1、材料科学与人类文明材料性能基础材料性能基础材料性能基础材料科学与工程学系材料科学与工程学系材料科学与人类文明材料性能基础材料性能基础材料性能基础q 物理性能：密度、熔点、热、电、光、磁物理性能：密度、熔点、热、电、光、磁q 化学性能：抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性化学性能：抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性q 力学性能：弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、高温力学性能、力学性能：弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、高温力学性能、耐磨性耐磨性q 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、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
2、韧、高细化晶粒、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分子材料增强与改性 材料科学与人类文明材料性能基础材料性能概述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材料的性能：表征材料在给定外界条件下的行为成分组织结构性能制备技术、加工过程等不同组织下表现完全不同的性能：左边，较软、韧右边，较硬、脆化学键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三大材料一般性能特点材料材料价键价键一般性能特点一般性能特点金属金属金属键金属键强度硬度较高；塑性韧性好；导电导热强度硬度较高；塑性韧性好；导电导热性好性好无机非金属无机非金属离子键、离子键、共价键共价键强度硬度高
3、；塑性韧性差；一般不导电；强度硬度高；塑性韧性差；一般不导电；耐热；耐腐蚀耐热；耐腐蚀高分子高分子共价键、共价键、分子键分子键强度硬度低；韧性中等；绝缘；不导热；强度硬度低；韧性中等；绝缘；不导热；耐热性差、易燃；轻；软；易加工耐热性差、易燃；轻；软；易加工材料科学与人类文明材料性能基础材料的物理性能材料的物理性能v热学性能：热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性热学性能：热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性v电学性能：导电、介电、铁电、压电电学性能：导电、介电、铁电、压电v光学性能：光的透过、吸收和反射；荧光性光学性能：光的透过、吸收和反射；荧光性v磁学性能：铁磁、顺磁、抗磁磁学性能：铁磁、顺
4、磁、抗磁材料科学与人类文明材料性能基础（）热容（）热容00,vvvpppdTdQCdTdQC热容表征材料从周围环境吸收热量的能热容表征材料从周围环境吸收热量的能力，用力，用 物质温度升高物质温度升高 是所吸收的热量来是所吸收的热量来表示，有定压热容和定容热容两种。单表示，有定压热容和定容热容两种。单位：位：()03ATCvRCv3vC03RDT/K材料定容热容和温度之间的关系热学性能：晶格热振动热学性能：晶格热振动晶格点阵中的质点（原子、离子）晶格点阵中的质点（原子、离子）围着平衡位置做微小振动围着平衡位置做微小振动德拜温度德拜温度材料科学与人类文明材料性能基础根据热容选材：n材料升高一度，需
5、吸收的热量不同，吸收热量材料升高一度，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，同时降低用轻质隔热砖，便于炉体快速升温，同时降低热量损耗。热量损耗。材料科学与人类文明材料性能基础（）热传导（）热传导热传导本质：由于温差而发生的材料相邻部分间的能量迁移。热传导本质：由于温差而发生的材料相邻部分间的能量迁移。T1T2QT1-T2=1 K热传导表征热传导表征热导率热导率 ，单位：，单位：( )dxdTq定义：单位时间单位面积（
6、垂直于热流方向）内流单位时间单位面积（垂直于热流方向）内流过的热量，单位：过的热量，单位：温度梯度，单位：温度梯度，单位：材料科学与人类文明材料性能基础热传导机制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 金属材料的热传导金属材料的热传导自由电子传导自由电子传导金属的热导率较高（金属的热导率较高（ ），随温度的升高、缺陷的增多而下降。），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无机非金属材料的热传导晶格振动传导晶格振动传导热导率低，良好的绝热材料（一般陶瓷材料热导率低，良好的绝热材料（一般陶
7、瓷材料 ），随温度升高略微减小；），随温度升高略微减小；陶瓷中的孔洞明显降低热导率；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；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高分子材料的热导率分子或链段传导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；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；结晶度增大，热导率增大；孔洞降低热导率。孔洞降低热导率。材料科学与人类文明材料性能基础（）热膨胀（）热膨胀热膨胀系数热膨胀系数温度变化温度变化 时材料单位
8、长度（线膨胀系数时材料单位长度（线膨胀系数）或单位体积）或单位体积（体积膨胀系数（体积膨胀系数 ）变化量。对各向同性材料，）变化量。对各向同性材料， pvpldTdVVdTdll)(1,)(1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。热膨胀系数越低。材料金属陶瓷高分子 材料科学与人类文明材料性能基础（）热应力（）热应力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：约束热胀冷缩引起的热应力：加热时，加热时，为
9、压缩应力；冷却时，为压缩应力；冷却时， ，为拉伸应力。，为拉伸应力。材料内部温度梯度引入的热应力：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。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，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。力，在内部产生压应力；加热时应
10、力状态相反。实例：装热水的玻璃杯越厚越容易实例：装热水的玻璃杯越厚越容易“烫破烫破”！TETTElfl)(0材料科学与人类文明材料性能基础抗热冲击性抗热冲击性对塑性材料，热应力导致塑性变形；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。对陶瓷类脆性材料，热应力直接导致脆性断裂。抗热冲击性抗热冲击性( , )材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力。材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力。提高材料值的最简单有效的方法是降低其热膨胀系数。提高材料值的最简单有效的方法是降低其热膨胀系数。例如，例如，普通玻璃：普通玻璃： 耐热玻璃（石英玻璃，减少普通玻璃中的、含量，添加一定量
11、的，耐热玻璃（石英玻璃，减少普通玻璃中的、含量，添加一定量的， lfETSR材料科学与人类文明材料性能基础电学性能电学性能v导电性能：欧姆定理、电导率、固体的能带结构、材料导电性导电性能：欧姆定理、电导率、固体的能带结构、材料导电性v半导体：本征半导体、掺杂半导体半导体：本征半导体、掺杂半导体v超导超导v其它电性能：铁电、压电、介电其它电性能：铁电、压电、介电 材料科学与人类文明材料性能基础（）欧姆定理和电子导电（）欧姆定理和电子导电欧姆定理：欧姆定理：SlslR电导率：电导率：/1IRU 电子在电场作用下沿方向作漂移运动（即电场电子在电场作用下沿方向作漂移运动（即电场作用下电子的运动），则动
12、量。作用下电子的运动），则动量。电子有效质量，电子有效质量，电子平均漂移速率。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：衡时，电场力碰撞作用力：为二次碰撞之间的时间，称为驰豫时间。为二次碰撞之间的时间，称为驰豫时间。因此，因此，电子迁移率电子迁移率, ，反应电子迁移的难易程度。，反应电子迁移的难易程度。设电子密度为，则电流密度设电子密度为，则电流密度, -+xxvxe-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电子迁移率和载流子密度材料科学与人类文明材料性能基础材料的电导率材料的电导率 材
13、料的电导率和载流子密度，迁移率相关。金属键结合的材料：载流子为价电子，密度金属键结合的材料：载流子为价电子，密度高，迁移容易，电导率高。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（半导体或绝电子才能迁移，电导率低（半导体或绝缘体材料）。缘体材料）。离子键结合的材料：载流子为整个离离子键结合的材料：载流子为整个离子，通过离子扩散导电。（电解液）子，通过离子扩散导电。（电解液）材料科学与人类文明材料性能基础一些材料电导率一些材料电导率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金属导电性的影响因素理想晶格高温加热晶格含缺
14、陷晶格温度：温度： ，电阻温度系数；电阻温度系数；室温电阻率室温电阻率晶格缺陷：晶格缺陷： ，缺陷体积分数；缺陷体积分数；常数常数强化方式：强化方式：固溶强化固溶强化晶格畸变严重，极大缩短电子自由程，降低电导率；晶格畸变严重，极大缩短电子自由程，降低电导率；时效强化、弥散强化时效强化、弥散强化降低导电性的作用不如固溶强化明显；降低导电性的作用不如固溶强化明显；形变强化、细晶强化形变强化、细晶强化对导电性影响很小。对导电性影响很小。)1 (Trxxbd)1 ( 材料科学与人类文明材料性能基础 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，含有少量金属杂质和氧铜中杂质会
15、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，铝导线电导率低与铜导线相比，铝导线电导率低（纯铝为），但其重量轻，比重只（纯铝为），但其重量轻，比重只有铜的，是铝导线的一大优点有铜的，是铝导线的一大优点铝导线主要用做送电线和配电线。铝导线主要用做送电线和配电线。对于以上的高压电线，往往用钢丝对于以上的高压电线，往往用钢丝增强的铝电缆或铝合金线。增强的铝电缆或铝合金线。材料科学与人类文明材料性能基础离子晶体导电离子晶体导电固体电解质的导电机理固体电解质的导电机理离子导电离子导电载流子：离
16、子载流子：离子离子导电条件：离子导电条件：）离子在晶格中运动需要克服周围势垒，迁移率可）离子在晶格中运动需要克服周围势垒，迁移率可表达为，表达为，因此，电导率和温度的关系为，因此，电导率和温度的关系为，即，即，)/exp(TkQB)/exp(TkQB)1)(lnlnTkQBln1/Tab高温段高温段本征空位居主导，激活能大，由空位激活能和离子克服势垒激活能组成；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；低温段低温段非本征空位居主导，激活能小，只是离子克服势垒激活能。非本征空位居主导，激活能小，只是离子克服势垒激活能。）附近有空位接纳离子。）附近有空位接纳离子。空位本征空位
17、：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材料科学与人类文明材料性能基础许多电阻元件是用无机非金属材料做的，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（其中包括高电导氧化物（在在）如、，有低的正温度系数。如、，有低的正温度系数。一些陶瓷材料（如）的电阻随电压是变一些陶瓷材料（如）的电阻随电压是变化的，在低电压时电阻大，当电压超过化的，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。脉冲进
18、入要保护的电路。晶粒大小不均匀，可相差倍。在低压下，晶粒大小不均匀，可相差倍。在低压下，晶界电阻高，相当于绝缘势垒，使整体晶界电阻高，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，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，晶界处有的离子被激活可以参与导电，因而电阻值下降。因而电阻值下降。材料科学与人类文明材料性能基础能带理论能带理论单原子电子占据不同的能级；单原子电子占据不同的能级；由个原子组成的固体材料中，各能级扩展成能带。由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，能带半满。电场作用下，碱金属最外层只有一个电子，能带半满。电场作
19、用下，电子从价带跃迁到导带而使碱金属导电。电子从价带跃迁到导带而使碱金属导电。: 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导体半导体绝缘体的能带结构能带特征：能带特征：导体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，无禁带绝缘体绝缘体价带和导带之间有很宽的禁带价带和导带之间有很宽的禁带半导体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）禁带宽度较小（本征半导体）或存在杂质能级（杂质半导体）绝缘体半导体导体价带导带禁带材料科学与人类文明材料性能基础不同金属的能带结构不同金属的能带结构Na: 1s2
20、2s22p23s1Mg: 1s22s22p63s2Al: 1s22s22p63s23p1Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1材料科学与人类文明材料性能基础本征半导体本征半导体、禁带宽度较小（约），一、禁带宽度较小（约），一些电子可能有足够的热能从些电子可能有足够的热能从价带跳跃到导带，从而在价价带跳跃到导带，从而在价带留下一个空穴，在导带产带留下一个空穴，在导带产生一个电子。在外加电压作生一个电子。在外加电压作用下，电子向正极，空穴向用下，电子向正极，空穴向负极运动而导电。其电导率，负极运动而导电。其电导率，)(hehehhee
21、nqnnqnqn半导体电导率和温度之间半导体电导率和温度之间的关系（与金属比较）的关系（与金属比较）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材料科学与人类文明材料性能基础掺杂半导体掺杂半导体型半导体型半导体、中掺入少量五价元、中掺入少量五价元素、等，多出一个价电子，在素、等，多出一个价电子，在导带附近形成一杂质能级（与导带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。可容易地跃迁到导带而导电。型半导体型半导体、中掺入少量低价元素、中掺入少量低
22、价元素等，在满带附近形成一杂质能级，电等，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。留下空穴，靠空穴导电。材料科学与人类文明材料性能基础半导体化合物半导体化合物v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、类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、类似；似；v非化学计量比半导体化合物：化合物中阳离子（型）或阴离子（型）过量。非化学计量比半导体化合物：化合物中阳离子（型）或阴离子（型）过量。化合物禁带宽 表：一些半导体化合物的禁带宽度材料科学与人类文明材料性能基础年，美国物理学
23、家巴丁库柏施里弗三人提出金属超导微观理论，即年，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，即理论，获得了年的理论，获得了年的诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖该理论认为，当材料处于超导态时该理论认为，当材料处于超导态时()，金属中的电子不再是单个地运动，而是通，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，结成一对对地存在过与晶体振动离子的作用，结成一对对地存在(称为库柏对称为库柏对)。由于电子对结合紧密，运。由于电子对结合紧密，运动过程不受晶格作用的阻碍，因而出现了超导态动过程不受晶格作用的阻碍，因而出现了超导态 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两个基本特征超
24、导的两个特征：零电阻效应（完全导电性）零电阻效应（完全导电性）迈斯纳效应（完全抗磁性）迈斯纳效应（完全抗磁性）永磁环超导体材料科学与人类文明材料性能基础超导三个性能指标超导三个性能指标临界超导温度：低于此温度时，材料出现零电阻效应临界超导温度：低于此温度时，材料出现零电阻效应和迈斯纳效应和迈斯纳效应临界磁场强度：临界磁场强度： 时破坏超导态的最小磁场强度时破坏超导态的最小磁场强度临界电流密度：保持超导态的最大输入电流密度临界电流密度：保持超导态的最大输入电流密度 时，输入电流产生的磁场和外加磁场之和超过时也时，输入电流产生的磁场和外加磁场之和超过时也破坏超导态。此时的临界输入电流即为。破坏超导
25、态。此时的临界输入电流即为。三者关系三者关系）增大，变小；）增大，变小；） )、可见光、可见光( )、紫外线、紫外线( 时，时， （），（）， 为居里温度。为居里温度。磁化强度磁化强度:单位体积内的磁矩矢量和单位体积内的磁矩矢量和:单位体积的总磁矩单位体积的总磁矩 （安米）是描述磁质被磁化后其磁性强弱的一个物理量。（安米）是描述磁质被磁化后其磁性强弱的一个物理量。VmMi称为磁化率或磁化系数称为磁化率或磁化系数,反映物质磁化的难易程度。（反映物质磁化的难易程度。（ 无量纲无量纲 ）HM磁感应强度磁感应强度: (特斯拉特斯拉)磁场强度磁场强度: (安米安米)磁化强度磁化强度: (安米安米)物质磁
26、化后的总磁场为：物质磁化后的总磁场为： （ ） 磁导率：磁导率： 抗磁性p定义定义: 当材料被磁化后当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反时，固体表现为抗磁化矢量与外加磁场的方向相反时，固体表现为抗磁性。磁性。p抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率 是甚小的负常数是甚小的负常数(与反向与反向)，一，一般约为般约为 数量级。数量级。p 抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果.任何金属都具有任何金属都具有抗磁性抗磁性.p金属中有一半是抗磁金属。金属中有一半是抗磁金属。, , , , , 等。等。(因
27、抗磁性大于电子的顺磁性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。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。能表现出抗磁性来。顺磁性定义定义: 当材料被磁化后当材料被磁化后,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。顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为 数量级。数量级。原子内部存在固有磁矩原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层离子有未填满的电子
28、壳层)。如过渡元素、稀土元。如过渡元素、稀土元素：金属素：金属; 金属铌金属铌, 锆锆, 钼，钯；金属钼，钯；金属(, , , 铂）。铂）。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，是填满的壳层，但，, ， 是顺磁性金属。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：顺磁性物质的磁化率与温度的关系服从居里外斯定律：TC铁磁性p有一类物质如，室温下磁化率可达有一类物质如，室温下磁化率可达 数量级，这类物质数量级，这类物质的磁性称为铁磁性。的磁性称为铁磁性。p铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化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（有剩强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性（有剩磁）。磁）。 材料科学与人类文明材料性能基础n磁性材料具有能量转换、存储等功能，被广泛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、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，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。是重要的功能材料。材料科学与人类文明-材料性能基础
