川大学无机材料物理性能.ppt

无机材料物理性能,芶 立,教学方式与内容,教师讲授+课堂讨论+课后作业考核:Final exam(60%)+Practice(15%)+Attendance(15%)+Discussion(10%)教学内容:突出基本概念、原理和关键点 弱化理论推导 重点：力学（塑性形变、微裂纹)/热学/光学/电学（介电）/磁学先修课程：大学物理、理论力学、材料力学、材料科学基础,第一章 无机材料的受力形变,无机材料的应力、应变及弹性形变 应力应变无机材料的弹性变形行为课堂讨论题:Al2O3片/Al片/硅橡胶受到压力和弯折力时,会有哪些现象?产生这些现象的原因是什么?,无机材料的应力、应变及弹性形变,各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化，称为形变。应力:单位面积上所受的内力 式中F为外力，为应力，应力的单位为Pa，A为面积。名义应力、真实应力应变:物体内部各质点之间的相对位移的。一根长度为L0的杆，在单向拉应力作用下被拉长到Ll，则应变的定义为：,体积元单位面积上的力可分解为法向应力和剪切应力,无机材料的弹性变形行为,1、广义虎克定律横向变形：泊松比:横向变形系数=y/x=z/x 剪切应变：1.10式 引入剪切模量G体积变化引入体积模量K。杨氏模量E；剪切模量G；体积模量K的相互关系 各向同性材料：E=2G(1+)=3K(1-2),弹性模量E实际上和原子间结合力曲线上任一受力点的曲线斜率有关。在不变外力的情况下，tg就反映了弹性模量E的大小。原子间结合力弱，如图中曲线1，1较小，tg1较小，E1也就小；原子问结合力强，如图中曲线2，2和tg2都较大，E2也就大。,两相系统中弹性模量的估算,上限弹性模量EH：下限弹性模量EL：对于连续基体内含有封闭气孔时，总弹性模量的经验公式为：E=E0(1-1.9P+0.9P2)E0为无气孔时的弹性模量 P为气孔率,粘弹性与滞弹性,粘弹性（Visoelasticity）自然界中实际存在的材料，其形变一般介于理想弹性固体与理想粘性液体之间，即具有固体的弹性又具有液体的粘性。最典型的是高分子材料；一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时 实际固体中弹性应变的产生与消除需要有限时间。固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。聚合物的粘弹性可以认为仅仅是严重发展的滞弹性。,粘弹性材料的力学性质与时间有关,蠕变：在恒定的应力时，材料的应变随时间增长而增加的现象。Ec(t)=0/(t)弛豫：在恒定的应变时，材料的内部的应力随时间增长而减小的现象。Er(t)=(t)/0,1.2 材料中晶相的塑性形变,塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。塑性（Plasticity）材料在外力去除后仍保持部分应变的特性无机材料的塑性形变，远不如金属塑性变形容易。材料经受此种形变而不破坏的能力叫延展性。此种性能在材料加工和使用中都很有用，是一种重要的力学性能。无机材料的致命弱点就是在常温时大都缺乏这种性能，使得材料的应用大大受到限制。,晶格滑移,晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，叫做滑移。,滑移是在剪切力作用下在一定滑移系统上进行 滑动面和滑动方向组成晶体的滑移系统 滑移面上F方向的应力=Fcos/A此应力在滑移方向上的分剪应力=Fcoscos/A 如何保证coscos较大？,塑性形变的位错运动理论,实际晶体中存在位错缺陷，当受剪应力作用时，并不是晶体内两部分整体相互错动，而是位错在沿移面上沿滑移方向运动。使位错运动所需的力比使晶体两部分整体相互滑移所需的力小得多。所以实际晶体的滑移是位错运动的结果。,位错运动激活能和位错形成能,无外力：金属；无机材料1eV有外力：滑移系统少，分剪切力小晶界塞积温度升高，利于塑性形变位错形成能E=aGb2金属3A,无机材料5A,复习,陶瓷的离子键、共价键-滑移困难（理想材料：滑移系统少、分剪切力小、其它晶粒；实际材料：分剪切力不够大，晶界阻碍位错运动）-没有塑性形变决定了陶瓷的制备工艺、陶瓷的性能陶瓷的显微结构：晶相、玻璃相、气相,1.3 无机材料的高温蠕变,典型的蠕变曲线可以分为四段：起始段oa。在外力作用下发生瞬时弹性形变。第一阶段蠕变ab，也叫蠕变减速阶段。应变速率随时间递减。第二阶段蠕变bc，也叫稳态蠕变阶段。蠕变速率几乎保持不变。第三阶段蠕变cd，也叫加速蠕变阶段。应变率随时间增加而增加，即蠕变曲线变陡，最后到d点断裂。,高温蠕变理论,一、蠕变的位错运动理论 无机材料中晶相的位错在低温下遇到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。当温度增加时，位错运动的速度加快。除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。攀移（位错移出滑移面的运动）是位错运动的另一种形式。这个理论能够较好的解释蠕变减速阶段和加速蠕变阶段的特点,高温蠕变理论,二、扩散蠕变理论 高温下的蠕变现象和晶体中的扩散现象类似，并且把蠕变过程看成是外力作用下沿应力作用方向扩散的一种形式:利用空位浓度差。三、晶体蠕变理论 多晶陶瓷中存在着大量晶界，当晶界位向差大时，可以把晶界看成是非晶体，因此在温度较高时，晶界粘度迅速下降，外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。,四、影响蠕变的因素,1、温度；2、应力；3、显微结构的影响：气孔、晶粒大小、玻璃相（与润湿程度有关）4、组成：Al2O3和SiO25、晶体结构：单晶比多晶；共价键程度高,粘性形变（Viscous Deformation）,粘性物体在剪切应力作用下发生不可逆转的流动变形，该形变随时间增加而增大。理想粘性形变行为遵循牛顿粘性定律，即剪切应力与应变率或流动速度梯度成正比 称为粘性系数（单位：PaS）简称为粘度（Viscosity）,1.4 高温下玻璃相的粘性流动,玻璃或陶瓷材料中的玻璃相在高温下，粘度降低，同时又有剪应力的作用就会发生粘性流动。在粘性流动中，剪应力与速度梯度成正比。粘度一、流动模型绝对速率理论模型二、影响粘度的因素1、温度；2、时间；3、组成；,Homework,P36-374题6题,第二章 无机材料的脆性断裂与强度,一、弹、粘、塑性形变二、脆性断裂行为在外力作用下，任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大时，尤其在那些高度应力集中的特征点(例如内部和表面的缺陷和裂纹)附近的单元上，所受到的局部拉应力为平均应力的数倍时，此过分集中的拉应力如果超过材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。,三、突发性断裂与裂纹的缓慢增长在临界状态下，断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。一旦扩展，引起周围应力的再分配，导致裂纹的加速扩展，出现突发性断裂，这种断裂往往并无先兆。当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受应力的情况下，特别是同时处于高温环境中时，还会出现裂纹的缓慢生长，尤其在有环境侵蚀。,材料的脆性断裂与韧性断裂,实验表明：材料实际断裂强度,一般比理论结合强度低几个数量级，仅晶须或纤维材料具有接近于理论强度的实际强度。,材料的机械强度（Mechanical Strength）,材料在外力作用下抵抗形变及断裂破坏的能力根据外力作用的形式，可分为抗拉强度、抗冲强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。例如，抗拉强度是指在拉伸试验机上，在规定的试验温度、温度和拉伸速率下，在哑铃形材料标准试样上施加拉伸负荷，直至试样断裂时所承受的最大应力f。,2.2 理论结合强度,材料原子间结合力的最大值th 由 有,估算公式,th=E/10,1920年，发表了他那篇著名的论文：The phenomenon of rupture and flaw in solids,认为材料内部有很多显微裂纹，并从能量平衡出发得出了裂纹扩展的判据，奠定了断裂力学的基石。,Griffith微裂纹理论,裂纹及类型-按其受力及裂纹扩展途径,型裂纹即为张开型(掰开性)裂纹，拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹上下表面沿作用力的方向张开，裂纹沿裂纹面向前扩展。工程中属于这类裂纹的如板中有一穿透裂纹，其方向与板所受拉应力方向垂直，或一压力容器中的纵向裂纹型裂纹即为滑开型裂纹。其特征为裂纹的扩展受切应力控制，切应力平行作用于裂纹面而且垂直于裂纹线，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展 型裂纹即为撕开型裂纹。在平行于裂纹面而与裂纹前沿线方向平行的剪应力的作用下，裂纹面产生沿裂纹面的撕开扩展,Griffith微裂纹理论,断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面断开，而 是裂纹扩展的结果 根据弹性理论求出裂纹尖端应力：因为一般Ca,则A,即在裂纹 尖端存在应力集中效应，当 Ath时，裂纹就被拉开而扩展，是裂纹长度C增大，导致A更大，如此恶性循环，材料很快断裂。,裂纹的存在使得实际材料的断裂强度低于理论结合强度,由 Ath，有 有考虑到裂纹扩展的临界外加应力=f，由材料的断裂强度：可知 fth，即：裂纹的存在使得实际材料的断裂强度 f低于理论结合强th,设想在板上割开一个垂直于拉伸方向的穿透裂纹，长度为2c，出现裂纹以后，裂纹的上下表面不再有应力，所以靠近裂纹表区域的应力、应变被松弛，系统将释放出部分能量，Griffith从整个试样的应力和应变分布计算了其释放的能量为We=c22/E or We=(1-2)c22/E表面能Ws=4c(长度为2c，厚度为1的新断面）,裂纹进一步扩展2dcd We/2dc=d/2dc(c22/E)=c2/E d Ws/2dc=d/2dc(4c)=2 临界条件c2/E=2 f=(2E/c)1/2,材料强度的尺寸效应,Griffith从能量平衡的观点出发，认为裂纹扩展的条件食物体内储存的弹性应变能的减小大于或等于开列形成两个新表面所需增加的表面能，并推导得出平面应变状态下的断裂强度为：可知，制备高强度材料的措施是：E和要大，而裂纹尺寸C要小。由于同种材料中大尺寸材料比小尺寸材料包含的裂纹数目更多，使得大尺寸材料的断裂强度较低，这就是材料强度的尺寸效应。,延性材料的断裂强度,金属和非晶态高聚物类延性材料受力时产生塑性形变时消耗大量的能量，使得断裂强度提高，引入扩展单位面积裂纹所需的塑性功p，可得延性材料的断裂强度f为:一般p，即延性材料中塑性功p控制着断裂的过程，因此塑性功是阻止断裂的一个重要的因素。陶瓷、玻璃等脆性材料有微米级微观线度的裂纹时，就会发生低于理论结合强度的断裂；而金属和非晶态高聚物则在毫米级宏观尺寸的裂纹时，才会发生地应力的断裂。,材料的断裂韧性,Irwin应用弹性力学的应力场理论，得出掰开性（I型）裂纹尖端的应力A为：又因，代入上式，有 按照断裂力学的观点，引入一个考虑裂纹尺寸并表征材料特性的常数KIC,成为平面应变断裂韧性，当 时，所设计的构件才安全，不致发生低应力下的脆性断裂。,plane strain fracture toughness KIc;,2.5 裂纹的起源与快速扩展,一、裂纹的起源1、由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核。2、材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。3、由于热应力形成裂纹,二、裂纹的快速扩展按照Griffith微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量而是决定干裂纹的大小，即由最危险的裂纹尺寸(临界裂纹尺寸)决定材料的断裂强度。一旦裂纹超过临界尺寸就迅速扩展使材料断裂。三、防止裂纹扩展的措施首先应使作用应力不超过临界应力，这样裂纹就不会失稳扩展。其次，在材料中设置吸收能量的机构也能阻止裂纹扩展。此外，人为地在材料中造成大量极微细的裂纹(小于临界尺寸)也能吸收能量，阻止裂纹扩展。,2.6 无机材料中裂纹的亚临界生长,裂纹除上述的快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展。这种缓慢扩展也叫亚临界生长，或称为静态疲劳(材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏叫做动态疲劳)。裂纹缓慢生长的结果是裂纹尺寸逐渐加大。一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。一、应力腐蚀理论：实质在于在一定的环境温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂或止裂的条件。,二、高温下裂纹尖端的应力空腔作用三、亚临界裂纹生长速率与应力场强度因子的关系四、根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命无机材料制品在实际使用温度下，经受长期应力队的作用，制品上典型受力区的最长裂纹将会有亚临界裂纹缓慢扩展，最后导致断裂。1无损探伤法 2.保证试验法,2.7 显微结构对材料脆性断裂的影响,一、晶粒尺寸对多晶材料大量试验证明晶粒愈小，强度愈高，因此微晶材料就成为无机材料发展的一个重要方向细晶材料晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路。晶粒愈细，此路程愈长。此外，多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒度相当，晶粒愈细，韧始裂纹尺寸就愈小，这样就提高了临界应力。二、气孔的影响大多数无机材料约弹性模量和强度都随气孔率的增加而降低。这是因为气孔不仅减小了负荷面积而且在气孔邻近区域应力集中，减弱材料的负荷能力。,2.9 提高无机材料强度改进材料韧性的途径,E、C一、微晶、高密度与高纯度二、提高抗裂能力与预加应力：热韧化（抛物线应力分布）三、化学强化：预加应力更大四、相变增韧：ZrO2四方相到单斜相五、弥散增韧：微粉（化学相容、物理润湿）,定义,Residual stress is defined as“the stress resident inside a component or structure after all applied forces have been removed”.Compressive residual stress acts by pushing the material together,while tensile residual stress pulls the material apart.,compressive residual tends to increase fatigue strength and fatigue life,slow crack propagation,and increase resistance to environmentally assisted cracking.Tensile residual stress in the surface of the component is generally undesirable as it decreases fatigue strength and fatigue life,increases crack propagation and lowers resistance to environmentally assisted cracking.,In the toughening process,the surfaces of the glass are heated in a furnace.Recommended temperatures vary but the glass reaches temperatures of over 600C.The hot glass is then cooled rapidly by a blast of air over a period of between 3 and 10 seconds.,the surfaces shrink,and(at first)tensile stresses develop on the surfaces.As the bulk of the glass begins to cool,it contracts.The already solidified surfaces of the glass are then forced to contract,and consequently,they develop residual compressive surface stresses,while the interior zone develops compensating tensile stresses.The tension zone in the core of the glass takes up about 60%of the cross-sectional area of the glass.,裂缝增长时，必然选择局部的张应力区域而不会进入局部压缩应力区域，故会偏移增长方向，造成增韧图5-17(a)如果分散相的断裂韧性大于基体，则分散相粒子可以阻碍裂缝增长，裂缝不能从分散相中间通过，使其增长的路线呈弓形，这一机理称为裂缝弯弓。图5-17(b)。金属能够发生塑性形变，这一过程消耗了大量能量；金属还能够通过变形，在裂缝上“架桥”，阻止裂缝的增长图5-17(c)。晶须增强可能涉及三种机理：“架桥”作用，裂缝偏移与脱粘、拔出作用图5-17(d)。晶片增韧的机理与晶须基本差不多图5-17(e)。,连续纤维的增韧主要源于裂缝尾部纤维的拔出，而纤维的拔出又强烈依赖于界面的滑动阻力与纤维的性质。纤维与陶瓷基体的结合不宜过强，也不宜过弱。结合强度恰到好处时可获得最大的韧性。,2.10 复合材料,在一种基本材料中加入另一种粉体材料或纤维材料制成复合材料是提高强度和改善脆性的有效措施，在许多方面已得到广泛应用。选择原则：1 主要受力2 纤维与基体结合强度适当3 应力作用方向4 热膨胀系数5 高温下的化学相容,复合材料,一、连续纤维单向强化复合材料的强度二、短纤维单向强化复合材科 如果用短纤维来强化，则纤维长度必须大于临界长度才能起到增强作用。此临界长度可以根据力的平衡条件求得。,2.11 无机材料的硬度（复习、自学）,硬度是材料的一种重要力学性能，但在实际应用中，由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异。例如金属材料常用的硬度测量方法是在静荷载下，将某种硬的物体压入材料，这样测得的硬度主要仅反映材料抵抗塑性形变的能力。而陶瓷、矿物材料使用的压痕硬度却反映材料抵抗破坏的能力。所以硬度没有统一的意义，各种硬度单位也不同，彼此间没有固定的换算关系。陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度叫做莫氏硬度，它只表示硬度由小到大的顺序，顺序在后面的材料能划破前面材料的表面。,第三章 无机材料的热学性能,热性能的物理本质均与晶格热振动有关（3.1）。质点在平衡位置附近作简谐振动，质点之间的相互作用，以波的形式在材料中传播（格波）。,3.1 无机材料的热容,热容是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量。热容是物体温度升高1K所需要增加的能量。一、晶态固体热容的经验定律和经典理论两个有关晶体热容的经验定律：元素的热容定律杜隆珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J（Kmol）化合物的热容定律柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。与实验结果高温符合，低温减小二、晶态固体热容的量子理论回顾三、无机材料的热容,三、无机材料的热容,与材料结构关系不大与气孔率有关热容小，提高相同温度所需能量小；可以加快升温降温速度，降低热量损耗隔热保温材料：热容小/气相热导率低,3.2 无机材料的热膨胀,一、热膨胀系数物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。实际上固体材料的热膨胀系数并不是一个常数，而是随温度稍有变化，通常随温度升高而加大，如图3.5。二、固体材料热膨胀机理固体材料的热膨胀本质：点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大。热膨胀机理:简谐振动？非线性振动？,同一能量值a点处斜率大，斥力大；b点处斜率小，引力小。非对称性P123：3.27式V(r)=V(r0)+1/22-1/3 3+4,5 只考虑前两项：简谐振动考虑前三项：非简谐振动考虑前四、五项：热膨胀系数与温度有关,热膨胀和其他性能的关系,1、热膨胀和结合能、熔点的关系由于固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关。质点的位能性质是由质点间的结合力特性所决定的。质点间结合力很强，则位阶深而狭窄，升高同样的温度差，质点振幅增加得较少，故平均位置的位移量增加得较少，因此，热膨胀系数较小。2、热膨胀与温度、热容的关系 热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能量的增大。升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。所以热膨胀系数显然与热容密切相关并有着相似的规律。3、热膨胀和结构的关系对于相同组成的物质，由于结构不同，膨胀系数也不同。通常结构紧密的晶体，膨胀系数较大，而类似于无定形的玻璃，则往往有较小的膨胀系数。,四、多晶体和复合材料的热膨胀,各向同性晶体组成的多晶体的热膨胀系数与单晶体相同。假如晶体是各向异性的，或复合材料中各相的膨胀系数不相同，则它们在烧成后的冷却过程中产生内应力导致了热膨胀。理论计算：复合材料所有组成各向同性且均匀分布，但各相的膨胀系数不相同，产生内应力克尔纳曲线/特纳曲线热膨胀应用：封接/涂层,3.3 无机材料的热传导,一、固体材料热传导的宏观规律热传导的定义热导率（导热系数）,二、固体材料热传导的微观机理,固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的。在金属中由于有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，所以能迅速地实现热量的传递。因此，金属一般都具有较大的热导率。虽然晶格振动对金属导热也有贡献，只是很次要的。在非金属晶体，如一般离子晶体的晶格中，自由电子是很少的，因此，晶格振动是它们的主要导热机构。格波可分为声频支和光频支两类。,1、声子和声子热导,把格波的传播看成是质点声子的运动，就可以把格波与物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞，把格波在晶体中传播时遇到的散射看作是声子同晶体中质点的碰撞，把理想晶体个热阻归结为声子声子的碰撞。格波间相互作用愈强，也就是声子间碰撞几率愈大。相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。因此，这种声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。气体热传导公式：=1/3*cl，l是变量,2、光子热导,固体中除了声子的热传导外，还有光子的热传导。这是因为固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出频率较高的电磁波。对于介质中辐射传热过程，可以定性地解释为：任何温度下的物体既能辐射出一定频率的射线，同样也能吸收类似的射线。在热稳定状态，介质中任一体积元平均辐射的能量与平均吸收的能量相等。当介质中存在温度时，相邻体积间温度高的体积元辐射的能量大，吸收的能量小；温度较低的体积元正好相反，吸收的能量大于辐射的，因此，产生能量的转移，整个介质中热量从高温处向低温处传递。=16/3*n2T3lr 与辐射线的透明性有关,温度的影响,显微结构,三、影响热导率的因素,声子：=1/3*cvl；光子=16/3*n2T3lr1、温度的影响2、显微结构的影响：晶体(结构复杂）/多晶体/非晶3、化学组成的影响：质点大小、性质不同（质点大小）4、复相陶瓷的热导率：3.48式，连续相c/分散相d5、气孔的影响:=s(1-p),p为气孔率 考虑气孔的辐射传热：3.50式,课堂作业题,为什么金刚石是热导率大的材料？P169：习题3根据声子导热机理和影响热导率因素设计一种热导率小的材料。理想设计-结合用途筛选-工艺可行性？,热电材料,热电优值ZT=2/具有塞贝克效应：确定材料电导率大热导率小,3.4 无机材料的热稳定性,热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为抗热震性。由于无机材料在加工和使用过程中，经常会受到环境温度起仪的热冲击，因此，热稳定性是无机材料的一个重要性能。热稳定性的表示方法：般采用比较直观的测定方法。热应力：不改变外力作用状态，材料仅因热冲击造成开裂和断裂而损坏，这必然是由于材料在温度作用下产生的内应力，超过了材料的力学强度极限所致。由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力,表征热稳定性参数,抗热冲击断裂性能（热弹性力学，以强度-应力为判据，裂纹成核）1、第一热应力断裂抵抗因子R:材料所能承受的最大安全温差R=f(1-)/E,主要表征急冷急热时的情况50。2、第二热应力断裂抵抗因子R：考虑散热情况R=R，主要表征材料内部外部温差小且稳定分布的情况0.5。3、第二热应力断裂抵抗因子R：表征冷却速率引起材料中的温度梯度及热应力，R=R*a，a=/cp为导温系数。抗热冲击损伤性（断裂力学，以应变能-断裂能为判据）：应力下裂纹的扩展R=E/2(1-)R=E/2(1-)正比于微裂纹半长和裂纹条数 上述理论有无问题？,五、提高抗热冲击断裂性能的措施,1、提高材料强度，减小弹性模量E，使/E提高2、提高材料的热导率，使R提高3、减小材料的热膨胀系数4、减小表面热传递系数h5、减小产品的有效厚度,力学、热学性能总结,三大材料的力学性能特点脆性的原因及改进措施热学性能的本质、微观机理：热容、热膨胀、热传导、热稳定性 课堂作业：根据力学性能、热学性能相关原理设计新型建筑材料。提示：玻璃窗或墙体材料/结实、耐用、节能,第四章 无机材料的光学性能,为什么天空是兰色的？为什么钻石光彩夺目？发光二极管的原理是什么？太阳能电池的工作原理是是什么？Al2O3能不能做成透明的？光的基本性质介质对光的折射、色散与反射介质对光的吸收透光性光的发射激光与激光材料,回顾与总结,光的现象,光的微粒说,光的波动说,光的电磁说,光的波粒二象性,光的直线传播,光的传播速度,光的反射,光的折射,光的干涉,光的衍射,电磁波谱,光谱,?,电磁波谱：可见光七彩颜色的波长和频率范围,人眼最为敏感的光是黄绿光，即,附近。,电磁波光谱,电磁波谱,4.1 光通过介质的现象,一、折射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。影响n值的因素：1、构成材料元素的离子半径2、材料的结构、晶型和非晶态3、材料所受的内应力4、同质异构体,在真空中，光以恒定的速度传播，与光的频率无关。然而，在通过任何物质时，光的传播速度要发生变化，而且不同频率的光在同物质中的传播速度也不同；这一事实在折射现象中最明显地反映了了出来，即物质的折射率与光的频率有关，折射率n取决于真空中光速c和物质中光速u之比，即 这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）而变化的现象，称为光的色散现象。,二、色散,1672年牛顿首先利用棱镜的色散现象，把日光分解成了彩色光带。棱镜的折射率为 在棱镜顶角A已知的条件下，通过最小偏向角m的测量，利用上式可以得到棱镜材料对该波长的光的折射率n。用各种波长的光入射，即可得到m和n随波长的变化关系。,测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出棱镜材料的折射率n与波长之间的关系曲线，即色散曲线。实验表明，凡在可见光范围内无色透明的物质，它们的色散曲线在形式上很相似，这些曲线的共同特点是，折射率n以及色散率dn/d的数值都随着波长的增加而单调下降，在波长很长时折射率趋于定值，这种色散称为正常色散（normal dispersion）。,正常色散,一、定义,实验表明，在发生强烈吸收的波段，色散曲线发生能量明显的不连续，折射率n随着波长的增加而增大，即dn/d 0，这种在吸收带附近不符合科希公式，与正常色散曲线大不相同的特征称之为反常色散（anomalous dispersion）尽管通常把这种色散称为反常色散，但实际上它反映了物质在吸收区域内所普遍遵从的色散规律。大多数材料在遇到吸收带时，色散曲线都有这种不连续的性质。在吸收区域以外，物质的色散曲线仍属于正常曲线。,反常色散,三、反射,当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光。反射率R,光疏介质和光密介质全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100%反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。临界角：光纤导光原理：全反射,光的全反射,光纤结构示意图,纤芯：575m掺杂的SiO2，n一定或随半径增加而减小。包层:总直径为100 200m,折射率稍小于纤芯的掺杂的SiO2。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。,光的全反射,复习,能带pn结,当大量原子或分子聚集形成固体时，由于原子或分子之间的相互作用，各个不同能量孤立能级不可能完全重合而是扩展成带状，能带中电子能量是准连续的，若固体中含有N个原子或分子，则每个能带含有N个准连续分布的能级。能带（Energy band）成为表征固体中电子能量的物理概念。固体中电子能量既不象自由电子连续分布，也不象孤立原子是分立能级。,充满电子的能带称为满带（filled band），空的能带称为空带（empty band），满带与空带之间电子不能存在称为禁带(forbidden band)。特别是没有充满电子或完全空的更高能带导带(Conduction band)，导带中的电子几乎可以自由地在固体中运动。充满了电子的最高能带称为价带(Valence band)。价带中的电子是定域的，不能在晶体中自由运动。导带与价带之间的禁带宽度称为能带间隙(band gap)，用Eg来表示,等于导带底和价带顶的能量差，即Eg=Ec-Ev,从能带概念很容易区分导体、半导体与绝缘体。金属中即使电子进入最高能量的能带，也不能完全填满，大量存在作为载流子的自由电子，所以导电性高，一般为导体（conductor）。绝缘体(insulator)与本征半导体(intrinsic semiconductor)仅区别于能带间隙的大小不同。在绝对零度时能带仅仅由全部满带和空带构成，载流子不存在，不显示导电性。但是，能带间隙小的本征半导体，如果温度上升，产生自由电子和空穴，而且，不管成为哪种载流子，本征半导体随着温度升高，导电性增加。,本征半导体与杂质半导体,半导体(Semiconductor)指电导率介于导体与绝缘体之间的材料。其能量系统分为许可能带和禁带，半导体禁带宽度很窄，在室温下由热激发可引起电离而导电。其基本特性有：本征半导体的电阻率随温度的上升而下降；导电性随外界条件影响大，例光照、辐射，尤其是掺杂可显著地改变导电性；温差效应和霍尔效应比金属明显得多等。分为元素半导体(硅、锗等)，化合物半导体(GaAs、CdS等)，非晶半导体(非晶硅)、有机半导体等。可用于制成二极管、三极管、集成电路、整流器、太阳能电池、激光器及各种敏感器件(如光敏、色敏、气敏、热敏等)。,本征半导体(Instrinsic semiconductor)不含杂质的纯净半导体。载流子是由本征激发产生的，且形成的电子数目ne与空穴的数目nh相同。电阻率一般随温度的上升而下降，与金属恰好相反。纯净半导体中价带电子获得足够的热能跃迁到导带，成为导电电子，同时在价带产生空穴的过程，称为本征激发(Instrinsic excitation)，其特点是电子和空穴成对产生。杂质半导体(Impurity semiconductor)通过杂质引入额外电子或空穴而改变材料导电性的半导体。载流子是由杂质激发产生，可分为给出电子至导带的n型半导体和接受价带电子的p型半导体。半导体中电子从施主能级跃迁到导带成为导电电子，或空穴从受主能级跃迁到价带形成自由空穴的过程，称为杂质激发(Impurity excitation)。,n型半导体(电子型半导体)(n-type semiconductor)是依靠电子导电的半导体，它是导电电子密度超过空穴密度的杂质半导体。例如在四价元素硅或锗中加入五价磷、砷或锑，杂质原子作为替位式原子占据硅或锗原子的位置，与其它硅或锗原子形成共价键，但杂质原子多出一个电子，成为可自由移动的导电电子。加入半导体可产生n型半导体的杂质称为施主(施主杂质)(Donor)。它是带正电荷而束缚电子的杂质或者说为导带提供电子而不伴随空穴产生的杂质。它释放电子后成为正电中心。被施主束缚的杂质只有在获得一定能量后成为导电电子，它的能级必然靠近导带底，称为施主能级。如果施主杂质数量有限，随温度升高，电子受激全部进入半导体导带，继续升温，再无电子进入导带，形成施主耗竭(Donor exhaustion)此时半导体电导率将保持不变。只有温度升高到本征激发开始时，电导率才会变化。施主耗尽导致非本征条件下电导率的最大值。,p型半导体(空穴型半导体)(p-type semiconductor)是依靠空穴荷载电流的半导体，它是空穴密度超过导电电子密度的杂质半导体。例如在四价元素硅或锗中加入三价硼、铝或铟等，杂质原子作为替位式原子占据硅或锗原子的位置，与其它硅或锗原子形成共价键，但杂质原子缺一个电子，四价原子的价电子很容易转移到杂质原子，在硅或锗中留下空穴。加入半导体可产生p型半导体的杂质称为受主(受主杂质)(Acceptor)。它为半导体的价带提供空穴的杂质，接受价带电子成为带负电的离子。只有被束缚的空穴吸收外界能量才可跃入价带，它的能级必然位于价带顶之上，称为受主能级。如果受主杂质数量有限，随温度升高，受主全部都接受了从价带激发来的电子，再不可能接受，形成受主饱和(Acceptor saturation)，此时半导体电导率将保持不变。只有温度升高到本征激发开始时，电导率才会变化。受主饱和导致非本征条件下电导率的最大值。,半导体中的空位、间隙原子、位错和各种复合体等缺陷，同杂质一样，也可在禁带中引入孤立能级称为缺陷能级(Defect level)。如果施主能级离导带底很近，或受主能级离价带顶很近，这样的杂质称为浅能级杂质(Low level impurity)。例如硅中的硼或磷，砷或锑等，离化能只有百分之几电子伏。如果施主能级离导带底较远，或受主能级离价带顶较远这样的的杂质称为深能级杂质(Deep level impurity)。它们大多能产生多重能级，形成多重电中心。例如硅、锗中的非III、V族元素，如金、银、铜等。,4.2 无机材料的透光性-反射、吸收、散射,一、介质对光的吸收吸收的一般规律：光做为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外，介质中的价电子当吸收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动中与其它分子碰撞，电子的能量转变成分子的动能亦即热能，从而构成光能的衰减。,如图所示，光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为I+dI(dI0)。实验表明，在相当宽的光强度范围内，-dI相当精确地正比于I和dx，即-dI=aIdx,式中a是与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数（absorption coefficient）。于是，上式是光强的线性微分方程，表征了光的吸收的线性规律。,介质对光的吸收 吸收定律,为了求出光束穿过厚度为l的物质后光强的改变，可将上式改写为然后对x积分，即可得 换言之，若入射光强为I0，则通过l的物质后的光强为称为布格定律（Bouguer law）或朗伯定律。该定律是布格（P.Bouguer，16981758）在1729年发现的，后来朗伯（，17281777）在1760年又重新作了表述。,6-2,吸收定律,实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数a与溶液的浓度C成正比，即a=AC，其中A是一个与浓度无关的常量。这时可以写成 称为比尔定律（Beer law）。根据比尔定律，可以测定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原理。比尔定律表明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比的，这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立。事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。,吸收定律 比尔定律,电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子吸收光子能量受激而越过禁带；电子吸收光子能量受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上；所以，只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。,吸收的物理机制,可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：所以，Eg1.8eV的半导体材料，是不透明的因为所