材料物理性能(电学部分)

材料物理性能及测试

材料的物理性能是指材料在物理方面的性质和行为，包括材料的力学性能、热学性能、电学性能以及光学性能等。这些性能对于材料的使用和应用起着重要的作用。为了准确地评估和测试材料的物理性能，科学家和工程师使用了各种测试方法和仪器设备。

一、力学性能

力学性能是衡量材料在外力作用下的行为的一种性能。主要指材料的强度、韧性、硬度、延展性等。常用的测试方法包括拉伸测试、压缩测试、剪切测试和弯曲测试等。

1.拉伸测试

拉伸测试是一种常见的方法，用来评估材料的强度和延展性。在拉伸测试中，材料样品被施加拉伸力，通常通过测量载荷和伸长量来计算拉伸应力和应变。拉伸强度是指材料在拉伸过程中承受的最大应力，屈服强度是指材料开始产生可观察的塑性变形的应力。

2.压缩测试

压缩测试用于测量材料在受压力下的性能。将材料样品放入压力装置中，施加压力使其受到压缩，通过测量载荷和位移来计算压缩应力和应变。压缩强度是指材料在压缩过程中承受的最大应力。

3.剪切测试

剪切测试用于评估材料的抗剪切能力。将材料样品放入剪切装置中，施加剪切力使其发生剪切变形，通过测量载荷和位移来计算剪切应力和应变。剪切强度是指材料在剪切过程中承受的最大应力。 4.弯曲测试

弯曲测试用于评估材料在弯曲载荷下的行为。将材料样品放入弯曲装置中，施加弯曲力使其发生弯曲变形，通过测量载荷和位移来计算弯曲应力和应变。弯曲强度是指材料在弯曲过程中承受的最大应力。

二、热学性能

热学性能是指材料在温度变化下的行为。主要包括热膨胀性、热导率、比热容等性能。常用的测试方法包括热膨胀测试、热导率测试和比热容测试等。

1.热膨胀测试

热膨胀测试用于测量材料随温度变化而发生的膨胀或收缩。在热膨胀测试中，材料样品被加热或冷却，通过测量长度变化来计算热膨胀系数。

2.热导率测试

热导率测试用于测量材料传导热的能力。在热导率测试中，材料样品的一侧被加热，另一侧被保持在恒定温度，测量两侧温度差来计算热导率。

材料物理性能

材料的物理性能是指材料在受力、受热、受光、受电、受磁等外界作用下所表现出的性质和特点。它是材料的内在本质，直接影响着材料的使用性能和应用范围。材料的物理性能包括了热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能等多个方面。

首先，热学性能是材料的一个重要物理性能指标。热学性能包括导热性、热膨胀性和热稳定性等。导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。热膨胀性是指材料在温度变化下的体积变化情况，通常用线膨胀系数来表示。热稳定性是指材料在高温环境下的性能表现，包括了热变形温度、热老化等指标。这些性能对于材料在高温环境下的应用具有重要意义。

其次，光学性能是材料的另一个重要物理性能。光学性能包括透光性、反射率、折射率等指标。透光性是指材料对光的透过程度，通常用透光率来表示。反射率是指材料对光的反射程度，通常用反射率来表示。折射率是指材料对光的折射程度，通常用折射率来表示。这些性能对于材料在光学器件、光学仪器等领域的应用具有重要意义。

此外，电学性能是材料的另一个重要物理性能。电学性能包括导电性、介电常数、电阻率等指标。导电性是指材料导电的能力，通常用电导率来表示。介电常数是指材料在电场中的极化能力，通常用介电常数来表示。电阻率是指材料对电流的阻碍程度，通常用电阻率来表示。这些性能对于材料在电子器件、电气设备等领域的应用具有重要意义。

最后，磁学性能是材料的另一个重要物理性能。磁学性能包括磁导率、磁饱和磁化强度、矫顽力等指标。磁导率是指材料对磁场的导磁能力，通常用磁导率来表示。磁饱和磁化强度是指材料在外磁场作用下的最大磁化强度，通常用磁饱和磁化强度来表示。矫顽力是指材料在外磁场作用下的抗磁化能力，通常用矫顽力来表示。这些性能对于材料在磁性材料、电机、传感器等领域的应用具有重要意义。 综上所述，材料的物理性能是材料的重要特性，直接影响着材料的使用性能和应用范围。不同类型的材料具有不同的物理性能，因此在材料选择和应用过程中，需要充分考虑材料的物理性能指标，以确保材料能够满足特定的使用要求。

常用材料的力学及其它物理性能

一、 玻璃的强度设计值 fg(MPa)

JGJ102-2003表5.2.1

种类 厚度(mm) 大面 侧面

普通玻璃 5 28.0 19.5

浮法玻璃 5~12 28.0 19.5

15~19 24.0 17.0

≥20 20.0 14.0

钢化玻璃 5~12 84.0 58.8

15~19 72.0 50.4

≥20 59.0 41.3

二、 长期荷载作用下玻璃的强度设计值 fg(MPa)

JGJ113-2009表4.1.9

三、 铝合金型材的强度设计值 (MPa )

GB50429-2007表4.3.4

铝合金牌号 状态 厚度 强度设计值

(mm) 抗拉、抗压 抗剪

6061 T4 不区分 90 55

T6 不区分 200 115

6063 T5 不区分 90

55

T6 不区分 150 85

6063A T5 ≤10 135 75

T6 ≤10 160

90

四、 钢材的强度设计值(1-热轧钢材) fs(MPa)

JGJ102-2003表5.2.3

钢材牌号 厚度或直径d(mm) 抗拉、抗压、抗弯 抗剪 端面承压

Q235 d≤16 215 125 325

Q345 d≤16 310 180 400

五、 钢材的强度设计值(2-冷弯薄壁型钢) fs(MPa)

GB50018-2002表4.2.1

钢材牌号 抗拉、抗压、抗弯 抗剪 端面承压

Q235 205 120 310 Q345 300 175 400

六、 材料的弹性模量E(MPa)

JGJ102-2003表5.2.8、JGJ133-2001表5.3.9

材料 E 材料 E

玻璃 0.72×105 不锈钢绞线 1.2×105~1.5×105

铝合金、单层铝板 0.70×105 高强钢绞线 1.95×105

钢、不锈钢 2.06×105 钢丝绳 0.8×105~1.0×105

1-1一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。

解：

由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。

1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。

解：令E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。则有

当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa和293.1 GPa。

1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t =  和t = 时的纵坐标表达式。

解：Maxwell模型可以较好地模拟应力松弛过程：

)(2.36505.08495.03802211GPaVEVEEH上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPaEVEVEL下限弹性模量./)0()(;0)();0()0((0)e(t)-t/e则有：：其应力松弛曲线方程为0816.04.25.2lnlnln22001AAllT真应变)(91710909.4450060MPaAF名义应力0851.0100AAll名义应变)(99510524.445006MPaAFT真应力 Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程：

以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。