第03章材料的性能2

材料的性能Chapter3PropertiesofMaterials1Chapter3

PropertiesofMaterials李盛彪1李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials2GeneralCharactersofMaterials2李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials3本章主要內(nèi)容材料化學(xué)的主要目的是從分子水平到宏觀尺度認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，在合成和加工過(guò)程中有意識(shí)地控制材料的組成和結(jié)構(gòu)，從而獲得具有預(yù)期使用性能的材料。材料的幾類主要性能：化學(xué)性能力學(xué)性能熱性能電性能磁性光學(xué)性能學(xué)習(xí)目的：了解材料的各類性能；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。3李盛彪4溶蝕性耐腐蝕性抗?jié)B透性抗氧化性——材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力化學(xué)穩(wěn)定性3.1化學(xué)性能

ChemicalPerformance4李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials5(1)Chemicalstabilityofmetalmaterials氧化物成核生長(zhǎng)氧溶解氧化膜生長(zhǎng)內(nèi)氧化縫隙孔洞微裂紋宏觀裂紋吸附（1）化學(xué)銹蝕3.1.1耐氧化性金屬氧化反應(yīng)的主要過(guò)程示意圖5李盛彪幾種金屬的表面氧化膜對(duì)比多孔氧化膜致密氧化膜松散氧化膜6Chapter3PropertiesofMaterials6李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials7Electrochemistrycorrosion（2）電化學(xué)腐蝕simpleelectrochemicalcellcorrosioncellbetweenasteelwaterpipeandacopperfitting7李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials8ElectrochemistrycorrosionSO2氣體對(duì)鐵的侵蝕過(guò)程（2）電化學(xué)腐蝕8李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials9Example海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖9李盛彪Cathodicprotectionofaburiedsteelpipeline

電化學(xué)防銹——犧牲陽(yáng)極法10Chapter3PropertiesofMaterials10李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials11思考：為什么有的金屬（如鋁）比較活潑，但在空氣中很穩(wěn)定？為什么在潮濕環(huán)境下金屬材料容易生銹？材料應(yīng)用中有哪些防銹方法？11李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials123.1.2耐酸堿性耐酸材料

以酸性氧化物SiO2為主耐堿材料

大多數(shù)金屬氧化物都是堿性氧化物，相應(yīng)的材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐堿性，而易受酸侵蝕或溶解。(2)Chemicalstabilityofnon-metalmaterials12李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials13金屬的耐酸堿性主要是高溫下濃堿液的腐蝕問(wèn)題鎳鉻鑄鐵中加入稀土，降低鎳含量，可以降低材料成本，又可以保證合金鑄鐵良好的耐堿蝕性。耐蝕機(jī)理：堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵表面生成完整、致密的-(Fe,Cr)2O3氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附著物，使材料本體受到保護(hù)。13李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials14(3)Chemicalstabilityofpolymers化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿高分子材料：

主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)電絕緣性，無(wú)電化學(xué)腐蝕14李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials15(3)Chemicalstabilityofpolymers金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料有好的耐有機(jī)溶劑性能；熱塑性高分子材料一般由線形高分子構(gòu)成，很多有機(jī)溶劑都可以將其溶解；交聯(lián)型高分子在有機(jī)溶劑中不溶解，但能溶脹，使材料體積膨脹，性能變差；不同的高分子材料，其分子鏈以及側(cè)基不同，對(duì)各種有機(jī)溶劑表現(xiàn)出不同的耐受性；組織結(jié)構(gòu)對(duì)耐溶劑性也有較大影響。例如，作為結(jié)晶性聚合物，聚乙烯在大多數(shù)有機(jī)溶劑中都難溶，因而具有很好的耐溶劑性。3.1.3耐有機(jī)溶劑性15李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials16(3)Chemicalstabilityofpolymers光照下形成自由基：3.1.4耐老化性——高分子材料面臨的問(wèn)題氧氣的參與：自由基形成后導(dǎo)致鏈的斷裂（降解）：16李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials17(3)Chemicalstabilityofpolymers羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽(yáng)光照射下容易被氧化降解。聚四氟乙烯有極好的耐老化性能氟原子與碳原子形成牢固的化學(xué)鍵；氟原子的尺寸大小適中，一個(gè)緊挨一個(gè)，能把碳鏈緊緊包圍住。分子鏈中含有不飽和雙鍵、聚酰氨的酰氨鍵、聚碳酸酯的酯鍵、聚砜的碳硫鍵、聚苯醚的苯環(huán)上的甲基等等，都會(huì)降低高分子材料的耐老化性。結(jié)構(gòu)與耐老化性17李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials18(3)Chemicalstabilityofpolymers改進(jìn)聚合物分子結(jié)構(gòu)加入適當(dāng)助劑抗氧化劑光屏蔽劑紫外線吸收劑淬滅劑

耐老化性的提高18李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials19——材料抵受外力作用的能力3.2力學(xué)性能

MechanicalProperty19李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials20應(yīng)力stress應(yīng)變strain

拉伸強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度3.2.1材料的強(qiáng)度(Strength)20李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials21Experiment樣品拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線ultimatetensilestrengthyieldstrength21李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials22J.AM.CHEM.SOC.2004,126,10226-1022722李盛彪延展性或塑性的表征延伸率 elongation斷面收縮率

reductionofarea<5%：脆性材料23Chapter3PropertiesofMaterials23李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials24材料的一些力學(xué)性能特點(diǎn)：很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良好的延展性；多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料；這是因?yàn)槎嗑Р牧现械木Ы缈芍袛辔诲e(cuò)的滑移，改變滑移的方向。通過(guò)控制晶粒的生長(zhǎng)，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。源于共價(jià)鍵的方向性24李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials25102030e(%)0100200300400500600700800900s(MPa)低碳鋼錳鋼硬鋁退火球墨鑄鐵25李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials263.2.2材料的硬度（hardness)

——材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力的量度布氏硬度（Brinellhardness）洛氏硬度（Rockwellhardness）HR=(K-h)/0.002維氏硬度（Vickershardness）HV=0.189F/d2

材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)26李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials27維氏硬度測(cè)量27李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials28硬度試驗(yàn)28李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials29各種材料的硬度特征：由共價(jià)鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這是因?yàn)楣矁r(jià)鍵的強(qiáng)度較高；無(wú)機(jī)非金屬材料有較高硬度離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度均較高；當(dāng)含有價(jià)態(tài)較高而半徑較小的離子時(shí)，所形成的離子鍵強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。金屬材料形成固溶體或合金時(shí)可顯著提高材料的硬度。高分子材料硬度通常較低分子鏈之間主要以范德華力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱29李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials303.2.3疲勞性能

——材料抵抗疲勞破壞的能力疲勞（fatigue）：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。30李盛彪熱容（heatcapacity）熱膨脹（thermalexpansion）熱傳導(dǎo)（thermalconduction）Chapter3PropertiesofMaterials313.3熱性能

ThermalProperty31李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials32定壓熱容Cp晶體材料較高溫度下： Cp=3R=24.9Jmol-1K-1。極低溫度下：CpT3定容熱容CV3.3.1熱容（heatcapacity）

——1mol物質(zhì)升高1K所需要的熱量32李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials33膨脹系數(shù)：溫度變化1K時(shí)材料尺度的變化量。線膨脹系數(shù)l和體積膨脹系數(shù)V

3.3.2熱膨脹

thermalexpansion33李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials34Curve勢(shì)能一原子間距離曲線假想的實(shí)際的熱膨脹現(xiàn)象解釋34李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials35Curve金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較小；聚合物材料則較大。鍵強(qiáng)與熱膨脹膨脹的差異——原子間的鍵合力越強(qiáng)，則熱膨脹系數(shù)越小。35李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials36Examples熱量通量q

：熱導(dǎo)率：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。單位：Wm-1K-1，或calcm-1s-1K-11calcm-1s-1K-1=4.2102Wm-1K-1

3.3.3熱傳導(dǎo)（thermalconduction）

——熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一 個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象36李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials37各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性有影響；晶格振動(dòng)無(wú)機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：電子與聲子的共同貢獻(xiàn)低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。高分子材料熱導(dǎo)率很低熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞的效果較差。37李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials38Examples38李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials39導(dǎo)電性介電性鐵電性壓電性——材料被施加電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)行為3.4電性能

ElectricalProperty39李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials40Electricalproperty3.4.1導(dǎo)電性能

ElectricalConductivity金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）40李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty電阻：電阻率：電導(dǎo)率：=1/

=nZe

要增加材料的導(dǎo)電性，關(guān)鍵是增大單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目（n）和使載流子更易于流動(dòng)（增大

值）。41李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty能帶理論（BandTheory）能帶的形成42李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty各種材料的能帶結(jié)構(gòu)43李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty3.4.2介電性能

DielectricProperty電容C（capacitance）——電荷量q與電壓V的比值：

平板電容計(jì)算：

C=(A/L)：介電常數(shù)，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力；相對(duì)介電常數(shù)r：r=/0

C=q/V44李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials45(2)DielectricProperty某些介電材料的性能45李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials46(3)Ferroelectricity3.4.3鐵電性與壓電性FerroelectricityandPiezoelectricity鐵電滯后現(xiàn)象鐵電性——材料在除去外電場(chǎng)后仍保持部分極化狀態(tài)46李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials47居里溫度Tc

Curietemperature47李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials48(4)Piezoelectricity壓電性Piezoelectricity外力→極化→電場(chǎng)48李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials49(4)Piezoelectricity常用的壓電陶瓷：BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、

NH4H2PO4（a）施加一定電壓（b）施加壓力，產(chǎn)生反向電壓，導(dǎo)致兩端電壓下降（c）施加較大電壓，材料產(chǎn)生變形49李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials503.5.1磁性基本概念

Hm：磁化強(qiáng)度

magnetizationm：磁化率

magneticsusceptibility3.5磁性

MagneticProperty50李盛彪2/3/20239:41:49PMChapter3,ChemistryofMaterials2008,ceszzh@51磁性的來(lái)源——磁偶極子 magneticdipolesThespinoftheelectronproducesamagneticfieldwithadirectiondependentonthequantumnumberms

Electronsorbitingaroundthenucleuscreateamagneticfieldaroundtheatom

51Chapter3PropertiesofMaterials51李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials52反磁性（diamagnetism）

m<0Hg、Cu、Ag、Pb金剛石、MgO、NaCl絕大多數(shù)高分子材料

順磁性（paramagnetism）m>0含有非零角動(dòng)量原子（例如過(guò)渡金屬）的材料。

mT-1（居里定理）一些非過(guò)渡金屬（例如Al）。m與T無(wú)關(guān)磁場(chǎng)撤去后磁效應(yīng)消失

3.5.2磁性的種類

52李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials53鐵磁性（ferromagnetism）在不太強(qiáng)的磁場(chǎng)中，就可以磁化到飽和狀態(tài)。鐵磁居里溫度

ferromagneticCurietemperature

53李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials54反鐵磁性（antiferromagnetism）在外電場(chǎng)作用下，相鄰磁矩反向排列。Mn、Cr鐵氧體磁性（ferrimagnetism）不同的磁矩反平行排列時(shí)，在一個(gè)方向呈現(xiàn)出凈磁矩。代表：磁鐵礦Fe3O4鐵磁性 反鐵磁性 鐵氧體磁性

54李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials55反鐵磁性（MnO）55李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials56磁疇MagneticDomain磁疇壁MagneticDomainWall磁疇——自旋磁矩在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地”整齊排列起 來(lái)而形成的磁化小區(qū)域。3.5.3磁疇和磁化曲線56李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials57磁滯回線

hysteresisloop57李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials58軟磁材料 硬磁材料58李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials59光的吸收和透過(guò)光的反射和折射材料的顏色3.6光學(xué)性能

OpticalProperty59李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials60金屬材料：不透明；半導(dǎo)體和其它非金屬材料：取決于能隙Eg；晶格熱振動(dòng)：對(duì)長(zhǎng)波區(qū)的可見(jiàn)光和紅外光產(chǎn)生吸收；高分子材料：無(wú)定形透明，結(jié)晶影響透明性（晶粒對(duì)光的散射）3.6.1光的吸收和透過(guò)60李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials61幾種無(wú)機(jī)材料的光透過(guò)曲線61李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials62金屬材料：強(qiáng)反射（金屬光澤）；電子吸收光能后激發(fā)到較高能態(tài)，隨即又以光波的形式釋放出能量回到低能態(tài)無(wú)機(jī)非金屬材料：主要受介質(zhì)的折射率差影響；當(dāng)光線從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的折射率差別越大，反射就越強(qiáng)。材料的折射率受其結(jié)構(gòu)影響單位體積中原子的數(shù)目越多，或結(jié)構(gòu)越緊密，則光波傳播受影響越大，從而折射率越大。原子半徑越大(極化率大），折射率就越大。3.6.2光的反射和折射62李盛彪幾種金屬材料的反射率隨光波波長(zhǎng)變化曲線Chapter3PropertiesofMaterials6363李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials64金屬材料：顏色取決于其反射