材料化學(xué)第三章的性能

1、Chapter 3Properties of Materials材料的性能Chapter3 Properties of Materials1General Characters ofMaterialsChapter3 Properties of Materials2本章主要內(nèi)容材料的幾類主要性能：ØØØØØØ化學(xué)性能力學(xué)性能熱性能 電性能 磁性光學(xué)性能學(xué)習(xí)目的：1. 了解材料的各類性能；2.3.學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測試方法；加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。Chapter3 Properties of Materials33.1化學(xué)性

2、能Chemical Performance材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力溶蝕性耐腐蝕性抗?jié)B透性抗氧化性Chapter3 Properties of Materials4化學(xué)穩(wěn)定性3.1.1耐氧化性吸附（1）化學(xué)銹蝕氧化物成核 生長氧溶解氧化膜生長內(nèi)氧化縫隙孔洞微裂紋金屬氧化反應(yīng)的主要過程示意圖宏觀裂紋Chapter3 Properties of Materials5幾種金屬的表面氧化膜對比Chapter3 Properties of Materials6松散氧化膜致密氧化膜多孔氧化膜（2）電化學(xué)腐蝕corrosion cell between a steel water pipe and a co

3、pper fittingsimple electrochemical cellChapter3 Properties of Materials7（2）電化學(xué)腐蝕SO2氣體對鐵的侵蝕過程Chapter3 Properties of Materials8海水對金屬的侵蝕示意圖Chapter3 Properties of Materials9電化學(xué)防銹犧牲陽極法Cathodic protection of a buried steel pipelineChapter3 Properties of Materials103.1.2耐酸堿性耐酸材料耐堿材料Chapter3 Properties of M

4、aterials11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)的耐堿性，而易受酸侵蝕或溶解。以酸性氧化物SiO2為主金屬的耐酸堿性主要是高溫下濃堿液的腐蝕問題鎳鉻鑄鐵中加入稀土，降低鎳含量，可以降低材料成本，又可以保證合金鑄鐵良好的耐堿蝕性。耐蝕機(jī)理：堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵表面生成完整、致密的g-(Fe, Cr)2O3 氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附著物，使材料本體受到保護(hù)。Chapter3 Properties of Materials12高材料：化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿 主鏈原子以共價鍵結(jié)合 長鏈對反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù) 電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕Chapter3 Properties o

5、f Materials133.1.3耐性金屬材料和無機(jī)非金屬材料有好的耐性能；，很多有機(jī)熱塑性高材料一般由線形高溶劑都可以將其溶解；交聯(lián)型高在中不溶解，但能溶脹，使材料體積膨脹，性能變差；不同的高材料，其鏈以及側(cè)基不同，對各種表現(xiàn)出不同的耐受性；組織結(jié)構(gòu)對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)溶，因而具有很好的耐溶劑性。中都難Chapter3 Properties of Materials143.1.4耐老化性CH3CH3CH2CCHCH2hn-H+光照下形成自由基：CH2CCHCH氧氣的參與：RH + ·OO· ¾¾®

6、 R· + ·OOH(1)(2)(3)(4)(5)R·+ ·OO· ¾¾® ROO· ¾R¾H® ROOH+R·ROOH+RH ¾¾® RO· + ·OHRO·HO·+ ·OH ¾¾® ROH + R·+ RH ¾¾®R·+ H2O自由基形成后導(dǎo)致鏈的斷裂（降解）：CH3CH3CH3CH3CCH2CO O C

7、H3CH2CH2 COC OCHCC OCH2O+ CC OCHOCH3CH3CH3Chapter3 Properties of Materials15高材料的問題結(jié)構(gòu)與耐老化性羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽光照射下容易被氧化降解。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；氟原子的包圍住。大小適中，一個緊挨一個，能把碳鏈緊緊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，都會降低高材料的耐老化性。Chapter3 Properties of Materials16耐老化性的提高 改進(jìn)聚合物 加入適當(dāng)助劑結(jié)構(gòu)抗氧化劑消除

8、自由基、分解氫過氧化物涂層、炭黑光劑紫外線吸收劑紫外區(qū)的光劑淬滅劑消散激發(fā)態(tài)能量Chapter3 Properties of Materials173.2 力學(xué)性能Mechanical Property材料抵受外力作用的能力Chapter3 Properties of Materials18FFFFFF拉伸壓縮彎折剪切3.2.1 材料的強(qiáng)度(Strength)Ø 拉伸強(qiáng)度Ø 彎曲強(qiáng)度Ø 沖擊強(qiáng)度應(yīng)力stresss = F / A0應(yīng)變straine = (l - l0 ) / l0Chapter3 Properties of Materials19ultimate

9、 tensile strengthyield strength樣品拉伸試驗s = Ee(Hooke's Law)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Chapter3 Properties of Materials20延展性或塑性的表征延伸率delongationd < 5%： 脆性材料- l0d = l f´100%l0斷面收縮率Yreduction of area= A0 - AfY´100%A0Chapter3 Properties of Materials21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；多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料；這是因為多晶材料中的晶

10、界可中斷位錯的滑移，改變滑移的方向。通過目的。晶粒的生長，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；雜質(zhì)原子的存在對位錯運(yùn)動具有牽制作用。多數(shù)無機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。源于共價鍵的方向性Chapter3 Properties of Materials22s(MPa)9008007006005004003002001000錳鋼硬鋁低碳鋼退火球墨鑄鐵e(%)102030Chapter3 Properties of Materials233.2.2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材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)布氏硬度（Brinel

11、l hardness）FHB =(p / 2)D(D -D2- D2 )i洛氏硬度（Rockwell hardness）HR=(K-h)/0.002維氏硬度（Vickers hardness）HV=0.189F/d2Chapter3 Properties of Materials24Chapter3 Properties of Materials25維氏硬度測量硬度試驗Chapter3 Properties of Materials26各種材料的硬度特征：由共價鍵結(jié)合的材料如石具有很高的硬度，這是因為共價鍵的強(qiáng)度較高；無機(jī)非金屬材料有較高硬度離子鍵和共價鍵的強(qiáng)度均較高；當(dāng)含有價態(tài)較高而半徑較小

12、的離子時，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。金屬材料形成固溶體或合金時可顯著提高材料的硬度。高材料硬度通常較低鏈之間主要以力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱Chapter3 Properties of Materials273.2.3疲勞性能材料抵抗疲勞破壞的能力疲勞（fatigue）：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)生局部的性損傷，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)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。Chapter3 Properties of Materials283.3熱性能Thermal PropertyØ 熱容（heat capaci

13、ty）Ø 熱膨脹（thermal expansion）Ø 熱傳導(dǎo)（thermal conduction）Chapter3 Properties of Materials293.3.1 熱容（heat capacity）1mol物質(zhì)升高1K所需要的熱量C = dQdT定壓熱容Cp晶體材料較高溫度下：Cp=3R=24.9 J×mol-1×K-1。極低溫度下：CpµT3熱容CVChapter3 Properties of Materials303.3.2 熱膨脹thermal expansion 膨脹系數(shù)a：溫度變化1K時材料尺度的變化量。 線膨脹系

14、數(shù)al和體積膨脹系數(shù)aV= æ 1 öæ ¶löaç l ÷ç ¶T ÷lèøèø p= æ 1 öæ ¶V öaç V ÷ç ¶T ÷Vèøèø pChapter3 Properties of Materials31熱膨脹現(xiàn)象解釋勢能一原子間距離曲線Chapter3 Properties of Materials32

15、假想的實(shí)際的膨脹的差異原子間的鍵合力越強(qiáng)，則熱膨脹系數(shù)越小。與熱膨脹Chapter3 Properties of Materials33 金屬和無機(jī)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較 ??； 聚合物材料則較大。3.3.3 熱傳導(dǎo)（thermal conduction）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)象熱量通量q ：q = -l dTdx熱導(dǎo)率l：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。：W×m-1×K-1，或 cal×cm-1×s-1×K-1 1 cal×cm-1×s-1×K-1=4.2´102 W&

16、#215;m-1×K-1Chapter3 Properties of Materials34各種材料的導(dǎo)熱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； 金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對導(dǎo)熱性有影響； 晶格振動無機(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（聲子）的轉(zhuǎn)播。 高溫處的晶格振動較劇烈，再加上電子運(yùn)動的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率 隨溫度升高而增大。半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)： 電子與聲子的共同貢獻(xiàn) 低溫時，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。高材料熱導(dǎo)率很低 熱傳導(dǎo)是靠及鏈段運(yùn)動的傳遞，其對能量傳遞的效果較差。Chapt

17、er3 Properties of Materials35Chapter3 Properties of Materials363.4電性能ElectricalProperty材料被施加電場時所產(chǎn)生的響應(yīng)行為Ø 導(dǎo)電性Ø 介電性Ø 鐵電性Ø 壓電性Chapter3 Properties of Materials373.4.1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）陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體高材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）Chapter3 Properties of Materi

18、als38R = r æ löç A ÷電阻：èøs = nZemChapter3 Properties of Materials39要增加材料的導(dǎo)電性，關(guān)鍵是增大體積內(nèi)載流子的數(shù)目（n）和使載流子更易于（增大m 值）。電阻率：r電導(dǎo)率：s = 1/r能帶理論（Band Theory） 能帶的形成Chapter3 Properties of Materials40 各種材料的能帶結(jié)構(gòu) Chapter3 Properties of Materials413.4.2介電性能Dielectric Property電容C（capacitanc

19、e）電荷量q與電壓V的比值：C=q/V平板電容計算：C =e (A/L) e：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)er：er=e/e0Chapter3 Properties of Materials42某些介電材料的性能Chapter3 Properties of Materials433.4.3鐵電性與壓電性Ferroelectricity and Piezoelectricity鐵電性材料在除去外電場后仍保持部分極化狀態(tài)Chapter3 Properties of Materials44溫度TcCurie temperatureChapter3 Properties of

20、 Materials45壓電性PiezoelectricityChapter3 Properties of Materials46外力 極化 電場（a）施加一定電壓s，產(chǎn)生反向電壓，導(dǎo)致兩端電壓下降（b）施加（c）施加較大電壓，材料產(chǎn)生變形Chapter3 Properties of Materials47常用的壓電陶瓷：BaTiO3 、PbTiO3、PbZrO3 、 NH4H2PO43.5 磁性Magnetic Property磁性基本概念3.5.1Hm：磁化強(qiáng)度magnetizationcm：磁化率magnetic susceptibilityChapter3 Properties of

21、Materials48磁性的來源磁偶極子magnetic dipoles電子本身具有自旋，因而能產(chǎn)生自旋磁性，稱為自旋磁矩電子繞原子核作軌道運(yùn)動時能產(chǎn)生軌道磁性Chapter3,PCrohpemeritsietrsyooffMMaateteriraialsls 2008, ceszzh10/18/2013 10:21:08 AM493.5.2 磁性的種類反磁性（diamagnetism）cm <0磁場撤去后磁效應(yīng)消失Hg、Cu、Ag、Pb石、MgO 、NaCl絕大多數(shù)高材料順磁性（paramagnetism）cm >0含有非零角動量原子（例如過渡金屬）的材料。cmµT-1

22、（一些非過渡金屬（例如Al）。cm與T無關(guān)定理）Chapter3 Properties of Materials50鐵磁性（ferromagnetism）在不太強(qiáng)的磁場中，就可以磁化到飽和狀態(tài)。鐵磁溫度ferromagnetic Curie temperatureChapter3 Properties of Materials51反鐵磁性（antiferromagnetism）在外電場作用下，相鄰磁矩反向排列。 Mn、Cr鐵氧體磁性（ferrimagnetism）不同的磁矩反平行排列時，在一個方向呈現(xiàn)出凈磁矩。代表：磁鐵礦Fe3O4Chapter3 Properties of Materials52鐵磁性反鐵磁性鐵氧體磁性Chapter3 Properties of Materials53反鐵磁性（MnO）3.5.3 磁疇和磁化曲線磁疇自旋磁矩在一個個微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地”整齊排列起來而形成的磁化小區(qū)域。磁疇Magnetic Domain磁疇壁Magnetic Domain WallChapter3 Properties of Materials54磁滯回線hysteresis loopChapter3 Properties of Materials55軟磁材料硬磁材料Chapter3 Properties of Materials563.6 光學(xué)性能Optic