材料性能基礎

材料性能基礎

王秀麗

材料科學與工程學系

wangxl@

材料性能基礎物理性能：密度、熔點、熱、電、光、磁化學性能：抗氧化、耐蝕性、催化性、生物相容性力學性能：彈性、強度、韌性、硬度、疲勞、高溫力學性能、耐磨性改變材料力學性能的主要方法：金屬材料強化方法（塑性變形、細化晶粒、合金化、熱處理），無機非金屬材料增強增韌、高分子材料增強與改性

材料性能概述材料的性能：表征材料在給定外界條件下的行為成分組織結構性能制備技術、加工過程等Fe-0.45wt%C不同組織下表現(xiàn)完全不同的性能：左邊—F+P，較軟、韌右邊—M，較硬、脆化學鍵三大材料一般性能特點材料價鍵一般性能特點金屬金屬鍵強度硬度較高；塑性韌性好；導電導熱性好無機非金屬離子鍵、共價鍵強度硬度高；塑性韌性差；一般不導電；耐熱；耐腐蝕高分子共價鍵、分子鍵強度硬度低；韌性中等；絕緣；不導熱；耐熱性差、易燃；輕；軟；易加工材料的物理性能熱學性能：熱容、熱傳導、熱膨脹、熱輻射、耐熱性電學性能：導電、介電、鐵電、壓電光學性能：光的透過、吸收和反射；熒光性磁學性能：鐵磁、順磁、抗磁Chap3-1（1）熱容熱容表征材料從周圍環(huán)境吸收熱量的能力，用1mol物質溫度升高1K是所吸收的熱量來表示，有定壓熱容和定容熱容兩種。單位：J/(mol?K)003R

DT/K材料定容熱容和溫度之間的關系熱學性能：晶格熱振動

--晶格點陣中的質點（原子、離子）圍著平衡位置做微小振動德拜溫度根據(jù)熱容選材：材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱量小，熱損耗小。同一組成，質量不同，熱容也不同，質量輕，熱容小。對于隔熱材料，需使用輕質隔熱磚，便于爐體快速升溫，同時降低熱量損耗。（2）熱傳導熱傳導本質：由于溫差而發(fā)生的材料相鄰部分間的能量遷移。T1T2QT1-T2=1K熱傳導表征——熱導率，單位：W/(m?K)定義：q——單位時間單位面積（垂直于熱流方向）內流過的熱量，單位：W/m2dT/dx——溫度梯度，單位：K/m熱傳導機制熱傳導的三種方式：自由電子傳導、晶格振動傳導和分子或鏈段傳導

金屬材料的熱傳導——自由電子傳導金屬的熱導率較高（20-400W/m-K），隨溫度的升高、缺陷的增多而下降。

無機非金屬材料的熱傳導——晶格振動傳導熱導率低，良好的絕熱材料（一般陶瓷材料2-50W/m-K），隨溫度升高略微減??；陶瓷中的孔洞明顯降低熱導率；玻璃的原子排列遠程無序，不產生熱彈性波，因此熱導率更低；

高分子材料的熱導率——分子或鏈段傳導熱量通過分子或鏈段的傳遞，速度慢，因此其熱導率低，可用作絕熱材料；結晶度增大，熱導率增大；孔洞降低熱導率。（3）熱膨脹熱膨脹系數(shù)——溫度變化1K時材料單位長度（線膨脹系數(shù)

l）或單位體積（體積膨脹系數(shù)

v

）變化量。對各向同性材料，

v=3

l熱膨脹系數(shù)主要取決于原子（或分子、鏈段）之間結合力。結合力越大，熱膨脹系數(shù)越低。材料金屬陶瓷高分子

l/10-6K-15-250.5-1550-300（4）熱應力熱應力——溫度變化引入的材料內部的應力，導致斷裂或塑性變形約束熱脹冷縮引起的熱應力：加熱時，Tf>T0，

<0，為壓縮應力；冷卻時，Tf<T0，

>

0，為拉伸應力。材料內部溫度梯度引入的熱應力：急冷急熱時，材料內部產生溫度梯度，其大小取決于材料的形狀尺寸、熱導率和外界溫度變化。溫度梯度也產生熱應力。例如，材料急冷時（假設不發(fā)生相變），外部冷得快，因而尺寸收縮得較快，被內部阻礙而在外部產生拉應力，在內部產生壓應力；加熱時應力狀態(tài)相反。實例：裝熱水的玻璃杯越厚越容易“燙破”！抗熱沖擊性對塑性材料，熱應力導致塑性變形；對陶瓷類脆性材料，熱應力直接導致脆性斷裂。抗熱沖擊性(ThermalShockResistance,TSR)——材料抵抗由于熱沖擊引起的脆性斷裂的能力。提高材料TSR值的最簡單有效的方法是降低其熱膨脹系數(shù)。例如，普通玻璃：

l=910-6K-1耐熱玻璃（石英玻璃，減少普通玻璃中的CaO、Na2O含量，添加一定量的B2O3，l=310-6K-1電學性能導電性能：歐姆定理、電導率、固體的能帶結構、材料導電性半導體：本征半導體、摻雜半導體超導其它電性能：鐵電、壓電、介電（1）歐姆定理和電子導電歐姆定理：電導率：電子在電場E作用下沿x方向作漂移運動（即電場作用下電子的運動），則動量px=mvx。m——電子有效質量，vx——電子平均漂移速率。當電子之間或電子與其他粒子碰撞時失去動量。二者平衡時，電場力=碰撞作用力：eEx=mvx/

為二次碰撞之間的時間，稱為馳豫時間。因此，vx=eEx/m=Ex

——電子遷移率,

=e/m，反應電子遷移的難易程度。設電子密度為n，則電流密度Jx=nevx=neEx,=Jx/Ex=ne=ne2/m----++++e-電子遷移率和載流子密度材料的電導率=Jx/Ex=ne=ne2/m材料的電導率和載流子密度n，遷移率

相關。金屬鍵結合的材料：載流子為價電子，密度高，遷移容易，電導率高。共價鍵結合的材料：必須打開共價鍵后電子才能遷移，電導率低（半導體或絕緣體材料）。離子鍵結合的材料：載流子為整個離子，通過離子擴散導電。（電解液）一些材料電導率金屬導電性的影響因素理想晶格高溫加熱晶格含缺陷晶格溫度：，

——電阻溫度系數(shù)；

r——室溫電阻率晶格缺陷：，x——缺陷體積分數(shù)；b——常數(shù)強化方式：固溶強化——晶格畸變嚴重，極大縮短電子自由程，降低電導率；時效強化、彌散強化——降低導電性的作用不如固溶強化明顯；形變強化、細晶強化——對導電性影響很小。導電功能材料的性能（金屬材料）

電線、電纜所用材料主要是銅、鋁及其合金。銅導電材料大都采用電解銅，含銅量99.97~99.98%，含有少量金屬雜質和氧銅中雜質會降低電導率，氧也使產品性能大大下降無氧銅性能穩(wěn)定、抗腐蝕、延展性好、抗疲勞，可拉成很細的絲，適合于做海底同軸電纜的外部軟線，也可用于太陽能電池與銅導線相比，鋁導線電導率低（純鋁為61%），但其重量輕，比重只有銅的1/3，是鋁導線的一大優(yōu)點鋁導線主要用做送電線和配電線。對于160KV以上的高壓電線，往往用鋼絲增強的鋁電纜或鋁合金線。離子晶體導電固體電解質的導電機理——離子導電載流子：離子離子導電條件：1）離子在晶格中運動需要克服周圍勢壘，遷移率可表達為，因此，電導率和溫度的關系為，即，ln

1/Tab高溫段a——本征空位居主導，激活能大，由空位激活能和離子克服勢壘激活能組成；低溫段b——非本征空位居主導，激活能小，只是離子克服勢壘激活能。2）附近有空位接納離子?？瘴槐菊骺瘴唬弘x子晶體熱激發(fā)引起的空位，隨溫度升高而增多非本征空位：離子晶體中雜質引起的空位，數(shù)量由雜質多少決定導電功能材料的性能許多電阻元件是用無機非金屬材料做的，其中包括高電導氧化物（σ在105-106S·m-1）如PdO、RuO2、Bi2Ru2O7、Bi2Ir2O7，有低的正溫度系數(shù)。一些陶瓷材料（如ZnO）的電阻隨電壓是變化的，在低電壓時電阻大，當電壓超過某個值后突然變小，這種電阻叫壓敏電阻，可用于電路的暫態(tài)保護，避免高壓脈沖進入要保護的電路。ZnO晶粒大小不均勻，可相差10倍。在低壓下，晶界電阻高，相當于絕緣勢壘，使整體顯示高電阻，但當電壓大于某個值后，晶界處有的離子被激活可以參與導電，因而電阻值下降。能帶理論單原子電子占據(jù)不同的能級；由N個原子組成的固體材料中，各能級擴展成能帶。堿金屬最外層只有一個電子，ns能帶半滿。電場作用下，電子從價帶躍遷到導帶而使堿金屬導電。Na:1s22s22p23s1導體半導體絕緣體的能帶結構能帶特征：導體——由內部的滿充帶和外部的半填充帶組成，價帶和導帶相連，無禁帶絕緣體——價帶和導帶之間有很寬的禁帶半導體——禁帶寬度較?。ū菊靼雽w）或存在雜質能級（雜質半導體）絕緣體半導體導體價帶導帶禁帶不同金屬的能帶結構Na:1s22s22p23s1Mg:1s22s22p63s2Al:1s22s22p63s23p1Fe:1s22s22p63s23p63d64s2Cu:1s22s22p63s23p63d104s1本征半導體Si、Ge禁帶寬度較?。s1ev），一些電子可能有足夠的熱能從價帶跳躍到導帶，從而在價帶留下一個空穴，在導帶產生一個電子。在外加電壓作用下，電子向正極，空穴向負極運動而導電。其電導率，半導體電導率和溫度之間的關系（與金屬比較）半導體電阻介于導體和絕緣體之間，升高溫度或摻入雜質可改變電阻值摻雜半導體n型半導體——Si、Ge中摻入少量五價元素P、Sb、Bi、As等，多出一個價電子，在導帶附近形成一雜質能級（與導帶能級之間的禁帶寬度很?。娮涌扇菀椎剀S遷到導帶而導電。p型半導體——Si、Ge中摻入少量低價元素Al等，在滿帶附近形成一雜質能級，電子從價帶躍遷到雜質能級而在價帶中留下空穴，靠空穴導電。半導體化合物化學計量比半導體化合物：通常為金屬間化合物，晶體結構與能帶結構與Si、Ge類似；非化學計量比半導體化合物：化合物中陽離子（n型）或陰離子（p型）過量?；衔颶nSZnTeCdTeGaPGaAsGaSbInSbInAsZnOCdSTiO2PbS禁帶寬/ev3.542.261.442.241.350.670.1650.363.22.423.20.37表：一些半導體化合物的禁帶寬度超導體的性能1957年，美國物理學家巴丁-庫柏-施里弗三人提出金屬超導微觀理論，即‘BCS’理論，獲得了1972年的諾貝爾物理獎BCS該理論認為，當材料處于超導態(tài)時(Ｔ<Ｔc)，金屬中的電子不再是單個地運動，而是通過與晶體振動離子的作用，結成一對對地存在(稱為庫柏對)。由于電子對結合緊密，運動過程不受晶格作用的阻礙，因而出現(xiàn)了超導態(tài)超導兩個基本特征超導的兩個特征：零電阻效應（完全導電性）邁斯納效應（完全抗磁性）永磁環(huán)超導體超導三個性能指標臨界超導溫度Tc：低于此溫度時，材料出現(xiàn)零電阻效應和邁斯納效應臨界磁場強度Hc：T<Tc時破壞超導態(tài)的最小磁場強度臨界電流密度Jc：保持超導態(tài)的最大輸入電流密度T<Tc時，輸入電流產生的磁場和外加磁場之和超過Hc時也破壞超導態(tài)。此時的臨界輸入電流即為Jc。三者關系1）Hc增大，Jc變小；2）T<Tc時，Hc隨溫度升高而下降。一些金屬Hc和T的關系MetalWTiAlSnHgPbNbLa3Se4SnTa3Nb3SnGaV3AlNb3TC/K0.0150.391.183.724.157.239.258.68.3518.0516.818.0表：一些材料的Tc值磁懸浮列車介電性能介電材料的價帶和導帶之間存在大的能隙，具有高電阻率。應用于絕緣材料和電容器。極化介電性能和電容器介電性能影響因素介電性能和絕緣體極化——產生介電作用的原因材料極化機制極化率P=Zqd,Z—單位體積電荷數(shù)，q—電荷，d—偶極子間距電子極化置于電場下的原子中，電子向接近正極的位置偏移產生極化。離子極化置于電場下的由離子鍵組成的材料中，在電場方向陽離子和陰離子相互靠近或分開產生極化?？梢鸩牧闲螤钭兓７肿訕O化置于電場下的極性分子重新排列產生極化。電場去除后可永久存在?？臻g極化由于雜質等原因，材料相界面可能存在電荷，沿電場方向排列形成極化。不重要。介電性能和電容器dU平板電容器Q=CU，C=A/d

—電容率，表征材料極化和儲存電荷的能力

=/0，相對電容率，又稱介電常數(shù)，單位：無。

0—真空的電容率，

0=8.8510-12F/m介電常數(shù)取決于材料、溫度和電場頻率，與極化率P的關系為：P=(-1)0EE—電場強度介電強度（電容器擊穿電壓）—極板之間可以維持的最大電場強度E。單位：V/m介電損耗—材料在每次交變電場中損失的能量占的分數(shù)（以熱能形式消耗）。單位：無介電損耗原因：1）電流泄漏。電阻大時，這部分損耗很小；2）偶極子重排時產生的內耗。偶極子移動較難，一定交變頻率下內耗較大。電容器對材料介電性能的要求：高介電常數(shù)高介電強度低介電損耗電容器：瞬時大電流放電

超級電容器結構介電性能和絕緣體絕緣體對介電性能的要求：高電阻率——防止電流泄漏；高介電強度——防止高電壓下被擊穿；低介電損耗——避免能量損失；低介電常數(shù)——避免電荷在絕緣體中積聚。壓電性能一些材料受外界應力作用而變形時形成偶極矩,在相應的晶體表面產生與應力成比例的極化電荷；相反，將材料放在電場中，晶體產生與電場強度成比例的彈性變形。正壓電效應：形變電壓逆壓電效應：電壓形變材料壓電性決定因素：晶體不對稱，有極軸絕緣體正壓電效應逆壓電效應光學性能光波:紅外線(>800nm)、可見光(400-800nm)、紫外線(<400nm)不同材料對光的反射、吸收和透射金屬材料陶瓷材料高分子材料反射對微波、紅外線、可見光有強反射對可見光不反射反射率小吸收對微波、紅外線、可見光吸收由于晶格振動,在紅外波段吸收;含過渡金屬、稀土金屬離子的物質對可見光吸收.在可見光波段產生吸收;在紅外波段產生吸收.透射對紫外線透過;厚10-50nm的薄膜透過可見光.近紅外和可見光一般透過;雜質、氣孔和多晶使透過率下降.透光性高材料對光波的作用與能帶結構有關。材料的發(fā)光金屬：價帶與導帶重疊，光吸收后發(fā)射的光子能量很小，對應的波長在可見光范圍內，因此不發(fā)光。熒光材料：價帶受激發(fā)的電子躍遷到導帶，但不穩(wěn)定，很快返回價帶，并同時釋放出光子。發(fā)光時間短于10-8s。磷光材料：存在雜質，引入施主能級。價帶受激發(fā)的電子躍遷到導帶，先落入施主能級并停留一段時間以逃脫陷阱，而后返回價帶，并同時釋放出光子。發(fā)光時間長于10-8s。應用：熒光燈、夜光表、彩色電視機、數(shù)字顯示管等。激發(fā)源：電子射線、紫外線、X射線、光波等。物質的磁學性能物質的磁性和磁學基本量磁性的分類：抗磁性——

約為-10-5，如Bi、Cu、Ag、Au；順磁性——=C/T，C為常數(shù)，

約為10-5，如Al、Pt、稀土元素等；鐵磁性——

約為103，有Fe、Co、Ni三種，

T>Tc時，

=C/（T-Tc），Tc為居里溫度。磁化強度M:單位體積內的磁矩矢量和:單位體積的總磁矩M（安／米）.M是描述磁質被磁化后其磁性強弱的一個物理量。χ稱為磁化率或磁化系數(shù),反映物質磁化的難易程度。（χ無量綱）磁感應強度:B(特斯拉)磁場強度:H(安/米)磁化強度:M(安/米)物質磁化后的總磁場為B：B=μ0（1+χ）HB=μH磁導率