材料性能基础 王秀丽 材料科学与工程学系 wangxl@zju
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材料性能基础 王秀丽 材料科学与工程学系 [email protected]. 材料科学与人类文明--材料性能基础. 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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 2材料科学与人类文明 --材料性能基础
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
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 3材料科学与人类文明 --材料性能基础
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
组织结构
性能
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
化学键
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 4材料科学与人类文明 --材料性能基础
三大材料一般性能特点
材料 价键 一般性能特点
金属 金属键 强度硬度较高;塑性韧性好;导电导热性好
无机非金属 离子键、共价键
强度硬度高;塑性韧性差;一般不导电;耐热;耐腐蚀
高分子 共价键、分子键
强度硬度低;韧性中等;绝缘;不导热;耐热性差、易燃;轻;软;易加工
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 5材料科学与人类文明 --材料性能基础
材料的物理性能 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
Chap3-1
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 6材料科学与人类文明 --材料性能基础
( 1 )热容
00, vvvppp dT
dQC
dT
dQC
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)
0
3ATCv
RCv 3
vC
0
3R
D T/K
材料定容热容和温度之间的关系
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
德拜温度
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 7材料科学与人类文明 --材料性能基础
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。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 8材料科学与人类文明 --材料性能基础
( 2 )热传导
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。
T1
T2
Q
T1-T2=1 K
热传导表征——热导率 ,单位: W/(m •
K)
dx
dTq 定义:
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
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 9材料科学与人类文明 --材料性能基础
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。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 10材料科学与人类文明 --材料性能基础
( 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 =3l
pvpl dT
dV
VdT
dl
l)(
1,)(
1
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 金属 陶瓷 高分子l/ 10-6 K-1 5-25 0.5-15 50-300
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( 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”!
TETTE lfl )( 0
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 12材料科学与人类文明 --材料性能基础
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=910-6 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=310-6 K-1
l
f
ETSR
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 13材料科学与人类文明 --材料性能基础
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
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 14材料科学与人类文明 --材料性能基础
( 1 )欧姆定理和电子导电
欧姆定理:S
l
s
lR
电导率: /1IRU
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=neEx,
=Jx/Ex=ne=ne2 /m
----
++++
x
x
vx
e-
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 16材料科学与人类文明 --材料性能基础
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)
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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。
)1( Tr
xxbd )1(
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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。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 20材料科学与人类文明 --材料性能基础
离子晶体导电
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,
)/exp( TkQ B
)/exp( TkQ B
)1
)((lnlnTk
Q
B
ln
1/T
a
b
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。
2 )附近有空位接纳离子。
空位本征空位:离子晶体热激发引起的空位,随温度升高而增多
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
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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。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 22材料科学与人类文明 --材料性能基础
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
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 23材料科学与人类文明 --材料性能基础
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)
绝缘体 半导体 导体
价带
导带
禁带
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不同金属的能带结构
Na: 1s22s22p23s1 Mg: 1s22s22p63s2 Al: 1s22s22p63s23p1
Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2 Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 25材料科学与人类文明 --材料性能基础
本征半导体
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, )( he
he
hhee
nq
nn
qnqn
半导体电导率和温度之间的关系(与金属比较)
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
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 26材料科学与人类文明 --材料性能基础
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。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 27材料科学与人类文明 --材料性能基础
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。
化合物 ZnS ZnTe CdTe GaP GaAs GaSb InSb InAs ZnO CdS TiO2 PbS
禁带宽 /ev 3.54 2.26 1.44 2.24 1.35 0.67 0.165 0.36 3.2 2.42 3.2 0.37
表:一些半导体化合物的禁带宽度
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 28材料科学与人类文明 --材料性能基础
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 <T c) ,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
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 30材料科学与人类文明 --材料性能基础
超导三个性能指标
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。 一些金属 Hc和 T 的关系
])(1)[0( 2
ccc T
THH
Metal W Ti Al Sn Hg Pb Nb La3Se4 SnTa3 Nb3Sn GaV3 AlNb3
TC /K 0.015 0.39 1.18 3.72 4.15 7.23 9.25 8.6 8.35 18.05 16.8 18.0
表:一些材料的 Tc 值
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 32材料科学与人类文明 --材料性能基础
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
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 33材料科学与人类文明 --材料性能基础
极化——产生介电作用的原因
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
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。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 34材料科学与人类文明 --材料性能基础
介电性能和电容器
dU
平板电容器
Q=CU, C=A/d
— 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 =8.8510-12 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。
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
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 36材料科学与人类文明 --材料性能基础
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。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 37材料科学与人类文明 --材料性能基础
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
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 38材料科学与人类文明 --材料性能基础
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、吸收和透射金属材料 陶瓷材料 高分子材料
反射 对微波、红外线、可见光有强反射
对可见光不反射 反射率小
吸收 对微波、红外线、可见光吸收
由于晶格振动 , 在红外波段吸收 ;
含过渡金属、稀土金属离子的物质对可见光吸收 .
在可见光波段产生吸收 ;
在红外波段产生吸收 .
透射 对紫外线透过 ;
厚 10-50 nm 的薄膜透过可见光 .
近红外和可见光一般透过 ;
杂质、气孔和多晶使透过率下降 .
透光性高
材料对光波的作用与能带结构有关。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 39材料科学与人类文明 --材料性能基础
材料的发光
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 。
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 。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。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 42材料科学与人类文明 --材料性能基础
物质的磁性和磁学基本量
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。
V
mM i
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 )
HM
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
23/4/20 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。
23/4/20 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: T
C
23/4/20 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)。
23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 46材料科学与人类文明 --材料性能基础
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。