无机非金属材料的性能

1、第二章第二章 无机非金属材料的无机非金属材料的性能性能第一节第一节 热学性能热学性能无机非金属材料的性能综述无机非金属材料的性能综述1.传统无机非金属材料的特性传统无机非金属材料的特性（1）优点：具有抗腐蚀、耐高温的优点。）优点：具有抗腐蚀、耐高温的优点。（2）缺点：质脆、经不起热冲击的弱点。）缺点：质脆、经不起热冲击的弱点。 传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相比，有许多独特的优势，这使得很多行业的科学家相比，有许多独特的优势，这使得很多行业的科学家都对它情有独钟，然而，它的弱点的存在，又使它的都对它情有独钟，然而，它的弱点的存在，又使它的应

2、用范围受到了一定的限制。为此，科学家们进行深应用范围受到了一定的限制。为此，科学家们进行深入的研究和探索，并进行了反复的实验，随之而来的入的研究和探索，并进行了反复的实验，随之而来的便是多种多样具有特殊性能的新型无机非金属材料的便是多种多样具有特殊性能的新型无机非金属材料的问世。问世。 2. 2.新型无机非金属材料的特性新型无机非金属材料的特性（1）耐高温、强度高。）耐高温、强度高。 氧化铝陶瓷（人造刚玉）氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性主要特性高熔点；高熔点；高硬度；高硬度；可制成透明可制成透明陶瓷；陶瓷；无毒、不溶于水，强度高；无毒、不溶于水，强度高；对人体有较好的适应性对人体有较好的适应性

3、 主要用途主要用途高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等瓣膜、人造关节等 高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色金白，在它的灯光高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色金白，在它的灯光下看物清晰，不刺眼。平均寿命长达下看物清晰，不刺眼。平均寿命长达1万小时万小时2万小时，比高压汞灯万小时，比高压汞灯寿命长寿命长2倍，高过白炽灯的寿命倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命最长的灯。早在倍，是目前寿命最长的灯。早在30年代初，人们就已经知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源，年代初，人们就

4、已经知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源，但一直到但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经不断发展改进，才得以年，高压钠灯才呱呱坠地，后经不断发展改进，才得以实际应用。实际应用。 为什么从知道钠蒸气放电为什么从知道钠蒸气放电到高压钠灯的使用经过了二到高压钠灯的使用经过了二十几个年头呢十几个年头呢? 钠蒸气放电会产生超过钠蒸气放电会产生超过1000的高温；钠蒸气有的高温；钠蒸气有强烈的腐蚀作用，所以普通玻璃灯管承受不了钠蒸气强烈的腐蚀作用，所以普通玻璃灯管承受不了钠蒸气放电产生的高温，此时普通玻璃要软化。但氧化铝材放电产生的高温，此时普通玻璃要软化。但氧化铝材料陶瓷能承受高温，又耐腐蚀，

5、透明氧化铝陶瓷的熔料陶瓷能承受高温，又耐腐蚀，透明氧化铝陶瓷的熔点高达点高达2050，能在，能在1600的环境里不受钠蒸气腐的环境里不受钠蒸气腐蚀，因此用氧化铝陶瓷。蚀，因此用氧化铝陶瓷。 材料的热学性能材料的热学性能主要主要包括材料的包括材料的热容热容、热膨胀热膨胀、热传导热传导、热电势和热稳定性等。、热电势和热稳定性等。同学们知道一些应用同学们知道一些应用热学性能的实例吗？热学性能的实例吗？热学性能热学性能热学性能热学性能被子被子声声 子子什么是声子？什么是声子？ 非金属材料非金属材料 自由电子很少自由电子很少 离子晶体（离子构成）离子晶体（离子构成） 共价晶体（原子构成）共价晶体（原子构

6、成）这些质点可以在平衡位置这些质点可以在平衡位置上振动，形成格波，格波上振动，形成格波，格波可以在整个材料中传播。可以在整个材料中传播。声声 子子电磁波电磁波光光 子子晶格原子热振晶格原子热振动波动波声声 子子声声 子子TTTQC)( 固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现 热容：热容：物体温度升高物体温度升高1K所需要增加的热量。所需要增加的热量。 （J/K） 热热 容容恒压热容：恒压热容：加热条件在恒压下进行加热条件在恒压下进行恒容热容：恒容热容：加热条件在恒容下进行加热条件在恒容下进行mTHmTQCppp1)(1)(mTUmT

7、QCvvv1)(1)(热热 容容实际材料中：实际材料中：高温时：高温时： CV为常量为常量3R(杜隆杜隆珀替定律珀替定律) )。低温时：低温时：CV 的实验值并的实验值并不是一个恒量不是一个恒量. . 与与T3成比例，成比例，渐趋于零。渐趋于零。T/K Cv0 常数常数3TC 热热 容容铝挤塞铜制作工艺，将铜材导热速度快和铝材铝挤塞铜制作工艺，将铜材导热速度快和铝材单位质量热容更高的优点结合。单位质量热容更高的优点结合。 你知道生活中材料热容的应用吗？你知道生活中材料热容的应用吗？热热 容容热膨胀：热膨胀： 物体体积或长度随温度升高而增大的现象物体体积或长度随温度升高而增大的现象l线膨胀系数线

8、膨胀系数Tlll0Kl/101065材料：材料：热膨胀热膨胀V体膨胀系数体膨胀系数TVVaV0各向异性的材料：各向异性的材料：各晶轴方向的线膨胀系数不同，各晶轴方向的线膨胀系数不同，假如分别为假如分别为a 、b 、c， 则有则有 各项同性的材料各项同性的材料：cbaVlV3热膨胀热膨胀热膨胀热膨胀原子势能原子势能原子间距关系原子间距关系由于由于原子间作用力是非简谐的，原子间作用力是非简谐的，使得使得原子势能呈非对称。原子势能呈非对称。热膨胀热膨胀 r0是能量的最低处，是能量的最低处，TT, ,质点振动幅度质点振动幅度质点振动能量质点振动能量质点离开平衡质点离开平衡位置位置r r0 0出现两个偏

9、离间距，出现两个偏离间距，最终离开平衡位置的平均最终离开平衡位置的平均距离增加。距离增加。因此：因此： T， 质点距离质点距离 体积体积热膨胀热膨胀如何省力地开如何省力地开启玻璃罐头？启玻璃罐头？热膨胀热膨胀砂锅砂锅热传导热传导t时间内通过时间内通过S截面上的热量为截面上的热量为Q 傅里叶定律： 热流热流q的物理意义：的物理意义：指单位温度梯度下，单位时间内通过指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位单位垂直面积的热量，单位为为J/(m2Sk)或或W/(mK)。dxdTtSQq导热系数导热系数热传导热传导 当存在温度差是，高温端，质点动能增加，和邻当存在温度差是，高温端，质点动

10、能增加，和邻近温度低的质点碰撞程度增加，热量开始传递给近温度低的质点碰撞程度增加，热量开始传递给温度低的质点，依次结果，热量就从高温端传到温度低的质点，依次结果，热量就从高温端传到低温端。低温端。dxdT低温低温高温高温气体材料导热气体材料导热分子间直接碰撞（导热性差），分子间直接碰撞（导热性差），金属材料导热金属材料导热主要是自由电子间碰撞主要是自由电子间碰撞，无机非金属材料导热无机非金属材料导热晶格振动（格波），晶格振动（格波），热辐射热辐射光子（电磁波）光子（电磁波）固体材料中热量是由自由电子、质点振动、热辐射所传递的固体材料中热量是由自由电子、质点振动、热辐射所传递的热传导机制相应的分

11、为三种热传导机制相应的分为三种(二二) 声子热导声子热导(三三) 光子热导光子热导(一一) 电子热导电子热导 无机非金属材料，无机非金属材料，自由电子很少自由电子很少。主要通过。主要通过质点振动形成质点振动形成格波格波，格波在材料中传播，来，格波在材料中传播，来导热。导热。热传导热传导声子：声子：质点热振动能量是量子化的，质点热振动能量是量子化的，声频波的间隔能级声频波的间隔能级hv, , hv是这种量子化弹性波的最是这种量子化弹性波的最小单位，称为量子或声子。小单位，称为量子或声子。声子能量声子能量: hv值大小值大小hvnEn)21( 声子数：声子数：忽略零点能忽略零点能1/2hv，hvE

12、nn热传导热传导温度平衡时：温度平衡时：同样多的振动模式同样多的振动模式 同样多的振动振幅同样多的振动振幅 同样多的声子数同样多的声子数T1低低:较少的振动模式较少的振动模式较小的振动振幅较小的振动振幅较少的声子被激发较少的声子被激发较少的声子数较少的声子数T高高:较多的振动模式较多的振动模式较大的振动振幅较大的振动振幅较多的声子被激发较多的声子被激发较多的声子数较多的声子数低温低温高温高温声子浓度梯度（扩散）声子浓度梯度（扩散）热阻：热阻： 声子扩散过程中的各种散射。声子扩散过程中的各种散射。从晶格格波的声子理论可知：从晶格格波的声子理论可知：热传导过程热传导过程是是声子从高浓度区域到低浓度

13、区的扩散声子从高浓度区域到低浓度区的扩散 过程。如果声子不发生碰撞，声子的扩散速度就是过程。如果声子不发生碰撞，声子的扩散速度就是 热量的传播速度。热量的传播速度。但事实上，但事实上，声子在扩散过程中肯定要发生碰撞声子在扩散过程中肯定要发生碰撞。从而从而 产生热阻。产生热阻。热传导热传导热传导热传导多孔耐火砖：热膨胀系数小；多孔耐火砖：热膨胀系数小； 热导率低。热导率低。第二章第二章 无机非金属材料的无机非金属材料的性能性能第二节第二节 力学性能力学性能孩子吃饭用瓷碗吗？孩子吃饭用瓷碗吗？不用！不用！用不锈钢碗或塑料碗！用不锈钢碗或塑料碗！瓷本身易碎！瓷本身易碎！硬度大、耐磨损硬度大、耐磨损高

14、压钠灯高压钠灯氧化铝陶瓷制品氧化铝陶瓷制品熔点高熔点高透明、耐高压透明、耐高压星式星式氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷球磨机球磨机 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 球磨罐球磨罐材料的力学性能材料的力学性能弹性变形弹性变形 胡克定律胡克定律：材料应力：材料应力-应变关系，在弹应变关系，在弹性限度内，成正比关系，其比例系数性限度内，成正比关系，其比例系数E就是弹性模量。就是弹性模量。xxxxExxyyE 小变形近似，简谐近似；小变形近似，简谐近似； 原子间共振频率与原子折合质量以及弹原子间共振频率与原子折合质量以及弹性常数间的关系为性常数间的关系为弹性变形弹性变形12skm弹性变形弹性变形理想弹性理想弹性：在振动条件下

15、，应力和应变之：在振动条件下，应力和应变之间的关系完全遵从胡克定律，应力与应变间的关系完全遵从胡克定律，应力与应变随时保持同相位。随时保持同相位。滞弹性滞弹性：是指在弹性范围内出现的非弹性：是指在弹性范围内出现的非弹性现象。现象。应变不仅与应力有关，而且与时间应变不仅与应力有关，而且与时间有关有关。弹性变形弹性变形蠕变蠕变：固体材料在恒定荷载下，变形随时间延续而缓：固体材料在恒定荷载下，变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平衡到平衡的过程。当外力除去后，蠕变变形不能立即衡到平衡的过程。当外力除去后，蠕变变形不能立即消失。消

16、失。例如：沥青、水泥混凝土、玻璃和各种金属等在持续例如：沥青、水泥混凝土、玻璃和各种金属等在持续外力作用下，除初始弹性变形外，都会出现不同程度外力作用下，除初始弹性变形外，都会出现不同程度的随时间延续而发展的缓慢变形（蠕变）。的随时间延续而发展的缓慢变形（蠕变）。 弹性后效：弹性后效：当外力除去后，应变只消失一部当外力除去后，应变只消失一部分，另一部分随时间慢慢消失，其实不能立分，另一部分随时间慢慢消失，其实不能立即消失的应变是蠕变应变，不能立即消失。即消失的应变是蠕变应变，不能立即消失。弹性变形弹性变形000(t)tRReMM弹性变形弹性变形 无机非金属材料：硬度高；无机非金属材料：硬度高；

17、 应用最广泛之测硬度方法：维氏硬度应用最广泛之测硬度方法：维氏硬度（HV）；）； 温度上升，硬度下降温度上升，硬度下降。硬度与强度硬度与强度硬度与强度硬度与强度 脆性断裂（低温，常温下无机非金属材脆性断裂（低温，常温下无机非金属材料）；料）； 延性断裂（金属材料）；延性断裂（金属材料）； 蠕变断裂（高温下合金与陶瓷）。蠕变断裂（高温下合金与陶瓷）。材料的断裂材料的断裂 材料的理论断裂强度材料的理论断裂强度材料的断裂材料的断裂0TEa 材料的理论断裂强度高达材料的理论断裂强度高达E/5到到E/10； 除很细的石英玻璃纤维和氧化铝晶须而除很细的石英玻璃纤维和氧化铝晶须而外，外，大部分材料实际断裂强

18、度仅仅只有大部分材料实际断裂强度仅仅只有E/100到到E/1000！材料的断裂材料的断裂材料的断裂材料的断裂为何断裂强度为何断裂强度的理论值与实的理论值与实际值差别如此际值差别如此之大？之大？材料的断裂材料的断裂 无机非金属材料缺陷，萌生出微裂纹；无机非金属材料缺陷，萌生出微裂纹； 微裂纹应力集中，微裂纹扩展。微裂纹应力集中，微裂纹扩展。材料的断裂材料的断裂第二章第二章 无机非金属材料的无机非金属材料的性能性能第三节第三节 其他物理与化学性能其他物理与化学性能介电陶瓷介电陶瓷锂离子电池锂离子电池 快离子导体快离子导体收音机喇叭收音机喇叭吸铁石吸铁石收音机喇叭上的吸铁石收音机喇叭上的吸铁石不是铁

19、磁体！不是铁磁体！车窗玻璃车窗玻璃 电学性能电学性能 磁学性能磁学性能 光学性能光学性能 化学性能化学性能其他物理与化学性能其他物理与化学性能其他物理与化学性能其他物理与化学性能 导导 体体： 10 10 。 其中其中 纯金属纯金属：10 10 10 10 合金合金：10 10 10 10 。 半导体半导体：在在10 10 10 10 。 绝缘体绝缘体：10 10 。 5 58 87 77 75 55 59 99 9m mmmmm除快离子导体外，无机非金属材料一般属于除快离子导体外，无机非金属材料一般属于绝缘体与半导体。绝缘体与半导体。m 离子导电性离子导电性其他物理与化学性能其他物理与化学性

20、能除了常见的自除了常见的自由电子导电而由电子导电而外，离子能否外，离子能否贡献电导？贡献电导？肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷AgBr中的中的Frenkel缺陷缺陷 KCl中的中的Schottky缺陷缺陷Br-Ag+Cl-K+其他物理与化学性能其他物理与化学性能 离子迁移所需活化能；离子迁移所需活化能； 无序的热运动；无序的热运动； 如果是由大半径的阴离子构成骨架，并且如果是由大半径的阴离子构成骨架，并且对阳离子束缚能力弱，有大量空隙，阳离对阳离子束缚能力弱，有大量空隙，阳离子可在空隙自由移动子可在空隙自由移动快离子导体快离子导体。其他物理与化学性能其他物理与化学性能三、能带理

21、论三、能带理论 晶体中，由于原子之间的相互作用，原子中晶体中，由于原子之间的相互作用，原子中的能级将的能级将“展开展开”，电子也可以从一个原子移，电子也可以从一个原子移到另一个原子上，从而不断的在晶体中运动。到另一个原子上，从而不断的在晶体中运动。电子的这种运动叫做共有化。电子的这种运动叫做共有化。其能量是量子化其能量是量子化的，每个能级只能容纳两个自旋方向相反的电的，每个能级只能容纳两个自旋方向相反的电子。子。由于晶体中电子能级间的间隙很小，可以由于晶体中电子能级间的间隙很小，可以把能级分布看成是准连续的，称为把能级分布看成是准连续的，称为能带能带。其他物理与化学性能其他物理与化学性能能量是

22、能量是“量子化量子化”的，的，n为量子数；为量子数；能带是能带是整个晶体的性质整个晶体的性质，不是个别原子的性质。，不是个别原子的性质。其他物理与化学性能其他物理与化学性能能能 带带 固体中原子的能级展成能带以后，原子中固体中原子的能级展成能带以后，原子中原有的电子也就填充在能带中；（原有的电子也就填充在能带中；（对应于对应于原子中电子由低能级向高能级排布，固体原子中电子由低能级向高能级排布，固体中电子也是由低能带向高能带填充的中电子也是由低能带向高能带填充的） 对于半导体与绝缘体，是刚好填满低能量对于半导体与绝缘体，是刚好填满低能量的几个能带，而被填满的最高能带上方是的几个能带，而被填满的最

23、高能带上方是禁带，禁带上方则是一个电子也没有的空禁带，禁带上方则是一个电子也没有的空能带。而导体则是有半空半满的非满能带。能带。而导体则是有半空半满的非满能带。其他物理与化学性能其他物理与化学性能 只有只有非满带非满带的电子才参与导电。的电子才参与导电。其他物理与化学性能其他物理与化学性能 介电性：绝缘体又叫电介质。介电性：绝缘体又叫电介质。 绝缘体绝缘体 绝缘绝缘 存储电能存储电能如同水坝拦水，有水位差而如同水坝拦水，有水位差而无水流，存储水能一样，绝无水流，存储水能一样，绝缘体相当于一道缘体相当于一道“电的堤电的堤坝坝”，能够存储电能。，能够存储电能。 Q:电介质不同的电容器，电位相同时，

24、所存储的电介质不同的电容器，电位相同时，所存储的电荷是否相同？电荷是否相同？其他物理与化学性能其他物理与化学性能+-+-+平板电容器的电容量：平板电容器的电容量： 称静态介电常数称静态介电常数极板间为真空时的电容：极板间为真空时的电容：0 0为真空介电常数为真空介电常数 当两极板间放入电介质，相同电位差时由于当两极板间放入电介质，相同电位差时由于电介质极化产生的表面感应电荷部分屏蔽了极板电介质极化产生的表面感应电荷部分屏蔽了极板产生的静电场，使极板上的电荷增多，电容增大产生的静电场，使极板上的电荷增多，电容增大（根据（根据C=Q/U)。 r r称称相对介电常数。相对介电常数。 其他物理与化学性

25、能其他物理与化学性能其他物理与化学性能其他物理与化学性能 研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化磁化强度强度M与外磁场强度与外磁场强度H和温度和温度T的关系，在一定的关系，在一定温度下，定义：温度下，定义：MH 称为物质的称为物质的磁化率磁化率，即单位外磁场强度下材，即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也是物质磁性分类的主要依据。是物质磁性分类的主要依据。其他物理与化学性能其他物理与化学性能 因此物质内部

26、的磁感应强度可以确定为因此物质内部的磁感应强度可以确定为 磁矩磁矩p在磁感应强度为在磁感应强度为B的磁场中，所受力矩为的磁场中，所受力矩为 所具有的静磁能为所具有的静磁能为HHHHMHJHBr00000)1 ()()(BpLBpE其他物理与化学性能其他物理与化学性能 顺磁体；顺磁体； 抗磁体；抗磁体； 铁磁体；铁磁体； 亚铁磁体（铁氧体磁性）；亚铁磁体（铁氧体磁性）； 反铁磁体。反铁磁体。其他物理与化学性能其他物理与化学性能其他物理与化学性能其他物理与化学性能M铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料H0 收音机喇叭上的吸铁石的化学成分是收音机喇叭上的吸铁石的化学成分是Fe3O4，