材料化學(xué)-材料的性能

1、Chapter3 Properties of Materials1Chapter3 Properties of Materials2General Characters of MaterialsChapter3 Properties of Materials3本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容材料的幾類主要性能：材料的幾類主要性能：化學(xué)性能化學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能熱性能熱性能電性能電性能磁性磁性光學(xué)性能光學(xué)性能學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的：了解材料的各類性能；了解材料的各類性能；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測試方法；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測試方法；加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。Chap

2、ter3 Properties of Materials4溶蝕性溶蝕性耐腐蝕性耐腐蝕性抗?jié)B透性抗?jié)B透性抗氧化性抗氧化性材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性3.1 化學(xué)性能化學(xué)性能Chemical PerformanceChapter3 Properties of Materials5(1) Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生長生長氧溶解氧溶解氧化膜生長氧化膜生長內(nèi)氧化內(nèi)氧化縫隙縫隙孔洞孔洞微裂紋微裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋吸附吸附（1）化學(xué)銹蝕）化學(xué)銹蝕3.1.1 耐氧化性耐氧化性金屬氧化反應(yīng)的金屬氧

3、化反應(yīng)的主要過程示意圖主要過程示意圖幾種金屬的表面氧化膜對比幾種金屬的表面氧化膜對比多孔氧化膜多孔氧化膜致密氧化膜致密氧化膜松散氧化膜松散氧化膜6Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials7Electrochemistry corrosion（2）電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕simple electrochemical cell corrosion cell between a steel water pipe and a copper fitting形成腐蝕電池的三個基本條件形成腐蝕電池的三個基本條件1） 電位差存

4、在： 不同金屬或同種金屬的不同區(qū)域之間存在電位差。 電位差越大，腐蝕越強烈； 較活潑的金屬電位較低，成為陽極而遭受腐蝕。 2） 電解質(zhì)溶液存在： 兩級材料共處于相連通的電解質(zhì)溶液中。3） 具有不同電位的兩部分金屬之間必須有導(dǎo)線連接或直接接觸。Cathodic protection of a buried steel pipeline 電化學(xué)防銹電化學(xué)防銹犧牲陽極法犧牲陽極法犧牲陽極法是人為地構(gòu)犧牲陽極法是人為地構(gòu)造腐蝕電池造腐蝕電池:在金屬材料上外加較活潑的金屬作陽極，金屬材料作為陰級，發(fā)生電化學(xué)腐蝕時陽極被腐蝕，金屬材料主體則得以保護(hù)。Chapter3 Properties of Mater

5、ials10Example海水對金屬的侵蝕示意圖海水對金屬的侵蝕示意圖Chapter3 Properties of Materials11思考：思考： 為什么有的金屬（如鋁）比較活潑，但在為什么有的金屬（如鋁）比較活潑，但在空氣中很穩(wěn)定？空氣中很穩(wěn)定？ 為什么在潮濕環(huán)境下金屬材料容易生銹？為什么在潮濕環(huán)境下金屬材料容易生銹？ 材料應(yīng)用中有哪些防銹方法？材料應(yīng)用中有哪些防銹方法？Chapter3 Properties of Materials123.1.2 耐酸堿性耐酸堿性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2為主為主耐耐堿堿材材料料 大多數(shù)金屬氧化物都是堿性氧化大多數(shù)金屬氧化物都是

6、堿性氧化物，物，相應(yīng)的材料相應(yīng)的材料表現(xiàn)出較強的耐表現(xiàn)出較強的耐堿性，而易受酸侵蝕或溶解。堿性，而易受酸侵蝕或溶解。(2) Chemical stability of non-metal materialsChapter3 Properties of Materials13金屬的耐酸堿性金屬的耐酸堿性 主要是高溫下濃堿液的腐蝕問題主要是高溫下濃堿液的腐蝕問題 鎳鉻鑄鐵中加入稀土，降低鎳含量，可以降低材料成鎳鉻鑄鐵中加入稀土，降低鎳含量，可以降低材料成本，又可以保證合金鑄鐵良好的耐堿蝕性。本，又可以保證合金鑄鐵良好的耐堿蝕性。 耐蝕機理：耐蝕機理：堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵表面生成

7、完整、致密的表面生成完整、致密的 -(Fe, Cr)2O3氧化膜和氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附著物，等附著物，使材料本體受到保護(hù)。使材料本體受到保護(hù)。 Chapter3 Properties of Materials14(3) Chemical stability of polymers化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿高分子材料：高分子材料： 主鏈原子以共價鍵結(jié)合主鏈原子以共價鍵結(jié)合 長分子鏈對反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)長分子鏈對反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù) 電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕Chapter3 Properties of Materials15(3) Chemical st

8、ability of polymers 金屬材料和無機非金屬材料有好的耐有機溶劑性能；金屬材料和無機非金屬材料有好的耐有機溶劑性能； 熱塑性高分子材料一般由線形高分子構(gòu)成，很多有機熱塑性高分子材料一般由線形高分子構(gòu)成，很多有機溶劑都可以將其溶解；溶劑都可以將其溶解； 交聯(lián)型高分子在有機溶劑中不溶解，但能溶脹，使材交聯(lián)型高分子在有機溶劑中不溶解，但能溶脹，使材料體積膨脹，性能變差；料體積膨脹，性能變差； 不同的高分子材料，其分子鏈以及側(cè)基不同，對各種不同的高分子材料，其分子鏈以及側(cè)基不同，對各種有機溶劑表現(xiàn)出不同的耐受性；有機溶劑表現(xiàn)出不同的耐受性； 組織結(jié)構(gòu)對耐溶劑性也有較大影響。組織結(jié)構(gòu)對耐

9、溶劑性也有較大影響。 例如，作為結(jié)晶性聚合物，聚乙烯在大多數(shù)有機溶劑中都難例如，作為結(jié)晶性聚合物，聚乙烯在大多數(shù)有機溶劑中都難溶，因而具有很好的耐溶劑性。溶，因而具有很好的耐溶劑性。 3.1.3 耐有機溶劑性耐有機溶劑性Chapter3 Properties of Materials16(3) Chemical stability of polymers 光照下形成自由基：光照下形成自由基：3.1.4 耐老化性耐老化性高分子材料面臨的問題高分子材料面臨的問題 CH2CCHCH2CH3hCH2CCHCH3CH-H+ 氧氣的參與：氧氣的參與：RH2(1) RH + OOR + OOH(2) R +

10、 OOROO ROOH+R(3) ROOH+RHRO + OH(4) RO + OH ROH + R(5) HO + RH R + H O 自由基形成后導(dǎo)致自由基形成后導(dǎo)致鏈的斷裂（降解）：鏈的斷裂（降解）：CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2+Chapter3 Properties of Materials17(3) Chemical stability of polymers 羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽光羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽光照射下容易被氧化降解。照射下容易被氧化降解。 聚

11、四氟乙烯有極好的耐老化性能聚四氟乙烯有極好的耐老化性能 氟原子與碳原子形成牢固的化學(xué)鍵；氟原子與碳原子形成牢固的化學(xué)鍵； 氟原子的尺寸大小適中，一個緊挨一個，能把碳鏈緊緊氟原子的尺寸大小適中，一個緊挨一個，能把碳鏈緊緊包圍住。包圍住。 分子鏈中含有不飽和雙鍵、聚酰氨的酰氨鍵、聚碳酸分子鏈中含有不飽和雙鍵、聚酰氨的酰氨鍵、聚碳酸酯的酯鍵、聚砜的碳硫鍵、聚苯醚的苯環(huán)上的甲基等酯的酯鍵、聚砜的碳硫鍵、聚苯醚的苯環(huán)上的甲基等等，都會降低高分子材料的耐老化性。等，都會降低高分子材料的耐老化性。 結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)與耐老化性耐老化性Chapter3 Properties of Materials18(3) Che

12、mical stability of polymers 改進(jìn)聚合物分子結(jié)構(gòu)改進(jìn)聚合物分子結(jié)構(gòu) 加入適當(dāng)助劑加入適當(dāng)助劑 抗氧化劑抗氧化劑 光屏蔽劑光屏蔽劑 紫外線吸收劑紫外線吸收劑 淬滅劑淬滅劑 耐老化性耐老化性的提高的提高3.1 力學(xué)性能Mechanical Property材料抵受外力作用的能力，材料抵受外力作用的能力， 表征包括強度表征包括強度（strength)，韌性，韌性(toughness)，硬度，硬度(hardness) 等等tensile compressive bendingshear3.1.1 材料的強度(Strength)應(yīng)力應(yīng)力stress應(yīng)變應(yīng)變strain 樣品拉伸

13、試驗樣品拉伸試驗- 依據(jù)：材料受力時的形變Experiment應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 (Hookes Law)Eyield strength ：材料選擇的主要依據(jù)：材料選擇的主要依據(jù) ，E: 彈性模量彈性模量 (Youngs modulus), 反映材料的反映材料的堅硬程度（堅硬程度（stiffness)塑性變形塑性變形彈性形變彈性形變金屬材料和無機非金屬金屬材料和無機非金屬材料材料E通常較高，通常較高，典型的高分子材料典型的高分子材料E小小弾塑性變形弾塑性變形延展性或塑性的表征延展性或塑性的表征 延伸率延伸率 elongation 斷面收縮率斷面收縮率 reduction of ar

14、ea00100%flll00100%fAAA 5%：脆性材料脆性材料22Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials23材料的一些力學(xué)性能特點：材料的一些力學(xué)性能特點： 很多金屬材料既有高的強度，又有良好的延展性；很多金屬材料既有高的強度，又有良好的延展性； 多晶材料的強度高于單晶材料；多晶材料的強度高于單晶材料； 這是因為多晶材料中的晶界可中斷位錯的滑移，改變滑這是因為多晶材料中的晶界可中斷位錯的滑移，改變滑移的方向。通過控制晶粒的生長，可以達(dá)到強化材料的移的方向。通過控制晶粒的生長，可以達(dá)到強化材料的目的。

15、目的。 固溶體或合金的強度高于純金屬；固溶體或合金的強度高于純金屬； 雜質(zhì)原子的存在對位錯運動具有牽制作用。雜質(zhì)原子的存在對位錯運動具有牽制作用。 多數(shù)無機非金屬材料延展性很差，屈服強度高。多數(shù)無機非金屬材料延展性很差，屈服強度高。 源于共價鍵的方向性源于共價鍵的方向性 3.1.2 材料的硬度（材料的硬度（hardness)材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力的量度材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力的量度 布氏硬度（布氏硬度（Brinell hardness） 洛氏硬度（洛氏硬度（Rockwell hardness） 維氏硬度（維氏硬度（Vickers hardness）材料彈性、塑性、材料彈性、塑

16、性、強度和韌性等力學(xué)強度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)性能的綜合指標(biāo) 維氏硬度測量維氏硬度測量布氏硬度壓痕較大，布氏硬度壓痕較大，測量值準(zhǔn)，但不適用測量值準(zhǔn)，但不適用于硬度較高的材料于硬度較高的材料洛氏硬度壓痕很小，洛氏硬度壓痕很小，測量值具局部性，須測量值具局部性，須測數(shù)點求平均值，適測數(shù)點求平均值，適用于成品和薄片用于成品和薄片維氏硬度適用于較大維氏硬度適用于較大工件和較深表面層的工件和較深表面層的硬度測定。硬度測定。Chapter3 Properties of Materials26硬度試驗硬度試驗礦物莫氏硬度 Mohs scale of hardness 表示礦物硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。 1812

17、年由德國礦物學(xué)家莫斯莫斯(Frederich Mohs)首先提出。 應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試礦物的表面而發(fā)生劃痕，習(xí)慣上礦物學(xué)或?qū)毷瘜W(xué)上都是用莫氏硬度。 用測得的劃痕的深度分十級來表示硬度硬度：滑石(talc)1（硬度最?。?gypsum)2，方解石(calcite)3，螢石(fluorite)4，磷灰石(apatite)5，正長石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英(quartz)7，黃玉(topaz)8，剛玉(corundum)9，金剛石(diamond)10。 硬度值并非絕對硬度值，而是按硬度的順序表示的值。 Chapter3 Prope

18、rties of Materials27Chapter3 Properties of Materials28各種材料的硬度特征：各種材料的硬度特征： 由共價鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這由共價鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這是因為共價鍵的強度較高；是因為共價鍵的強度較高； 無機非金屬材料有較高硬度無機非金屬材料有較高硬度 離子鍵和共價鍵的強度均較高；離子鍵和共價鍵的強度均較高； 當(dāng)含有價態(tài)較高而半徑較小的離子時，所形成的離子鍵當(dāng)含有價態(tài)較高而半徑較小的離子時，所形成的離子鍵強度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。強度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。 金屬材料形成固溶體或合金時可顯著提高材料的硬金屬材料形成固溶體或合金時可顯著提高材料的硬度。度。 高分子材料硬度通常較低高分子材料