非金屬材料學(xué)第三章性能

1、第三章第三章 無機非金屬材料的性能無機非金屬材料的性能 3.1 力學(xué)性能力學(xué)性能 金屬：金屬： 在外力作用下一般經(jīng)歷彈性變形、在外力作用下一般經(jīng)歷彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。塑性變形和斷裂三個階段。 大多數(shù)無機非金屬材料大多數(shù)無機非金屬材料: 塑性變形區(qū)域范圍很小或幾乎沒塑性變形區(qū)域范圍很小或幾乎沒有為脆性。有為脆性。 不同材料的典型應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系圖不同材料的典型應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系圖彈性應(yīng)變區(qū)；彈性應(yīng)變區(qū)； 塑性應(yīng)變區(qū)塑性應(yīng)變區(qū) 指受載荷時出現(xiàn)的形狀改變及斷裂性質(zhì)指受載荷時出現(xiàn)的形狀改變及斷裂性質(zhì)sb陶瓷與玻璃金屬材料高分子材料陶瓷陶瓷與與玻璃玻璃金屬材料金屬材料高分子材料高分子材料e彈性變

2、形彈性變形 理想的彈性變形是可逆變形。在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力理想的彈性變形是可逆變形。在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變間服從虎克定律和應(yīng)變間服從虎克定律(單值線性函數(shù)關(guān)系單值線性函數(shù)關(guān)系)，四個彈性常數(shù)：，四個彈性常數(shù)：E 、G、K、n n與原子間的相互作用有關(guān)。與原子間的相互作用有關(guān)。l正應(yīng)力下正應(yīng)力下:= Ee e E彈性模量，也叫材料的剛度，表示材料彈性變形抵抗力彈性模量，也叫材料的剛度，表示材料彈性變形抵抗力的大小的大小l切應(yīng)力下切應(yīng)力下: t t= Gg g t t、g g分別為切應(yīng)力、切應(yīng)變，分別為切應(yīng)力、切應(yīng)變，G切變模量切變模量 l G = E /2（1n n） n n泊松比泊松比

3、, 橫向收縮率與縱向伸長率的比值橫向收縮率與縱向伸長率的比值l K = E /3(12 n n) K體彈性模量（壓縮模量）體彈性模量（壓縮模量）, 壓力與體積變化率的比值壓力與體積變化率的比值 彈性常數(shù)測定方法：超聲波法彈性常數(shù)測定方法：超聲波法硬度硬度 硬度：抵抗機械變形能力的總和。硬度：抵抗機械變形能力的總和。 硬度取決于鍵的強度，無機非金屬材料的硬度比較高。硬度取決于鍵的強度，無機非金屬材料的硬度比較高。 一般無機非金屬材料的硬度隨溫度的升高而降低。一般無機非金屬材料的硬度隨溫度的升高而降低。 因為溫度升高，原子間振動增加，從削弱了原子間的結(jié)合力。因為溫度升高，原子間振動增加，從削弱了原

4、子間的結(jié)合力。 維氏硬度（顯微硬度）用壓入試驗測定。維氏硬度（顯微硬度）用壓入試驗測定。強度強度 強度：在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力。強度：在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力。l材料受力的方式：拉、壓、彎、扭四種。材料受力的方式：拉、壓、彎、扭四種。 對應(yīng)于抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度（抗折強度）和抗扭強度，對應(yīng)于抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度（抗折強度）和抗扭強度，實際只測定抗拉、抗壓、抗彎三項指標(biāo)。實際只測定抗拉、抗壓、抗彎三項指標(biāo)。l抗拉強度為試樣被拉斷前的最大承載抗拉強度為試樣被拉斷前的最大承載拉應(yīng)力。拉應(yīng)力。l抗壓強度為試樣被破壞前的最大承載抗壓強度為試樣被破壞前的最大承

5、載壓應(yīng)力。壓應(yīng)力。l抗彎強度與試樣所能承載的最大斷裂抗彎強度與試樣所能承載的最大斷裂載荷相對應(yīng)，通常采用三點彎曲法測定。載荷相對應(yīng)，通常采用三點彎曲法測定。實測強度遠低于理論強度實測強度遠低于理論強度缺陷和表面裂紋缺陷和表面裂紋樣品抗彎實驗示意圖樣品抗彎實驗示意圖3.2 熱學(xué)性能熱學(xué)性能主要包括熱容、熱膨脹和熱傳導(dǎo)主要包括熱容、熱膨脹和熱傳導(dǎo)熱容熱容 溫度升高溫度升高1 oC時物質(zhì)能量的增加，每一克物質(zhì)的熱容時物質(zhì)能量的增加，每一克物質(zhì)的熱容J/(g oC)稱稱為比熱，每一個分子的熱容叫做分子比熱。為比熱，每一個分子的熱容叫做分子比熱。恒容比熱恒容比熱Cv 溫度升高但不發(fā)生體積變化時能量的增加

6、。溫度升高但不發(fā)生體積變化時能量的增加。 Cv的物理意義：反映晶體受熱激發(fā)后激發(fā)出的格波與溫度的關(guān)系。的物理意義：反映晶體受熱激發(fā)后激發(fā)出的格波與溫度的關(guān)系。恒壓比熱恒壓比熱Cp 壓力保持恒定時溫度升高而引起的能量增加。壓力保持恒定時溫度升高而引起的能量增加。蓄熱材料：蓄熱材料：比熱大比熱大加熱材料：加熱材料：比熱小比熱小熱膨脹熱膨脹產(chǎn)生熱膨脹的原因：產(chǎn)生熱膨脹的原因： 溫度升高，熱振動使原子間距增大溫度升高，熱振動使原子間距增大熱膨脹系數(shù)：線膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)：線膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)大小與原子間鍵強和物質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。熱膨脹系數(shù)大小與原子間鍵強和物質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。原

7、子結(jié)合鍵越強，熱膨脹系數(shù)越小原子結(jié)合鍵越強，熱膨脹系數(shù)越小熱膨脹系數(shù)測定：熱膨脹系數(shù)測定：石英比較法石英比較法熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 對于某溫度下處于熱振動狀態(tài)的粒子，由外部再加上能量更大的熱振動對于某溫度下處于熱振動狀態(tài)的粒子，由外部再加上能量更大的熱振動時，會依次引起鄰接離子的熱振動狀態(tài)升高，熱振動狀態(tài)高的波峰向低溫方時，會依次引起鄰接離子的熱振動狀態(tài)升高，熱振動狀態(tài)高的波峰向低溫方向移動，將最初引入的熱振動以粒子為媒介不斷傳送下去。向移動，將最初引入的熱振動以粒子為媒介不斷傳送下去。 熱傳導(dǎo)系數(shù)熱傳導(dǎo)系數(shù)指單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過橫截面積的熱量，反映了指單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過橫截面積

8、的熱量，反映了物質(zhì)傳熱的難易，其倒數(shù)叫做熱阻。物質(zhì)傳熱的難易，其倒數(shù)叫做熱阻。無機非金屬材料的熱傳導(dǎo)主要依賴于晶格振動，或依賴于聲子傳導(dǎo)熱量。無機非金屬材料的熱傳導(dǎo)主要依賴于晶格振動，或依賴于聲子傳導(dǎo)熱量。氣孔越多，材料的熱傳導(dǎo)性越差。原子排列的有序性越高，熱傳導(dǎo)性越強。氣孔越多，材料的熱傳導(dǎo)性越差。原子排列的有序性越高，熱傳導(dǎo)性越強。3.3 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能 電阻率電阻率或或電導(dǎo)率電導(dǎo)率表示材料的導(dǎo)電難易。根據(jù)導(dǎo)表示材料的導(dǎo)電難易。根據(jù)導(dǎo)電性的不同，可以將固體分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。電性的不同，可以將固體分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。 導(dǎo)體的電阻率小于導(dǎo)體的電阻率小于10-4 cm，絕緣體的電

9、阻率大，絕緣體的電阻率大于于109 cm。 導(dǎo)電能力的大小由載流子濃度和載流子的遷移速導(dǎo)電能力的大小由載流子濃度和載流子的遷移速率決定。載流子可以是電子，空穴或離子。率決定。載流子可以是電子，空穴或離子。離子導(dǎo)電離子導(dǎo)電 當(dāng)固體中存在離子擴散運動時，就有可能產(chǎn)生離子當(dāng)固體中存在離子擴散運動時，就有可能產(chǎn)生離子導(dǎo)電。導(dǎo)電。 離子半徑小而擴散快的陽離子，其運動活化能或遷離子半徑小而擴散快的陽離子，其運動活化能或遷移需克服的勢壘較小，在低溫時就易產(chǎn)生較大的電導(dǎo)移需克服的勢壘較小，在低溫時就易產(chǎn)生較大的電導(dǎo)率。率。 如果材料的結(jié)構(gòu)比較松散或存在大量的結(jié)構(gòu)缺陷，如果材料的結(jié)構(gòu)比較松散或存在大量的結(jié)構(gòu)缺陷

10、，空隙成為離子遷移的通道，使得材料的電導(dǎo)率增大?？障冻蔀殡x子遷移的通道，使得材料的電導(dǎo)率增大。 由于擴散與溫度相關(guān)，因此離子電導(dǎo)率也隨溫度的由于擴散與溫度相關(guān)，因此離子電導(dǎo)率也隨溫度的升高而增大。升高而增大。2222ZrOZrOOZrOZriOCaOCaVOCaOCaCaO快離子導(dǎo)體快離子導(dǎo)體電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電l價帶：價帶：原子中處于最外層的價電子所占據(jù)的能級最容易分裂原子中處于最外層的價電子所占據(jù)的能級最容易分裂而形成能帶而形成能帶l導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：最靠近價帶且其能量比較高的那個能帶。最靠近價帶且其能量比較高的那個能帶。l禁帶：禁帶：導(dǎo)帶和價帶間的電子能級不存在的區(qū)域。導(dǎo)帶和價帶間的電子能級不存在

11、的區(qū)域。 Fe2+=Fe3+e-形成非化學(xué)計量化合物形成非化學(xué)計量化合物Fe2O3-xAl取代取代SiC中的中的Si摻雜摻雜N取代取代SiC中的中的CVacuumlE = V/lDielectric 電介質(zhì)電介質(zhì)VPV面積面積A3.4 介電性能介電性能 e e為相對介電常數(shù)為相對介電常數(shù) 材料越易被極化，電容量材料越易被極化，電容量也大，相應(yīng)電容器的尺寸可也大，相應(yīng)電容器的尺寸可大大減小，有利于集成電路大大減小，有利于集成電路和大規(guī)模集成電路的發(fā)展。和大規(guī)模集成電路的發(fā)展。 0100+=QQCCQe 電容器兩板間的電電容器兩板間的電介質(zhì)能提高電容量介質(zhì)能提高電容量介電損耗介電損耗 電介質(zhì)在電場

12、作用下，引起介質(zhì)發(fā)熱，單位時間內(nèi)電介質(zhì)在電場作用下，引起介質(zhì)發(fā)熱，單位時間內(nèi)消耗的能量稱為介電損耗。消耗的能量稱為介電損耗。 tan （ 為相位偏移角）的大小直接影響電介質(zhì)損失為相位偏移角）的大小直接影響電介質(zhì)損失的大小，是判斷電介質(zhì)是否可做絕緣材料的初步標(biāo)準(zhǔn)。的大小，是判斷電介質(zhì)是否可做絕緣材料的初步標(biāo)準(zhǔn)。 Q=1/tan 為晶質(zhì)因素。為晶質(zhì)因素。Q越大，越大，tan 越小，說明電越小，說明電容器的品質(zhì)越好。容器的品質(zhì)越好。 高性能電容器用電介質(zhì)的材料要求：高性能電容器用電介質(zhì)的材料要求： 高的介電常數(shù)、低的介電損耗高的介電常數(shù)、低的介電損耗鐵電性鐵電性 電場強度增大時，極化程度開始按比例電

13、場強度增大時，極化程度開始按比例增大，接著突然升高。在電場強度很大時，增大，接著突然升高。在電場強度很大時，極化速度又減慢并趨于極限值。極化速度又減慢并趨于極限值。 去除電場后，剩余一部分極化狀態(tài)，必須去除電場后，剩余一部分極化狀態(tài)，必須加上相反的電場才能完全消除極化狀態(tài)，出加上相反的電場才能完全消除極化狀態(tài)，出現(xiàn)類似于鐵磁體類似的滯后現(xiàn)象，人們稱之現(xiàn)類似于鐵磁體類似的滯后現(xiàn)象，人們稱之為鐵電性。為鐵電性。3.5 磁學(xué)性能磁學(xué)性能 B為磁感應(yīng)強度，為磁感應(yīng)強度， 0是真空時的導(dǎo)磁率，是真空時的導(dǎo)磁率，H為磁場強度，為磁場強度，M是磁化強度。是磁化強度。0=H+MB00=(1)rMHH 10/r

14、是相對導(dǎo)磁率是相對導(dǎo)磁率, 1 為材料的磁導(dǎo)率。為材料的磁導(dǎo)率。 = 1r為磁化率。磁化率為正的為順磁性，磁化率為負(fù)的為為磁化率。磁化率為正的為順磁性，磁化率為負(fù)的為抗磁性，磁化率超過一般物質(zhì)許多倍的為鐵磁性?？勾判裕呕食^一般物質(zhì)許多倍的為鐵磁性。 磁性磁性 起源？起源？抗磁性（抗磁性（Al3+、O2+、Pb2+) 材料中原子或離子中所有磁矩相互抵消，總磁矩等于零。在外加磁場材料中原子或離子中所有磁矩相互抵消，總磁矩等于零。在外加磁場的作用下會產(chǎn)生磁化，其方向與外加磁場方向相反。磁化率為負(fù)，磁效應(yīng)的作用下會產(chǎn)生磁化，其方向與外加磁場方向相反。磁化率為負(fù)，磁效應(yīng)較弱，較弱， 約約10-4，

15、相對導(dǎo)磁率，相對導(dǎo)磁率 r略小于略小于1。順磁性順磁性 （稀土離子）稀土離子） 材料中原子或離子的殼層內(nèi)電子自旋磁矩沒有相互抵消，形成永久磁材料中原子或離子的殼層內(nèi)電子自旋磁矩沒有相互抵消，形成永久磁矩。在沒有電場作用時，各個磁矩沒有相互作用或作用很弱，指向是無序矩。在沒有電場作用時，各個磁矩沒有相互作用或作用很弱，指向是無序分布的，沒有形成宏觀磁現(xiàn)象。但在磁場作用下，這些磁矩沿磁場方向排分布的，沒有形成宏觀磁現(xiàn)象。但在磁場作用下，這些磁矩沿磁場方向排列，有磁化發(fā)生，磁化率大于零。磁效應(yīng)較小，列，有磁化發(fā)生，磁化率大于零。磁效應(yīng)較小， 約約10-5。HH鐵磁性：鐵磁性：EuO、Fe 材料中的原

16、子或離子內(nèi)有未被抵消的自旋磁矩存在，磁矩的材料中的原子或離子內(nèi)有未被抵消的自旋磁矩存在，磁矩的相互作用強，在磁疇內(nèi)自旋磁矩沿著一個方向平行排列，發(fā)生自相互作用強，在磁疇內(nèi)自旋磁矩沿著一個方向平行排列，發(fā)生自發(fā)磁化。但宏觀上整個晶體是無磁性的。發(fā)磁化。但宏觀上整個晶體是無磁性的。 磁場作用下，磁場和磁化強度不成線性關(guān)系。在高于鐵磁性居磁場作用下，磁場和磁化強度不成線性關(guān)系。在高于鐵磁性居里溫度里溫度Tc溫度，鐵磁性就轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判粤耍藭r溫度，鐵磁性就轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判粤?，此時 = (C為常數(shù)為常數(shù))。溫度低于。溫度低于Tc，自發(fā)磁化產(chǎn)生。，自發(fā)磁化產(chǎn)生。/()CCTT反鐵磁性：反鐵磁性： FeO 相鄰

17、的未被抵消的自旋磁矩異向平行排列，形成的磁疇是無磁性的，磁化率是相鄰的未被抵消的自旋磁矩異向平行排列，形成的磁疇是無磁性的，磁化率是正的，數(shù)值不大，超過反鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度（尼爾溫度正的，數(shù)值不大，超過反鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度（尼爾溫度TN）后變成順磁性。）后變成順磁性。鐵氧體磁性鐵氧體磁性：（：（Mn、Zn）Fe2O4 和鐵磁體一樣，具有磁疇和磁滯回線。磁導(dǎo)率和磁化率比較大。磁疇內(nèi)存在兩和鐵磁體一樣，具有磁疇和磁滯回線。磁導(dǎo)率和磁化率比較大。磁疇內(nèi)存在兩種磁矩，呈反向平行排列。種磁矩，呈反向平行排列。 鐵磁性鐵磁性 反鐵磁性反鐵磁性 鐵氧體鐵氧體Hq qiq qrq qiI0ITIR光與材料的相互作用光

18、與材料的相互作用:透射透射反射反射折射折射吸收吸收入射入射第五節(jié) 光學(xué)性質(zhì)3.6 光學(xué)性能光學(xué)性能IA折射、反射、吸收折射、反射、吸收 折射率折射率 當(dāng)吸收率很小時，當(dāng)吸收率很小時，反射率反射率 光的吸收率光的吸收率A、透過率、透過率T和反射率和反射率R有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：A+T+R=1F物質(zhì)對不同波長的可見光進行選擇性吸收后，就表現(xiàn)出顏色。物質(zhì)對不同波長的可見光進行選擇性吸收后，就表現(xiàn)出顏色。物質(zhì)吸收光時，外層電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，基態(tài)與激發(fā)態(tài)物質(zhì)吸收光時，外層電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，基態(tài)與激發(fā)態(tài)的能量差越小，顏色就越深。的能量差越小，顏色就越深。F呈現(xiàn)的顏色與物質(zhì)吸收光的波長有關(guān)。呈現(xiàn)的顏色與物質(zhì)吸收光的波長有關(guān)。 如吸收波長如吸收波長400nm的紫光，觀察到的顏色為黃綠的紫光，觀察到的顏色為黃綠 吸收波長吸收波長730nm的玫瑰色光，觀察到的顏色為綠色的玫瑰色光，觀察到的顏色為綠色0CnC212nRnWhy blue？3.7 化學(xué)性能化學(xué)性能l材料抵抗外部物質(zhì)侵蝕的能力稱為材料抵抗外部物質(zhì)侵蝕的能力稱為耐蝕性耐蝕性或叫或叫化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性。l常溫常溫下使用的材料其化學(xué)穩(wěn)定性通常是指抵抗周圍介質(zhì)中水、酸、堿的下使用的材料其化學(xué)穩(wěn)定性通常是指抵抗周圍介質(zhì)