。格子由離子

5、化了的金屬原子構(gòu)成，電子就起到將它們結(jié)合成鍵的作用。這種鍵具有無(wú)方向性的球?qū)ΨQ性質(zhì)。金屬的高導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率都是由于金屬中自由電子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。此外，自由電子能夠吸收所有波長(zhǎng)的能量，從而也解釋了金屬對(duì)光的非透明性；而這一吸收能量的輻射，又同樣解釋了金屬外表的高反射性。1.1.2 離子鍵離子鍵是由原子釋放出最外層的電子變成帶正電荷的陽(yáng)離子，同時(shí)能夠接受其放出的電子的原子變成帶負(fù)電荷的陰離子相互之間作用的吸引力庫(kù)侖力所形成的一種鍵合。這個(gè)引力同鄰近的所有其他原子都相互發(fā)生作用構(gòu)成一個(gè)整體。離子鍵是化學(xué)鍵中最簡(jiǎn)單的類型，因?yàn)樵诒举|(zhì)上，它完全可以歸結(jié)為靜電力。一般由于形成離子鍵的靜電力來(lái)自于離子的過(guò)剩電

6、荷，晶體中離子的電子云密度分布應(yīng)該是對(duì)稱的，通常不應(yīng)該產(chǎn)生變形。因此離子鍵具有飽和性和無(wú)定向性的特點(diǎn)，這也是離子化合物具有配位數(shù)高、堆積致密的一個(gè)重要原因。1.1.3 共價(jià)鍵共價(jià)鍵是由兩個(gè)原子共用最外殼層電子的鍵合。這時(shí)參與鍵合的兩個(gè)原子相應(yīng)軌道上的電子各有一個(gè)的自旋方向必須是相反的。其強(qiáng)度隨著參與鍵合的電子數(shù)的增多而增強(qiáng)。共價(jià)鍵最簡(jiǎn)單的形式是單價(jià)共價(jià)鍵，出現(xiàn)在H2分子中。另一些元素組成的分子如N2，O2等也可以和H2形成共價(jià)鍵。另外一類共價(jià)鍵稱為配位共價(jià)鍵，其特點(diǎn)是形成的共享電子對(duì)全由一個(gè)原子提供。所有的非金屬原子，除了惰性氣體外，一般都傾向于形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵形成時(shí)，由于能量上的原因，總是

7、會(huì)選擇在適宜的方向上成鍵，這就是共價(jià)鍵具有方向性的原因。此外，由于共價(jià)鍵來(lái)源于電子共享，因此原子形成共價(jià)鍵的數(shù)目必然要受到其電子結(jié)構(gòu)的限制，這就是共價(jià)鍵具有飽和性的原因。由于共價(jià)鍵的上述本質(zhì)，使得典型的共價(jià)鍵晶體總是具有很高的熔點(diǎn)和硬度、具有良好的光學(xué)特性和不良的導(dǎo)電性。1.1.4 氫鍵氫鍵是氫原子在分子中與一個(gè)原子A鍵合時(shí)，還能形成與另一個(gè)原子B的附加鍵，是一類比較弱的鍵，但它比范德華鍵要強(qiáng)。氫鍵發(fā)生于某些含有氫與高負(fù)電性原子如O、N、F等共價(jià)鍵合的極性分子之間。氫鍵的產(chǎn)生主要是由于氫與電負(fù)性高的A原子形成共價(jià)鍵時(shí)，共有電子對(duì)電荷中心向A原子強(qiáng)烈偏移，這樣氫原子幾乎變成一個(gè)半徑很小的帶正電的

8、核，因此這個(gè)氫原子還可以和另一個(gè)分子中高電負(fù)性的B原子吸引形成附加鍵。1.1.5 范德華鍵原子可以看成一個(gè)很小的偶極子。雖然對(duì)于平均時(shí)間來(lái)說(shuō)，原子中電子的空間分布對(duì)原子核是對(duì)稱的。但某一瞬間，整個(gè)原子正負(fù)電荷中心可能不重合，從而形成小的偶極子。這些小的偶極子之間的相互作用造成的引力，就是范德華力。范德華健是永遠(yuǎn)存在于分子間或分子內(nèi)非鍵結(jié)合的力，是一種相互吸引的力。不過(guò)，這類鍵一般很弱，只有不存在其他鍵時(shí)，它才顯示出來(lái)。1.1.6 多種鍵型在一般多元化合物中，它們總是具有幾種鍵型。眾所周知，絕大多數(shù)的有機(jī)化合物，其分子的原子之間由共價(jià)鍵連接，而分子之間靠范德華力聯(lián)系。在有機(jī)酸的金屬鹽結(jié)構(gòu)中還引入

9、了離子鍵。假設(shè)原來(lái)分子中含有氫鍵，那么是一個(gè)同時(shí)具備四種鍵型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。1.2 晶體結(jié)構(gòu)所謂晶體指原子或原子團(tuán)、離子或分子按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成的物質(zhì)，即從內(nèi)部結(jié)構(gòu)原子原子團(tuán)或分子排列的特征來(lái)看，晶體結(jié)構(gòu)的根本特征是原子或分子在三維空間呈周期性的規(guī)那么而有序地排列，即存在長(zhǎng)程的幾何有序。固體也可能只有一塊結(jié)構(gòu)均勻的大晶體構(gòu)成，稱為單晶。單晶體是各向異性的均勻物體，具有一定的熔點(diǎn)，生長(zhǎng)良好時(shí)呈現(xiàn)規(guī)那么的外形。晶體的宏觀形貌可以是一維、二維的或者三維的。生長(zhǎng)良好的晶體外形通常呈現(xiàn)某種對(duì)稱性。對(duì)稱性是自然界許多事物的根本屬性之一，晶體外形的宏觀對(duì)稱性是其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)微觀對(duì)稱性的表現(xiàn)，它與晶體的

10、性能有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。如果將每一個(gè)可重復(fù)的單位用一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，就能形成一個(gè)有規(guī)那么的三維點(diǎn)陣，稱為空間點(diǎn)陣?？臻g點(diǎn)陣中的任何一點(diǎn)總是和點(diǎn)陣中其他點(diǎn)有相同的周圍環(huán)境。所提到的原子團(tuán)，在實(shí)際晶體中可能是一個(gè)原子，也可能有很多原子組成，像某些有機(jī)分子晶體那樣。按晶格的邊長(zhǎng)、晶軸相交的角度等可將晶體分為幾大類：立方晶系、正方晶系、三方晶系、斜方晶系、單斜晶系、三斜晶系、六方晶系。許多固體會(huì)以多晶形式存在，如常見的金屬及其合金、大多數(shù)陶瓷和礦物等均屬于多晶體。多晶體是許多單晶組成的聚集體，即由許多取向不同的晶粒組成。在多晶體中，兩個(gè)晶粒相遇時(shí)所產(chǎn)生的界面，成為晶界。晶粒和晶界是多晶材料中一個(gè)十分重要的結(jié)

11、構(gòu)因素。多晶材料的晶粒大小相差極為懸殊。就其粒徑而言可小至微米甚至納米，大到厘米。當(dāng)原子或分子結(jié)合成固體時(shí)，它們可能形成晶體，也可能形成非晶體。一般，大多數(shù)金屬屬于晶體，陶瓷屬于單晶或多晶體，玻璃、某些高分子化合物那么屬于非晶體。不具有明顯晶體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)統(tǒng)稱為無(wú)定形結(jié)構(gòu)或非晶質(zhì)。1.2.1 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料一般都是晶體，由于金屬鍵無(wú)方向性，因而其能量最低的結(jié)構(gòu)是每個(gè)原子的周圍都有盡可能多的相鄰原子。一個(gè)原子最鄰近的、等距離的原子數(shù)稱為配位數(shù)。金屬結(jié)構(gòu)的配位數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊密。假設(shè)將原子視作為均勻的小球，它們組成緊密堆積結(jié)構(gòu)。金屬的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化會(huì)發(fā)生變體轉(zhuǎn)變。金屬的晶體結(jié)構(gòu)大局部屬于以下

12、幾種：1 體心立方結(jié)構(gòu)BCC，在立方晶格的中心具有原子的結(jié)構(gòu)成為體心立方結(jié)構(gòu)；2 面心立方結(jié)構(gòu)FCC，在立方晶格的六個(gè)面上各有一個(gè)原子的結(jié)構(gòu)稱為面心立方結(jié)構(gòu)；3 緊密堆積六方結(jié)構(gòu)，是在六方晶格的內(nèi)部具有三個(gè)原子的結(jié)構(gòu)；4 金剛石型結(jié)構(gòu)，比較復(fù)雜。金屬材料也可以看作是由晶體的聚集體構(gòu)成的。對(duì)純金屬一般認(rèn)為是微細(xì)晶粒的聚集體；對(duì)合金可看作母相金屬原子的晶體與參加的合金晶體等聚合而成的聚集體。晶粒間的結(jié)合力要比晶粒內(nèi)部的結(jié)合力要小。軟鋼、銅、金、鋁等之所以能夠承受較大的塑性變形，是由于在發(fā)生滑移變形的同時(shí)，原子相互間的位置依次錯(cuò)開又形成了新的鍵，從整體看，是由于原子間的鍵難于斷開的緣故。晶粒晶界上的

13、結(jié)合是機(jī)械結(jié)合，即金屬由高溫熔體凝固析晶時(shí)，相互嚙合牢固地結(jié)合在一起。晶粒間的接觸面越大，結(jié)合力也越大。1.2.2 無(wú)機(jī)非金屬的結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)非金屬的結(jié)構(gòu)可分為以下幾種：1.2.2.1 金剛石型結(jié)構(gòu)各原子間相互以共價(jià)鍵結(jié)合，四個(gè)鍵相互呈109度、280度角度伸向正四面體的頂點(diǎn)。鍵的強(qiáng)度很大，如金剛石、硅、Ge等。1.2.2.2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)這是陶瓷的主要結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特征是硅總是位于由四個(gè)氧離子組成的四面體中心，構(gòu)成SO4-4四面體。在硅氧四面體之間由通過(guò)共頂點(diǎn)的氧以不同形式相互連接，形成島狀、鏈狀、層狀、立體網(wǎng)絡(luò)狀等不同結(jié)構(gòu)的硅酸鹽。1.2.3 玻璃結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)玻璃可以看成是處在過(guò)冷狀態(tài)的一種粘度極高的液

14、體，整個(gè)結(jié)構(gòu)不具有晶體的規(guī)那么排列。玻璃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是原子排列近程較有序，遠(yuǎn)程無(wú)序?？杀憩F(xiàn)出各種模式，鍵型有共價(jià)鍵和離子鍵。1.3 晶體結(jié)構(gòu)的缺陷對(duì)晶體結(jié)構(gòu)描述時(shí)認(rèn)為整個(gè)晶體都具有規(guī)那么排列。而實(shí)際上，晶體中原子總是在平衡位置附近進(jìn)行熱振動(dòng)。晶體中又包含著種種缺陷如點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷造成結(jié)構(gòu)的不完整性。也就是說(shuō)，極大多數(shù)晶體都有大量的與理想原子排列的輕度偏離存在，這類不完整性依據(jù)其幾何形狀分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。結(jié)構(gòu)的不完整性會(huì)對(duì)晶體的性能造成重大的影響。1.3.1 點(diǎn)缺陷理想晶體中的一些原子被外界原子所代替，或者在晶格間隙中摻入原子，或者留有原子空位，破壞了有規(guī)那么的周期性排列，引起質(zhì)

15、點(diǎn)間勢(shì)場(chǎng)的畸變，這樣造成晶體結(jié)構(gòu)的不完整僅僅是局限在原子位置，稱作點(diǎn)缺陷。一般可分為：結(jié)構(gòu)位置缺陷，如空位和間隙原子；組成缺陷，如雜質(zhì)原子；電荷缺陷。1.3.2 線缺陷實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)受到雜質(zhì)、溫度變化或者振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或由于晶體受到打擊、切削、研磨等機(jī)械應(yīng)力的作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形，原子行列間相互滑移，而不再符合理想晶格的有序的排列，形成線狀的缺陷，習(xí)慣上也稱為位錯(cuò)。位錯(cuò)又分為刃位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)。1.3.3 面缺陷固體從蒸汽、溶液或熔體中結(jié)晶出來(lái)時(shí)，只有在一定條件下，例如有籽晶存在時(shí)，才能形成單晶體。大多數(shù)固體是多晶體，因?yàn)樵S多地點(diǎn)有晶核產(chǎn)生。多晶體是由于許多結(jié)合得并不是分嚴(yán)密的微

16、小晶粒構(gòu)成的聚集體。每個(gè)單獨(dú)的晶粒都是單晶體，在一個(gè)晶粒內(nèi)，給定的一組原子面在空間具有相同的位相，但其相鄰的晶粒具有不同的結(jié)晶學(xué)位相。這些晶粒的粒和粒之間不是公共面，而是公共棱。原子面從一個(gè)晶粒到相鄰的晶粒是不連續(xù)的。很明顯，這樣的構(gòu)造就是一種面缺陷。2 材料的性能具體來(lái)說(shuō)，材料的化學(xué)性質(zhì)：對(duì)金屬來(lái)說(shuō)有，化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶體尺寸、耐腐蝕性、雜質(zhì)含量等；對(duì)聚合物來(lái)說(shuō)有，化學(xué)組成及其分布、結(jié)晶度、分子量以及其分布、立體結(jié)構(gòu)、耐腐蝕性；對(duì)陶瓷來(lái)說(shuō)，化學(xué)組成、顆粒尺寸及其分布、晶體結(jié)構(gòu)、孔隙度、耐腐蝕性。材料的物理性質(zhì)：有熔點(diǎn)、顏色、熱性質(zhì)、電性質(zhì)、磁性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、重力性質(zhì)等。材料的力學(xué)

17、性質(zhì)：拉伸性、韌性、塑性、耐疲勞性、硬度、蠕變性、延伸性、抗沖擊性、壓縮性、模量、硬度等。2.1 材料的力學(xué)性能評(píng)價(jià)一種材料和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能無(wú)非主要是從以下三方面入手：強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。強(qiáng)度指的是材料抵抗破壞的能力，在實(shí)際中具體表達(dá)在應(yīng)力分析上，更進(jìn)一步的分析是彈塑性極限分析，考慮了材料的塑性以后，可提高材料的許用應(yīng)力。疲勞與斷裂也屬于強(qiáng)度問(wèn)題。疲勞問(wèn)題主要出現(xiàn)在具有較高塑性的材料中，斷裂在微觀上是由于原子間或分子間的鍵斷開而引起的，在宏觀上是由于結(jié)構(gòu)中裂紋的擴(kuò)展，使得結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的最大應(yīng)力高于結(jié)構(gòu)材料的破壞極限而引起斷裂，斷裂韌性用應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)表征。還有沖擊強(qiáng)度問(wèn)題，可以用應(yīng)力波的一套理論

18、來(lái)解釋。剛度指的是材料抵抗變形的能力，在實(shí)際中具體表達(dá)在變形分析上。穩(wěn)定性指的是結(jié)構(gòu)抵抗外來(lái)擾動(dòng)的能力。特別是梁、板、殼在壓縮載荷下的穩(wěn)定性問(wèn)題，穩(wěn)定性問(wèn)題也有不同的理論來(lái)解釋，如薄殼的穩(wěn)定性就有彈性穩(wěn)定性理論和塑性穩(wěn)定性理論之分，彈性穩(wěn)定性理論又有非線性大撓度理論、前屈曲一致理論、初始后屈曲理論等。穩(wěn)定性的另一方面是振動(dòng)分析，結(jié)構(gòu)的固有頻率、模態(tài)以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相應(yīng)。對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的分析是為了防止外力的頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率而引起共振破壞。穩(wěn)定性問(wèn)題是結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)是極為重要的一個(gè)問(wèn)題。2.2 材料的電學(xué)性能2.2.1 介電鐵電陶瓷陶瓷材料在電場(chǎng)作用下，其中電子、離子和空穴等帶電粒子產(chǎn)生移動(dòng)，

19、并產(chǎn)生電流者為導(dǎo)體和半導(dǎo)體；而荷電粒子被束縛在固定位置上，僅發(fā)生微小位移，即形成電極化而不產(chǎn)生電流者為絕緣體。荷電粒子在電場(chǎng)下作微小位移的性質(zhì)即稱為介電性。一般的介電陶瓷材料在電場(chǎng)下產(chǎn)生的極化可分為四種，即電子極化、離子極化、偶極子趨向極化和空間電荷極化。電子極化是在電場(chǎng)作用下，原來(lái)處于平衡狀態(tài)的原子正、負(fù)電荷重心改變位置，即原子核周圍的電子云發(fā)生變形而引起電荷重心偏移，形成電極化；離子極化是處在電場(chǎng)中多晶陶瓷體內(nèi)的正負(fù)離子分別沿電場(chǎng)方向位移，形成電極化；偶極子趨向極化是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的偶極子在電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)方向區(qū)域外電場(chǎng)一致的方向而產(chǎn)生的電極化；空間電荷極化是陶瓷多晶體在電場(chǎng)中，空間電荷在晶粒

20、內(nèi)和電疇中移動(dòng)，聚集于邊界和外表而產(chǎn)生的極化。通常極化是由以上四種極化疊加引起的，這四種極化的產(chǎn)生都不是在加電場(chǎng)的瞬間完成的，需要一定的時(shí)間，稱為弛豫時(shí)間。由于時(shí)間延遲而造成的能量損失稱為介質(zhì)色散。介電陶瓷的鐵電特性表現(xiàn)為本身具有自發(fā)極化。當(dāng)施加外加電場(chǎng)時(shí)，自發(fā)極化沿電場(chǎng)方向趨于一致；當(dāng)外電場(chǎng)倒向，且超過(guò)材料矯頑電場(chǎng)值時(shí)，自發(fā)極化隨電場(chǎng)而極化；當(dāng)電場(chǎng)移去后，陶瓷中保存的局部極化量，即剩余極化。自發(fā)極化與電場(chǎng)間存在一定的滯后關(guān)系，由電滯回線來(lái)表示。鐵電體同鐵磁體類似，存在類似于磁疇的電疇。每個(gè)電疇由許多永久的電偶矩構(gòu)成，它們之間相互作用，沿一定方向自發(fā)排列成行，形成電疇。無(wú)外界電場(chǎng)時(shí)，各電疇在晶

21、體中雜亂分布，整個(gè)晶體對(duì)外顯電中性，當(dāng)外電場(chǎng)加于晶體時(shí)，電疇極化矢量轉(zhuǎn)向電場(chǎng)方向。鐵電陶瓷薄膜具有良好的鐵電、壓電、熱釋電、電光和非線性光學(xué)特性，用于存儲(chǔ)器、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、紅外探測(cè)器、超聲探測(cè)、外表波器件、顯示器和光波導(dǎo)等。2.2.1 介電壓電陶瓷機(jī)械力激起晶體外表荷電的效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)，材料的這種性質(zhì)稱為壓電性。晶體在受機(jī)械力變形時(shí)，在晶體外表產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為正壓電現(xiàn)象；由于對(duì)晶體施加電壓，警惕發(fā)生變形的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。具有對(duì)稱中心的晶體不具有壓電性。靠純粹的機(jī)械力不能使它們的正負(fù)電荷重心之間發(fā)生不對(duì)稱的相對(duì)位移，也就是不能使之極化。假設(shè)用電位移D和應(yīng)力T來(lái)表示壓電效應(yīng)，有D=d*T

22、，d為壓電系數(shù)，壓電常數(shù)g=d/ ， 為介電常數(shù)，同介電常數(shù)、彈性常數(shù)一樣，壓電常數(shù)也因晶軸而異，而且g還因機(jī)械、電學(xué)邊界條件的改變而改變。描述壓電的另兩個(gè)重要物理常數(shù)是，描述其彈性諧振時(shí)的力學(xué)性能的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm和機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)電耦合系數(shù)K。壓電材料用作濾波器、諧振換能器和標(biāo)準(zhǔn)頻率振子等器件時(shí)，主要是利用壓電晶片的諧振效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)按一定取向和形狀制成的有電極的壓電晶片輸入電訊號(hào)時(shí)，如果訊號(hào)頻率與晶片的機(jī)械諧振頻率fr一致，晶片就會(huì)由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生機(jī)械諧振。晶片的機(jī)械諧振也可以由正壓電效應(yīng)而輸出電訊號(hào)，這種晶片即為壓電振子。壓電振子諧振時(shí)，要克服由于內(nèi)摩擦而造成的損耗。機(jī)械品質(zhì)

23、因數(shù)Qm反映壓電振子在諧振時(shí)的能量損耗程度： 機(jī)電耦合系數(shù)K表示壓電材料的機(jī)械能與電能間的耦合關(guān)系： 3 材料的表征現(xiàn)代材料科學(xué)在很大程度上依賴于對(duì)材料性能與其組分及其顯微組織關(guān)系的理解，因此對(duì)材料性能的各種測(cè)試技術(shù)，對(duì)材料組織及性能從宏觀到微觀不同層次的表征技術(shù)構(gòu)成了材料科學(xué)與工程的一個(gè)重要局部。材料的宏觀表征如密度、彈性模量、泊松比、剪切模量、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、電阻、折射率等已經(jīng)比較熟悉了，故側(cè)重于材料的微觀結(jié)構(gòu)的表征。材料結(jié)構(gòu)的表征的目的大概有三個(gè)，即成分分析、結(jié)構(gòu)測(cè)定、形貌觀察。3.1 化學(xué)成分分析對(duì)于一種新型材料，我們首先總是想知道其組分，以及各個(gè)組分的含量、分布，這就是化學(xué)成

24、分分析。材料的化學(xué)成分分析除了傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法外，還包括質(zhì)譜、紫外、可見光、紅外光譜分析，氣液相色譜、核磁共振、電子自旋共振，電子探針、原子探針、激光探針等。質(zhì)譜儀可進(jìn)行多種形態(tài)氣體、液體、固體，常溫、高溫，常量、微量。樣品的快速分析，測(cè)量準(zhǔn)確度與精密度較高，樣品耗量少，是鑒定未知化合物的根本手段之一，可用來(lái)進(jìn)行原子量測(cè)定、同位素別離與分析、有機(jī)物結(jié)構(gòu)分析、原子與分子過(guò)程研究、固體外表研究等。核磁共振波譜學(xué)識(shí)利用原子核的物理性質(zhì)，采用現(xiàn)在電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)研究分子物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的。超導(dǎo)核磁共振波譜儀NMR成像技術(shù)可以直接觀察材料的空間里提構(gòu)象和內(nèi)部缺陷，為揭示固體大分子的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系起了

25、重要作用。NMR方法粳米、準(zhǔn)確、深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞被測(cè)樣品。3.2 結(jié)構(gòu)測(cè)定化學(xué)分析、光譜分析可以測(cè)定材料的成分，但是不能鑒別物相。對(duì)于單質(zhì)元素或其混合物而言，物相指的是以某種狀態(tài)存在的元素，但當(dāng)元素相互組成化合物或者固溶體而非其組成元素。比方，由化學(xué)分析知某物質(zhì)含有Al，O元素，但其結(jié)構(gòu)如何就不得而知，目前已了解的各種結(jié)構(gòu)的Al2O3就有14種以上，這就要靠結(jié)構(gòu)分析了。材料的結(jié)構(gòu)的測(cè)定儀衍射方法為主。衍射方法主要有X射線衍射、電子衍射、中子衍射、穆斯堡譜、Gamma射線衍射等。應(yīng)用最多最普遍的當(dāng)數(shù)X射線衍射，這一技術(shù)包括德拜粉末照相分析，高溫、常溫、低溫衍射儀，背反射和透射老厄照相，測(cè)定單

26、晶結(jié)構(gòu)的四聯(lián)衍射儀等。在X射線衍射儀中，一束平行的波長(zhǎng)0.05-0.2nm的X射線照射到樣品上時(shí)，將被樣品中各種晶體相所衍射，衍射時(shí)遵循Bragg公式： ，d是晶面間距離，X射線衍射強(qiáng)度是晶胞參數(shù)、衍射角、樣品取向度的函數(shù)。衍射圖用以確定樣品的晶體相和測(cè)量結(jié)構(gòu)性質(zhì)，包括應(yīng)變、外延結(jié)構(gòu)和晶粒的尺寸和取向。這從我所閱讀的兩篇文獻(xiàn)中都可以看出X射線應(yīng)用的一些端倪。X射線也能用于確定非晶體材料和多層膜的成分深度分析、膜的厚度和原子排列。電子衍射用于測(cè)定細(xì)微晶體或材料的亞微米尺度結(jié)構(gòu)，如電子衍射圖可用來(lái)分析外表或涂層的結(jié)構(gòu)，對(duì)衍射強(qiáng)度的分析可確定外表原子間的相對(duì)位置以及它們相對(duì)下層原子的位置，對(duì)不同的衍

27、射束的分析可以提供外表無(wú)序程度的狀態(tài)。中子衍射用于材料主要是金屬、合金材料的缺陷、空穴、位錯(cuò)、沉淀相、磁不均勻性的大小和分布，以及生物大分子在空間的構(gòu)型。3.3 形貌觀察主要是依靠顯微鏡。光學(xué)顯微鏡是在微米尺度上觀察材料的普及方法。掃描電子顯微鏡SEM和透射電子顯微鏡那么把觀察的尺度推進(jìn)到亞微米和微米以下的層次。掃描電鏡在材料的斷口分析上很有用，可以直接觀察局部結(jié)晶高聚物的球晶大小完善程度、共混物中分散相的大小、分布與連續(xù)相母體的混溶關(guān)系。順便了解其他一些時(shí)髦的顯微鏡：掃描隧道顯微鏡STM，是一種外表分析儀器，1982年由IBM的蘇黎世研究所研制成功，STM具有極高的空間分辨能力平行方向分辨率為0.04nm，垂直方向達(dá)0.01nm，在此之前，人類還無(wú)法直接觀察物體外表上的原子和分子結(jié)構(gòu)。其根本原理是量子隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)指的是微觀粒子所具有的穿越勢(shì)壘的能力。它利用金屬針尖在樣品的外表進(jìn)