北京化工大學(xué)北方學(xué)院材料化學(xué)課件3

材料的性能Chapter3PropertiesofMaterials1Chapter3

PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials2本章主要內(nèi)容化學(xué)性能力學(xué)性能熱性能

學(xué)習(xí)目的：了解材料的各類性能；2.加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。電性能磁性光學(xué)性能材料的幾類主要性能：Chapter3PropertiesofMaterials3耐氧化性耐酸堿性耐有機溶劑性耐老化性——材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力化學(xué)穩(wěn)定性或耐受性3.1化學(xué)性能

ChemicalPerformanceChapter3PropertiesofMaterials4(1)Chemicalstabilityofmetalmaterials氧化物成核生長氧溶解氧化膜生長內(nèi)氧化縫隙孔洞微裂紋宏觀裂紋吸附（1）化學(xué)銹蝕3.1.1耐氧化性金屬氧化反應(yīng)的主要過程示意圖(金屬材料)5Electrochemistrycorrosion（2）電化學(xué)腐蝕原電池鋼管與銅組件構(gòu)成的腐蝕負極正極陽極陰極負極負極正極水電位差電解液有導(dǎo)線或直接接觸條件Cathodicprotectionofaburiedsteelpipeline

電化學(xué)防銹——犧牲陽極法保護金屬6Chapter3PropertiesofMaterials被保護金屬73.1.2耐酸堿性耐酸材料

以酸性氧化物為主的材料耐酸,如SiO2(但硅酸鹽材料不耐HF酸)耐堿材料

大多數(shù)金屬氧化物都是堿性氧化物，相應(yīng)的材料表現(xiàn)出較強的耐堿性，而易受酸侵蝕或溶解。無機非金屬材料(除金剛石、石墨外,大多數(shù)為化合物)金屬材料

Chapter3PropertiesofMaterials8(3)Chemicalstabilityofpolymers化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿高分子材料：

主鏈原子以共價鍵結(jié)合長分子鏈對反應(yīng)基團的保護電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕9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，很多有機溶劑都可以將其溶解；交聯(lián)型高分子材料在有機溶劑中不溶解，但能溶脹，使材料體積膨脹，性能變差；不同高分子材料，組織結(jié)構(gòu)不同,其分子鏈以及側(cè)基不同，有機溶劑耐受性不同；—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?！鐐?cè)鏈、主鏈不同,有機溶劑耐受性不同3.1.3耐有機溶劑性——

主要指高分子材料10(3)Chemicalstabilityofpolymers光照下形成自由基：3.1.4耐老化性——高分子材料面臨的問題

氧氣參與：導(dǎo)致鏈斷裂（降解）：Chapter3PropertiesofMaterials11(3)Chemicalstabilityofpolymers羰基容易吸收紫外光，因此含羰基聚合物在太陽光照射下容易被氧化降解。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)上的甲基等等，都會降低高分子材料的耐老化性。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；氟原子的尺寸大小適中，一個緊挨一個，能把碳鏈緊緊包圍住。結(jié)構(gòu)與耐老化性123.2力學(xué)性能——材料抵受外力作用的能力強度、延展性、斷面收縮率

硬度

疲勞性能Chapter3PropertiesofMaterials13應(yīng)力stress3.2.1材料的強度(Strength)應(yīng)變strain測量材料受外力時產(chǎn)生的形變測量材料的強度Experiment應(yīng)力-應(yīng)變曲線

ultimatetensilestrengthyieldstrength微觀：化學(xué)鍵的拉伸彈性形變彈塑性形變均勻塑性形變非均勻塑性形變(1)彈性形變階段:外力撤后可恢復(fù)原狀E:彈性模量/楊氏模量,反映材料抵抗彈性變形能力(2)

彈塑性形變:外力撤后部分恢復(fù)原狀,達最大強度稱為屈服強度σs,它是選擇材料的主要依據(jù).(3)均勻塑性形變:外力撤后不可恢復(fù)原狀,達最大強度稱為拉伸強度σb。它是材料能承受的最大強度.(微觀講:晶體:位錯的滑移),(4)非均勻塑性形變:強度下強,出現(xiàn)縮頸并斷裂,斷裂點強度稱為斷裂強度σk。延展性或塑性的表征延伸率 elongation斷面收縮率

reductionofarea<5%：脆性材料16Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials17材料的一些力學(xué)性能特點：很多金屬材料既有高強度，又有良好延展性；多晶材料強度高于單晶材料；固溶體或合金的強度高于純金屬；多數(shù)無機非金屬材料延展性很差，屈服強度高。

183.2.2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布氏硬度（Brinellhardness）洛氏硬度（Rockwellhardness）HR=(K-h)/0.002據(jù)硬度不同分HRA，HRB，HRCChapter3PropertiesofMaterials19維氏硬度測量維氏硬度（Vickershardness）HV=0.189F/d工具：夾角為136℃的方錐形鉆石錐維氏硬度小負荷維氏硬度顯微維氏硬度F不同Chapter3PropertiesofMaterials20硬度試驗HB/HV/HR值越大，硬度越高21各種材料的硬度特征：共價鍵鍵能高,以共價鍵結(jié)合的材料硬度高,如金剛石；無機非金屬材料有較高硬度金屬材料形成固溶體或合金時,材料硬度會顯著提高。高分子材料硬度通常較低分子鏈之間主要以范德華力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱223.2.3疲勞性能

——材料抵抗疲勞破壞的能力

疲勞：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）下，在某點或某些點產(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、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。

疲勞壽命疲勞強度:對應(yīng)某壽命值(循環(huán)次數(shù))的最大應(yīng)力熱容（heatcapacity）Cp,Cv熱膨脹（thermalexpansion）αl,αv熱傳導(dǎo)（thermalconduction）

λ(導(dǎo)熱率)Chapter3PropertiesofMaterials233.3熱性能

ThermalPropertyChapter3PropertiesofMaterials24Curve金屬和無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)較??；聚合物材料則較大。鍵強與熱膨脹熱膨脹系數(shù)膨脹的差異——原子間的鍵合力越強，則熱膨脹系數(shù)越小。P54:表3-1鍵合力越強,勢能阱越深,膨脹系數(shù)越小;結(jié)構(gòu)越疏松,膨脹系數(shù)越小Chapter3PropertiesofMaterials25Examples熱量通量q

：熱導(dǎo)率：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量3.3.3熱傳導(dǎo)（thermalconduction）

——熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分,或由一個系統(tǒng)傳到另一個系統(tǒng)的現(xiàn)象.(熱傳遞三種形式:對流,傳導(dǎo),熱輻射.傳導(dǎo):固體)(傅立葉定律)26各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率無機陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：高溫下,電子激發(fā)進入導(dǎo)帶，導(dǎo)熱性顯著增大。高分子材料熱導(dǎo)率很低熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運動的傳遞，其對能量傳遞的效果較差。

Chapter3PropertiesofMaterials27導(dǎo)電性介電性鐵電性壓電性

——材料被施加電場時所產(chǎn)生的響應(yīng)行為3.4電性能282.1.3.5Electricalproperty3.4.1導(dǎo)電性能——電導(dǎo)率σ表示電導(dǎo)率σ:電阻率的導(dǎo)數(shù),材料導(dǎo)電性能的度量,σ越大,導(dǎo)電性能越好.292.1.3.5Electricalproperty能帶理論（BandTheory）能帶的形成——分子軌道理論兩原子間相應(yīng)軌道可組成同數(shù)目的分子軌道金屬晶體:可組成數(shù)目極多軌道,實際聯(lián)成一片,構(gòu)成能帶302.1.3.5Electricalproperty各種材料的能帶結(jié)構(gòu)滿帶:充滿電子價帶VB:價電子充滿空帶:部分充滿或全空導(dǎo)帶CB:空帶獲得電子參與導(dǎo)電后禁帶:導(dǎo)帶與價帶之間間隙無禁帶固體導(dǎo)電能力由能帶結(jié)構(gòu)決定能帶本征半導(dǎo)體非本半導(dǎo)體:摻雜,n型,p型312.1.3.5Electricalproperty3.4.2

介電性能——介電常數(shù)表示電容C（capacitance）——電荷量q與電壓V的比值：

平板電容計算：

C=

(A/L):介電常數(shù)，表征材料極化和儲存電荷的能力；相對介電常數(shù)r：r=/0

(常用)C=q/V單位:F電介質(zhì):在電場作用下能極化的物質(zhì)介電性能:外電場作用下,材料對靜電能的儲蓄和損耗性質(zhì)32(2)DielectricProperty某些介電材料的性能介電強度:擊穿電壓,電容器間可維持的最大電場強度,否則擊穿放電介電損耗tanδ:電場作用下,電介質(zhì)能量損耗.損耗小,絕緣性好Chapter3PropertiesofMaterials33(3)Ferroelectricity3.4.3鐵電性與壓電性FerroelectricityandPiezoelectricity鐵電滯后現(xiàn)象鐵電性:材料在除去外電場后仍保持部分極化狀態(tài)

Chapter3PropertiesofMaterials34居里溫度Tc——電鐵性材料

Curietemperature

定義:居里溫度Tc:T>Tc,鐵電性消失Chapter3PropertiesofMaterials35壓電性對鐵電性材料施加壓力,會導(dǎo)致極化發(fā)生改變,在樣品兩側(cè)產(chǎn)生小電壓,這一效應(yīng)稱為壓電性或壓電效應(yīng)壓電體:力→電壓(測量)→壓力傳感器Chapter3PropertiesofMaterials36(4)Piezoelectricity常用的壓電陶瓷：BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、NH4H2PO4逆壓電效應(yīng)(電至伸縮):壓電體兩側(cè)加電壓,可引起尺寸發(fā)生變化薄膜:揚聲器,耳機等373.5.1磁性基本概念

3.5磁性—磁化率衡量磁性:物質(zhì)在不均勻磁場中所受磁力作用任何物質(zhì)都有磁性Chapter3PropertiesofMaterials38反磁性:磁偶極方向與外磁場m<0Hg、Cu、Ag、Pb金剛石、MgO

、NaCl

絕大多數(shù)高分子材料

順磁性磁偶極方向與外磁場相同m>0含有非零角動量原子（例如過渡金屬）的材料。

mT-1（居里定理）一些非過渡金屬（例如Al）。m與T無關(guān)磁場撤去后磁效應(yīng)消失

3.5.2磁性的種類

Chapter3Properties