1、2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,1,材料科学与人类文明-材料性能基础,材料性能基础王秀丽材料科学与工程学系,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,2,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,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,3,材料科学与人类文明-材料性能基础,材
2、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,Fe-0.45wt%C不同组织下表现完全不同的性能：左边F+P，较软、韧右边M，较硬、脆,化学键,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,4,材料科学与人类文明-材料性能基础,三大材料一般性能特点,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,5,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,Chap3-1,2018/9/26,
3、材料科学与人类文明-材料性能基础,6,材料科学与人类文明-材料性能基础,（1）热容,热容表征材料从周围环境吸收热量的能力，用1 mol物质温度升高1 K是所吸收的热量来表示，有定压热容和定容热容两种。单位：J/(molK),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,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,7,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。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，
4、同时降低热量损耗。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,8,材料科学与人类文明-材料性能基础,（2）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：W/(m K),定义：,q单位时间单位面积（垂直于热流方向）内流过的热量，单位：W/m2dT/dx温度梯度，单位：K/m,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,9,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（20-400 W/m-K），随温度的升高、缺陷的增多而下降
5、。 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2-50 W/m-K），随温度升高略微减小；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。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,10,材料科学与人类文明-材料性能基础,（3）热膨胀,热膨胀系数温度变化1 K时材料单位长度（线膨胀系数l）或单位体积（体积膨胀系数v ）变化量。对各向同性材料， v =3l,热膨胀系数主要取决于原子
6、（或分子、链段）之间结合力。结合力越大，热膨胀系数越低。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,11,材料科学与人类文明-材料性能基础,（4）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，TfT0， 0，为拉伸应力。,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”！,2
7、018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,12,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(Thermal Shock Resistance, TSR)材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力。提高材料TSR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：l=910-6 K-1耐热玻璃（石英玻璃，减少普通玻璃中的CaO、Na2O含量，添加一定量的B2O3，l=310-6 K-1,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,13,材料科学与人类文明-材料性能基础,电学性能,导电性能：
8、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,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,14,材料科学与人类文明-材料性能基础,（1）欧姆定理和电子导电,欧姆定理：,电导率：,电子在电场E作用下沿x方向作漂移运动（即电场作用下电子的运动），则动量px=mvx。m电子有效质量，vx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：eEx=mvx/为二次碰撞之间的时间，称为驰豫时间。因此，vx=eEx/m=Ex电子迁移率, =e/m，反应电子迁移的难易程度。设电子密度为n，则电流密度
9、Jx=nevx=neEx,=Jx/Ex=ne=ne2 /m,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,15,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,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,16,材料科学与人类文明-材料性能基础,材料的电导率,=Jx/Ex=ne=ne2 /m,材料的电导率和载流子密度n，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）,2018/9/26,材料科
10、学与人类文明-材料性能基础,17,材料科学与人类文明-材料性能基础,一些材料电导率,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,18,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；r室温电阻率晶格缺陷： ，x缺陷体积分数；b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化明显；形变强化、细晶强化对导电性影响很小。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,19,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
11、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99.9799.98%，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61%），但其重量轻，比重只有铜的1/3，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160KV以上的高压电线，往往用钢丝增强的铝电缆或铝合金线。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,20,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电载流子：离子离
12、子导电条件：1）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a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b非本征空位居主导，激活能小，只是离子克服势垒激活能。,2）附近有空位接纳离子。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,21,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105-106Sm-1）如PdO、RuO2、Bi2Ru2O7、Bi2Ir2O7，有低的正温度系数。一些陶瓷材料（如ZnO）的电阻随电压是变化的，在低电压时电阻大，当电
13、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。ZnO晶粒大小不均匀，可相差10倍。在低压下，晶界电阻高，相当于绝缘势垒，使整体显示高电阻，但当电压大于某个值后，晶界处有的离子被激活可以参与导电，因而电阻值下降。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,22,材料科学与人类文明-材料性能基础,能带理论,单原子电子占据不同的能级；由N个原子组成的固体材料中，各能级扩展成能带。碱金属最外层只有一个电子，ns能带半满。电场作用下，电子从价带跃迁到导带而使碱金属导电。,Na: 1s22s22p23s1,2018/9/26,材料科学与人类文明
14、-材料性能基础,23,材料科学与人类文明-材料性能基础,导体半导体绝缘体的能带结构,能带特征：导体由内部的满充带和外部的半填充带组成，价带和导带相连，无禁带绝缘体价带和导带之间有很宽的禁带半导体禁带宽度较小（本征半导体）或存在杂质能级（杂质半导体）,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,24,材料科学与人类文明-材料性能基础,不同金属的能带结构,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,25,材料科学与人类文明-材料性能基础,本征半导体,Si、Ge禁带宽度较小（约1ev），一些电子可能有足够的热能从价带跳跃到导带，从而在价带留下一个空穴，在导带产生一个电子。在外加电
15、压作用下，电子向正极，空穴向负极运动而导电。其电导率，,半导体电导率和温度之间的关系（与金属比较）,半导体电阻介于导体和绝缘体之间，升高温度或掺入杂质可改变电阻值,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,26,材料科学与人类文明-材料性能基础,掺杂半导体,n型半导体Si、Ge中掺入少量五价元素P、Sb、Bi、As等，多出一个价电子，在导带附近形成一杂质能级（与导带能级之间的禁带宽度很小），电子可容易地跃迁到导带而导电。,p型半导体Si、Ge中掺入少量低价元素Al等，在满带附近形成一杂质能级，电子从价带跃迁到杂质能级而在价带中留下空穴，靠空穴导电。,2018/9/26,材料科学与人
16、类文明-材料性能基础,27,材料科学与人类文明-材料性能基础,半导体化合物,化学计量比半导体化合物：通常为金属间化合物，晶体结构与能带结构与Si、Ge类似；非化学计量比半导体化合物：化合物中阳离子（n型）或阴离子（p型）过量。,表：一些半导体化合物的禁带宽度,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,28,材料科学与人类文明-材料性能基础,超导体的性能,1957年，美国物理学家巴丁-库柏-施里弗三人提出金属超导微观理论，即BCS理论，获得了1972年的诺贝尔物理奖BCS该理论认为，当材料处于超导态时(c)，金属中的电子不再是单个地运动，而是通过与晶体振动离子的作用，结成一对对地存在
17、(称为库柏对)。由于电子对结合紧密，运动过程不受晶格作用的阻碍，因而出现了超导态,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,29,材料科学与人类文明-材料性能基础,超导两个基本特征,超导的两个特征：,零电阻效应（完全导电性）,迈斯纳效应（完全抗磁性）,永磁环,超导体,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,30,材料科学与人类文明-材料性能基础,超导三个性能指标,临界超导温度Tc：低于此温度时，材料出现零电阻效应和迈斯纳效应临界磁场强度Hc：T Tc时破坏超导态的最小磁场强度临界电流密度Jc：保持超导态的最大输入电流密度T Tc时，输入电流产生的磁场和外加磁场之和超过
18、Hc时也破坏超导态。此时的临界输入电流即为Jc。三者关系1）Hc增大，Jc变小；2） T800 nm)、可见光(400-800 nm)、紫外线( Tc时，=C/（T-Tc）， Tc为居里温度。,磁化强度M:单位体积内的磁矩矢量和:单位体积的总磁矩 M（安米）.M是描述磁质被磁化后其磁性强弱的一个物理量。,称为磁化率或磁化系数,反映物质磁化的难易程度。（ 无量纲 ）,磁感应强度: B (特斯拉)磁场强度: H (安/米)磁化强度: M (安/米)物质磁化后的总磁场为B：B = 0 （1+ ）HB = H 磁导率： = B/H,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,43,抗磁性,定
19、义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反时，固体表现为抗磁性。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率 是甚小的负常数(M与H反向)，一般约为10-6 数量级。 抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果.任何金属都具有抗磁性.金属中有一半是抗磁金属。Cu, Ag, Au, Hg, Zn, Bi等。(因抗磁性大于电子的顺磁性),运动电子在外磁场作用下，受电磁感应而表现出的特性。所有物质都具有抗磁性，但只有满壳层电子的原子才能表现出抗磁性来。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,44,顺磁性,定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同时，固体表现为顺磁性。
20、顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-310-6 数量级。原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层)。如过渡元素、稀土元素：3d-金属Ti,V; 4d-金属铌Nb, 锆Zr, 钼Mo，钯Pd；5d-金属(Hf, Ta, W, 铂Pt）。自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如：碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层，但Li，Na, K，Mg， Al是顺磁性金属。顺磁性物质的磁化率与温度的关系服从居里-外斯定律：,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,45,铁磁性,有一类物质如Fe,Co,Ni，室温下磁化率可达10 10 6 数量级，这类物质的磁性称为铁磁性。铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性（有剩磁）。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,46,材料科学与人类文明-材料性能基础,磁性材料具有能量转换、存储等功能，被广泛应用于计算机、通讯自动化、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物以及医疗等技术领域，是重要的功能材料。,2018/9/26,材料科学与人类文明-材料性能基础,47,材料科学与人类文明-材料性能基础,Thanks for your attention!,
