材料性能基础王秀丽材料科学与工程学系 wangxl@zju

23/4/20 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[email protected]


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


三大材料一般性能特点

材料价键一般性能特点

金属金属键强度硬度较高；塑性韧性好；导电导热性好

无机非金属离子键、共价键

强度硬度高；塑性韧性差；一般不导电；耐热；耐腐蚀

高分子共价键、分子键

强度硬度低；韧性中等；绝缘；不导热；耐热性差、易燃；轻；软；易加工


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


（ 1 ）热容

00, vvvppp dT

dQC

dT

dQC

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/(mol•K)

0

3ATCv

RCv 3

vC

0

3R

D T/K

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


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，同时降低热量损耗。


（ 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。

T1

T2

Q

T1-T2=1 K

热传导表征——热导率，单位： W/(m •

K)

dx

dTq 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/m2

dT/dx—— 温度梯度，单位： K/m


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。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。


（ 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

pvpl dT

dV

VdT

dl

l)(

1,)(

1

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。

材料金属陶瓷高分子l/ 10-6 K-1 5-25 0.5-15 50-300


（ 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， Tf>T0 ， <0 ，为压缩应力；冷却时， Tf < T0 ， > 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”！

TETTE lfl )( 0


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

l

f

ETSR


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


（ 1 ）欧姆定理和电子导电

欧姆定理：S

l

s

lR

电导率： /1IRU

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 Jx=nevx=neEx,

=Jx/Ex=ne=ne2 /m

----

++++

x

x

vx

e-


电子迁移率和载流子密度


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）


一些材料电导率


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。

)1( Tr

xxbd )1(


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 99.97~99.98% ，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。


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，

)/exp( TkQ B

)/exp( TkQ B

)1

)((lnlnTk

Q

B

ln

1/T

a

b

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。

空位本征空位：离子晶体热激发引起的空位，随温度升高而增多

非本征空位：离子晶体中杂质引起的空位，数量由杂质多少决定


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（ σ在 105-106S·m-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。


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


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）

绝缘体半导体导体

价带

导带

禁带


不同金属的能带结构

Na: 1s22s22p23s1 Mg: 1s22s22p63s2 Al: 1s22s22p63s23p1

Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2 Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1


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。在外加电压作用下，电子向正极，空穴向负极运动而导电。其电导率， )( he

he

hhee

nq

nn

qnqn

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


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。


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。

化合物 ZnS ZnTe CdTe GaP GaAs GaSb InSb InAs ZnO CdS TiO2 PbS

禁带宽 /ev 3.54 2.26 1.44 2.24 1.35 0.67 0.165 0.36 3.2 2.42 3.2 0.37

表：一些半导体化合物的禁带宽度


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 (Ｔ <Ｔ 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 (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


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


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 ） T< Tc 时， Hc 随温度升高而下降。一些金属 Hc和 T 的关系

])(1)[0( 2

ccc T

THH

Metal W Ti Al Sn Hg Pb Nb La3Se4 SnTa3 Nb3Sn GaV3 AlNb3

TC /K 0.015 0.39 1.18 3.72 4.15 7.23 9.25 8.6 8.35 18.05 16.8 18.0

表：一些材料的 Tc 值


磁悬浮列车


介电性能

介电材料的价带和导带之间存在大的能隙，具有高电阻率。应用于绝缘材料和电容器。

极化介电性能和电容器介电性能影响因素介电性能和绝缘体


极化——产生介电作用的原因

材料极化机制

极化率 P=Zqd, Z— 单位体积电荷数， q— 电荷， d—偶极子间距

电子极化置于电场下的原子中，电子向接近正极的位置偏移产生极化。

离子极化置于电场下的由离子键组成的材料中，在电场方向阳离子和阴离子相互靠近或分开产生极化。可引起材料形状变化。

分子极化置于电场下的极性分子重新排列产生极化。电场去除后可永久存在。

空间极化由于杂质等原因，材料相界面可能存在电荷，沿电场方向排列形成极化。不重要。


介电性能和电容器

dU

平板电容器

Q=CU， C=A/d

— 电容率，表征材料极化和储存电荷的能力= / 0 ，相对电容率，又称介电常数，单位：无。0—真空的电容率， 0 =8.8510-12 F/m

介电常数取决于材料、温度和电场频率，与极化率P 的关系为：P=( -1) 0E

E— 电场强度介电强度（电容器击穿电压）—极板之间可以维持的最大电场强度 E 。单位： V/m

介电损耗—材料在每次交变电场中损失的能量占的分数（以热能形式消耗）。单位：无介电损耗原因： 1 ）电流泄漏。电阻大时，这部分损耗很小； 2 ）偶极子重排时产生的内耗。偶极子移动较难，一定交变频率下内耗较大。

电容器对材料介电性能的要求：高介电常数高介电强度低介电损耗


电容器：瞬时大电流放电超级电容器结构


介电性能和绝缘体

绝缘体对介电性能的要求：高电阻率——防止电流泄漏；高介电强度——防止高电压下被击穿；低介电损耗——避免能量损失；低介电常数——避免电荷在绝缘体中积聚。


压电性能

一些材料受外界应力作用而变形时形成偶极矩 , 在相应的晶体表面产生与应力成比例的极化电荷；相反，将材料放在电场中，晶体产生与电场强度成比例的弹性变形。正压电效应：形变电压逆压电效应：电压形变材料压电性决定因素：晶体不对称，有极轴绝缘体

正压电效应

逆压电效应


光学性能光波 :红外线 (>800 nm) 、可见光 (400-800 nm) 、紫外线 (<400 nm)

不同材料对光的反射、吸收和透射金属材料陶瓷材料高分子材料

反射对微波、红外线、可见光有强反射

对可见光不反射反射率小

吸收对微波、红外线、可见光吸收

由于晶格振动 , 在红外波段吸收 ;

含过渡金属、稀土金属离子的物质对可见光吸收 .

在可见光波段产生吸收 ;

在红外波段产生吸收 .

透射对紫外线透过 ;

厚 10-50 nm 的薄膜透过可见光 .

近红外和可见光一般透过 ;

杂质、气孔和多晶使透过率下降 .

透光性高

材料对光波的作用与能带结构有关。


材料的发光

金属：价带与导带重叠，光吸收后发射的光子能量很小，对应的波长在可见光范围内，因此不发光。

荧光材料：价带受激发的电子跃迁到导带，但不稳定，很快返回价带，并同时释放出光子。发光时间短于 10-8 s 。

磷光材料：存在杂质，引入施主能级。价带受激发的电子跃迁到导带，先落入施主能级并停留一段时间以逃脱陷阱，而后返回价带，并同时释放出光子。发光时间长于 10-8 s 。应用：荧光灯、夜光表、彩色电视机、数字显示管等。

激发源：电子射线、紫外线、 X 射线、光波等。

23/4/20 材料科学与人类文明 --材料性能基础 41

物质的磁学性能


物质的磁性和磁学基本量

磁性的分类：抗磁性——约为 -10-5，如 Bi、 Cu、 Ag、Au；顺磁性—— =C/T， C 为常数，约为 10-5 ，如 Al、 Pt、稀土元素等；铁磁性——约为 103，有 Fe、 Co、 Ni三种， T> 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。

V

mM i

χ称为磁化率或磁化系数 , 反映物质磁化的难易程度。（ χ 无量纲）

HM

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 = μ0 （ 1+ χ ） H

B = μ H

磁导率： = B/H


抗磁性定义 : 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 χ 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。


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。顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为 10-3~10-6 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： T

C


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）。


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。

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