第03章材料的性能2

1、Chapter3 Properties of Materials1Chapter3 Properties of Materials1李盛彪李盛彪Chapter3 Properties of Materials2Chapter3 Properties of Materials2General Characters of MaterialsChapter3 Properties of Materials3Chapter3 Properties of Materials3本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容材料化學(xué)的主要目的是從分子水平到宏觀尺度認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，在合成和加工過(guò)程中有意識(shí)地控制材料的組成和結(jié)

2、構(gòu)，從而獲得具有預(yù)期使用性能的材料。材料的幾類主要性能：材料的幾類主要性能：化學(xué)性能化學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能熱性能熱性能電性能電性能磁性磁性光學(xué)性能光學(xué)性能學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的：1.了解材料的各類性能；了解材料的各類性能；2.學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；3.加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。Chapter3 Properties of Materials4 4溶蝕性溶蝕性耐腐蝕性耐腐蝕性抗?jié)B透性抗?jié)B透性抗氧化性抗氧化性材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性3.1 化學(xué)性能化學(xué)性能Chemical

3、PerformanceChapter3 Properties of Materials5Chapter3 Properties of Materials5(1) Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生長(zhǎng)生長(zhǎng)氧溶解氧溶解氧化膜生長(zhǎng)氧化膜生長(zhǎng)內(nèi)氧化內(nèi)氧化縫隙縫隙孔洞孔洞微裂紋微裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋吸附吸附（1）化學(xué)銹蝕）化學(xué)銹蝕3.1.1 耐氧化性耐氧化性金屬氧化反應(yīng)的金屬氧化反應(yīng)的主要過(guò)程示意圖主要過(guò)程示意圖Chapter3 Properties of Materials6幾種金屬的表面氧化膜對(duì)比幾種金屬的表面氧化膜對(duì)比多孔氧化膜多孔氧

4、化膜致密氧化膜致密氧化膜松散氧化膜松散氧化膜6Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials7Chapter3 Properties of Materials7Electrochemistry corrosion（2）電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕simple electrochemical cell corrosion cell between a steel water pipe and a copper fittingChapter3 Properties of Materials8Chapter3 Properti

5、es of Materials8Electrochemistry corrosionSO2氣體對(duì)鐵的侵蝕過(guò)程氣體對(duì)鐵的侵蝕過(guò)程（2）電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕Chapter3 Properties of Materials9Chapter3 Properties of Materials9Example海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖Chapter3 Properties of Materials10Cathodic protection of a buried steel pipeline 電化學(xué)防銹電化學(xué)防銹犧牲陽(yáng)極法犧牲陽(yáng)極法10Chapter3 Properties of Mat

6、erialsChapter3 Properties of Materials11Chapter3 Properties of Materials11思考：思考： 為什么有的金屬（如鋁）比較活潑，但在為什么有的金屬（如鋁）比較活潑，但在空氣中很穩(wěn)定？空氣中很穩(wěn)定？ 為什么在潮濕環(huán)境下金屬材料容易生銹？為什么在潮濕環(huán)境下金屬材料容易生銹？ 材料應(yīng)用中有哪些防銹方法？材料應(yīng)用中有哪些防銹方法？Chapter3 Properties of Materials12Chapter3 Properties of Materials123.1.2 耐酸堿性耐酸堿性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物Si

7、O2為主為主耐耐堿堿材材料料 大多數(shù)金屬氧化物都是堿性氧化大多數(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(qiáng)的耐物，相應(yīng)的材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐堿性，而易受酸侵蝕或溶解。堿性，而易受酸侵蝕或溶解。(2) Chemical stability of non-metal materialsChapter3 Properties of Materials13Chapter3 Properties of Materials13金屬的耐酸堿性金屬的耐酸堿性 主要是高溫下濃堿液的腐蝕問(wèn)題主要是高溫下濃堿液的腐蝕問(wèn)題 鎳鉻鑄鐵中加入稀土，降低鎳含量，可以降低材料成鎳鉻鑄鐵中加入稀土，降低鎳含量，可以降低材料成

8、本，又可以保證合金鑄鐵良好的耐堿蝕性。本，又可以保證合金鑄鐵良好的耐堿蝕性。 耐蝕機(jī)理：耐蝕機(jī)理：堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵表面生成完整、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等附著物，等附著物，使材料本體受到保護(hù)。使材料本體受到保護(hù)。 Chapter3 Properties of Materials14Chapter3 Properties of Materials14(3) Chemical stability of polymers化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿高分子材料：高分子材料： 主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合

9、主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合 長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù) 電絕緣性，無(wú)電化學(xué)腐蝕電絕緣性，無(wú)電化學(xué)腐蝕Chapter3 Properties of Materials15Chapter3 Properties of Materials15(3) Chemical stability of polymers 金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料有好的耐有機(jī)溶劑性能；金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料有好的耐有機(jī)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(jī)熱塑性高分子材料一般由線形高分子構(gòu)成，很多有機(jī)溶劑都可以將其溶解；溶劑都可以將其溶解； 交聯(lián)型高分子在有機(jī)溶劑中不溶解，但能溶脹，使材交聯(lián)

10、型高分子在有機(jī)溶劑中不溶解，但能溶脹，使材料體積膨脹，性能變差；料體積膨脹，性能變差； 不同的高分子材料，其分子鏈以及側(cè)基不同，對(duì)各種不同的高分子材料，其分子鏈以及側(cè)基不同，對(duì)各種有機(jī)溶劑表現(xiàn)出不同的耐受性；有機(jī)溶劑表現(xiàn)出不同的耐受性； 組織結(jié)構(gòu)對(duì)耐溶劑性也有較大影響。組織結(jié)構(gòu)對(duì)耐溶劑性也有較大影響。 例如，作為結(jié)晶性聚合物，聚乙烯在大多數(shù)有機(jī)溶劑中都難例如，作為結(jié)晶性聚合物，聚乙烯在大多數(shù)有機(jī)溶劑中都難溶，因而具有很好的耐溶劑性。溶，因而具有很好的耐溶劑性。 3.1.3 耐有機(jī)溶劑性耐有機(jī)溶劑性Chapter3 Properties of Materials16Chapter3 Proper

11、ties of Materials16(3) Chemical stability of polymers 光照下形成自由基：光照下形成自由基：3.1.4 耐老化性耐老化性高分子材料面臨的問(wèn)題高分子材料面臨的問(wèn)題 CH2CCHCH2CH3hCH2CCHCH3CH-H+ 氧氣的參與：氧氣的參與：RH2(1) RH + OOR + OOH(2) R + OOROO ROOH+R(3) ROOH+RHRO + OH(4) RO + OH ROH + R(5) HO + RH R + H O 自由基形成后導(dǎo)致自由基形成后導(dǎo)致鏈的斷裂（降解）：鏈的斷裂（降解）：CCHCCH3OOCH3CCH2CH3CO

12、OCH3CH2CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2+Chapter3 Properties of Materials17Chapter3 Properties of Materials17(3) Chemical stability of polymers 羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽(yáng)光羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽(yáng)光照射下容易被氧化降解。照射下容易被氧化降解。 聚四氟乙烯有極好的耐老化性能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(gè)緊挨一個(gè)，能把碳鏈緊緊氟原子的尺寸

13、大小適中，一個(gè)緊挨一個(gè)，能把碳鏈緊緊包圍住。包圍住。 分子鏈中含有不飽和雙鍵、聚酰氨的酰氨鍵、聚碳酸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(huì)降低高分子材料的耐老化性。等，都會(huì)降低高分子材料的耐老化性。 結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)與耐老化性耐老化性Chapter3 Properties of Materials18Chapter3 Properties of Materials18(3) Chemical stability of polymers 改進(jìn)聚合物分子結(jié)構(gòu)改進(jìn)聚合物分子結(jié)構(gòu) 加入適當(dāng)助劑加入適當(dāng)

14、助劑 抗氧化劑抗氧化劑 光屏蔽劑光屏蔽劑 紫外線吸收劑紫外線吸收劑 淬滅劑淬滅劑 耐老化性耐老化性的提高的提高Chapter3 Properties of Materials19Chapter3 Properties of Materials19材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力FFFFFF拉伸壓縮彎折剪切3.2 力學(xué)性能Mechanical PropertyChapter3 Properties of Materials20Chapter3 Properties of Materials20 應(yīng)力應(yīng)力stress 應(yīng)變應(yīng)變strain 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度 沖擊強(qiáng)度沖

15、擊強(qiáng)度0/FA00()/lll3.2.1 材料的強(qiáng)度(Strength)Chapter3 Properties of Materials21Chapter3 Properties of Materials21Experiment樣品拉伸試驗(yàn)樣品拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 (Hookes Law)Eultimate tensile strength yield strength Chapter3 Properties of Materials22Chapter3 Properties of Materials22J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126, 10226-1

16、0227Chapter3 Properties of Materials23延展性或塑性的表征延展性或塑性的表征 延伸率延伸率 elongation 斷面收縮率斷面收縮率 reduction of area00100%flll00100%fAAA 5%：脆性材料脆性材料23Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials24Chapter3 Properties of Materials24材料的一些力學(xué)性能特點(diǎn)：材料的一些力學(xué)性能特點(diǎn)： 很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良好的延展性；很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良

17、好的延展性； 多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料；多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料； 這是因?yàn)槎嗑Р牧现械木Ы缈芍袛辔诲e(cuò)的滑移，改變滑這是因?yàn)槎嗑Р牧现械木Ы缈芍袛辔诲e(cuò)的滑移，改變滑移的方向。通過(guò)控制晶粒的生長(zhǎng)，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的移的方向。通過(guò)控制晶粒的生長(zhǎng)，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。目的。 固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬； 雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。 多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。 源于共價(jià)鍵的方向性源于共價(jià)鍵的方向性 Chapter3 Properties of Materi

18、als25Chapter3 Properties of Materials25102030 (%)0100200300400500600700800900 (MPa)低碳鋼低碳鋼錳鋼錳鋼硬鋁硬鋁退火球墨鑄鐵退火球墨鑄鐵Chapter3 Properties of Materials26Chapter3 Properties of Materials263.2.2 材料的硬度（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材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力的量度 布氏硬度（布氏硬度（Brinell hardness） 洛氏硬度（洛氏硬度（Rockwell hardness）H

19、R=(K-h)/0.002 維氏硬度（維氏硬度（Vickers hardness）HV=0.189F/d2 22(/ 2)()iFD DDD材料彈性、塑性、材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)性能的綜合指標(biāo) Chapter3 Properties of Materials27Chapter3 Properties of Materials27維氏硬度測(cè)量維氏硬度測(cè)量Chapter3 Properties of Materials28Chapter3 Properties of Materials28硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn)Chapter3 Properties of Mate

20、rials29Chapter3 Properties of Materials29各種材料的硬度特征：各種材料的硬度特征： 由共價(jià)鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這由共價(jià)鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這是因?yàn)楣矁r(jià)鍵的強(qiáng)度較高；是因?yàn)楣矁r(jià)鍵的強(qiáng)度較高； 無(wú)機(jī)非金屬材料有較高硬度無(wú)機(jī)非金屬材料有較高硬度 離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度均較高；離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度均較高； 當(dāng)含有價(jià)態(tài)較高而半徑較小的離子時(shí)，所形成的離子鍵當(dāng)含有價(jià)態(tài)較高而半徑較小的離子時(shí)，所形成的離子鍵強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。 金屬材料形成固溶體或合金時(shí)可顯著提高材料

21、的硬金屬材料形成固溶體或合金時(shí)可顯著提高材料的硬度。度。 高分子材料硬度通常較低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，鍵力較弱分子鏈之間主要以范德華力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱Chapter3 Properties of Materials30Chapter3 Properties of Materials303.2.3 疲勞性能疲勞性能材料抵抗疲勞破壞的能力材料抵抗疲勞破壞的能力 疲勞（疲勞（fatigue）：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、）：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并剪切等）下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷

22、，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。全斷裂的現(xiàn)象。 Chapter3 Properties of Materials31熱容（熱容（heat capacity）熱膨脹（熱膨脹（thermal expansion）熱傳導(dǎo)（熱傳導(dǎo)（thermal conduction） Chapter3 Properties of Materials313.3 熱性能熱性能Thermal PropertyChapter3 Properties of Materials32Chapter3 Properties of Material

23、s32 定壓熱容定壓熱容Cp 晶體材料較高溫度下：晶體材料較高溫度下：Cp=3R=24.9 J mol-1 K-1。 極低溫度下：極低溫度下： Cp T3 定容熱容定容熱容CVdTdQC 3.3.1 熱容（heat capacity）1mol物質(zhì)升高1K所需要的熱量Chapter3 Properties of Materials33Chapter3 Properties of Materials33 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù) ：溫度變化溫度變化1K時(shí)材料尺度的變化量。時(shí)材料尺度的變化量。 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù) l和體積膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù) V 1 lpllT 1VpVVT3.3.2 熱膨脹therm

24、al expansionChapter3 Properties of Materials34Chapter3 Properties of Materials34Curve勢(shì)能一原子間距離曲線勢(shì)能一原子間距離曲線假想的假想的實(shí)際的實(shí)際的熱膨脹現(xiàn)象解釋熱膨脹現(xiàn)象解釋Chapter3 Properties of Materials35Chapter3 Properties of Materials35Curve 金屬和無(wú)機(jī)非金屬材金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較?。涣系木€膨脹系數(shù)較??； 聚合物材料則較大。聚合物材料則較大。鍵強(qiáng)與熱膨脹鍵強(qiáng)與熱膨脹膨脹的差異膨脹的差異原子間的鍵合力越強(qiáng)，則熱膨脹系數(shù)

25、越小原子間的鍵合力越強(qiáng)，則熱膨脹系數(shù)越小。Chapter3 Properties of Materials36Chapter3 Properties of Materials36Examples 熱量通量熱量通量q ： 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 ：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。單位：?jiǎn)挝唬篧 m-1 K-1，或，或 cal cm-1 s-1 K-1 1 cal cm-1 s-1 K-1=4.2 102 W m-1 K-1 3.3.3 熱熱傳導(dǎo)（傳導(dǎo)（thermal conduction）熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)

26、的現(xiàn)象個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象dTqdx Chapter3 Properties of Materials37Chapter3 Properties of Materials37各種材料的導(dǎo)熱率各種材料的導(dǎo)熱率 金屬材料有很高的熱導(dǎo)率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率 自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色； 金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性有影響；金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性有影響； 晶格振動(dòng)晶格振動(dòng) 無(wú)機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。無(wú)機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。 熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。

27、 高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。隨溫度升高而增大。 半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)： 電子與聲子的共同貢獻(xiàn)電子與聲子的共同貢獻(xiàn) 低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。 較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。 高分子材料熱導(dǎo)率很低高分子材料熱導(dǎo)率很低 熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞的效果較差。熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞的效果較差。 Chapter3 Pro

28、perties of Materials38Chapter3 Properties of Materials38ExamplesChapter3 Properties of Materials39Chapter3 Properties of Materials39導(dǎo)電性導(dǎo)電性介電性介電性鐵電性鐵電性壓電性壓電性 材料被施加電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)行為材料被施加電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)行為3.4 電性能Electrical PropertyChapter3 Properties of Materials40Chapter3 Properties of Materials402.1.3.5 Electrica

29、l property3.4.1 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能Electrical Conductivity金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）Chapter3 Properties of Materials41Chapter3 Properties of Materials412.1.3.5 Electrical property電阻：電阻：lRA電阻率：電阻率： 電導(dǎo)率：電導(dǎo)率： = 1

30、/ = nZe 要增加材料的導(dǎo)電性，關(guān)鍵是增大單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目要增加材料的導(dǎo)電性，關(guān)鍵是增大單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目（n）和使載流子更易于流動(dòng)（增大）和使載流子更易于流動(dòng)（增大 值）值）。 Chapter3 Properties of Materials42Chapter3 Properties of Materials422.1.3.5 Electrical property能帶理論（能帶理論（Band Theory）能帶的形成能帶的形成Chapter3 Properties of Materials43Chapter3 Properties of Materials432.1.3.5

31、Electrical property各種材料的能帶結(jié)構(gòu)各種材料的能帶結(jié)構(gòu)Chapter3 Properties of Materials44Chapter3 Properties of Materials442.1.3.5 Electrical property3.4.2 介電性能介電性能 Dielectric Property電容電容C（capacitance）電荷量電荷量q與電壓與電壓V的比值：的比值： 平板電容計(jì)算：平板電容計(jì)算： C = (A/L) ：介電常數(shù)，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力介電常數(shù)，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力； 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) r： r= / 0 C=q/

32、VChapter3 Properties of Materials45Chapter3 Properties of Materials45(2) Dielectric Property某些介電材料的性能某些介電材料的性能Chapter3 Properties of Materials46Chapter3 Properties of Materials46(3) Ferroelectricity3.4.3 鐵電性與壓電性鐵電性與壓電性Ferroelectricity and Piezoelectricity鐵電滯后現(xiàn)象鐵電滯后現(xiàn)象鐵電性鐵電性材料在除去外電場(chǎng)后仍保持部分極化狀態(tài)材料在除去外電場(chǎng)后

33、仍保持部分極化狀態(tài) Chapter3 Properties of Materials47Chapter3 Properties of Materials47居里溫度Tc Curie temperature Chapter3 Properties of Materials48Chapter3 Properties of Materials48(4) Piezoelectricity壓電性壓電性Piezoelectricity外力外力 極化極化 電場(chǎng)電場(chǎng)Chapter3 Properties of Materials49Chapter3 Properties of Materials49(4) P

34、iezoelectricity常用的壓電陶瓷：常用的壓電陶瓷：BaTiO3 、PbTiO3、PbZrO3 、 NH4H2PO4（a a）施加一定電壓）施加一定電壓（b b）施加壓力）施加壓力 ，產(chǎn)生反向電壓，導(dǎo)致兩端電壓下降，產(chǎn)生反向電壓，導(dǎo)致兩端電壓下降（c c）施加較大電壓，材料產(chǎn)生變形）施加較大電壓，材料產(chǎn)生變形Chapter3 Properties of Materials50Chapter3 Properties of Materials503.5.1 磁性基本概念磁性基本概念 Hm：磁化強(qiáng)度：磁化強(qiáng)度magnetization m：磁化率：磁化率magnetic susceptib

35、ility3.5 磁性Magnetic PropertyChapter3 Properties of Materials5110/17/2021 5:29:16 AMChapter3, Chemistry of Materials 2008, 51磁性的來(lái)源磁性的來(lái)源磁偶極子磁偶極子magnetic dipolesThe spin of the electron produces a magnetic field with a direction dependent on the quantum number ms Electrons orbiting around the nucleus c

36、reate a magnetic field around the atom 51Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials52Chapter3 Properties of Materials52 反磁性（反磁性（diamagnetism） m 0 含有非零角動(dòng)量原子（例如過(guò)渡金屬）的材料。含有非零角動(dòng)量原子（例如過(guò)渡金屬）的材料。 m T-1（居里定理）（居里定理） 一些非過(guò)渡金屬（例如一些非過(guò)渡金屬（例如Al）。）。 m與與T無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)磁場(chǎng)撤去后磁場(chǎng)撤去后磁效應(yīng)消失磁效應(yīng)消失 3.5.2 磁性的種類 Cha

37、pter3 Properties of Materials53Chapter3 Properties of Materials53 鐵磁性（鐵磁性（ferromagnetism） 在不太強(qiáng)的磁場(chǎng)中，就可以磁化到飽和狀態(tài)在不太強(qiáng)的磁場(chǎng)中，就可以磁化到飽和狀態(tài) 。 鐵磁居里溫度鐵磁居里溫度f(wàn)erromagnetic Curie temperature Chapter3 Properties of Materials54Chapter3 Properties of Materials54 反鐵磁性（反鐵磁性（antiferromagnetism） 在外電場(chǎng)作用下，相鄰磁矩反向排列。在外電場(chǎng)作用下，相

38、鄰磁矩反向排列。 Mn、Cr 鐵氧體磁性（鐵氧體磁性（ferrimagnetism） 不同的磁矩反平行排列時(shí)，在一個(gè)方向呈現(xiàn)出凈磁矩。不同的磁矩反平行排列時(shí)，在一個(gè)方向呈現(xiàn)出凈磁矩。 代表：磁鐵礦代表：磁鐵礦Fe3O4鐵磁性鐵磁性 反鐵磁性反鐵磁性鐵氧體磁性鐵氧體磁性 Chapter3 Properties of Materials55Chapter3 Properties of Materials55反鐵磁性（反鐵磁性（MnO）Chapter3 Properties of Materials56Chapter3 Properties of Materials56磁疇磁疇Magnetic Do

39、main磁疇壁磁疇壁Magnetic Domain Wall磁疇磁疇自旋磁矩在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)自旋磁矩在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地自發(fā)地”整齊排列整齊排列起起來(lái)而形成的磁化小區(qū)域。來(lái)而形成的磁化小區(qū)域。 3.5.3 磁疇和磁化曲線Chapter3 Properties of Materials57Chapter3 Properties of Materials57磁滯回線磁滯回線hysteresis loopChapter3 Properties of Materials58Chapter3 Properties of Materials58軟磁材料軟磁材料硬磁材料硬磁材料 Chapter3 P

40、roperties of Materials59Chapter3 Properties of Materials59光的吸收和透過(guò)光的吸收和透過(guò)光的反射和折射光的反射和折射材料的顏色材料的顏色3.6 光學(xué)性能Optical PropertyChapter3 Properties of Materials60Chapter3 Properties of Materials60 金屬材料：不透明；金屬材料：不透明； 半導(dǎo)體和其它非金屬材料：取決于能隙半導(dǎo)體和其它非金屬材料：取決于能隙E Eg g； 晶格熱振動(dòng)：對(duì)長(zhǎng)波區(qū)的可見(jiàn)光和紅外光產(chǎn)生吸收；晶格熱振動(dòng)：對(duì)長(zhǎng)波區(qū)的可見(jiàn)光和紅外光產(chǎn)生吸收； 高分子

41、材料：無(wú)定形透明，結(jié)晶影響透明性（晶粒對(duì)高分子材料：無(wú)定形透明，結(jié)晶影響透明性（晶粒對(duì)光的散射）光的散射）348-118-1-96.62 10(J s) 3 10 (m s )1240(eV)=6.242 10 (eV J )(nm) 10(nm) 380nm3.26eVhcE 3.6.1 光的吸收和透過(guò)Chapter3 Properties of Materials61Chapter3 Properties of Materials61幾種無(wú)機(jī)材料的光透過(guò)曲線幾種無(wú)機(jī)材料的光透過(guò)曲線 Chapter3 Properties of Materials62Chapter3 Properties of Materials62 金屬材料：強(qiáng)反射（金屬光澤）；金屬材料：強(qiáng)反射（金屬光澤）； 電子吸收光能后激發(fā)到較高能態(tài)，隨即又以光波的形式電子吸收光能后激發(fā)到較高能態(tài)，隨即又以光波的形式釋放出能量回到低能態(tài)釋放出能量回到低能態(tài) 無(wú)機(jī)非金屬材料：主要受介質(zhì)的折射率差影響；無(wú)機(jī)非金屬材料：主要受介質(zhì)的折射率差影響； 當(dāng)光線從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的折射率差當(dāng)光線從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的折射率差別越大，反射就越強(qiáng)。別越大，反射就越強(qiáng)。 材料的折射率受其結(jié)構(gòu)影響材料的折射率受其結(jié)構(gòu)影響 單位體積中原子的數(shù)目越多，或結(jié)構(gòu)越緊密，則光波