材料性能基础 王秀丽 材料科学与工程学系 wangxl@zju.edu.cn 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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 化学键 性能 组织结构 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

材料的物理性能 Chap3-1 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

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 （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/(mol•K) 3R D T/K 材料定容热容和温度之间的关系 德拜温度 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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，同时降低热量损耗。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

（2）热传导 Q 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： T1 T2 Q T1-T2=1 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/m2 dT/dx——温度梯度，单位：K/m 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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。 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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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 =3l 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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，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”！ 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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=910-6 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=310-6 K-1 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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： - e- 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=neEx, =Jx/Ex=ne=ne2 /m - + e- 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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） 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

一些材料电导率 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

离子晶体导电 a b 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， ln 1/T a b 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 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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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（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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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； Na: 1s22s22p23s1 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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） 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

不同金属的能带结构 Na: 1s22s22p23s1 Mg: 1s22s22p63s2 Al: 1s22s22p63s23p1 Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2 Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

本征半导体 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 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， 半导体电导率和温度之间的关系（与金属比较） 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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 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 0.37 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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(Ｔ<Ｔc)，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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 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 表：一些材料的Tc值 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

磁悬浮列车 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

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。 极化率P=Zqd, Z—单位体积电荷数，q—电荷，d—偶极子间距 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

介电性能和电容器 U d 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 =8.8510-12 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。 d U 平板电容器 Q=CU，C=A/d 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

电容器：瞬时大电流放电 超级电容器结构 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

材料的发光 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。 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。 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。 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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

物质的磁学性能 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础

物质的磁性和磁学基本量 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。 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 ） 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 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

抗磁性 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。 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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础

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： 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础

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）。 2019/2/16 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。 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础

Thanks for your attention! 2019/2/16 材料科学与人类文明--材料性能基础 材料科学与人类文明--材料性能基础