材料物理性能第一章：概论本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论材料及其性能研究：贯穿于整个人类的文明史。
人类使用的材料，决定了人类的文明程度。
实质上——主要取决于材料的性能如何。
材料的重要性Michael Faraday 电气时代:电磁材料超级计算机个人电脑材料是信息社会的基石！传感器件半导体芯片半导体技术液晶材料光学材料金属、高分子材料磁性材料移动通讯数码拍照拍照功能显示功能外壳信号接受对话功能电子线路照片存储介电材料移动网络语音、视频本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论◼材料(materials)的概念：➢材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。
➢材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质的统称。
材料是人类赖以生存和发展的物质基础,与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。
20世纪70年代，把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。
80年代，以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
◼材料的分类：➢按照人为加工程度区分：✓天然材料：自然界原来就有未经加工或基本不加工可直接使用•如棉花、沙子、石材、蚕丝、煤矿、石油、铁矿、羊毛✓合成材料：人为把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成•如塑料、合成纤维和合成橡胶天然材料材料合成材料◼材料的分类：➢按照物理化学属性区分：✓金属材料✓无机非金属材料✓有机高分子材料✓复合材料➢按照用途区分：✓建筑材料、电子材料✓航空航天材料、核材料✓生物材料、能源材料✓。
金条铜阀玻璃水泥高分子材料碳纤维复合材料◼材料的分类：➢按照结晶状态区分：✓晶体(单晶、多晶)：短程有序，长程有序✓非晶：短程有序，长程无序✓准晶：介于晶体和非晶之间，长程有序，但无平移对称性(如：5次旋转对称性)✓液晶：由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体非晶玻璃NaCl 晶体2011诺贝尔化学奖“发现准晶体”[铝锰合金]达尼埃尔·谢赫特曼◼材料的分类：➢按照使用性能区分：◼复杂性能◼化学性能◼物理性能◼力学性能③使用性能②工艺性能①复合性能③抗渗入性②耐腐蚀性①抗氧化性④刚性③延性②韧性①强度⑥辐照性能⑤声学性能④光学性能③磁学性能②电学性能①热学性能结构材料功能材料新材料？知识体系◼材料科学与工程：是关于材料的➢组成与结构（composition and structure ）➢合成与加工（synthesis and processing ）➢基本性质（proporties ）➢与服役性能（performance ）这四个要素➢以及它们两两之间的互相联系的学科。
1-3型压电复合材料的制备与物性的研究压电复合材料是指由压电陶瓷材料和有机聚合物材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料。
由于压电复合材料同时具备聚合物相和压电相的优点而被广泛的研究,其在医学超声探头和水声换能器中都有着重要的应用。
1-3型压电复合材料的连通方式为一维连通的压电陶瓷平行的镶嵌在三维连通的聚合物基体中,其声阻抗远小于压电陶瓷材料。
因而,用复合材料制作的换能器更容易与水和人体组织匹配。
制备1-3型压电复合材料的方法有切割-填充法、脱模法等,其中切割-填充法操作简单、成本低,并且可以根据需要控制复合材料中陶瓷柱的宽度与间隔,因此被广泛的用于复合材料的制备。
本论文利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比不同的1-3型PZT-Epoxy压电复合材料和陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,并对其超声物性展开了研究。
主要结果如下:(1)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料的压电常数、声阻抗等物性的影响,并探讨了材料的纵横比对复合材料的厚度机电耦合系数kt的影响。
实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料。
研究发现复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为10.2Mrayl、317pC/N。
与PZT43陶瓷材料相比,复合材料的厚度机电耦合系数kt 提高、介电常数εr降低,但是介电损耗tanδ增加、机械品质因子Qm比PZT43陶瓷降低了 2个数量级。
在-50℃-150℃的测试区间内,实验制备的压电复合材料的厚度机电耦合系数kt都具有较好的温度稳定性,并且kt随着复合材料样品的厚度的增加呈现先增加后减少的趋势,在纵横比约为3时kt取得最大值。
陶瓷相的体积比为31%的1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料在厚度为1.4mm时的物性分别为:d3= 273pC/N,Z=11 Mrayl,kt=0.66,Q =4.1 εr= 410,ta =0.03。
万方数据１９４无机材料学报Ｋｏｈｎ理论：ａ．不考虑自旋的费米子系统其基态能量是粒子数密度函数的唯一泛函ＥＮ．ｂ．体系的基态本征能量等于Ｅ［ｎ１在粒子数不变的情况下对ｎ所取的极小值．Ｈｏｈｅｎｂｅｒｇ和Ｋｏｈｎ还证明了体系能量Ｅ［ｎ］对于粒子密度函数的形式为：Ｅ［ｎ］＝Ｆｈ］＋ｌｒｎ（ｒ）Ｖ（ｒ）ｄｒ其中Ｆｉｎ］与外势场无关．密度泛函理论大大简化了通过量子力学解决多粒子体系的物质基态问题．因为它用只需３个变量描述的电荷密度代替了原本需要用３Ｎ个变量描述的波函数，从而使求解问题大大简化．２．１．２Ｋｏｈｎ．Ｓｈａｍ方程【３］Ｅ［ｎ］＝Ｆ［佗］＋ｆｎ（ｒ）Ｖ（ｒ）ｄｒ（１）显然，确定ＦＩｎｌ的具体形式是密度泛函理论中最为重要的部分．Ｈｏｈｅｎｂｅｒｇ和Ｋｏｈｎ虽然证明了能量Ｓｉｎｌ可以表示为粒子密度函数的泛函，但是并未给出ＦＩｎ］的具体形式．直到１９６５年，Ｋｏｈｎ和Ｓｈａｍ才解决了这一问题［３］．Ｋｏｈｎ和Ｓｈａｍ首先假设ＦＭ可以写成呲跏］＝Ｔｏ［卅ｉｅ２／警等ｄｒｄｒｐ＋剐佗）（２）其中Ｔ０［ｎ］表示不考虑相互作用时体系的动能，最。
（佗）称为“交换关联能”，它也是电子密度分布的泛函．引入一组电子波函数Ⅲ（ｒ），则ｎ（ｒ）和Ｔｏ［ｎ】可以分别表示为［３］：譬凡（ｒ）＝２∑ＩⅢ。
（ｒ）１２（３。
）ｎ＝１孙】＿－２毫喜／州Ｖ２州ｒ（３６）若将式（３）代入式（１）则得：跏］－－２去喜／州Ｖ州ｒ＋譬／鬻洲“／嘶）附）ｄｒ＋Ｂ。
（礼）（４）要使Ｓｉｎ】取极小值需求解以下Ｋｏｈｎ—Ｓｈａｍ方程：（一孚饥㈤）吲扣玩吲ｒ）（５）其中嘣扣小）＋ｅ２／篙∥＋丽５Ｅｘｃ（６）显而易见，式（５）具有非线性ＳｃｈｒＳｄｉｎｇｅｒ方程的形式，其势能通过电子电荷密度分布与其本征函数相联系．也就是说，一旦交换关联能最。
（ｎ）被确定，方程就可以通过一系列的自洽方法得到求解．２．２交换关联能的确定一局域密度近似（ＬＤＡ）和广义梯度近似（ＧＧＡ）在密度泛函理论计算中，唯一不确定的因素就是交换关联能Ｅｘ。
压电材料的主要性能参数（1） 介电常数ε介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。
不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。
例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。
介电常数ε与元件的电容C ，电极面积A 和电极间距离t 之间的关系为ε=C ·t/A式中C ——电容器电容；A ——电容器极板面积；t ——电容器电极间距当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C 也就越大，即电容器所存储电量就越多。
由于所需的检测频率较低，所以ε应大一些。
因为ε大，C 就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。
(2)压电应变常数压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小： 31(/)t d m V U= 式中 U ——施加在压电晶片两面的压电；△t ——晶片在厚度方向的变形。
压电应变常数33d 是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。
其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。
（3）压电电压常数33g压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小：31(m/N)P U g V P=∙ 式中 P ——施加在压电晶片两面的应力；P U —— 晶片表面产生的电压梯度，即电压U 与晶片厚度t 之比，P U =U/t 。
压电电压常数33g 是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。
其值大，接收性能好，接收灵敏度高。
（4）机械品质因数机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。
它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。
产生损耗的原因在于内摩擦。
m E E θ=储损m θ值对分辨力有较大的影响。
机械品质因数越大，能量的损耗越小，晶片持续振动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。
（5）频率常数 由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 022LL C t f λ== 式中 t ——晶片厚度；L λ——晶片中纵波波长；L C ——晶片中纵波的波速；0f ——晶片固有频率。
