工程材料的物化性能及对比.ppt

1、2.2材料的物理化学性能,了解哪些物理化学性能？,2,材料的物理性能,材料的物理性质,磁学性质,光学性质,电学性质,热学性质,3,电学性能,工业应用 导电材料导体、超导体 电阻材料变阻器、电阻 电热材料电水壶 热电偶材料传感器 科学理论研究 电阻测量测定组织结构,4,导电性的表征,电导真实电荷在电场作用下在介质中的移动 表征材料导电性质的物理量有： 电阻 R 电阻率 电导率 电阻温度系数t,5,电阻率和电导率,电阻率： 微观水平上阻碍电流流动的度量。 体积电阻率 V , m 表面电阻率 平行于通过材料表面上电流方向的电位梯度与表面单位宽度上的电流之比 S , ,6,电阻与电阻率的区别？,电阻

2、电阻率 电阻是材料形状和尺寸的函数 电阻率是材料的固有性质，只与材料的结构有关。,7,电导率,表征材料导电性的大小。 单位：Sm-1 ，(m)-1 根据电导率对材料的分类,8,理解材料的电导现象，必须明确几个问体：,载流子带电荷的自由粒子 参与迁移的是哪种有关载流子类别的问题 载流子的数量有多大有关载流子浓度、载流子产生过程的问题 载流子迁移速度的大小有关载流子输运过程的问题,9,不同材料的载流子,载流子的种类 电子、空穴 正、负离子 金属 自由电子电导率高 无机非金属两者兼有,离子导电为主 室温绝缘体，T高电导率大 高分子两者兼有杂质致有导电性 添加型 结构型,10,各种材料在室温的电导率,

3、石墨 SiC 纯锗， 纯硅， 苯酚甲醛（电木） 窗玻璃 氧化铝（Al2O3） 云母 甲基丙烯酸甲酯 氧化铍（BeO） 聚乙烯 聚苯乙烯 金刚石 石英玻璃 聚四氟乙烯,11,电导率的影响因素,单质金属中主要的散射机制是电子相互作用,电导率的温度关系为 T-1 半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数增大 =0exp(-Eg/2kT),12,金属材料导电性的主要因素,温度 塑性形变 杂质,铜和三种铜镍合金（其中一种经过冷加工）的电阻率与温度的关系曲线,13,温度的影响,温度的升高 离子振动加剧 热振动振幅加大 原子的无序度加大 改变原子长程排列 电子运动自由程减少，散射几率增加 特例原子结构变化

4、,14,塑性变形的影响,塑性变形 晶体点阵畸变 晶体缺陷增加 点阵电场不均匀，加剧电磁波的影响 再结晶退火可恢复电导率,15,杂质的影响,异类原子引起点阵畸变 组元间的相互作用，使有效电子数减少,16,导电聚合物,Alan J. Heeger Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa 1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize USA USA Japan 加利福尼亚大学 宾夕法尼亚大学 日本筑波大学 物理学家 化学家 化学家1936 1927 1936,发现并发展了导电聚合物 诺贝尔化学奖获得者 2000年

5、,白川英树,麦克迪尔米德,黑格,补充介绍,17,聚合物的电导性,添加型(复合型) 复合加入导电材料粒子，形成复合材料 成本稍低，可以满足各种成型要求，是一类已被广泛应用的功能性高分子材料 结构型 掺杂 在聚合物上去掉或增加电子 氧化掺杂:用卤素掺杂 还原掺杂:用碱金属进行 结构型材料合成工艺较复杂，成本较高，目前价格相当昂贵，是一种真正意义的导电塑料,补充介绍,18,1977年， Heeger 、MacDiarmid 和白川英树、发现当聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸气氧化后，其电导率可提高几个数量级。通过改变催化剂的制备方法和取向，电导率可达105 Scm1。,1974年，白川英树等人用Z

6、iegler-Natta催化剂制备聚乙炔薄膜,铜色（cis-，电导率108107 Scm1）,银色（trans-，电导率103102 Scm1）,补充介绍,19,补充介绍,导电聚合物的应用,理想情况下，导电聚合物具有金属导电性，且重量轻、易加工、材料来源广等特点 用作电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等 半导体器件和发光器件方面得应用 聚合物电池、电致变色显示器、场效应管、 电化学传感器、聚合物发光二极管(LED),20,材料的超导电性,超导电性在一定低温下材料突然失去电阻的现象 目前所能检测到的最小电阻率为10-27m 临界温度材料由正常态转变为超导态的温度，Tc,卡茂林昂内斯 莱顿大学 荷兰液氦

7、温区4.2K，汞 超导现象发现 诺贝尔物理奖获得者 1913年,21,J. Georg Bednorz K. Alexander Muller 1/2 of the prize 1/2 of the prize 德国 瑞士,诺贝尔物理奖获得者 1987年，,1986年，在陶瓷（ Ba-La-Cu系金属氧化物）中发现超导现象，Tc35K。 超导研究取得重大突破,22,超导电性的金属和合金 Tc 30 K 钛、钒、锆、铌、钼、钽、钨、铼、铋、铝、锡、镉等28种。 二元合金NbTi，Tc810K； NbZr，Tc1011K。三元系合金有铌-钛-锆，Tc=10 K；铌-钛-钽，Tc=910K。 超导化

8、合物 Nb3Sn，Tc=1818.5K； Nb3Ge，Tc23.2K， Nb3（AlGe），Tc20.7K等 超导电性的金属氧化物 1960s Ba-La-Cu系，35K, 1986, Bednorz, Muller Ba-Y-Cu-O系, 100 K, 1987, 我国赵忠贤等 液氮(77K)以上温度 Hg-Ba-Cu-O系，140 K,超导物质种类,23,超导体的两种特性,完全导电性 永久电流 冻结磁通 完全抗磁性迈斯纳效应磁场强度始终为零 外加磁场不能进入超导体内部 原先在体内的磁场完全排出去,24,超导体的应用,大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。 超导发电机

9、磁流体发电机 超导输电线路 超导计算机 超导磁悬浮列车 核聚变反应堆“磁封闭体”,体积却减少1/2 整机重量减轻1/3 发电效率提高50,利用高温导电性气体作导体，并高速通过磁场强度为5万6万高斯的强磁场而发电,元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件,不存在散热问题,25,EAST中国科学院等离子体物理研究所合肥科学岛,26,超导性三个性能指标,临界转变温度Tc 愈高愈好 利于应用 临界磁场Hc TTc时，破坏超导态的最小磁场。 随温度降低，Hc将增加； Hc=Hc,01-（T/Tc)2 临界电流密度Jc 保持超导状态的最大输入电流 (与Tc 、Hc相互关联）,27,临界温度、临界电流

10、、临界磁场强度与超导态转变曲线,28,材料的绝缘性击穿强度,电场中材料绝缘性被破坏。 电压升高，超过临界值，电阻率急剧下降，电流升高，材料由绝缘体变为导体 高分子材料，绝缘材料 重要指标。 击穿强度 E=V/h V击穿电压；h 材料厚度,补充介绍,29,材料的介电性,电容 真空电容 Co=Qo/V 0 A/ l 介质中电容 CQ/V= A/l 。 真空电容率(或真空介电常数)，8.85xl0-12 Fm 介质的电容率（或介电常数）,补充介绍,30,材料的物理性能,材料的物理性质,磁学性质,光学性质,电学性质,热学性质,31,材料的磁学性能,磁学基本量 磁矩表征磁性物体磁性大小的物理量，M表示

11、物体本身特性 电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 方向：右手法则 大小：IS 单位: A.m2,32,磁化强度,磁化:在外磁场H中，各磁矩规则取向，宏观呈现出磁性的现象 磁化强度:表征在外磁场H下，物质被磁化的程度 物理意义 MmV, 单位:Am-1 (安/米) 方向:矢量和 磁化率:表征物质本身的磁化特性 物理意义 M/H M材料磁化强度 H外加磁场强度 磁感应强度:通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数B，T(特斯拉)，Wbm-2 (韦伯/米2) 磁导率:磁感应强度与磁场强度的比值。 =B/H B 0(H+M )= H 真空 B00H0 真空磁导率，4l0-7(H/m) (亨利/米) 相

12、对磁导率: r= / 0 r 1,磁通密度,33,五类磁体,五类磁体的磁化曲线,抗磁性 顺磁性 铁磁性 亚铁磁性 反铁磁性,34,抗磁性不存在永久磁矩,顺磁性原子内部有永久磁矩，但做无规运动,五类磁体,35,磁滞回线,磁滞退磁过程中B的变化落后于H的变化 H 为交变磁场 材料的磁滞损耗与回线面积成正比 矫顽力Hc 消除Br (剩余磁 感应强度) ，使B为零的反相 磁场 硬磁 具有大磁滞回线 和剩磁的铁磁性材料 软磁 具有小磁滞回线 和小能量损耗的铁磁性材料,铁磁合金的磁滞回线,36,磁性材料的应用,软磁磁导体 变压器铁心 电动机转、定子 计算机的开关元件、存储元件 硬磁永久磁铁 电表 电话 选

13、矿器,Fe3%Si,37,高分子材料的磁学性能,大多数体系为抗磁性材料 顺磁性仅存在于两类有机物 含有过渡金属 含有属于定域态或较少离域的未成对电子（不饱和键、自由基等）,38,材料的物理性能,材料的物理性质,磁学性质,光学性质,电学性质,热学性质,39,材料的热性能,材料在一定温度环境下使用，对不同温度表现出不同的热物理性能热学性能 主要热学性能指标 热容 热膨胀 热传导率,40,热容与比热容,热容在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量，J/K 比热容单位质量 的热容，J/(kgK) 摩尔热容1mol材料 的热容， J/(molK) 热容随着温度的变化而变化的,金属与陶

14、瓷的莫尔热容与温度的关系,41,热膨胀,物体的体积随温度的上升而增大的现象,原子间相互作用势能曲线 (a) 真实 (b) 假设,42,热膨胀系数,温度上升1K，单位长度的伸长量，单位K-1 通常线膨胀系数随温度的升高而加大,43,热传递,热传递方式 热传导 热辐射 热对流 热传导是最基本的传递方式 自由电子传导金属 晶格振动的传导有离子键和共价键的晶体 分子的传导有机物,举例,44,热导率 ,定义：单位温度梯度下， 单位时间内通过单位垂直 面积上的热量 = -q/ (d T / d X) W. m-1.K-1（瓦特米-1开-1 ） 金属 高 自由电子 无机非金属 中 晶格热振动 高分子 很小，

15、分子传导,银最高 427 合金 40金刚石 30 玻璃 1,材料热导率的比较,45,其他热学性能,耐热性指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度。 耐热性表征(高分子材料) 物理状态 Tg 无定形 Tm 结晶 燃烧特性 临界氧指数 能够维持稳定燃烧的最小氧浓度,0.27的聚合物是有自熄性,燃烧速度、燃烧反应放热值、临界氧指数,化学性能,耐腐蚀性,47,腐蚀,腐蚀材料在遭受化学介质、湿、气、光、氧、热等环境因素作用下发生恶化变质的现象 腐蚀分类： 腐蚀作用性质：物理、化学、电化学 腐蚀环境和过程：高温、大气、介质腐蚀等 腐蚀形态：全面、局部,48,腐蚀的双重性质,危害 构件的腐蚀

16、，造成设备的损坏 导致材料使用性能的丧失 作用 电化学加工 制备信息硬件的印刷线路板 金属氧化膜的保护,49,各类材料的腐蚀类型,金属： 电化学腐蚀 化学（氧化）腐蚀 无机： 化学腐蚀 高分子：化学腐蚀 物理腐蚀,50,金属材料的化学腐蚀,定义金属表面与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏 非电解质包括 干燥气体 高温气体 非电解质溶液 钝化金属表面形成稳定致密的氧化膜保护作用,大气中的氧化缓慢 高温气体氧化化学电化学 金属在有机物液体中的腐蚀,51,电化学腐蚀,定义金属表面与电解质发生化学反应而引起的破坏。 原理 电池作用的条件 电极电位不同的金属 电解质溶液 原电池阳极腐蚀,ZnCu原电池

17、示意图 i表示电子流动 方向,52,电化学腐蚀,阳极反应：ZnZn2e 阴极反应：HeH H HH2,53,电化学腐蚀,金属中的电位差 化学成分的不同 组织结构不均匀 物理状态不均匀 电化学腐蚀是金属腐蚀中最常见、最普遍的腐蚀形式。,54,高分子材料的腐蚀老化,老化高分子材料在加工、贮存和使用过程中，经受热、光照、潮湿等环境因素的影响，性能下降，最后丧失使用性能的现象 老化的表现形式 外观的变化 物理性能的变化 力学性能的变化,55,高分子材料腐蚀的类型,化学腐蚀高分子材料分子结构变化 酸、碱、盐对高分子的腐蚀水解 大气对高分子的腐蚀橡胶的开裂 光、热、机械作用降解 辐射、光(紫外)照作用交联

18、 物理腐蚀环境介质作用下，以物理变化发生破坏的腐蚀 溶胀和溶解 应力开裂 渗透破坏,56,无机非金属材料的腐蚀化学腐蚀,以硅酸盐陶瓷为例 SiO2+2NaOHNa2SiO3 + H2O Na2SiO3易溶于水及碱液中。 耐腐蚀性的影响因素 矿物组成 结构 结晶SiO2 耐酸、碱 无定形SiO2 耐酸、溶于碱 孔隙耐腐蚀性降低。,57,2.3 不同类型材料主要性能比较,弹性模量刚度 屈服强度强度 热学性质 综合比较 回顾各类材料的密度,58,弹性模量的概念,弹性模量表征材料对弹性变形的抗力，材料的刚度 比弹性模量弹性模量与其单位质量的比值，比模量或比刚度,59,各类工程材料弹性模量的对比,60,弹性模