第03章材料的性能2

材料的性能Chapter3PropertiesofMaterials1Chapter3

PropertiesofMaterials李盛彪1李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials2GeneralCharactersofMaterials2李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials3本章主要內(nèi)容材料化學的主要目的是從分子水平到宏觀尺度認識結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，在合成和加工過程中有意識地控制材料的組成和結(jié)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：化學性能力學性能熱性能電性能磁性光學性能學習目的：了解材料的各類性能；學習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。3李盛彪4溶蝕性耐腐蝕性抗?jié)B透性抗氧化性——材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力化學穩(wěn)定性3.1化學性能

ChemicalPerformance4李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials5(1)Chemicalstabilityofmetalmaterials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宏觀裂紋吸附（1）化學銹蝕3.1.1耐氧化性金屬氧化反應(yīng)的主要過程示意圖5李盛彪幾種金屬的表面氧化膜對比多孔氧化膜致密氧化膜松散氧化膜6Chapter3PropertiesofMaterials6李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials7Electrochemistrycorrosion（2）電化學腐蝕simpleelectrochemicalcellcorrosioncellbetweenasteelwaterpipeandacopperfitting7李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials8ElectrochemistrycorrosionSO2氣體對鐵的侵蝕過程（2）電化學腐蝕8李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials9Example海水對金屬的侵蝕示意圖9李盛彪Cathodicprotectionofaburiedsteelpipeline

電化學防銹——犧牲陽極法10Chapter3PropertiesofMaterials10李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials11思考：為什么有的金屬（如鋁）比較活潑，但在空氣中很穩(wěn)定？為什么在潮濕環(huán)境下金屬材料容易生銹？材料應(yīng)用中有哪些防銹方法？11李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials123.1.2耐酸堿性耐酸材料

以酸性氧化物SiO2為主耐堿材料

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)出較強的耐堿性，而易受酸侵蝕或溶解。(2)Chemicalstabilityofnon-metalmaterials12李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials13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。耐蝕機理：堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵表面生成完整、致密的-(Fe,Cr)2O3氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附著物，使材料本體受到保護。13李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials14(3)Chemicalstabilityofpolymers化學穩(wěn)定性好，耐酸耐堿高分子材料：

主鏈原子以共價鍵結(jié)合長分子鏈對反應(yīng)基團的保護電絕緣性，無電化學腐蝕14李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials15(3)Chemicalstabilityofpolymers金屬材料和無機非金屬材料有好的耐有機溶劑性能；熱塑性高分子材料一般由線形高分子構(gòu)成，很多有機溶劑都可以將其溶解；交聯(lián)型高分子在有機溶劑中不溶解，但能溶脹，使材料體積膨脹，性能變差；不同的高分子材料，其分子鏈以及側(cè)基不同，對各種有機溶劑表現(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)有機溶劑中都難溶，因而具有很好的耐溶劑性。3.1.3耐有機溶劑性15李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials16(3)Chemicalstabilityofpolymers光照下形成自由基：3.1.4耐老化性——高分子材料面臨的問題氧氣的參與：自由基形成后導致鏈的斷裂（降解）：16李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials17(3)Chemicalstabilityofpolymers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鍵；氟原子的尺寸大小適中，一個緊挨一個，能把碳鏈緊緊包圍住。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)上的甲基等等，都會降低高分子材料的耐老化性。結(jié)構(gòu)與耐老化性17李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials18(3)Chemicalstabilityofpolymers改進聚合物分子結(jié)構(gòu)加入適當助劑抗氧化劑光屏蔽劑紫外線吸收劑淬滅劑

耐老化性的提高18李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials19——材料抵受外力作用的能力3.2力學性能

MechanicalProperty19李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials20應(yīng)力stress應(yīng)變strain

拉伸強度彎曲強度沖擊強度3.2.1材料的強度(Strength)20李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials21Experiment樣品拉伸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線ultimatetensilestrengthyieldstrength21李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials22J.AM.CHEM.SOC.2004,126,10226-1022722李盛彪延展性或塑性的表征延伸率 elongation斷面收縮率

reductionofarea<5%：脆性材料23Chapter3PropertiesofMaterials23李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials24材料的一些力學性能特點：很多金屬材料既有高的強度，又有良好的延展性；多晶材料的強度高于單晶材料；這是因為多晶材料中的晶界可中斷位錯的滑移，改變滑移的方向。通過控制晶粒的生長，可以達到強化材料的目的。固溶體或合金的強度高于純金屬；雜質(zhì)原子的存在對位錯運動具有牽制作用。多數(shù)無機非金屬材料延展性很差，屈服強度高。源于共價鍵的方向性24李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials25102030e(%)0100200300400500600700800900s(MPa)低碳鋼錳鋼硬鋁退火球墨鑄鐵25李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials263.2.2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布氏硬度（Brinellhardness）洛氏硬度（Rockwellhardness）HR=(K-h)/0.002維氏硬度（Vickershardness）HV=0.189F/d2

材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標26李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials27維氏硬度測量27李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials28硬度試驗28李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials29各種材料的硬度特征：由共價鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這是因為共價鍵的強度較高；無機非金屬材料有較高硬度離子鍵和共價鍵的強度均較高；當含有價態(tài)較高而半徑較小的離子時，所形成的離子鍵強度較高（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29李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials303.2.3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，在某點或某些點產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。30李盛彪熱容（heatcapacity）熱膨脹（thermalexpansion）熱傳導（thermalconduction）Chapter3PropertiesofMaterials313.3熱性能

ThermalProperty31李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials32定壓熱容Cp晶體材料較高溫度下： Cp=3R=24.9Jmol-1K-1。極低溫度下：CpT3定容熱容CV3.3.1熱容（heatcapacity）

——1mol物質(zhì)升高1K所需要的熱量32李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials33膨脹系數(shù)：溫度變化1K時材料尺度的變化量。線膨脹系數(shù)l和體積膨脹系數(shù)V

3.3.2熱膨脹

thermalexpansion33李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials34Curve勢能一原子間距離曲線假想的實際的熱膨脹現(xiàn)象解釋34李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials35Curve金屬和無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)較??；聚合物材料則較大。鍵強與熱膨脹膨脹的差異——原子間的鍵合力越強，則熱膨脹系數(shù)越小。35李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials36Examples熱量通量q

：熱導率：表征物質(zhì)熱傳導性能的物理量。單位：Wm-1K-1，或calcm-1s-1K-11calcm-1s-1K-1=4.2102Wm-1K-1

3.3.3熱傳導（thermalconduction）

——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36李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials37各種材料的導熱率金屬材料有很高的熱導率自由電子在熱傳導中擔當主要角色；金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對導熱性有影響；晶格振動無機陶瓷或其它絕緣材料熱導率較低。熱傳導依賴于晶格振動（聲子）的轉(zhuǎn)播。高溫處的晶格振動較劇烈，再加上電子運動的貢獻增加，其熱導率隨溫度升高而增大。半導體材料的熱傳導：電子與聲子的共同貢獻低溫時，聲子是熱能傳導的主要載體。較高溫度下電子能激發(fā)進入導帶，所以導熱性顯著增大。高分子材料熱導率很低熱傳導是靠分子鏈節(jié)及鏈段運動的傳遞，其對能量傳遞的效果較差。37李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials38Examples38李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials39導電性介電性鐵電性壓電性——材料被施加電場時所產(chǎn)生的響應(yīng)行為3.4電性能

ElectricalProperty39李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials40Electricalproperty3.4.1導電性能

ElectricalConductivity金屬：導體、半導體（半導體金屬砷、碲等）陶瓷：絕緣體、半導體高分子材料：絕緣體、半導體、導體其它：硅、鍺（半導體），石墨（導體）40李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty電阻：電阻率：電導率：=1/

=nZe

要增加材料的導電性，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（增大

值）。41李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty能帶理論（BandTheory）能帶的形成42李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty各種材料的能帶結(jié)構(gòu)43李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty3.4.2介電性能

DielectricProperty電容C（capacitance）——電荷量q與電壓V的比值：

平板電容計算：

C=(A/L)：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)r：r=/0

C=q/V44李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials45(2)DielectricProperty某些介電材料的性能45李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials46(3)Ferroelectricity3.4.3鐵電性與壓電性FerroelectricityandPiezoelectricity鐵電滯后現(xiàn)象鐵電性——材料在除去外電場后仍保持部分極化狀態(tài)46李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials47居里溫度Tc

Curietemperature47李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials48(4)Piezoelectricity壓電性Piezoelectricity外力→極化→電場48李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials49(4)Piezoelectricity常用的壓電陶瓷：BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、

NH4H2PO4（a）施加一定電壓（b）施加壓力，產(chǎn)生反向電壓，導致兩端電壓下降（c）施加較大電壓，材料產(chǎn)生變形49李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials503.5.1磁性基本概念

Hm：磁化強度

magnetizationm：磁化率

magneticsusceptibility3.5磁性

MagneticProperty50李盛彪2/3/20239:41:49PMChapter3,ChemistryofMaterials2008,ceszzh@51磁性的來源——磁偶極子 magneticdipolesThespinoftheelectronproducesamagneticfieldwithadirectiondependentonthequantumnumberms

Electronsorbitingaroundthenucleuscreateamagneticfieldaroundtheatom

51Chapter3PropertiesofMaterials51李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials52反磁性（diamagnetism）

m<0Hg、Cu、Ag、Pb金剛石、MgO、NaCl絕大多數(shù)高分子材料

順磁性（paramagnetism）m>0含有非零角動量原子（例如過渡金屬）的材料。

mT-1（居里定理）一些非過渡金屬（例如Al）。m與T無關(guān)磁場撤去后磁效應(yīng)消失

3.5.2磁性的種類

52李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials53鐵磁性（ferromagnetism）在不太強的磁場中，就可以磁化到飽和狀態(tài)。鐵磁居里溫度

ferromagneticCurietemperature

53李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials54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Fe3O4鐵磁性 反鐵磁性 鐵氧體磁性

54李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials55反鐵磁性（MnO）55李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials56磁疇MagneticDomain磁疇壁MagneticDomainWall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。3.5.3磁疇和磁化曲線56李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials57磁滯回線

hysteresisloop57李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials58軟磁材料 硬磁材料58李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials59光的吸收和透過光的反射和折射材料的顏色3.6光學性能

OpticalProperty59李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials60金屬材料：不透明；半導體和其它非金屬材料：取決于能隙Eg；晶格熱振動：對長波區(qū)的可見光和紅外光產(chǎn)生吸收；高分子材料：無定形透明，結(jié)晶影響透明性（晶粒對光的散射）3.6.1光的吸收和透過60李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials61幾種無機材料的光透過曲線61李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials62金屬材料：強反射（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釋放出能量回到低能態(tài)無機非金屬材料：主要受介質(zhì)的折射率差影響；當光線從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)時，介質(zhì)的折射率差別越大，反射就越強。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，則光波傳播受影響越大，從而折射率越大。原子半徑越大(極化率大），折射率就越大。3.6.2光的反射和折射62李盛彪幾種金屬材料的反射率隨光波波長變化曲線Chapter3PropertiesofMaterials6363李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials64金屬材料：顏色取決于其反射