《无机材料物理性能》1 PPT课件

学习内容
1. 力学性能：受力形变与脆性断裂理论。 2. 热学性能：热容、热膨胀、热传导、热稳
定性等。 3. 光学性能：透光性、反射性、颜色等。 4. 电学性能：导电性和介电性。 5. 磁学性能：磁性理论和铁氧体的磁性与结构。
课程安排
该课共50个学时 上课22次课 习题2次课 复习1次课
我的希望
无机非金属材料在工程应用中应注意的问题： 脆性大、塑韧性低：要注意低应力下的失效，
注意安全性与可靠性。 成本与应用：仅数千元的铁质柴油机，若用
全陶瓷，其价格要提高2～3个数量级。 强度设计与材料的合理使用：抗拉强度差，
但抗压强度却很高。要尽可能地用其长处。
我国陶瓷发展简史－－陶器
瓷器
学习研究方法
Hale Waihona Puke 材料性能研究注意问题 研究材料性能，要注意性能的复合与转换。
材料性能研究注意问题
研究材料性能，要注意性能的发展与改造 。
材料科学与工 程是研究无机非金 属材料合成与制备 、组成与结构、性 能与使用效果四者 关系的科学。
使用效能
组成与结构
性能
合成与制备工艺
材料科学与工程研究对象间的关系
材料科学偏重于研究材料的合成与制 备、组成与结构、性能及使用效能各组元 本身及其相互关系，
材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构 对材料性能的要求，决定了材料生产工艺
材料性能研究注意问题
现象与本质 同一材料不同性能，只是相同 的内部结构在不同的外界条件下所表现出 的不同行为。 这也说明，不同的外界条件下，材料 的性能是不同的，即一种材料有多种性能。
材料性能研究注意问题
材料性能的划分只是为了学习和研究的 方便。 要注意材料间的各种性能既有区别， 又有联系。

电子位移极化
弹性模型 +e
-e
建立牛顿方程： ma= -kx - eEoe it 电偶极矩： = -ex= Eoe it{1/[(k/m)o2－ 2]}e2/m 弹性振子的固有频率 ： o=(k/m)1/2 有： = e Eloc 得：
动态
e
e2 m
2 0
1
2
静态
e2 e2
e
m2 0
k
电子位移极化
+ 空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF：
dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos
由 qE=F
1×E=F E=F
有立方对称的参考点位置，如果所有原
子都可以用平行的点型偶极子来代替，
则E3 =0。
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
克劳修斯一莫索蒂方程
根据
D= o E+P
得
P =D－ o E=（ 1－ o ） E
= o （ r－ 1） E
由
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
=E+ o （ r－ 1） /3o
对具有两 种以上极化质点的介质，上式变为：
r r
1 2
1
3 0
nkk
k
三、介质的总极化
第一种，位移极化： 位移式极化------弹 性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。
第二种，松弛极化：该极化与热运动有 关，其完成需要一定的时间，且是非弹 性的，需要消耗一定的能量。

· 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

无机材料物理性能无机材料是指不含有碳元素的材料，包括金属、陶瓷、玻璃等。

这些材料在工程和科学领域中具有广泛的应用，其物理性能对于材料的选择和设计具有重要意义。

本文将就无机材料的物理性能进行探讨。

首先，无机材料的物理性能包括密度、硬度、熔点、导热性、电性能等多个方面。

其中密度是指单位体积内的质量，硬度是材料抵抗外力的能力，熔点是材料从固态到液态的转变温度，导热性是材料传导热量的能力，电性能是材料导电、绝缘的特性。

这些性能直接影响着材料的使用性能和加工工艺。

其次，金属材料通常具有较高的密度和硬度，良好的导热性和电性能。

这使得金属材料在结构件、导电元件等方面有着广泛的应用。

而陶瓷材料则具有较高的硬度和熔点，优异的绝缘性能，因此在耐磨、绝缘等方面有着重要的作用。

玻璃材料则具有较低的密度和熔点，优良的透光性和化学稳定性，被广泛应用于光学器件和化学容器等领域。

再次，无机材料的物理性能受其晶体结构、化学成分等因素的影响。

例如，金属材料的晶体结构多为紧密排列的金属原子，因此具有良好的导热性和电性能；陶瓷材料的晶体结构多为离子键或共价键，因此具有较高的硬度和熔点；玻璃材料则是非晶态结构，因此具有较好的透光性和化学稳定性。

最后，随着科学技术的不断发展，人们对无机材料物理性能的研究也在不断深入。

通过调控材料的晶体结构、化学成分等手段，人们可以改善材料的物理性能，拓展其应用领域。

例如，通过合金化、热处理等工艺手段，可以提高金属材料的硬度和强度；通过掺杂、烧结等工艺手段，可以改善陶瓷材料的导电性能；通过控制成分、制备工艺等手段，可以改善玻璃材料的光学性能。

综上所述，无机材料的物理性能对于材料的选择和设计具有重要意义，其性能受晶体结构、化学成分等因素的影响，通过工艺手段可以改善和拓展其应用领域。

希望本文的内容能够对无机材料的物理性能有所了解，并对相关领域的研究和应用提供一定的参考。

第一章无机材料的受力形变无机材料物理性能前言（preface ）本课程学习内容：无机材料（inorganic-materials ）的各种物理性能，包括:力学（mechanics ）、光学（optics ）、热学（thermal ）、声学（acoustics ）、电学（electronics ）和磁学（magnetic ）等性能。

学习要求：1. 掌握各种物理性能参数（parameters ）的物理意义和单位（unit ）。

2. 搞懂材料组成、结构与性能（composition 、structure and performance ）的关系。

?学习目的：为研究和探索新材料、新性能、新工艺打下基础。

研究方法：1. 经验方法，在大量实验数据的基础上，经过对数据的分析处理，整理出经验方程(experience equation ）来表示它们的函数关系（function relation ）；2. 从机理（mechanism ）入手，即从反映材料本质的基本关系出发，按照性能的有关规律，建立物理模型（physical model ），用数学方法(mathematics way ）求解，得到有关理论方程式(theory equation ）先修课程：材料力学（material mechanics ）、物理化学（physicochemistry ）、固体材料结构基础（solid-state material structure basis ）、测试技术（testing technology ）、硅酸盐工艺学（silicate material chemistry ）说明：本课程对很多公式（方程）和结论的推导过程不着重讲解，着重点放在讲述各种参数的来源、物理意义和作用。

参考文献：1. 无机材料物理性能，关振铎等著，清华大学出版社2. 材料物理性能，陈树川等著，上海交通大学出版社3. 陶瓷材料物理性能，华南工学院、南京化工学院、清华大学合著4. Introduction to Ceramics, W.D.Kingery (81.5k54)第一章无机材料的受力形变第一节无机材料的应力、应变及弹性形变形变:各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化。

●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。
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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

a
12
断裂强度理论值和测定值
材料
Th
c
Kg/mm2
Al2O3晶须 5000 铁晶须 3000
奥氏型钢 2048
硼
3480
Si3N4热压 3850
玻璃
693
1540 1300 320 240 100 10.5
th/ c
3.3 2.3 6.4 14.5 38.5 66.0
a
13
*理论剪切强度
剪切应力与位移的关系：
Chapt.2,3无机材料的脆性断裂与强度
a
1
《Titanic》
a
2
a
3
Titanic
近代船用钢板
a
4
a
5
2.1脆性断裂 断裂：塑性断裂(延性或韧性断裂)和脆性断 裂两种类型。 塑性断裂：在断裂时伴有宏观上的塑性变形。
a
6
断裂发生在弹性 脆性断裂：有些材料在应力未达应到变强状度态极下限，没 时就会突然断裂。不仅是脆性材有料经才过会塑产性生形变 这种断裂，材料内部存在微裂纹阶，段或而者直某接些形成 材料在低温下受到冲击等都有可的能断产裂生。脆性
a
46
>断裂（弯曲）强度的测试
P40
三点弯曲： f=3PL/2bh2 四点弯曲： f=3P(L-l)/2bh2
实验条件：
测试误差：
a
47
>经典强度理论与断裂力学强度理论比较
经典强度理论 断裂强度理论 断裂准则： f/n ( ys /n) KI KIC
有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下 列两种钢供选：
a
52
2.5裂纹的起源与扩展
2.5.1裂纹的起源 1)材料结构中存在缺陷，当受外力时，在 这些缺陷处引起应力集中，导致裂纹产生。 位错： 2)材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表 面裂纹。

弹性模量：使物体产生伸长一倍变形量所需的应力上限弹性模量：两相通过并联组合得到混合系统的E 值称之~~下限弹性模量：两相通过串联组合得到混合系统的E 值称之~~粘弹性：某些非晶体或多晶体在应力较小时间时表现粘性弹性滞弹性：无机固体和金属的弹性模量依赖于时间的现象蠕变：当对粘弹性体施加恒定应力σ0时，其应变随时间而增加的现象弛豫：当施加恒定应变ε0在粘弹性体上，应力随时间而减小的现象。

影响蠕变的因素：1.温度2.应力3.显微结构的影响4.组成5.晶体结构塑性形变：指在一中外力移去后不能恢复的形变。

塑性形变的两种基本方式：滑移和孪晶声频支：相邻原子具有相同的振动方向光频支：相邻原子振动方向相反，形成了一个范围很小，频率很高的振动热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动的传向冷端，这个现象就称~~。

声子热导的机理：声子与声子的碰撞产生能量转移(声子：声频波的量子)介质损耗：电场作用下，单位时间内电介质因发热而损耗的电能抗热震断裂性：材料发生瞬时断裂，抵抗这种破坏的性能。

抗热震损伤性：在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能。

热应力因子：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力双碱效应（中和效应）：当玻璃中碱金属离子总浓度较大时，碱离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。

当两种碱金属浓度比适当时，电导率可以降到很低。

压碱效应：含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤其是重金属氧化物，可使玻璃电导率降低热稳定性：材料在温度急剧变化而不被破坏的能力，也被称为抗热震性。

铁电体:能够自己极化的非线性介电材料，其电滞回路和铁磁体的磁滞回路形状相近似。

稳定传热：物体内温度分布不随时间改变。

载流子的迁移率：载流子在单位电场中的迁移速率。

移峰效应：在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞参数和离子间的相互关系，使居里点向低温或高温方向移动。

/register.php?invitecode=7db8407acaii1hHt名词解释【力学】牛顿流体：受力后极易变形，剪切力跟速度梯度成正比符合牛顿定律的的流体；粘性系数：粘性：液体在流动时，在其分子间产生摩擦的性质，粘性大小用粘度表示，是用来表征液体性质相关的阻力因子；热稳定系数：材料承受温度急剧变化而不致破坏的能力，又称抗热震性；热冲击断裂性：材料发生瞬间断裂，抵抗这类破坏的性能；抗热冲击损伤性：热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落并不断扩展，最终破裂或变质，抵抗这类破坏的性能；静态疲劳(亚临界生长)：裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也称亚临界生长或静态疲劳；动态疲劳：材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏；Griffith微裂纹理论：实际材料中总存在许多的细小裂纹或缺陷，在外力作用下这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂，故断裂不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果；【热学】声子：晶格振动能量的量子化单元hw称为声子，h为普朗克常数，w 为晶格振动的角频率，对应每一次晶格热振动，晶体内部产生或吸收一个声子，声子是虚拟粒子，是原子激发的形态之一；格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波；晶格热振动：晶体中原子以平衡位置为中心不停地振动，是产生热容、热膨胀等现象的物理基础；热膨胀系数：物体由于温度改变而有胀缩现象，其变化能力以等压下，单位温度所导致的体积变化来表示；能流密度：在一定空间范围内，单位面积所取得的或单位重量能源所产生的某种能源的能量或功率，是评价能源的主要指标；热导率(热导系数)：是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位是w/m2.k；【电学】电流密度：描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量，矢量，大小等于单位时间内通过垂直于电流方向单位面积的电量，正电荷流动方向为正方向；电导率：介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度；即电阻率的倒数，物理意义表示物质导电性能；载流子迁移率：载流子在单位电场作用下的平均漂移速率，即载流子在电场作用下运动速度的快慢量度，运动越快迁移率越大；半导体施主能级：一个能级被电子占用时成中性，不被电子占据时带正电；受主能级：一个能级不被电子占据时成中性，被电子占据时带负电；西贝克效应(温差电动势效应)：由于两种不同的电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间电压差的热电现象，具体说：半导体材料的两端如果有温度差，则在较高温度区有更多的电子被激发到导带中去，但热电子趋向于扩散到较冷的区域，当这两种效应引起的化学势梯度和电场梯度相等其方向相反时，就达到稳定状态，多数载流子扩散到冷端，产生△V/△T，结果在半导体两端就产生温差电动势；【介介电性质】正温度系数效应PTC：价控型BaTiO3半导体在居里点(正方相↔立方相相变点)附近，电阻率随温度而发生突变的现象，机理是几何半导体陶瓷晶界上具有表面能级，此表面能级可捕获载流子，从而在两边晶粒内产生一层电子损耗层，形成肖特基势垒，该势垒与介电常数有关，当温度高于居里点，介电常数剧减，势垒增加，电阻率增加；压敏效应：a.指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常之高，几乎无电流通过，超过该临界电压，电阻迅速降低，让电流流过。

th/ c
5000 1540 3.3
3000 1300 2.3
材料
Al2O3宝石 BeO
2048 320 6.4 MgO
3480 —
240 14.5 Si3N4热压 10.5 — SiC
693
10.5 66.0 Si3N4烧结
400
10 40.0 AlN
5000 44.1 113
th
5000 3570 2450 3850 4900 3850 2800
端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，依据弹性
理论：

A 1 2

c


考虑到:
c远大于，所以 A 2
c

考虑到裂纹尖端曲率半 径ρ与晶格常数 相当:
A 2
c a0
裂纹扩展的条件是： A th 故
Ac 2 c
c
a0
Er a0
th
断裂理论
p为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的塑 性功，由于 p>> (约为的103量级)
CC


2E p 2 (1 2 )
C
2E p (1 2 )c
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应力场强度因子和 平面应变断裂韧性
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2002年11月19日，希腊“威望”号油轮在西班牙加 利西亚省所属海域触礁，断裂成两截，随后逐渐下沉。 据悉，这艘船上共装有7.7万吨燃料油。生态学家称这可 能是世界上最严重的燃油泄漏事件之一。
断裂理论
贡献：看到了缺陷、解释了实际强度远低于
理论强度的事实。
缺点：沿用了传统的强度理论，引用了现成
的弹性力学应力集中理论，并将缺陷 视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。