無機非金屬材料的性能

1、第二章第二章 無機非金屬材料的無機非金屬材料的性能性能第一節(jié)第一節(jié) 熱學性能熱學性能無機非金屬材料的性能綜述無機非金屬材料的性能綜述1.傳統(tǒng)無機非金屬材料的特性傳統(tǒng)無機非金屬材料的特性（1）優(yōu)點：具有抗腐蝕、耐高溫的優(yōu)點。）優(yōu)點：具有抗腐蝕、耐高溫的優(yōu)點。（2）缺點：質脆、經(jīng)不起熱沖擊的弱點。）缺點：質脆、經(jīng)不起熱沖擊的弱點。 傳統(tǒng)無機非金屬材料與現(xiàn)在所用的許多金屬材料傳統(tǒng)無機非金屬材料與現(xiàn)在所用的許多金屬材料相比，有許多獨特的優(yōu)勢，這使得很多行業(yè)的科學家相比，有許多獨特的優(yōu)勢，這使得很多行業(yè)的科學家都對它情有獨鐘，然而，它的弱點的存在，又使它的都對它情有獨鐘，然而，它的弱點的存在，又使它的應

2、用范圍受到了一定的限制。為此，科學家們進行深應用范圍受到了一定的限制。為此，科學家們進行深入的研究和探索，并進行了反復的實驗，隨之而來的入的研究和探索，并進行了反復的實驗，隨之而來的便是多種多樣具有特殊性能的新型無機非金屬材料的便是多種多樣具有特殊性能的新型無機非金屬材料的問世。問世。 2. 2.新型無機非金屬材料的特性新型無機非金屬材料的特性（1）耐高溫、強度高。）耐高溫、強度高。 氧化鋁陶瓷（人造剛玉）氧化鋁陶瓷（人造剛玉）主要特性主要特性高熔點；高熔點；高硬度；高硬度；可制成透明可制成透明陶瓷；陶瓷；無毒、不溶于水，強度高；無毒、不溶于水，強度高；對人體有較好的適應性對人體有較好的適應性

3、 主要用途主要用途高級耐火材料，剛玉球磨機；高壓鈉高級耐火材料，剛玉球磨機；高壓鈉燈的燈管、人造骨、人造牙、人造心燈的燈管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造關節(jié)等瓣膜、人造關節(jié)等 高壓鈉燈是發(fā)光效率很高的一種電光源，光色金白，在它的燈光高壓鈉燈是發(fā)光效率很高的一種電光源，光色金白，在它的燈光下看物清晰，不刺眼。平均壽命長達下看物清晰，不刺眼。平均壽命長達1萬小時萬小時2萬小時，比高壓汞燈萬小時，比高壓汞燈壽命長壽命長2倍，高過白熾燈的壽命倍，高過白熾燈的壽命10倍，是目前壽命最長的燈。早在倍，是目前壽命最長的燈。早在30年代初，人們就已經(jīng)知道利用鈉蒸氣放電可獲得一種高效率的光源，年代初，人們就

4、已經(jīng)知道利用鈉蒸氣放電可獲得一種高效率的光源，但一直到但一直到1960年，高壓鈉燈才呱呱墜地，后經(jīng)不斷發(fā)展改進，才得以年，高壓鈉燈才呱呱墜地，后經(jīng)不斷發(fā)展改進，才得以實際應用。實際應用。 為什么從知道鈉蒸氣放電為什么從知道鈉蒸氣放電到高壓鈉燈的使用經(jīng)過了二到高壓鈉燈的使用經(jīng)過了二十幾個年頭呢十幾個年頭呢? 鈉蒸氣放電會產(chǎn)生超過鈉蒸氣放電會產(chǎn)生超過1000的高溫；鈉蒸氣有的高溫；鈉蒸氣有強烈的腐蝕作用，所以普通玻璃燈管承受不了鈉蒸氣強烈的腐蝕作用，所以普通玻璃燈管承受不了鈉蒸氣放電產(chǎn)生的高溫，此時普通玻璃要軟化。但氧化鋁材放電產(chǎn)生的高溫，此時普通玻璃要軟化。但氧化鋁材料陶瓷能承受高溫，又耐腐蝕，

5、透明氧化鋁陶瓷的熔料陶瓷能承受高溫，又耐腐蝕，透明氧化鋁陶瓷的熔點高達點高達2050，能在，能在1600的環(huán)境里不受鈉蒸氣腐的環(huán)境里不受鈉蒸氣腐蝕，因此用氧化鋁陶瓷。蝕，因此用氧化鋁陶瓷。 材料的熱學性能材料的熱學性能主要主要包括材料的包括材料的熱容熱容、熱膨脹熱膨脹、熱傳導熱傳導、熱電勢和熱穩(wěn)定性等。、熱電勢和熱穩(wěn)定性等。同學們知道一些應用同學們知道一些應用熱學性能的實例嗎？熱學性能的實例嗎？熱學性能熱學性能熱學性能熱學性能被子被子聲聲 子子什么是聲子？什么是聲子？ 非金屬材料非金屬材料 自由電子很少自由電子很少 離子晶體（離子構成）離子晶體（離子構成） 共價晶體（原子構成）共價晶體（原子構

6、成）這些質點可以在平衡位置這些質點可以在平衡位置上振動，形成格波，格波上振動，形成格波，格波可以在整個材料中傳播?？梢栽谡麄€材料中傳播。聲聲 子子電磁波電磁波光光 子子晶格原子熱振晶格原子熱振動波動波聲聲 子子聲聲 子子TTTQC)( 固體的熱容是原子振動在宏觀性質上的一個最直接的表現(xiàn)固體的熱容是原子振動在宏觀性質上的一個最直接的表現(xiàn) 熱容：熱容：物體溫度升高物體溫度升高1K所需要增加的熱量。所需要增加的熱量。 （J/K） 熱熱 容容恒壓熱容：恒壓熱容：加熱條件在恒壓下進行加熱條件在恒壓下進行恒容熱容：恒容熱容：加熱條件在恒容下進行加熱條件在恒容下進行mTHmTQCppp1)(1)(mTUmT

7、QCvvv1)(1)(熱熱 容容實際材料中：實際材料中：高溫時：高溫時： CV為常量為常量3R(杜隆杜隆珀替定律珀替定律) )。低溫時：低溫時：CV 的實驗值并的實驗值并不是一個恒量不是一個恒量. . 與與T3成比例，成比例，漸趨于零。漸趨于零。T/K Cv0 常數(shù)常數(shù)3TC 熱熱 容容鋁擠塞銅制作工藝，將銅材導熱速度快和鋁材鋁擠塞銅制作工藝，將銅材導熱速度快和鋁材單位質量熱容更高的優(yōu)點結合。單位質量熱容更高的優(yōu)點結合。 你知道生活中材料熱容的應用嗎？你知道生活中材料熱容的應用嗎？熱熱 容容熱膨脹：熱膨脹： 物體體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象物體體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象l線膨脹系數(shù)線

8、膨脹系數(shù)Tlll0Kl/101065材料：材料：熱膨脹熱膨脹V體膨脹系數(shù)體膨脹系數(shù)TVVaV0各向異性的材料：各向異性的材料：各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假如分別為假如分別為a 、b 、c， 則有則有 各項同性的材料各項同性的材料：cbaVlV3熱膨脹熱膨脹熱膨脹熱膨脹原子勢能原子勢能原子間距關系原子間距關系由于由于原子間作用力是非簡諧的，原子間作用力是非簡諧的，使得使得原子勢能呈非對稱。原子勢能呈非對稱。熱膨脹熱膨脹 r0是能量的最低處，是能量的最低處，TT, ,質點振動幅度質點振動幅度質點振動能量質點振動能量質點離開平衡質點離開平衡位置位置r r0 0出現(xiàn)兩個偏

9、離間距，出現(xiàn)兩個偏離間距，最終離開平衡位置的平均最終離開平衡位置的平均距離增加。距離增加。因此：因此： T， 質點距離質點距離 體積體積熱膨脹熱膨脹如何省力地開如何省力地開啟玻璃罐頭？啟玻璃罐頭？熱膨脹熱膨脹砂鍋砂鍋熱傳導熱傳導t時間內通過時間內通過S截面上的熱量為截面上的熱量為Q 傅里葉定律： 熱流熱流q的物理意義：的物理意義：指單位溫度梯度下，單位時間內通過指單位溫度梯度下，單位時間內通過單位垂直面積的熱量，單位單位垂直面積的熱量，單位為為J/(m2Sk)或或W/(mK)。dxdTtSQq導熱系數(shù)導熱系數(shù)熱傳導熱傳導 當存在溫度差是，高溫端，質點動能增加，和鄰當存在溫度差是，高溫端，質點動

10、能增加，和鄰近溫度低的質點碰撞程度增加，熱量開始傳遞給近溫度低的質點碰撞程度增加，熱量開始傳遞給溫度低的質點，依次結果，熱量就從高溫端傳到溫度低的質點，依次結果，熱量就從高溫端傳到低溫端。低溫端。dxdT低溫低溫高溫高溫氣體材料導熱氣體材料導熱分子間直接碰撞（導熱性差），分子間直接碰撞（導熱性差），金屬材料導熱金屬材料導熱主要是自由電子間碰撞主要是自由電子間碰撞，無機非金屬材料導熱無機非金屬材料導熱晶格振動（格波），晶格振動（格波），熱輻射熱輻射光子（電磁波）光子（電磁波）固體材料中熱量是由自由電子、質點振動、熱輻射所傳遞的固體材料中熱量是由自由電子、質點振動、熱輻射所傳遞的熱傳導機制相應的分

11、為三種熱傳導機制相應的分為三種(二二) 聲子熱導聲子熱導(三三) 光子熱導光子熱導(一一) 電子熱導電子熱導 無機非金屬材料，無機非金屬材料，自由電子很少自由電子很少。主要通過。主要通過質點振動形成質點振動形成格波格波，格波在材料中傳播，來，格波在材料中傳播，來導熱。導熱。熱傳導熱傳導聲子：聲子：質點熱振動能量是量子化的，質點熱振動能量是量子化的，聲頻波的間隔能級聲頻波的間隔能級hv, , hv是這種量子化彈性波的最是這種量子化彈性波的最小單位，稱為量子或聲子。小單位，稱為量子或聲子。聲子能量聲子能量: hv值大小值大小hvnEn)21( 聲子數(shù)：聲子數(shù)：忽略零點能忽略零點能1/2hv，hvE

12、nn熱傳導熱傳導溫度平衡時：溫度平衡時：同樣多的振動模式同樣多的振動模式 同樣多的振動振幅同樣多的振動振幅 同樣多的聲子數(shù)同樣多的聲子數(shù)T1低低:較少的振動模式較少的振動模式較小的振動振幅較小的振動振幅較少的聲子被激發(fā)較少的聲子被激發(fā)較少的聲子數(shù)較少的聲子數(shù)T高高:較多的振動模式較多的振動模式較大的振動振幅較大的振動振幅較多的聲子被激發(fā)較多的聲子被激發(fā)較多的聲子數(shù)較多的聲子數(shù)低溫低溫高溫高溫聲子濃度梯度（擴散）聲子濃度梯度（擴散）熱阻：熱阻： 聲子擴散過程中的各種散射。聲子擴散過程中的各種散射。從晶格格波的聲子理論可知：從晶格格波的聲子理論可知：熱傳導過程熱傳導過程是是聲子從高濃度區(qū)域到低濃度

13、區(qū)的擴散聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)的擴散 過程。如果聲子不發(fā)生碰撞，聲子的擴散速度就是過程。如果聲子不發(fā)生碰撞，聲子的擴散速度就是 熱量的傳播速度。熱量的傳播速度。但事實上，但事實上，聲子在擴散過程中肯定要發(fā)生碰撞聲子在擴散過程中肯定要發(fā)生碰撞。從而從而 產(chǎn)生熱阻。產(chǎn)生熱阻。熱傳導熱傳導熱傳導熱傳導多孔耐火磚：熱膨脹系數(shù)小；多孔耐火磚：熱膨脹系數(shù)?。?熱導率低。熱導率低。第二章第二章 無機非金屬材料的無機非金屬材料的性能性能第二節(jié)第二節(jié) 力學性能力學性能孩子吃飯用瓷碗嗎？孩子吃飯用瓷碗嗎？不用！不用！用不銹鋼碗或塑料碗！用不銹鋼碗或塑料碗！瓷本身易碎！瓷本身易碎！硬度大、耐磨損硬度大、耐磨損高

14、壓鈉燈高壓鈉燈氧化鋁陶瓷制品氧化鋁陶瓷制品熔點高熔點高透明、耐高壓透明、耐高壓星式星式氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷球磨機球磨機 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 球磨罐球磨罐材料的力學性能材料的力學性能彈性變形彈性變形 胡克定律胡克定律：材料應力：材料應力-應變關系，在彈應變關系，在彈性限度內，成正比關系，其比例系數(shù)性限度內，成正比關系，其比例系數(shù)E就是彈性模量。就是彈性模量。xxxxExxyyE 小變形近似，簡諧近似；小變形近似，簡諧近似； 原子間共振頻率與原子折合質量以及彈原子間共振頻率與原子折合質量以及彈性常數(shù)間的關系為性常數(shù)間的關系為彈性變形彈性變形12skm彈性變形彈性變形理想彈性理想彈性：在振動條件下

15、，應力和應變之：在振動條件下，應力和應變之間的關系完全遵從胡克定律，應力與應變間的關系完全遵從胡克定律，應力與應變隨時保持同相位。隨時保持同相位。滯彈性滯彈性：是指在彈性范圍內出現(xiàn)的非彈性：是指在彈性范圍內出現(xiàn)的非彈性現(xiàn)象?，F(xiàn)象。應變不僅與應力有關，而且與時間應變不僅與應力有關，而且與時間有關有關。彈性變形彈性變形蠕變蠕變：固體材料在恒定荷載下，變形隨時間延續(xù)而緩：固體材料在恒定荷載下，變形隨時間延續(xù)而緩慢增加的不平衡過程，或材料受力后內部原子由不平慢增加的不平衡過程，或材料受力后內部原子由不平衡到平衡的過程。當外力除去后，蠕變變形不能立即衡到平衡的過程。當外力除去后，蠕變變形不能立即消失。消

16、失。例如：瀝青、水泥混凝土、玻璃和各種金屬等在持續(xù)例如：瀝青、水泥混凝土、玻璃和各種金屬等在持續(xù)外力作用下，除初始彈性變形外，都會出現(xiàn)不同程度外力作用下，除初始彈性變形外，都會出現(xiàn)不同程度的隨時間延續(xù)而發(fā)展的緩慢變形（蠕變）。的隨時間延續(xù)而發(fā)展的緩慢變形（蠕變）。 彈性后效：彈性后效：當外力除去后，應變只消失一部當外力除去后，應變只消失一部分，另一部分隨時間慢慢消失，其實不能立分，另一部分隨時間慢慢消失，其實不能立即消失的應變是蠕變應變，不能立即消失。即消失的應變是蠕變應變，不能立即消失。彈性變形彈性變形000(t)tRReMM彈性變形彈性變形 無機非金屬材料：硬度高；無機非金屬材料：硬度高；

17、 應用最廣泛之測硬度方法：維氏硬度應用最廣泛之測硬度方法：維氏硬度（HV）；）； 溫度上升，硬度下降溫度上升，硬度下降。硬度與強度硬度與強度硬度與強度硬度與強度 脆性斷裂（低溫，常溫下無機非金屬材脆性斷裂（低溫，常溫下無機非金屬材料）；料）； 延性斷裂（金屬材料）；延性斷裂（金屬材料）； 蠕變斷裂（高溫下合金與陶瓷）。蠕變斷裂（高溫下合金與陶瓷）。材料的斷裂材料的斷裂 材料的理論斷裂強度材料的理論斷裂強度材料的斷裂材料的斷裂0TEa 材料的理論斷裂強度高達材料的理論斷裂強度高達E/5到到E/10； 除很細的石英玻璃纖維和氧化鋁晶須而除很細的石英玻璃纖維和氧化鋁晶須而外，外，大部分材料實際斷裂強

18、度僅僅只有大部分材料實際斷裂強度僅僅只有E/100到到E/1000！材料的斷裂材料的斷裂材料的斷裂材料的斷裂為何斷裂強度為何斷裂強度的理論值與實的理論值與實際值差別如此際值差別如此之大？之大？材料的斷裂材料的斷裂 無機非金屬材料缺陷，萌生出微裂紋；無機非金屬材料缺陷，萌生出微裂紋； 微裂紋應力集中，微裂紋擴展。微裂紋應力集中，微裂紋擴展。材料的斷裂材料的斷裂第二章第二章 無機非金屬材料的無機非金屬材料的性能性能第三節(jié)第三節(jié) 其他物理與化學性能其他物理與化學性能介電陶瓷介電陶瓷鋰離子電池鋰離子電池 快離子導體快離子導體收音機喇叭收音機喇叭吸鐵石吸鐵石收音機喇叭上的吸鐵石收音機喇叭上的吸鐵石不是鐵

19、磁體！不是鐵磁體！車窗玻璃車窗玻璃 電學性能電學性能 磁學性能磁學性能 光學性能光學性能 化學性能化學性能其他物理與化學性能其他物理與化學性能其他物理與化學性能其他物理與化學性能 導導 體體： 10 10 。 其中其中 純金屬純金屬：10 10 10 10 合金合金：10 10 10 10 。 半導體半導體：在在10 10 10 10 。 絕緣體絕緣體：10 10 。 5 58 87 77 75 55 59 99 9m mmmmm除快離子導體外，無機非金屬材料一般屬于除快離子導體外，無機非金屬材料一般屬于絕緣體與半導體。絕緣體與半導體。m 離子導電性離子導電性其他物理與化學性能其他物理與化學性

20、能除了常見的自除了常見的自由電子導電而由電子導電而外，離子能否外，離子能否貢獻電導？貢獻電導？肖特基缺陷和弗倫克爾缺陷肖特基缺陷和弗倫克爾缺陷AgBr中的中的Frenkel缺陷缺陷 KCl中的中的Schottky缺陷缺陷Br-Ag+Cl-K+其他物理與化學性能其他物理與化學性能 離子遷移所需活化能；離子遷移所需活化能； 無序的熱運動；無序的熱運動； 如果是由大半徑的陰離子構成骨架，并且如果是由大半徑的陰離子構成骨架，并且對陽離子束縛能力弱，有大量空隙，陽離對陽離子束縛能力弱，有大量空隙，陽離子可在空隙自由移動子可在空隙自由移動快離子導體快離子導體。其他物理與化學性能其他物理與化學性能三、能帶理

21、論三、能帶理論 晶體中，由于原子之間的相互作用，原子中晶體中，由于原子之間的相互作用，原子中的能級將的能級將“展開展開”，電子也可以從一個原子移，電子也可以從一個原子移到另一個原子上，從而不斷的在晶體中運動。到另一個原子上，從而不斷的在晶體中運動。電子的這種運動叫做共有化。電子的這種運動叫做共有化。其能量是量子化其能量是量子化的，每個能級只能容納兩個自旋方向相反的電的，每個能級只能容納兩個自旋方向相反的電子。子。由于晶體中電子能級間的間隙很小，可以由于晶體中電子能級間的間隙很小，可以把能級分布看成是準連續(xù)的，稱為把能級分布看成是準連續(xù)的，稱為能帶能帶。其他物理與化學性能其他物理與化學性能能量是

22、能量是“量子化量子化”的，的，n為量子數(shù)；為量子數(shù)；能帶是能帶是整個晶體的性質整個晶體的性質，不是個別原子的性質。，不是個別原子的性質。其他物理與化學性能其他物理與化學性能能能 帶帶 固體中原子的能級展成能帶以后，原子中固體中原子的能級展成能帶以后，原子中原有的電子也就填充在能帶中；（原有的電子也就填充在能帶中；（對應于對應于原子中電子由低能級向高能級排布，固體原子中電子由低能級向高能級排布，固體中電子也是由低能帶向高能帶填充的中電子也是由低能帶向高能帶填充的） 對于半導體與絕緣體，是剛好填滿低能量對于半導體與絕緣體，是剛好填滿低能量的幾個能帶，而被填滿的最高能帶上方是的幾個能帶，而被填滿的最

23、高能帶上方是禁帶，禁帶上方則是一個電子也沒有的空禁帶，禁帶上方則是一個電子也沒有的空能帶。而導體則是有半空半滿的非滿能帶。能帶。而導體則是有半空半滿的非滿能帶。其他物理與化學性能其他物理與化學性能 只有只有非滿帶非滿帶的電子才參與導電。的電子才參與導電。其他物理與化學性能其他物理與化學性能 介電性：絕緣體又叫電介質。介電性：絕緣體又叫電介質。 絕緣體絕緣體 絕緣絕緣 存儲電能存儲電能如同水壩攔水，有水位差而如同水壩攔水，有水位差而無水流，存儲水能一樣，絕無水流，存儲水能一樣，絕緣體相當于一道緣體相當于一道“電的堤電的堤壩壩”，能夠存儲電能。，能夠存儲電能。 Q:電介質不同的電容器，電位相同時，

24、所存儲的電介質不同的電容器，電位相同時，所存儲的電荷是否相同？電荷是否相同？其他物理與化學性能其他物理與化學性能+-+-+平板電容器的電容量：平板電容器的電容量： 稱靜態(tài)介電常數(shù)稱靜態(tài)介電常數(shù)極板間為真空時的電容：極板間為真空時的電容：0 0為真空介電常數(shù)為真空介電常數(shù) 當兩極板間放入電介質，相同電位差時由于當兩極板間放入電介質，相同電位差時由于電介質極化產(chǎn)生的表面感應電荷部分屏蔽了極板電介質極化產(chǎn)生的表面感應電荷部分屏蔽了極板產(chǎn)生的靜電場，使極板上的電荷增多，電容增大產(chǎn)生的靜電場，使極板上的電荷增多，電容增大（根據(jù)（根據(jù)C=Q/U)。 r r稱稱相對介電常數(shù)。相對介電常數(shù)。 其他物理與化學性

25、能其他物理與化學性能其他物理與化學性能其他物理與化學性能 研究材料磁性的最基本的任務是確定材料的研究材料磁性的最基本的任務是確定材料的磁化磁化強度強度M與外磁場強度與外磁場強度H和溫度和溫度T的關系，在一定的關系，在一定溫度下，定義：溫度下，定義：MH 稱為物質的稱為物質的磁化率磁化率，即單位外磁場強度下材，即單位外磁場強度下材料的磁化強度。它的大小反映了物質磁化的難易料的磁化強度。它的大小反映了物質磁化的難易程度，是材料的一個重要的磁參數(shù)。同時，它也程度，是材料的一個重要的磁參數(shù)。同時，它也是物質磁性分類的主要依據(jù)。是物質磁性分類的主要依據(jù)。其他物理與化學性能其他物理與化學性能 因此物質內部

26、的磁感應強度可以確定為因此物質內部的磁感應強度可以確定為 磁矩磁矩p在磁感應強度為在磁感應強度為B的磁場中，所受力矩為的磁場中，所受力矩為 所具有的靜磁能為所具有的靜磁能為HHHHMHJHBr00000)1 ()()(BpLBpE其他物理與化學性能其他物理與化學性能 順磁體；順磁體； 抗磁體；抗磁體； 鐵磁體；鐵磁體； 亞鐵磁體（鐵氧體磁性）；亞鐵磁體（鐵氧體磁性）； 反鐵磁體。反鐵磁體。其他物理與化學性能其他物理與化學性能其他物理與化學性能其他物理與化學性能M鐵磁性材料亞鐵磁性材料順磁性材料反鐵磁性材料抗磁性材料H0 收音機喇叭上的吸鐵石的化學成分是收音機喇叭上的吸鐵石的化學成分是Fe3O4，