第03章材料的性能2

1、Chapter3 Properties of Materials1Chapter3 Properties of Materials1李盛彪李盛彪Chapter3 Properties of Materials2Chapter3 Properties of Materials2General Characters of MaterialsChapter3 Properties of Materials3Chapter3 Properties of Materials3本章主要内容本章主要内容材料化学的主要目的是从分子水平到宏观尺度认识结构与性能的关系，在合成和加工过程中有意识地控制材料的组成和结

2、构，从而获得具有预期使用性能的材料。材料的几类主要性能：材料的几类主要性能：化学性能化学性能力学性能力学性能热性能热性能电性能电性能磁性磁性光学性能光学性能学习目的：学习目的：1.了解材料的各类性能；了解材料的各类性能；2.学习一些材料性能的表征及测试方法；学习一些材料性能的表征及测试方法；3.加深理解材料结构与性能的关系。加深理解材料结构与性能的关系。Chapter3 Properties of Materials4 4溶蚀性溶蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗渗透性抗氧化性抗氧化性材料抵抗各种介质作用的能力材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性化学稳定性3.1 化学性能化学性能Chemical

3、PerformanceChapter3 Properties of Materials5Chapter3 Properties of Materials5(1) Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生长生长氧溶解氧溶解氧化膜生长氧化膜生长内氧化内氧化缝隙缝隙孔洞孔洞微裂纹微裂纹宏观裂纹宏观裂纹吸附吸附（1）化学锈蚀）化学锈蚀3.1.1 耐氧化性耐氧化性金属氧化反应的金属氧化反应的主要过程示意图主要过程示意图Chapter3 Properties of Materials6几种金属的表面氧化膜对比几种金属的表面氧化膜对比多孔氧化膜多孔氧

4、化膜致密氧化膜致密氧化膜松散氧化膜松散氧化膜6Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials7Chapter3 Properties of Materials7Electrochemistry corrosion（2）电化学腐蚀电化学腐蚀simple electrochemical cell corrosion cell between a steel water pipe and a copper fittingChapter3 Properties of Materials8Chapter3 Properti

5、es of Materials8Electrochemistry corrosionSO2气体对铁的侵蚀过程气体对铁的侵蚀过程（2）电化学腐蚀电化学腐蚀Chapter3 Properties of Materials9Chapter3 Properties of Materials9Example海水对金属的侵蚀示意图海水对金属的侵蚀示意图Chapter3 Properties of Materials10Cathodic protection of a buried steel pipeline 电化学防锈电化学防锈牺牲阳极法牺牲阳极法10Chapter3 Properties of Mat

6、erialsChapter3 Properties of Materials11Chapter3 Properties of Materials11思考：思考： 为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在空气中很稳定？空气中很稳定？ 为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？ 材料应用中有哪些防锈方法？材料应用中有哪些防锈方法？Chapter3 Properties of Materials12Chapter3 Properties of Materials123.1.2 耐酸碱性耐酸碱性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物Si

7、O2为主为主耐耐碱碱材材料料 大多数金属氧化物都是碱性氧化大多数金属氧化物都是碱性氧化物，相应的材料表现出较强的耐物，相应的材料表现出较强的耐碱性，而易受酸侵蚀或溶解。碱性，而易受酸侵蚀或溶解。(2) Chemical stability of non-metal materialsChapter3 Properties of Materials13Chapter3 Properties of Materials13金属的耐酸碱性金属的耐酸碱性 主要是高温下浓碱液的腐蚀问题主要是高温下浓碱液的腐蚀问题 镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成

8、本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。 耐蚀机理：耐蚀机理：碱蚀后稀土高镍铬铸铁碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的表面生成完整、致密的 -(Fe, Cr)2O3氧化膜和氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物，等附着物，使材料本体受到保护。使材料本体受到保护。 Chapter3 Properties of Materials14Chapter3 Properties of Materials14(3) Chemical stability of polymers化学稳定性好，耐酸耐碱化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料：高分子材料： 主链原子以共价键结合

9、主链原子以共价键结合 长分子链对反应基团的保护长分子链对反应基团的保护 电绝缘性，无电化学腐蚀电绝缘性，无电化学腐蚀Chapter3 Properties of Materials15Chapter3 Properties of Materials15(3) Chemical stability of polymers 金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能； 热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机溶剂都可以将其溶解；溶剂都可以将其溶解； 交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材交联

10、型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差；料体积膨胀，性能变差； 不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种有机溶剂表现出不同的耐受性；有机溶剂表现出不同的耐受性； 组织结构对耐溶剂性也有较大影响。组织结构对耐溶剂性也有较大影响。 例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶，因而具有很好的耐溶剂性。溶，因而具有很好的耐溶剂性。 3.1.3 耐有机溶剂性耐有机溶剂性Chapter3 Properties of Materials16Chapter3 Proper

11、ties of Materials16(3) Chemical stability of polymers 光照下形成自由基：光照下形成自由基：3.1.4 耐老化性耐老化性高分子材料面临的问题高分子材料面临的问题 CH2CCHCH2CH3hCH2CCHCH3CH-H+ 氧气的参与：氧气的参与：RH2(1) RH + OOR + OOH(2) R + OOROO ROOH+R(3) ROOH+RHRO + OH(4) RO + OH ROH + R(5) HO + RH R + H O 自由基形成后导致自由基形成后导致链的断裂（降解）：链的断裂（降解）：CCHCCH3OOCH3CCH2CH3CO

12、OCH3CH2CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2+Chapter3 Properties of Materials17Chapter3 Properties of Materials17(3) Chemical stability of polymers 羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光照射下容易被氧化降解。照射下容易被氧化降解。 聚四氟乙烯有极好的耐老化性能聚四氟乙烯有极好的耐老化性能 氟原子与碳原子形成牢固的化学键；氟原子与碳原子形成牢固的化学键； 氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧氟原子的尺寸

13、大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧包围住。包围住。 分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键、聚碳酸分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键、聚碳酸酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等等，都会降低高分子材料的耐老化性。等，都会降低高分子材料的耐老化性。 结构与结构与耐老化性耐老化性Chapter3 Properties of Materials18Chapter3 Properties of Materials18(3) Chemical stability of polymers 改进聚合物分子结构改进聚合物分子结构 加入适当助剂加入适当

14、助剂 抗氧化剂抗氧化剂 光屏蔽剂光屏蔽剂 紫外线吸收剂紫外线吸收剂 淬灭剂淬灭剂 耐老化性耐老化性的提高的提高Chapter3 Properties of Materials19Chapter3 Properties of Materials19材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力FFFFFF拉伸压缩弯折剪切3.2 力学性能Mechanical PropertyChapter3 Properties of Materials20Chapter3 Properties of Materials20 应力应力stress 应变应变strain 拉伸强度拉伸强度 弯曲强度弯曲强度 冲击强度冲

15、击强度0/FA00()/lll3.2.1 材料的强度(Strength)Chapter3 Properties of Materials21Chapter3 Properties of Materials21Experiment样品拉伸试验样品拉伸试验应力应力- -应变曲线应变曲线 (Hookes Law)Eultimate tensile strength yield strength Chapter3 Properties of Materials22Chapter3 Properties of Materials22J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126, 10226-1

16、0227Chapter3 Properties of Materials23延展性或塑性的表征延展性或塑性的表征 延伸率延伸率 elongation 断面收缩率断面收缩率 reduction of area00100%flll00100%fAAA 5%：脆性材料脆性材料23Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials24Chapter3 Properties of Materials24材料的一些力学性能特点：材料的一些力学性能特点： 很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；很多金属材料既有高的强度，又有良

17、好的延展性； 多晶材料的强度高于单晶材料；多晶材料的强度高于单晶材料； 这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。目的。 固溶体或合金的强度高于纯金属；固溶体或合金的强度高于纯金属； 杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。 多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。 源于共价键的方向性源于共价键的方向性 Chapter3 Properties of Materi

18、als25Chapter3 Properties of Materials25102030 (%)0100200300400500600700800900 (MPa)低碳钢低碳钢锰钢锰钢硬铝硬铝退火球墨铸铁退火球墨铸铁Chapter3 Properties of Materials26Chapter3 Properties of Materials263.2.2 材料的硬度（材料的硬度（hardness)材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度 布氏硬度（布氏硬度（Brinell hardness） 洛氏硬度（洛氏硬度（Rockwell hardness）H

19、R=(K-h)/0.002 维氏硬度（维氏硬度（Vickers hardness）HV=0.189F/d2 22(/ 2)()iFD DDD材料弹性、塑性、材料弹性、塑性、强度和韧性等力学强度和韧性等力学性能的综合指标性能的综合指标 Chapter3 Properties of Materials27Chapter3 Properties of Materials27维氏硬度测量维氏硬度测量Chapter3 Properties of Materials28Chapter3 Properties of Materials28硬度试验硬度试验Chapter3 Properties of Mate

20、rials29Chapter3 Properties of Materials29各种材料的硬度特征：各种材料的硬度特征： 由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高；是因为共价键的强度较高； 无机非金属材料有较高硬度无机非金属材料有较高硬度 离子键和共价键的强度均较高；离子键和共价键的强度均较高； 当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。 金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料

21、的硬金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。度。 高分子材料硬度通常较低高分子材料硬度通常较低 分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱Chapter3 Properties of Materials30Chapter3 Properties of Materials303.2.3 疲劳性能疲劳性能材料抵抗疲劳破坏的能力材料抵抗疲劳破坏的能力 疲劳（疲劳（fatigue）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤

22、，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。全断裂的现象。 Chapter3 Properties of Materials31热容（热容（heat capacity）热膨胀（热膨胀（thermal expansion）热传导（热传导（thermal conduction） Chapter3 Properties of Materials313.3 热性能热性能Thermal PropertyChapter3 Properties of Materials32Chapter3 Properties of Material

23、s32 定压热容定压热容Cp 晶体材料较高温度下：晶体材料较高温度下：Cp=3R=24.9 J mol-1 K-1。 极低温度下：极低温度下： Cp T3 定容热容定容热容CVdTdQC 3.3.1 热容（heat capacity）1mol物质升高1K所需要的热量Chapter3 Properties of Materials33Chapter3 Properties of Materials33 膨胀系数膨胀系数 ：温度变化温度变化1K时材料尺度的变化量。时材料尺度的变化量。 线膨胀系数线膨胀系数 l和体积膨胀系数和体积膨胀系数 V 1 lpllT 1VpVVT3.3.2 热膨胀therm

24、al expansionChapter3 Properties of Materials34Chapter3 Properties of Materials34Curve势能一原子间距离曲线势能一原子间距离曲线假想的假想的实际的实际的热膨胀现象解释热膨胀现象解释Chapter3 Properties of Materials35Chapter3 Properties of Materials35Curve 金属和无机非金属材金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；料的线膨胀系数较小； 聚合物材料则较大。聚合物材料则较大。键强与热膨胀键强与热膨胀膨胀的差异膨胀的差异原子间的键合力越强，则热膨胀系数

25、越小原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。Chapter3 Properties of Materials36Chapter3 Properties of Materials36Examples 热量通量热量通量q ： 热导率热导率 ：表征物质热传导性能的物理量。：表征物质热传导性能的物理量。单位：单位：W m-1 K-1，或，或 cal cm-1 s-1 K-1 1 cal cm-1 s-1 K-1=4.2 102 W m-1 K-1 3.3.3 热热传导（传导（thermal conduction）热量从系统的一部分传到另一部分或由一热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统

26、的现象个系统传到另一个系统的现象dTqdx Chapter3 Properties of Materials37Chapter3 Properties of Materials37各种材料的导热率各种材料的导热率 金属材料有很高的热导率金属材料有很高的热导率 自由电子在热传导中担当主要角色；自由电子在热传导中担当主要角色； 金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响； 晶格振动晶格振动 无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。 热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。

27、 高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大。随温度升高而增大。 半导体材料的热传导：半导体材料的热传导： 电子与声子的共同贡献电子与声子的共同贡献 低温时，声子是热能传导的主要载体。低温时，声子是热能传导的主要载体。 较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。 高分子材料热导率很低高分子材料热导率很低 热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。 Chapter3 Pro

28、perties of Materials38Chapter3 Properties of Materials38ExamplesChapter3 Properties of Materials39Chapter3 Properties of Materials39导电性导电性介电性介电性铁电性铁电性压电性压电性 材料被施加电场时所产生的响应行为材料被施加电场时所产生的响应行为3.4 电性能Electrical PropertyChapter3 Properties of Materials40Chapter3 Properties of Materials402.1.3.5 Electrica

29、l property3.4.1 导电性能导电性能Electrical Conductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）Chapter3 Properties of Materials41Chapter3 Properties of Materials412.1.3.5 Electrical property电阻：电阻：lRA电阻率：电阻率： 电导率：电导率： = 1

30、/ = nZe 要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目（n）和使载流子更易于流动（增大）和使载流子更易于流动（增大 值）值）。 Chapter3 Properties of Materials42Chapter3 Properties of Materials422.1.3.5 Electrical property能带理论（能带理论（Band Theory）能带的形成能带的形成Chapter3 Properties of Materials43Chapter3 Properties of Materials432.1.3.5

31、Electrical property各种材料的能带结构各种材料的能带结构Chapter3 Properties of Materials44Chapter3 Properties of Materials442.1.3.5 Electrical property3.4.2 介电性能介电性能 Dielectric Property电容电容C（capacitance）电荷量电荷量q与电压与电压V的比值：的比值： 平板电容计算：平板电容计算： C = (A/L) ：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力； 相对介电常数相对介电常数 r： r= / 0 C=q/

32、VChapter3 Properties of Materials45Chapter3 Properties of Materials45(2) Dielectric Property某些介电材料的性能某些介电材料的性能Chapter3 Properties of Materials46Chapter3 Properties of Materials46(3) Ferroelectricity3.4.3 铁电性与压电性铁电性与压电性Ferroelectricity and Piezoelectricity铁电滞后现象铁电滞后现象铁电性铁电性材料在除去外电场后仍保持部分极化状态材料在除去外电场后

33、仍保持部分极化状态 Chapter3 Properties of Materials47Chapter3 Properties of Materials47居里温度Tc Curie temperature Chapter3 Properties of Materials48Chapter3 Properties of Materials48(4) Piezoelectricity压电性压电性Piezoelectricity外力外力 极化极化 电场电场Chapter3 Properties of Materials49Chapter3 Properties of Materials49(4) P

34、iezoelectricity常用的压电陶瓷：常用的压电陶瓷：BaTiO3 、PbTiO3、PbZrO3 、 NH4H2PO4（a a）施加一定电压）施加一定电压（b b）施加压力）施加压力 ，产生反向电压，导致两端电压下降，产生反向电压，导致两端电压下降（c c）施加较大电压，材料产生变形）施加较大电压，材料产生变形Chapter3 Properties of Materials50Chapter3 Properties of Materials503.5.1 磁性基本概念磁性基本概念 Hm：磁化强度：磁化强度magnetization m：磁化率：磁化率magnetic susceptib

35、ility3.5 磁性Magnetic PropertyChapter3 Properties of Materials5110/17/2021 5:29:16 AMChapter3, Chemistry of Materials 2008, 51磁性的来源磁性的来源磁偶极子磁偶极子magnetic dipolesThe spin of the electron produces a magnetic field with a direction dependent on the quantum number ms Electrons orbiting around the nucleus c

36、reate a magnetic field around the atom 51Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials52Chapter3 Properties of Materials52 反磁性（反磁性（diamagnetism） m 0 含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料。含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料。 m T-1（居里定理）（居里定理） 一些非过渡金属（例如一些非过渡金属（例如Al）。）。 m与与T无关无关磁场撤去后磁场撤去后磁效应消失磁效应消失 3.5.2 磁性的种类 Cha

37、pter3 Properties of Materials53Chapter3 Properties of Materials53 铁磁性（铁磁性（ferromagnetism） 在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态 。 铁磁居里温度铁磁居里温度ferromagnetic Curie temperature Chapter3 Properties of Materials54Chapter3 Properties of Materials54 反铁磁性（反铁磁性（antiferromagnetism） 在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。在外电场作用下，相

38、邻磁矩反向排列。 Mn、Cr 铁氧体磁性（铁氧体磁性（ferrimagnetism） 不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩。不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩。 代表：磁铁矿代表：磁铁矿Fe3O4铁磁性铁磁性 反铁磁性反铁磁性铁氧体磁性铁氧体磁性 Chapter3 Properties of Materials55Chapter3 Properties of Materials55反铁磁性（反铁磁性（MnO）Chapter3 Properties of Materials56Chapter3 Properties of Materials56磁畴磁畴Magnetic Do

39、main磁畴壁磁畴壁Magnetic Domain Wall磁畴磁畴自旋磁矩在一个个微小区域内自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地自发地”整齐排列整齐排列起起来而形成的磁化小区域。来而形成的磁化小区域。 3.5.3 磁畴和磁化曲线Chapter3 Properties of Materials57Chapter3 Properties of Materials57磁滞回线磁滞回线hysteresis loopChapter3 Properties of Materials58Chapter3 Properties of Materials58软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料 Chapter3 P

40、roperties of Materials59Chapter3 Properties of Materials59光的吸收和透过光的吸收和透过光的反射和折射光的反射和折射材料的颜色材料的颜色3.6 光学性能Optical PropertyChapter3 Properties of Materials60Chapter3 Properties of Materials60 金属材料：不透明；金属材料：不透明； 半导体和其它非金属材料：取决于能隙半导体和其它非金属材料：取决于能隙E Eg g； 晶格热振动：对长波区的可见光和红外光产生吸收；晶格热振动：对长波区的可见光和红外光产生吸收； 高分子

41、材料：无定形透明，结晶影响透明性（晶粒对高分子材料：无定形透明，结晶影响透明性（晶粒对光的散射）光的散射）348-118-1-96.62 10(J s) 3 10 (m s )1240(eV)=6.242 10 (eV J )(nm) 10(nm) 380nm3.26eVhcE 3.6.1 光的吸收和透过Chapter3 Properties of Materials61Chapter3 Properties of Materials61几种无机材料的光透过曲线几种无机材料的光透过曲线 Chapter3 Properties of Materials62Chapter3 Properties of Materials62 金属材料：强反射（金属光泽）；金属材料：强反射（金属光泽）； 电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态释放出能量回到低能态 无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响；无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响； 当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差别越大，反射就越强。别越大，反射就越强。 材料的折射率受其结构影响材料的折射率受其结构影响 单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波