第三章材料的性能

材料化學(xué)第三章材料性能

李翠林化學(xué)性能力學(xué)性能熱學(xué)性能電性能

光學(xué)性能磁性材料的性能：用于表征材料在給定外界條件下的行為，是材料微觀結(jié)構(gòu)特征的宏觀反映。由于組成和制備工藝的差異→各類材料的性能存在很大差異。第三章

材料的性能圖3-1

各類材料性能的特點(diǎn)第三章

材料的性能氫鍵金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性

無機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性

高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性3.1化學(xué)性能

第三章

材料的性能材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力，隨材料的組成、結(jié)構(gòu)等而不同。包括：溶釋性、耐腐蝕性、抗?jié)B入性、抗氧化性等，可歸結(jié)為化學(xué)穩(wěn)定性。與此相關(guān)的還有催化性、離子交換性等。化學(xué)腐蝕：受周圍介質(zhì)作用引起的一種化學(xué)變化。發(fā)生腐蝕時(shí)不形成原電池，不產(chǎn)生電流。電化學(xué)腐蝕：與電解質(zhì)接觸時(shí)發(fā)生的一種腐蝕。在腐蝕過程中，金屬表面形成許多微小的電流。電解質(zhì)在潮濕的環(huán)境中、溶液中或熔融狀態(tài)下能形成正負(fù)離子，能導(dǎo)電的物質(zhì)如酸、堿、鹽等。金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性：不同金屬差別很大，金屬腐蝕是一種常見現(xiàn)象，導(dǎo)致腐蝕的基本原因可分為：腐蝕速度：可用單位時(shí)間內(nèi)單位面積的損失量or單位時(shí)間內(nèi)的腐蝕深度表示。工業(yè)上常用6類10級(jí)的耐蝕性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)第三章

材料的性能電化學(xué)腐蝕的原因：當(dāng)2種或1種金屬材料其內(nèi)部有2種不同的組成物(如2種相)時(shí)，若處于同一電解質(zhì)中，∵各自不同的電極電位，低→負(fù)極，e由低極→高極→金屬表面→許多微小電流?！叩蜆O失去e→氧化反應(yīng)，而高得到e→還原反應(yīng)，∴低的金屬便不斷地受到腐蝕。如陽極金屬M(fèi)的溶解可寫為：MM＋e；鋁的陽極氧化為：6OH＋2AlAl2O3＋3H2O＋6e。

金屬與氧化物不完全一樣，有的金屬(Al、Cr等)氧化后→Al2O3、Cr2O3等在表面→致密膜→空氣中的O2不再與金屬直接接觸，防止了繼續(xù)氧化→↗金屬抗氧化能力。而鐵所生成的FeO、Fe2O3組織疏松，O2可透過表層與Fe繼續(xù)發(fā)生作用→金屬遭受破壞。無機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性

第三章

材料的性能侵蝕機(jī)理：由氣相－固相反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)所決定。表3-1定性地列出了各種陶瓷材料的耐蝕性。陶瓷、混凝土、灰漿等的耐久性取決于材料的密度、氣孔率，化學(xué)作用(溶解、溶出、氧化等)，和物理作用(干濕作用、T變化、凍結(jié)融化等)等因素。陶瓷材料使用中也常遇到氣體侵蝕問題(CO和H2等—還原性，O2—氧化性，Cl2和SO2等—反應(yīng)性)。表31

各種陶瓷材料的耐蝕性

種類酸及酸性氣體堿液及堿性氣體熔融金屬Al2O3MgOBeOZrO2ThO2TiO2Cr2O3SnO2SiO2良好差尚可尚可差良好差尚可良好尚可良好差良好良好差差差差良好良好良好良好良好尚可差差尚可SiCSi3N4

良好良好尚可尚可尚可良好BNB4C尚可良好良好尚可良好－TiCTiN差尚可差尚可－－如聚四氟乙烯：不僅C-F結(jié)合很牢，且分子規(guī)整對(duì)稱易于結(jié)晶，F(xiàn)原子組成了嚴(yán)密的保護(hù)層，包圍了碳鏈→化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性：大多數(shù)較穩(wěn)定，有良好的抗腐蝕能力。主要是因?yàn)椋旱谌?/p>

材料的性能分子鏈上各原子是共價(jià)鍵結(jié)合，鍵能較高，結(jié)合很牢固；形態(tài)特殊，使得大分子鏈上能夠參加化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)與化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)的接觸較困難；高聚物大都是絕緣體，不會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。聚四氟乙烯PTFE：有極好的化穩(wěn)性，高溫下也不與濃酸、濃堿、有機(jī)溶劑和強(qiáng)氧化劑等起反應(yīng)，在沸騰的“王水”中也毫無損傷，可在-195250℃長(zhǎng)期使用，有“塑料王”的美稱；聚氯乙烯PVC：應(yīng)用極廣的重要塑料，耐酸、耐堿性好，且有一定的強(qiáng)度和剛度，可制成各種規(guī)格的管道、閥門、泵、容器以及各種防腐襯里；酚醛樹脂等熱固性塑料：由于具有化學(xué)鍵交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，耐腐蝕性也很好。第三章

材料的性能第三章

材料的性能

晶態(tài)高聚物：長(zhǎng)鏈分子間堆砌緊密，有相當(dāng)高的化穩(wěn)性；無定形高聚物處于玻璃態(tài)時(shí)：大分子鏈不能自由運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)基團(tuán)被固定，化學(xué)反應(yīng)也難進(jìn)行；在高彈性態(tài)和粘流態(tài)時(shí)：大分子鏈雜亂無章，彼此纏結(jié)，許多基團(tuán)被包裹起來，難與其他反應(yīng)介質(zhì)接觸，與低分子物質(zhì)相比，反應(yīng)仍較緩慢。高分子材料的老化：指在加工、儲(chǔ)存和使用過程中，受化學(xué)結(jié)構(gòu)影響，在光、熱、氧、高能輻射、氣候、生物等因素的綜合作用下，失去原有性能而喪失使用價(jià)值的過程(即物理化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能變壞的現(xiàn)象)。有2種情況：第三章

材料的性能大分子鏈間產(chǎn)生交聯(lián)：線型或支鏈型結(jié)構(gòu)→體型結(jié)構(gòu)，性能變僵、變脆，喪失彈性等。大分子鏈的降解：鏈長(zhǎng)度↘→相對(duì)分子質(zhì)量↓，即聚合度↘→性能變軟、變粘、脫色、喪失機(jī)械強(qiáng)度等。

強(qiáng)度與塑性

硬度

斷裂與韌性

疲勞特性和耐磨性等

3.2力學(xué)性能材料在使用過程中，都或多或少要經(jīng)受力的作用。材料受外力作用時(shí)的變形行為及其抵抗破壞的能力，又稱機(jī)械性能，是一系列物理性能的基礎(chǔ)。通常包括：第三章

材料的性能1.強(qiáng)度：材料在載荷作用下抵抗明顯的塑性變形或破壞的最大能力。按作用力的方式不同，可分為：強(qiáng)度與塑性

第三章

材料的性能拉伸強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度等∵材料中一般都存在有晶格錯(cuò)亂、空隙、氣孔、殘余應(yīng)力等，聚集體材料中又存在有不均勻性和各向異性等各種缺陷，多數(shù)情況下，實(shí)測(cè)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)有較大的離散性，需盡量多測(cè)幾個(gè)樣品。通常材料中缺陷越少、分子間鍵合強(qiáng)度越大，材料的強(qiáng)度也越高。拉伸強(qiáng)度：是將試片在拉力機(jī)上施以靜態(tài)拉伸負(fù)荷，使其破壞(斷裂)時(shí)的載荷。拉伸強(qiáng)度越大，說明材料越不易斷裂。不同的拉伸速度下，測(cè)得的拉伸強(qiáng)度值是不同的。一般，較慢拉伸速度下，材料的強(qiáng)度值較小。陶瓷材料金屬材料高分子材料長(zhǎng)石(KalSi3O8)45MgSiO368Al2O3270SiC350金剛石500Al689Cu1480Be552Mo2070Fe3450聚乙烯2239聚苯乙烯3563聚甲基丙烯酸甲酯4977尼龍67478

聚酰亞胺94表3-2

一些材料的拉伸強(qiáng)度值/MPa彎曲強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度)：指采用簡(jiǎn)支梁法將試樣放在兩支點(diǎn)上，在兩支點(diǎn)間的試樣上試加集中載荷，使試樣變形直至破裂時(shí)的載荷。是材料韌性、脆性的度量。計(jì)算公式為：P——破壞載荷，l——試樣在支點(diǎn)間的跨度，b、d——分別是試樣的長(zhǎng)度和厚度。b=3Pl/2bd2(N/m2)第三章

材料的性能2.塑性：材料在載荷作用下，應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后能產(chǎn)生顯著的殘余變形而不即行斷裂的性質(zhì)。屈服強(qiáng)度—材料在外力作用下發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力。材料拉伸時(shí)延伸率較大，代表其塑性越好。陶瓷材料的塑性最差。3.應(yīng)力－應(yīng)變曲線：應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。在材料上作用以拉伸、壓縮等外力時(shí)，會(huì)相應(yīng)地發(fā)生內(nèi)應(yīng)力，按此應(yīng)力的大小產(chǎn)生應(yīng)變。＝P/A

＝(L-Lo)/LoP—載荷，A—橫截面積，Lo—標(biāo)距間的原始距離，L——施加P后標(biāo)距間的距離。應(yīng)力－應(yīng)變曲線按材料的組成、組織有所不同，大體上可分為5種類型(圖3-2)曲線1：開始為直線，隨后表現(xiàn)出屈服現(xiàn)象，應(yīng)力↗應(yīng)變↗→斷裂，如軟鋼；曲線2：接近于直線，但不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，曲線稍微向上凸出，突然斷裂，如玻璃、硬石塊、鑄鐵等;曲線3：開始時(shí)向上凸出(接近于指數(shù)變化)，在接近斷裂時(shí)應(yīng)變

，如軟石塊、蒸壓輕質(zhì)混凝土、木材的壓縮曲線、質(zhì)硬而脆的塑料等；曲線4：開始階段接近于直線或有向上凸的趨勢(shì)，隨后應(yīng)力出現(xiàn)極大值，一度屈服，然后應(yīng)力再次而斷裂，如硬而粘性大的塑料；曲線5：開始階段稍許趨于向下凹，隨后應(yīng)變同應(yīng)力的成正比，當(dāng)應(yīng)力再度時(shí)便斷裂，如軟質(zhì)橡膠。第三章

材料的性能彎曲屈服強(qiáng)度：指某些非脆性材料，當(dāng)載荷達(dá)到某一值時(shí)，其變形繼續(xù)增加而載荷不增加時(shí)的強(qiáng)度。壓縮強(qiáng)度：也稱抗壓強(qiáng)度，是指在試樣上施加壓縮載荷至破裂(對(duì)脆性材料)或產(chǎn)生屈服現(xiàn)象(對(duì)非脆性材料)，原單位橫截面積上所能承受的載荷。試樣通常為圓柱形or正方形。沖擊強(qiáng)度：是材料在高速?zèng)_擊狀態(tài)下發(fā)生斷裂時(shí)單位面積上所需的能量。4.彈性與剛度：彈性—材料在載荷作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)載荷除去后能恢復(fù)原狀的能力；剛度—指材料在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。反映材料剛度的指標(biāo)是彈性模量。E表征物體變形的難易程度?？v向彈性模量也稱楊氏模量。如把材料看成彈性體時(shí)，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段的斜率即為彈性模量。代表性材料的E見表3-3

。高分子材料E變化范圍較寬，是應(yīng)用多樣性的原因之一。E=5.彈性模量：指材料在彈性極限范圍內(nèi)，是應(yīng)力與應(yīng)變的比值，用E(Pa)表示：表3-3

一些代表性材料的楊氏模量/N?m-2

陶瓷材料金屬材料高分子材料金剛石1.21×1012

<111>Al2O34.6×1011<001>MgO2.45×1011<100>NaCl4.4×1010<100>Si3N4(多晶)3.72×1011SiC(多晶)5.6×1011

W3.6×1011Sn5.5×1010Cu1.25×1011Zn3.5×1010Ag8.1×1010Al7.2×1010

聚乙烯0.121.05×109PMMA2.53.5×109橡膠2×105聚苯乙烯2.22.8×109尼龍62.84×109硬塑料5×1015

第三章

材料的性能硬度PHB=(/2)D(DD2-d2)P：作用載荷，D：壓頭直徑，d：壓痕直徑。

第三章

材料的性能

能抵抗其他較硬物體壓入表面的能力。常用試驗(yàn)方法有布氏、維氏、和洛氏試驗(yàn)。布氏硬度試驗(yàn)：通常將Φ10mm的堅(jiān)硬鋼球壓入材料的表面，測(cè)出表面上留下的壓痕直徑，并按下式算出布氏硬度值（HB或BHN）。洛氏試驗(yàn)：測(cè)軟材料時(shí)用小鋼球；測(cè)較硬材料時(shí)可用金剛鋼石錐體。硬度計(jì)可自動(dòng)測(cè)出壓頭穿透的深度，并將深度數(shù)值轉(zhuǎn)換為洛氏硬度數(shù)值。維氏試驗(yàn)：用不同載荷的金剛錐進(jìn)行壓痕，測(cè)量微觀硬度常用材料的硬度和彈性模量見表3-4表3-4

幾種常用材料的硬度和彈性模量

材料彈性模量(E)/MPa維氏硬度(Hv)/kg?mm-2

橡膠塑料鎂合金鋁合金鋼氧化鋁碳化鈦金剛石6.9138041300723002070004000003900001210000很低1730~40170300~800150030006000~10000第三章

材料的性能

斷裂與韌性

材料的力學(xué)斷裂是由原子間或分子間的鍵斷開而引起的，按斷裂時(shí)的應(yīng)變大小分為：第三章

材料的性能

脆性斷裂：指材料未斷裂之前無塑性變形發(fā)生，或發(fā)生很小塑性變形導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象。如巖石、混凝土、玻璃、鑄鐵等，稱為脆性材料。延性斷裂：指在斷裂前產(chǎn)生大的塑性變形的斷裂。如軟鋼及其他軟質(zhì)金屬、橡膠、塑料等。韌性：材料抵抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力。韌性與脆性：意義相反的2個(gè)概念。韌性高，意味著其脆性低；反之亦然。韌性的度量指標(biāo)有2類：第三章

材料的性能沖擊韌性：用材料受沖擊而斷裂的過程所吸收的沖擊功大小來表征韌性?？捎糜谠u(píng)價(jià)高分子材料的韌性，但一般不適用韌性很低的材料(如陶瓷)。斷裂韌性：較常用的指標(biāo)，表示材料阻抗斷裂的能力。常用材料裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值K1C來表征材料的韌性。材料的斷裂力學(xué)承認(rèn)材料中存在著由各種缺陷構(gòu)成的微裂紋。在外力的作用下，這些微裂紋的擴(kuò)展→斷裂。斷裂應(yīng)力f與裂紋尺寸C之間的關(guān)系為：第三章

材料的性能K1＝Af

CK1—應(yīng)力強(qiáng)度因子，A—材料幾何形狀參數(shù)（由力學(xué)分析計(jì)算or實(shí)驗(yàn)求出）。應(yīng)力，裂紋擴(kuò)大，K1值也，但不能無限的，當(dāng)達(dá)到極限值K1C時(shí)，即使不加外力，裂紋也會(huì)自行擴(kuò)展而造成斷裂。K1C稱為斷裂韌性，與微裂紋形狀、尺寸及應(yīng)力大小有關(guān)。陶瓷材料的K1C值為310MNm-3/2，鋁合金為34MNm-3/2，鈦合金為MNm-3/2，碳鋼可達(dá)200MNm-3/2。疲勞特性和耐磨性材料受到拉伸、壓縮、彎曲、扭曲或這些外力的組合反復(fù)作用時(shí)，應(yīng)力的振幅超過某一限度即會(huì)導(dǎo)致材料的斷裂，這一限度稱為疲勞極限。第三章

材料的性能

疲勞壽命指在某一特定應(yīng)力下，材料發(fā)生疲勞斷裂前的循環(huán)數(shù)，反映材料抵抗產(chǎn)生裂縫的能力。疲勞現(xiàn)象主要出現(xiàn)在有較高塑性的材料中，如金屬是其主要失效形式之一。疲勞斷裂往往是沒有任何先兆的突然斷裂，∴造成的后果有時(shí)是災(zāi)難性的。材料對(duì)磨損的抵抗能力，可用磨損量表示。一定條件下，磨損量↘→耐磨性↗。磨損量一般用在一定條件下試樣表面的磨損厚度or體積(or質(zhì)量)的↘來表示。磨損包括：氧化磨損、咬合磨損、熱磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損等。材料摩擦系數(shù)、硬度一般均有助于↗耐磨性。第三章

材料的性能耐磨性3.3熱學(xué)性能熱傳導(dǎo)耐熱性熱容熱膨脹第三章

材料的性能

熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱電勢(shì)等，在工程上有許多特殊的要求和廣泛的應(yīng)用。材料組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)常伴隨一定的熱效應(yīng)。熱性能分析已成為材料科學(xué)研究中一種重要手段，對(duì)確定臨界點(diǎn)并判斷材料的相變特征有重要意義。熱容：熱容表示1mol固體T升高1K時(shí)物質(zhì)所吸收的熱量。通常用比熱容（J/molK）來表征，有等容比熱容Cv和等壓比熱容CP兩種：

Cv隨T↗而↗。T≥D(德拜溫度)時(shí)，Cv幾乎與T無關(guān)。CP與Cv存在如下關(guān)系：第三章

材料的性能

CP－Cv＝v2VoT/

v—體積膨脹系數(shù)，Vo—摩爾體積，=-(1/v)(dv/dp)為壓縮率。結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)材料的比熱容會(huì)有較大影響。常溫下固體材料的CP和Cv幾乎無差別，所測(cè)定的都是CP

。熱膨脹物體的熱脹冷縮是一種普遍現(xiàn)象，膨脹系數(shù)是表示物體這一特性的一個(gè)參數(shù)。

膨脹系數(shù)：指T變化1K時(shí)材料單位長(zhǎng)度的變化量—線膨脹系數(shù)l（K-1），材料單位體積的變化量—體膨脹系數(shù)v。l和v分別表達(dá)為：第三章

材料的性能

l＝(1/l)(dl/dT)p

v＝(1/v)(dv/dT)p下標(biāo)p表示恒壓條件，v和l各為材料的體積和線尺寸。從原子尺度看，熱膨脹與原子(分子or鏈段)振動(dòng)有關(guān)?！嘟M成固體的那些原子(分子or鏈段)相互間的化學(xué)鍵合和物理鍵合作用，對(duì)熱膨脹有重要作用。結(jié)合能越大，越小。是隨T變化的。實(shí)際應(yīng)用中，作為尺寸穩(wěn)定零件的微波設(shè)備諧振腔、精密計(jì)時(shí)器、精密天平、標(biāo)準(zhǔn)尺和宇宙航行雷達(dá)天線等材料，都要求在氣溫變動(dòng)范圍內(nèi)很低；電真空技術(shù)中為與玻璃、陶瓷、云母、人造寶石等氣密封接，要求具有一定的合金；制造熱感敏元件的雙金屬，要求盡可能高。與金屬相比：共價(jià)鍵材料低，而離子鍵材料稍高。有機(jī)化合物中，三維網(wǎng)絡(luò)狀高分子較低；長(zhǎng)鏈高分子∵分子間是弱鍵合，較高。熱傳導(dǎo)：由材料相鄰部分的△T而發(fā)生的能量遷移。主要機(jī)制為：自由e的傳導(dǎo)：金屬材料，熱和電的良導(dǎo)體。晶格振動(dòng)的傳導(dǎo)：離子鍵or共價(jià)鍵的晶體。分子or鏈段的傳導(dǎo)：高分子材料等。熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))：代表材料導(dǎo)熱能力的常數(shù)，單位為cal/(cmsK)或W/(msK)，即單位時(shí)間內(nèi)在1K溫差的1m3或1cm3正方體的一個(gè)面向其所對(duì)的另一個(gè)面流過的熱量。與非金屬材料相比，金屬為熱的良導(dǎo)體，氣體是熱的絕緣體。金屬材料：電和熱的良導(dǎo)體。T↗→↘；合金的，≈15%70%母相金屬。也隨組織而改變，如鋼在退火后↗，淬火后∵晶格發(fā)生應(yīng)變則↘。第三章

材料的性能高分子材料：熱量由它的振動(dòng)波及鄰近分子激勵(lì)的形式進(jìn)行的，轉(zhuǎn)遞速度較慢，∴熱傳導(dǎo)率也小。無機(jī)非金屬材料：晶體能量以熱彈性波形式轉(zhuǎn)遞，∴在各種波之間會(huì)相互干涉，∵散射而緩慢↘。T熱彈性波散射，故略↘。但熱彈性波波長(zhǎng)≮原子間距，∴高溫下，晶體已不受T影響。玻璃體不會(huì)產(chǎn)生熱彈性波，∴<晶體。第三章

材料的性能

許多技術(shù)領(lǐng)域中，材料導(dǎo)熱性都是一個(gè)重要的問題，如熱能工程、制冷技術(shù)、工業(yè)爐設(shè)計(jì)、工件加熱和冷卻、房屋采暖與空調(diào)、以及航天飛行器重返回大氣層等隔熱材料都要求材料具有優(yōu)良的絕熱性能；燃?xì)廨啓C(jī)葉片、晶體管散熱器卻要求優(yōu)良的導(dǎo)熱性。元素單質(zhì)氧化物氮化物碳化物高分子材料熔點(diǎn)T熱變形Al

65920502400(分解)2800B

20004503000(分解)2450

Si

141217102000(分解)

2830(分解)Ti

1667184029503140Zr

1885270029803530Hf>2130281033003890Ta

29961470(分解)

30903880W

337714732870

PMMA

16065100聚苯乙烯

24070100尼龍6

66聚乙烯

1374070聚丙烯

17685110聚酯

60200

耐熱性

材料的熔點(diǎn)(Tm)可反映其耐熱性。一般結(jié)構(gòu)中分子間作用力越大，則熔融熱焓大，Tm高；柔性大，熔融熱焓小，Tm也小。表3-5一些物質(zhì)的Tm表3-5各種物質(zhì)的熔點(diǎn)Tm/C導(dǎo)電性能：用電阻率or電導(dǎo)率量度。

介電性能：在外電場(chǎng)作用下，材料表現(xiàn)出的對(duì)靜電能的儲(chǔ)蓄和損耗的性質(zhì)。鐵電性：某些材料在除去外電場(chǎng)后仍保持部分極化狀態(tài)。壓電性：具有使機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)—由形變而產(chǎn)生的電效應(yīng)；逆壓電效應(yīng)—對(duì)材料施加一電壓而產(chǎn)生形變。3.4電性能

材料在靜電場(chǎng)or交變電場(chǎng)中，即處在電源的兩極之間行為的表征。

第三章

材料的性能

第三章

材料的性能

超導(dǎo)體：在一定T下≈0；導(dǎo)體：10-810-5m；半導(dǎo)體：10-5107m；絕緣體：1071020m。室溫下部分材料的電導(dǎo)率見表3-6導(dǎo)電性能—電阻率(m)；1/—電導(dǎo)率?！迒挝惑w積中的載流子數(shù)目、每個(gè)載流子的電荷量和遷移率。載流子有：e，空穴，正、負(fù)離子4種類型。其遷移率取決于原子的結(jié)合類型、晶體缺陷、摻雜劑類型和用量、及離子在離子化合物中的擴(kuò)散速率。按大小，可將材料分成：電阻R與導(dǎo)體的長(zhǎng)度l成正比，截面積S成反比：

R＝

(l/S)（3-6）金屬和合金

非金屬

銀銅(工業(yè)純)金鋁(工業(yè)純)Al-1.2%Mn合金鈉鎢(工業(yè)純)70%Cu-30%Zn黃銅鎳(工業(yè)純)純鐵(工業(yè)純)鈦(工業(yè)純)TiC不銹鋼，301鋼80%Ni-20%Cr合金6.30×1075.85×1074.25×1073.45×1072.95×1072.10×1071.77×1071.60×1071.46×1071.03×1070.24×1070.17×1070.14×1070.093×107

石墨SiC鍺，純硅，純酚醛樹脂(電木)窗玻璃Al2O3云母聚甲基丙烯酸甲酯BeO聚乙烯聚苯乙烯金剛石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3×10-410-710-11<10-1010-1010-1210-1110-15<10-1210-1210-15<10-14<10-14<10-14<10-16<10-16

表3-6各種材料在室溫下的電導(dǎo)率

（-1m-1）

一般來說，金屬是導(dǎo)體，部分陶瓷和少數(shù)高分子材料是半導(dǎo)體，普通陶瓷與大部分高分子材料是絕緣體。但一些陶瓷有超導(dǎo)性。超導(dǎo)性：一旦T<Tc(超導(dǎo)體臨界T)時(shí)，就躍變?yōu)榱?。Tc依賴于作用于導(dǎo)體的磁場(chǎng)強(qiáng)度。許多材料有超導(dǎo)性，但它們都需要T極低。超導(dǎo)體是動(dòng)力聚變反應(yīng)堆運(yùn)行必不可少的條件。如果能有更高Tc的材料，則超導(dǎo)應(yīng)用將。典型的超導(dǎo)體有Nb-60Ti-4Ta合金、Y-Ba-Cu-O系陶瓷和聚硫腈(SN)x晶體等。T↗，金屬↘，半導(dǎo)體、絕緣體、離子導(dǎo)電材料↗。雜質(zhì)原子常使純金屬↘，∵在固溶體內(nèi)造成不規(guī)則的場(chǎng)勢(shì)變化，嚴(yán)重影響e的運(yùn)動(dòng)；但在陶瓷材料中常會(huì)使↗?！噙m當(dāng)形式的晶體缺陷可明顯↗其導(dǎo)電性。

半導(dǎo)體：如硅、鍺∵能帶結(jié)構(gòu)中,價(jià)帶和導(dǎo)帶間的能隙小，價(jià)帶中少數(shù)具有足夠熱能的e受激躍遷到導(dǎo)帶，留下一些空能級(jí)→空穴。材料受到電壓作用時(shí)，導(dǎo)帶中的e向正極加速，而空穴向負(fù)極移動(dòng)。∴電流就通過e和空穴的運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，其中空穴起著正e的作用。本征半導(dǎo)體：取決于e-空穴對(duì)的數(shù)量和T的材料。非本征半導(dǎo)體：通過加入雜質(zhì)即摻雜劑而制備的半導(dǎo)體，雜質(zhì)的多少?zèng)Q定了電荷載流子的數(shù)量。半導(dǎo)體金屬：砷、銻、鉍、硒、碲等元素，<典型金屬，在半導(dǎo)體范圍內(nèi)，但其~T的變化行為象金屬。另一特殊材料是石墨，在基晶面方向上，顯示出金屬般高傳導(dǎo)性，但在其垂直的方向上具有半導(dǎo)性。介電性能：在外電場(chǎng)作用下，材料表現(xiàn)出的對(duì)靜電能的儲(chǔ)蓄和損耗的性質(zhì)。電子材料除有導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體外，介電材料(如電容器)也十分重要。第三章

材料的性能

介電材料：價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在大的能隙，∴具有高的電阻率。產(chǎn)生介電作用的原因：電荷的偏移稱為極化。其中離子極化最重要，即在電場(chǎng)作用下離子偏移它的平衡位置。有極化離子存在時(shí)，電子層也會(huì)相對(duì)于核的位置發(fā)生偏移而形成電子極化。電容C既依賴于電容器板極之間的材料，又和器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于只有2個(gè)板極的簡(jiǎn)單平板電容器：

C＝

(A/d)

（3-7）A——每個(gè)板極的面積；d——板極間的距離；——電容率，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力。第三章

材料的性能

相對(duì)電容率(即介電常數(shù)r)：是材料電容率與真空電容率o之比：o為8.85×10-12F/m。對(duì)于一個(gè)含有n個(gè)平行導(dǎo)體板的電容器，其電容等于：

介電損耗(tg)：為材料在每次電場(chǎng)交變時(shí)所損耗的能量的分?jǐn)?shù)值，是介電材料重要的性能指標(biāo)。使用中希望材料的介電損耗越小越好。一般T↗tg↗。表3-7列出了一些介電材料的性能。r＝

/o

（3-8）

C＝o

r(A/d)(n-1)

（3-9）第三章

材料的性能表3-7某些介電材料的性能

材料介電常數(shù)r

介電損耗tg(106Hz)介電強(qiáng)度×106/(V/m)

60Hz106Hz聚甲醛聚乙烯聚四氟乙烯聚苯乙烯聚氯乙烯(無定形)橡膠環(huán)氧樹脂熔融氧化硅鈉鈣玻璃氧化鋁鈦酸鋇TiO2云母7.52.32.12.574

3.8794.72.32.12.53.43.23.63.876.53000141107

2.3<2×10-413×10-40.040.1410-2

2×10-45×10-32×10-210-3~10-410-22×10-45×10-31220

204020

10612840研究介電常數(shù)大的物質(zhì)(如BaTiO3)時(shí)發(fā)現(xiàn)(見圖3-24)：當(dāng)電場(chǎng)↗時(shí)，極化程度先按比例↗1，接著突然↑2，很大時(shí)↗速度又↘→極限值3。除去電場(chǎng)后剩余一部分極化狀態(tài)4，必須加上相反電場(chǎng)才能完全消除極化狀態(tài)5，即出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，與鐵磁體類似，稱這種某些材料在除去外電場(chǎng)后仍保持部分極化狀態(tài)的現(xiàn)象為鐵電性。Fig3-3

鐵電滯后現(xiàn)象鐵電性

這種保持極化的能力可使鐵電材料保存信息，∴成為可供計(jì)算機(jī)線路使用的材料。永久偶極子鐵電材料必然是介電體、壓電體，而且介電常數(shù)高，∴特別適用于電容器和壓電換能器。Fig3-4

溫度對(duì)介電常數(shù)的影響鐵電性常出現(xiàn)在具鈣鈦礦晶格的ABO3型化合物中。有些材料，如BaTiO3的Tc相應(yīng)于晶體結(jié)構(gòu)T轉(zhuǎn)變，∴>T轉(zhuǎn)變時(shí)，結(jié)構(gòu)中的永久偶極子(指電荷or磁矩不平衡的原子or原子組合)都不復(fù)存在，無鐵電性。鐵電性依賴于T，>特征溫度Tc（鐵電居里溫度）時(shí)，材料將不再具備鐵電性，見圖3-4。表3-8一些高介電常數(shù)(高容量)的材料材料介電常數(shù)r

(1kHz)tg

(1kHz)居里溫度Tc/CBaTiO3

SrTiO3

Na1/2Bi1/2TiO3

Bi4Ti3O12

Cd2Nb2O7

PbTiO3-PbZrO3(PZT)(Ba,Sr)(Ti,Sn)O3

(Ba,Sr)TiO3晶界層電容器12003327001125005804253400300010000400001000001×10-2

5×10-4

4×10-2

2.9×10-3

1.4×10-2

4×10-32×10-2

1×10-25×10-2

2×10-21×10-1

120-200675-88180350第三章

材料的性能壓電性具有使機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。取決于晶體結(jié)構(gòu)是否對(duì)稱?晶體必須有極軸(不對(duì)稱or無對(duì)稱中心)，同時(shí)是絕緣體，才有壓電性。所有鐵電材料都有壓電性，但有壓電性不一定是鐵電體，如BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等是鐵電和壓電材料，而石英、纖維鋅礦(ZnS)是壓電材料，但無鐵電性。壓電常數(shù)：壓電效應(yīng)的大小，與施加的應(yīng)力、產(chǎn)生的應(yīng)變S、電場(chǎng)強(qiáng)度E及電位移D有關(guān)，與方向有關(guān)。反映壓電材料這4個(gè)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為壓電方程。介電體、壓電體與鐵電體的關(guān)系機(jī)電耦合系數(shù)K：壓電材料性能的另一參數(shù)(生產(chǎn)上使用最多)，表示其機(jī)械能與電能的耦合效應(yīng)，定義為：K—無量綱物理量，大小與材料形狀及振動(dòng)方式有關(guān)，但不同的振動(dòng)模式將有相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)。有平面耦合系數(shù)KP、橫向耦合系數(shù)K31、縱向耦合系數(shù)K33、厚度振動(dòng)機(jī)電耦合系數(shù)Kt和厚度切變振動(dòng)機(jī)電耦合系數(shù)K15等。K=通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的電能

輸入的機(jī)械能

（3-10）壓電體用于點(diǎn)火裝置、壓電變壓器、微音擴(kuò)大器、振動(dòng)計(jì)、超聲波器件和各種頻率濾波器等。許多陶瓷均是重要壓電材料。聚偏二氟乙烯(PVDF)是近年來研究最多的聚合物壓電材料。一些壓電材料的特性表3-9

。表3-9壓電材料的特性

材料r

d31

d33

K31

K33

KP

KtTc(10-12C/N)(10-12C/N)/CBaTiO3

PbTiO3

PZTPb(Mg1/3Nb2/3)O3LiTaO3結(jié)晶PVDFPVDF/PbTiO3

PVDF/PZTPVDF/三氟乙烯1200781902800.210.490.320.211202001320940.060.450.060.434706129318022.30.310.670.53330170018001006000.50.750.52000.20.450.30.720034054

61811204036

0.10.221202.7

103050

0.48

9.530

0.3

第三章

材料的性能

3.5光學(xué)性能

光波是1種電磁波，可分成紅外、可見和紫外3個(gè)波段。第三章

材料的性能

∵外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、應(yīng)力的作用→n變化的現(xiàn)象，稱電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和光彈性。折射率n：光波在物體中的傳輸速度v與真空中速度vo的比值：n=vo/v透明材料的反射率R：R=[(n-1)/(n+1)]21.光的透過、吸收和反射

表3-10光的反射、吸收、透過的特征

材料無機(jī)(陶瓷)材料金屬材料高分子材料反射除金剛石、立方ZrO2、TiN等外，多數(shù)陶瓷對(duì)可見光的R均較小對(duì)可見、紅外線、微波等低頻率光有強(qiáng)反射n為：1.341.71，R非常小吸收含有過渡、稀土金屬離子的物質(zhì)，∵配位場(chǎng)e的激發(fā)，在可見波段有吸收；∵晶格振動(dòng)，在紅外波段均有吸收對(duì)低頻率光反射，同時(shí)也吸收含電子結(jié)合的發(fā)色基團(tuán)，在可見波段產(chǎn)生吸收；紅外波段有顯著吸收，可用于檢測(cè)分子基團(tuán)透過一般光帶能級(jí)差較大，透可見和近紅外；但雜質(zhì)、氣孔、多晶異向性等→透過率↘可透紫外線以上的高頻光；若膜厚<1050nm，可顯著透過可見光雖然不純物等會(huì)引起著色，但一般無色透明，透光性高金屬具有不透明性和高反射率是∵導(dǎo)帶中已填充能級(jí)的上方有許多空著的e能態(tài)，電磁波入射時(shí)均可激發(fā)e到能量較高的未填充態(tài)→被吸收?！喙饩€射進(jìn)金屬表面不深即被完全吸收，非常薄的金屬膜才有些透明。e一旦被激發(fā)后，又會(huì)衰減到較低的能級(jí)→在表面發(fā)生光的再反射?！嘟饘?gòu)?qiáng)反射是由吸收和再反射綜合造成的。大多數(shù)非晶態(tài)高分子，不含雜質(zhì)、疵痕時(shí)，清徹透明(如聚甲基丙烯酸甲酯≈完全透明。聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、纖維素酯、聚乙烯醇縮丁醛等的透光率~90%);結(jié)晶高分子：晶體尺寸時(shí)，不會(huì)對(duì)光產(chǎn)生干涉作用，∴透明，如微晶尼龍、拉伸的聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜等；晶體尺寸時(shí)，∵產(chǎn)生光散射而變得不透明并呈乳白色如尼龍。無機(jī)材料是否透明?取決于能帶結(jié)構(gòu)：能隙足夠?qū)挕梢姽獠蛔阌谝餰激發(fā)→透明。第三章

材料的性能

*大多數(shù)玻璃透光性非常好。*大部分陶瓷，在可見光波段不透明，若燒結(jié)中通過加入少量添加劑抑制晶粒的生長(zhǎng)，也可制得透明的材料，圖3-5一些透光性燒結(jié)體的光透過曲線。透明Al2O3材料已用于制造超高強(qiáng)燈泡。圖3-5

一些透光性燒結(jié)體的光透過率2.熒光性

第三章

材料的性能

指1種物質(zhì)在吸收電能or光能后，通過e躍遷，再釋放出光的現(xiàn)象。許多稀土化合物本身就是熒光體。一般材料需要激活劑引發(fā)熒光性，如銀激活ZnS熒光體可寫為ZnS:Ag。表3-11列出了部分熒光材料的用途。

表3-11部分熒光材料的用途用途激發(fā)方法代表性的熒光材料熒光顏色彩色電視機(jī)1827KV電子射線ZnS:Ag,ClZnS:Cu,Au,ClY2O2S:Eu藍(lán)綠紅觀測(cè)用陰極射線管

1.510KV電子射線Zn2SiO4:Mn綠電子顯微鏡503000KV電子射線

(Zn,Cd)S:Cu,Al綠數(shù)字顯示管20V電子射線ZnO綠熒光燈254nm紫外線Ca10(PO4)6(F,Cl)2:Sb,Mn白熒光水銀燈365nm紫外線Y(V,P)O4:Eu紅復(fù)寫用燈254nm紫外線Zn2SiO4:Mn綠X線增感紙X射線CaWO4Gd2O2S:Tb藍(lán)白黃綠固體激光光(近紫外近紅外)Y3Al5O12:Nd(YAG)紅外3.6磁性

第三章