3材料性能解析.pptx

8/10/2024 2:31:12 PM13.材料的性能材料的性能Chapter 2 Structure and property of materials8/10/2024 2:31:14 PM22.1.3 Property of materials各类材料的一般特性各类材料的一般特性 3本章主要内容材料的几类主要性能：材料的几类主要性能：化学性能化学性能力学性能力学性能热性能热性能电性能电性能磁性磁性光学性能光学性能学习目的：学习目的：1.了解材料的各类性能；了解材料的各类性能；2.学习一些材料性能的表征及测试方法；学习一些材料性能的表征及测试方法；3.加深理解材料结构与性能的关系。加深理解材料结构与性能的关系。8/10/2024 2:31:15 PM42.1.3.2 Chemical performance溶蚀性溶蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗渗透性抗氧化性抗氧化性3.1 3.1 化学性能化学性能Chemical PerformanceChemical Performance材料抵抗各种介质作用的能力材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定化学稳定性性8/10/2024 2:31:17 PM5(1)Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生长生长氧溶解氧溶解氧化膜生长氧化膜生长内氧化内氧化缝隙缝隙孔洞孔洞微裂纹微裂纹宏观裂纹宏观裂纹吸附吸附（1 1）化学锈蚀）化学锈蚀3.1.1 3.1.1 耐氧化性耐氧化性金属氧化反应的金属氧化反应的主要过程示意图主要过程示意图8/10/2024 2:31:19 PM6Electrochemistry corrosionSO2气体对铁的侵蚀过程气体对铁的侵蚀过程（2 2）电化学腐蚀）电化学腐蚀8/10/2024 2:31:21 PM7Example海水对金属的侵蚀示意图海水对金属的侵蚀示意图8/10/2024 2:31:23 PM8思考：为为什什么么有有的的金金属属（如如铝铝）比比较较活活泼泼，但但在在空空气气中中很很稳稳定定？为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？材料应用中有哪些防锈方法？材料应用中有哪些防锈方法？8/10/2024 2:31:25 PM93.1.2 耐酸碱性耐酸碱性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2为主为主耐耐碱碱材材料料 大多数金属氧化物都是碱性氧化大多数金属氧化物都是碱性氧化物，相应的材料表现出较强的耐物，相应的材料表现出较强的耐碱性，而易受酸侵蚀或溶解。碱性，而易受酸侵蚀或溶解。8/10/2024 2:31:27 PM10金属的耐酸碱性主要是高温下浓碱液的腐蚀问题主要是高温下浓碱液的腐蚀问题镍镍铬铬铸铸铁铁中中加加入入稀稀土土，降降低低镍镍含含量量，可可以以降降低低材材料料成成本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。耐蚀机理耐蚀机理：碱蚀后稀土高镍铬铸铁碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的表面生成完整、致密的-(Fe,Cr)2O3氧化膜和氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物，等附着物，使材料本体受到保护。使材料本体受到保护。8/10/2024 2:31:28 PM11(3)Chemical stability of polymers化学稳定性好，耐酸耐碱化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料：高分子材料：主链原子以共价键结合主链原子以共价键结合 长分子链对反应基团的保护长分子链对反应基团的保护 电绝缘性，无电化学腐蚀电绝缘性，无电化学腐蚀8/10/2024 2:31:30 PM12(3)Chemical stability of polymers金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；热热塑塑性性高高分分子子材材料料一一般般由由线线形形高高分分子子构构成成，很很多多有有机机溶溶剂剂都都可可以将其溶解；以将其溶解；交交联联型型高高分分子子在在有有机机溶溶剂剂中中不不溶溶解解，但但能能溶溶胀胀，使使材材料料体体积积膨膨胀，性能变差；胀，性能变差；不不同同的的高高分分子子材材料料，其其分分子子链链以以及及侧侧基基不不同同，对对各各种种有有机机溶溶剂剂表现出不同的耐受性；表现出不同的耐受性；组织结构对耐溶剂性也有较大影响。组织结构对耐溶剂性也有较大影响。例例如如，作作为为结结晶晶性性聚聚合合物物，聚聚乙乙烯烯在在大大多多数数有有机机溶溶剂剂中中都都难难溶溶，因而具有很好的耐溶剂性。因而具有很好的耐溶剂性。3.1.3 3.1.3 耐有机溶剂性耐有机溶剂性8/10/2024 2:31:32 PM13(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临的问题高分子材料面临的问题 氧气的参与：氧气的参与：自由基形成后导致自由基形成后导致链的断裂（降解）：链的断裂（降解）：8/10/2024 2:31:34 PM14(3)Chemical stability of polymers羰羰基基容容易易吸吸收收紫紫外外光光，因因此此含含羰羰基基的的聚聚合合物物在在太太阳阳光光照射下容易被氧化降解。照射下容易被氧化降解。聚四氟乙烯有极好的耐老化性能聚四氟乙烯有极好的耐老化性能 氟原子与碳原子形成牢固的化学键；氟原子与碳原子形成牢固的化学键；氟氟原原子子的的尺尺寸寸大大小小适适中中，一一个个紧紧挨挨一一个个，能能把把碳碳链链紧紧紧包围住。紧包围住。分分子子链链中中含含有有不不饱饱和和双双键键、聚聚酰酰氨氨的的酰酰氨氨键键、聚聚碳碳酸酸酯酯的的酯酯键键、聚聚砜砜的的碳碳硫硫键键、聚聚苯苯醚醚的的苯苯环环上上的的甲甲基基等等等，都会降低高分子材料的耐老化性。等，都会降低高分子材料的耐老化性。结构与结构与耐老化性耐老化性8/10/2024 2:31:35 PMChapter3,Chemistry of Materials 2008,15(3)Chemical stability of polymers改进聚合物分子结构改进聚合物分子结构加入适当助剂加入适当助剂 抗氧化剂抗氧化剂 光屏蔽剂光屏蔽剂 紫外线吸收剂紫外线吸收剂 淬灭剂淬灭剂 耐老化性耐老化性的提高的提高8/10/2024 2:31:37 PM162.1.3.3 Mechanical property3.2 3.2 力学性能力学性能Mechanical PropertyMechanical Property材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力8/10/2024 2:31:40 PM172.1.3.3 Mechanical property应力应力stressstress应变应变strain strain 3.2.1 3.2.1 材料的强度材料的强度(Strength)(Strength)拉伸强度拉伸强度 弯曲强度弯曲强度 冲击强度冲击强度8/10/2024 2:31:42 PM18Experiment样品拉伸试验样品拉伸试验应力应力-应变曲线应变曲线 ultimate tensile strength yield strength 延展性或塑性的表征延伸率延伸率 elongation断面收缩率断面收缩率 reduction of area 450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。3.3.维氏硬度维氏硬度维氏硬度试验方法是英国史密斯（R.L.Smith）和塞德兰德（C.E.Sandland）于1925年提出的。英国的维克斯阿姆斯特朗（Vickers-Armstrong）公司试制了第一台以此方法进行试验的硬度计。和布氏、洛氏硬度试验相比，维氏硬度试验测量范围较宽，从较软材料到超硬材料，几乎涵盖各种材料。8/10/2024 2:31:48 PM28维氏硬度测量维氏硬度测量8/10/2024 2:31:50 PM29硬度试验硬度试验8/10/2024 2:31:51 PM30各种材料的硬度特征：由由共共价价键键结结合合的的材材料料如如金金刚刚石石具具有有很很高高的的硬硬度度，这这是是因为共价键的强度较高；因为共价键的强度较高；无机非金属材料有较高硬度无机非金属材料有较高硬度 离子键和共价键的强度均较高；离子键和共价键的强度均较高；当当含含有有价价态态较较高高而而半半径径较较小小的的离离子子时时，所所形形成成的的离离子子键键强强度度较较高高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。（因静电引力较大），故材料的硬度更高。金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。高分子材料硬度通常较低高分子材料硬度通常较低 分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱8/10/2024 2:31:53 PM313.2.3 疲劳性能材料抵抗疲劳破坏的能力疲疲劳劳（fatiguefatigue）：材材料料在在循循环环受受力力（拉拉伸伸、压压缩缩、弯弯曲曲、剪剪切切等等）下下，在在某某点点或或某某些些点点产产生生局局部部的的永永久久性性损损伤伤，并并在在一一定定循循环环次次数数后后形形成成裂裂纹纹、或或使使裂裂纹纹进进一一步步扩扩展展直直到到完完全断裂的现象。全断裂的现象。8/10/2024 2:31:55 PM322.1.3.4 Thermal property热容（热容（heat capacityheat capacity）热膨胀（热膨胀（thermal expansionthermal expansion）热传导（热传导（thermal conductionthermal conduction）3.3 3.3 热性能热性能Thermal PropertyThermal Property8/10/2024 2:31:56 PM332.1.3.4 Thermal property定压热容定压热容C Cp p 晶体材料较高温度下：晶体材料较高温度下：C Cp p=3R=24.9 J=3R=24.9 J molmol-1-1 K K-1-1。极低温度下：极低温度下：C Cp p T T3 3定容热容定容热容C CV V3.3.1 3.3.1 热容热容（heat capacityheat capacity）1mol1mol物质升高物质升高1K1K所需要的热量所需要的热量8/10/2024 2:31:58 PM342.1.3.4 Thermal property膨胀系数膨胀系数：温度变化温度变化1K1K时材料尺度的变化量。时材料尺度的变化量。线膨胀系数线膨胀系数 l l和体积膨胀系数和体积膨胀系数 V V 3.3.2 3.3.2 热热膨胀（膨胀（thermal expansionthermal expansion）8/10/2024 2:32:00 PM35Examples热量通量热量通量q q ：热导率热导率：表征物质热传导性能的物理量。：表征物质热传导性能的物理量。单位：单位：W W m m-1-1 K K-1-1，或，或 calcal cmcm-1-1 s s-1-1 K K-1-1 1 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 热热传导（传导（thermal conduction）热量从系统的一部分传到另一部分或由一热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象个系统传到另一个系统的现象8/10/2024 2:32:03 PM36各种材料的导热率金属材料有很高的热导率金属材料有很高的热导率 自由电子在热传导中担当主要角色；自由电子在热传导中担当主要角色；金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；晶格振动晶格振动无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。高高温温处处的的晶晶格格振振动动较较剧剧烈烈，再再加加上上电电子子运运动动的的贡贡献献增增加加，其其热热导导率率随随温温度升高而增大。度升高而增大。半导体材料的热传导：半导体材料的热传导：电子与声子的共同贡献电子与声子的共同贡献 低温时，声子是热能传导的主要载体。低温时，声子是热能传导的主要载体。较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。高分子材料热导率很低高分子材料热导率很低 热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。8/10/2024 2:32:05 PM37Examples8/10/2024 2:32:08 PM382.1.3.5 Electrical property导电性导电性介电性介电性铁电性铁电性压电性压电性 材料被施加电场时所产生的响应行为材料被施加电场时所产生的响应行为3.4 3.4 电性能（电性能（Electrical Electrical PropertyProperty）8/10/2024 2:32:10 PM392.1.3.5 Electrical property3.4.1 3.4.1 导电性能导电性能Electrical ConductivityElectrical Conductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）8/10/2024 2:32:12 PM402.1.3.5 Electrical property电阻：电阻：电阻率：电阻率：电导率：电导率：=1/=nZe 要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目（n）和使载流子更易于流动（增大）和使载流子更易于流动（增大 值）值）。8/10/2024 2:32:14 PM412.1.3.5 Electrical property3.4.2 介电性能介电性能 Dielectric Property电容电容C（capacitance）电荷量电荷量q与电压与电压V的比值：的比值：C=q/V 平板电容计算：平板电容计算：C=(A/L)：介电常数，表征材料极化和储介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力存电荷的能力；相对介电常数相对介电常数 r：r=/0 介电强度和介电损耗介电强度和介电损耗 8/10/2024 2:32:16 PM42(2)Dielectric Property某些介电材料的性能某些介电材料的性能8/10/2024 2:32:18 PM43(3)Ferroelectricity3.4.3 3.4.3 铁电性与压电性铁电性与压电性铁电滞后现象铁电滞后现象铁电性铁电性材料在除去外电场后仍保持部分极化状态材料在除去外电场后仍保持部分极化状态 8/10/2024 2:32:20 PM44居里温度居里温度Tc Curie temperature 8/10/2024 2:32:22 PM45(4)Piezoelectricity常用的压电陶瓷：常用的压电陶瓷：BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、NH4H2PO4压电性压电性Piezoelectricity外力外力 极化极化 电场电场8/10/2024 2:32:24 PM462.1.3.7 Magnetic property3.5.1 磁性基本概念磁性基本概念 3.5 磁性磁性Magnetic PropertyHm：磁化强度：磁化强度magnetization m：磁化率：磁化率magnetic susceptibility8/10/2024 2:32:27 PM472.1.3.7 Magnetic property3.5.2 磁性的种类磁性的种类 反磁性（反磁性（diamagnetismdiamagnetism）m m 0 0 0 含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料。含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料。m m T T-1-1（居里定理）（居里定理）一些非过渡金属（例如一些非过渡金属（例如AlAl）。）。m m与与T T无关无关磁场撤去后磁场撤去后磁效应消失磁效应消失 8/10/2024 2:32:29 PM482.1.3.7 Magnetic property铁磁性（铁磁性（ferromagnetism）在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态。铁磁居里温度铁磁居里温度ferromagnetic Curie temperature8/10/2024 2:32:32 PM492.1.3.7 Magnetic property反铁磁性（反铁磁性（antiferromagnetism）在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。MnMn、CrCr铁氧体磁性（铁氧体磁性（ferrimagnetism）不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩。不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩。代表：磁铁矿代表：磁铁矿Fe3O4铁磁性铁磁性 反铁磁性反铁磁性铁氧体磁性铁氧体磁性8/10/2024 2:32:35 PM502.1.3.7 Magnetic property3.5.3 磁畴和磁化曲线磁畴和磁化曲线磁畴磁畴Magnetic Domain磁畴壁磁畴壁Magnetic Domain Wall磁畴磁畴自旋磁矩在一个个微小区域内自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地自发地”整齐排列起整齐排列起来而形成的磁化小区域。来而形成的磁化小区域。8/10/2024 2:32:43 PM512.1.3.7 Magnetic property磁滞回线磁滞回线hysteresis loop8/10/2024 2:32:46 PM52软磁材料硬磁材料 8/10/2024 2:32:48 PM532.1.3.6 Optical property光的吸收和透过光的吸收和透过光的反射和折射光的反射和折射材料的颜色材料的颜色3.6 光学性能光学性能Optical Property8/10/2024 2:32:50 PM542.1.3.6 Optical property金属材料：不透明；金属材料：不透明；半导体和其它非金属材料：取决于能隙半导体和其它非金属材料：取决于能隙E Eg g；晶格热振动：对长波区的可见光和红外光产生吸收；晶格热振动：对长波区的可见光和红外光产生吸收；高分子材料：无定形透明，结晶影响透明性（晶粒对光的散射）高分子材料：无定形透明，结晶影响透明性（晶粒对光的散射）3.6.1 光的吸收和透过光的吸收和透过 8/10/2024 2:32:52 PM552.1.3.6 Optical property金属材料：强反射（金属光泽）；金属材料：强反射（金属光泽）；电电子子吸吸收收光光能能后后激激发发到到较较高高能能态态，随随即即又又以以光光波波的的形形式式释释放放出出能量回到低能态能量回到低能态无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响；无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响；当当光光线线从从一一种种介介质质入入射射另另一一种种介介质质时时，介介质质的的折折射射率率差差别别越越大大，反射就越强。反射就越强。材料的折射率受其结构影响材料的折射率受其结构影响 单单位位体体积积中中原原子子的的数数目目越越多多，或或结结构构越越紧紧密密，则则光光波波传传播播受受影影响越大，从而折射率越大。响越大，从而折射率越大。原子半径越大原子半径越大(极化率大），折射率就越大。极化率大），折射率就越大。3.6.2 光的反射和折射光的反射和折射8/10/2024 2:32:53 PM56几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线 8/10/2024 2:32:55 PM572.1.3.6 Optical property金属材料：颜色取决于其反射光的波长；金属材料：颜色取决于其反射光的波长；无机非金属材料：颜色通常与光吸收特性有关；无机非金属材料：颜色通常与光吸收特性有关；3.6.2 材料的颜色材料的颜色综述题目1.纳米磁性材料的制备和研究进展2.纳米金粒子的制备及应用研究进展3.超导材料4.液晶材料5.温敏性智能材料6.光敏性智能材料7.凝胶高分子材料8.石墨烯研究进展综述题目9.储氢材料10.形状记忆材料11.光固化材料12.水性胶粘剂13.防腐材料14.超塑性材料15.量子点材料16.荧光纳米材料