材料化学第三章的性能

1、Chapter 3Properties of Materials材料的性能Chapter3 Properties of Materials1General Characters ofMaterialsChapter3 Properties of Materials2本章主要内容材料的几类主要性能：ØØØØØØ化学性能力学性能热性能 电性能 磁性光学性能学习目的：1. 了解材料的各类性能；2.3.学习一些材料性能的表征及测试方法；加深理解材料结构与性能的关系。Chapter3 Properties of Materials33.1化学性

2、能Chemical Performance材料抵抗各种介质作用的能力溶蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗氧化性Chapter3 Properties of Materials4化学稳定性3.1.1耐氧化性吸附（1）化学锈蚀氧化物成核 生长氧溶解氧化膜生长内氧化缝隙孔洞微裂纹金属氧化反应的主要过程示意图宏观裂纹Chapter3 Properties of Materials5几种金属的表面氧化膜对比Chapter3 Properties of Materials6松散氧化膜致密氧化膜多孔氧化膜（2）电化学腐蚀corrosion cell between a steel water pipe and a co

3、pper fittingsimple electrochemical cellChapter3 Properties of Materials7（2）电化学腐蚀SO2气体对铁的侵蚀过程Chapter3 Properties of Materials8海水对金属的侵蚀示意图Chapter3 Properties of Materials9电化学防锈牺牲阳极法Cathodic protection of a buried steel pipelineChapter3 Properties of Materials103.1.2耐酸碱性耐酸材料耐碱材料Chapter3 Properties of M

4、aterials11大多数金属氧化物都是碱性氧化物，相应的材料表现出较强的耐碱性，而易受酸侵蚀或溶解。以酸性氧化物SiO2为主金属的耐酸碱性主要是高温下浓碱液的腐蚀问题镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。耐蚀机理：碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的g-(Fe, Cr)2O3 氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物，使材料本体受到保护。Chapter3 Properties of Materials12高材料：化学稳定性好，耐酸耐碱 主链原子以共价键结合 长链对反应基团的保护 电绝缘性，无电化学腐蚀Chapter3 Properties o

5、f Materials133.1.3耐性金属材料和无机非金属材料有好的耐性能；，很多有机热塑性高材料一般由线形高溶剂都可以将其溶解；交联型高在中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差；不同的高材料，其链以及侧基不同，对各种表现出不同的耐受性；组织结构对耐溶剂性也有较大影响。 例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数溶，因而具有很好的耐溶剂性。中都难Chapter3 Properties of Materials143.1.4耐老化性CH3CH3CH2CCHCH2hn-H+光照下形成自由基：CH2CCHCH氧气的参与：RH + ·OO· ¾¾®

6、 R· + ·OOH(1)(2)(3)(4)(5)R·+ ·OO· ¾¾® ROO· ¾R¾H® ROOH+R·ROOH+RH ¾¾® RO· + ·OHRO·HO·+ ·OH ¾¾® ROH + R·+ RH ¾¾®R·+ H2O自由基形成后导致链的断裂（降解）：CH3CH3CH3CH3CCH2CO O C

7、H3CH2CH2 COC OCHCC OCH2O+ CC OCHOCH3CH3CH3Chapter3 Properties of Materials15高材料的问题结构与耐老化性羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光照射下容易被氧化降解。聚四氟乙烯有极好的耐老化性能氟原子与碳原子形成牢固的化学键；氟原子的包围住。大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键、聚碳酸酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等等，都会降低高材料的耐老化性。Chapter3 Properties of Materials16耐老化性的提高 改进聚合物 加入适当助剂结构抗氧化剂消除

8、自由基、分解氢过氧化物涂层、炭黑光剂紫外线吸收剂紫外区的光剂淬灭剂消散激发态能量Chapter3 Properties of Materials173.2 力学性能Mechanical Property材料抵受外力作用的能力Chapter3 Properties of Materials18FFFFFF拉伸压缩弯折剪切3.2.1 材料的强度(Strength)Ø 拉伸强度Ø 弯曲强度Ø 冲击强度应力stresss = F / A0应变straine = (l - l0 ) / l0Chapter3 Properties of Materials19ultimate

9、 tensile strengthyield strength样品拉伸试验s = Ee(Hooke's Law)应力-应变曲线Chapter3 Properties of Materials20延展性或塑性的表征延伸率delongationd < 5%： 脆性材料- l0d = l f´100%l0断面收缩率Yreduction of area= A0 - AfY´100%A0Chapter3 Properties of Materials21材料的一些力学性能特点：很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；多晶材料的强度高于单晶材料；这是因为多晶材料中的晶

10、界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。通过目的。晶粒的生长，可以达到强化材料的固溶体或合金的强度高于纯金属；杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。源于共价键的方向性Chapter3 Properties of Materials22s(MPa)9008007006005004003002001000锰钢硬铝低碳钢退火球墨铸铁e(%)102030Chapter3 Properties of Materials233.2.2材料的硬度（hardness)材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标布氏硬度（Brinel

11、l hardness）FHB =(p / 2)D(D -D2- D2 )i洛氏硬度（Rockwell hardness）HR=(K-h)/0.002维氏硬度（Vickers hardness）HV=0.189F/d2Chapter3 Properties of Materials24Chapter3 Properties of Materials25维氏硬度测量硬度试验Chapter3 Properties of Materials26各种材料的硬度特征：由共价键结合的材料如石具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高；无机非金属材料有较高硬度离子键和共价键的强度均较高；当含有价态较高而半径较小

12、的离子时，所形成的离子键强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。高材料硬度通常较低链之间主要以力或氢键结合，键力较弱Chapter3 Properties of Materials273.2.3疲劳性能材料抵抗疲劳破坏的能力疲劳（fatigue）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。Chapter3 Properties of Materials283.3热性能Thermal PropertyØ 热容（heat capaci

13、ty）Ø 热膨胀（thermal expansion）Ø 热传导（thermal conduction）Chapter3 Properties of Materials293.3.1 热容（heat capacity）1mol物质升高1K所需要的热量C = dQdT定压热容Cp晶体材料较高温度下：Cp=3R=24.9 J×mol-1×K-1。极低温度下：CpµT3热容CVChapter3 Properties of Materials303.3.2 热膨胀thermal expansion 膨胀系数a：温度变化1K时材料尺度的变化量。 线膨胀系

14、数al和体积膨胀系数aV= æ 1 öæ ¶löaç l ÷ç ¶T ÷lèøèø p= æ 1 öæ ¶V öaç V ÷ç ¶T ÷Vèøèø pChapter3 Properties of Materials31热膨胀现象解释势能一原子间距离曲线Chapter3 Properties of Materials32

15、假想的实际的膨胀的差异原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。与热膨胀Chapter3 Properties of Materials33 金属和无机非金属材料的线膨胀系数较 小； 聚合物材料则较大。3.3.3 热传导（thermal conduction）热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象热量通量q ：q = -l dTdx热导率l：表征物质热传导性能的物理量。：W×m-1×K-1，或 cal×cm-1×s-1×K-1 1 cal×cm-1×s-1×K-1=4.2´102 W&

16、#215;m-1×K-1Chapter3 Properties of Materials34各种材料的导热率金属材料有很高的热导率 自由电子在热传导中担当主要； 金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响； 晶格振动无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。 热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。 高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率 随温度升高而增大。半导体材料的热传导： 电子与声子的共同贡献 低温时，声子是热能传导的主要载体。 较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。高材料热导率很低 热传导是靠及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。Chapt

17、er3 Properties of Materials35Chapter3 Properties of Materials363.4电性能ElectricalProperty材料被施加电场时所产生的响应行为Ø 导电性Ø 介电性Ø 铁电性Ø 压电性Chapter3 Properties of Materials373.4.1导电性能Electrical Conductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体高材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）Chapter3 Properties of Materi

18、als38R = r æ löç A ÷电阻：èøs = nZemChapter3 Properties of Materials39要增加材料的导电性，关键是增大体积内载流子的数目（n）和使载流子更易于（增大m 值）。电阻率：r电导率：s = 1/r能带理论（Band Theory） 能带的形成Chapter3 Properties of Materials40 各种材料的能带结构 Chapter3 Properties of Materials413.4.2介电性能Dielectric Property电容C（capacitanc

19、e）电荷量q与电压V的比值：C=q/V平板电容计算：C =e (A/L) e：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力； 相对介电常数er：er=e/e0Chapter3 Properties of Materials42某些介电材料的性能Chapter3 Properties of Materials433.4.3铁电性与压电性Ferroelectricity and Piezoelectricity铁电性材料在除去外电场后仍保持部分极化状态Chapter3 Properties of Materials44温度TcCurie temperatureChapter3 Properties of

20、 Materials45压电性PiezoelectricityChapter3 Properties of Materials46外力 极化 电场（a）施加一定电压s，产生反向电压，导致两端电压下降（b）施加（c）施加较大电压，材料产生变形Chapter3 Properties of Materials47常用的压电陶瓷：BaTiO3 、PbTiO3、PbZrO3 、 NH4H2PO43.5 磁性Magnetic Property磁性基本概念3.5.1Hm：磁化强度magnetizationcm：磁化率magnetic susceptibilityChapter3 Properties of

21、Materials48磁性的来源磁偶极子magnetic dipoles电子本身具有自旋，因而能产生自旋磁性，称为自旋磁矩电子绕原子核作轨道运动时能产生轨道磁性Chapter3,PCrohpemeritsietrsyooffMMaateteriraialsls 2008, ceszzh10/18/2013 10:21:08 AM493.5.2 磁性的种类反磁性（diamagnetism）cm <0磁场撤去后磁效应消失Hg、Cu、Ag、Pb石、MgO 、NaCl绝大多数高材料顺磁性（paramagnetism）cm >0含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料。cmµT-1

22、（一些非过渡金属（例如Al）。cm与T无关定理）Chapter3 Properties of Materials50铁磁性（ferromagnetism）在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态。铁磁温度ferromagnetic Curie temperatureChapter3 Properties of Materials51反铁磁性（antiferromagnetism）在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。 Mn、Cr铁氧体磁性（ferrimagnetism）不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩。代表：磁铁矿Fe3O4Chapter3 Properties of Materials52铁磁性反铁磁性铁氧体磁性Chapter3 Properties of Materials53反铁磁性（MnO）3.5.3 磁畴和磁化曲线磁畴自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成的磁化小区域。磁畴Magnetic Domain磁畴壁Magnetic Domain WallChapter3 Properties of Materials54磁滞回线hysteresis loopChapter3 Properties of Materials55软磁材料硬磁材料Chapter3 Properties of Materials563.6 光学性能Optic