非金属材料学第三章性能

1、第三章第三章 无机非金属材料的性能无机非金属材料的性能 3.1 力学性能力学性能 金属：金属： 在外力作用下一般经历弹性变形、在外力作用下一般经历弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。塑性变形和断裂三个阶段。 大多数无机非金属材料大多数无机非金属材料: 塑性变形区域范围很小或几乎没塑性变形区域范围很小或几乎没有为脆性。有为脆性。 不同材料的典型应力和应变关系图不同材料的典型应力和应变关系图弹性应变区；弹性应变区； 塑性应变区塑性应变区 指受载荷时出现的形状改变及断裂性质指受载荷时出现的形状改变及断裂性质sb陶瓷与玻璃金属材料高分子材料陶瓷陶瓷与与玻璃玻璃金属材料金属材料高分子材料高分子材料e弹性变

2、形弹性变形 理想的弹性变形是可逆变形。在弹性变形范围内，应力理想的弹性变形是可逆变形。在弹性变形范围内，应力和应变间服从虎克定律和应变间服从虎克定律(单值线性函数关系单值线性函数关系)，四个弹性常数：，四个弹性常数：E 、G、K、n n与原子间的相互作用有关。与原子间的相互作用有关。l正应力下正应力下:= Ee e E弹性模量，也叫材料的刚度，表示材料弹性变形抵抗力弹性模量，也叫材料的刚度，表示材料弹性变形抵抗力的大小的大小l切应力下切应力下: t t= Gg g t t、g g分别为切应力、切应变，分别为切应力、切应变，G切变模量切变模量 l G = E /2（1n n） n n泊松比泊松比

3、, 横向收缩率与纵向伸长率的比值横向收缩率与纵向伸长率的比值l K = E /3(12 n n) K体弹性模量（压缩模量）体弹性模量（压缩模量）, 压力与体积变化率的比值压力与体积变化率的比值 弹性常数测定方法：超声波法弹性常数测定方法：超声波法硬度硬度 硬度：抵抗机械变形能力的总和。硬度：抵抗机械变形能力的总和。 硬度取决于键的强度，无机非金属材料的硬度比较高。硬度取决于键的强度，无机非金属材料的硬度比较高。 一般无机非金属材料的硬度随温度的升高而降低。一般无机非金属材料的硬度随温度的升高而降低。 因为温度升高，原子间振动增加，从削弱了原子间的结合力。因为温度升高，原子间振动增加，从削弱了原

4、子间的结合力。 维氏硬度（显微硬度）用压入试验测定。维氏硬度（显微硬度）用压入试验测定。强度强度 强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。l材料受力的方式：拉、压、弯、扭四种。材料受力的方式：拉、压、弯、扭四种。 对应于抗拉强度、抗压强度、抗弯强度（抗折强度）和抗扭强度，对应于抗拉强度、抗压强度、抗弯强度（抗折强度）和抗扭强度，实际只测定抗拉、抗压、抗弯三项指标。实际只测定抗拉、抗压、抗弯三项指标。l抗拉强度为试样被拉断前的最大承载抗拉强度为试样被拉断前的最大承载拉应力。拉应力。l抗压强度为试样被破坏前的最大承载抗压强度为试样被破坏前的最大承

5、载压应力。压应力。l抗弯强度与试样所能承载的最大断裂抗弯强度与试样所能承载的最大断裂载荷相对应，通常采用三点弯曲法测定。载荷相对应，通常采用三点弯曲法测定。实测强度远低于理论强度实测强度远低于理论强度缺陷和表面裂纹缺陷和表面裂纹样品抗弯实验示意图样品抗弯实验示意图3.2 热学性能热学性能主要包括热容、热膨胀和热传导主要包括热容、热膨胀和热传导热容热容 温度升高温度升高1 oC时物质能量的增加，每一克物质的热容时物质能量的增加，每一克物质的热容J/(g oC)称称为比热，每一个分子的热容叫做分子比热。为比热，每一个分子的热容叫做分子比热。恒容比热恒容比热Cv 温度升高但不发生体积变化时能量的增加

6、。温度升高但不发生体积变化时能量的增加。 Cv的物理意义：反映晶体受热激发后激发出的格波与温度的关系。的物理意义：反映晶体受热激发后激发出的格波与温度的关系。恒压比热恒压比热Cp 压力保持恒定时温度升高而引起的能量增加。压力保持恒定时温度升高而引起的能量增加。蓄热材料：蓄热材料：比热大比热大加热材料：加热材料：比热小比热小热膨胀热膨胀产生热膨胀的原因：产生热膨胀的原因： 温度升高，热振动使原子间距增大温度升高，热振动使原子间距增大热膨胀系数：线膨胀系数和体积膨胀系数热膨胀系数：线膨胀系数和体积膨胀系数热膨胀系数大小与原子间键强和物质结构密切相关。热膨胀系数大小与原子间键强和物质结构密切相关。原

7、子结合键越强，热膨胀系数越小原子结合键越强，热膨胀系数越小热膨胀系数测定：热膨胀系数测定：石英比较法石英比较法热传导热传导 对于某温度下处于热振动状态的粒子，由外部再加上能量更大的热振动对于某温度下处于热振动状态的粒子，由外部再加上能量更大的热振动时，会依次引起邻接离子的热振动状态升高，热振动状态高的波峰向低温方时，会依次引起邻接离子的热振动状态升高，热振动状态高的波峰向低温方向移动，将最初引入的热振动以粒子为媒介不断传送下去。向移动，将最初引入的热振动以粒子为媒介不断传送下去。 热传导系数热传导系数指单位温度梯度下，单位时间内通过横截面积的热量，反映了指单位温度梯度下，单位时间内通过横截面积

8、的热量，反映了物质传热的难易，其倒数叫做热阻。物质传热的难易，其倒数叫做热阻。无机非金属材料的热传导主要依赖于晶格振动，或依赖于声子传导热量。无机非金属材料的热传导主要依赖于晶格振动，或依赖于声子传导热量。气孔越多，材料的热传导性越差。原子排列的有序性越高，热传导性越强。气孔越多，材料的热传导性越差。原子排列的有序性越高，热传导性越强。3.3 导电性能导电性能 电阻率电阻率或或电导率电导率表示材料的导电难易。根据导表示材料的导电难易。根据导电性的不同，可以将固体分为导体、半导体和绝缘体。电性的不同，可以将固体分为导体、半导体和绝缘体。 导体的电阻率小于导体的电阻率小于10-4 cm，绝缘体的电

9、阻率大，绝缘体的电阻率大于于109 cm。 导电能力的大小由载流子浓度和载流子的迁移速导电能力的大小由载流子浓度和载流子的迁移速率决定。载流子可以是电子，空穴或离子。率决定。载流子可以是电子，空穴或离子。离子导电离子导电 当固体中存在离子扩散运动时，就有可能产生离子当固体中存在离子扩散运动时，就有可能产生离子导电。导电。 离子半径小而扩散快的阳离子，其运动活化能或迁离子半径小而扩散快的阳离子，其运动活化能或迁移需克服的势垒较小，在低温时就易产生较大的电导移需克服的势垒较小，在低温时就易产生较大的电导率。率。 如果材料的结构比较松散或存在大量的结构缺陷，如果材料的结构比较松散或存在大量的结构缺陷

10、，空隙成为离子迁移的通道，使得材料的电导率增大。空隙成为离子迁移的通道，使得材料的电导率增大。 由于扩散与温度相关，因此离子电导率也随温度的由于扩散与温度相关，因此离子电导率也随温度的升高而增大。升高而增大。2222ZrOZrOOZrOZriOCaOCaVOCaOCaCaO快离子导体快离子导体电子导电电子导电l价带：价带：原子中处于最外层的价电子所占据的能级最容易分裂原子中处于最外层的价电子所占据的能级最容易分裂而形成能带而形成能带l导带：导带：最靠近价带且其能量比较高的那个能带。最靠近价带且其能量比较高的那个能带。l禁带：禁带：导带和价带间的电子能级不存在的区域。导带和价带间的电子能级不存在

11、的区域。 Fe2+=Fe3+e-形成非化学计量化合物形成非化学计量化合物Fe2O3-xAl取代取代SiC中的中的Si掺杂掺杂N取代取代SiC中的中的CVacuumlE = V/lDielectric 电介质电介质VPV面积面积A3.4 介电性能介电性能 e e为相对介电常数为相对介电常数 材料越易被极化，电容量材料越易被极化，电容量也大，相应电容器的尺寸可也大，相应电容器的尺寸可大大减小，有利于集成电路大大减小，有利于集成电路和大规模集成电路的发展。和大规模集成电路的发展。 0100+=QQCCQe 电容器两板间的电电容器两板间的电介质能提高电容量介质能提高电容量介电损耗介电损耗 电介质在电场

12、作用下，引起介质发热，单位时间内电介质在电场作用下，引起介质发热，单位时间内消耗的能量称为介电损耗。消耗的能量称为介电损耗。 tan （ 为相位偏移角）的大小直接影响电介质损失为相位偏移角）的大小直接影响电介质损失的大小，是判断电介质是否可做绝缘材料的初步标准。的大小，是判断电介质是否可做绝缘材料的初步标准。 Q=1/tan 为晶质因素。为晶质因素。Q越大，越大，tan 越小，说明电越小，说明电容器的品质越好。容器的品质越好。 高性能电容器用电介质的材料要求：高性能电容器用电介质的材料要求： 高的介电常数、低的介电损耗高的介电常数、低的介电损耗铁电性铁电性 电场强度增大时，极化程度开始按比例电

13、场强度增大时，极化程度开始按比例增大，接着突然升高。在电场强度很大时，增大，接着突然升高。在电场强度很大时，极化速度又减慢并趋于极限值。极化速度又减慢并趋于极限值。 去除电场后，剩余一部分极化状态，必须去除电场后，剩余一部分极化状态，必须加上相反的电场才能完全消除极化状态，出加上相反的电场才能完全消除极化状态，出现类似于铁磁体类似的滞后现象，人们称之现类似于铁磁体类似的滞后现象，人们称之为铁电性。为铁电性。3.5 磁学性能磁学性能 B为磁感应强度，为磁感应强度， 0是真空时的导磁率，是真空时的导磁率，H为磁场强度，为磁场强度，M是磁化强度。是磁化强度。0=H+MB00=(1)rMHH 10/r

14、是相对导磁率是相对导磁率, 1 为材料的磁导率。为材料的磁导率。 = 1r为磁化率。磁化率为正的为顺磁性，磁化率为负的为为磁化率。磁化率为正的为顺磁性，磁化率为负的为抗磁性，磁化率超过一般物质许多倍的为铁磁性。抗磁性，磁化率超过一般物质许多倍的为铁磁性。 磁性磁性 起源？起源？抗磁性（抗磁性（Al3+、O2+、Pb2+) 材料中原子或离子中所有磁矩相互抵消，总磁矩等于零。在外加磁场材料中原子或离子中所有磁矩相互抵消，总磁矩等于零。在外加磁场的作用下会产生磁化，其方向与外加磁场方向相反。磁化率为负，磁效应的作用下会产生磁化，其方向与外加磁场方向相反。磁化率为负，磁效应较弱，较弱， 约约10-4，

15、相对导磁率，相对导磁率 r略小于略小于1。顺磁性顺磁性 （稀土离子）稀土离子） 材料中原子或离子的壳层内电子自旋磁矩没有相互抵消，形成永久磁材料中原子或离子的壳层内电子自旋磁矩没有相互抵消，形成永久磁矩。在没有电场作用时，各个磁矩没有相互作用或作用很弱，指向是无序矩。在没有电场作用时，各个磁矩没有相互作用或作用很弱，指向是无序分布的，没有形成宏观磁现象。但在磁场作用下，这些磁矩沿磁场方向排分布的，没有形成宏观磁现象。但在磁场作用下，这些磁矩沿磁场方向排列，有磁化发生，磁化率大于零。磁效应较小，列，有磁化发生，磁化率大于零。磁效应较小， 约约10-5。HH铁磁性：铁磁性：EuO、Fe 材料中的原

16、子或离子内有未被抵消的自旋磁矩存在，磁矩的材料中的原子或离子内有未被抵消的自旋磁矩存在，磁矩的相互作用强，在磁畴内自旋磁矩沿着一个方向平行排列，发生自相互作用强，在磁畴内自旋磁矩沿着一个方向平行排列，发生自发磁化。但宏观上整个晶体是无磁性的。发磁化。但宏观上整个晶体是无磁性的。 磁场作用下，磁场和磁化强度不成线性关系。在高于铁磁性居磁场作用下，磁场和磁化强度不成线性关系。在高于铁磁性居里温度里温度Tc温度，铁磁性就转变为顺磁性了，此时温度，铁磁性就转变为顺磁性了，此时 = (C为常数为常数)。温度低于。温度低于Tc，自发磁化产生。，自发磁化产生。/()CCTT反铁磁性：反铁磁性： FeO 相邻

17、的未被抵消的自旋磁矩异向平行排列，形成的磁畴是无磁性的，磁化率是相邻的未被抵消的自旋磁矩异向平行排列，形成的磁畴是无磁性的，磁化率是正的，数值不大，超过反铁磁性转变温度（尼尔温度正的，数值不大，超过反铁磁性转变温度（尼尔温度TN）后变成顺磁性。）后变成顺磁性。铁氧体磁性铁氧体磁性：（：（Mn、Zn）Fe2O4 和铁磁体一样，具有磁畴和磁滞回线。磁导率和磁化率比较大。磁畴内存在两和铁磁体一样，具有磁畴和磁滞回线。磁导率和磁化率比较大。磁畴内存在两种磁矩，呈反向平行排列。种磁矩，呈反向平行排列。 铁磁性铁磁性 反铁磁性反铁磁性 铁氧体铁氧体Hq qiq qrq qiI0ITIR光与材料的相互作用光

18、与材料的相互作用:透射透射反射反射折射折射吸收吸收入射入射第五节 光学性质3.6 光学性能光学性能IA折射、反射、吸收折射、反射、吸收 折射率折射率 当吸收率很小时，当吸收率很小时，反射率反射率 光的吸收率光的吸收率A、透过率、透过率T和反射率和反射率R有如下关系：有如下关系：A+T+R=1F物质对不同波长的可见光进行选择性吸收后，就表现出颜色。物质对不同波长的可见光进行选择性吸收后，就表现出颜色。物质吸收光时，外层电子从基态跃迁到激发态，基态与激发态物质吸收光时，外层电子从基态跃迁到激发态，基态与激发态的能量差越小，颜色就越深。的能量差越小，颜色就越深。F呈现的颜色与物质吸收光的波长有关。呈现的颜色与物质吸收光的波长有关。 如吸收波长如吸收波长400nm的紫光，观察到的颜色为黄绿的紫光，观察到的颜色为黄绿 吸收波长吸收波长730nm的玫瑰色光，观察到的颜色为绿色的玫瑰色光，观察到的颜色为绿色0CnC212nRnWhy blue？3.7 化学性能化学性能l材料抵抗外部物质侵蚀的能力称为材料抵抗外部物质侵蚀的能力称为耐蚀性耐蚀性或叫或叫化学稳定性化学稳定性。l常温常温下使用的材料其化学稳定性通常是指抵抗周围介质中水、酸、碱的下使用的材料其化学稳定性通常是指抵抗周围介质