第二章材料性能基础课件.ppt
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1、材料科学与人类文明材料性能基础,材料性能基础材料科学与工程学系,材料科学与人类文明材料性能基础,材料性能基础,物理性能:密度、熔点、热、电、光、磁化学性能:抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性力学性能:弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、高温力学性能、耐磨性改变材料力学性能的主要方法:金属材料强化方法(塑性变形、细化晶粒、合金化、热处理),无机非金属材料增强增韧、高分子材料增强与改性,材料科学与人类文明材料性能基础,材料性能概述,材料的性能:表征材料在给定外界条件下的行为,成分,组织结构,性能,制备技术、加工过程等,不同组织下表现完全不同的性能:左边,较软、韧右边,较硬、脆,化学键,材料科学与人类文明
2、材料性能基础,三大材料一般性能特点,材料科学与人类文明材料性能基础,材料的物理性能,热学性能:热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性电学性能:导电、介电、铁电、压电光学性能:光的透过、吸收和反射;荧光性磁学性能:铁磁、顺磁、抗磁,材料科学与人类文明材料性能基础,()热容,热容表征材料从周围环境吸收热量的能力,用 物质温度升高 是所吸收的热量来表示,有定压热容和定容热容两种。单位:(),材料定容热容和温度之间的关系,热学性能:晶格热振动晶格点阵中的质点(原子、离子)围着平衡位置做微小振动,德拜温度,材料科学与人类文明材料性能基础,根据热容选材:,材料升高一度,需吸收的热量不同,吸收热量小,热损耗小
3、。同一组成,质量不同,热容也不同,质量轻,热容小。对于隔热材料,需使用轻质隔热砖,便于炉体快速升温,同时降低热量损耗。,材料科学与人类文明材料性能基础,()热传导,热传导本质:由于温差而发生的材料相邻部分间的能量迁移。,热传导表征热导率,单位:(),定义:,单位时间单位面积(垂直于热流方向)内流过的热量,单位:温度梯度,单位:,材料科学与人类文明材料性能基础,热传导机制,热传导的三种方式:自由电子传导、晶格振动传导和分子或链段传导 金属材料的热传导自由电子传导金属的热导率较高(),随温度的升高、缺陷的增多而下降。无机非金属材料的热传导晶格振动传导热导率低,良好的绝热材料(一般陶瓷材料),随温度
4、升高略微减小;陶瓷中的孔洞明显降低热导率;玻璃的原子排列远程无序,不产生热弹性波,因此热导率更低;高分子材料的热导率分子或链段传导热量通过分子或链段的传递,速度慢,因此其热导率低,可用作绝热材料;结晶度增大,热导率增大;孔洞降低热导率。,材料科学与人类文明材料性能基础,()热膨胀,热膨胀系数温度变化 时材料单位长度(线膨胀系数)或单位体积(体积膨胀系数)变化量。对各向同性材料,,热膨胀系数主要取决于原子(或分子、链段)之间结合力。结合力越大,热膨胀系数越低。,材料科学与人类文明材料性能基础,()热应力,热应力温度变化引入的材料内部的应力,导致断裂或塑性变形约束热胀冷缩引起的热应力:加热时,为拉
5、伸应力。,材料内部温度梯度引入的热应力:急冷急热时,材料内部产生温度梯度,其大小取决于材料的形状尺寸、热导率和外界温度变化。温度梯度也产生热应力。例如,材料急冷时(假设不发生相变),外部冷得快,因而尺寸收缩得较快,被内部阻碍而在外部产生拉应力,在内部产生压应力;加热时应力状态相反。实例:装热水的玻璃杯越厚越容易“烫破”!,材料科学与人类文明材料性能基础,抗热冲击性,对塑性材料,热应力导致塑性变形;对陶瓷类脆性材料,热应力直接导致脆性断裂。抗热冲击性(,)材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力。提高材料值的最简单有效的方法是降低其热膨胀系数。例如,普通玻璃:耐热玻璃(石英玻璃,减少普通玻璃中的、
6、含量,添加一定量的,,材料科学与人类文明材料性能基础,电学性能,导电性能:欧姆定理、电导率、固体的能带结构、材料导电性半导体:本征半导体、掺杂半导体超导其它电性能:铁电、压电、介电,材料科学与人类文明材料性能基础,()欧姆定理和电子导电,欧姆定理:,电导率:,电子在电场作用下沿方向作漂移运动(即电场作用下电子的运动),则动量。电子有效质量,电子平均漂移速率。当电子之间或电子与其他粒子碰撞时失去动量。二者平衡时,电场力碰撞作用力:为二次碰撞之间的时间,称为驰豫时间。因此,电子迁移率,,反应电子迁移的难易程度。设电子密度为,则电流密度,材料科学与人类文明材料性能基础,电子迁移率和载流子密度,材料科
7、学与人类文明材料性能基础,材料的电导率,材料的电导率和载流子密度,迁移率相关。,金属键结合的材料:载流子为价电子,密度高,迁移容易,电导率高。,共价键结合的材料:必须打开共价键后电子才能迁移,电导率低(半导体或绝缘体材料)。,离子键结合的材料:载流子为整个离子,通过离子扩散导电。(电解液),材料科学与人类文明材料性能基础,一些材料电导率,材料科学与人类文明材料性能基础,金属导电性的影响因素,理想晶格,高温加热晶格,含缺陷晶格,温度:,电阻温度系数;室温电阻率晶格缺陷:,缺陷体积分数;常数强化方式:固溶强化晶格畸变严重,极大缩短电子自由程,降低电导率;时效强化、弥散强化降低导电性的作用不如固溶强
8、化明显;形变强化、细晶强化对导电性影响很小。,材料科学与人类文明材料性能基础,导电功能材料的性能(金属材料),电线、电缆所用材料主要是铜、铝及其合金。铜导电材料大都采用电解铜,含铜量,含有少量金属杂质和氧铜中杂质会降低电导率,氧也使产品性能大大下降无氧铜性能稳定、抗腐蚀、延展性好、抗疲劳,可拉成很细的丝,适合于做海底同轴电缆的外部软线,也可用于太阳能电池,与铜导线相比,铝导线电导率低(纯铝为),但其重量轻,比重只有铜的,是铝导线的一大优点铝导线主要用做送电线和配电线。对于以上的高压电线,往往用钢丝增强的铝电缆或铝合金线。,材料科学与人类文明材料性能基础,离子晶体导电,固体电解质的导电机理离子导
9、电载流子:离子离子导电条件:)离子在晶格中运动需要克服周围势垒,迁移率可表达为,因此,电导率和温度的关系为,即,,高温段本征空位居主导,激活能大,由空位激活能和离子克服势垒激活能组成;低温段非本征空位居主导,激活能小,只是离子克服势垒激活能。,)附近有空位接纳离子。,材料科学与人类文明材料性能基础,导电功能材料的性能,许多电阻元件是用无机非金属材料做的,其中包括高电导氧化物(在)如、,有低的正温度系数。一些陶瓷材料(如)的电阻随电压是变化的,在低电压时电阻大,当电压超过某个值后突然变小,这种电阻叫压敏电阻,可用于电路的暂态保护,避免高压脉冲进入要保护的电路。晶粒大小不均匀,可相差倍。在低压下,
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