Chapter3PropertiesofMaterials

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：1.1. 了解材料的各類性能；了解材料的各類性能；2.2. 學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；3.3. 加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。加深理解

2、材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。Chapter3 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 3.1 化學(xué)性能化學(xué)性能Chemical PerformanceChemical PerformanceChapter3 Properties of Materials5(1) Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生長(zhǎng)生長(zhǎng)氧溶解氧溶解氧化膜生長(zhǎng)氧化膜生長(zhǎng)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

3、附吸附（1 1）化學(xué)銹蝕）化學(xué)銹蝕3.1.1 3.1.1 耐氧化性耐氧化性金屬氧化反應(yīng)的金屬氧化反應(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(duì)比幾種金屬的表面氧化膜對(duì)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 2）電化學(xué)腐蝕）電化學(xué)腐蝕simple electrochemical cell simple electrochemical cell corrosion cell be

4、tween corrosion cell between a steel water pipe and a steel water pipe and a copper fittinga copper fittingChapter3 Properties of Materials8Electrochemistry corrosionSO2氣體對(duì)鐵的侵蝕過程氣體對(duì)鐵的侵蝕過程（2 2）電化學(xué)腐蝕）電化學(xué)腐蝕Chapter3 Properties of Materials9Example海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖Cathodic protection of a buried ste

5、el pipeline 電化學(xué)防銹電化學(xué)防銹犧牲陽(yáng)極法犧牲陽(yáng)極法10Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 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 3.1.2 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SiOS

6、iO2 2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)金屬氧化物都是堿性氧化物，物，相應(yīng)的材料相應(yīng)的材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐表現(xiàn)出較強(qiáng)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

7、好的耐堿蝕性。 耐蝕機(jī)理：耐蝕機(jī)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完整、致密的表面生成完整、致密的 -(Fe, Cr)-(Fe, Cr)2 2O O3 3氧化膜和氧化膜和NaNa2 2SOSO4 4、FeClFeCl3 3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(jià)鍵結(jié)合主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合 長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)

8、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 stability of polymers 金屬材料和無機(jī)非金屬材料有好的耐有機(jī)溶劑性能；金屬材料和無機(jī)非金屬材料有好的耐有機(jī)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(jī)熱塑性高分子材料一般由線形高分子構(gòu)成，很多有機(jī)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(jī)溶劑中不溶解，但能溶脹，使材交聯(lián)型高分子在有機(jī)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(duì)各種不同的

9、高分子材料，其分子鏈以及側(cè)基不同，對(duì)各種有機(jī)溶劑表現(xiàn)出不同的耐受性；有機(jī)溶劑表現(xiàn)出不同的耐受性； 組織結(jié)構(gòu)對(duì)耐溶劑性也有較大影響。組織結(jié)構(gòu)對(duì)耐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(jī)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(jī)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 3.1.3 耐有機(jī)溶劑性耐有機(jī)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 3.1.4 耐老化性耐老化性高分子材料面臨

10、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 + 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

11、of polymers 羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽(yáng)光羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽(yáng)光照射下容易被氧化降解。照射下容易被氧化降解。 聚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(gè)緊挨一個(gè)，能把碳鏈緊緊氟原子的尺寸大小適中，一個(gè)緊挨一個(gè)，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(huì)降低高分

12、子材料的耐老化性。等，都會(huì)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) Chemical 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 如何改善如何改善耐老化性耐老化性？Chapter3 Properties of Materials19材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力FFFFFF拉伸壓縮彎折剪切3.2 力學(xué)性能Mechanical PropertyChapter

13、3 Properties of Materials20 應(yīng)力應(yīng)力stressstress 應(yīng)變應(yīng)變strain strain 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度 沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度0/FA00()/lll3.2.1 材料的強(qiáng)度(Strength)Chapter3 Properties of Materials21Experiment樣品拉伸試驗(yàn)樣品拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 (Hookes Law)Eultimate tensile strength yield strength Chapter3 Properties of Materials22J. AM. CHEM. SOC.

14、2004, 126, 10226-10227延展性或塑性的表征延展性或塑性的表征 延伸率延伸率 elongationelongation 斷面收縮率斷面收縮率 reduction of areareduction of area00100%flll00100%fAAA 5% 5%：脆性材料脆性材料23Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials24材料的一些力學(xué)性能特點(diǎn)：材料的一些力學(xué)性能特點(diǎn)： 很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良好的延展性；很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良好的延展性； 多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料

15、；多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料；這是因?yàn)槎嗑Р牧现械木Ы缈芍袛辔诲e(cuò)的滑移，改變滑這是因?yàn)槎嗑Р牧现械木Ы缈芍袛辔诲e(cuò)的滑移，改變滑移的方向。通過控制晶粒的生長(zhǎng)，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的移的方向。通過控制晶粒的生長(zhǎng)，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。目的。 固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。 多數(shù)無機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。多數(shù)無機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。 源于共價(jià)鍵的方向性源于共價(jià)鍵的方向性 Chapter3 Properties of Materials25102030 (%)0100200

16、300400500600700800900 (MPa)低碳鋼低碳鋼錳鋼錳鋼硬鋁硬鋁退火球墨鑄鐵退火球墨鑄鐵Chapter3 Properties of Materials263.2.2 3.2.2 材料的硬度（材料的硬度（hardnesshardness) )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 hardnessBrinell hardness） 洛氏硬度（洛氏硬度（Rockwell hardnessRockwell hardness）HRHR=(=(K K- -h h)/0.002)/0.002 維氏硬度（維氏硬度（

17、Vickers hardnessVickers hardness）HVHV=0.189=0.189F F/ /d d2 2 22(/ 2)()iFD DDD材料彈性、塑性、材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)性能的綜合指標(biāo) Chapter3 Properties of Materials27維氏硬度測(cè)量維氏硬度測(cè)量Chapter3 Properties of Materials28硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn)Chapter3 Properties of Materials29各種材料的硬度特征：各種材料的硬度特征： 由由共價(jià)鍵共價(jià)鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這結(jié)合的材料如

18、金剛石具有很高的硬度，這是因?yàn)楣矁r(jià)鍵的強(qiáng)度較高；是因?yàn)楣矁r(jià)鍵的強(qiáng)度較高； 無機(jī)非金屬材料有較高硬度無機(jī)非金屬材料有較高硬度離子鍵和共價(jià)鍵離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度均較高；的強(qiáng)度均較高；當(dāng)含有價(jià)態(tài)較高而半徑較小的離子時(shí)，所形成的離子鍵當(dāng)含有價(jià)態(tài)較高而半徑較小的離子時(shí)，所形成的離子鍵強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。 金屬材料形成金屬材料形成固溶體或合金固溶體或合金時(shí)可顯著提高材料的硬時(shí)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硬度通常較低分子鏈之間主要以分子鏈之間主要以范德華力或氫鍵范德華力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱結(jié)合，鍵力較弱C

19、hapter3 Properties of Materials303.2.3 3.2.3 疲勞性能疲勞性能材料抵抗疲勞破壞的能力材料抵抗疲勞破壞的能力 疲勞（疲勞（fatiguefatigue）：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪）：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在切等）下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。斷裂的現(xiàn)象。 熱容（熱容（heat capacityheat capacity）熱膨脹（熱膨脹（thermal ex

20、pansionthermal expansion）熱傳導(dǎo)（熱傳導(dǎo)（thermal conductionthermal conduction） Chapter3 Properties of Materials313.3 3.3 熱性能熱性能Thermal PropertyThermal PropertyChapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials3232 定壓熱容定壓熱容C Cp p晶體材料較高溫度下：晶體材料較高溫度下：C Cp p=3R=24.9 J=3R=24.9 J molmol-1 -1 K K-1 -

21、1。極低溫度下：極低溫度下： C Cp p T T 3 3 定容熱容定容熱容C CV VdTdQC 3.3.1 3.3.1 熱容熱容（heat capacityheat capacity）1mol1mol物質(zhì)升高物質(zhì)升高1K1K所需要的熱量所需要的熱量Chapter3 Properties of Materials33 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù) ：溫度變化溫度變化1K1K時(shí)材料尺度的變化量。時(shí)材料尺度的變化量。 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù) l l和體積膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù) V V 1 lpllT 1VpVVT3.3.2 熱膨脹thermal expansionChapter3 Properties of

22、Materials34Curve勢(shì)能一原子間距離曲線勢(shì)能一原子間距離曲線假想的假想的實(shí)際的實(shí)際的熱膨脹現(xiàn)象解釋熱膨脹現(xiàn)象解釋Chapter3 Properties of Materials35Curve 金屬和無機(jī)非金屬材金屬和無機(jī)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較??；料的線膨脹系數(shù)較??； 聚合物材料則較大。聚合物材料則較大。鍵強(qiáng)與熱膨脹鍵強(qiáng)與熱膨脹膨脹的差異膨脹的差異原子間的鍵合力越強(qiáng)，則熱膨脹系數(shù)越小原子間的鍵合力越強(qiáng)，則熱膨脹系數(shù)越小。Chapter3 Properties of Materials36Examples 熱量通量熱量通量q q ： 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 ：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。：表征

23、物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。單位：?jiǎn)挝唬篧W m m-1 -1 K K-1 -1，或，或 calcal cmcm-1 -1 s s-1 -1 K K-1 -11 cal1 cal cmcm-1 -1 s s-1 -1 K K-1 -1=4.2=4.2 10102 2 W W m m-1 -1 K K-1 -1 3.3.3.3.3 3 熱熱傳導(dǎo)（傳導(dǎo)（thermal conductionthermal conduction）熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象dTqdx Chapter3 Properties o

24、f Materials37各種材料的導(dǎo)熱率各種材料的導(dǎo)熱率 金屬材料有很高的熱導(dǎo)率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性有影響；有影響；晶格振動(dòng)（聲子）晶格振動(dòng)（聲子） 無機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。無機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增

25、大。Chapter3 Properties of Materials38各種材料的導(dǎo)熱率各種材料的導(dǎo)熱率 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：的熱傳導(dǎo)：電子與聲子的共同貢獻(xiàn)電子與聲子的共同貢獻(xiàn)低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。 高分子材料熱導(dǎo)率很低高分子材料熱導(dǎo)率很低熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞的效果較差。的效果較差。 Chapter3 Properties of Materials39Example

26、sChapter3 Properties of Materials40導(dǎo)電性導(dǎo)電性介電性介電性鐵電性鐵電性壓電性壓電性 材料被施加電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)行為材料被施加電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)行為3.4 電性能Electrical PropertyChapter3 Properties of Materials412.1.3.5 Electrical property2.1.3.5 Electrical property3.4.1 3.4.1 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能Electrical ConductivityElectrical Conductivity金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)

27、體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）Chapter3 Properties of Materials422.1.3.5 Electrical property2.1.3.5 Electrical property電阻：電阻：lRA電阻率：電阻率： 電導(dǎo)率：電導(dǎo)率： = 1/= 1/ = = nZnZe e 要增加材料的導(dǎo)電性，關(guān)鍵是增大單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目要增加材料的導(dǎo)電性，關(guān)鍵是增大單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目（n n）和使載流子更易

28、于流動(dòng)（增大）和使載流子更易于流動(dòng)（增大 值）。值）。 Chapter3 Properties of Materials432.1.3.5 Electrical property2.1.3.5 Electrical property能帶理論（能帶理論（Band TheoryBand Theory）能帶的形成能帶的形成Chapter3 Properties of Materials442.1.3.5 Electrical property各種材料的能帶結(jié)構(gòu)各種材料的能帶結(jié)構(gòu)Chapter3 Properties of Materials452.1.3.5 Electrical property2

29、.1.3.5 Electrical property3.4.3.4.2 2 介介電性能電性能 D Dielectric Propertyielectric Property電容電容C C（capacitancecapacitance）電荷量電荷量q q與電壓與電壓V V的比值：的比值： 平板電容計(jì)算：平板電容計(jì)算： C C = = ( (A A/ /L L) ) ：介電常數(shù)，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力介電常數(shù)，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力； 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) r r： r r= = / / 0 0 C C= =q q/ /V VChapter3 Properties of Mater

30、ials46(2) D(2) Dielectric Propertyielectric Property某些介電材料的性能某些介電材料的性能Chapter3 Properties of Materials47(3) Ferroelectricity(3) Ferroelectricity3.4.3 3.4.3 鐵電性與鐵電性與壓電性壓電性FerroelectricityFerroelectricity and Piezoelectricityand Piezoelectricity鐵電滯后現(xiàn)象鐵電滯后現(xiàn)象鐵電性鐵電性材料在除去外電場(chǎng)后仍保持部分極化狀態(tài)材料在除去外電場(chǎng)后仍保持部分極化狀態(tài) Ch

31、apter3 Properties of Materials48居里溫度Tc Curie temperature Chapter3 Properties of Materials49(4) Piezoelectricity(4) Piezoelectricity壓電性壓電性PiezoelectricityPiezoelectricity外力外力 極化極化 電場(chǎng)電場(chǎng)Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials5050(4) Piezoelectricity(4) Piezoelectricity常用的壓電陶瓷：常

32、用的壓電陶瓷：BaTiOBaTiO3 3 、PbTiOPbTiO3 3、PbZrOPbZrO3 3 、 NHNH4 4H H2 2POPO4 4（a a）施加一定電壓）施加一定電壓（b b）施加壓力）施加壓力 ，產(chǎn)生反向電壓，導(dǎo)致兩端電壓下降，產(chǎn)生反向電壓，導(dǎo)致兩端電壓下降（c c）施加較大電壓，材料產(chǎn)生變形）施加較大電壓，材料產(chǎn)生變形Chapter3 Properties of Materials513.5.1 3.5.1 磁性基本概念磁性基本概念 H Hm m：磁化強(qiáng)度：磁化強(qiáng)度magnetizationmagnetization m m：磁化率：磁化率magnetic susceptib

33、ilitymagnetic susceptibility3.5 磁性Magnetic Property11/26/2021 5:07:08 AMChapter3, Chemistry of Materials 2008, 52磁性的來源磁性的來源磁偶極子磁偶極子magnetic dipolesThe spin of the electron produces a magnetic field with a direction dependent on the quantum number ms Electrons orbiting around the nucleus create a mag

34、netic field around the atom 52Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials5353 反磁性（反磁性（diamagnetismdiamagnetism） m m 0 0 0含有非零角動(dòng)量原子（例如過渡金屬）的材料。含有非零角動(dòng)量原子（例如過渡金屬）的材料。 m m T T - -1 1（居里定理）（居里定理）一些非過渡金屬（例如一些非過渡金屬（例如AlAl）。）。 m m與與T T 無關(guān)無關(guān)磁場(chǎng)撤去后磁場(chǎng)撤去后磁效應(yīng)消失

35、磁效應(yīng)消失 3.5.2 3.5.2 磁性的種類磁性的種類 Chapter3 Properties of Materials54 鐵磁性（鐵磁性（ferromagnetismferromagnetism）在不太強(qiáng)的磁場(chǎng)中，就可以磁化到飽和狀態(tài)在不太強(qiáng)的磁場(chǎng)中，就可以磁化到飽和狀態(tài) 。鐵磁居里溫度鐵磁居里溫度ferromagnetic Curie temperatureferromagnetic Curie temperature Chapter3 Properties of Materials55 反鐵磁性（反鐵磁性（antiferromagnetismantiferromagnetism）在外

36、電場(chǎng)作用下，相鄰磁矩反向排列。在外電場(chǎng)作用下，相鄰磁矩反向排列。MnMn、CrCr 鐵氧體磁性（鐵氧體磁性（ferrimagnetismferrimagnetism） 不同的磁矩反平行排列時(shí)，在一個(gè)方向呈現(xiàn)出凈磁矩。不同的磁矩反平行排列時(shí)，在一個(gè)方向呈現(xiàn)出凈磁矩。代表：磁鐵礦代表：磁鐵礦FeFe3 3O O4 4鐵磁性鐵磁性 反鐵磁性反鐵磁性 鐵氧體鐵氧體磁性磁性 Chapter3 Properties of Materials56反鐵磁性（反鐵磁性（MnOMnO）Chapter3 Properties of Materials57磁疇磁疇Magnetic DomainMagnetic Dom

37、ain磁疇壁磁疇壁Magnetic Domain WallMagnetic Domain Wall磁疇磁疇自旋磁矩在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)自旋磁矩在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地自發(fā)地”整齊排列起整齊排列起來而形成的磁化小區(qū)域。來而形成的磁化小區(qū)域。 3.5.3 磁疇和磁化曲線Chapter3 Properties of Materials58磁滯回線磁滯回線hysteresis loophysteresis loopChapter3 Properties of Materials59軟磁材料軟磁材料硬磁材料硬磁材料 Chapter3 Properties of Materials60光的吸收和透過光的吸

38、收和透過光的反射和折射光的反射和折射材料的顏色材料的顏色3.6 光學(xué)性能Optical PropertyChapter3 Properties of Materials61 金屬材料：不透明；金屬材料：不透明； 半導(dǎo)體和其它非金屬材料：半導(dǎo)體和其它非金屬材料：取決于能隙取決于能隙E Eg g； 晶格熱振動(dòng)：對(duì)長(zhǎng)波區(qū)的可見光和紅外光產(chǎn)生吸收；晶格熱振動(dòng)：對(duì)長(zhǎng)波區(qū)的可見光和紅外光產(chǎn)生吸收； 高分子材料：無定形透明，結(jié)晶影響透明性（晶粒對(duì)光高分子材料：無定形透明，結(jié)晶影響透明性（晶粒對(duì)光的散射）的散射）348-118-1-96.62 10(J s) 3 10 (m s )1240(eV)=6.242

39、 10 (eV J )(nm) 10(nm) 380nm3.26eVhcE 3.6.1 光的吸收和透過Chapter3 Properties of Materials62幾種無機(jī)材料的光透過曲線幾種無機(jī)材料的光透過曲線 Chapter3 Properties of Materials63 金屬材料：強(qiáng)反射（金屬光澤）；金屬材料：強(qiáng)反射（金屬光澤）；電子吸收光能后激發(fā)到較高能態(tài)，隨即又以光波的形式釋電子吸收光能后激發(fā)到較高能態(tài)，隨即又以光波的形式釋放出能量回到低能態(tài)放出能量回到低能態(tài) 無機(jī)非金屬材料：無機(jī)非金屬材料：主要受介質(zhì)的折射率差影響；主要受介質(zhì)的折射率差影響；當(dāng)光線從一種介質(zhì)入射另一種介

40、質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的折射率差別當(dāng)光線從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的折射率差別越大，反射就越強(qiáng)。越大，反射就越強(qiáng)。 材料的折射率受其結(jié)構(gòu)影響材料的折射率受其結(jié)構(gòu)影響單位體積中原子的數(shù)目越多，或結(jié)構(gòu)越緊密，則光波傳播單位體積中原子的數(shù)目越多，或結(jié)構(gòu)越緊密，則光波傳播受影響越大，從而折射率越大。受影響越大，從而折射率越大。原子半徑越大原子半徑越大( (極化率大），折射率就越大。極化率大），折射率就越大。3.6.2 3.6.2 光的反射和折射光的反射和折射幾種金屬材料的反射率隨光波波長(zhǎng)變化曲線Chapter3 Properties of Materials64Chapter3 Properties of

41、Materials65 金屬材料：顏色取決于其反射光的波長(zhǎng)；金屬材料：顏色取決于其反射光的波長(zhǎng)； 無機(jī)非金屬材料：無機(jī)非金屬材料：顏色通常與光吸收特性有關(guān)；顏色通常與光吸收特性有關(guān)；3.6.2 材料的顏色本章參考書：本章參考書：1. 1.劉光華編著劉光華編著. . 現(xiàn)代材料化學(xué)現(xiàn)代材料化學(xué). . 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，200020002. 2.H. Czichos, T. Saito, L. Smith. Springer Handbook of Materials H. Czichos, T. Saito, L. Smith. Springer Handbook of Materials Measurement Methods. German, Springer, 2006Measurement Methods. German, Springer, 20063. 3.Brian S. Mitchell. An Introduction to Materials Engineering and Brian S. M