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  1. 材料性能基础王秀丽材料科学与工程学系wangxl@zju.edu.cn材料性能基础王秀丽材料科学与工程学系wangxl@zju.edu.cn 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  2. 材料性能基础 • 物理性能:密度、熔点、热、电、光、磁 • 化学性能:抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性 • 力学性能:弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、高温力学性能、耐磨性 • 改变材料力学性能的主要方法:金属材料强化方法(塑性变形、细化晶粒、合金化、热处理),无机非金属材料增强增韧、高分子材料增强与改性 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  3. 材料性能概述 材料的性能:表征材料在给定外界条件下的行为 成分 化学键 性能 组织结构 制备技术、加工过程等 Fe-0.45wt%C不同组织下表现完全不同的性能: 左边—F+P,较软、韧 右边—M,较硬、脆 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  4. 三大材料一般性能特点 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  5. 材料的物理性能 Chap3-1 • 热学性能:热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性 • 电学性能:导电、介电、铁电、压电 • 光学性能:光的透过、吸收和反射;荧光性 • 磁学性能:铁磁、顺磁、抗磁 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  6. (1)热容 3R 0 0 D T/K 热学性能:晶格热振动--晶格点阵中的质点(原子、离子)围着平衡位置做微小振动 热容表征材料从周围环境吸收热量的能力,用1 mol物质温度升高1 K是所吸收的热量来表示,有定压热容和定容热容两种。单位:J/(mol•K) 材料定容热容和温度之间的关系 德拜温度 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  7. 根据热容选材: • 材料升高一度,需吸收的热量不同,吸收热量小,热损耗小。同一组成,质量不同,热容也不同,质量轻,热容小。对于隔热材料,需使用轻质隔热砖,便于炉体快速升温,同时降低热量损耗。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  8. (2)热传导 T1 定义: Q T2 T1-T2=1 K 热传导本质:由于温差而发生的材料相邻部分间的能量迁移。 热传导表征——热导率 ,单位:W/(m • K) q——单位时间单位面积(垂直于热流方向)内流过的热量,单位:W/m2 dT/dx——温度梯度,单位:K/m 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  9. 热传导机制 • 热传导的三种方式:自由电子传导、晶格振动传导和分子或链段传导 • 金属材料的热传导——自由电子传导 • 金属的热导率较高(20-400 W/m-K),随温度的升高、缺陷的增多而下降。 • 无机非金属材料的热传导——晶格振动传导 • 热导率低,良好的绝热材料(一般陶瓷材料2-50 W/m-K),随温度升高略微减小; • 陶瓷中的孔洞明显降低热导率; • 玻璃的原子排列远程无序,不产生热弹性波,因此热导率更低; • 高分子材料的热导率——分子或链段传导 • 热量通过分子或链段的传递,速度慢,因此其热导率低,可用作绝热材料; • 结晶度增大,热导率增大; • 孔洞降低热导率。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  10. (3)热膨胀 热膨胀系数——温度变化1 K时材料单位长度(线膨胀系数l)或单位体积(体积膨胀系数v)变化量。对各向同性材料, v =3l 热膨胀系数主要取决于原子(或分子、链段)之间结合力。结合力越大,热膨胀系数越低。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  11. (4)热应力 热应力——温度变化引入的材料内部的应力,导致断裂或塑性变形 约束热胀冷缩引起的热应力: 加热时,Tf>T0,<0,为压缩应力;冷却时,Tf < T0, >0,为拉伸应力。 材料内部温度梯度引入的热应力: 急冷急热时,材料内部产生温度梯度,其大小取决于材料的形状尺寸、热导率和外界温度变化。温度梯度也产生热应力。 例如,材料急冷时(假设不发生相变),外部冷得快,因而尺寸收缩得较快,被内部阻碍而在外部产生拉应力,在内部产生压应力;加热时应力状态相反。 实例:装热水的玻璃杯越厚越容易“烫破”! 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  12. 抗热冲击性 对塑性材料,热应力导致塑性变形; 对陶瓷类脆性材料,热应力直接导致脆性断裂。 抗热冲击性(Thermal Shock Resistance, TSR) ——材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力。 提高材料TSR值的最简单有效的方法是降低其热膨胀系数。 例如, 普通玻璃:l=910-6 K-1 耐热玻璃(石英玻璃,减少普通玻璃中的CaO、Na2O含量,添加一定量的B2O3,l=310-6 K-1 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  13. 电学性能 • 导电性能:欧姆定理、电导率、固体的能带结构、材料导电性 • 半导体:本征半导体、掺杂半导体 • 超导 • 其它电性能:铁电、压电、介电 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  14. (1)欧姆定理和电子导电 + + + + - - - - e- 欧姆定理: 电导率: 电子在电场E作用下沿x方向作漂移运动(即电场 作用下电子的运动),则动量px=mvx。 m——电子有效质量,vx——电子平均漂移速率。 当电子之间或电子与其他粒子碰撞时失去动量。二者平衡时,电场力=碰撞作用力: eEx=mvx/ 为二次碰撞之间的时间,称为驰豫时间。 因此,vx=eEx/m=Ex ——电子迁移率, =e/m,反应电子迁移的难易程度。 设电子密度为n,则电流密度Jx=nevx=neEx, =Jx/Ex=ne=ne2 /m 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  15. 电子迁移率和载流子密度 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  16. 材料的电导率 =Jx/Ex=ne=ne2 /m 材料的电导率和载流子密度n,迁移率相关。 金属键结合的材料:载流子为价电子,密度高,迁移容易,电导率高。 共价键结合的材料:必须打开共价键后电子才能迁移,电导率低(半导体或绝缘体材料)。 离子键结合的材料:载流子为整个离子,通过离子扩散导电。(电解液) 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  17. 一些材料电导率 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  18. 金属导电性的影响因素 理想晶格 高温加热晶格 含缺陷晶格 • 温度: ,——电阻温度系数;r——室温电阻率 • 晶格缺陷: ,x——缺陷体积分数;b——常数 • 强化方式: • 固溶强化——晶格畸变严重,极大缩短电子自由程,降低电导率; • 时效强化、弥散强化——降低导电性的作用不如固溶强化明显; • 形变强化、细晶强化——对导电性影响很小。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  19. 导电功能材料的性能(金属材料) 电线、电缆所用材料主要是铜、铝及其合金。 铜导电材料大都采用电解铜,含铜量99.97~99.98%,含有少量金属杂质和氧 铜中杂质会降低电导率,氧也使产品性能大大下降 无氧铜性能稳定、抗腐蚀、延展性好、抗疲劳,可拉成很细的丝,适合于做海底同轴电缆的外部软线,也可用于太阳能电池 与铜导线相比,铝导线电导率低(纯铝为61%),但其重量轻,比重只有铜的1/3,是铝导线的一大优点 铝导线主要用做送电线和配电线。对于160KV以上的高压电线,往往用钢丝增强的铝电缆或铝合金线。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  20. 离子晶体导电 ln a b 1/T 本征空位:离子晶体热激发引起的空位,随温度升高而增多 空位 非本征空位:离子晶体中杂质引起的空位,数量由杂质多少决定 固体电解质的导电机理——离子导电 载流子:离子 离子导电条件: 1)离子在晶格中运动需要克服周围势垒,迁移率可表达为, 因此,电导率和温度的关系为, 即, 2)附近有空位接纳离子。 高温段a——本征空位居主导,激活能大,由空位激活能和离子克服势垒激活能组成; 低温段b——非本征空位居主导,激活能小,只是离子克服势垒激活能。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  21. 导电功能材料的性能 许多电阻元件是用无机非金属材料做的,其中包括高电导氧化物(σ在105-106S·m-1)如PdO、RuO2、Bi2Ru2O7、Bi2Ir2O7,有低的正温度系数。 一些陶瓷材料(如ZnO)的电阻随电压是变化的,在低电压时电阻大,当电压超过某个值后突然变小,这种电阻叫压敏电阻,可用于电路的暂态保护,避免高压脉冲进入要保护的电路。 ZnO晶粒大小不均匀,可相差10倍。在低压下,晶界电阻高,相当于绝缘势垒,使整体显示高电阻,但当电压大于某个值后,晶界处有的离子被激活可以参与导电,因而电阻值下降。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  22. 能带理论 单原子电子占据不同的能级; 由N个原子组成的固体材料中,各能级扩展成能带。 碱金属最外层只有一个电子,ns能带半满。电场作用下,电子从价带跃迁到导带而使碱金属导电。 Na: 1s22s22p23s1 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  23. 导带 禁带 价带 绝缘体 半导体 导体 导体半导体绝缘体的能带结构 能带特征: 导体——由内部的满充带和外部的半填充带组成,价带和导带相连,无禁带 绝缘体——价带和导带之间有很宽的禁带 半导体——禁带宽度较小(本征半导体)或存在杂质能级(杂质半导体) 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  24. 不同金属的能带结构 Na: 1s22s22p23s1 Mg: 1s22s22p63s2 Al: 1s22s22p63s23p1 Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2 Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  25. 本征半导体 半导体电阻介于导体和绝缘体之间,升高温度或掺入杂质可改变电阻值 Si、Ge禁带宽度较小(约1ev),一些电子可能有足够的热能从价带跳跃到导带,从而在价带留下一个空穴,在导带产生一个电子。在外加电压作用下,电子向正极,空穴向负极运动而导电。其电导率, 半导体电导率和温度之间的关系(与金属比较) 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  26. 掺杂半导体 n型半导体——Si、Ge中掺入少量五价元素P、Sb、Bi、As等,多出一个价电子,在导带附近形成一杂质能级(与导带能级之间的禁带宽度很小),电子可容易地跃迁到导带而导电。 p型半导体——Si、Ge中掺入少量低价元素Al等,在满带附近形成一杂质能级,电子从价带跃迁到杂质能级而在价带中留下空穴,靠空穴导电。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  27. 半导体化合物 • 化学计量比半导体化合物:通常为金属间化合物,晶体结构与能带结构与Si、Ge类似; • 非化学计量比半导体化合物:化合物中阳离子(n型)或阴离子(p型)过量。 表:一些半导体化合物的禁带宽度 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  28. 超导体的性能 1957年,美国物理学家巴丁-库柏-施里弗三人提出金属超导微观理论,即‘BCS’理论,获得了1972年的诺贝尔物理奖 BCS该理论认为,当材料处于超导态时(T<Tc),金属中的电子不再是单个地运动,而是通过与晶体振动离子的作用,结成一对对地存在(称为库柏对)。由于电子对结合紧密,运动过程不受晶格作用的阻碍,因而出现了超导态 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  29. 超导两个基本特征 零电阻效应(完全导电性) 超导的两个特征: 永磁环 超导体 迈斯纳效应(完全抗磁性) 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  30. 超导三个性能指标 一些金属Hc和T的关系 临界超导温度Tc:低于此温度时,材料出现零电阻效应和迈斯纳效应 临界磁场强度Hc:T< Tc时破坏超导态的最小磁场强度 临界电流密度Jc:保持超导态的最大输入电流密度 T< Tc时,输入电流产生的磁场和外加磁场之和超过Hc时也破坏超导态。此时的临界输入电流即为Jc。 三者关系 1)Hc增大,Jc变小; 2) T< Tc时,Hc随温度升高而下降。 表:一些材料的Tc值 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  31. 磁悬浮列车 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  32. 介电性能 • 介电材料的价带和导带之间存在大的能隙,具有高电阻率。 • 应用于绝缘材料和电容器。 • 极化 • 介电性能和电容器 • 介电性能影响因素 • 介电性能和绝缘体 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  33. 极化——产生介电作用的原因 电子极化 置于电场下的原子中,电子向接近正极的位置偏移产生极化。 离子极化 置于电场下的由离子键组成的材料中,在电场方向阳离子和阴离子相互靠近或分开产生极化。可引起材料形状变化。 分子极化 置于电场下的极性分子重新排列产生极化。电场去除后可永久存在。 空间极化 由于杂质等原因,材料相界面可能存在电荷,沿电场方向排列形成极化。不重要。 材料极化机制 极化率P=Zqd, Z—单位体积电荷数,q—电荷,d—偶极子间距 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  34. 介电性能和电容器 U d 平板电容器 —电容率,表征材料极化和储存电荷的能力 = / 0,相对电容率,又称介电常数,单位:无。 0—真空的电容率, 0 =8.8510-12 F/m 介电常数取决于材料、温度和电场频率,与极化率P的关系为: P=( -1) 0E E—电场强度 介电强度(电容器击穿电压)—极板之间可以维持的最大电场强度E。单位:V/m 介电损耗—材料在每次交变电场中损失的能量占的分数(以热能形式消耗)。单位:无 介电损耗原因:1)电流泄漏。电阻大时,这部分损耗很小;2)偶极子重排时产生的内耗。偶极子移动较难,一定交变频率下内耗较大。 Q=CU,C=A/d • 电容器对材料介电性能的要求: • 高介电常数 • 高介电强度 • 低介电损耗 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  35. 电容器:瞬时大电流放电 超级电容器结构 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  36. 介电性能和绝缘体 绝缘体对介电性能的要求: 高电阻率——防止电流泄漏; 高介电强度——防止高电压下被击穿; 低介电损耗——避免能量损失; 低介电常数——避免电荷在绝缘体中积聚。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  37. 压电性能 • 一些材料受外界应力作用而变形时形成偶极矩,在相应的晶体表面产生与应力成比例的极化电荷;相反,将材料放在电场中,晶体产生与电场强度成比例的弹性变形。 • 正压电效应:形变电压 • 逆压电效应:电压形变 • 材料压电性决定因素: • 晶体不对称,有极轴 • 绝缘体 正压电效应 逆压电效应 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  38. 光学性能 光波:红外线(>800 nm)、可见光(400-800 nm)、紫外线(<400 nm) 不同材料对光的反射、吸收和透射 材料对光波的作用与能带结构有关。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  39. 材料的发光 磷光材料:存在杂质,引入施主能级。价带受激发的电子跃迁到导带,先落入施主能级并停留一段时间以逃脱陷阱,而后返回价带,并同时释放出光子。发光时间长于10-8 s。 金属:价带与导带重叠,光吸收后发射的光子能量很小,对应的波长在可见光范围内,因此不发光。 荧光材料:价带受激发的电子跃迁到导带,但不稳定,很快返回价带,并同时释放出光子。发光时间短于10-8 s。 应用:荧光灯、夜光表、彩色电视机、数字显示管等。 激发源:电子射线、紫外线、X射线、光波等。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  40. 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  41. 物质的磁学性能 材料科学与人类文明--材料性能基础

  42. 物质的磁性和磁学基本量 磁化强度M:单位体积内的磁矩矢量和: 单位体积的总磁矩 M(安/米).M是描述磁质被磁化后其磁性强弱的一个物理量。 χ称为磁化率或磁化系数,反映物质磁化的难易程度。( χ 无量纲 ) 磁性的分类: 抗磁性——约为-10-5,如Bi、Cu、Ag、Au; 顺磁性——=C/T,C为常数, 约为10-5 ,如Al、Pt、稀土元素等; 铁磁性——约为103,有Fe、Co、Ni三种,T> Tc时,=C/(T-Tc), Tc为居里温度。 磁感应强度: B (特斯拉) 磁场强度: H (安/米) 磁化强度: M (安/米) 物质磁化后的总磁场为B: B = μ0 (1+ χ )H B = μ H 磁导率:= B/H 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  43. 抗磁性 • 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反时,固体表现为抗磁性。 • 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱,磁化率χ 是甚小的负常数(M与H反向),一般约为~10-6 数量级。 • 抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果.任何金属都具有抗磁性. • 金属中有一半是抗磁金属。Cu, Ag, Au, Hg, Zn, Bi等。(因抗磁性大于电子的顺磁性) 运动电子在外磁场作用下,受电磁感应而表现出的特性。所有物质都具有抗磁性,但只有满壳层电子的原子才能表现出抗磁性来。 材料科学与人类文明--材料性能基础

  44. 顺磁性 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同时,固体表现为顺磁性。 • 顺磁性物质的磁化率一般很小,室温下约为10-3~10-6数量级。 • 原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层)。如过渡元素、稀土元素:3d-金属Ti,V; 4d-金属铌Nb, 锆Zr, 钼Mo,钯Pd;5d-金属(Hf, Ta, W, 铂Pt)。 • 自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如:碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层,但Li,Na, K,Mg, Al是顺磁性金属。 • 顺磁性物质的磁化率与温度的关系服从居里-外斯定律: 材料科学与人类文明--材料性能基础

  45. 铁磁性 • 有一类物质如Fe,Co,Ni,室温下磁化率可达10 ~ 10 6 数量级,这类物质的磁性称为铁磁性。 • 铁磁性物质即使在较弱的磁场内,也可得到极高的磁化强度,而且当外磁场移去后,仍可保留极强的磁性(有剩磁)。 材料科学与人类文明--材料性能基础

  46. 磁性材料具有能量转换、存储等功能,被广泛应用于计算机、通讯自动化、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物以及医疗等技术领域,是重要的功能材料。磁性材料具有能量转换、存储等功能,被广泛应用于计算机、通讯自动化、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物以及医疗等技术领域,是重要的功能材料。 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

  47. Thanks for your attention! 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础