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材料物理讲义性能2

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材料物理与性能学介绍课件

材料物理与性能学介绍课件

储能材料：开发新 型储能材料，提高
3 储能密度和循环寿 命，满足可再生能 源的需求。
节能材料：研究材 料物理与性能学，
4 提高材料的热导率、 电导率等性能，降 低能源消耗。
生物医学领域
生物医学材料：如生物降解材料、生 物活性材料等，用于生物医学工程、 生物医学成像等领域。
生物医学传感器：如生物传感器、生 物芯片等，用于生物医学检测、生物 医学信号处理等领域。
有重要的现实意义。
2
材料的结构与性能
材料的结构：包括 1 晶体结构、非晶体 结构、多晶结构等
材料的性能：包括 2 力学性能、热学性 能、电学性能、光 学性能等
材料的制备：包括 3 熔炼、铸造、粉末 冶金、热处理等
材料的测试：包括 4 拉伸试验、压缩试 验、弯曲试验、冲 击试验等
材料的应用：包括 5 航空航天、汽车制 造、电子电器、生 物医学等
03
研究材料的制备、加工、测试和性能 优化方法。
04
涉及材料科学、物理学、化学、工程 学等多个学科领域。
材料物理与性能学的研究对象
01
材料的物理性质： 如密度、硬度、
导电性等
02
材料的化学性质： 如耐腐蚀性、抗
氧化性等
03
材料的力学性质： 如强度、弹性、
韧性等
04
材料的热学性质： 如热导率、热膨
胀系数等
生物医学成像：如X射线成像、磁共 振成像等，用于生物医学诊断、生物 医学研究等领域。
生物医学治疗：如生物医学工程、生 物医学治疗等，用于生物医学治疗、 生物医学工程等领域。
4
新材料的发现与开发
纳米材料：具有特 殊性能和用途的新
型材料 1
绿色材料：环保、可

材料物理性能(课件)

材料物理性能(课件)
· 热重法(Thermogravimetry)： 测量质量与温度的关系 。 · 用途： 测量有机物分解温度 ， 研究高聚物的热稳定性
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18

材料物理性能讲义

材料物理性能讲义

Ω Ω* = (2π)3
Rl • Kn = 2π(n1l1 + n2l2 + n3l3) = 2πm, m 为整数。
(2.5)
图 2.3 二维六角点阵的魏格纳-赛茨元胞(Wigner-Seitz 原胞)。
4
由于元胞是组成点阵的最小重复单元，根据点阵中每个格点附近环境的自相 似性即平移对称性我们可以推断， 只要在一个元胞内研究材料的物理特性就代表 研究了整个点阵结构的物理特性，为此我们定义一特殊的高对称元胞，它包含了 晶 格 点阵 点群 的 全部对 称 性。 这一 特 殊的高 对 称性 元胞 称 为魏格 纳 - 赛 茨
2π ( a 2 × a3 ) Ω 2π b2 = (a3 × a1 ) Ω 2π b3 = (a1 × a2 ) Ω b1 =
(2.3)
其中Ω = a1 • (a2 × a3)是正点阵元胞的体积。 在倒点阵中任一格点的位置矢可表示 为： Kn = n1b1 + n2b2 + n3b3
(2.4)
其中 n1, n2, n3 是整数，倒点阵元胞的体积为Ω* = b1 • (b2 × b3)，且存在以下关系
图 2.4 从分立的原子轨道到固体能带结构的转变。
要理解固体的能带结构首先要从原子的电子轨道讲起，因为固体的能带归根 结底起源于原子的轨道能级。 根据量子力学，原子中带负电的电子绕带正电的原 子核运动，其轨道能量是不连续、分立的，如图 2.4 所示。在一定条件下如原子 间存在相互影响，同一原子中几个能量相近的不同类型的电子轨道(即波函数)， 可以进行线性组合， 重新分配能量和确定空间方向， 组成数目相等的新电子轨道，
《材料物理化学性能》 物理性能部分
邓振炎 上海大学物理系 (电话：66134334，邮箱：zydeng@)

第一课无机材料物理性能第 2 讲

第一课无机材料物理性能第 2 讲
起因：材料长期暴露在腐蚀性环境介 质中，断裂强度降低。
应力腐蚀理论 裂纹亚临界生长机制
K值随亚临界裂纹增长的变化
裂纹亚临界生长机制
应力腐蚀理论
动力<阻力
动力>阻力
动力<阻力
裂纹 尖端
腐蚀介质
吸附介质表 裂纹生长 新裂纹
面能下降
尖端
裂
纹
快
速
裂纹停止生长
生 长
断裂
应力腐蚀理论裂纹亚临界生长机制
开裂阻力：Gc=dWs/dc=2 开裂动力：G =πσ2c/E
氏 硬
硬度值, 符号后面的数字按顺序分
度 压
别表示球体直径、载荷及载荷保 痕
持时间。如 120HBS10/1000/30 表
示 直 径 为 10mm 的 钢 球 在 1000kgf （ 9.807kN ） 载 荷
无机材料中裂纹的亚临界生长
在临界应力之下，裂纹随时间的推移而发
生的缓慢扩展的现象称为亚临界生长，或 称为静态疲劳 。
材料在循环应力或渐增应力作用下的延时
破坏叫做动态疲劳。
裂纹亚临界生长机制
1.应力腐蚀理论 要点：在一定的坏境条件和应力场强 度因子作用下，材料中关键裂纹尖端 处，裂纹扩展的动力与裂纹阻力的相 对大小，构成裂纹生长或不生长的必 要充分条件。
dW 2dC
dW 2 dC
(扩展)
(为表面能)
Griffith断裂理论
断裂理论
弹性力学方法可求得裂纹扩展时的弹性能改变量：
U c22
dU c2
2E
dC E
由临界条件得： c2 2
E
平面应力状态下裂
平面应变状态下裂
纹扩展时的临界裂

6-材料物理性能讲义(电导2)

6-材料物理性能讲义(电导2)
Ti
2 2
4
2 3
5
5 y
3 y
4 1 2 y
)]O yTi
O
2 3
4
1 Nb2O5 2 Nb 2e'4O O2 ( g ) 2
形成 nx ' 3 Li2O (1 x) NiO O2 ( Lix Ni122 x Nix )O 2 4 1 ' Li2O O2 ( g ) 2 LiNi 2h 2OO 2
电子的平均速度
v 1 a t 2 eE 1 1 t（令＝ t） 2 m 2 eE m

τ －松弛时间，即电子每两次碰撞之间的平 均时间t的二分之一。（t=2τ )
v

E
e
m
实际晶体中的电子质量一般不同于自由电子质量
根据量子力学理论。电子有效质量m*
1 m ( 2)
1 La2O3 2TiO2 2 La 2e'2Ti 6O O2 ( g ) 2
BaTiO3 Ba Ti O
1 La2O3 2 La 2e'2O O2 ( g ) 2
Ba O
形成 n 型半导体
添加微量Nb5+的BaTiO3在空气中烧成
Ba Ti O yNb Ba [ Nb (Ti Ti
' [VM ] [OO ] [h ]2 Kp 1/ 2 PO2
从而得到
[h ] 2[V ] P
" M

1/ 6 O2
∴ 温度一定时，空穴浓度与氧分压的1/6次方成正比， 若迁移率不随氧分压变化，则电导率与氧分压的1/6 次方成正比。
' VM VM

材料物理性能第二章 材料的热学性能

材料物理性能第二章 材料的热学性能

原因：忽略振子之间的频率差别 忽略振子之间的相互作用 忽略低频的作用
2．德拜比热模型
德拜考虑了晶体中原子的相互作用，把晶体中原 子振动看成各向同性连续介质的弹性波，振动能量 量子化并假定原子振动频率不同，在0~ωD之间连续 分布。 式中，
＝德拜特征温度
＝德拜比热函数，
其中,
由上式可以得到如下的结论： • （1）当温度较高时，即， 即杜隆—珀替定律。 • （2）当温度很低时，即
度θD时，
低于θD时，CV~T3成正比，不同材
料θD也不同。例如，石墨θD=1973K，BeO 的θD =1173K，
Al2O3的θD=923K。
不同温度下某些陶瓷材料的热容
上图是几种材料的热容-温度曲线。这些材料的θD 约为熔点（热力学温度）的0.2-0.5倍。对于绝大多数 氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值 增加到1273K左右的近似于25J/K·mol的数值。温度进 一步增加，热容基本上没有什么变化。图中几条曲线 不仅形状相似，而且数值也很接近。
， ，计算得
这表明当T→0时，CV与T3成正
比并趋于0，这就是德拜T3定律，
它与实验结果十分吻合，温度越低，近似越好。说明低温时固体温度升高 吸收能量主要用于原子振动加剧。但T趋于ok时，热容和实验不符。原因： 忽略晶体的各向异性，忽略高频对热容的贡献。
四、材料的热容
1、无机材料的热容：根据德拜热容理论，在高于德拜温
P
－T

S T
V
V
＝T

S V
T

V T
P
＝T

P T
V

V T
P＝－T

《材料物理性能》PPT课件


●化学性能
材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。如耐腐蚀性
能、抗氧化性能等。
★工艺性能
材料在不同制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力，是物理、
化学性能的综合。如铸造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工
性能等。直接影响材料使用的方式完、整版成课本件p、pt生产效率等。
3
2.为什么要学习和研究材料的性能
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
完整版课件ppt
4
3.本课程的学习目的、内容
工程材料按照其用途可分为：结构材料和功能材料
●在以机械工业为主导的时代：主要使用结构材料，主要追求材料高强 度、高韧性、耐高温等，即材料力学性能。
●当今人类进入了信息时代：功能材料越来越重要，发展迅速。如信 息技术、电子计算机、机器人领域，太空、海洋等领域要求材料具有很 高的功能性。材料物理性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁 学性能有关、超导材料与材料的电性能相关、隔热材料与材料的热学性 能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。
子结构、电子层、晶格运动等内部因素认识材料物理性能的本质和机理。
●影响因素、与化学成分及组织结构之间的关系：
如为什么合金热导率较纯金属低？为什么陶瓷材料较金属材料热膨胀系
数小？石墨与金刚石哪个热膨胀系数大？为什么？等等。
●物理性能指标的工程意义：
物理性能指标在实际工程上有何应用。
●了解物理性能指标的测试方法和原理，相关仪器，试样准备。
材料物理性能
机械工业出版社，陈騑騢
TB303/C417
金属材料物理性能
冶金工业出版社 王润
75.211 W35

2 材料性能 第二章课件要点

材料科学概论第二章材料性能Performance of Materials主讲人：张林p.2教学安排教材：徐晓虹主编，由高等教育出版社出版的《材料概论》•第一章绪论•第二章材料性能•第三章金属材料•第四章无机非金属材料•第五章高分子材料•第六章复合材料•第七章纳米材料科学与技术成绩评定：100分计算平时成绩+课堂作业+考试成绩部分参考p.3化学性能 力学性能 热学性能 电性能 光学性能 磁性第二讲材料性能p.42.1 材料的性能材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为，它是材料微观结构特征的宏观反映。

化学性能 力学性能 热学性能 电性能 光学性能 磁性∵组成和制备工艺的差异→各类材料的性能存在很大差异。

p.5各类材料性能的特点三大材料的特点p.6离子键、共价键、分子键和金属键的特点:离子键、共价键、分子键和金属键都是指固体中原子(离子或分子)间结合方式或作用力。

离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能大的非金属原于相互作用时，产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。

共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。

p.7分子键是由分子(或原子)中电荷的极化现象所产生的弱引力结合的结合方式。

分子间作用力，又称范德华力,分子的永久偶极和瞬间偶极引起的弱静电相互作用p.8当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属键。

p.9金属材料的特性：熔点高，常温一般为固体（除汞、镓锢锡合金液） 密度较大（Mg 、Al 较轻3g/cm 3以下） 金属光泽 延展性较大导热和导电性好(自由电子是能量的载流子)p.10无机非金属材料的特性：自由电子数目少，导电性和导热性均小共价键键合力强，质坚硬、抗压强度高、抗拉强度小，脆性熔点高、耐热性好、化学稳定性强。

p.11高分子材料的特性：随聚合度增大，熔融状态时黏度增大，固态时的强度增大分为热塑性树脂(加热时软化，温度降低时凝固)和热固性树脂(加热时发生反应固化，且不熔不溶) 具有较高的比强度(强度除以材料密度的比值) 一般耐水性和耐化学试剂侵蚀性较优良； 耐热性、耐老化性较差易燃烧，有时产生有害气体p.12•化学稳定性2.1.1 化学性能材料在使用过程中或多或少同周围的环境发生一定程度上的反应，表面逐渐被侵蚀。

材料物理性能-力热性能@课程2-力学性能资料


介电性能(Dielectric properties)
磁性能（Magnetic properties) —后四部分由赵 雷讲授
无机材料物理性能
邓承继博士
3
课程的讲授方法
本科生学习：一方面是知识学习，另外一方 面是方法的学习
教师通过知识的讲授，完成这二方面的教学 目的；学生这种学习有时比专业知识学习更 重要
力学性能：（1）强度 耐压 抗折 （2）韧性 （3）刚性
无机材料物理性能
邓承继博士
13
化学性能：（1）抗氧化性能 （2）耐腐蚀性 能 （3）抗渣、抗碱性能
复杂性能（1）复合性能：高温抗折强度、 高温蠕变强度等 （2）工艺性能：可塑性、 流动性等 （3）使用性能：耐磨性等
无机材料物理性能
邓承继博士
邓承继博士
16
参考书
除了使用的教材外，在力学和热学部分还有如下参考 书：
张清纯，陶瓷材料的力学性能，科学出版社
上硅所译,陶瓷的力学性质,上海科学技术文献出版社
Michel Barsoum, Fundamentals of ceramics, McGrawHill companies, Inc.
无机材料物理性能
邓承继博士
19
应力
应力：单位面积上所受内力，单位是Pa：
F
A
由于材料的面积在外力作用下，可能有变 化，A就有变化，有名义应力和实际（真实） 应力
由于无机材料的形变小，上面二者差别小
无机材料物理性能
邓承继博士
20
力的分解，见教材第5页的图1.2 注意：力的方向、力的平衡
力的作用：法向应力导致材料的伸长或 者缩短，剪切力引起材料的剪切崎变
14
意义

材料物理性能课件-第2章3节


主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
3 .4 快离子导体
2、立方稳定的氧化锆(CSZ)（自学）
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
作业
习题一(A) (P25)： 一、填空题: 1，2，3 二、选择题: 1，2
加上电场后, 沿电场方向, 位垒降低而反电场方向将提高 向右的势能将降低½zeEb=½Fb，向右边运动的几率
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
1、离子电导理论
电场方向上存在一平均漂移速度 v
电场强度足够低: V
足够强大电场存在: V 当电场强度为10 V/ cm 以上时, bF 才可与kT 相比较 由于电流密度j = nzeV,
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
3 .4 快离子导体
有些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级, 故 通常称它们为快离子导体( FIC) 、最佳离子导体( optimized ionic conductor )或超离子导体( superionic conductor)
令
主讲:袁朝圣
则
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
1、离子电导理论
电阻率
多种载流子总电导率
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
3.2 离子电导与扩散
离子导电是离子在电场作用下的扩散现象。其扩散路径畅通, 离子扩 散系数就高, 因此导电率也就高。
能斯特-爱因斯坦( Nernst-Einstein)方程
材料物理性能-电学性能
讲授者 袁朝圣
QQ: 38987726 E_mail: zzyuancs@
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